（交通运输规划与管理专业论文）交通噪声微观仿真模型研究.pdf

u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i ux i a o m i n g p r o f r o n gj i a n t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hc e n t e r ，b e i j i n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b e i ji n g ，p ro f c h i n a m a r c h ，2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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工业大学或其它教育机构一 的学位或证书而使用过的材料。与我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。 签名：r 觌：a olo ；省 期： 萨olo ； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：同期：切，拈 摘要 近年来，我国用于公路建设的投资逐年递增，“十五 期间我国共建成高速 公路2 4 7 万公里，是“八五 和“九五”建成高速公路里程总和的1 5 倍。到 2 0 0 8 年底，高速公路总里程达到6 0 3 万公里，稳居世界第二位，仅次于美国。 全国道路建设正向高等级、长里程、高密度方向发展。然而，伴随着我国高速公 路建设的迅猛发展，交通噪声污染问题也日渐成为广大公众关注的焦点问题。根 据环保部门统计调查，居民对环境噪声的投诉在环境污染投诉中的比例最大，其 中对交通噪声的投诉又占了交通噪声投诉比例的绝大部分。如何在高速公路设计 之初，考虑噪声防控措施，体现交通环保理念，成为了交通事业发展面临的新问 题。 为有效控制和消除交通噪声污染，需要遵循“防治结合，以防为主 的原则， 在道路基础设施规划、设计和建设环节，考虑交通噪声污染防治问题，体现环境 保护理念。为了达到这一目标，需要加强交通噪声产生和传播机理、噪声检测技 术等方面的研究，特别是交通噪声预测( 评价) 模型研究。国内外众多研究结果 一致认为，交通噪声预测模型可用于交通基础设施规划、设计和改扩建阶段的交 通噪声预评价；可部分地代替噪声实测调查，降低调查成本；可用于已建道路的 噪声估算，为交通噪声超标评判和执法工作提供科学的依据；可用于深入研究和 分析交通噪声特性；可用于设计噪声防控措施和评价措施降噪效果。总之，无论 从理论研究的角度，还是从实际应用的角度出发，交通噪声预测模型均具有很高 的研究价值。 交通噪声是一个综合噪声源，它的产生和传播与交通流状态、路面状况、测 点环境以及气候条件等因素有关。本论文通过文献综述，定性和定量地分析了交 通量、车辆类型和车流速度3 个主要因素与交通噪声之间的关系，详细地归纳和 总结了国内外现有交通噪声预测模型( 统计模型、经验模型、理论模型和宏观评 价模型) 的优点和不足之处，确立了本文采用理论模型与交通仿真模型相结合的 研究方法。 本论文根据噪声产生和传播机理，将车辆噪声预测模型划分为声源模型和噪 声传播模型两部分。声源模型主要用于计算车辆在运动状态下产生噪声的初始强 度。本论文依据声学定理，建立了给定测点处噪声级与车辆运动状态参数( 相对 位置、速度) 之间的对数函数关系式。对于噪声传播模型，本论文借鉴现有交通 噪声传播模型，考虑传播距离、大气状况和地面类型3 个主要因素对噪声传播的 影响。为了解决车辆噪声预测模型标定和验证数据采集困难的问题，本论文建立 了一种基于车载全球卫星定位设备( 以下简称为g p s 设备) 的车辆轨迹与噪声 数据同步采集方法，实现了车辆运动状态轨迹与噪声实时同步采集。根据该实验 北京t 业大学博十学位论文 方法采集实测数据，利用非线性回归理论和假设检验方法，标定和验证模型。通 过模型比选方法，确定车辆噪声预测模型计算式。 为了实现车流整体噪声预测的目的，本论文以v i s u a lc + + 作为开发工具， 将车辆噪声预测模型与公路仿真模型相结合，建立了交通噪声仿真模型。利用该 模型可实现简单公路网周边区域噪计算及噪声地图绘制功能。通过对多条公路实 验数据，利用假设检验法和误差分析方法，验证了交通噪声仿真模型有效性，确 定了仿真模型的预测精度。 基于交通噪声仿真模型，以设计速度1 2 0 k m h ，双向6 车道高速公路为例， 分析了平曲线半径对交通噪声的影响程度。研究结果表明，小半径平曲线造成车 流平均速度降低，从而间接起到了降低噪声的效果。与曲线起点相比，曲线中点 和终点处噪声降低程度更加明显。 基于交通噪声仿真模型，以京沈高速觅西桥路段为例，建立了噪声地图绘制 方法。研究结果表明，利用噪声仿真模型计算交通流整体噪声在空间区域内的分 布曲线和绘制噪声地图是完全可行的。 关键词：交通噪声，噪声预测模型，噪声仿真，平曲线半径，噪声地图 i i o ft r a f f i cn o i s ea l s oa c c o u n t e df o rt h ev a s tm a j o r i t yo ft h ep r o p o r t i o no fn o i s e c o m p l a i n t s s ot h en e wp r o b l e m sf a c i n gt h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni s h o wt oc o n s i d e rn o i s ec o n t r o lm e a s u r e sa tt h e b e g i n n i n go ft h eh i g h w a yd e s i g n , r e f l e c t i n gt h et r a f f i ce n v i r o n m e n t a lp h i l o s o p h y t oe f f e c t i v e l yc o n t r o la n de l i m i n a t et h et r a f f i cn o i s ep o l l u t i o n , t h en e e di st o f o l l o wt h e p r i n c i p l eo f ”c o m b i n i n gp r e v e n t i o n 谢t l lc o n t r o l ”，i nu r b a nr o a d i n f r a s t r u