交通噪聲地圖的聲源反演及修正計(jì)算

李 楠,馮 濤,李賢徽,劉 磊,吳 瑞

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048；2.國家環(huán)境保護(hù)城市噪聲與振動(dòng)控制中心,北京 100054)

近年來,隨著我國城市化進(jìn)程的加快,城市交通噪聲污染問題日益突出,已經(jīng)成為影響我國城市居民生活質(zhì)量的主要污染源.交通噪聲預(yù)測(cè)及建立在其基礎(chǔ)上的噪聲地圖技術(shù)逐漸成為環(huán)境噪聲防治技術(shù)體系中的重要組成部分.

以歐洲、美國、日本等為代表的國家或地區(qū)對(duì)噪聲地圖相關(guān)技術(shù)的研究開展較早,取得了不少實(shí)踐成果[1-2].我國對(duì)噪聲地圖繪制技術(shù)的研究還處于起步階段,目前成果主要集中在噪聲地圖的工程應(yīng)用層面[3-5],在包括香港和臺(tái)灣在內(nèi)的某些大中型城市和地區(qū)已經(jīng)成功實(shí)施了一些噪聲地圖項(xiàng)目[6-8].城市交通噪聲預(yù)測(cè)作為噪聲地圖繪制的主要支撐技術(shù),在我國也有比較豐富的理論研究和實(shí)踐積累.吳碩賢等[9]早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始針對(duì)交通噪聲預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究.李本綱等[10-11]對(duì)美國FHWA模型進(jìn)行修正,研究了針對(duì)我國城市交通特點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型.石垚等[12]基于FHWA模型,結(jié)合我國蘭州地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過回歸分析的方法得到了區(qū)域性預(yù)測(cè)模型.黃寶香等[13-14]基于GIS平臺(tái)探討了噪聲場(chǎng)的三角網(wǎng)格劃分、噪聲等值線繪制和噪聲帶填充等可視化技術(shù).并探討了針對(duì)地形繞射和屏障繞射的基本聲線求解模型.

當(dāng)前階段,噪聲地圖的繪制技術(shù)已由傳統(tǒng)的二維噪聲地圖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆浜暧^統(tǒng)計(jì)特性的三維噪聲地圖,其面對(duì)的一個(gè)主要問題就是宏觀預(yù)測(cè)誤差.由于噪聲地圖往往覆蓋大面積區(qū)域,較難保證涉及的環(huán)境信息、地理信息和相關(guān)的交通或非交通聲源信息準(zhǔn)確而全面,可能會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域性甚至整體性的預(yù)測(cè)誤差.另外,噪聲地圖繪制的周期很長,可能花費(fèi)數(shù)月甚至一年的時(shí)間,因此噪聲地圖的實(shí)效性變得難以保證,與實(shí)時(shí)噪聲分布狀況難免出現(xiàn)差別.目前在國外噪聲地圖修正更新的實(shí)踐中,一般利用移動(dòng)或固定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來記錄預(yù)測(cè)模型必要的各類輸入?yún)?shù),如車流量、源強(qiáng)值、氣象條件等,利用這些參數(shù)更新預(yù)測(cè)模型的相關(guān)輸入?yún)?shù),進(jìn)行噪聲地圖整體或局部的重新計(jì)算[15-17].這類方法某種程度上是通過改變預(yù)測(cè)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行噪聲地圖的局部重繪,并沒有充分利用原始噪聲地圖的求解結(jié)果,其實(shí)施過程比較繁瑣,人力成本和設(shè)備成本都很高.

為了解決上述問題,Probst[18]提出了一種通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)來反演聲源特性,進(jìn)而進(jìn)行更新計(jì)算的方法.該方法通過對(duì)各聲源對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)求解來得到一個(gè)衰減系數(shù)矩陣,通過此矩陣和各監(jiān)測(cè)值的共同作用來反求聲源點(diǎn)的源強(qiáng).該方法隨求解過程比較簡(jiǎn)便,但只能較好的處理點(diǎn)聲源.對(duì)于道路源來說,其針對(duì)一個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的衰減量是很難用一個(gè)衰減矩陣中的單一值來表示.同時(shí)此方法在求解衰減矩陣時(shí)需要針對(duì)每個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)都重新計(jì)算一張單聲源噪聲地圖,計(jì)算量同樣很大,不適用于大規(guī)模噪聲地圖的修正和更新計(jì)算.

