基于微观交通仿真的居住小区道路交通噪声研究

蔡 铭，王海波，余 志，丁建立

(1.中山大学 工学院广东省智能交通系统重点实验室，广州 510006;2.中国民航大学 中国民航信息技术科研基地，天津 300300)

城市道路两侧一般分布有各式各样的建筑区，其中居住小区占有很大的比例。道路交通对临街居住小区噪声污染有很大影响，2008年我国有不低于10%的城市道路交通噪声大于70 dB［1］。

国内已有一些关于防治噪声及改善城市住宅声环境的研究［2－4］。国内外在研究居住小区的噪声模型方面，大多将交通噪声在距离、反射、衍射上的衰减分别进行研究，然后进行叠加分析，通常是得到小区内的噪声分布情况［5－8］。这些研究重在分析交通噪声对已定居住区声环境的影响及当前存在的问题，重点探讨相应的防治方法，并未对居住小区新增道路以及不同建筑物布局带来的交通噪声变化进行研究。

目前，预测与分析交通噪声的方法主要有现场实验法、模型计算法和计算机模拟法［9］。现场实验法具有一定的局限性，不适用于大规模的交通噪声研究。模型计算法中较有代表性有美国联邦高速公路管理局的FHWA的高速公路交通噪声预测模型［10－12］和英国交通部CRTN模型［13－14］。计算机模拟方法将微观交通仿真、车辆噪声排放量和传播衰减模型结合起来，跟踪每辆车的噪声动态模拟结果，对交通噪声随时间变化的特性进行深入分析。Can等［15－18］讨论了交通噪声动态模拟方法相对于传统的静态预测方法在预测噪声的时变性和预测精度上的优越性。国外用计算机对交通噪声进行研究并取得了一定的成果［19－20］。国内的吴硕贤［21］、王永泉等［22］也对交通噪声的动态模拟方法进行了研究。然而在应用到居住小区方面的文献较少，对小区噪声影响因素的分析则更为罕见。

本文研究各种影响因素下居住小区的动态交通噪声模拟问题，考虑了点声源距离衰减、反射声衰减以及衍射声衰减的影响，建立了居住小区交通噪声动态模拟模型，采用Paramics微观交通仿真技术，实现对居住小区在不同路网不同建筑物布局条件下交通噪声的动态模拟，并验证了考虑建筑物下用微观交通仿真技术动态模拟交通噪声的可行性和精确度。

1 基本原理及方法

1.1 微观交通仿真基本原理及方法

本文使用微观交通仿真软件Paramics的Modeller界面建立道路路网，并根据模拟的实际需要来设置道路属性(道路车道数、车道宽度、车道限速等)、车辆属性(车辆类型，各车型所占比例等)和OD矩阵等。用C++语言编写噪声计算的API(应用接口函数)插件程序，实现微观交通仿真平台下交通噪声模拟的二次开发，插件程序会在运行仿真的时候以动态链接库(DLL)的方式调用。该程序能够对交通数据进行定时采样，得到车辆位置、速度、加速度等信息，根据这些信息可实时计算每一步长小区周边道路上的所有车辆在接收点的噪声级，并考虑噪声的传播衰减，获得接受点每一秒钟的瞬时噪声级Lp，从而采用能量叠加的方法计算等效声级Leq等。

在模拟过程中，交通噪声采用能量叠加的方法进行计算。单辆车在周围无阻挡的道路上行驶时可视为半自由声场中的点声源，在不考虑空气及地面吸收的情况下，道路上第i秒钟第j辆车在接收点R处的噪声级为:

式中:L(i，j)为道路上第i秒钟第j辆车在接收点p处的噪声级(dB);LDir为道路上第i秒钟第j辆车在接收点p处的直射噪声级(dB);LRef为道路上第i秒钟第j辆车在接收点p处的反射噪声级(dB);LDiff为道路上第i秒钟第j辆车在接收点p处的衍射噪声级(dB)。

在模拟时间T秒内，接受点R的等效声级为:

式中:T为计算时间(s)，N为第i秒车辆总数。

1.2 交通噪声单车排放和传播计算方法

单个车辆在周围无阻挡的道路上行驶时，在距行车线7.5 m(参照点)处的平均噪声级与车速(V)之间的关系如下［23］:

(1)小型车

沥青混凝土路面:

水泥混凝土路面:

