三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学应用研究

2021-01-03梁燕王栋宇徐朋蔡铭

科教导刊 2021年23期

梁燕王栋宇徐朋蔡铭

摘要虚拟仿真实验教学以形象直观的授课方式，将理论知识融于实践之中，有助于激发学生学习兴趣，提升学生的创新思维，已逐渐成为当下高校的一种重要教学模式。本文以三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学应用为例，阐述了三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学的意义，以及三维交通噪声地图的定义与作用，并提出了相关教学方案与应用建议。

关键词虚拟仿真实验教学三维交通噪声地图

中图分类号：G642文献标识码：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

虚拟仿真实验教学是一种将传统实验教学与互联网、计算机及电子信息技术有机地融合在一起的新型教学模式，[1]以其可视效果好、人机交互性强、趣味性强等特点，适应了信息时代高等教育开放办学的变革要求。[2]

在教育改革和新工科背景下，随着大数据、云计算及人工智能等技术的兴起，传统的实验教学模式已无法满足现有交通知识体系的发展，[3-4]适应时代科技发展潮流的虚拟仿真实验教学就显得尤为重要。本研究以虚拟仿真技术为支撑，立足于交通与环境相关专业的人才培养目标，结合“交通环境工程”课程教学实际需求，開展三维交通噪声地图教学实验，不仅有效提升了教学质量，推动了交通环境领域复合创新型人才培养，也为其他课程开展虚拟仿真教学实验提供参考。

1三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学意义

为适应我国交通智能化、绿色化发展趋势，我校交通工程专业课程体系除了开设“交通工程导论”“交通管理与控制”“交通流理论”等传统核心课程外，还开设了“交通环境工程”课程，该课程的主要内容为交通系统对大气、噪声、生态等环境要素的影响机理和主要的环境保护基本理论、方法与技术。为加深学生对理论知识的理解与应用，我们还开设了“交通工程综合实验”课程，为“交通环境工程”课程的部分理论知识设计了实验环节。其中，三维交通噪声地图虚拟仿真实验就是针对“交通环境工程”课程中“道路交通噪声与污染控制”章节的理论内容，在“交通工程综合实验”课程中开设的实验环节。该环节共4个学时，分两次上课。通过三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学，可以增强学生交通环境保护意识，提升学生专业技术实践能力。具体意义表现为：

形象生动，激发学生自主学习热情。通过虚拟仿真实验教学的方式传授三维交通噪声地图知识体系，让原本晦涩难懂的三维交通噪声复杂演化过程变得形象生动，显著提高了教学质量水平，也有助于学生理解交通噪声相关基本概念、交通噪声污染的产生机理和影响因素，掌握城市道路交通噪声排放与传播的基本原理与规律，提高学生对交通噪声环境质量变化的识别力。进一步地，可以激发学生的自主学习兴趣，迸发学习热情，变被动式教学为主动式学习，增强课堂教学效果。

系统全面，掌握噪声评估分析工具。三维交通噪声地图涉及交通、环境、计算机、地理信息系统等多学科的交叉，运用虚拟仿真实验教学平台可将不同学科的知识成果关联起来，形成系统知识体系，有助于消除学生学习断面，达到对所学知识全面认知、进而融会贯通的层次。此外，三维交通噪声地图虚拟仿真实验要求学生初步了解ArcGIS地理信息系统软件、交通噪声虚拟仿真模型软件等相关技术工具的使用方法；具体实验课程中的实践运用，有助于学生充分掌握并熟练运用噪声评估分析工具，培养学生分析交通噪声污染问题的技能，增强学生环境保护的意识。

安全便捷，不受现实交通场景拘束。由于城市道路交通噪声复杂多变、对其实施实际评估的难度大且周期长、技术与数据融合不充分等因素，中等规模以上城市道路噪声预测相关实验很难在真实交通场景中开展，而且学生在实习过程中也会存在不确定的安全隐患。以地理信息系统和虚拟仿真噪声地图软件为支撑，通过交互式平台操作对城市道路交通噪声进行虚拟仿真实验教学，可不受实验场地和噪声测量设备等条件限制，实验操作简单、便捷，更具可操作性和实践性，还能有效解决教学场地和实操安全性等问题。

面向社会，着重培养复合创新人才。随着未来噪声地图在我国各城市声环境建设中的普及和推广，[5]社会对相关技术人才的需求将会越来越大，对高校噪声防治研究方向的人才培养和教学质量的要求也越来越高。通过虚拟仿真实验教学，学生在实验操作中自主组合交通实验场景和噪声防治措施，逐步提高实践动手能力；教师辅助引导学生自主发现、分析并解决问题，激发学生的创造性思维，帮助提升学生的创新性设计能力，为交通行业培养创新型、复合型、应用型人才。

2三维交通噪声地图的定义与作用

2.1定义

噪声地图是通过噪声源数据、地理信息数据的收集与处理，利用声学仿真模拟软件进行模型选择、声源转换和参数设定，结合噪声实际测量调研和校正工作，并进行噪声值分布情况可视化表达的地图。[6]三维交通噪声地图则是指以道路交通噪声为噪声源，并实现噪声分布结果三维可视化的噪声地图。

2.2作用

随着城市化进程的加快和机动车保有量的增长，城市交通噪声污染日益突出，交通噪声扰民问题持续频发，道路交通噪声污染成为城市环境噪声污染的主要来源之一。[7]交通噪声因影响区域广、时间久，易诱发群体事件等特点，已逐渐成为城市生活中“无形的暴力”。