本文提出一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的聲源特性反演及噪聲地圖修正算法,此算法利用有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行源強(qiáng)修正,無需對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更改,并能夠處理道路聲源在計(jì)算過程中的離散化狀態(tài),使得更新區(qū)域符合預(yù)測(cè)模型的聲傳播規(guī)律,最后以某小型示范區(qū)噪聲地圖求解對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證.

1 基于預(yù)測(cè)模型的噪聲地圖繪制

交通噪聲地圖的繪制主要依賴于城市環(huán)境下的交通噪聲預(yù)測(cè)模型.預(yù)測(cè)模型主要包括了聲源模型和傳播模型兩部分.聲源模型將基本交通流信息(如車型源強(qiáng)、車流量、車速、車道數(shù)、車型比例及路面狀況等)轉(zhuǎn)化為交通噪聲源的源強(qiáng),而預(yù)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值則是由源強(qiáng)經(jīng)過一系列修正得來,傳播模型則負(fù)責(zé)對(duì)聲源到預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的噪聲傳播過程中的各修正項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算.傳播模型中修正項(xiàng)的構(gòu)成往往十分復(fù)雜,并且與城市地理環(huán)境信息緊密相關(guān),如大氣吸收、地形變化、建筑物的遮擋、各種綠化帶的影響都會(huì)影響噪聲傳播過程.因此,大規(guī)模噪聲地圖繪制需要結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)手段來將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,結(jié)合預(yù)測(cè)模型對(duì)城市網(wǎng)格中的各個(gè)格點(diǎn)做預(yù)測(cè)求解,最后整合為完整的噪聲地圖供噪聲管理使用.

1.1 噪聲地圖繪制過程

文獻(xiàn)[19]給出了戶外聲傳播衰減計(jì)算的基本形式：

式中：Lp(r)為預(yù)測(cè)點(diǎn)r處的聲壓級(jí)(dB);Lp(r0)為已知距離無指向性點(diǎn)聲源參考點(diǎn)r0處的倍頻帶聲壓級(jí)(dB);Adiv為幾何發(fā)散引起的衰減;Aatm為大氣吸收引起的衰減;Agr為地面效應(yīng);Ahar為聲屏障衰減;Amisc為其他衰減.

噪聲地圖繪制首先需要對(duì)各類計(jì)算所需的初始信息進(jìn)行匯入,包括了聲源模型和傳播模型建模所需的交通數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等.其次是進(jìn)行噪聲地圖網(wǎng)格建模.第3步是進(jìn)行預(yù)測(cè)模型建模和求解參數(shù)的設(shè)定.此階段需要通過匯入的各類數(shù)據(jù)建立聲源模型,并對(duì)傳播模型計(jì)算需要的各類影響因素進(jìn)行表達(dá)(如聲屏障、建筑物和地形的建模等),還要設(shè)定計(jì)算中的各類參數(shù),如聲源影響范圍、求解精度等.最后為噪聲地圖求解的過程,主要是根據(jù)預(yù)測(cè)模型對(duì)各個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算.由于計(jì)算量大,此過程一般通過并行計(jì)算等高性能計(jì)算方法來完成.當(dāng)噪聲地圖求解完成后,需要依據(jù)城市環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)來對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),通過對(duì)測(cè)量值和預(yù)測(cè)值的比較來判斷該噪聲地圖計(jì)算結(jié)果是否可以被接受.如果誤差較大,需要分析誤差的原因?qū)τ?jì)算過程進(jìn)行修正,重新計(jì)算以得到滿意的結(jié)果.最終計(jì)算完成后將噪聲地圖及其各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)布.