(2)中型车

(3)大型车

对反射声采用虚声源法，以建筑物的边界为镜面，找出对应的虚声源，通过距离和反射系数进行衰减计算，最终得到声源点对接收点的噪声影响。引入声源在自由声场下传播时的参数距离r0处的声压级L0，反射声的声压级LRef可以表示

式中:Qr为建筑物的反射系数;r，为声源点离镜像接收点的距离(m)。

对于衍射声，道路上第i秒钟第j辆车在接收点p处的噪声级为:

式中:L0为单辆车匀速行驶时在参考距离处的噪声排放量(dB);r0为参考点的距离(m);rij为第i秒第j辆车至接收点的距离(m);ΔLb(i，j)为建筑物的衰减量(dB)。

本文对交通噪声的直射和衍射在算法上一起考虑，采用了寻找噪声传播的最短路径的方法来简化噪声的传播模型，计算前3条最短路径(直达路径已是最短路径)的噪声值，通过能量叠加得到声源点对接收点的噪声贡献。

2 居住小区交通噪声动态模拟及结果分析

2.1 基本参数设置

为了简化物理模型，假设研究的居住小区为1 000 m×1 000 m的区域。研究分为有无建筑物两种情况，在两种情况下又对居住小区中间是否新增一条道路进行分别研究，无新增道路记为a路网，有新增道路记为b路网。对于四种情况中两种有建筑物的研究，建筑物均为两栋，面积为200 m×600 m，南北向距离路200 m，东西向距离路200 m。路网结构和小区内建筑物的分布如图1所示，其中虚线道路表示了两种路网结构有无中间道路的区别、虚线建筑物表示了有无两栋建筑物的情况。路网中道路东西为双向六车道主干路，南北为双向四车道次干路，车道宽度均为3.75 m。小区周边的道路交叉口均采用无信号控制。仿真时长为0.5 h，仿真步长为 4 s，大、中、小型车的比例分别为5%、15%、80%，车辆通行速度上限为40 km/h。各交通小区之间的发生与吸引量均为30辆/h。

图1 居住小区路网及建筑物布局示意图Fig.1 Road network and building layout of housing estate

2.2 路网用户均衡和非用户均衡居住小区交通噪声的对比分析

网络平衡问题实质上是一个分配问题，在分配过程中逐步达到平衡。用户均衡(UE)问题是一个低估性交通量分配问题，即道路的使用者能够精确计算每条路径的真实阻抗并做出完全正确的择路决策。

用户均衡条件下，交通阻抗在整体路网上更小、堵塞率更低，车辆的平均车速更高，因而交通噪声值会更大。由图4可知，用户均衡条件下a路网的交通噪声值在大部分范围内大于非均衡条件下的噪声值。平均的噪声差值为0.47 dB。

在用户均衡条件下，Paramics中单辆车具有选择路径的行为，而在实际情况下，驾驶者会根据已知的交通信息凭借自己的判断来选择路径，这使得交通仿真中用户均衡条件更符合实际情况。本文以下研究都在用户均衡条件下进行。

图2 a路网用户均衡条件下交通噪声图Fig.2 Traffic noise under UE condition of network a

图3 a路网非用户均衡条件下交通噪声图Fig.3 Traffic noise under unUE condition of network a

图4 a路网两种条件下差值图Fig.4 The difference of traffic noise under two conditions of network a

2.3 新增道路对小区交通噪声的影响及分析

在小区中新修一条道路能改善局部路网的通达性，然而新增道路对小区交通噪声有显著影响。为排除建筑物影响，以无建筑物情况下a和b两种路网比较作说明。a、b路网的仿真及比较结果如表1和图2、图5～6所示。

图5 b路网用户均衡条件下交通噪声图Fig.5 Traffic noise under UE condition of network b

表1 新增道路对交通噪声影响Tab.1 The impact to traffic noise of new road

图6 a、b路网用户均衡条件下交通噪声差值图Fig.6 The difference of traffic noise under UE condition between network a and b

b路网由于增加了中间的道路，东西向道路交通得到了分流，这使得上下两条道路的车辆数减少，噪声值随之减小;东西向车辆在行驶时可以选择比上和下两条道路的出行代价更小的中间道路，因此在中间道路上的车流量相对要比上下两条道路多，故而中间道路周围噪声值的变化比上下两条道路要明显;增加道路之后，对于整个居住小区而言，车辆可选择路径增加，道路整体阻抗减小，整个道路车辆平均车速上升，区域噪声平均水平上升。

