虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統構建研究

曾 宇 戶文成

(北京市勞動保護科學研究所 北京 100054)

0 引 言

近年來隨著城市交通路網的建設，城市軌道和道路交通引發的環境噪聲污染問題受到廣泛關注[1-2]。在建設規劃環境影響評估過程中，評估人員不僅需要預測和評估城市軌道和道路交通引發的環境噪聲污染，還要對嚴重的環境噪聲污染進行控制并對控制措施的效果進行評估。環境噪聲預測結果和控制效果大多以等效聲級、插入損失等評價指標的形式進行存儲和展示，環境噪聲評價指標的抽象和視聽體驗的欠缺給環境噪聲預測結果和控制效果的體驗帶來不便，進而降低了環境噪聲影響評估過程的效率。

指標數據的抽象和視聽體驗的欠缺的問題可以通過虛擬現實技術來解決。趙鴻凱等[3]提出一種基于三維虛擬現實的歷史街景重現技術，重現精度高且完整性強。張碩等[4]構建了虛擬現實家居環境，捕捉操作者的手勢并使虛擬人物同步動作。于洋等[5]采用虛擬現實技術研發隧道掘進機虛擬仿真系統，應用于地下工程施工課程的實踐教學環節。劉婷婷等[6]提出結合體感和語音技術建立情景化虛擬康復環境的構想，設計了一種基于虛擬智能體的康復技術方案。李初蕾等[7]提出試車數據與發動機3D數字化模型融合的實時可視化方法，實現了發動機模型結構和測試參數可視化功能。黃銘明等[8]構建了下頜骨骨折虛擬手術培訓系統，對下頜骨骨折手術的場景、交互和手術過程進行模擬。劉相等[9]利用虛擬現實技術建立空間站虛擬場景，研究了航天員的身體移動姿態對導航任務績效的影響。史耕金[10]設計了基于虛擬現實技術的發電機檢修工藝培訓專家系統，提高了火電廠發電機檢修培訓的效果和質量。張力勻等[11]提出一種基于虛擬現實技術的基礎維修時間預計方法，應用于民用飛機維修拆卸任務的時間預計。王磊等[12]構建了核電站廠房的虛擬現實場景，研究了壓水堆換料操作過程中虛擬核電站廠房內輻射劑量的分布。候佳鑫等[13]設計了沉浸式高放廢物處置地下實驗室三維數據可視化系統，實現了場景漫游和三維數據可視交互等工程建設預選方案評估功能。

本文針對建設規劃環境影響評價中環境噪聲預測結果和控制效果體驗直觀性差的問題，提出一種虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統。整合交通、建筑、地形、環境等數據，為環境噪聲的建模、預測和體驗過程提供統一數據源。構建基于虛擬現實技術的小區及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，并在噪聲源附近設置聲屏障作為可選的降噪措施。利用噪聲地圖技術預測小區環境噪聲，實現虛擬小區場景漫游和環境噪聲體驗的同步。以某小區為對象進行虛擬現實場景建模和環境噪聲預測，對該系統的有效性進行驗證。

1 總體設計

1.1 功能模塊設計

虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統包括三個功能模塊，如圖1所示。

圖1 功能模塊設計

系統管理模塊用于管理系統信息和維護系統運行，包括四個子模塊。其中項目管理子模塊用于管理項目名稱、小區名稱、所在城市等項目基本信息，文件管理子模塊用于管理軌道交通、道路交通、建筑和隔聲設施等模型文件，日志管理子模塊用于管理和查閱系統運行日志，備份恢復子模塊用于數據的定期備份和緊急恢復。

場景建模模塊用于構建小區及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，包括四個子模塊。道路交通子模塊和軌道交通子模塊分別管理小區周邊道路和軌道的方位、源強等信息以及模型文件鏈接并在場景中生成道路和軌道交通的三維模型，建筑子模塊管理小區內各建筑的位置、方向等信息以及模型文件鏈接并在場景中生成建筑的三維模型，降噪設施子模塊在場景中生成作為降噪設施的聲屏障，用于降噪措施的效果預測和體驗。

噪聲預測模塊用于建模和計算小區環境噪聲，包括兩個子模塊。地理信息子模塊用于建立與三維虛擬場景對應的地理信息模型，環境噪聲子模塊在地理信息模型基礎上生成環境噪聲計算模型，求解并將環境噪聲計算結果傳送回三維虛擬場景。