1.2 噪聲地圖誤差來源

噪聲地圖中的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較過程中,可能產(chǎn)生比較大的誤差,主要有3個(gè)來源：

誤差來源1：預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性.不同的國家針對(duì)交通噪聲預(yù)測(cè)一般都有不同的模型.由于不同國家不同地區(qū)的環(huán)境狀況、交通狀況及城市規(guī)劃模式都有所不同,所以難以找到一個(gè)通用預(yù)測(cè)模型.因此不考慮地區(qū)特征而運(yùn)用統(tǒng)一的預(yù)測(cè)模型往往會(huì)產(chǎn)生較大的偏差.

誤差來源2：聲源信息的準(zhǔn)確性.交通噪聲地圖繪制涉及的聲源參數(shù)非常復(fù)雜,主要包括了道路狀況、車流量、車速、車型比例及每種車型的參考噪聲級(jí)等.在噪聲地圖繪制時(shí),上述參數(shù)的輸入值一般來自于以往長時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均或等效,與噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)上述參數(shù)的真實(shí)值往往有比較大的偏差.這種偏差也是最后預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生的一個(gè)重要原因.

誤差來源3：傳播模型和傳播路徑的準(zhǔn)確性.在大規(guī)模噪聲地圖求解中,聲源與接收點(diǎn)之間的聲傳播環(huán)境十分復(fù)雜,而具體計(jì)算過程中關(guān)于聲傳播環(huán)境的輸入信息一般來自于GIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可能出現(xiàn)信息滯后甚至信息錯(cuò)誤的狀況,這會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)值和監(jiān)測(cè)值之間較大的誤差.另外采用的傳播計(jì)算模型是否合理細(xì)致,是否與計(jì)算區(qū)域?qū)嶋H的環(huán)境狀況相匹配,都有可能產(chǎn)生噪聲傳播過程的計(jì)算誤差.

由上述分析可知,誤差來源1與誤差來源2和3具有耦合性.因預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)過程本身就包括了聲源信息和聲傳播環(huán)境信息2類參數(shù).針對(duì)預(yù)測(cè)模型的修正很可能也涵蓋了對(duì)聲源信息和傳播路徑信息不準(zhǔn)確的修正.一般建立一個(gè)修正預(yù)測(cè)模型需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),并測(cè)量各類聲源數(shù)據(jù),周期很長.針對(duì)傳播路徑不準(zhǔn)確的修正則依賴于地理測(cè)繪和環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)更新速度的改善,涉及的面比較廣.而通過噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來對(duì)聲源信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行修正則成為噪聲地圖快速修正更新的一個(gè)比較理想的手段.

2 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的聲源反演方法

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的聲源反演本質(zhì)上是交通噪聲預(yù)測(cè)的逆過程,下面對(duì)反演原理和反演算法進(jìn)行具體介紹.

2.1 反演原理

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)很可能是附近若干交通干道共同影響的結(jié)果,也可能主要只受一個(gè)道路聲源的影響,這需要在聲源反演的過程中加以判定.另外,預(yù)測(cè)模型中的聲源參數(shù)也很多,僅靠噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)這一類測(cè)量數(shù)據(jù)很難進(jìn)行反演求解.因此將交通道路對(duì)象作為聲源特性的等效載體,來進(jìn)行反演計(jì)算,將各類聲源特性參數(shù)轉(zhuǎn)化成單一的聲源特性參數(shù)：道路聲源的單位長度聲功率級(jí).具體的假設(shè)和限定條件如下：

(1)道路聲源屬于一類特殊的理想線聲源,噪聲能量輻射分布均勻,整個(gè)聲源的聲源特性可以用單位長度聲功率級(jí)來表示.

(2)在計(jì)算過程中,將理想線聲源按照一定分割原則離散成若干理想點(diǎn)聲源,形成線聲源對(duì)應(yīng)的點(diǎn)聲源集合,進(jìn)行等價(jià)計(jì)算.該集合中所有點(diǎn)聲源的聲功率和等于線聲源的總聲功率.

(3)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量聲壓級(jí)和預(yù)測(cè)聲壓級(jí)都會(huì)受到不同聲源的綜合效應(yīng)的影響.如果某個(gè)可描述的聲源對(duì)測(cè)點(diǎn)的能量貢獻(xiàn)值最大并超過一定比例,則認(rèn)為此聲源為該測(cè)量點(diǎn)的主要影響聲源.在聲源反演過程中,只對(duì)測(cè)量點(diǎn)的主要聲源進(jìn)行反演.

