三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學應用研究

梁燕 王棟宇 徐朋 蔡銘

摘要虛擬仿真實驗教學以形象直觀的授課方式，將理論知識融于實踐之中，有助于激發學生學習興趣，提升學生的創新思維，已逐漸成為當下高校的一種重要教學模式。本文以三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學應用為例，闡述了三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學的意義，以及三維交通噪聲地圖的定義與作用，并提出了相關教學方案與應用建議。

關鍵詞 虛擬仿真 實驗教學 三維交通噪聲地圖

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.017

Applications of Virtual Simulation of 3-dimensional Road Traffic Noise Maps in Experimental Teaching

LIANG Yan， WANG Dongyu， XU Peng， CAI Ming

（School of Intelligent Systems Engineering， Sun Yat-Sen University， Guangzhou， Guangdong 510275）

AbstractVirtual simulation experimental teaching uses visual and intuitive teaching methods to integrate theoretical knowledge into practice and helps to stimulate students’ interest in learning and enhance students’ innovative thinking. It has gradually become an important teaching mode in colleges and universities. Taking the application of virtual simulation of 3D road traffic noise maps as an example， this paper expounds the meaning of experimental teaching and the definition and function of 3D traffic noise maps and puts forward relevant teaching programs and application suggestions.

Keywordsvirtual simulation； experimental teaching； 3D road traffic noise maps

0引言

虛擬仿真實驗教學是一種將傳統實驗教學與互聯網、計算機及電子信息技術有機地融合在一起的新型教學模式，[1]以其可視效果好、人機交互性強、趣味性強等特點，適應了信息時代高等教育開放辦學的變革要求。[2]

在教育改革和新工科背景下，隨著大數據、云計算及人工智能等技術的興起，傳統的實驗教學模式已無法滿足現有交通知識體系的發展，[3-4]適應時代科技發展潮流的虛擬仿真實驗教學就顯得尤為重要。本研究以虛擬仿真技術為支撐，立足于交通與環境相關專業的人才培養目標，結合“交通環境工程”課程教學實際需求，開展三維交通噪聲地圖教學實驗，不僅有效提升了教學質量，推動了交通環境領域復合創新型人才培養，也為其他課程開展虛擬仿真教學實驗提供參考。

1三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學意義

為適應我國交通智能化、綠色化發展趨勢，我校交通工程專業課程體系除了開設“交通工程導論”“交通管理與控制”“交通流理論”等傳統核心課程外，還開設了“交通環境工程”課程，該課程的主要內容為交通系統對大氣、噪聲、生態等環境要素的影響機理和主要的環境保護基本理論、方法與技術。為加深學生對理論知識的理解與應用，我們還開設了“交通工程綜合實驗”課程，為“交通環境工程”課程的部分理論知識設計了實驗環節。其中，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗就是針對“交通環境工程”課程中“道路交通噪聲與污染控制”章節的理論內容，在“交通工程綜合實驗”課程中開設的實驗環節。該環節共4個學時，分兩次上課。通過三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學，可以增強學生交通環境保護意識，提升學生專業技術實踐能力。具體意義表現為：

形象生動，激發學生自主學習熱情。通過虛擬仿真實驗教學的方式傳授三維交通噪聲地圖知識體系，讓原本晦澀難懂的三維交通噪聲復雜演化過程變得形象生動，顯著提高了教學質量水平，也有助于學生理解交通噪聲相關基本概念、交通噪聲污染的產生機理和影響因素，掌握城市道路交通噪聲排放與傳播的基本原理與規律，提高學生對交通噪聲環境質量變化的識別力。進一步地，可以激發學生的自主學習興趣，迸發學習熱情，變被動式教學為主動式學習，增強課堂教學效果。

系統全面，掌握噪聲評估分析工具。三維交通噪聲地圖涉及交通、環境、計算機、地理信息系統等多學科的交叉，運用虛擬仿真實驗教學平臺可將不同學科的知識成果關聯起來，形成系統知識體系，有助于消除學生學習斷面，達到對所學知識全面認知、進而融會貫通的層次。此外，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗要求學生初步了解ArcGIS地理信息系統軟件、交通噪聲虛擬仿真模型軟件等相關技術工具的使用方法；具體實驗課程中的實踐運用，有助于學生充分掌握并熟練運用噪聲評估分析工具，培養學生分析交通噪聲污染問題的技能，增強學生環境保護的意識。

安全便捷，不受現實交通場景拘束。由于城市道路交通噪聲復雜多變、對其實施實際評估的難度大且周期長、技術與數據融合不充分等因素，中等規模以上城市道路噪聲預測相關實驗很難在真實交通場景中開展，而且學生在實習過程中也會存在不確定的安全隱患。以地理信息系統和虛擬仿真噪聲地圖軟件為支撐，通過交互式平臺操作對城市道路交通噪聲進行虛擬仿真實驗教學，可不受實驗場地和噪聲測量設備等條件限制，實驗操作簡單、便捷，更具可操作性和實踐性，還能有效解決教學場地和實操安全性等問題。

