曾 宇 戶文成

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 北京 100054)

0 引 言

近年來隨著城市交通路網(wǎng)的建設(shè)，城市軌道和道路交通引發(fā)的環(huán)境噪聲污染問題受到廣泛關(guān)注[1-2]。在建設(shè)規(guī)劃環(huán)境影響評估過程中，評估人員不僅需要預(yù)測和評估城市軌道和道路交通引發(fā)的環(huán)境噪聲污染，還要對嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染進(jìn)行控制并對控制措施的效果進(jìn)行評估。環(huán)境噪聲預(yù)測結(jié)果和控制效果大多以等效聲級、插入損失等評價(jià)指標(biāo)的形式進(jìn)行存儲和展示，環(huán)境噪聲評價(jià)指標(biāo)的抽象和視聽體驗(yàn)的欠缺給環(huán)境噪聲預(yù)測結(jié)果和控制效果的體驗(yàn)帶來不便，進(jìn)而降低了環(huán)境噪聲影響評估過程的效率。

指標(biāo)數(shù)據(jù)的抽象和視聽體驗(yàn)的欠缺的問題可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來解決。趙鴻凱等[3]提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)的歷史街景重現(xiàn)技術(shù)，重現(xiàn)精度高且完整性強(qiáng)。張碩等[4]構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)家居環(huán)境，捕捉操作者的手勢并使虛擬人物同步動(dòng)作。于洋等[5]采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于地下工程施工課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。劉婷婷等[6]提出結(jié)合體感和語音技術(shù)建立情景化虛擬康復(fù)環(huán)境的構(gòu)想，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬智能體的康復(fù)技術(shù)方案。李初蕾等[7]提出試車數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)3D數(shù)字化模型融合的實(shí)時(shí)可視化方法，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)和測試參數(shù)可視化功能。黃銘明等[8]構(gòu)建了下頜骨骨折虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，對下頜骨骨折手術(shù)的場景、交互和手術(shù)過程進(jìn)行模擬。劉相等[9]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立空間站虛擬場景，研究了航天員的身體移動(dòng)姿態(tài)對導(dǎo)航任務(wù)績效的影響。史耕金[10]設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)電機(jī)檢修工藝培訓(xùn)專家系統(tǒng)，提高了火電廠發(fā)電機(jī)檢修培訓(xùn)的效果和質(zhì)量。張力勻等[11]提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)維修時(shí)間預(yù)計(jì)方法，應(yīng)用于民用飛機(jī)維修拆卸任務(wù)的時(shí)間預(yù)計(jì)。王磊等[12]構(gòu)建了核電站廠房的虛擬現(xiàn)實(shí)場景，研究了壓水堆換料操作過程中虛擬核電站廠房內(nèi)輻射劑量的分布。候佳鑫等[13]設(shè)計(jì)了沉浸式高放廢物處置地下實(shí)驗(yàn)室三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了場景漫游和三維數(shù)據(jù)可視交互等工程建設(shè)預(yù)選方案評估功能。

本文針對建設(shè)規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)中環(huán)境噪聲預(yù)測結(jié)果和控制效果體驗(yàn)直觀性差的問題，提出一種虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)。整合交通、建筑、地形、環(huán)境等數(shù)據(jù)，為環(huán)境噪聲的建模、預(yù)測和體驗(yàn)過程提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的小區(qū)及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，并在噪聲源附近設(shè)置聲屏障作為可選的降噪措施。利用噪聲地圖技術(shù)預(yù)測小區(qū)環(huán)境噪聲，實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)場景漫游和環(huán)境噪聲體驗(yàn)的同步。以某小區(qū)為對象進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模和環(huán)境噪聲預(yù)測，對該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 功能模塊設(shè)計(jì)

虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)包括三個(gè)功能模塊，如圖1所示。

圖1 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理模塊用于管理系統(tǒng)信息和維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行，包括四個(gè)子模塊。其中項(xiàng)目管理子模塊用于管理項(xiàng)目名稱、小區(qū)名稱、所在城市等項(xiàng)目基本信息，文件管理子模塊用于管理軌道交通、道路交通、建筑和隔聲設(shè)施等模型文件，日志管理子模塊用于管理和查閱系統(tǒng)運(yùn)行日志，備份恢復(fù)子模塊用于數(shù)據(jù)的定期備份和緊急恢復(fù)。

