高架斜坡道路三維交通噪聲動態模擬

王 超，蔡 銘，王海波，李 軍，丁建立

1.中山大學工學院，廣東省智能交通系統重點實驗室，廣東 廣州 510006

2.中國民航大學，中國民航信息技術科研基地，天津 300300

高架斜坡道路三維交通噪聲動態模擬

王 超1，蔡 銘1，王海波1，李 軍1，丁建立2

1.中山大學工學院，廣東省智能交通系統重點實驗室，廣東 廣州 510006

2.中國民航大學，中國民航信息技術科研基地，天津 300300

為研究高架斜坡道路聲場分布規律，根據城市快速路設計規范建立相應的斜坡道路模型，通過微觀交通仿真軟件結合噪聲計算插件對其進行噪聲動態模擬，獲取三維空間的噪聲值及道路垂直截面聲場分布圖，給出高架斜坡道路的聲場分布規律。結果表明:高架斜坡道路上下坡兩側聲場分布不對稱，上坡一側聲影區界限劃分較為明顯，而下坡一側聲影區界限劃分不明顯；下坡側接受點在高度4～20 m時,噪聲值大于上坡側對稱點處的噪聲值。

交通噪聲；高架斜坡道路；微觀交通仿真

高架斜坡道路為高架快速路與地面道路的連接部分。由于斜坡段路面高度持續變化，且車輛在斜坡上運行時加減速行為更為頻繁，車輛排放噪聲隨運動狀態變化。因此，高架斜坡道路的聲場分布也更為復雜多變。

高架斜坡道路聲場分布研究方法主要有實地監測法、模型計算法和計算機模擬法。實地監測法能反映實際噪聲水平，但監測結果受外界隨機因素影響較大，有效性無法保證。模型計算法通過分析坡度對車輛噪聲排放模型的影響并結合噪聲傳播規律得出斜坡道路的聲場分布規律。陳子明等[1]通過分析得出了關聯車速和道路坡度的單車噪聲排放模型，結合噪聲傳播得出斜坡道路的周圍噪聲水平。模型計算法有一定的理論依據作支撐，但對于實際復雜因素的分析不全面。計算機模擬方法中第一個途徑是通過靜態的噪聲模擬軟件(如Cadna/A、SoundPLAN等)模擬。蓋磊等[2-3]運用這2種軟件對高架復合道路聲場模擬計算，得到高架復合道路垂直截面聲場的分布規律。但軟件中噪聲計算模型都是基于某一特定區域標準規范，模型參數需要針對特定區域修正，過程繁瑣。計算機模擬方法中第二個途徑是基于微觀交通仿真的交通噪聲動態模擬。該方法對車輛運動模擬同時結合單車排放模型和傳播模型，實時計算噪聲。CAN等[4-6]在交通噪聲動態模擬方面進行了相關的研究，揭示了間斷流狀態下的交通噪聲傳播分布規律，建立了相關的評價系統。李鋒等[7-10]針對城市特殊交通場景下的交通噪聲獲得了很多有用的研究成果。但鮮有研究對高架斜坡道路進行交通噪聲動態模擬研究。本文采取交通噪聲動態模擬方法研究高架斜坡道路周圍聲場分布規律，通過聲場分布圖直觀地顯示高架斜坡道路周圍聲場分布及噪聲污染情況，結合相應的統計聲級及噪聲污染級，為制定污染防治措施提供決策依據。

1 實驗原理

1.1 交通噪聲動態模擬方法

交通噪聲動態模擬方法基于微觀交通仿真，通過模擬車輛微觀交通行為，追蹤每一輛車的實時位置和運動狀態，實現對每輛車排放噪聲的精確計算，再結合噪聲傳播模型，實現高架斜坡道路的交通噪聲動態模擬。

動態仿真追蹤每一時間步長每一輛車對接受點的噪聲貢獻值，每一輛車都作為一個獨立的無指向性點聲源存在。第i秒第j車輛對接收點的噪聲貢獻值Lp(i,j)計算公式：

(1)

式中：L0為考慮單車噪聲輻射聲級；r0為參考點處距離；rij為第i秒第j輛車至接收點的距離，m；ΔL為聲音經過高架護欄或聲屏障的繞射衰減量。

仿真時段T內N輛車對接收點處的噪聲貢獻值Leq為：

(2)

1.2 交通噪聲模型

1.2.1 單車噪聲排放模型

單車噪聲排放模型采用林郁山等[11]以廣州市實驗數據為基礎建立的考慮加速度的車輛源強排放模型。根據《環境影響評價技術導則-聲環境》[12]需要對道路縱坡進行修正，不同車型關聯道路縱坡度對聲源排放的修正量ΔLg：

(3)

(4)

(5)

式中β為公路縱坡坡度(%)。

1.2.2 交通噪聲傳播模型

高架道路兩側一般都會設置0.85 m高的護欄。車輛在斜坡及高架道路上行駛時，噪聲傳播由于受到護欄的遮擋，會形成不同的聲影區域[13]，如圖1所示。

圖1 垂直截面聲場分布示意圖

在聲照區，接收點噪聲來自于車輛的直達聲，傳播路徑為SiPi；在聲影區1，接收點噪聲為車輛一次衍射貢獻，傳播路徑為SiAiPi；在聲影區2：接收點噪聲為車輛2次衍射貢獻，傳播路徑為SiAiBiPi。高架道路及斜坡路段設置的護欄在噪聲傳播過程中視為一定高度聲屏障衰減作用，點聲源經過聲屏障的繞射衰減量ΔLb。