1.2 系統流程設計

不同角色權限的用戶登錄虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統后進行不同的操作。系統管理員可以進入系統管理模塊，進行項目管理、文件管理等操作。體驗人員只能選擇并進入某虛擬小區中進行場景漫游和交通噪聲環境影響體驗。設計人員從系統管理員處獲得項目ID后，可以進入對應的項目中進行虛擬現實場景建模和環境噪聲預測。

設計人員在虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統中的典型工作流程如圖2所示。進入項目后首先進行場景建模，可以在場景中新建軌道交通、道路交通、建筑、降噪設施等虛擬對象，也可以修改或刪除場景中已有的虛擬對象。分別在軌道交通、道路交通和建筑子模塊中處理場景內該類型的虛擬對象，更新虛擬對象的方位、狀態等參數以及模型文件鏈接。然后在降噪設施模塊查看場景內的降噪設施，進行新建、修改或刪除。接著得到與虛擬現實場景對應的地理信息模型，基于地理信息模型建立噪聲地圖，計算得到虛擬現實場景中不同位置的環境噪聲。最后保存更新內容并退出項目。

圖2 系統流程設計

2 功能實現

2.1 統一數據源

環境噪聲影響評價涉及交通、建筑、地形、環境等數據，數據存儲的分散性和數據文件格式的多樣性給信息的解析和查詢帶來不便。虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統通過數據庫存儲和管理場景建模數據和環境噪聲數據，為建模、預測和體驗過程提供統一的數據源。數據庫的主要實體對象如下：

1) 項目實體對象，主要屬性包括項目ID、項目名稱、所在城市、所在區縣等。

2) 軌道實體對象，主要屬性包括軌道ID、軌道類型、發車間隔、噪聲ID、模型文件鏈接等。

3) 項目軌道實體對象，主要屬性包括項目軌道ID、項目ID、軌道ID、軌道位置、軌道方向等。

4) 道路實體對象，主要屬性包括道路ID、道路類型、平均車速、噪聲ID、模型文件鏈接等。

5) 項目道路實體對象，主要屬性包括項目道路ID、項目ID、道路ID、道路位置、道路方向等。

6) 地塊實體對象，主要屬性包括地塊ID、地塊名稱、項目ID、地塊位置、土地用途等。

7) 建筑實體對象，主要屬性包括建筑ID、建筑高度、建筑層數、建筑紅線、模型文件鏈接等。

8) 地塊建筑實體對象，主要屬性包括地塊建筑ID、地塊ID、建筑ID、建筑位置、建筑方向等。

9) 降噪設施實體對象，主要屬性包括降噪設施ID、項目ID、降噪設施類型、降噪設施位置、模型文件鏈接等。

10) 噪聲實體對象，主要屬性包括噪聲ID、噪聲名稱、噪聲類型、聲級、曲線ID等。

11) 環境噪聲實體對象，主要屬性包括環境噪聲ID、項目ID、受聲點位置、受聲點名稱、噪聲ID等。

12) 曲線實體對象，主要屬性包括曲線ID、曲線名稱、X坐標軸單位、Y坐標軸單位等。

13) 曲線點實體對象，主要屬性包括曲線點ID、曲線ID、X坐標值、Y坐標值等。

2.2 場景建模

虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統使用虛擬現實技術進行場景建模，為使用者提供沉浸式、交互式和構想式的視聽體驗。

系統進行場景建模的主要流程如圖3所示。進入場景建模模塊后首先創建軌道交通、道路交通和建筑對象。在項目軌道數據庫表中根據項目ID查詢獲取該項目的軌道ID、軌道位置和方向等數據，根據軌道ID在軌道數據庫表中查詢得到軌道交通的發車間隔、噪聲ID、模型文件鏈接等信息，結合項目軌道數據庫表中獲得的軌道方位數據，在場景中創建軌道對象。在項目道路數據庫表中根據項目ID查詢獲取該項目的道路ID、道路位置和方向等數據，根據道路ID在道路數據庫表中查詢得到道路交通的平均車速、噪聲ID、模型文件鏈接等信息，結合項目道路數據庫表中獲得的道路方位數據，在場景中創建道路對象。在地塊數據庫表中根據項目ID查詢得到該項目的地塊ID，根據地塊ID在地塊建筑數據庫表中查詢得到該地塊的建筑ID、建筑位置和方向等數據，根據建筑ID在建筑數據庫表中查詢獲得該建筑的建筑高度、建筑紅線、模型文件鏈接等信息，結合地塊建筑數據庫表中獲得的建筑方位數據，在場景中創建建筑對象。然后在降噪設施數據庫表中根據項目ID查詢得到該項目的降噪設施ID、類型、位置和模型文件鏈接等信息，在場景中創建降噪設施對象。