場景建模模塊用于構(gòu)建小區(qū)及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，包括四個(gè)子模塊。道路交通子模塊和軌道交通子模塊分別管理小區(qū)周邊道路和軌道的方位、源強(qiáng)等信息以及模型文件鏈接并在場景中生成道路和軌道交通的三維模型，建筑子模塊管理小區(qū)內(nèi)各建筑的位置、方向等信息以及模型文件鏈接并在場景中生成建筑的三維模型，降噪設(shè)施子模塊在場景中生成作為降噪設(shè)施的聲屏障，用于降噪措施的效果預(yù)測和體驗(yàn)。

噪聲預(yù)測模塊用于建模和計(jì)算小區(qū)環(huán)境噪聲，包括兩個(gè)子模塊。地理信息子模塊用于建立與三維虛擬場景對應(yīng)的地理信息模型，環(huán)境噪聲子模塊在地理信息模型基礎(chǔ)上生成環(huán)境噪聲計(jì)算模型，求解并將環(huán)境噪聲計(jì)算結(jié)果傳送回三維虛擬場景。

1.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

不同角色權(quán)限的用戶登錄虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)后進(jìn)行不同的操作。系統(tǒng)管理員可以進(jìn)入系統(tǒng)管理模塊，進(jìn)行項(xiàng)目管理、文件管理等操作。體驗(yàn)人員只能選擇并進(jìn)入某虛擬小區(qū)中進(jìn)行場景漫游和交通噪聲環(huán)境影響體驗(yàn)。設(shè)計(jì)人員從系統(tǒng)管理員處獲得項(xiàng)目ID后，可以進(jìn)入對應(yīng)的項(xiàng)目中進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模和環(huán)境噪聲預(yù)測。

設(shè)計(jì)人員在虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)中的典型工作流程如圖2所示。進(jìn)入項(xiàng)目后首先進(jìn)行場景建模，可以在場景中新建軌道交通、道路交通、建筑、降噪設(shè)施等虛擬對象，也可以修改或刪除場景中已有的虛擬對象。分別在軌道交通、道路交通和建筑子模塊中處理場景內(nèi)該類型的虛擬對象，更新虛擬對象的方位、狀態(tài)等參數(shù)以及模型文件鏈接。然后在降噪設(shè)施模塊查看場景內(nèi)的降噪設(shè)施，進(jìn)行新建、修改或刪除。接著得到與虛擬現(xiàn)實(shí)場景對應(yīng)的地理信息模型，基于地理信息模型建立噪聲地圖，計(jì)算得到虛擬現(xiàn)實(shí)場景中不同位置的環(huán)境噪聲。最后保存更新內(nèi)容并退出項(xiàng)目。

圖2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

環(huán)境噪聲影響評價(jià)涉及交通、建筑、地形、環(huán)境等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲的分散性和數(shù)據(jù)文件格式的多樣性給信息的解析和查詢帶來不便。虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫存儲和管理場景建模數(shù)據(jù)和環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，為建模、預(yù)測和體驗(yàn)過程提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)庫的主要實(shí)體對象如下：

1) 項(xiàng)目實(shí)體對象，主要屬性包括項(xiàng)目ID、項(xiàng)目名稱、所在城市、所在區(qū)縣等。

2) 軌道實(shí)體對象，主要屬性包括軌道ID、軌道類型、發(fā)車間隔、噪聲ID、模型文件鏈接等。

3) 項(xiàng)目軌道實(shí)體對象，主要屬性包括項(xiàng)目軌道ID、項(xiàng)目ID、軌道ID、軌道位置、軌道方向等。

4) 道路實(shí)體對象，主要屬性包括道路ID、道路類型、平均車速、噪聲ID、模型文件鏈接等。

5) 項(xiàng)目道路實(shí)體對象，主要屬性包括項(xiàng)目道路ID、項(xiàng)目ID、道路ID、道路位置、道路方向等。

6) 地塊實(shí)體對象，主要屬性包括地塊ID、地塊名稱、項(xiàng)目ID、地塊位置、土地用途等。

7) 建筑實(shí)體對象，主要屬性包括建筑ID、建筑高度、建筑層數(shù)、建筑紅線、模型文件鏈接等。

8) 地塊建筑實(shí)體對象，主要屬性包括地塊建筑ID、地塊ID、建筑ID、建筑位置、建筑方向等。

9) 降噪設(shè)施實(shí)體對象，主要屬性包括降噪設(shè)施ID、項(xiàng)目ID、降噪設(shè)施類型、降噪設(shè)施位置、模型文件鏈接等。

