（系统工程专业论文）高速铁路列车运行噪声影响评价及预测系统研究.pdf

中文摘要 近年来，随着我国经济和社会的快速发展，大规模建设高速铁路基础设施成 为解决民生问题的重要举措之一。高速铁路运量大、效能高，缓解了既有线运能 紧张的局面，同时提升了城市的集聚功能和辐射能力，使大城市更好地发挥中心 城市的作用，又推动了沿线中小城市的高速发展和功能升级，增强人、财、物的 吸纳能力，促进新兴城镇发展，加快了我国城市化的整体进程，最终满足全面建 设小康社会的需要。 高速铁路带来经济效益、社会效益的同时，其运行产生的噪声污染也给我们 带来了相应的环境问题。为解决高速铁路列车运行噪声带来的环境问题，本文首 先分析比较了国内外常用的噪声评价指标及评价标准，提出适合我国高速铁路列 车噪声影响的评价指标体系；其次简要介绍了国内外常用的噪声预测模型，并分 析现有预测模型存在的不足，结合我国高速铁路列车运行的实际情况，在多方面 对预测模型进行改进，改进后的预测模型能够更好的反应列车运行噪声的真实情 况。在此基础上，本文开发了一个基于n e t 平台的噪声预测系统，该系统较好地 模拟了线路的真实情况，并以图形化的形式展现出来，实现了对噪声的快速计算、 分析与结果输出功能。该系统以模拟的方法实现了铁路沿线噪声的预测和评价， 为快速决策提供了重要的支持工具。 关键词：高速铁路；噪声预测模型；系统开发；预测系统 分类号：u 2 7 0 1 6 h + a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er a p i de c o n o m i ca n ds o c i a l o fh i g h s p e e dr a i l w a y sh a sb e c o m ea n d e v e l o p m e n to fc h i n a ，l a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n i m p o r t a n tm e a s u r et or e s o l v el i v e l i h o o di s s u e s w i t hg r e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c e ，h i g h s p e e dr a i l w a y sc a nb o t h r e l i e f 也et e n s i o no fe x i s t i n gl i n e sa n de n h a n c et h ec o n c e n t r a t i n gf u n c t i o na n dt h e r a d i a t i o nc a p a c i t yo fd r i e s ，s t r e n g t h e n i n gm e t r o p o l i t a n s r o l ea sc e n t r a lc i t i e sa n da l s o p r o m o t i n gd e v e l o p m e n ta n df u n c t i o nu p g r a d eo ft h es u b u r b a na r e a sa l o n gt h e l i n e s - c o n s e q u e n t l y , s u b u r b a na r e a sa l ea b l et oa b s o r bm o r ei n v e s t m e n t ，h u m a na n d m a t e r i a l r e s o u r c e s ，s t i m u l a t i n gt h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to fs m a l l c i t i e sa n dt o w n s p r o m o t i n gt h eo v e r a l lp r o c e s so fu r b a n i z a t i o ni nc h i n a , m e e t i n gt h en e e d s o ft h e b u i l d i n ga w e l l o f fs o c i e t y h i g h s p e e dr a i l w a y sh a v eb r o u g h tu se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，a tt h es a m e t i m e ，t h e i rr u n n i n gn o i s ep o l l u t i o nh a sb r o u g h tu sm a n y r e l e v a n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ra n a l y z e d a n dc o m p a