基于RLS90模型與Kriging插值的城市交通道路噪聲預(yù)測

周強波 徐翰

摘要[目的]為建立道路交通噪聲預(yù)測和應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。[方法]運用GIS空間分析中的Kriging插值方法與RLS90模型相結(jié)合對城市交通道路噪聲進(jìn)行模擬預(yù)測，通過RLS90模型的聲源模型與聲傳模型計算道路噪聲值，運用Kriging插值方法進(jìn)行空間模擬，對道路噪音未知樣點進(jìn)行線性無偏最優(yōu)預(yù)測，并以湖南省長沙市芙蓉區(qū)雍景園典型小區(qū)為例，進(jìn)行了驗證。[結(jié)果]實例應(yīng)用結(jié)果表明，長沙市芙蓉區(qū)雍景園小區(qū)5個測量地點的噪聲預(yù)測值（67.40 dB）與測量值（66.26 dB）的空間分布和傳播趨于一致。[結(jié)論] Kriging插值方法與RLS90模型相結(jié)合可以運用于道路交通噪聲的實時預(yù)測和決策。

關(guān)鍵詞Kriging插值；RLS90模型；道路噪聲預(yù)測

中圖分類號S181文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2016）04-103-03

Predictive Analysis of Traffic Noise in Urban Roads Based on RLS90 Model and Kriging Interpolation

——A Case of a Given Community in Furong District， Changsha City， Hunan Province

ZHOU Qiangbo， XU Han （230 Institute of Nuclear Industry， Changsha， Hunan 410007）

Abstract[Objective] To provide basic data for the prediction and application system of traffic noise in roads. [Method] Simulating prediction of traffic noise in urban roads was carried out by Kriging interpolation method and RLS90 model in GIS spatial analysis. Road noise value was calculated by sound source model and sound transmission model in RLS90 model； spatial simulation was carried out by Kriging interpolation method； linear unbiased prediction was adopted by the unknown sample sites of road noise. With a given community in Furong District， Changsha City， Hunan Province as an example， verification test was carried out. [Result] Spatial distribution and transmission of noise prediction value （67.40 dB） and measured values （66.26 dB） tended to be uniform in five measuring sites of Furong District. [Conclusion] Combining the Kriging interpolation method with RLS90 model can be applied in the prediction and decision making of road traffic noise.

Key wordsKriging interpolation； RLS90 model； Road traffic noise

近年來，隨著城市汽車數(shù)量的急劇增加，導(dǎo)致城市交通噪聲污染問題突出。目前，國內(nèi)外對城市交通道路噪聲監(jiān)測開展的研究較多，如Glacier等[1]采用實際監(jiān)測采樣方法，對西班牙7個主要城市50個固定監(jiān)測點進(jìn)行長達(dá)20年的監(jiān)測，得出一系列噪音分布圖，并分析了西班牙主要城市交通噪聲特征；英國的CRTN88模型適用于距離長、順暢的高峰交通流，可以簡單處理墻體對噪聲反射的影響[2]；美國FHWA模型主要用于高速公路勻速車流的交通噪聲預(yù)測，但未考慮道路坡度、路面性質(zhì)、氣象條件以及多重反射對噪聲交通中斷對噪聲值的影響[3]；我國公布的GB17247.21998《聲學(xué) 戶外聲傳播的衰減第2部分：一般計算方法》等效采用了上述國際標(biāo)準(zhǔn)，計算原理考慮了噪聲的衰減、散射、反射、吸收等[3]。目前，我國學(xué)者較少結(jié)合前人研究結(jié)果運用空間插值方法模擬監(jiān)測區(qū)域噪音數(shù)據(jù)研究。鑒于此，筆者根據(jù)RLS90模型在城市道路交通中的應(yīng)用理論，運用RLS90兩大子模型對道路實測噪音進(jìn)行評估分析，利用地理空間分析中的Kriging插值技術(shù)對噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬預(yù)測，旨在為城市交通路線規(guī)劃提供輔助決策支持及科學(xué)技術(shù)手段。

1RLS90模型

RLS90是對交通道路噪聲進(jìn)行預(yù)測分析的RLS81模型加以改進(jìn)的一種模型。該模型以等效連續(xù)A聲級LeqA為評價指標(biāo)，包括聲源模型和聲傳播模型2個子模型。模型構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。

