鐵路服役期長(zhǎng)期噪聲數(shù)據(jù)獲取方法淺析

宣曉梅，李志強(qiáng)，李晏良，辜小安

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

引言

從整體環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)講，鐵路在大宗貨物運(yùn)輸以及聯(lián)運(yùn)和客運(yùn)交通方面比其他運(yùn)輸方式更具有優(yōu)勢(shì)，但是鐵路運(yùn)輸引起的噪聲污染問(wèn)題不可小覷，不僅影響身心健康，更會(huì)成為制約高速鐵路提速和發(fā)展的關(guān)鍵因素。能夠獲取鐵路服役期間穩(wěn)定持續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)是分析鐵路噪聲機(jī)理、噪聲源及開展噪聲防治工作的前提，而目前我國(guó)鐵路車外噪聲數(shù)據(jù)依然依靠人工采集，很難獲取長(zhǎng)期、穩(wěn)定、持續(xù)的數(shù)據(jù)。德國(guó)2019年4月剛剛投入使用的實(shí)時(shí)噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)收集了一年多的鐵路噪聲數(shù)據(jù)，為鐵路行業(yè)開展噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)活動(dòng)起到了示范作用。在此之前德國(guó)鐵路大量噪聲數(shù)據(jù)獲取的另一個(gè)渠道就是噪聲地圖[1]，經(jīng)過(guò)三次修訂后的鐵路噪聲地圖已經(jīng)形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，覆蓋范圍寬廣。借助實(shí)時(shí)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和噪聲地圖，德國(guó)將積累大量鐵路服役期間的穩(wěn)定持續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)。充分了解德國(guó)現(xiàn)有噪聲數(shù)據(jù)收集的模式對(duì)開展我國(guó)鐵路服役期間噪聲數(shù)據(jù)的收集工作意義重大。

1 噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

德國(guó)于2019年首次上線使用了鐵路噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，覆蓋了全國(guó)三分之二的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，基本代表了整個(gè)德國(guó)貨運(yùn)鐵路的整體水平。雖然建立之初是為了監(jiān)測(cè)更換制動(dòng)系統(tǒng)后貨運(yùn)鐵路的實(shí)際降噪效果，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)后獲取的大量穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)顯然高于預(yù)期。

綜合考慮線路列車運(yùn)行的車流量、測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和噪聲控制措施等綜合事項(xiàng)后確定了19個(gè)測(cè)量站，目前已全部投入監(jiān)測(cè)使用。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用的測(cè)量量包括AF計(jì)權(quán)聲壓級(jí)LAF(t)、AF計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大值LAFmax、列車通過(guò)暴露聲壓級(jí)TEL和等效聲壓級(jí)Lm,T等，輸出結(jié)果包括噪聲實(shí)時(shí)水平、單次列車參數(shù)及平均聲輻射水平等。依據(jù)ISO噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求[2]，測(cè)點(diǎn)位置位于距離軌道中心線7.5 m、軌面以上1.2 m處。

1.2.1 噪聲實(shí)時(shí)水平分析

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)各通過(guò)列車的噪聲水平。圖1給出了某站24 h內(nèi)車輛經(jīng)過(guò)的實(shí)時(shí)噪聲水平，此段時(shí)間內(nèi)，共有150輛車經(jīng)過(guò)，經(jīng)歷一次會(huì)車。列車駛?cè)霚y(cè)量站時(shí)噪聲值會(huì)突然增加，駛離后噪聲值回落至背景噪聲值。

1.2.2 單次列車參數(shù)

借助傳聲器和車軸計(jì)數(shù)器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)每一趟車進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，車頭車尾數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)處理，機(jī)車相應(yīng)的參數(shù)被自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)進(jìn)服務(wù)器，包括車輛駛?cè)霑r(shí)間，占用軌道，行駛方向，車輛類型，暴露時(shí)間，車輛長(zhǎng)度和速度等，這大大減少了人工監(jiān)測(cè)帶來(lái)的誤差。

