鐵路服役期長期噪聲數(shù)據(jù)獲取方法淺析

宣曉梅，李志強，李晏良，辜小安

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

引言

從整體環(huán)境保護的角度來講，鐵路在大宗貨物運輸以及聯(lián)運和客運交通方面比其他運輸方式更具有優(yōu)勢，但是鐵路運輸引起的噪聲污染問題不可小覷，不僅影響身心健康，更會成為制約高速鐵路提速和發(fā)展的關鍵因素。能夠獲取鐵路服役期間穩(wěn)定持續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)是分析鐵路噪聲機理、噪聲源及開展噪聲防治工作的前提，而目前我國鐵路車外噪聲數(shù)據(jù)依然依靠人工采集，很難獲取長期、穩(wěn)定、持續(xù)的數(shù)據(jù)。德國2019年4月剛剛投入使用的實時噪聲在線監(jiān)測系統(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)開展噪聲自動監(jiān)測活動起到了示范作用。在此之前德國鐵路大量噪聲數(shù)據(jù)獲取的另一個渠道就是噪聲地圖[1]，經(jīng)過三次修訂后的鐵路噪聲地圖已經(jīng)形成了一個完整的系統(tǒng)，覆蓋范圍寬廣。借助實時噪聲監(jiān)測系統(tǒng)和噪聲地圖，德國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)。充分了解德國現(xiàn)有噪聲數(shù)據(jù)收集的模式對開展我國鐵路服役期間噪聲數(shù)據(jù)的收集工作意義重大。

1 噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

德國于2019年首次上線使用了鐵路噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)，覆蓋了全國三分之二的貨運網(wǎng)絡，基本代表了整個德國貨運鐵路的整體水平。雖然建立之初是為了監(jiān)測更換制動系統(tǒng)后貨運鐵路的實際降噪效果，但實際運營后獲取的大量穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)顯然高于預期。

綜合考慮線路列車運行的車流量、測點周圍環(huán)境、基礎設施結構和噪聲控制措施等綜合事項后確定了19個測量站，目前已全部投入監(jiān)測使用。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

噪聲實時監(jiān)測使用的測量量包括AF計權聲壓級LAF(t)、AF計權聲壓級最大值LAFmax、列車通過暴露聲壓級TEL和等效聲壓級Lm,T等，輸出結果包括噪聲實時水平、單次列車參數(shù)及平均聲輻射水平等。依據(jù)ISO噪聲測量標準要求[2]，測點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 噪聲實時水平分析

自動監(jiān)測系統(tǒng)會實時連續(xù)監(jiān)測各通過列車的噪聲水平。圖1給出了某站24 h內(nèi)車輛經(jīng)過的實時噪聲水平，此段時間內(nèi)，共有150輛車經(jīng)過，經(jīng)歷一次會車。列車駛入測量站時噪聲值會突然增加，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數(shù)器，監(jiān)測系統(tǒng)可以對每一趟車進行噪聲數(shù)據(jù)的自動采集，車頭車尾數(shù)據(jù)自動識別及數(shù)據(jù)處理，機車相應的參數(shù)被自動記錄并存儲進服務器，包括車輛駛入時間，占用軌道，行駛方向，車輛類型，暴露時間，車輛長度和速度等，這大大減少了人工監(jiān)測帶來的誤差。

圖1 噪聲實時水平

1.2.3 平均聲輻射水平分析

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

圖2中不僅給出了等效聲壓級值，同時還給出通過客車和貨車的數(shù)量，長期穩(wěn)定、持續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)對于分析鐵路噪聲變化規(guī)律及影響因素之間的關聯(lián)提供了基礎數(shù)據(jù)。