r e dt h ec o m m o nn o i s e a s s e s s m e n ti n d i c a t o r sa n dc r i t e r i aa th o m ea n da b r o a d ，a n dp r o p o s e dt h eh i g h s p e e d h a i l ln o i s ei m p a c ta s s e s s m e n ti n d i c a t o r sw h i c hc a n f i tf o ro u ra c t u a ls i t u a t i o n ；a n dt h e n g a v eab r i e fi n t r o d u c eo fn o i s ep r e d i c t i o nm o d e l sw h i c hm a i n l yu s e da th o m ea n d a b a d ，a n a l y z i n ga n di m p r o v i n gt h e i rs h o r t a g e sc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lr u r m m g s i t l l a t i o no fh i g h - s p g x lt r a i n o nt h eb a s i so ft h ei m p r o v e dp r e d i c t i o nm o d e l ，t h i sp a p e r d e v e l o p 。dan o i s ep r e d i c t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do n n e tp l a t f o r m t h i ss y s t e m s i m u l a t e dt h er e a ll i n ea n ds h o w e du pi t so u t p u tw i t hg r a p h i c a lf o r m ，w h i c ha c h i e v e d r a p i dp r o c e s s i n g , a n a l y s i sa n do u t p u tf u n c t i o n s t h i ss y s t e mp r o v i d e da ni m p o r t a n tt o o l f o rr a p i dd e c i s i o n m a k i n g ，b e c a u s ei t h a sa c h i e v e das i m u l a t i o nm e t h o df o rr a i l w a y n o i s ep r e d i c t i o na n de v a l u a t i o n k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；n o i s ep r e d i c t i o nm o d e l ；s y s t e m d e v e l o p m e n t ； p r e d i c t i o ns y s t e m c l a s s n o ：u 2 7 0 16 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；懈弓蔻瘩 签字日期- 瑚f 7 年6 月嘶 导师签名： l 钐螂 i 签字日期：加o q 年6 月心日 j 曼塞交适太堂亟堂焦论塞 独剑性岂盟 独创i i 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：狮德罨签字日期加1 年歹月疹日 致谢 在毕业论文的撰写过程中，我得到了多位老师和同学的无私帮助，正是在他 们的关心支持下，我才顺利完成论文。 首先，我要感谢我的导师俺世传教授，扶论文选题到难点解决，扶论文写作 过程的疏漏到最终定稿，无不凝聚着导师的心血，正是导师孜孜不倦的指导，我 才能够顺利完成论文的写作。同时也要感谢导师在我攻读硕士期问给予的教诲， 正是导师平网悉心的关怀孝使我学会了如何做人，如何傲学阀。导师高尚的品德、 广博的学议、严谨的治学态度和诲人不倦的崇高品质是我所景仰和值得永远学习 的，并在日后的工作和学习中，不断地以此鞭策自己! 此外，我要感谢赵航、王保华、许旺土、申永生、黎浩东、张薇等同学在论 文撰写上给予的建议和帮助，此外，还要感谢张戬同学在系统开发方面给我的大 力支持，在此对他们表示衷心的感谢和美好的祝愿! 另外我要感谢我的家人，是他们的理解和支持才使我能够在学校专心完成我 的学业! 1 引言 1 1 研究背景和意义 铁路是提高人民物质文化生活水平的重要基础设施、国民经济的大动脉、大 众化的交通工具。我国幅员辽阔、内陆深广、人口众多、资源分布及工业布局不 平衡，铁路在综合交通体系中拥有诸多优势且一直处于骨干地位。近年来，为适 应国民经济的发展和满足人们出行的需要，修建高速铁路成为铁路建设的新亮点。 