10) 噪聲實(shí)體對象，主要屬性包括噪聲ID、噪聲名稱、噪聲類型、聲級、曲線ID等。

11) 環(huán)境噪聲實(shí)體對象，主要屬性包括環(huán)境噪聲ID、項(xiàng)目ID、受聲點(diǎn)位置、受聲點(diǎn)名稱、噪聲ID等。

12) 曲線實(shí)體對象，主要屬性包括曲線ID、曲線名稱、X坐標(biāo)軸單位、Y坐標(biāo)軸單位等。

13) 曲線點(diǎn)實(shí)體對象，主要屬性包括曲線點(diǎn)ID、曲線ID、X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值等。

2.2 場景建模

虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行場景建模，為使用者提供沉浸式、交互式和構(gòu)想式的視聽體驗(yàn)。

系統(tǒng)進(jìn)行場景建模的主要流程如圖3所示。進(jìn)入場景建模模塊后首先創(chuàng)建軌道交通、道路交通和建筑對象。在項(xiàng)目軌道數(shù)據(jù)庫表中根據(jù)項(xiàng)目ID查詢獲取該項(xiàng)目的軌道ID、軌道位置和方向等數(shù)據(jù)，根據(jù)軌道ID在軌道數(shù)據(jù)庫表中查詢得到軌道交通的發(fā)車間隔、噪聲ID、模型文件鏈接等信息，結(jié)合項(xiàng)目軌道數(shù)據(jù)庫表中獲得的軌道方位數(shù)據(jù)，在場景中創(chuàng)建軌道對象。在項(xiàng)目道路數(shù)據(jù)庫表中根據(jù)項(xiàng)目ID查詢獲取該項(xiàng)目的道路ID、道路位置和方向等數(shù)據(jù)，根據(jù)道路ID在道路數(shù)據(jù)庫表中查詢得到道路交通的平均車速、噪聲ID、模型文件鏈接等信息，結(jié)合項(xiàng)目道路數(shù)據(jù)庫表中獲得的道路方位數(shù)據(jù)，在場景中創(chuàng)建道路對象。在地塊數(shù)據(jù)庫表中根據(jù)項(xiàng)目ID查詢得到該項(xiàng)目的地塊ID，根據(jù)地塊ID在地塊建筑數(shù)據(jù)庫表中查詢得到該地塊的建筑ID、建筑位置和方向等數(shù)據(jù)，根據(jù)建筑ID在建筑數(shù)據(jù)庫表中查詢獲得該建筑的建筑高度、建筑紅線、模型文件鏈接等信息，結(jié)合地塊建筑數(shù)據(jù)庫表中獲得的建筑方位數(shù)據(jù)，在場景中創(chuàng)建建筑對象。然后在降噪設(shè)施數(shù)據(jù)庫表中根據(jù)項(xiàng)目ID查詢得到該項(xiàng)目的降噪設(shè)施ID、類型、位置和模型文件鏈接等信息，在場景中創(chuàng)建降噪設(shè)施對象。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模流程

2.3 噪聲預(yù)測

噪聲地圖基于噪聲計(jì)算模型，通過道路車流量、機(jī)場起降航次等噪聲相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到一定區(qū)域的噪聲分布情況，為區(qū)域整體規(guī)劃、噪聲污染的預(yù)防和控制措施提供了科學(xué)的決策依據(jù)[14-15]。噪聲計(jì)算模型包括美國的FHWA模型、法國的NMPB模型、中國的聲導(dǎo)則模型等[16]，虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)基于噪聲地圖技術(shù)進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測，噪聲計(jì)算模型采用聲導(dǎo)則模型，其戶外聲傳播衰減計(jì)算公式如下：

Lp(r)=Lp(r0)-ΔLp(r)