c t u r ep l a n n i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns e c t o r s ，w i t hc o n s i d e r i n gt h et r a f f i c n o i s e p o l l u t i o np r e v e n t i o n a n dc o n t r o li s s u e sa n d r e f l e c t i n g t h e c o n c e p t o f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h i sg o a l ，t h en e e di st os t r e n g t h e nt h e s t u d yo fg e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s mo ft r a f f i cn o i s e ，n o i s ed e t e c t i o n t e c h n o l o g ya n do t h e ra s p e c t s ，p a r t i c u l a r l yt r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o n ( e v a l u a t i o n ) m o d e l an u m b e ro fr e s e a r c hr e s u l t sa td o m e s t i ca n da b r o a da g r e e dt h a tt h et r a f f i cn o i s e p r e d i c t i o nm o d e lc a nb eu s e dt ot r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r ep l a n n i n g ，d e s i g na n d r e n o v a t i o na n de x p a n s i o ns t a g e t h er e a l i z a t i o no ft r a f f i cn o i s ep o l l u t i o np r e v e n t i o n a n dc o n t r 0 1i na d v a n c e ，c o m p a r e dt oap a s s i v ep o s t - t r e a t m e n tc a ns a v eal o to f m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s n l et r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lc a nb eu s e dt o p a r t i a l l yi n s t e a do fn o i s em e a s u r e m e n ts u r v e y s ，t or e d u c ei t sc o s t so fi n v e s t i g a t i o n 1 1 1 et r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lc a l lb eu s e dt oe s t i m a t et h en o i s eo fr o a dw h i c hh a s b e e nb u i l tf o rt h ee x c e s s i v et r a f f i cn o i s ei nt h ew o r ko fi u d g e sa n dl a we n f o r c e m e n tt o p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s t h et r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lc a nb eu s e df o ri n d e p t h s t u d ya n da n a l y s i so ft r a f f i cn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s t h et r a f h cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e l c a nb eu s e di nt h ed e s i g na n de v a l u a t i o no fn o i s ec o n t r o lm e a s u r e sf o rn o i s er e d u c t i o n i ns h o r t , b o t hi nt h e o r e t i c a lr e s e a r c hp e r s p e c t i v ea n df r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n p o i n to fv i e w ，t r a 伍cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lf o rs t u d i e si so fh i g hr e s e a r c hv a l u e i i i 北京t 业人学博f j 学位论文 t r a f f i cn o i s ei sac o m p r e h e n s i v en o i s es o u r c ea n di t sg e n e r a t i o na n d p r o p a g a t i o n a r ed e p e n do nt h es t a t eo ft r a f f i cf l o w , r o a dc o n d i t i o n s ，e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ， c l i m a t i cc o n d i t i o n sa n dm e a s u r e dp o i n t sa n do t h e rf a c t o r s i nt h i sp a p e r , t h r o u g h l i t e r a t u