高速铁路提高了运输能力和运输效率，缩短了人们的出行时间，使较远城市间的 “夕发朝至和“朝发夕至 成为现实，促进了城市之间的经济、文化、贸易等 交流，促进了国家经济的发展，打开了社会效益和经济效益双丰收的良好局面。 如今我国高速铁路的建设己成为新的经济增长点，开创了我国铁路运输事业的新 时代【1 翊。 铁路建成后，随着城市的快速发展，渐渐形成“城市包围铁路、铁路分割城 市”的局面，随之就产生了以噪声影响为主的城市铁路环境污染问题【2 】。随着列车 运行速度的提高，铁路噪声问题愈发地凸现出来。在我国首次2 0 0 o n h 以上高速 铁路论证会上，就与提高行车速度有关的环境因素，包括大气污染及噪声污染等， 专家们一致认为噪声污染对社会影响最大【3 】。据有关试验表明，随着列车运行速度 的提高，其辐射噪声等级呈对数规律增加【4 】。列车高速运行会给沿线两侧带来严重 影响，尤其是对噪声有特别要求的区域，如医院、学校、住宅区等。在人们日益 关注环境污染问题的今天，铁路噪声污染必将引起铁路沿线居民的强烈反应。日 本修建东海道新干线之初，未对噪声扰民问题引起重视，投入运营后由于沿线噪 声扰民不断，引起居民的强烈抗议并不断遭到投诉，为此日本环境厅于1 9 7 5 年颁 布了新干线环境噪声标准，被迫采取了许多减震降噪措施。法国国铁曾由于t g v 东南高速列车运行产生的噪声问题而被罚款，与日本相比，法国规定了较宽的铁 路用地范围，且沿线人口稀少，因而其列车运行噪声允许值也较高【5 】。 近年来，随着我国铁路中长期铁路网规划的实施，由于受到社会的广泛 重视和支持，高速铁路建设正快速、有序、高效地推进，拟建高速铁路里程将突 破规划阶段目标。经过全国6 次大面积提速和客运专线的修建，部分繁忙干线旅客 列车最高运行速度已达至i 2 0 0 k m h 以上，京津城际高速铁路列车运行速度已达到 3 0 0 k m h ，京沪高速铁路的设计时速达到了3 5 0 k m h 。高速铁路列车对周边环境 的影响主要有噪声、振动和电磁波干扰，随着列车运行速度的不断提高，轮轨相 互作用、弓网间以及空气动力学等作用的不断增强，噪声已经成为高速铁路环境 影响评价的主要指标之一。高速铁路列车的运行直接或间接地破坏了城市环境的 生态平衡，危及到人们的生理、心理健康，影响了人们正常的生活与工作，成为 不可忽视的公害问题。由此可见，在实现我国铁路高速化进程的同时，必须解决 好噪声防治问题，保证城市环境和路网建设的协调发展，促进发展和环境保护的 良性循环，以维持城市的可持续发展。对于拟修建的高速铁路，提前研究其列车 运行中噪声的产生机理，进行声源识别和噪声等级预测，并根据预测结果制定有 效的控制措施，有利于铁路建设和城市规划中合理有效的利用土地；对于已建成 高速铁路的城市，在进行城市改扩建规划时，根据预测结果将铁路噪声控制纳入 总体规划中，并将控制措施与土地利用相结合，有利于实现土地利用最大化和环 境保护最优化。 研究高速铁路列车运行噪声的产生机理、声源识别、评价指标及预测方法， 并开发相应的高速铁路列车噪声预测系统，具有如下实际意义： 首先，其理论研究补充了高速铁路战略规划的内容，弥补了其中的缺陷与不 足。高速铁路在建设、营运期对周围环境产生的影响是不可避免的，为降低高速 铁路建设期间对周围环境造成的不利影响，应在制定路网规划时充分考虑环境影 响因素，从宏观角度对建设活动的选址、规模、投资的可行性进行论证，避免重 大失误； 其次，是实现高速铁路可持续发展的重要工具。实现高速铁路可持续发展的 关键是协调好路网建设与环境保护的关系，实现经济、社会和环境的可持续发展， 进行高速铁路列车运行噪声影响评价就是协调这种关系的有效工具和重要手段， 通过科学地预测铁路建设和营运对人群和生态系统的影响，可提出避免或降低其 影响的措施或替代方案； 最后，有助于建立环境与发展的快速决策机制。通过开发高速铁路列车噪声 影响预测系统，可为高速铁路的战略规划决策提供科学、有效、快速的支持工具。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 2 0 世纪7 0 年代后期，我国环境污染问题日益突出。8 0 年代初，中央提出了 “保护环境，造福人类 的号召，其后又颁布了中华人民共和国环境保护法， 在推进经济体制改革的同时，明确指出发展生产与保护环境要同步进行，提出综 合治理环境的方针及要求。在此背景下，铁路运输环境保护问题也被提上日程， 2 机务段机车污染气体排放、铁路噪声和振动影响沿线居民正常生活、机车和车辆 洗刷污水排放等一系列问题被提了出来。 随着我国经济的发展和铁路改革的不断深化，铁路环境保护工作的压力日益 增大。为了创造一个良好的运输环境，铁道部要求各部门对出现的环境污染问题 进行认真研究，就其影响危害程度进行广泛调查，同时成立了专门的研究机构和 专业治理队伍，并于1 9 9 5 年1 2 月2 8 日以铁教卫( 1 9 9 5 ) 1 7 8 号文件颁布了铁 路综合治理沿线垃圾污染监督管理办法，1 9 9 7 年4 月2 3 日以铁计( 1 9 9 7 ) 4 6 号 文件颁布了铁路环境保护规定，作为铁路环境保护的法律文俐6 1 。