基于 Matlab 的铁路环境噪声预测软件设计

时间：2024-09-03

常亮

（中国铁路设计集团有限公司机械动力与环境工程设计研究院，天津 300251）

1 概述

一直以来，铁路环境噪声预测是评价建设项目对沿线敏感点噪声影响程度的重要依据。由于铁路沿线敏感点数量多，编制铁路环境噪声预测软件能够显著提高噪声预测计算与数据处理效率，并直观展示预测结果。国内外铁路噪声预测及数据处理软件的研究成果众多[1-3]，常用的国外软件主要有CadnaA和SoundPlan等环境噪声预测软件。现行的商业软件所采用的铁路噪声源强，特别是高速铁路噪声源强取值和预测方法与我国铁路行业《铁路建设项目环境影响评价噪声源强取值和治理原则指导意见》(铁计[2010] 44号)及其修改意见采用的预测方法并不完全一致。缺乏专业的噪声软件来解决实际工程中的噪声预测问题，难以处理、统计、输出大量的敏感点数据。因此，设计适合我国行业标准预测方法且数据处理效率高的铁路环境噪声预测软件很有必要。

Matlab是较为常用的科学计算软件，在数据处理、图形绘制与处理方面具有优势，提供了强大的图形用户(GUI)编程功能，可以进行噪声预测、现场监测噪声频谱数据的FFT滤波、信号处理等。因此，选择计算能力强、数据处理工具箱较多的Matlab软件作为软件开发的基础语言[4-5]是适宜的。

2 软件设计思路及功能

该软件主要包括项目数据处理、前处理、预测计算、数据展示与输出等主要功能。软件的运行流程图如图1所示。

程序启动后，首先搜索数据库中已存储的项目数据，并列表显示供选择；选择项目后载入数据，读取项目信息，依次进行项目预测条件的录入修改、预测计算选项设置、预测计算、结果输出、等声级图的绘制，完成工程项目的整个任务要求。

2.1 项目数据管理

噪声预测软件所能参与处理的项目类型主要包括环境保护设计、环境影响评价等，目前预测软件涵盖了此类项目的功能需求。项目数据文件存储在软件根目录Projects文件夹下，项目数据存储在“项目名+项目类型”的Excel文件中，软件将项目置为当前。软件启动主界面及项目管理界面如图2所示。

图1 噪声预测软件流程图

2.2 条件的录入及前处理

噪声预测软件计算条件录入包括线路信息、敏感点信息、监测结果、计算设置信息等内容，前处理模块功能主要包括为敏感点布置计算点，自动确定噪声执行标准，现状监测结果的分析、处理及拟合等。噪声预测软件计算条件、前处理功能为噪声预测提供必要的计算参数。

2.2.1 线路信息

线路信息主要包括线路名称、轨道结构尺寸、线路性质轨道条件及线路运行的列车信息等。每条线路包含多种列车的信息，而每类列车的信息主要包括列车类型、列车长度、列车轴重、列车辐射噪声的等效频率、列车速度、列车对数等。

2.2.2 敏感点信息

敏感点信息主要包括敏感点名称、敏感点里程位置、敏感点布点信息、敏感点建筑物情况、房屋分布及与线路的关系等信息。每个敏感点根据设计、环评工作的不同工作深度确定布点规则，建立若干测点，每个测点是进行噪声预测计算的基本单元。敏感点、线路信息录入界面如图3所示。

2.2.3 前处理功能模块

图2 软件启动主界面及项目管理

前处理功能模块主要包括测点布置、标准确定、现状结果的分析处理。测点布置功能是将得到的敏感点信息与布点规则相结合，自动布置噪声测点进行噪声预测计算。标准确定功能将敏感点所处的噪声功能区与测点所在的位置综合考虑，得出某一测点具体的噪声执行标准。现状噪声监测数据处理是将现场监测的、有代表性的敏感点数据录入预测程序中，通过现状数据分析模块得到现状噪声的水平评价，对于大量无监测覆盖的敏感点，自动选取类比点，类比得到现状结果。

图3 敏感点、线路信息的录入

2.3 计算模块及绘图算法设计

计算模块主要功能为根据给定的测点信息、线路信息，计算敏感点的噪声预测结果，计算每条线路对测点的贡献值及叠加后的总预测值，并进行统计结果参数的赋值，以得出大数据量敏感点的统计结果。

综合考虑铁路行业噪声预测普遍采用的预测方法[6-7]，及“关于印发《铁路建设项目环境影响评价噪声源强取值和治理原则指导意见(2010年修订稿)》的通知”(铁计[2010] 44号)等，软件采用的铁路噪声预测等效声级(LAeq，p)的基本预测计算如公式(1)所示。

式中：T为规定的评价时间，s；ni为T时间内通过的第i类列车列数，列；teq,i为第i类列车通过的等效时间，s；Lp0,t,i为第i类列车最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强，dB；Ct,i为第i类列车的噪声修正项，dB。

预测点昼间或夜间的环境噪声预测公式为

式中： LAeq,环境为预测点昼间或夜间的环境噪声预测值，dB(A)；LAeq,p为预测点昼间或夜间的铁路噪声预测值，dB(A)；LAeq,背景为预测点的环境噪声背景值，dB(A)。

软件可以绘制不同测点高度下环境噪声的等声级平面图，以及垂直于线路方向的等声级横断面图，并能将所绘制的图形导出。铁路噪声预测软件绘制的等声级图如图4所示。

图4 铁路噪声预测软件的绘图功能

图5 铁路噪声预测软件数据存储

2.4 文件、图表的输入输出

铁路噪声预测软件能够将项目信息及设置选项信息存储到项目文件中，以Excel格式进行存储。用户既可以在预测程序界面中对数据进行修改，也可以直接对Excel进行操作，接口条件优良。此外，针对环保设计、环评等项目对图表文件的需求情况，可以直接输出文件编制所需的表格或统计数据，极大提高工作效率。铁路噪声预测软件数据存储如图5所示。