上述限定條件(2)實(shí)際上描述了目前噪聲地圖求解中傳播模型實(shí)現(xiàn)的一種通用技術(shù),即線聲源的離散化(也稱為線聲源的分割).一般傳播模型的實(shí)現(xiàn)都會(huì)采用線聲源動(dòng)態(tài)離散算法[20],即線聲源的分段策略與預(yù)測(cè)點(diǎn)和線聲源的相對(duì)位置有關(guān),同一條線聲源針對(duì)不同的預(yù)測(cè)點(diǎn)會(huì)有不同的分段結(jié)果,若反演算法不能匹配相應(yīng)的動(dòng)態(tài)離散策略,就不能正確反演出線聲源的聲源特性.因此,在反演計(jì)算過程中,必須針對(duì)測(cè)量點(diǎn)的位置對(duì)每條相關(guān)線聲源進(jìn)行分割計(jì)算,記錄線聲源的離散化后的具體幾何信息,包括各分段等效點(diǎn)聲源的位置和等效線段的長度.

由于目前的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)設(shè)備無法識(shí)別全部噪聲源位置而只能記錄單一的測(cè)量值,因此必須通過預(yù)測(cè)計(jì)算來初步判斷求解范圍中各個(gè)點(diǎn)的影響聲源貢獻(xiàn)量比例構(gòu)成,并以此作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)位置參考依據(jù),盡量使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠最大程度上反映其主要監(jiān)測(cè)對(duì)象(如某條道路)的聲源特性,這樣在反演過程中,依照上述假定條件(3)給出的反演算法才會(huì)有比較好的反演效果.

另外,較大規(guī)模的噪聲地圖項(xiàng)目范圍內(nèi)往往部署多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如存在某聲源同時(shí)為2個(gè)以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主要聲源,就會(huì)出現(xiàn)在反演計(jì)算過程中反演值沖突的情況,即不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)同一個(gè)聲源的反演值可能是不同的.出現(xiàn)這種情況一般有2種可能性：第一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局不合理,對(duì)某條聲源進(jìn)行了重復(fù)監(jiān)測(cè).這種情況下一般可采用均值化處理,即將不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)求解出的聲源特性進(jìn)行能量平均處理;第二則是該聲源覆蓋面積廣,一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)無法滿足監(jiān)測(cè)要求.這就需要在預(yù)測(cè)求解前將該段聲源按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布分割成若干段,按照多個(gè)線聲源處理,并保證與各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng).2.2 反演算法中的若干概念及定義

根據(jù)上述反演原理中的假定和限制條件,針對(duì)反演算法做如下定義：

定義1：聲源作用半徑re,指一個(gè)聲源的最大有效作用半徑,超過此半徑的聲源不參與求解計(jì)算.

2.3 反演算法及修正計(jì)算實(shí)施步驟

針對(duì)噪聲地圖中的若干交通聲源及監(jiān)測(cè)點(diǎn),其反演計(jì)算和更新求解步驟如下：

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)聲壓級(jí)求解.

在指定求解區(qū)域內(nèi),對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)集合M內(nèi)的元素依次進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)仿真求解.仿真求解過程中,求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi的有效聲源集合Si以及有效聲源貢獻(xiàn)值集合Li.根據(jù)Li求出mi的預(yù)測(cè)聲壓級(jí)LPi.

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大影響聲源確定.

針對(duì)mi求出其對(duì)應(yīng)的Li集合中具有最大值的元素lik,則聲源sik稱為監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大影響聲源.

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)其最大影響聲源反演可靠性的確定.

根據(jù)式(3)求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi最大影響聲源sik的聲源貢獻(xiàn)率cik.當(dāng)滿足cik≥e的條件時(shí),則認(rèn)為通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi來對(duì)聲源sik進(jìn)行的反演求解是可靠的,稱sik為mi的主要聲源.其中e∈ [ 0 ,1],表示了最大影響聲源對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響程度,具體數(shù)值由用戶確定.e值越大,表明用戶對(duì)反演的可靠性要求越高.當(dāng)cik的值滿足上述不等式,則認(rèn)為sik是mi的主要聲源,并且可以通過mi對(duì)sik進(jìn)行反演求解;若不滿足上述不等式,則認(rèn)為mi沒有占據(jù)絕對(duì)統(tǒng)治地位的主要影響聲源,即沒有主要聲源,因此利用mi對(duì)任何聲源進(jìn)行反演求解其結(jié)果的可靠性不高.

