基于微觀交通仿真的公交車站交通噪聲動(dòng)態(tài)模擬

李鋒，王璐，蔡銘

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，汽車學(xué)院，廣州 510665；2.云南省交通科學(xué)研究所，昆明 650011；3.中山大學(xué)，廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

基于微觀交通仿真的公交車站交通噪聲動(dòng)態(tài)模擬

李鋒1，王璐2，蔡銘3

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，汽車學(xué)院，廣州 510665；2.云南省交通科學(xué)研究所，昆明 650011；3.中山大學(xué)，廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

公交車噪聲是城市交通噪聲源的重要成份，對(duì)公交車站噪聲的模擬分析是交通噪聲防治的重要基礎(chǔ)工作.利用聲能疊加原理建立了公交車站交通噪聲動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，并結(jié)合微觀交通仿真工具實(shí)現(xiàn)了公交車站附近交通噪聲的動(dòng)態(tài)模擬.通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)獲得了實(shí)際公交車站的交通流數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了方法的有效性和實(shí)用性.

交通仿真；公交車；噪聲；動(dòng)態(tài)模擬

引言

交通噪聲是城市環(huán)境噪聲的重要污染源之一，對(duì)車輛噪聲的測(cè)量，建立交通噪聲預(yù)測(cè)模型是城市交通噪聲防治的重要基礎(chǔ)工作.城市公交車以大型車為主，具有聲級(jí)高頻率低的特點(diǎn)，是城市交通噪聲源的重要成份［1，2］.長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于公交車噪聲方面做了大量研究工作，建立了各種噪聲預(yù)測(cè)模型［3-5］.然而這些模型大多屬靜態(tài)模型，只能計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的等效聲級(jí)，無(wú)法反映噪聲的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合微觀交通仿真的交通噪聲動(dòng)態(tài)模擬方法日漸成熟并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.目前這種方法已被用于研究十字交叉口［6-7］、環(huán)形交叉口［8-9］、城市局部路網(wǎng)的交通噪聲時(shí)空分布［10］，但對(duì)公交車站附近交通噪聲的關(guān)注仍然較少.

為此，本文采用結(jié)合微觀交通仿真的交通噪聲動(dòng)態(tài)模擬方法，建立公交車站附近交通噪聲的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型.對(duì)實(shí)際公交車站附近交通噪聲進(jìn)行模擬計(jì)算，并采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，探討公交車站附近的噪聲規(guī)律，為公交車的噪聲預(yù)測(cè)和防治提供依據(jù).

1 原理與方法

1.1 基于微觀交通仿真的車輛噪聲模擬方法

采用微觀交通仿真、車輛噪聲源排放模型和噪聲傳播衰減模型相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)交通噪聲的動(dòng)態(tài)模擬.微觀交通仿真采用Paramics軟件實(shí)現(xiàn)，Paramics軟件是英國(guó)Quadstone Limited公司開發(fā)的用于模擬和分析實(shí)際的道路交通狀況的軟件包.Paramics具備路網(wǎng)建模、信號(hào)及車輛控制、路徑誘導(dǎo)、數(shù)據(jù)分析等功能，同時(shí)為用戶提供了豐富的API函數(shù)和編程接口.獲取信息標(biāo)準(zhǔn)代碼QPG定義了Paramics中獲取信息的函數(shù)，通過調(diào)用這些函數(shù)就可以獲得Paramics仿真時(shí)的各種實(shí)時(shí)更新的內(nèi)部信息，相應(yīng)車道的車流量、車速、坐標(biāo)等信息都可以通過編寫插件調(diào)用API函數(shù)獲得.基于微觀交通仿真的交通噪聲模擬算法流程如圖1所示，具體步驟如下：

（1）判斷是否是整秒，如果是就初始化噪聲能量值，如果不是則退出；

（2）調(diào)用Paramics提供的QPG函數(shù)提取車輛的速度、加速度、坐標(biāo)、車型等信息，并利用噪聲排放公式計(jì)算該車的噪聲排放量；

