何財(cái)松，劉蘭華，潘永琛，譚 輝

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加,呈現(xiàn)出運(yùn)行速度多樣化、運(yùn)營(yíng)動(dòng)車(chē)組譜系化趨勢(shì)[1-2]。截至2020年底,我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3.8萬(wàn)公里[3],涵蓋200 km/h、250 km/h、300 km/h和350 km/h 4個(gè)速度等級(jí),動(dòng)車(chē)組數(shù)量達(dá)到3 918標(biāo)準(zhǔn)組,動(dòng)車(chē)組種類(lèi)包括引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新三代十幾種類(lèi)型。不同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組源強(qiáng)噪聲差別大,甚至同一列動(dòng)車(chē)組在服役期不同時(shí)間的噪聲差別也較顯著。為了研究服役期不同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲水平,以及同一列動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲隨服役期的變化情況,需要獲得連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間序列的大樣本量噪聲數(shù)據(jù)。

既有的鐵路噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了采用便攜式聲級(jí)計(jì)測(cè)量列車(chē)通過(guò)聲級(jí)的初始階段[4],采用多通道數(shù)據(jù)采集儀的發(fā)展階段,以及正在經(jīng)歷的采用噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的擴(kuò)展和完善階段。在初始階段,需要人工干預(yù)測(cè)試,數(shù)據(jù)隨機(jī)性高、可對(duì)比性弱；在發(fā)展階段,雖然能夠準(zhǔn)確獲取每一列動(dòng)車(chē)組的噪聲數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)采集和處理需要耗費(fèi)大量的人力物力,勞動(dòng)強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)性低,難以獲取大樣本量數(shù)據(jù)；噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),不僅能夠獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),而且運(yùn)營(yíng)成本低,為統(tǒng)計(jì)學(xué)分析提供了可能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

既有的噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中[5-8],如城市區(qū)域聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)、道路交通噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)及機(jī)場(chǎng)噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)[9-10]。在環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用中,監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在固定點(diǎn)位,獲取逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè),不僅要考慮噪聲數(shù)據(jù)的采集處理、氣象條件的影響[11-13],而且還要獲取高速動(dòng)車(chē)組的車(chē)速、車(chē)組號(hào),以及精確的列車(chē)通過(guò)噪聲及其頻譜值。既有的環(huán)境噪聲測(cè)試設(shè)備,無(wú)論是從硬件還是軟件系統(tǒng),均無(wú)法滿足高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求,特別是無(wú)法針對(duì)每一列通過(guò)列車(chē)進(jìn)行噪聲、車(chē)速、車(chē)號(hào)、氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理。因此,基于既有噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)和高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)需求,開(kāi)發(fā)了高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析處理、傳輸?shù)忍幚砉δ?以及數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析、預(yù)警、展示、下載等管理功能,該系統(tǒng)分為前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.2 測(cè)試方案

在我國(guó)某高速鐵路橋梁區(qū)段搭建了高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)上線運(yùn)行后即開(kāi)展24 h列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)。前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝如下：在距離近側(cè)線路中心線7.5 m處安裝測(cè)試桿和測(cè)試機(jī)柜,測(cè)試桿上安裝車(chē)號(hào)識(shí)別儀、激光傳感器、氣象傳感器,上述設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)線纜與機(jī)柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備相連,數(shù)據(jù)采集處理和傳輸設(shè)備安裝在測(cè)試機(jī)柜內(nèi)；在距離近側(cè)線路中心線25 m處搭建測(cè)試塔,測(cè)試塔上安裝噪聲傳感器、全景網(wǎng)絡(luò)攝像頭和太陽(yáng)能電池板,通過(guò)線纜與數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備連接。

噪聲測(cè)試區(qū)段線路工況如下：橋梁路段、簡(jiǎn)支箱梁、無(wú)砟軌道、線間距5 m、橋梁高5.2 m；線路設(shè)計(jì)速度為350 km/h,最高運(yùn)行速度為310 km/h,通過(guò)該測(cè)試區(qū)段的動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行速度介于250~310 km/h之間。該線主要運(yùn)營(yíng)動(dòng)車(chē)組類(lèi)型包括CR1、CR1L(L代

圖2 列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文利用的數(shù)據(jù)來(lái)源于高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為6個(gè)月,共獲得了上萬(wàn)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為了排除環(huán)境因素對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的影響,篩選出了氣象條件良好(晴天、微風(fēng))的3 911組數(shù)據(jù),開(kāi)展了列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

通過(guò)對(duì)大樣本量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,可以得到動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。研究采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)包括最大值、最小值、極差、平均數(shù)、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、概率分布等。最大值、最小值及極差3個(gè)參數(shù)反映了數(shù)據(jù)變化范圍；平均值反映了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行輻射噪聲的平均水平；中位數(shù)將數(shù)值集合劃分為相等的上下2個(gè)部分,反映了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中間水平；標(biāo)準(zhǔn)差反映數(shù)據(jù)的離散程度,標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明數(shù)據(jù)越集中,標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明數(shù)據(jù)越分散；概率分布反映了樣本數(shù)據(jù)分布情況,即樣本數(shù)據(jù)在某個(gè)范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻繁程度。