（1）對于一個街道的聲級計算方法。

設(shè)預(yù)測點的噪聲級Lr為：

Lr=Lm+K

式中，Lm為車道上計算噪聲平均A聲級；K為交通信號控制路口效果增加的一個額外量。

（2）對于長直線路段的計算方法。

對于每條線路，平均噪聲級的計算公式：

Lm，i=Lm，E+Di+DS-DZ

Lm=10×lg100.1×Lm，i

式中，Lm，i為1條車道第i段平均聲壓級；Lm為車道上車輛行駛產(chǎn)生的噪聲級；Lm，E為車道上車輛行駛產(chǎn)生的噪聲級；主要與車道上的車流量、車型等數(shù)據(jù)有關(guān)；Di為不同小段的線聲源長度修正值；DS為距離衰減修正值；DZ為遮擋物（建筑物或聲屏障）衰減修正值。其中，車輛行駛產(chǎn)生的輻射噪聲級計算公式：

Lm，E=Lm（25）+Dv+DStro+Dstg+Dmreft

式中，Lm（25）為距聲源25 m，離地表4 m高處的平均A聲級；Dv為速度調(diào)整因子；DStro為路面校正，范圍為0～6 dB（A），一般瀝青路面DStro=0，水泥混凝土DStro=2，多孔隙瀝青混凝土DStro=-4或-5；Dstg為縱坡度修正值，當(dāng)|g|>5%時，Dstg=0.6|g|-3；當(dāng)|g|<5%時，Dstg=0；Dmreft為反射音修正值。

Lm（25）=37.3+101 g[M（1+0.082P）]

式中，M為單車道道路小時平均車流量；P為重型車比例。

Dmreft=4×HB/W≤3.2（反射面為非吸音介質(zhì)）

Dmreft=2×HB/W≤1.6（反射面具有吸音性質(zhì)）

式中，HB為反射面平均高度；W為聲源至反射面距離。

Di計算方法：Di=101 g（i）。

DS計算方法：DS=11.2-20×lg（S）-S/200，式中，S為聲源至接收點距離。

DZ的衰減正值計算方法：DZ=10×lg（3+80×Z×KW），式中，Z為繞射聲傳播路徑（聲源經(jīng)遮擋物頂端至接受點）的長度與直達(dá)聲傳播路徑（聲源至接收點的直線距離）的長度間的差值。當(dāng)只有1個聲屏障時，如圖2所示；當(dāng)存在2個或2個以上聲屏障時，如圖3所示。

2關(guān)鍵技術(shù)

筆者重點探討城市道路交通噪聲模擬預(yù)測的準(zhǔn)確性及對環(huán)境的影響程度，選擇在RLS90交通噪聲預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際研究區(qū)域情況實現(xiàn)城市交通噪聲的Kriging插值預(yù)測道路噪音情況。技術(shù)模型如圖4所示。

2.1聲源模型計算RLS90模型對于聲源模型計算的技術(shù)方法是當(dāng)路段符合長直線的條件時，可采用聲源模型進(jìn)行計算，否則應(yīng)采用聲傳模型進(jìn)行計算。該模型的關(guān)鍵技術(shù)在于確定能夠?qū)︻A(yù)測點噪聲有影響的街道（即線性聲源），并計算聲源產(chǎn)生的噪聲強度。線性聲源產(chǎn)生的噪聲污染主要采用道路長度、寬度、材質(zhì)、坡度、車流量、重型車比、車速、隔音墻等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

2.2聲傳模型計算聲音在傳播過程中會有損失，到達(dá)預(yù)測點的聲音強度并不完全等同于聲源點處的dB值。削弱聲音的因素主要有建筑物、綠地、河流等可以吸收阻擋聲音傳播的地物。鑒于這些因素，筆者計算出線聲源的每一微分弧段到預(yù)測點的噪聲大小，最后進(jìn)行疊加得到預(yù)測點處的總噪聲值，再將離散點的噪聲值內(nèi)插得到整個區(qū)域面的噪聲分布情況（圖5）。