2 高架斜坡道路仿真實驗

2.1 仿真實驗參數設定

在微觀交通仿真實驗中，分別設置道路及車流屬性。根據《城市快速路設計規程》(CJ 129—2009)[14]中對道路縱坡、坡長及設計車速規定設計仿真實驗。高架斜坡道路前段部分地面平直路段，后段部分為高架平直路段。斜坡路段具體道路屬性信息如表1所示。

表1 仿真實驗道路屬性信息

車流屬性：上下行交通量各為800輛/h；大、中、小型車比例分別為15%、15%、70%。仿真時長1.5 h，采樣時間為中間1 h?？臻g網格點間隔為1 m×1 m×1 m。道路坐標系統設定如圖2所示。

2.2 斜坡高架交通噪聲動態模擬

高架斜坡交通噪聲動態模擬流程如圖3所示。先建立高架斜坡道路模型，設置車流屬性和道路屬性，再將單車噪聲排放模型及傳播衰減模型編寫成API函數噪聲計算插件，對交通流仿真的同時，實時計算空間接收點的交通噪聲值。

圖2 高架斜坡道路坐標系統示意圖

圖3 高架斜坡道路動態交通噪聲模擬

3 斜坡高架交通噪聲規律分析

3.1 特定縱坡度下斜坡道路垂直截面聲場分布

根據表1中仿真實驗編號1要求，建立高架斜坡道路模型。選取Y=100 m，斜坡路面高H=5 m處XOZ截面聲場分布圖進行研究，結果如圖4所示。

圖4 Y=100 m處XOZ截面聲場(單位dB)分布圖

從圖4可以看出，上坡段車輛排放噪聲明顯高于下坡段車輛排放噪聲。斜坡高架聲場分布均有4條褶皺線，形成不同的聲影區域。這是由于，4條車道上車輛行駛噪聲經過護欄遮擋繞射會形成衍射分界線，對應形成聲場分布圖的4條褶皺線。

高架斜坡道路的上坡一側聲照區到聲影區的分界線比下坡一側的分界線更為明顯。由于下坡車輛排放噪聲減小，上坡車輛排放噪聲增大，使得下坡段兩條車道上的車輛對上坡一側噪聲貢獻值減小，而上坡段兩條車道上的車輛對下坡一側噪聲貢獻值增大，因此造成上坡一側聲照區過渡到聲影區的分界線明顯，而下坡一側聲照區過渡到聲影區的分界線不明顯。

3.2 特定縱坡度下斜坡道路側面聲場分布

本次噪聲模擬計算只針對斜坡路段上車輛，不考慮斜坡段前后平直路段上車輛噪聲影響。斜坡路段車道平面示意圖如圖5所示。

圖5 斜坡段車道平面示意圖

選取X=±40 m處YOZ截面作為研究對象，側面聲場分布如圖6和圖7所示。

圖6 X=-40 m處YOZ截面小時等效聲級(單位dB)分布圖

圖7 X=40 m處YOZ截面小時等效聲級(單位dB)分布圖

從圖6和圖7可以看出，道路兩側聲場分布不對稱。最下方聲影區上坡一側明顯較高，但在某一高度范圍上坡一側則較小，該高度范圍取決于坡度及接收點距路側邊緣距離。

選取點A(-40,120)和點B(40,120)豎直高度上噪聲變化情況，變化曲線如圖8所示。

圖8 噪聲隨高度變化情況 (坡度5%)

從圖8可以看出，隨高度增加，噪聲先增大后減小，且在4～20 m高度范圍內下坡一側噪聲大于上坡一側噪聲。

分別模擬計算上坡車輛及下坡車輛對點A、點B豎直方向的噪聲貢獻值，結果如圖9所示。

圖9 上、下坡車輛對點A和點B噪聲貢獻情況(坡度5%)

0～100 m高度范圍內，上坡車輛對點A和點B豎直方向的平均噪聲貢獻值分別為63.79、63.96 dB，而下坡車輛對點A、點B豎直方向的平均噪聲貢獻值分別為60.44、60.29 dB。結合圖9可知，上坡車輛對兩側噪聲貢獻值整體上高于下坡車輛對斜坡兩側的噪聲貢獻值。

當坡度為5%時，在4～20 m高度范圍內，上坡車輛對下坡側的貢獻值大于其對上坡側的貢獻值，而下坡車輛對上坡側的噪聲貢獻值大于其對上坡側的噪聲貢獻值。可見，上坡側護欄對下坡車輛噪聲遮擋大于下坡側護欄對上坡車輛噪聲遮擋。因此，在4～20 m高度范圍內下坡一側噪聲大于上坡一側噪聲。

