基于 Matlab 的鐵路環境噪聲預測軟件設計

常 亮

（中國鐵路設計集團有限公司 機械動力與環境工程設計研究院，天津 300251）

1 概述

一直以來，鐵路環境噪聲預測是評價建設項目對沿線敏感點噪聲影響程度的重要依據。由于鐵路沿線敏感點數量多，編制鐵路環境噪聲預測軟件能夠顯著提高噪聲預測計算與數據處理效率，并直觀展示預測結果。國內外鐵路噪聲預測及數據處理軟件的研究成果眾多[1-3]，常用的國外軟件主要有CadnaA和SoundPlan等環境噪聲預測軟件?，F行的商業軟件所采用的鐵路噪聲源強，特別是高速鐵路噪聲源強取值和預測方法與我國鐵路行業《鐵路建設項目環境影響評價噪聲源強取值和治理原則指導意見》(鐵計[2010] 44號)及其修改意見采用的預測方法并不完全一致。缺乏專業的噪聲軟件來解決實際工程中的噪聲預測問題，難以處理、統計、輸出大量的敏感點數據。因此，設計適合我國行業標準預測方法且數據處理效率高的鐵路環境噪聲預測軟件很有必要。

Matlab是較為常用的科學計算軟件，在數據處理、圖形繪制與處理方面具有優勢，提供了強大的圖形用戶(GUI)編程功能，可以進行噪聲預測、現場監測噪聲頻譜數據的FFT濾波、信號處理等。因此，選擇計算能力強、數據處理工具箱較多的Matlab軟件作為軟件開發的基礎語言[4-5]是適宜的。

2 軟件設計思路及功能

該軟件主要包括項目數據處理、前處理、預測計算、數據展示與輸出等主要功能。軟件的運行流程圖如圖1所示。

程序啟動后，首先搜索數據庫中已存儲的項目數據，并列表顯示供選擇；選擇項目后載入數據，讀取項目信息，依次進行項目預測條件的錄入修改、預測計算選項設置、預測計算、結果輸出、等聲級圖的繪制，完成工程項目的整個任務要求。

2.1 項目數據管理

噪聲預測軟件所能參與處理的項目類型主要包括環境保護設計、環境影響評價等，目前預測軟件涵蓋了此類項目的功能需求。項目數據文件存儲在軟件根目錄Projects文件夾下，項目數據存儲在“項目名+項目類型”的Excel文件中，軟件將項目置為當前。軟件啟動主界面及項目管理界面如圖2所示。

圖1 噪聲預測軟件流程圖

2.2 條件的錄入及前處理

噪聲預測軟件計算條件錄入包括線路信息、敏感點信息、監測結果、計算設置信息等內容，前處理模塊功能主要包括為敏感點布置計算點，自動確定噪聲執行標準，現狀監測結果的分析、處理及擬合等。噪聲預測軟件計算條件、前處理功能為噪聲預測提供必要的計算參數。

2.2.1 線路信息

線路信息主要包括線路名稱、軌道結構尺寸、線路性質軌道條件及線路運行的列車信息等。每條線路包含多種列車的信息，而每類列車的信息主要包括列車類型、列車長度、列車軸重、列車輻射噪聲的等效頻率、列車速度、列車對數等。

2.2.2 敏感點信息

敏感點信息主要包括敏感點名稱、敏感點里程位置、敏感點布點信息、敏感點建筑物情況、房屋分布及與線路的關系等信息。每個敏感點根據設計、環評工作的不同工作深度確定布點規則，建立若干測點，每個測點是進行噪聲預測計算的基本單元。敏感點、線路信息錄入界面如圖3所示。

2.2.3 前處理功能模塊

圖2 軟件啟動主界面及項目管理

前處理功能模塊主要包括測點布置、標準確定、現狀結果的分析處理。測點布置功能是將得到的敏感點信息與布點規則相結合，自動布置噪聲測點進行噪聲預測計算。標準確定功能將敏感點所處的噪聲功能區與測點所在的位置綜合考慮，得出某一測點具體的噪聲執行標準?，F狀噪聲監測數據處理是將現場監測的、有代表性的敏感點數據錄入預測程序中，通過現狀數據分析模塊得到現狀噪聲的水平評價，對于大量無監測覆蓋的敏感點，自動選取類比點，類比得到現狀結果。

圖3 敏感點、線路信息的錄入

2.3 計算模塊及繪圖算法設計

計算模塊主要功能為根據給定的測點信息、線路信息，計算敏感點的噪聲預測結果，計算每條線路對測點的貢獻值及疊加后的總預測值，并進行統計結果參數的賦值，以得出大數據量敏感點的統計結果。

綜合考慮鐵路行業噪聲預測普遍采用的預測方法[6-7]，及“關于印發《鐵路建設項目環境影響評價噪聲源強取值和治理原則指導意見(2010年修訂稿)》的通知”(鐵計[2010] 44號)等，軟件采用的鐵路噪聲預測等效聲級(LAeq，p)的基本預測計算如公式(1)所示。

式中：T為規定的評價時間，s；ni為T時間內通過的第i類列車列數，列；teq,i為 第i類列車通過的等效時間，s；Lp0,t,i為第i類列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強，dB；Ct,i為第i類列車的噪聲修正項，dB。

預測點晝間或夜間的環境噪聲預測公式為

式中： LAeq,環境為預測點晝間或夜間的環境噪聲預測值，dB(A)；LAeq,p為預測點晝間或夜間的鐵路噪聲預測值，dB(A)；LAeq,背景為預測點的環境噪聲背景值，dB(A)。

軟件可以繪制不同測點高度下環境噪聲的等聲級平面圖，以及垂直于線路方向的等聲級橫斷面圖，并能將所繪制的圖形導出。鐵路噪聲預測軟件繪制的等聲級圖如圖4所示。

圖4 鐵路噪聲預測軟件的繪圖功能

圖5 鐵路噪聲預測軟件數據存儲

2.4 文件、圖表的輸入輸出

鐵路噪聲預測軟件能夠將項目信息及設置選項信息存儲到項目文件中，以Excel格式進行存儲。用戶既可以在預測程序界面中對數據進行修改，也可以直接對Excel進行操作，接口條件優良。此外，針對環保設計、環評等項目對圖表文件的需求情況，可以直接輸出文件編制所需的表格或統計數據，極大提高工作效率。鐵路噪聲預測軟件數據存儲如圖5所示。

3 結束語

基于面向對象的編程思想，利用Matlab編程語言設計編制的噪聲預測軟件，具有良好的圖形用戶界面，并能夠對數量巨大的敏感點進行批量錄入、存儲、計算、統計、輸出，可以繪制噪聲相關等聲級圖等圖件，可以應用于我國鐵路噪聲預測領域。