圖1 噪聲實(shí)時(shí)水平

1.2.3 平均聲輻射水平分析

為了衡量平均聲輻射，在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理后，可輸出一段時(shí)間等效聲壓級(jí)曲線圖。圖2為某站某月內(nèi)每天的等效聲壓級(jí)圖。

圖2中不僅給出了等效聲壓級(jí)值，同時(shí)還給出通過(guò)客車和貨車的數(shù)量，長(zhǎng)期穩(wěn)定、持續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)對(duì)于分析鐵路噪聲變化規(guī)律及影響因素之間的關(guān)聯(lián)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 鐵路噪聲地圖分析

2.1 覆蓋范圍

德國(guó)鐵路噪聲地圖的繪制工作開始較早[3]，地圖覆蓋范圍設(shè)定為年交通量超過(guò)3萬(wàn)列的主要鐵路線和有鐵路線穿過(guò)的人口超過(guò)10萬(wàn)居民的聚集區(qū)。目前覆蓋了超過(guò)16 500 km的主要鐵路線和70個(gè)大都市區(qū)，總的噪聲測(cè)繪覆蓋面積約50 000平方公里[4]。

2.2 地圖數(shù)據(jù)輸出類型

噪聲地圖輸出類型有兩大類，噪聲等值線圖和人口暴露影響圖。噪聲等值線圖應(yīng)用噪聲等級(jí)和配色方案[5]來(lái)劃分噪聲值域，再現(xiàn)鐵路兩側(cè)聲傳播過(guò)程。人口暴露影響圖采用了噪聲識(shí)別數(shù)法（LKZ-超標(biāo)分貝數(shù)與受害人數(shù)的乘積）[1]，不同LKZ值網(wǎng)格用不同顏色標(biāo)識(shí)，這種方法既考慮了超標(biāo)分貝數(shù)，又考慮了受影響的人數(shù)，能夠確定鐵路沿線超標(biāo)噪音對(duì)暴露人口的影響范圍，能更加全面地反映噪聲污染的影響。

2.3 噪聲地圖數(shù)據(jù)分析

以鐵路干線和城市聚居區(qū)為例給出噪聲地圖的輸出形式。

2.3.1 鐵路干線

1）噪聲等值線圖

選取某個(gè)年交通量超過(guò)3.8萬(wàn)列的干線鐵路為例。圖3為同一段鐵路噪聲日夜對(duì)比圖。

從圖3中可以看出，白天軌道中心顏色較深，表明軌道附近的噪聲普遍在75 dB以上，隨后顏色由中心向外逐漸變淺，表明隨著距離的增加聲壓向軌道兩側(cè)逐級(jí)衰減。夜晚同一地點(diǎn)噪聲輻射的數(shù)值比白天略低 5～10 dB。

2）人口暴露影響圖

選取同一段鐵路，給出圖4 Lden/Lnight人口暴露影響日夜對(duì)比圖。

圖2 平均聲輻射水平

圖3 干線鐵路 Lden /Lnight噪聲等值線圖

從圖4中可以看出，白天LKZ＜10的網(wǎng)格較多，說(shuō)明該條線路沒有穿過(guò)人口密集的地區(qū)，對(duì)人口暴露的影響范圍也較小，對(duì)比同一地點(diǎn)的人口暴露圖可以發(fā)現(xiàn)夜晚LKZ值要略高于白天，這與夜晚功能區(qū)限值嚴(yán)于白天有關(guān)。

2.3.2 城市聚居區(qū)

1）噪聲等值線圖

選取某個(gè)人口超過(guò)60萬(wàn)的城市為例，城市中有多條干線鐵路穿過(guò)，截取城市中鐵路交叉集中地區(qū)的噪聲圖為例。 圖5 為城市Lden/Lnight噪聲等值線圖。