(4)主要聲源傳播信息求解及記錄.

在確定了mi擁有主要聲源sik的基礎(chǔ)上,以sik為聲源,以mi為接收點(diǎn),做噪聲預(yù)測(cè)仿真求解.在求解過程中根據(jù)定義8記錄保存聲源sik的離散點(diǎn)聲源集合Pik,并保存其聲源點(diǎn)信息,結(jié)果為：

(6)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的收集整理,獲取與仿真預(yù)測(cè)時(shí)間參數(shù)相等的測(cè)量數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)聲壓級(jí)均值,記為LMi.

(7)利用mi實(shí)測(cè)值LMi對(duì)其主要聲源sik進(jìn)行反演計(jì)算,主要目的是求出能夠反映sik聲源特性的單位長度聲功率級(jí)L'ik.

反演過程主要是對(duì)下面的反演方程進(jìn)行求解：

(8)利用反演結(jié)果進(jìn)行局部修正更新計(jì)算.

利用聲源sik的反演結(jié)果,即新的聲源特性,進(jìn)行局部噪聲地圖更新求解,求解范圍為聲源sik為基礎(chǔ)以半徑re擴(kuò)展的擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的所有格點(diǎn).

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文的聲源反演算法及修正計(jì)算過程,針對(duì)一個(gè)小型示范區(qū)進(jìn)行噪聲地圖求解、反演及修正計(jì)算的仿真實(shí)驗(yàn).

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)中,示范區(qū)道路、建筑物等信息來源于基于真實(shí)測(cè)量值的GIS數(shù)據(jù),建筑物數(shù)目為1748個(gè)(附帶真實(shí)高度信息),主要道路為4條,示范區(qū)面積約為1.75km2.主要道路的車流量信息見表1,其中小型車平均車速為60km/h,大型車平均車速為50km/h.這些道路在求解過程中將被作為交通聲源處理,用L= {l1,l2,l3,l4,l5}表示.

實(shí)驗(yàn)軟件采用自主研發(fā)的噪聲地圖繪制及管理平臺(tái)CATNMP[21],該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了我國《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-聲環(huán)境》對(duì)交通道路噪聲預(yù)測(cè)求解的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了GIS和交通信息匯入、噪聲地圖求解及噪聲地圖可視化數(shù)據(jù)管理等功能,同時(shí)還提供了分布式計(jì)算支持.將本文提出的反演算法編制成反演計(jì)算程序包結(jié)合CATNMP進(jìn)行反演及更新求解實(shí)驗(yàn).

表1 道路聲源屬性信息Table 1 Properties of road sources

在CATNMP環(huán)境中,針對(duì)求解的示范區(qū)域設(shè)置了6個(gè)虛擬監(jiān)測(cè)點(diǎn),從1到6進(jìn)行編號(hào),用集合M= {m1,m2,m3,m4,m5,m6}表示.各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖1所示.其中,m1和m2靠近道路1南段、m3靠近道路1北段、m4至m6靠近道路2.其中m1和m4與臨近道路之間存在建筑物遮擋.

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

下面列出具體反演修正計(jì)算實(shí)驗(yàn)的實(shí)施步驟：

(1)據(jù)表1中的交通信息和匯入的GIS數(shù)據(jù),在CATNMP中對(duì)示范區(qū)進(jìn)行噪聲地圖預(yù)測(cè)求解計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖1所示.在噪聲地圖的計(jì)算過程中,求解出了M集合內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的預(yù)測(cè)值(如表2和表3所示),同時(shí)還求出了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效聲源集合及有效聲源貢獻(xiàn)值集合.

(2)求解出M各元素對(duì)應(yīng)的最大影響聲源和最大影響聲源的貢獻(xiàn)率(取e=0.5,如表2所示).