2.3內(nèi)插技術(shù)輸出噪聲值克里金插值法是應(yīng)用隨機函數(shù)理論，不僅考慮待估點與已知點的位置相關(guān)程度，還考慮他們之間的空間相關(guān)性，對每個樣點賦予不同權(quán)重，進(jìn)行滑動加權(quán)平均，進(jìn)而估算所求點的值[4]?？死锝鸩逯捣ǖ倪m用范圍為區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，即如果變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，則可以利用克里金插值技術(shù)進(jìn)行內(nèi)插或外推；反之，不可行。

城市道路噪音預(yù)測點是根據(jù)未知樣點有限鄰域內(nèi)的若干已知樣本點數(shù)據(jù)，在考慮了預(yù)測區(qū)域?qū)嶋H測量樣本點的形狀、大小和空間方位，與未知樣點的相互空間位置關(guān)系，以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息之后，對道路噪音未知樣點進(jìn)行的一種線性無偏最優(yōu)預(yù)測估計。因此，選擇克里金內(nèi)插技術(shù)輸出噪音預(yù)測結(jié)果。

其基本思路：設(shè)x1，…，xn為道路噪音預(yù)測區(qū)域的一系列實際觀測點，z（x1），…，z（xn）為相應(yīng)的觀測值。區(qū)域化變量在x0處的值z×（x0）可采用一個線性組合進(jìn)行估計：

z×（x0）=ni=1λiz（xi）

式中，z×（xi）為未知樣點的值；z（xi）為未知樣點周圍的已知樣本點的值；λi為待定加權(quán)系數(shù)；n為已知樣本點的個數(shù)。道路噪音Kriging插值方法的技術(shù)如圖6所示。

3實例應(yīng)用

應(yīng)用GIS與RLS90模型相結(jié)合構(gòu)成的道路交通噪聲預(yù)測模塊對長沙市芙蓉區(qū)雍景園典型小區(qū)道路進(jìn)行試驗，該小區(qū)西臨車站北路，北依雍景街，東接湘湖路，南靠晚報大道。采用的地理空間數(shù)據(jù)有研究區(qū)域1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)、1∶500矢量基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)資料和高分辨率遙感影像；噪聲源屬性數(shù)據(jù)有車流量、車速、輕重車型比和路面材料；影響噪聲傳播數(shù)據(jù)有建筑、聲屏障和植被。預(yù)測點為高于地面1.5 m，距離反應(yīng)物的距離至少為2.8 m，實測值測量的是距地表1.5 m的噪聲值，噪聲預(yù)測結(jié)果比實際結(jié)果偏高。試驗區(qū)5個測量點的預(yù)測值與測量值見表1，結(jié)果表明，噪聲空間分布和傳播趨于一致。

4結(jié)語

運用GIS技術(shù)與RLS90模型結(jié)合預(yù)測城市道路噪音值，充分利用GIS可視化和空間插值方法顯示了道路噪聲預(yù)測結(jié)果，兩者結(jié)合的道路噪聲預(yù)測值與實際測量值在空間分布和傳播趨于一致。通過預(yù)測點的不同高度可以發(fā)現(xiàn)，道路噪聲分布不僅具有水平面的空間分布，還有垂直面分布。然而，筆者僅僅是運用某一GIS空間分析技術(shù)與RLS90模型結(jié)合得出道路噪聲預(yù)測值，而噪聲分布不僅具有水平面的空間分布與垂直面分布，因此，結(jié)合實時空間預(yù)測，實現(xiàn)噪聲的三維實時動態(tài)分布規(guī)律將是今后的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] GARCIA A，F(xiàn)AUS L J.Statistical analysis of noise levels in urban areas[J].Applied acoustics，1991，34：227-247.

[2] 李本綱，陶澍.應(yīng)用英國CRTN88模式和GIS進(jìn)行道路交通噪聲預(yù)測與規(guī)劃[J].環(huán)境工程，1999，17（5）：61-64.

[3] 鄧佳，趙劍強，張曉寧，等.公路交通噪聲預(yù)測模型FHWA與RLS90的比較[J].環(huán)境工程學(xué)報，2012（2）：687-691.

[4] 周汝良，丁琨，石雷.稀疏觀測數(shù)據(jù)的空間內(nèi)插方法的分析與比較[J].云南地理環(huán)境研究，2008，20（4）：1-4.44