面向社會，著重培養復合創新人才。隨著未來噪聲地圖在我國各城市聲環境建設中的普及和推廣，[5]社會對相關技術人才的需求將會越來越大，對高校噪聲防治研究方向的人才培養和教學質量的要求也越來越高。通過虛擬仿真實驗教學，學生在實驗操作中自主組合交通實驗場景和噪聲防治措施，逐步提高實踐動手能力；教師輔助引導學生自主發現、分析并解決問題，激發學生的創造性思維，幫助提升學生的創新性設計能力，為交通行業培養創新型、復合型、應用型人才。

2三維交通噪聲地圖的定義與作用

2.1定義

噪聲地圖是通過噪聲源數據、地理信息數據的收集與處理，利用聲學仿真模擬軟件進行模型選擇、聲源轉換和參數設定，結合噪聲實際測量調研和校正工作，并進行噪聲值分布情況可視化表達的地圖。[6]三維交通噪聲地圖則是指以道路交通噪聲為噪聲源，并實現噪聲分布結果三維可視化的噪聲地圖。

2.2作用

隨著城市化進程的加快和機動車保有量的增長，城市交通噪聲污染日益突出，交通噪聲擾民問題持續頻發，道路交通噪聲污染成為城市環境噪聲污染的主要來源之一。[7]交通噪聲因影響區域廣、時間久，易誘發群體事件等特點，已逐漸成為城市生活中“無形的暴力”。

通過道路交通噪聲模擬計算和噪聲結果可視化生成的三維交通噪聲地圖，可以全方位、直觀地反映城市交通噪聲三維分布情況，有效解決大區域交通噪聲監測覆蓋面不全的問題，是真正意義上的區域噪聲評估技術手段。進一步地，三維交通噪聲地圖可有效分析和評估城市交通噪聲污染狀況，篩選出交通噪聲污染黑點，可為噪聲污染防控與治理提供技術支撐，并為交通噪聲自動監測設備選點提供參考，最終有助于居民寧靜社區的實現。

3三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學方案設計與應用

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學的主要目的是使學生通過提前閱讀實驗方案，基本掌握三維交通噪聲地圖的計算和渲染原理，然后在教師的現場指導下，通過ArcGIS軟件和城市道路交通噪聲虛擬仿真軟件，按照實驗方案操作流程，最終實現城市道路三維交通噪聲地圖的繪制與展示。

該虛擬仿真實驗教學采用的城市道路交通噪聲模擬軟件由本教研團隊自主研發，其功能模塊主要有讀取數據、計算噪聲、地圖渲染、數據轉換和分布計算，以及測量工具、噪聲查詢、質量評估、噪聲黑點和搜索查詢等更具展示性的模塊。教師可根據實際教學需求，指導學生熟悉并運用相關的功能控件板塊，實現相關的仿真實驗要求，有助于提高教學的趣味性，增強學生的學習興趣。

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學方案設計了理論、實踐到分析三個層次，具體分為基本原理、實驗建模、數據分析三個教學模塊，如圖1所示。

第一模塊，夯實基礎理論知識，傳授學生相關基本概念和實驗原理，潛心研讀式完成學生對知識體系的構建。本實驗環節主要涉及了聲學的基本知識、車輛噪聲、道路交通噪聲預測等知識點。首先，學生需要了解噪聲的定義、來源以及描述聲音特性的基本物理量，理解等效聲壓級是作為噪聲主觀評價、道路交通噪聲預測的重要方式。其次，學生要明白車輛行駛噪聲強度計算方式及影響因素，認識到噪聲在傳播過程中會受到建筑物反射、地面、植被、空氣吸收等因素的影響，進而領會大中小型車輛噪聲排放模型和噪聲傳播衰減模型的計算式形式。然后，學生應當認識到在道路交通噪聲預測計算中，涉及路網、建筑物、噪聲源等大量基礎數據，以及建筑物對噪聲存在復雜的反射、衍射作用，會導致噪聲計算復雜、緩慢等問題，因而需要進行算法優化。最終，學生還需要理解噪聲計算結果是以空間點陣的形式存儲的，點陣中每一個點都有表示噪聲級的屬性，為了估計空間中任意一點的噪聲級，因此需要使用克里金插值方法對離散點陣的噪聲級進行插值，并且將噪聲級區間映射到一個顏色區間中，將單點噪聲形成相應顏色并顯示在相應的空間位置，從而渲染出噪聲地圖。

第二模塊，理論與實踐相結合，指導學生實現多場景虛擬仿真建模，層層遞進式加深學生對理論知識的理解。本實驗環節主要涉及的知識點是道路交通噪聲預測、道路交通噪聲污染控制。學生通過改變“計算噪聲”模塊的參數，如車輛行駛速度、交通流量等，構建“無降噪措施”“采取限速措施”“采取限行措施”“采取限速和限行措施”四個交通場景，并分別模擬計算出相應的噪聲結果數據，并渲染成四幅噪聲地圖。此外，本實驗環節允許學生開展創新性設計，自主思考、自行設置并計算出其他交通場景下的噪聲地圖。本實驗環節有助于學生理解產生交通噪聲污染的機理和影響因素，了解控制道路交通噪聲污染的措施，掌握噪聲評估分析的技能，有利于提升學生的創新思維和實踐能力。