随后开展了 一系列针对铁路沿线诸如白色污染、噪声、振动、废水、废气、固体废弃物及新 建项目环境污染的调查研究和评价工作，以便及时有效地实施环境保护对策，改 善铁路周围的环境质量。 在噪声特性分析方面，北京交通大学和铁道部劳动卫生研究所曾研究了噪声 与车速的关系，提速后的噪声增加值等问题，铁道部劳动卫生研究所还用比例模 型实验方法对铁路环境噪声进行过评价。文献【7 】对客货列车运行稳态辐射噪声的 传播特性进行了试验研究，通过分析列车运行试验数据，得出列车运行噪声在一 般传播条件下的几何衰减特性及噪声强度与运行速度的定量关系方程。文献【8 】通 过对列车运行噪声的现场测量，采用统计分析的数据处理方法，确定了基本条件 下客运列车运行噪声频谱特性与运行速度的关系。 在噪声环境影响评价方法研究方面，文献【4 】根据铁道部颁布的t b l 0 5 0 2 9 3 铁 路工程建设项目环境影响评价技术标准，结合标准制定过程中的一些相关考虑因 素和实践中遇到的问题，对铁路噪声环境影响评价的特点、评价范围、评价标准、 评价深度、现状调查和评价内容作了详细说明和分析。文献 9 】在阐述铁路规划环 境影响评价指标体系理论的基础上，提出构建铁路规划环境影响评价的方法和原 则。结合铁路规划的特点，采用列表清单法进行铁路规划环境影响识别；基于p s r 、 l c a 和基本指标体系，分别构建铁路规划环境影响指标体系。 在噪声预测及相关软件研发方面，文献 2 】将铁路噪声评价分为噪声声源解析 与声源特性两部分，进而构建铁路噪声预测模型，以此为基础构架开发基于g i s 的铁路沿线噪声预测系统。文献 1 0 】为提高铁路噪声的预测与评价水平，提出了基 于g i s 的铁路噪声预测与评价方法。文献 1 l 】建立了通用的铁路行车基础数据管理 子系统，利用g i s 技术建立行车线路详尽的空间地理信息，直观真实地反映路网 结构，建立了基于g i s 的列车运行仿真平台。文献 1 2 】采用图形叠置法评价铁路 线路对周围环境的噪声影响，充分利用g i s 空间分析和处理属性数据的功能，大大 提高了工作的效率和预测结果的准确度。 在高速铁路噪声研究领域，文献【3 】通过对高速铁路噪声声源和噪声水平的分 3 析以及日本、欧洲国家有关高速铁路噪声控制标准和法规的实践，提出了高速铁 路的声源控制、传播途径控制及管理等3 方面的噪声控制措施。文献 1 3 】描述了我 国高速铁路的现状及规划目标，并从车体设计、曲线半径、动力特性、运行控制 和高速试验等方面提出了高速铁路列车应该重点研究的关键技术。文献【1 4 】、【1 5 】 提出采用点声源理论来预测高速铁路列车运行噪声，并编制了相关的预测计算软 件，将预测结果与实测数据相比，证明了点声源预测理论可行性。文献 1 6 1 分析了 高速铁路噪声源分布特点，在g i s 平台集成了噪声影响数学模型，为铁路线路规 划提供了一定参考价值。 总的来说，我国在铁路噪声研究领域已经取得了一些成果，由于我国处在高 速铁路发展的初期，专门针对高速铁路列车运行噪声的研究成果还非常少，其中 很多还处于试验阶段。现有的铁路噪声研究成果很大一部分不能直接应用于高速 铁路，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 噪声传播特性方面，由于高速铁路列车运行速度比传统铁路列车要高得 多，其噪声频率与声源组成部分发生了很大的改变 ( 2 ) 噪声衰减规律方面，由于高速铁路沿线的环境设置与传统铁路有很大不 同，尤其是高架桥的大量使用，因此高速铁路列车运行噪声在传播过程中要考虑 更多的衰减因素； ( 3 ) 评价指标体系方面，列车在高速运行时，噪声级呈对数规律增加，因此 传统的铁路噪声评价标准并不适用于高速铁路； ( 4 ) 相关软件开发方面，不少研究人员采用了先进开发技术，如应用g i s 相 关开发组件，由于预测模型没有根据高速铁路的特性进行改进，因此其预测结果 存在很大的偏差，另外在线路环境的设置上不够细化，考虑的环境影响因素过少。 1 2 2 国外研究现状 在噪声预测方面，国外也有不少的研究成果，尤其是日本、丹麦、法国、德 国、挪威、瑞士、瑞典、英国等国家的国家铁路公司、地方研究所或国家环境和 交通部门，都设有专门的部门来研究铁路噪声问题，这说明铁路噪声问题己经引 起了许多国家尤其是那些铁路技术先进国家的重视。由于铁路技术先进的国家在 此问题上投入了大量的人力、物力和财力，所以也取得了不少成就，特别是最近 一些年来，开展了大量有关铁路沿线噪声的研究实验并提出了相应的预测方法， 使噪声预测取得了一定的进展。 1 9 6 4 年1 0 月，自日本东海道新干线投入运营后，科研部门不断对其进行研究 改进，除了勘探、设计，施工部门注意环境保护的问题外，在新干线沿线的居住 4 环境中设置了独立的、经济方便的评价系统，他们将得到的实验数据及时进行定 量、定性分析，做好预测工作并提出防范措施，以保护这一地区的环境安全。日 本高速铁路噪声研究表明，噪声强度与高速列车运行的速度以及测试位置与线路 的距离有很大关系，一般在6 0 d b ( a ) ( 1 9 0 k m h ，4 0 0 m ) 和7 6 d b ( a ) ( 2 0 0 k m h ， 1 0 0 m ) 的范围内波动【l 丌。 