(3)在CATNMP中針對(duì)M中各元素進(jìn)行單獨(dú)的預(yù)測(cè)求解,記錄求解過程中的主要聲源離對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)聲源集合,保存離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息(見2.3節(jié)步驟(4)),并記錄非主要聲源的貢獻(xiàn)量.所有上述信息記錄在CATNMP的內(nèi)部對(duì)象屬性變量中.

表3 虛擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果(dBA)Table 3 Calculation results on the locations with measurements(dBA)

(4)在CATNMP中,隨機(jī)改變L中各元素對(duì)應(yīng)的交通信息值(模擬交通流狀態(tài)的隨機(jī)變化),通過仿真計(jì)算求解為M中的各元素生成虛擬監(jiān)測(cè)值LMi,如表2所示.在此處不直接為M生成隨機(jī)虛擬監(jiān)測(cè)值的原因是為了保證M中各元素的虛擬監(jiān)測(cè)值之間保持正確的空間噪聲傳播分布關(guān)聯(lián)性.

(5)對(duì)M中的每個(gè)元素求解反演方程(式(7)),并針對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值對(duì)該示范區(qū)進(jìn)行反演和修正計(jì)算,形成6組計(jì)算結(jié)果.對(duì)這6組結(jié)果進(jìn)行比較,對(duì)反演及更新算法的特點(diǎn)和性能進(jìn)行分析.

3.3 結(jié)果分析

在6組實(shí)驗(yàn)中,每組實(shí)驗(yàn)都選擇1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的主要影響聲源作為反演對(duì)象,并按照反演結(jié)果對(duì)整個(gè)求解區(qū)域進(jìn)行更新計(jì)算.

如圖2所示,在6次實(shí)驗(yàn)中,相對(duì)于原始的預(yù)測(cè)值,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的更新計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值更為接近,能夠很好的反應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果.

通過圖3可以看到,每次實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量點(diǎn)處的修正誤差均在1.1dB以下,保持了一個(gè)很低的水平.其中,測(cè)量點(diǎn)m1和m4的修正誤差明顯大于其他4個(gè)測(cè)量點(diǎn).通過表1可以看出,6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主要聲源影響率都在0.5以上,其中測(cè)量點(diǎn)m1和m4的主要聲源影響率比較低(低于0.6),其原因主要有2個(gè)：一是這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與其主要聲源之間存在建筑物,噪聲傳播會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的衰減,其主要聲源的貢獻(xiàn)量則會(huì)相應(yīng)減少.第二則是因?yàn)樵诰嚯x這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近的地方有其他的強(qiáng)源存在,如針對(duì)m1有l(wèi)4存在,而針對(duì)m4有l(wèi)1存在,大大削弱了其主要影響聲源的貢獻(xiàn)比例.結(jié)合圖3和表1可以看出,較低的主要聲源影響率會(huì)導(dǎo)致較大的修正絕對(duì)誤差(m1和m4的主要聲源影響率最低而其對(duì)應(yīng)修正絕對(duì)誤差也最大).因此在實(shí)際測(cè)量中,需要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置加以優(yōu)化以減小誤差,主要原則是接近目標(biāo)聲源,遠(yuǎn)離其他強(qiáng)源,并且盡量避免建筑的遮擋.

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處預(yù)測(cè)值、測(cè)量值與修正值的對(duì)比Fig.2 Comparison of predictive value,measured value and the correction value on measurements

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的修正誤差比較Fig.3 Comparison of correction error on measurements

在實(shí)際應(yīng)用中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置受多種因素影響,可能無法按照理想位置部署,此種情況下可有下述2種處理方式：通過提高e值將不可靠的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行剔除,使之不參與整體更新過程,而該局部區(qū)域內(nèi)的預(yù)測(cè)誤差通過建立移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)或臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)解決.這就需要提高噪聲地圖更新的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本.根據(jù)定義4給出的有效聲源貢獻(xiàn)值集合中各值的比例關(guān)系將預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行分配,再利用式(9)對(duì)其多個(gè)影響聲源進(jìn)行反演.此方法應(yīng)用的前提是涉及的聲源具有比較好的源強(qiáng)同步性,即同步增強(qiáng)或同步減弱.若聲源間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)甚至屬于負(fù)相關(guān),則此方法不適用.