2.4 建筑物对交通噪声的影响

由于建筑物的遮挡作用，噪声有可能会发生衍射和反射现象，在建筑物遮挡的声影区交通噪声衰减明显。

将Paramics得到的数据进行处理，分别并对a路网和b路网在有无建筑物情况下进行比较。得到路网a和路网b情况下建筑物对交通小区噪声的影响。

表2显示了a、b两种路网条件下居住小区有无建筑物交通噪声仿真结果。

表2 a、b路网有无建筑物仿真结果及比较Tab.2 The difference of traffic noise under network a and b with building distribution or not

a路网条件下有建筑物以及有无建筑物噪声差值分布如图7～8所示。

b路网条件下有建筑物以及有无建筑物噪声差值分布如图9～10所示。

图7 a路网有建筑物交通噪声分布图Fig.7 Traffic noise under buildingdistribution of network a

图8 a路网无建筑物和有建筑物交通噪声差值图Fig.8 The difference of traffic noise under network a with building distribution or not

图9 b路网有建筑物交通噪声分布图Fig.9 Traffic noise under buildingdistribution of network b

图10 b路网无建筑物和有建筑物交通噪声差值图Fig.10 The difference of traffic noise under network b with building distribution or not

图11 a路网无建筑物不同车型比率仿真结果比较Fig.11 The simulation results comparison under network a without buildings of different vehicle type ratios

图12 a路网无建筑物不同车速仿真结果比较Fig.12 The simulation results comparison under network a without buildings of different speeds

当道路两侧没有建筑物时，交通小区内噪声污染随远离道路而衰减，当道路两侧有建筑物时，交通噪声在传播过程中被视为障碍物的建筑所阻挡，发生绕射增加了传播距离而使得噪声有所衰减。噪声衰减的量在声影区较为明显，这符合噪声的传播规律;对于非声影区，噪声的衰减很小，甚至因其他建筑物的反射而增大。以a路网为例，对于小区中心点向东西各300 m、向南北各100 m的声影区内，设置建筑物前后的噪声平均值为61.8 dB和59.1 dB，建筑物给声影区带来了平均2.7 dB的噪声衰减。由此可见，建筑物显著降低了居住小区内声影区的噪声。

2.5 道路特性对交通噪声的影响

从车辆类型和车速两方面研究道路特性对交通噪声的影响，选取用户均衡条件下a路网无建筑物情况进行研究。

研究车辆类型对交通噪声的影响。除大、中、小型车的比例分别为35%、25%、40%外，小区道路结构及其他仿真参数与2.1相同。

将Paramics得到的数据进行处理，分别对a路网无建筑物不同车型比例情况下进行比较。得到a路网无建筑物情况不同车辆类型比例对交通小区噪声的影响。

表3显示了a路网无建筑物条件居住小区不同车型比例情况下交通噪声仿真结果。

表3 a路网无建筑物不同车型比例仿真结果及比较Tab.3 The simulation results and comparison under network a without buildings of different vehicle type ratios

图11显示了a路网无建筑物条件居住小区不同车型比例情况下交通噪声仿真结果比较。

研究车速对交通噪声的影响。除车辆限速为60 km/h外，小区道路结构及其他仿真参数与2.1相同。

将Paramics得到的数据进行处理，分别对a路网无建筑物不同车速情况下进行比较。得到a路网无建筑物情况不同车速对交通小区噪声的影响。

表4显示了a路网无建筑物条件居住小区不同车速情况下交通噪声仿真结果。

图12显示了a路网无建筑物条件居住小区不同车速情况下交通噪声仿真结果比较。

当路网的车型比例(大:中:小)从5%:15%:80%变为35%:25%:40%后，大型车和中型车的比例升高，小型车比例降低，采用的噪声排放模型的比率也会发生变化。数据表明，第二种车型比例下居住小区的噪声平均水平比第一种车型比例的大1.84 dB。大型车和中型车比率的增加明显增大了居住小区的噪声。

表4 a路网无建筑物不同车速仿真结果及比较Tab.4 The simulation results and comparison under network a without buildings of different speeds

在其他条件不变的情况下，路网的限制车速由40 km/h提高到60 km/h后，噪声排放模型中的lgV项增大，各种车型产生的噪声均增大。数据显示在模拟路网中，限制车速为60 km/h时居住校区的交通噪声污染平均水平比限速为40 km/h时大1.37 dB。居住小区的交通噪声随着路网中车速的增加而增大。