继日本新干线投入运营之后，法国于1 9 8 3 年9 月正式开通了t g v 东南高速 铁路，随之运量急剧增加，获得了巨大的经济和社会效益。随着研究的不断深入， t g v 科研人员重点考虑了列车高速运行对环境造成的影响，在有效利用土地、保 护森林、采用全封闭列车、保护沿线植被、防噪声、防振动等方面做了大量的研 究工作。法国t g v 科研人员曾对高速试验列车外面的噪声进行过测试，其结果是， 在距离轨道中心线2 5 m 处行车速度达到4 0 0 k m h 时，噪声峰值为9 0 d b ( a ) ，行车 速度达到5 0 0 k m h 时，噪声峰值为9 7 d e ( a ) 。 美国对高速铁路线进行环境影响评价时，有以下几个特点：( 1 ) 重视建设项 目新旧方案的比较研究，假如在报告中没有合理的比较方案，该报告就很难被批 准；( 2 ) 重视环境影响预测与分析；( 3 ) 号召公众参与环境影响评价，但在美国 的环境影响报告中，对污染防治措施及各环境要素之间的相互关系叙述不够具体 1 8 1 o 德国的研究者认为高速铁路列车高速行驶时，对沿线环境的影响主要是噪声 与振动，其中噪声对环境影响更大。在列车最高时速达3 0 0 k m h 以上时，噪声将 明显增大。据德国科研技术部的报道，他们曾对i c e v 高速列车进行监测，距离 轨道中心线2 5 m 处的噪声水平测量值如表1 1 所示f 1 9 1 。从下表可以看出，随着速 度的加快，噪声将逐渐增大。 表1 - 1 行车速度与噪声水平的关系 t a b l e l ir d a t i o nb e t w e e nt r a v e l i n gs p e e da n dn o i s el e v e l 速度k i n h 噪声水平d b ( a ) 2 0 0 2 5 0 3 0 0 4 0 0 8 2 8 5 8 9 1 0 2 从评价的内容来看，国外高速铁路建设项目环境影响的评价内容十分广泛， 但是各国对环境质量的评价标准并不一样，同时由于评价对象不同，所包括的具 体项目也有差异。例如，日本铁路进行环境评价的对象是铁路新干线建设和大规 模的改造工程，包括新建、改建、改造、车站外主线增设、新建车站、线路改造 等都要作环境影响评价。 5 综上所述，日本、美国及欧洲主要发达国家在高速铁路环境评价的研究中， 尤其是噪声的测量、评价方法上，做了许多工作并取得一定的成果，但仍存在不 足之处，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在速度与噪声级关系方面取得一定的成果，但是在噪声源及传播规律方 面研究较少； ( 2 ) 在通过改扩建铁路沿线基础设施来治理铁路噪声污染的同时，忽略了新 建高速铁路噪声预测方法与模型的研究； ( 3 ) 预测理论中关于环境影响因素的研究较少，甚至在预测噪声级时，忽略 了一些主要的附加衰减因素； ( 4 ) 预测理论研究成果没有很好的应用到相关软件研发当中。 1 3 论文目标、内容及结构 1 3 1 论文研究目标 本论文的预期目标是深入研究高速铁路运行噪声的产生机理、声源识别、评 价指标及预测方法，分析国内外噪声预测理论的研究成果并进行模型改进，提出 适合我国高速铁路列车运行噪声的预测模型，在此基础上，研发基于n e t 平台的 高速铁路噪声影响预测系统。该系统将集成噪声预测模型，并且考虑列车开行密 度对噪声级的影响，从而构建和开发具有动态输入、可视化输出的评价系统，其 输出结果为列车开行方案的调整提供参考，最终为治理高速铁路运行噪声污染提 供有利的决策依据。 本文的创新点是提出一种既符合高速铁路列车运行的特性，又能适应高速铁 路未来的发展的预测模型，该模型综合了国内外噪声预测模型的优点，并结合了 我国高速铁路的实际情况。同时本文采用n e t 框架作为开发平台，充分利用n e t 平台的高效性与跨平台性，研发出高速铁路列车噪声预测系统，能够提供噪声评 价各项指标预测结果的可视化输出，此项研究在国内外具有一定的创新性和实用 价值。 1 3 2 论文结构安排 第一章引言。介绍本论文的研究背景及意义，国内外研究现状与论文的研究 目标、内容、结构和技术路线。 第二章高速铁路噪声的危害、评价指标和标准。首先介绍了噪声给人们生产 6 和生活带来的危害；然后介绍了常用的噪声评价指标，并结合高速铁路的特点， 确定噪声评价的指标体系与评价方法；最后介绍了国内外铁路噪声限值标准。 第三章高速铁路噪声预测模型。首先阐述了高速铁路列车运行噪声的产生机 理及声源识别；然后介绍国内外主要的噪声预测模型，并对预测方法的优缺点进 行评述。 第四章噪声预测模型的改进。针对第三章提出的现有预测模型的不足，以我 国高速铁路列车运行为背景进行预测模型改进，给出评价指标和环境因素附加衰 减值计算公式。 第五章噪声预测系统的实现。采用面向对象开发技术，从系统分析与设计、 数据录入、系统输出角度介绍了系统的开发过程，最后以京沪城际铁路为背景， 进行实例研究。 第六章结论与展望。总结论文的主要工作及不足，并对后续工作进行展望。 