r er e v i e w , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f i cn o i s ea n dt h r e ei n f l u e n c i n gf a c t o r s i n c l u d i n g t r a f f i c v o l u m e ，v e h i c l et y p ea n dt r a f f i cs p e e di sq u a l i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n gd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lt r a 伍cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e l ( s t a t i s t i c a lm o d e l ，e m p i r i c a lm o d e l s ， t h e o r e t i c a lm o d e l sa n dm a c r o e v a l u a t i o nm o d e l ) a r es u m m a r i z e di nd e t a i l s ot 1 1 i s p a p e re s t a b l i s h e dt h er e s e a r c hm e t h o d sc o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs i m u l a t i o n m o d e l i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em e c h a n i s mo fn o i s eg e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o n , v e h i c l en o i s ep r e d i c t i o nm o d e li sc l a s s i f i e da ss o u n ds o u r c em o d e la n dt h en o i s e p r o p a g a t i o nm o d e li nt w op a r t s s o u n ds o u r c em o d e li sm a i n l yu s e dt oc a l c u l a t et h e n o i s eg e n e r a t e df r o mt h ev e h i c l e i nt h i sp a p e r , b a s e do na c o u s t i ct h e o r e m ，t h e l o g a r i t h m i cf u n c t i o nr e l a t i o n s h i pi se s t a b l i s h e df o rag i v e nm e a s u r e m e n tp o i n t b e t w e e nt h ev e h i c l em o t i o ns t a t ep a r a m e t e r s ( r e l a t i v e p o s i t i o n , s p e e d ) a n dn o i s el e v e l f o rt h en o i s ep r o p a g a t i o nm o d e l ，t h i sp a p e rc o n s i d e r st h ei n f l u e n c eo ft h ep r o p a g a t i o n d i s t a n c e ，a t m o s p h e r i cc o n d i t i o n sa n dg r o u n dt y p e so nt h en o i s ep r o p a g a t i o n d u et o p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n dc o n s t r a i n t s ，t h i sa r t i c l er e f e r st ot h ef o r mo fn o i s e p r o p a g a t i o nm o d e lf r o mb o t ht h er e c o m m e n d e dm o d e l ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa st h e m i n i s t r y o f t r a n s p o r t a t i o nm o d e l ) o ft h e ”h i g h w a yc o n s t r u c t i o n p r o j e c t e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n ts t a n d a r d s ”a n dt h eu n i t e ds t a t e sr u f f i nm o d e l f o rc a l i b r a t i o na n dv a l i d a t i o no fv e h i c l en o i s ep r e d i c t i o n m o d e l ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dar e a l t i m en o i s ed a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d su s i n gt h eg l o b a lp o s i t i o n i n g s a t e l l i t e ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sg p s ) ，t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs i m u l t a n e o u s l y a c q u i s i t i o nb o t ht h e s t a t eo fv e h i c l em o t i o nt r a j e c t o r ya n dt h er e a