（3）判斷噪聲從車輛傳播到接收點(diǎn)的過程中是否受到公交站牌的遮擋，如受到遮擋則進(jìn)行噪聲衍射衰減計(jì)算；

（4）計(jì)算該車在接收點(diǎn)處的噪聲能量貢獻(xiàn)值；

（5）判斷是否為這一秒內(nèi)道路上的最后一輛車，如果是則退出，如果不是則計(jì)算下一輛車的噪聲值；

（6）將這一秒內(nèi)所有車輛的噪聲值進(jìn)行能量疊加，計(jì)算出總噪聲值.

圖1 基于微觀交通仿真的交通噪聲模擬算法流程

1.2 公交車站附近交通噪聲的計(jì)算模型

在動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算過程中，將每一輛車視為半自由聲場(chǎng)中的點(diǎn)聲源，在不考慮空氣及地面吸收的情況下，道路上第i秒鐘第j輛車第k種車在接收點(diǎn)處的聲級(jí)可表示為：

式中：L0（i，j，k）表示為第i秒鐘第j輛車第k種車在參考點(diǎn)處的噪聲排放量（dB）；r0為參考距離，r0=7.5m；ri，j，k為第i秒鐘第j輛車第k種車到接收點(diǎn)的距離（m）；ΔLbarrier（i，j，k）為公交站牌所引起的噪聲衰減量，（dB）.

那么第i秒道路上所有k種車在接收點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲值為：

式中：Ni，k為第i秒第k種車型的車輛數(shù).則第i秒道路上所有車輛的噪聲值為：

計(jì)算中，我們將所有的車輛分為4種類型；公交車、除公交車外的大型車、中型車以及小型車.當(dāng)k等于不同的值時(shí)，表示不同的車型.在前期工作中，各種車型的噪聲源排放水平已通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定［11］，［12］，具體如下：

小型車：

最后，在計(jì)算時(shí)間T內(nèi)，接收點(diǎn)上的總等效聲級(jí)為：

2 模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證模擬結(jié)果，選取廣州市濱江東路的中山大學(xué)北門公交車站作為驗(yàn)證實(shí)例，進(jìn)行實(shí)地的交通量和交通噪聲的數(shù)據(jù)采集，實(shí)地測(cè)量的道路場(chǎng)景如圖2所示，所測(cè)公交站前后300m范圍內(nèi)相反方向車行道上不設(shè)有公交車站.總共調(diào)查了3次，每次30分鐘.交通量的調(diào)查采用人工計(jì)數(shù)的方法，分車道記錄各車型的車輛數(shù).濱江東路為雙向4車道，車道寬度約3.5m.公交站牌的實(shí)際尺寸如下圖所示，設(shè)置站牌所在的平面為XOZ平面，地面所在平面為XOY平面，站牌最右側(cè)邊緣線所在的直線為Z軸，站牌距離道路邊緣線的距離為2m，每條道路寬度為3.7m，站牌的頂端和底端邊緣線的繞射高度分別為3m、0.5m.按照實(shí)際的幾何參數(shù)對(duì)該路段進(jìn)行仿真建模.根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況，設(shè)置5個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（單位m）：測(cè)點(diǎn)1（-32.2，-2，1.2）、測(cè)點(diǎn)2（-18.5，-2，1.2）、測(cè)點(diǎn)3（-9，-2，1.1）、測(cè)點(diǎn)4（18.8，-2，1.2）和測(cè)點(diǎn)5（100，-2，1.2）.

通過調(diào)查得到，車輛在路段上運(yùn)行的平均速度為45km/h，公交車進(jìn)站時(shí)減速度為1m/s2，出站時(shí)加速度為0.44m/s2，平均停車時(shí)間為15s.統(tǒng)計(jì)各車道交通量如表1所示，公交車在3個(gè)時(shí)段的平均到達(dá)率分別為58veh/h、60veh/h和78veh/h.