1 3 3 主要研究内容 本文研究的主要内容包括以下5 个方面： ( 1 ) 高速铁路运行噪声的评价与标准 包括噪声带来的危害，常用的评价指标及指标选取，国内外噪声限值标准。 ( 2 ) 高速铁路列车噪声产生机理 以实际列车运行数据为基础，分析列车运行过程中的主要噪声源。 ( 3 ) 噪声预测模型的对比 综合对比国内外主要噪声预测模型，并对预测模型的优缺点进行评价。 ( 4 ) 噪声预测模型的改进 以我国高速铁路列车的实际运行情况为出发点，对现有预测模型进行改进。 ( 5 ) 预测系统的设计与实现 包括面向对象开发技术，系统分析与设计，用户界面的实现。 1 3 4 技术路线 7 确定研究课题 国内研究现状国外研究现状 l 高速铁路列车运行噪声概念、危害、产生机理 及声源识别研究 上 评价指标及标准的研究 上 对比、改进噪声预 测模式 上 设计与开发噪声影 响预测系统 上 实例研究 上 结果分析 上 噪声防治及列车开 行方案调整建议 图1 - 1 技术路线框图 f i g 1 1f r a m e w o r ko f r e s e a r c ht e c h n i q u er o u t e 8 2 噪声的评价指标和标准 噪声对人体的影响和危害是多方面的，概括起来，强烈的噪声可引起耳聋， 诱发各种疾病，影响人们的休息和工作，干扰语言交流和通讯，掩蔽安全信息， 造成生产事故，降低生产效率、影响设备的正常工作【2 0 1 。铁路噪声对沿线居民的 影响最大，评价指标的选取关系到噪声对人耳的主观反映程度，评价标准的设定 关系到人们学习和工作的切身利益，因此有必要对噪声的评价指标与标准进行深 入的研究。 2 1 噪声的评价指标 要提出防治噪声的措施，首先要对高速铁路运行噪声进行评价。在噪声的物 理量度中，声压和声压级是评价噪声强度的常用指标，声压级越高，噪声越强， 反之，噪声越弱。但人耳对噪声的感觉，不仅与噪声的声压级有关，还与噪声的 频率、持续时间等因素有关。人耳对高频率噪声较敏感，对低频率噪声较迟钝。 声压级相同而频率不同的声音，听起来很可能是不一样的。 为了反映噪声的这些复杂因素对人的主观影响程度，就需要有噪声评价的指 标。噪声评价指标种类较多，基本上是从频谱特性、峰值因素、持续时间、起伏 特性等方面加以定义的1 2 。其共同特点是以噪声声压级的分贝数作为主要评价指 标，综合频谱特性，从入耳对不同频率声波敏感程度的差异考虑的瞄】。以下就常 用的噪声评价指标做简略的分析。 2 1 1 常用评价指标分析 ( 1 ) 响度级 响度级以1 0 0 0 t t z 的纯音为基准音，将噪声的纯音和基准音的纯音进行比较， 调整噪声的声压级，使噪声和基准音听起来一样响，则该噪声的响度级就等于这 个纯音的声压级【2 0 1 。响度级把声压级和频率用一个单位统一起来，单位是方 ( 肋d 刀) 。 用响度级来反映人耳对噪声的主观反映过于复杂，不适合作为噪声预测的评 价指标。为了使声音与人耳听觉感受近似一致，又能使评价指标得到广泛应用， 人们普遍采用a 声级和等效连续a 声级对噪声作主观评价。 ( 2 ) a 声级 9 噪声测试仪器利用模拟人的听觉的某些特性，对不同频率的声压级予以增减， 能直接读出主观反映人耳对噪声的感觉数值来，这种能过频率计权的网络读出的 声级，称为计权声级。 计权网络有a 、b 、c 、d 四种，最常用的是a 计权与c 计权。 在g b 3 0 9 6 2 0 0 8 标准定义中，a 声级指“用a 计权网络测得的声压级，用己 表示，单位a b ( a ) 。a 计权网络是模拟响度级为4 0 p h o n 的等响曲线的倒置曲线， 它对于低频声( 5 0 0 h z 以下) 有较大的衰减2 3 1 。 a 声级可以直接测量，也可以由倍频程或1 3 倍频程声压级计算得到，a 声级 可由下式计算【2 0 】： l = 1 0 1 9 1 0 0 1 ( z p i + 似) ( 2 - 1 ) i = l 式中：。- a 声级，d b ( a ) ； 耐第f 个倍频带声级，d b ； m 第f 个频率a 计权网络衰减值。 a 声级易于测量，作为评价指标广泛应用于噪声评价。其特点是考虑了入耳 对低频噪声敏感性差的频谱特性，对低频有较大的修正量，能够较好地反映人耳 对各种噪声的主观评价，即声级越高，人觉得越吵。但是由于声级是一种宽频带 的度量，具有相同的声级但频谱不同的噪声对人产生的危害可能不同，因此，声 级不能全面准确反映噪声的危害程度，它主要适用于宽频带稳态噪声的一般测量。 ( 3 ) 等效声级 对于稳态连续噪声的评价，用a 声级就能较好地反映人耳对噪声强度与频率 的主观感受，但不适用于随时间而变化的非稳态噪声，为此引入了等效连续a 声 级的概念。在g b 3 0 9 6 2 0 0 8 标准定义中，等效声级是等效连续a 声级的简称，指 “在规定测量时间t 内a 声级的能量平均值，用l 叼，表示( 简写为k ) ，单位 d b ( a ) ，g b 3 0 9 6 2 0 0 8 标准中噪声限值皆指等效声级。 