2 結(jié)果分析

2.1 列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲水平

經(jīng)統(tǒng)計(jì),所分析的3 911組數(shù)據(jù)中,運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到300 km/h的數(shù)據(jù)共計(jì)1 717組,約占總數(shù)據(jù)的44%。表1給出了時(shí)速300 km各車(chē)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,包括車(chē)型、樣本數(shù)、最大值、最小值、極差、平均值、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差,圖3給出了各車(chē)型動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),其列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲的平均值和中位數(shù)。

表1 時(shí)速300 km動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲統(tǒng)計(jì)

圖3 各車(chē)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲平均值及中位數(shù)

由表1及圖3可知,當(dāng)高速動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)：①樣本數(shù)量充足時(shí),各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲平均值及中位數(shù)基本一致,說(shuō)明數(shù)據(jù)分布集中,離散程度低；②同類(lèi)型車(chē)短編組和長(zhǎng)編組數(shù)據(jù)的平均值基本一致,說(shuō)明同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲基本不受編組情況影響；③因高速動(dòng)車(chē)組車(chē)外噪聲主要由輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲和集電系統(tǒng)噪聲構(gòu)成,而同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)噪聲和集電系統(tǒng)噪聲基本一致,引起數(shù)據(jù)差異的主要原因是服役期輪軌狀態(tài)變化所致,監(jiān)測(cè)得到的動(dòng)車(chē)組輪軌狀態(tài)對(duì)列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲最大影響范圍可達(dá)4.4~5.1 dB(A)。

2.2 噪聲數(shù)據(jù)離散度

平均數(shù)只能反映樣本數(shù)據(jù)的平均水平,不能反映數(shù)據(jù)的離散程度和分布情況,而標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)的離散程度,概率分布可以反映樣本數(shù)據(jù)的分布情況。為得到各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲集中分布范圍,以步長(zhǎng)1 dB(A)對(duì)噪聲數(shù)據(jù)分布概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)概率分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表2)。

表2 各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲分布百分比 %

當(dāng)高速動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),除了CR3動(dòng)車(chē)組統(tǒng)計(jì)樣本過(guò)少導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)差大于1以外,其余各車(chē)型標(biāo)準(zhǔn)差均小于1(見(jiàn)表1),說(shuō)明各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲分布較為集中,離散程度較小。根據(jù)表2,CR1、CR1L、CR4和CR5動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲主要分布在(X+8)～(X+10）區(qū)間,CR2和CR2L主要分布在(X+9)～(X+11)區(qū)間。

2.3 噪聲隨速度變化規(guī)律

國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明,列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲與列車(chē)運(yùn)行速度正相關(guān)[14-15],并且呈對(duì)數(shù)正相關(guān),其關(guān)系模型見(jiàn)公式（1）,其中輪軌噪聲與列車(chē)運(yùn)行速度的增長(zhǎng)系數(shù)約為20~40,氣動(dòng)噪聲與列車(chē)運(yùn)行速度的增長(zhǎng)系數(shù)約為60~80。

式中：Lv為速度V時(shí)的等效聲級(jí),dB(A)；K為聲級(jí)隨速度的增長(zhǎng)系數(shù)；V為列車(chē)運(yùn)行速度,km/h；V0為參考列車(chē)運(yùn)行速度,km/h；Lv0為參考速度V0時(shí)等效聲級(jí),dB(A)。

本文對(duì)動(dòng)車(chē)組速度由250 km/h提高到300 km/h的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合,CR1、CR1L、CR2、CR2L、CR4和CR5型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲與運(yùn)行速度的增長(zhǎng)系數(shù)分別為43.5、37.2、43.0、40.0、40.5和42.3。部分動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲隨速度的變化關(guān)系如圖4所示。

各型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行速度在250~300 km/h時(shí),車(chē)外輻射噪聲隨速度變化規(guī)律基本一致(見(jiàn)圖4),其增長(zhǎng)系數(shù)范圍為37~44,表明動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度在250~300 km/h區(qū)間時(shí),輪軌噪聲仍然為列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲主要噪聲源。

圖4 列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲隨速度變化關(guān)系

3 結(jié)論

利用高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),獲得了連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間序列大樣本量數(shù)據(jù),為動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲開(kāi)展統(tǒng)計(jì)學(xué)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用服役期動(dòng)車(chē)組運(yùn)行輻射噪聲數(shù)據(jù)開(kāi)展統(tǒng)計(jì)學(xué)研究,結(jié)論如下。

（1）當(dāng)高速動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),在樣本數(shù)量充足的情況下,各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲平均值及中位數(shù)基本一致；同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組短編組和長(zhǎng)編組數(shù)據(jù)的平均值基本一致,說(shuō)明同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲基本不受編組情況影響。

（2）當(dāng)高速動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),同速度級(jí)工況下影響同類(lèi)型動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲差異的主要原因是服役期輪軌狀態(tài),最大影響程度可達(dá)4.4~5.1 dB(A)。

（3）當(dāng)高速動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),除了CR3動(dòng)車(chē)組統(tǒng)計(jì)樣本過(guò)少導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)差大于1以外,其余各車(chē)型標(biāo)準(zhǔn)差均小于1,說(shuō)明各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲分布較為集中,離散程度較小。

（4）動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度在250~300 km/h時(shí),各車(chē)型列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲隨速度變化規(guī)律基本一致,輪軌噪聲仍然為動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲主要噪聲源。