通过道路交通噪声模拟计算和噪声结果可视化生成的三维交通噪声地图，可以全方位、直观地反映城市交通噪声三维分布情况，有效解决大区域交通噪声监测覆盖面不全的问题，是真正意义上的区域噪声评估技术手段。进一步地，三维交通噪声地图可有效分析和评估城市交通噪声污染状况，筛选出交通噪声污染黑点，可为噪声污染防控与治理提供技术支撑，并为交通噪声自动监测设备选点提供参考，最终有助于居民宁静社区的实现。

3三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学方案设计与应用

三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学的主要目的是使学生通过提前阅读实验方案，基本掌握三维交通噪声地图的计算和渲染原理，然后在教师的现场指导下，通过ArcGIS软件和城市道路交通噪声虚拟仿真软件，按照实验方案操作流程，最终实现城市道路三维交通噪声地图的绘制与展示。

该虚拟仿真实验教学采用的城市道路交通噪声模拟软件由本教研团队自主研发，其功能模块主要有读取数据、计算噪声、地图渲染、数据转换和分布计算，以及测量工具、噪声查询、质量评估、噪声黑点和搜索查询等更具展示性的模块。教师可根据实际教学需求，指导学生熟悉并运用相关的功能控件板块，实现相关的仿真实验要求，有助于提高教学的趣味性，增强学生的学习兴趣。

三维交通噪声地图虚拟仿真实验教学方案设计了理论、实践到分析三个层次，具体分为基本原理、实验建模、数据分析三个教学模块，如图1所示。

第一模块，夯实基础理论知识，传授学生相关基本概念和实验原理，潜心研读式完成学生对知识体系的构建。本实验环节主要涉及了声学的基本知识、车辆噪声、道路交通噪声预测等知识点。首先，学生需要了解噪声的定义、来源以及描述声音特性的基本物理量，理解等效声压级是作为噪声主观评价、道路交通噪声预测的重要方式。其次，学生要明白车辆行驶噪声强度计算方式及影响因素，认识到噪声在传播过程中会受到建筑物反射、地面、植被、空气吸收等因素的影响，进而领会大中小型车辆噪声排放模型和噪声传播衰减模型的计算式形式。然后，學生应当认识到在道路交通噪声预测计算中，涉及路网、建筑物、噪声源等大量基础数据，以及建筑物对噪声存在复杂的反射、衍射作用，会导致噪声计算复杂、缓慢等问题，因而需要进行算法优化。最终，学生还需要理解噪声计算结果是以空间点阵的形式存储的，点阵中每一个点都有表示噪声级的属性，为了估计空间中任意一点的噪声级，因此需要使用克里金插值方法对离散点阵的噪声级进行插值，并且将噪声级区间映射到一个颜色区间中，将单点噪声形成相应颜色并显示在相应的空间位置，从而渲染出噪声地图。

第二模块，理论与实践相结合，指导学生实现多场景虚拟仿真建模，层层递进式加深学生对理论知识的理解。本实验环节主要涉及的知识点是道路交通噪声预测、道路交通噪声污染控制。学生通过改变“计算噪声”模块的参数，如车辆行驶速度、交通流量等，构建“无降噪措施”“采取限速措施”“采取限行措施”“采取限速和限行措施”四个交通场景，并分别模拟计算出相应的噪声结果数据，并渲染成四幅噪声地图。此外，本实验环节允许学生开展创新性设计，自主思考、自行设置并计算出其他交通场景下的噪声地图。本实验环节有助于学生理解产生交通噪声污染的机理和影响因素，了解控制道路交通噪声污染的措施，掌握噪声评估分析的技能，有利于提升学生的创新思维和实践能力。

第三模块，开展自主数据分析，提供学生建议但不限制发散性思维，多元开放式培养学生对研究的能动性。本实验环节主要涉及的知识点是噪声的主观评价及噪声容许标准、声环境质量影响评价内容和方法。学生需要先学习噪声污染指数、噪声污染度、交通噪声冲击指数等评价指标和方法，再通过第二模块的实验结果数据开展此模块的数据分析工作，研究方向可以是区域噪声水平、噪声分布特点、降噪措施效果对比、噪声暴露人群评估等。此外，还可以鼓励学生自行查找相关文献进行参考，不规定和限制研究方向，让学生能够能动地开展实验研究和分析，并形成实验报告，有助于学生了解声环境质量影响评价的程序，掌握声环境质量影响评价技术与方法，培养学生分析和解决环境问题的能力。

学生在虚拟仿真软件设置的环境中开展交通噪声计算和三维噪声地图绘制实验等关键步骤的操作：

实验准备：城市道路交通噪声模拟软件（图2）、声图计算目录（“Atten”文件夹：存储噪声衰减项文件、“Config”：存储计算所需的基础参数文件、“Data”：存储噪声计算所需的原始数据、“Result”：存储噪声计算的结果文件）、路网的shapefile文件（该文件中的道路至少应包含以下属性：道路上大中小型车的车流量、速度，车道数，单车道宽度，路面材料等）、该路网中的建筑物shapefile文件（该文件中的建筑物至少包含以下属性：建筑物高度、底面面积和轮廓）。

实验步骤：（1）选定研究区域；（2）路网图层和建筑物图层数据准备：在路网图层中编辑交通流参数字段信息，在建筑物图层中编辑层高参数字段信息；（3）噪声地图计算：启动城市道路交通噪声模拟软件，数据转换，读取数据，计算噪声；（4）噪声地图渲染：使用城市道路交通噪声模拟软件自带的渲染功能渲染/使用Arc-GIS的渲染功能渲染（图3）。

实验分析：撰写实验报告，报告内容包括实验名称、目的、过程、结果及分析总结。