根据定义，等效声级表示为： z a e q , t 1 0 1 9 吾p j 幺d t ) ( 2 - 2 ) 式中：t 钾，r 等效连续a 声级，a b ( a ) ； l f 时刻a 声级的瞬时值，d b ( a ) ； r 觑定的测量时间段，s 。 若r 不是连续测量，而是分时间段测量时，如t = 正+ 正+ + 霉，则丁时问内 的等效声级表示为： l o 广1 0 1 9 专l z l o 0 z i ( 2 3 ) - i = 1 式中：l 叼，瓦第f 段时间测得的等效声级，d b ( a ) ； z 第f 段时间，j 。 等效声级是在考虑了噪声与频率之间关系的a 声级的基础上，进一步考虑了 噪声持续时间产生的影响。因此，等效声级可用于测量持续时间不同的起伏波动 噪声。但对于个别持续时间极短，脉冲噪声峰值较高的声压级，虽然其危害性很 大，但在等效声级中未必能很好地反映，即危害程度不同的噪声仍可能有相同的 等效声级，如夜间居民区高速列车运行造成的噪声，经过时间很短，但其形成的 干扰很大。 ( 4 ) 昼夜等效声级 根据中华人民共和国环境噪声污染防治法，“昼问 是指6 ：0 0 至2 2 ：0 0 之 间的时段；“夜间 是指2 2 ：0 0 至次日6 ：0 0 之间的时段。g b 3 0 9 6 2 0 0 8 标准定义昼 间等效声级指“在昼间时段内测得的等效连续a 声级，用厶表示，单位c t b ( a ) ； 夜间等效声级指“在夜间时段内测得的等效连续a 声级，用乙表示，单位d b ( a ) 。 考虑到噪声在夜间要比昼间更吵，故计算昼夜等效声级时，需要将夜间等效 声级加 o a b ( a ) 后再计算。 根据定义，昼夜等效声表示为： k 枷g ( l o o 1 k + 8 x 1 0 0 。( k + 1 0 ) 2 4 ( 2 - 4 ) 式中：厶昼间等效声级，c l b ( a ) ： l 夜间等效声级，d b ( a ) 。 ( 5 ) 噪声评价数n r 及曲线 a 声级是对噪声的所有频率的综合反映，由于容易测量，国内外普遍将a 声 级作为噪声的评价标准。但是a 声级不能代替频带声压级来评价噪声。对于办公 室、建筑室内、其他稳态的场所的噪声评价，国际标准化组织推荐使用一簇噪声 评价曲线，即n r 曲线。噪声评价数是噪声评价曲线的号数，它将所测噪声的倍频 带声压级与标准曲线比较，以所测噪声的最高值表示该噪声源的噪声等级【2 0 】。显 然，噪声评价数是在考虑了频率因素的基础上，进一步考虑了峰值因素，但不能 很好地反映峰值持续时间以及起伏特性。因此，噪声评价数较适用于相对稳态的 背景噪声的测量与评价，也可作为确定背景噪声的设计目标。 ( 6 ) 累积百分声级 累积百分声级是用于评价测量时间段内噪声强度时间统计分布特征的指标， g b 3 0 9 6 2 0 0 8 标准定义累积百分声级指“占测量时间段一定比例的累积时间内a 声级的最小值，用。表示，单位为d b ( a ) ”。最常用的是厶o 、毛0 、厶。，其含义如 下： 厶。在测量时问内有1 0 的时问a 声级超过的值，相当于噪声的平均峰 值； 厶。在测量时间内有5 0 的时间a 声级超过的值，相当于噪声的平均中 值； 厶。在测量时间内有9 0 的时间a 声级超过的值，相当于噪声的平均本底 值；。 如果数据采集是按等间隔时间进行的，则l 也表示有n 的数据超过的噪声 级。 累积百分声级主要用于统计噪声值随时间变化分布特征，由于其统计过程相 比等效声级的计算过程复杂得多，因此在噪声评价中应用较少。 ( 7 ) 语言干扰级 为测量、评价背景噪声对语言听闻的干扰程度，引入了语言干扰级的概念。 这是在考虑了语言声能的频率多数低于5 0 0 h z 的情况下，同时考虑到8 0 0 h z 以上 声能对语言清晰度有较大影响，为了测量、评价的方便，选取中心频率为5 0 0 h z 、 1 0 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 的三个倍频带声压级的算术平均值作为评价背景噪声的语言干 扰级【2 2 1 。 高速铁路线路8 0 以上为高架桥，由于声屏障及桥体的阻挡会产生相当大的 噪声衰减，因此高速铁路列车运行噪声对沿线的影响主要是影响人们的休息与睡 眼，尤其是当夜间通过的列车较密集的情况下。因此，通常情况下不会对人们的 交流产生影响，因此本文不选取语言干扰级做为评价指标。 ( 8 ) 噪声暴露级 高速铁路噪声具有很强的波动性，以上几种评价指标都不能充分反映其波动 性。因此引入单发事件噪声暴露级的概念，用以估算一辆列车行驶通过时对接收 点构成的噪声影响【2 4 】。 当一个噪声环境是由单个噪声或有限种类的不同噪声所构成时，如飞机噪声、 列车噪声、航船噪声等，只要知道单发噪声的特性就可以描述出噪声的污染程度， 这种评价量叫单发事件噪声暴露级，记为匕，定义为：在一秒钟内的声音与单发 事件噪声能量相等的平均a 声级，公式为： l a e = 1 0 1 9 丢( f 2l o o - z _ o ) d t ) 协5 ) 式中：，f 2 分别为噪声事件的开始和结束时间，s ； 气参考时间，一般取气= l s ； 1 2 l ( f ) a 声级的时问函数，d b ( a ) ； 在实际测量中，往往不是连续取样，而是离散取样，如果在丁时问内有个a 声级值，则第i 个单发噪声暴露级可表示为： l b = 1 0 1 9 乃1 0 0 1 “ ( 2 6 ) 由此可得： z l o o 。