(1)

ΔLp(r)=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(2)

式中：Lp(r)為預(yù)測點(diǎn)r處的聲壓級；Lp(r0)為已知距離無指向性點(diǎn)聲源參考點(diǎn)r0處的倍頻帶聲壓級；ΔLp(r)為聲衰減量；Adiv為幾何發(fā)散引起的衰減；Aatm為大氣吸收引起的衰減；Agr為地面效應(yīng)引起的衰減；Abar為聲屏障引起的衰減；Amisc為其他衰減。

進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測時(shí)首先將軌道和道路簡化成線，將建筑簡化為多面體，獲得地理信息模型。然后將軌道和道路交通作為線聲源，根據(jù)各聲源到預(yù)測點(diǎn)的聲波傳播條件信息計(jì)算出噪聲從各聲源傳播到預(yù)測點(diǎn)的聲衰減量，進(jìn)而獲得預(yù)測點(diǎn)處的環(huán)境噪聲。

2.4 應(yīng)用案例

以某小區(qū)為對象進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場景搭建和環(huán)境噪聲體驗(yàn)。該小區(qū)周邊有1條軌道交通線路和2條城市道路，小區(qū)內(nèi)有住宅及配套商業(yè)建筑。首先通過3ds Max軟件建立軌道交通、道路交通及建筑的模型文件，由系統(tǒng)管理員通過虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)中的系統(tǒng)管理模塊導(dǎo)入模型文件并加以管理。然后設(shè)計(jì)人員在場景建模模塊中設(shè)置小區(qū)場景中軌道交通、道路交通及建筑的位置、方向參數(shù)和模型文件以及軌道和道路交通的發(fā)車間隔、平均車速等狀態(tài)參數(shù)，基于Unity3D進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模。接著在噪聲預(yù)測模塊中得到相應(yīng)的地理信息模型，設(shè)置軌道和道路交通的源強(qiáng)信息并導(dǎo)入源強(qiáng)噪聲曲線數(shù)據(jù)，計(jì)算得到虛擬現(xiàn)實(shí)場景中不同位置的環(huán)境噪聲。源強(qiáng)噪聲曲線數(shù)據(jù)包括倍頻程聲壓級數(shù)據(jù)和WAV格式的噪聲音頻文件，該小區(qū)周邊道路交通的倍頻程聲壓級數(shù)據(jù)如圖4所示。此外該小區(qū)周邊地鐵為地下線，其對小區(qū)環(huán)境噪聲的影響很小，因此在軌道交通的源強(qiáng)信息中設(shè)置為忽略。最后生成的虛擬現(xiàn)實(shí)小區(qū)場景如圖5所示。體驗(yàn)人員進(jìn)入該虛擬現(xiàn)實(shí)場景中可以在場景漫游的同時(shí)體驗(yàn)交通噪聲環(huán)境影響，該小區(qū)內(nèi)環(huán)境噪聲最大值為53.1dB，小于《GB3096-2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)的環(huán)境噪聲晝間限值，虛擬小區(qū)內(nèi)聽到的環(huán)境噪聲不會高于該數(shù)值，體驗(yàn)人員在虛擬小區(qū)內(nèi)漫游時(shí)聲環(huán)境質(zhì)量較好。

圖4 小區(qū)周邊道路交通的倍頻程聲壓級

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)小區(qū)場景

3 結(jié) 語

本文針對建設(shè)規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)中的環(huán)境噪聲預(yù)測問題，提出一種虛擬小區(qū)交通噪聲環(huán)境影響預(yù)測系統(tǒng)。對交通、建筑、地形、環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為環(huán)境噪聲的建模、預(yù)測和體驗(yàn)過程提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建小區(qū)及其周邊軌道和道路交通的三維虛擬場景，并在噪聲源附近設(shè)置聲屏障作為可選的降噪措施?；谠肼暤貓D技術(shù)進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測，實(shí)現(xiàn)場景漫游和環(huán)境噪聲體驗(yàn)的同步。該系統(tǒng)為當(dāng)前環(huán)境噪聲預(yù)測結(jié)果和控制效果體驗(yàn)直觀性差的問題提供了一種解決方案，對某小區(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模和環(huán)境噪聲體驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。