由圖4可見.首先,靠近每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)點(diǎn)較近的點(diǎn)修正誤差較小,如實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中,m1,m2和m3位置的修正誤差要明顯小于m4,m5和m6位置的修正誤差.

圖4 各次實(shí)驗(yàn)中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處修正誤差的對(duì)比Fig.4 Comparison of correction error on all measurements

其次,除了實(shí)驗(yàn)1到實(shí)驗(yàn)3中m4,m5和m6位置處的修正誤差較大以外(在7dB左右),其他位置修正誤差均在2.5dB以下,保持了比較低的水平(與預(yù)測(cè)誤差相比).這主要是因?yàn)閙4,m5和m6主要反映的是l3的聲源特性,而在實(shí)驗(yàn)1到實(shí)驗(yàn)3中是利用能夠反映l1和l2聲源特性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)m1,m2和m3進(jìn)行反演更新計(jì)算的,并沒有兼顧到l3聲源特性的變化.另外,通過圖2也可以看出,m4,m5和m6位置處的預(yù)測(cè)值與虛擬測(cè)量值之間的差值相對(duì)于另外3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言更大,這說明l3的聲源特性變化更為劇烈,這也是前3組實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)較大修正誤差的原因.l3聲源特性的劇烈變化在圖5和圖6中也可以較為明顯的看出.

由圖5可以看出,l1周邊區(qū)域更新地圖的變化較為明顯,而隨著距離的增加,更新地圖與原始預(yù)測(cè)地圖基本噪聲分布趨勢(shì)保持一致.從圖6中可以看出,l3聲源特性變化較為劇烈,更新圖與原始預(yù)測(cè)圖有較為明顯的趨勢(shì)差距,效果較為明顯.

圖5 實(shí)驗(yàn)1修正噪聲地圖與原始噪聲地圖的對(duì)比Fig.5 Comparison of correction noise map and original noise map in test 1

圖6 實(shí)驗(yàn)4修正噪聲地圖與原始噪聲地圖的對(duì)比Fig.6 Comparison of correction noise map and original noise map in test 4

綜上,針對(duì)本文的反演修正方法可以得出以下分析結(jié)果.

(1)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布置合理(主要聲源影響率較大)的情況下,能夠有效的通過監(jiān)測(cè)值反映出主要聲源的聲源特性變化,并能夠較好的對(duì)聲源周邊地區(qū)的噪聲分布狀況進(jìn)行修正預(yù)測(cè).

(2)難以通過單一的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)大范圍的區(qū)域進(jìn)行反演修正,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)主要聲源影響范圍之外的預(yù)測(cè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的修正誤差,因此應(yīng)該利用多監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行局部地圖反演修正,再進(jìn)行整體拼合.

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的部署位置對(duì)修正結(jié)果有一定影響,監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)該放置在接近目標(biāo)聲源,遠(yuǎn)離其他強(qiáng)源,并且盡量避免建筑遮擋的位置.

在未來的研究工作中,需要進(jìn)一步對(duì)多聲源多測(cè)量點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,合理的部署測(cè)量點(diǎn),提高反演計(jì)算的精度,進(jìn)一步提高交通噪聲地圖繪制的速度和質(zhì)量.

3 結(jié)語

本文算法在噪聲地圖修正計(jì)算過程中,利用了原始求解過程中的大部分計(jì)算數(shù)據(jù),避免了全部重新計(jì)算的時(shí)間損耗.通過算法實(shí)驗(yàn)分析表明,本文提出的交通噪聲地圖聲源反演及修正算法能夠有效的利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來反演其主要聲源的聲源特性,而無需重新設(shè)置預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù).通過修正聲源進(jìn)行的噪聲地圖修正計(jì)算能夠較好的體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的修正誤差在1.1dB以下,而其他位置的修正誤差則與監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要聲源影響率和其影響范圍有關(guān),影響率越小,則誤差越大.整體噪聲地圖的求解效果符合預(yù)測(cè)模型中的聲傳播衰減規(guī)律.

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