從圖5中可以看出穿越該城區(qū)的鐵路線路運(yùn)量非常繁忙，通過(guò)查詢地圖信息可知某條軌道年運(yùn)量超過(guò)了20萬(wàn)列/年。從圖左半部分可以看出，白天在城市中穿梭的列車由于降低了行駛速度，因而輻射的噪聲比在空曠地區(qū)低了很多，但是由于城市人口密集，很多地方的軌道兩側(cè)都不得不采用聲屏障措施。

2）人口暴露影響圖

圖6為同一地點(diǎn)的人口暴露影響日夜對(duì)比圖。

從圖6中可以看出，無(wú)論是白天黑夜，穿過(guò)城區(qū)的鐵路噪聲對(duì)人口的影響都較大。尤其是夜里，靠近鐵路沿線的受高噪聲困擾的人群數(shù)很多。

結(jié)合上述兩種地區(qū)的噪聲圖我們可以發(fā)現(xiàn)噪聲等值線圖雖然反應(yīng)了鐵路兩側(cè)噪聲的傳播情況，卻不能僅憑等值線圖就斷定為噪聲污染，必須加入人口暴露等因素綜合而定，尤其是鐵路穿越人口聚居的城區(qū)時(shí)，人口暴露影響圖更能體現(xiàn)噪聲污染的實(shí)際狀況。

圖4 干線鐵路Lden /Lnight人口暴露影響圖

圖5 城市Lden /Lnight噪聲等值線圖

圖6 城市Lden /Lnight人口暴露影響圖

3 結(jié)語(yǔ)及建議

德國(guó)鐵路噪聲地圖自三輪修訂以后已形成了鐵路噪聲管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，它不僅可用于達(dá)標(biāo)管理、判斷聲級(jí)貢獻(xiàn)量，還可以確定區(qū)域長(zhǎng)期平均噪聲水平等；而噪聲實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自開通后運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄詳實(shí)，還可避免：①因人工定期抽樣監(jiān)測(cè)的方法造成的人力物力浪費(fèi)；②連續(xù)數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)測(cè)能力缺失導(dǎo)致的鐵噪聲狀況失真；③數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不足以支持深入系統(tǒng)分析噪聲變化的需求。噪聲地圖和實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相輔相成，為德國(guó)鐵路噪聲防治提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為城市發(fā)展、交通網(wǎng)絡(luò)、住宅開發(fā)的規(guī)劃提供了決策參考依據(jù)。

我國(guó)噪聲地圖研究起步較晚，目前僅有針對(duì)個(gè)別城市的噪聲地圖繪制[6]，并未推廣應(yīng)用，專門針對(duì)鐵路進(jìn)行的噪聲地圖繪制工作還未啟動(dòng)，相關(guān)技術(shù)研究剛剛起步。對(duì)于自動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我國(guó)也僅有部分城市建設(shè)了環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但在鐵路噪聲自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，特別是高速鐵路車外噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，目前還缺少運(yùn)用的先例，鐵路環(huán)境噪聲測(cè)試依舊主要以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主，雖有科研院所啟動(dòng)了鐵路噪聲系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究[7]，但距離推廣應(yīng)用還有一定距離。

德國(guó)鐵路在噪聲領(lǐng)域的管理經(jīng)驗(yàn)值得為我國(guó)借鑒，隨著我國(guó)鐵路的迅猛發(fā)展，人工監(jiān)測(cè)所得的樣本數(shù)量勢(shì)必難以全面掌握我國(guó)鐵路網(wǎng)噪聲影響狀況，采用在線自動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能成為噪聲監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。建議我國(guó)鐵路工作者盡快借鑒德國(guó)鐵路成熟的噪聲地圖及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，并綜合考慮我國(guó)鐵路的特點(diǎn)開發(fā)設(shè)計(jì)出適合我國(guó)國(guó)情的鐵路噪聲地圖系統(tǒng)及噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為分析鐵路噪聲，特別是高速鐵路噪聲變化規(guī)律，研究解決對(duì)策、制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范等提供實(shí)時(shí)、持續(xù)、大量的數(shù)據(jù)支持。