图11和图12数据显示，车型比例和车速带来的噪声变化随着距离道路变远而减小。

2.6 交通噪声实时变化

采用Paramics对交通噪声进行仿真可以得到动态的交通噪声数据。以a路网无建筑物均衡条件下点A(275，775)为例，仿真30 min可得到7 200个实时噪声数据。每秒钟4个数据能有效的反映出噪声的动态变化情况。对于这些数据，可以得到任意时间噪声值以及任意时间段的交通噪声统计声级。30 min内A点的一些交通噪声指标为:

Leq=61.24 dB，L50=61.16 dB，L10=51.27 dB，L90=70.06 dB。其中Leq为30 min内A点的等效声级，L50、L10、L90为统计声级，分别表示A点在30 min内有50%、10%、90%时间的声级超过该值。

3 建筑物布局对居住小区交通噪声影响分析

3.1 基本参数设置

假设的居住小区路网结构及参数等与2.1 a路网相同。本节模拟了三种建筑物布局情况下的交通噪声分布，三种建筑物布局中建筑物的总面积相等，均为2 ×105m2。

布局一有建筑物两栋，均为200 m×500 m长方形，建筑物边界点南北向距离路200 m，东西向距离路250 m。布局二有建筑物1栋，呈倒“L”型，关于小区一条对角线轴向对称。布局三有建筑物两栋，将布局二建筑物一分为二，略加移动。

3.2 三种建筑物布局噪声结果及分析

在居住小区内有建筑物的情况下，单辆车对接收点交通噪声的贡献有直达声、反射声和衍射声。对三种布局下路网进行微观交通仿真30 min而得居住小区的交通噪声分布如表5所示。

表5 三种建筑物布局交通噪声仿真结果Tab.5 The traffic noise simulation results of three kinds of building layouts

三种布局下居住小区的交通噪声分布如图13～15所示。

结果分析如下:

(1)三种建筑物布局情况下居住小区交通噪声的污染水平基本相同，等效连续声级分别为65.25 dB、65.22 dB和65.24 dB。这是因为居住小区周边道路产生相同的噪声能量，而建筑物面积相同，考虑到进入居住小区再传出的能量很少，可以认为噪声能量分布在了相同面积的区域，故此三种建筑物布局情况下交通噪声的整体水平相同。

图13 布局一下交通噪声分布图Fig.13 Traffic noise under building layout one

图14 布局二下交通噪声分布图Fig.14 Traffic noise under building layout two

图15 布局三下交通噪声分布图Fig.15 Traffic noise under building layout three

(2)建筑物布局一、二、三的区域噪声等效连续声级的最小值分别为 61.2 dB、58.1 dB 和 59.4 dB，最小值都出现在小区中心附近。对于布局一，中心点受交通噪声直射的路段最长，且对于非直射路段，噪声只需经过一次或两次衍射就可以到达，传播路径最短，噪声的总体衰减最小;对于布局二，中心点面对的直射路段为东、南两条的部分路段，在三种建筑物布局下直达声对应路段最短，其他路段的噪声到达中心最小噪声点要经过一次甚至多次反射和衍射，传播路径最长，这使得噪声的总体衰减最大;对于布局三，最小噪声点位于中心点偏南的位置，这除了噪声的距离衰减之外还有中心点直达声较多的原因，该点直达声所对应的道路段与布局二相似，但西和北两条道路到达该点时反射与衍射线路可以穿过两栋建筑物之间的区域，这使得其路径大大变短，因此使得交通噪声衰减比布局二要小。

(3)三种建筑物布局情况下区域噪声等效连续声级最大值分别为 71.8 dB、71.9 dB 和72.4 dB。交通噪声最大值出现的点位出现在道路的附近，由于交通小区吸引与发生的交通量决定其点位在南和北两条道路的中间部分附近。交通噪声在遇到建筑物反射时，声能量会在反射区进行叠加，因此距离建筑物越近的道路其反射声的贡献就越大。对于布局一和布局二，道路离建筑物的最短距离是200 m，对于布局三，道路离建筑物最短距离为100 m，故最大点的交通噪声值比布局一和布局二偏大，约为0.5 dB。

3.3 布局二和布局三居住小区内交通噪声比较分析

布局二和布局三有相似的建筑物布局，因此对研究建筑物布局对交通噪声影响而言是很好的实例。图16反映了布局三与布局二交通噪声分布的差值。其中，差值的平均值为0.21 dB;最大值出现在建筑物内凹角点，值为2.4 dB;最小值为 －0.9 dB，较分散。