2 鐵路噪聲地圖分析

2.1 覆蓋范圍

德國鐵路噪聲地圖的繪制工作開始較早[3]，地圖覆蓋范圍設定為年交通量超過3萬列的主要鐵路線和有鐵路線穿過的人口超過10萬居民的聚集區(qū)。目前覆蓋了超過16 500 km的主要鐵路線和70個大都市區(qū)，總的噪聲測繪覆蓋面積約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。噪聲等值線圖應用噪聲等級和配色方案[5]來劃分噪聲值域，再現(xiàn)鐵路兩側聲傳播過程。人口暴露影響圖采用了噪聲識別數(shù)法（LKZ-超標分貝數(shù)與受害人數(shù)的乘積）[1]，不同LKZ值網(wǎng)格用不同顏色標識，這種方法既考慮了超標分貝數(shù)，又考慮了受影響的人數(shù)，能夠確定鐵路沿線超標噪音對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

選取某個年交通量超過3.8萬列的干線鐵路為例。圖3為同一段鐵路噪聲日夜對比圖。

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逐級衰減。夜晚同一地點噪聲輻射的數(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，說明該條線路沒有穿過人口密集的地區(qū)，對人口暴露的影響范圍也較小，對比同一地點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)限值嚴于白天有關。

2.3.2 城市聚居區(qū)

1）噪聲等值線圖

選取某個人口超過60萬的城市為例，城市中有多條干線鐵路穿過，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)的鐵路線路運量非常繁忙，通過查詢地圖信息可知某條軌道年運量超過了20萬列/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為同一地點的人口暴露影響日夜對比圖。

從圖6中可以看出，無論是白天黑夜，穿過城區(qū)的鐵路噪聲對人口的影響都較大。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了鐵路兩側噪聲的傳播情況，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，人口暴露影響圖更能體現(xiàn)噪聲污染的實際狀況。

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 結語及建議

德國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數(shù)據(jù)庫，它不僅可用于達標管理、判斷聲級貢獻量，還可以確定區(qū)域長期平均噪聲水平等；而噪聲實時自動監(jiān)測系統(tǒng)自開通后運營穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄詳實，還可避免：①因人工定期抽樣監(jiān)測的方法造成的人力物力浪費；②連續(xù)數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)測能力缺失導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。噪聲地圖和實時自動監(jiān)測系統(tǒng)相輔相成，為德國鐵路噪聲防治提供了基礎數(shù)據(jù)，同時也為城市發(fā)展、交通網(wǎng)絡、住宅開發(fā)的規(guī)劃提供了決策參考依據(jù)。

我國噪聲地圖研究起步較晚，目前僅有針對個別城市的噪聲地圖繪制[6]，并未推廣應用，專門針對鐵路進行的噪聲地圖繪制工作還未啟動，相關技術研究剛剛起步。對于自動噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，我國也僅有部分城市建設了環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)，但在鐵路噪聲自動測試領域，特別是高速鐵路車外噪聲自動監(jiān)測方面，目前還缺少運用的先例，鐵路環(huán)境噪聲測試依舊主要以現(xiàn)場測試為主，雖有科研院所啟動了鐵路噪聲系統(tǒng)自動監(jiān)測的相關研究[7]，但距離推廣應用還有一定距離。

德國鐵路在噪聲領域的管理經(jīng)驗值得為我國借鑒，隨著我國鐵路的迅猛發(fā)展，人工監(jiān)測所得的樣本數(shù)量勢必難以全面掌握我國鐵路網(wǎng)噪聲影響狀況，采用在線自動噪聲監(jiān)測系統(tǒng)可能成為噪聲監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢。建議我國鐵路工作者盡快借鑒德國鐵路成熟的噪聲地圖及在線監(jiān)測系統(tǒng)設計理念、運營經(jīng)驗，并綜合考慮我國鐵路的特點開發(fā)設計出適合我國國情的鐵路噪聲地圖系統(tǒng)及噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)，為分析鐵路噪聲，特別是高速鐵路噪聲變化規(guī)律，研究解決對策、制定相關技術規(guī)范等提供實時、持續(xù)、大量的數(shù)據(jù)支持。