l t i m en o i s e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t hn o n l i n e a rr e g r e s s i o nt h e o r ya n dh y p o t h e s i s t e s t i n gm e t h o d s ，t h em o d e l sw e r ec a l i b r a t e da n dv a l i d a t e d b yc o m p a r i n gt h er e s u l t s o ft h em i n i s t r yo ft r a n s p o r t a t i o nm o d e la n dr u f f i nm o d e l ，r u f f mm o d e li ss e l e c t e da s a p r o p a g a t i o nm o d e l t ot a k ea d v a n t a g eo ft r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h e o v e r a l l t r a f j f i cf l o wn o i s e ，t h i sp a p e ru s e sv i s u a lc 抖a s d e v e l o p m e n tt o o l s ，a n de s t a b l i s h e s t h et r a f f i cn o i s es i m u l a t i o np l a t f o r mb yc o m b i n i n gv e h i c l e s r o a dm o d e la n dn o i s e p r e d i c t i o nm o d e l t h ep l a t f o r me n a b l e st oc a l c u l a t eas i n g l e - p o i n tn o i s eo rr e g i o n a l n o i s em a p p i n gf e a t u r ew i t h i nas i m p l er o a dn e t w o r k t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i v a b s t r a c t 曼蔓曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼舅i 一 ；i 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼皇曼鼍 u s i n gt h eh y p o t h e s i st e s t i n gm e t h o da n de r r o ra n a l y s i sm e t h o d ，t r a f f i cn o i s e s i m u l a t i o np l a t f o r mi sv e r i f i e da n dv a l i d i t e d b yc o m p a r i n g 、析t l lt h er e s u l t so b t a i n e d f r o mm i n i s t r yo ft r a n s p o r t a t i o nm o d e l ，s i m u l a t i o np l a t f o r mh a st h eh i g h e r p r e d i c t i o n a c c u r a c y b a s e do nt r a 伍cn o i s es i m u l a t i o np l a t f o r m ，a st h ed e s i g ns p e e do f12 0 k m h , t w o w a ys i x l a n eh i g h w a yac a s e ，t h ei m p a c to fh o r i z o n t a lc u r v er a d i u so nt r a f f i c n o i s ei sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr e d u c e dt r a f f i cs p e e di sc a s e db yt h es m a l l r a d i u sh o r i z o n t a lc u r v e ，t h u si n d i r e c t l ys e r v et or e d u c et h en o i s ee f f e c t c o m p a r e d w i t ht h ec u l w es t a r t i n gp o i n t ，t h ec h iv ea tt h em i d p o i n ta n de n db e c o m em o r e p r o n o u n c e dt or e d u c en o i s e l e v e l b a s e do nt r a f f i cn o i s es i m u l a t i o np l a t f o r m , a sf r e e w a yb e i j i n g - s h e n y a n gm i x i b r i d g es e c t i o nac a s e ，t h en o i s em a p p i n gm e t h o di se s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eu s eo ft r a f f i cn o i s es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rc a l c u l a t i n gt h et r a f f i cf l o wo v e r a l l n o i s ei nt h es p a c ed i s t r i b u t i o nc u r v ew i t h i nt h er e g i o na n dr e n d e r i n gt h en o i s em a pi s e n t i r e l yf e a s i b l e k e yw o r d s ：t r a f f i cn o i s e ，n o i s ep r e d i c t i o nm o d e l ，n o i s es i m u l a t i o n , h o r i z o n t a lc u r v e ， n o i s em a p v 北京t 业大学博十学位论文 v i 1 2 研究目的与意义。