布局二和布局三噪声差值大于1 dB的情况主要集中在居住小区中心区域。对于布局二，中心点面对的直射路段为东、南两条的部分路段，直达声对应路段比布局三短，其他路段的噪声到达中心最小噪声点要经过一次甚至多次反射和衍射，这使得噪声的总体衰减最大;对于布局三，中心区域直达声所对路段还有西侧道路的一部分，在反射声和衍射声方面北侧和西侧道路上交通噪声可以通过建筑物之间的区域进行传播，这使得其路径大大变短，在居住小区中间区域的交通噪声衰减比较小，也是两种建筑物布局噪声偏差最大的区域。

4 验证实验

4.1 实验区域基本参数

实验区域包括广州市大学城中山大学北门附近的外环路、信科院、药学院以及周边区域。在实验区域内有两栋建筑物，建筑物尺寸均为90 m×70 m。经实验测定外环路上车辆的平均时速为50 km/h，道路为双向六车道，道路宽度11.5 m。交通量为300辆每小时，由此设定两个交通小区的交通发生于吸引量均为300辆每小时。仿真时长为0.5 h，仿真步长为4 s，大、中、小型车的比例分别为5%、15%、80%。

4.2 仿真与实测结果及对比分析

仿真30 min得到该区域的噪声分布规律如图18所示。

为了验证仿真结果，在该区域设置了5个实际噪声观测点，从微观交通仿真的噪声结果中选取对应的5个点位，对仿真结果和实际测量结果进行对比，如表6所示。

图16 a、b路网用户均衡条件下交通噪声差值图Fig.16 The difference of traffic noise between building layout two and three

图17 实验区域路网及建筑物布局示意图Fig.17 Road network and building layout of experimental area

图18 实验区域交通噪声分布示意图Fig.18 Traffic noise distribution of experimental area

表6 5个点位仿真和实验结果比较Tab.6 The difference of five points in between simulation and experimental results

对两种方法下实验数据进行分析可以得出以下结论:

(1)Paramics对中大北门附近建筑物的交通仿真噪声规律符合道路噪声在建筑物影响下的基本规律。

在靠近道路的1号点和2号点，仿真模拟的交通噪声值与实验实测的噪声值均大于其他点位的噪声值，表明仿真模拟在距离衰减上符合噪声传播规律;对于受建筑物影响比较大的3、4、5号点，交通仿真模拟的交通噪声值与实际观察的结果存在一定偏差，但整体规律相同，交通噪声微观交通仿真模拟可以反映出有建筑物情况下交通噪声的衰减规律。

(2)从交通仿真结果与实验结果相比较的结果可以看出，交通仿真模拟结果总体偏大。仿真噪声总体偏大原因主要由以下几个方面:

在交通交通仿真过程中设定的道路交通量，车速等是实验数据，但允许出现一定的误差，实验结果产生一定偏差;

现实情况下，中大北门区域存在植被及其他障碍物，这些障碍物等产生的衰减没有被考虑在交通仿真模拟中;

在现实中的建筑物，出于建筑学或美学的角度，其边角点多是各具特色的不规则状，而在仿真中对建筑物边角点进行了规则性处理以使模型得以简化，这使得噪声传播路径变短，反射或衍射次数减少，相应的衰减也随之变小。

离路越远则产生的偏差越大，这种规律符合噪声在实际情况下有其他障碍衰减规律。

(3)从精确度角度考虑，微观交通仿真的模拟结果与实际实验测试误差最大值为2.6 dB，平均为1.66 dB，满足微观交通仿真方法在交通噪声模拟的精度要求，具备可行性。

5 结论

(1)采用微观交通仿真对居住小区的道路交通噪声进行动态模拟方法精确可行，平均误差为1.66 dB。

(2)建筑物显著降低了居住小区内声影区的声场，本文的算例声影区声压级平均降低了2.7 dB，新增道路增加了小区噪声的总体水平，本文的算例中居住小区交通噪声值平均增加了1.4 dB。

(3)居住小区的交通噪声受道路特性的影响，大中型车比例增大和车速提高都会使小区噪声变大，且车型比例和车速带来的噪声变化随着距离道路变远而减小。

(4)不同建筑物布局对居住小区内的交通噪声有很大影响，模拟的小区噪声分布图可作为建筑物布局和门窗开设位置的参考依据。

(5)由于居住小区交通噪声的污染实际问题的复杂性，在交通噪声在三维传播、建筑物布局复杂化、交通噪声对室内声环境影响等方面的后续研究有很大空间。

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