圖2 公交站示意圖（單位：m）

表1 搖交通量統(tǒng)計(jì)表

將調(diào)查數(shù)據(jù)代入本文所建立的公交車站交通噪聲計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算.以第一次調(diào)查的30分鐘為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5的各1800個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出四個(gè)測(cè)點(diǎn)的高峰噪聲值從小到大依次為測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5.測(cè)點(diǎn)3由于受到公交站牌的遮擋，噪聲值明顯減?。粶y(cè)點(diǎn)2處于公交車減速進(jìn)站階段，公交車在減速時(shí)的噪聲值與減速度成反比，加之減速逐漸較小，所以測(cè)點(diǎn)2的噪聲值有所降低；測(cè)點(diǎn)4處于公交車加速出站的階段，由于加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，公交車的噪聲值與加速度成正比，同時(shí)速度在不斷增加，因此噪聲值也隨之增加；而測(cè)點(diǎn)5地處公交車站的下游，此時(shí)車流已經(jīng)趨于勻速運(yùn)行的狀態(tài)，車速較大，因此測(cè)點(diǎn)5的噪聲值也最大.

圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

將等效聲級(jí)的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.模擬結(jié)果的平均誤差小于1.5 dB(A)，最大誤差小于3 dB(A)，可見基于微觀交通仿真技術(shù)的公交車交通噪聲動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型具有較高的預(yù)測(cè)精度.實(shí)際上，測(cè)點(diǎn)3的位置剛好設(shè)置在公交站牌的正后方，由于公交站牌對(duì)噪聲的遮擋作用，實(shí)測(cè)噪聲值明顯減小.同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)在仿真計(jì)算時(shí)，站牌的計(jì)算衰減值明顯大于實(shí)測(cè)衰減值，這主要是因?yàn)檎九平Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，雖然在仿真時(shí)已經(jīng)盡量考慮站牌的每一條邊緣對(duì)噪聲的衰減影響，但仍然無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際的情況，加之受現(xiàn)場(chǎng)其它噪聲的影響，導(dǎo)致仿真衰減值偏大.

表2 搖模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

公交車噪聲具有聲級(jí)高、頻率低的特點(diǎn)，與其它路段相比，公交車站附近區(qū)域的噪聲污染情況更為嚴(yán)重，是城市道路交通噪聲預(yù)測(cè)與防治中的重要考慮因素.本文利用微觀交通仿真工具，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的車輛噪聲源排放模型和噪聲傳播衰減模型對(duì)公交車站附近區(qū)域的噪聲進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬.所建立的模型經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，可用于對(duì)城市公交車站附近噪聲的預(yù)測(cè)和分析，在城市交通噪聲的防治中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

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［責(zé)任編輯：王曉軍］

Dynamic Traffic Noise Simulation for a Bus-stop Based on Microscopic Traffic Simulation

LI Feng1,WANG Lu2,CAI Ming3

（1.School of Automotive Engineering,GuangDong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510665,China; 2.Yunnan Science Research Institute of Communication&Transportation,Kunming,650011,China;
3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System, Sun Yat-sen University,Guangzhou,510006,China）

Bus noise is an important component of urban traffic noise source.Simulation and analysis on busstop noise is an important basic work of traffic noise control.A dynamic traffic noise calculation model for busstops is established according to the sound energy superposition principle.Then combining with microscopic traffic simulation tool,the dynamic simulation on traffic noise near a bus-stop is realized.The traffic flow data and noise data are obtained from the field investigation.The simulation results are tested with the experimental data,and the validity and practicability of the method are proved.

Traffic simulation;Bus;Noise;Dynamic simulation

TP 399

A

1672-402X（2016）11-0053-04

2015-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(11574407)、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B010110005)資助.

李鋒（1983-），男，廣東河源人，博士，廣東技術(shù)師范學(xué)院汽車學(xué)院教師.研究方向：城市交通規(guī)劃與環(huán)境.