3 1 3 论文研究的主要内容- 4 1 4 论文结构安排4 1 5 本章小结5 第2 章国内外研究综述7 2 1 交通噪声影响因素一7 2 1 1 交通量7 2 2 2 车辆类型8 2 2 3 车流速度9 2 2 交通噪声预测模型1 l 2 2 1 统计模型1 1 2 2 2 经验模型1 2 2 2 3 理论模型1 4 2 2 4 宏观模型15 2 2 5 模型比较1 7 2 3 交通噪声评价指标1 8 2 3 1 等效声级1 8 2 3 2 统计百分声级1 9 2 3 3 噪声污染级1 9 2 3 4 交通噪声指数2 0 2 3 5 昼夜等效声级2 0 2 4 交通噪声测量2 0 2 4 1 测量的时间及气象条件2 1 2 4 2 测点选择一2 1 2 4 3 测量方法2 1 2 4 4 测量数据的处理2 1 2 5 本章小结2 2 v i i 北京t 业大学博 j 学位论文 第3 章车辆噪声预测模型2 3 3 1 车辆声源模型2 3 3 2 噪声传播模型2 5 3 2 1 几何发散衰减2 5 3 2 2 空气吸收衰减2 6 3 2 3 地面效应衰减2 7 3 3 车辆噪声预测模型2 8 3 4 模型标定和验证2 9 3 4 1 实验设计。2 9 3 4 2 模型参数标定3 3 3 4 3 模型检验3 4 3 5 本章小结。3 5 第4 章交通噪声仿真模型3 7 4 1 仿真概述3 7 4 2 仿真模型结构3 8 4 3 道路模块3 9 4 3 1 基本组成3 9 4 3 2 自由流速度影响模型4 1 4 3 3 车流检测设备4 3 4 4 人车单元模块4 4 4 4 1 驾驶员和车辆类4 4 4 4 2 期望速度影响模型4 5 4 5 路侧模块4 5 4 5 1 基本组成4 5 4 6 车辆行驶模块4 6 4 6 1 发车模型4 6 4 6 2 跟驰模型4 6 4 6 3 换车道模型4 8 4 7 车辆噪声模块4 9 4 8 结果模块。4 9 4 9 本章小结5 0 第5 章交通噪声仿真模型验证5 1 5 1 实验设计51 5 1 1 调查内容与实验设备5 1 v i i i 目录 5 1 2 实验人员和设备布设5 2 5 1 3 实验地点选取5 3 5 1 4 实验步骤5 4 5 2 交通部模型计算结果5 5 5 2 1 交通部模型介绍5 5 5 2 2 计算方法5 5 5 4 仿真模型计算结果5 6 5 4 1 交通流仿真结果验证5 6 5 4 2 噪声仿真结果验证5 8 5 4 本章小结6 4 第6 章公路线形对交通噪声影响研究6 5 6 1 概述6 5 6 2 研究方法6 5 6 3 平曲线半径对交通噪声的影响一6 6 6 3 1 道路模型6 6 6 3 2 输入交通数据一6 7 6 3 3 模型仿真实验6 7 6 3 4 结果分析6 7 6 4 本章小结7 0 第7 章基于仿真模型的噪声地图绘制方法7 1 7 1 噪声地图概述7 1 7 2 基于仿真模型的噪声地图绘制方法7 2 7 2 1 研究区域7 3 7 2 2 数据采集7 3 7 2 3 建立道路模型7 4 7 2 4 输入交通数据7 6 7 2 5 模型仿真实验7 7 7 2 6 模型验证7 7 7 2 7 绘制噪声地图7 8 7 3 结果分析7 9 7 4 本章小结8 0 论文的主要结论与展望81 主要结论8 1 主要创新点8 2 i x 北京t 业大学博 ：学位论文 未来研究的展望8 2 参考文献8 3 附录1 车辆噪声预测模型验证实验表格8 7 附录2m a t l a b 非线性回归算法8 9 附录3v c + + 噪声等高线算法( 部分代码) 9 1 附录4 仿真模型验证实验表9 5 攻读博士学位期间发表的学术论文及主要科研工作。9 7 学术论文成果。9 7 参与的主要科研项目9 7 致 射。9 8 x c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c t ( c h i n e s e ) a b s t r a c t ( e n g l i s h ) c h a p t e r1i n t r o u d c t i o n l l i 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2s t u d yo b j e c to nt h e o r ya n ds i g n i f i c a n c e 3 1 3s t u d yc o m e n to f d i s s e r t a t i o n j 4 1 4d i s s e r t a t i o ns t r u c t u r e 5 1 5c h a p t e rs u m m a r y 6 c h a p t e r 2l i t e r a t u r er e v i e w 7 2 1t 】m 伍cn o i s ei n f l u e n c ef a c t o r s 7 2 1 1t i 姬cf l o w 7 2 1 2v e h i c l ec a t e g o r y 8 2 1 3s p e e d 9 2 2t r a 伍cn o i s ep r e d i c tm o d e l s 1 1 2 2 1s t a t i c a lm o d e l 11 2 2 2e m p i r i c a lm o d e l 1 2 2 2 3n l e o r i e t i c a lm o d e l 1 4 2 2 4m a c r om o d e l 1 6 2 2 5m o d e lc o m p a r i s o n l8 2 3t i 刮臣cn o i s ee v a l u a t i o ni n d e x 19 2 3 1e q u i v a l e n ts o u n dl e v e l 1 9 2 3 2s t a t i s t i c sp e r c e n t i l es o u n dl e v e l 1 9 2 3 3n o i s ep o l l u t i o nl e v e l 2 0 2 3 4t r a m cn o i s ei n d e x 2 0 2 3 5d a ya n dn i g h te q u i v a l e n ts o u n dl e v e l 2 0 2 4t h m cn o i s