3.3 不同縱坡度下斜坡道路垂直截面聲場

為對比不同設計縱坡度及設計車速要求下的噪聲污染情況，根據表1中仿真實驗編號2和編號3要求對斜坡段設置道路屬性，交通流屬性與實驗編號1保持一致，車流屬于自由流狀態。分別進行仿真實驗，結果選取2種情況下Y=100 m處的XOZ道路垂直截面的小時等效聲級聲場分布圖(見圖10和圖11)。

圖10 坡度為3% 垂直截面聲場(單位dB)分布圖

圖11 坡度為4% 垂直截面聲場(單位dB)分布圖

從圖4、圖10和圖11可以看出，隨著設計縱坡度的減小，上下坡車輛單車排放噪聲差距減小，道路兩側聲場呈現對稱趨勢。而由于坡度減小，車道設計車速提高，在非飽和流情況下，車流速度相應提高，因此使整個斜坡路段周圍聲場的噪聲污染水平更高。

選取3種坡度情況下點C(-40,100)位置處噪聲隨高度變化情況進行比較，結果見圖12。

圖12 不同縱坡噪聲隨高度變化情況

從圖12可以看出，3種情況下，噪聲都是隨高度增加先快速增加，然后緩慢減小。對比坡度為4%、5% 2種情況，坡度為3%時噪聲隨高度的變化是圓滑過渡，無明顯跳變過程。這是由于，當道路設計縱坡度減小時，道路設計車速提高，在自由流狀態下，車輛實際行駛速度會相應提高并穩定在設計車速左右，坡度引起的兩側聲場差異減小，車速為主要影響因素。因此，路面以上兩側聲衍射過渡趨于平滑，無明顯的聲影區分界線。

設計縱坡度分別為3%、4%、5%時，0～100 m高度范圍內各自的噪聲平均值分別為68.87、66.97、65.09 dB?？梢钥闯?，道路縱坡為5%、設計時速為60 km/h時，噪聲的影響是3種設計規范中最小的。因此，當減小城市快速路設計縱坡時，相應的會提高其設計車速，在車流量穩定狀態下，車輛以自由流狀態行駛時，會加劇周圍區域噪聲污染。

3.4 交通噪聲動態變化

采用基于微觀交通仿真的交通噪聲動態模擬方法，因此該方法在模擬過程中可以得到三維空間任意一點的實時噪聲值。以坡度為5%場景下點D(-40,100,10)點E(40，100，10)為例，仿真采樣時間為1 h，采樣間隔為1 s，總共獲取3 600個噪聲數據。根據實時噪聲值可得到在1 h內這2個點的噪聲實時變化情況。對3 600個實時噪聲值統計分析可得到相應的統計聲級，計算噪聲污染級LNp，結果如表2所示。根據噪聲實時變化情況及對應的統計聲級等，可作為噪聲評價依據。

表2 上下坡對稱點處統計聲級

4 結論

基于微觀交通仿真，建立了高架斜坡道路交通噪聲動態模擬方法，實現了斜坡道路區域三維動態交通噪聲模擬，并且得到高架斜坡道路三維空間點的實時噪聲值。

高架斜坡道路的交通噪聲動態模擬揭示并分析了斜坡道路聲場的分布規律及其變化情況：高架斜坡道路兩側聲場分布不對稱。上坡一側聲照區到聲影區分界線比下坡一側聲照區到聲影區分界線更為明顯。縱坡為5%。在4～20 m高度范圍內，下坡一側噪聲大于上坡一側噪聲。

根據設計規范中對城市快速路縱坡度及設計車速規定，當減小城市快速路的設計縱坡時，其設計車速會相應提高，在自由流狀態下，車輛自由行駛速度會隨之提高，此時，道路兩側噪聲變化趨于平緩，周圍噪聲增加。當道路縱坡坡度為5%，設計時速為60 km/h時噪聲的影響為設計要求中最小，且在0～100高度內平均噪聲值為65.09 dB。

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Dynamic Simulation of Traffic Noise Based on Microscopic Traffic Simulation on Elevated Sloping Road

WANG Chao1, CAI Ming1, WANG Haibo1, LI Jun1, DING Jianli2

1.School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System, Guangzhou 510006, China

2.Information Technology Research Base of Civil Aviation Administration of China, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China

To investigate the distribution of acoustic field on elevated sloping road, the sloped section models are built according to the Specification for design of urban expressway, and the Paramics microscopic traffic simulation software with noise analysis module is employed to calculate the 3D noise values and obtain the vertical acoustic fields. The characteristic distribution of the acoustic field is summarized with the theoretical analysis. The results shows that the acoustic shadow zone on the uphill side is more significant than that on the downhill side, the noise levels on the downhill side was higher than that on the uphill side within the 4-20 meters range of height.

traffic noise;elevated sloping road;microscopic traffic simulation

2014-12-19;

2015-09-11

國家自然科學基金資助項目(51178476,11574407)；廣東省科技計劃項目(2015B010110005)；中國民航信息技術科研基地開放課題基金項目(CAA-ITRB-201308)

王 超(1990-)，男，江蘇揚州人，在讀碩士研究生.

李 軍

X827

A

1002-6002(2016)01- 0075- 05