1 “= 1 0 0 1 艇j ( 2 7 ) r 时间内的等效声级l 叼，r 可表示为： k ，r = 1 0 l g 专巧1 0 0 心o ) - 1 0 1 9 专2 1 0 0 ( 2 8 ) 1i = 1 一i = 1 即用单发暴露声级表示的等效声级为： l 叼。r = 1 0 1 9 专2 1 0 。1 钿 ( 2 9 ) - i f f i l ( 9 ) 最大声级 根据g b 3 0 9 6 2 0 0 8 的标准定义，最大声级指“在规定的测量时间段内或对某 一独立噪声事件，测得的a 声级最大值，用l 一表示，单位d b ( a ) 。 铁路噪声的主要评价量是等效声级，但因铁路噪声具有间歇性的特性，即有 无列车通过时的噪声级相差很大，尤其是对于昼间通过车次较少的线路，列车通 过时的a 声级与等效声级相差非常大。这种情况下，除了叼，r 值要满足有关标准 外，还要考虑列车通过时的a 声级值，即要使最大声级l 。一控制在某个限值以内 【2 5 1 。 2 1 2 评价指标的选取 在上文所列的噪声评价指标中，不同的评价指标虽然存在着某种相关性、一 致性，同时也都有各自的特点和适用范围，上文已经对此进行简单的总结。综合 考虑高速铁路列车运行噪声的独特性质和特殊评价目的，本文选取a 声级、等效 声级、昼夜等效声级、噪声暴露级和最大声级作为高速铁路列车运行噪声的评价 指标。 评价数据的获取，可以用计算方法，也可以用测量的方法【2 0 】。由于高速铁路 列车运行噪声具有时间上和空间上的分散性，要比较准确地评价和预测噪声对环 境的影响是相当困难的，尤其对于新建或进行重大改造的线路或当通过的列车车 型、密度有重大调整的时候。 本文对噪声的评价以计算为依据，而不是直接以测量为依据。以计算为评价 依据，可以在规划阶段预测高速铁路投入运营后，近期和远期可能产生的噪声污 染程度和分布情况。而如果以测量为依据进行评价，一方面不可能事先对新建或 扩建的线路进行数据采集；另一方面，即使对既有线路进行全面的评价，人力与 物力的投入成本也是相当高的。 2 2 噪声评价的标准 铁路噪声一般采用等效声级叼作为噪声评价标准，新建铁路的噪声限值一般 要求在6 0 - - - 7 0 d b ( a ) 之间，通常要求应在6 0 , - - - , 6 5d b ( a ) 之间。除等效声级外，还 可采用a 声级作为评价标准。以下将简要介绍国内外主流的噪声评价标准体系。 2 2 1 国外噪声标准 全球的高速铁路列车噪声测量标准体系主要有3 种：欧洲体系、北美体系和 日本体系。欧洲体系的噪声标准主要有e ni s o3 0 9 5 2 j 1 2 6 1 和e ni s o3 3 8 1 3 3 1 2 7 1 。 北美体系主要包括3 个国家：美国、加拿大和墨西哥，其噪声测量标准基本以a a r 的噪声标准为基础，由于研究相对滞后，公开的测量标准也较少。日本在噪声测 量标准的研究和制定上受欧洲体系的影响较大，但是日本的噪声测量标准在测量 位置的布置、数值测量、数据处理方法等方面都体现了本国的噪声控制法规和铁 路特剧2 引。 e ni s o3 0 9 5 和e ni s o3 3 8 1 中只规定了噪声测量的方法，并没有规定噪声的 限值。这是由于各个国家具体情况不同，车辆噪声级也不尽相同，很难统一为一 个标型2 4 1 。下面介绍一些主要国家的噪声限值标准。 ( 1 ) 欧盟高速铁路列车噪声辐射限值 为了在欧盟范围内统一跨成员国间运营的列车噪声辐射标准，2 0 0 2 年欧洲铁 路互通性协会( 简称a e i f ) 在互通性技术规范( 简称t s i ) 中规定了铁路噪声 辐射标准，如表2 1 所示。 表2 1 欧盟高速铁路噪声辐射限值 t a b l e 2 - 1n o i s er a d i a t i o nl i m i t so fe u r o p e a nh i g h - s p e e dr a i l w a y s 注：测量位置距离线路轨道中心线2 5 m 处。 ( 2 ) 日本新干线列车噪声辐射限值 1 4 日本新干线车辆辐射噪声标准是依据1 9 7 2 年由环境厅、东北大学对东海道和 山阳新干线铁路噪声对沿线居民产生的心理影响调查结果确定的。调查结果表明， 使3 0 的人群感到烦恼的最大声级l 一= 7 0 - - 。7 5a b ( a ) 。由此同本在1 9 7 5 年制定 新干线环境噪声标准限值时，确定居民住宅外最大声级。，7 0d b ( a ) ，工业、 商业区或有少量居住的混合区室外最大声级三一。7 5d b ( a ) 。当时同本新干线距 离轨道中心线2 5 册处的噪声级约为8 5 - 9 0 d b ( a ) ，日本对达到标准限值的期限给 予了规定，对既有新干线超过8 0 a b ( a ) 的区域，要求3 年内达标；对拟建新干线， 要求投入运营后即达标。此后几年，日本投入大量人力物力财力用于降低新干线 的噪声。目前日本新干线距离轨道中心线2 5 m 处列车通过的最大声级