圖3 虛擬現實場景建模流程

2.3 噪聲預測

噪聲地圖基于噪聲計算模型，通過道路車流量、機場起降航次等噪聲相關參數計算得到一定區域的噪聲分布情況，為區域整體規劃、噪聲污染的預防和控制措施提供了科學的決策依據[14-15]。噪聲計算模型包括美國的FHWA模型、法國的NMPB模型、中國的聲導則模型等[16]，虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統基于噪聲地圖技術進行環境噪聲預測，噪聲計算模型采用聲導則模型，其戶外聲傳播衰減計算公式如下：

Lp(r)=Lp(r0)-ΔLp(r)

(1)

ΔLp(r)=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(2)

式中：Lp(r)為預測點r處的聲壓級；Lp(r0)為已知距離無指向性點聲源參考點r0處的倍頻帶聲壓級；ΔLp(r)為聲衰減量；Adiv為幾何發散引起的衰減；Aatm為大氣吸收引起的衰減；Agr為地面效應引起的衰減；Abar為聲屏障引起的衰減；Amisc為其他衰減。

進行環境噪聲預測時首先將軌道和道路簡化成線，將建筑簡化為多面體，獲得地理信息模型。然后將軌道和道路交通作為線聲源，根據各聲源到預測點的聲波傳播條件信息計算出噪聲從各聲源傳播到預測點的聲衰減量，進而獲得預測點處的環境噪聲。

2.4 應用案例

以某小區為對象進行虛擬現實場景搭建和環境噪聲體驗。該小區周邊有1條軌道交通線路和2條城市道路，小區內有住宅及配套商業建筑。首先通過3ds Max軟件建立軌道交通、道路交通及建筑的模型文件，由系統管理員通過虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統中的系統管理模塊導入模型文件并加以管理。然后設計人員在場景建模模塊中設置小區場景中軌道交通、道路交通及建筑的位置、方向參數和模型文件以及軌道和道路交通的發車間隔、平均車速等狀態參數，基于Unity3D進行虛擬現實場景建模。接著在噪聲預測模塊中得到相應的地理信息模型，設置軌道和道路交通的源強信息并導入源強噪聲曲線數據，計算得到虛擬現實場景中不同位置的環境噪聲。源強噪聲曲線數據包括倍頻程聲壓級數據和WAV格式的噪聲音頻文件，該小區周邊道路交通的倍頻程聲壓級數據如圖4所示。此外該小區周邊地鐵為地下線，其對小區環境噪聲的影響很小，因此在軌道交通的源強信息中設置為忽略。最后生成的虛擬現實小區場景如圖5所示。體驗人員進入該虛擬現實場景中可以在場景漫游的同時體驗交通噪聲環境影響，該小區內環境噪聲最大值為53.1dB，小于《GB3096-2008聲環境質量標準》中相應的環境噪聲晝間限值，虛擬小區內聽到的環境噪聲不會高于該數值，體驗人員在虛擬小區內漫游時聲環境質量較好。

圖4 小區周邊道路交通的倍頻程聲壓級

圖5 虛擬現實小區場景

3 結 語

本文針對建設規劃環境影響評價中的環境噪聲預測問題，提出一種虛擬小區交通噪聲環境影響預測系統。對交通、建筑、地形、環境等數據進行整合，為環境噪聲的建模、預測和體驗過程提供統一數據源。利用虛擬現實技術構建小區及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，并在噪聲源附近設置聲屏障作為可選的降噪措施。基于噪聲地圖技術進行環境噪聲預測，實現場景漫游和環境噪聲體驗的同步。該系統為當前環境噪聲預測結果和控制效果體驗直觀性差的問題提供了一種解決方案，對某小區的虛擬現實場景建模和環境噪聲體驗驗證了該系統的有效性。