第三模塊，開展自主數據分析，提供學生建議但不限制發散性思維，多元開放式培養學生對研究的能動性。本實驗環節主要涉及的知識點是噪聲的主觀評價及噪聲容許標準、聲環境質量影響評價內容和方法。學生需要先學習噪聲污染指數、噪聲污染度、交通噪聲沖擊指數等評價指標和方法，再通過第二模塊的實驗結果數據開展此模塊的數據分析工作，研究方向可以是區域噪聲水平、噪聲分布特點、降噪措施效果對比、噪聲暴露人群評估等。此外，還可以鼓勵學生自行查找相關文獻進行參考，不規定和限制研究方向，讓學生能夠能動地開展實驗研究和分析，并形成實驗報告，有助于學生了解聲環境質量影響評價的程序，掌握聲環境質量影響評價技術與方法，培養學生分析和解決環境問題的能力。

學生在虛擬仿真軟件設置的環境中開展交通噪聲計算和三維噪聲地圖繪制實驗等關鍵步驟的操作：

實驗準備：城市道路交通噪聲模擬軟件（圖2）、聲圖計算目錄（“Atten”文件夾：存儲噪聲衰減項文件、“Config”：存儲計算所需的基礎參數文件、“Data”：存儲噪聲計算所需的原始數據、“Result”：存儲噪聲計算的結果文件）、路網的shapefile文件（該文件中的道路至少應包含以下屬性：道路上大中小型車的車流量、速度，車道數，單車道寬度，路面材料等）、該路網中的建筑物shapefile文件（該文件中的建筑物至少包含以下屬性：建筑物高度、底面面積和輪廓）。

實驗步驟：（1）選定研究區域；（2）路網圖層和建筑物圖層數據準備：在路網圖層中編輯交通流參數字段信息，在建筑物圖層中編輯層高參數字段信息；（3）噪聲地圖計算：啟動城市道路交通噪聲模擬軟件，數據轉換，讀取數據，計算噪聲；（4）噪聲地圖渲染：使用城市道路交通噪聲模擬軟件自帶的渲染功能渲染/使用Arc-GIS的渲染功能渲染（圖3）。

實驗分析：撰寫實驗報告，報告內容包括實驗名稱、目的、過程、結果及分析總結。

4應用建議

學生應重視課前理論知識的預習，掌握相關基本概念和原理，夯實基礎知識，為實驗教學做鋪墊，循序漸進、由淺入深地學習。

教師應注重學生數學建模思維的培養，指導學生由現實物理世界總結推導數學模型，發掘聲音及其傳播特性和原理。

高校應加大虛擬仿真平臺建設投入，調研學生的仿真實驗基本需求，滿足不同課程的虛擬仿真平臺定制化需求。為支撐學生完成各類虛擬仿真實驗，爭取做到平臺功能控件多樣，操作簡便、直觀易懂。

盡管虛擬仿真實驗優勢明顯，不受場地和設備限制，但也不能完全忽視實地調研的重要性。三維交通噪聲地圖經虛擬仿真平臺繪制后仍需采集部分噪聲實測數據進行地圖校驗。通過虛擬仿真和實地調研相結合的方式教學，更能調動學生的學習積極性，提高學生的動手能力。

5結語

綜上所述，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實驗教學立足于交通環境專業人才培養的目標，設計了三個模塊的實驗內容，以求能更好地幫助學生理解抽象理論知識，充分調動學生的科研能動性，掌握交通噪聲污染防治的基本理論與方法，為交通與環境管理部門提供相應的技術支撐和人才力量，推動社會可持續發展。*

通訊作者：蔡銘

基金項目：廣東省實驗教學示范中心建設項目-中山大學交通工程實驗教學中心

參考文獻

[1]高志強，王曉敏，閆晉文，等.我國虛擬仿真實驗教學項目建設的現狀與挑戰[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：5-9，14.

[2]趙毅，黃德明，樊小義.虛擬仿真技術融于建筑材料課程實驗教學模式研究[J].實驗科學與技術，2021，19（01）：46-52.

[3]蔡銘，徐朋，黃敏，等.智能交通工程虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].中國教育信息化，2019：49-51.

[4]孫科學，郭宇鋒，程勇，等.新工科背景下虛擬仿真實驗教學中心建設探索[J].實驗室科學，2020，23（6）：183-185，189.

[5]史曉峰，梁璐，劉宇峰.噪聲地圖在聲環境中的應用研究綜述[J].建筑與文化，2020：197-198.

[6]Directive 2002 /49/EC. Environmental Noise Directive[R]. European Commission（EC），2002.

[7]中華人民共和國生態環境部.中國環境噪聲污染防治報告[R].北京：中華人民共和國生態環境部，2020.