三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用研究

梁燕 王棟宇 徐朋 蔡銘

摘要虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以形象直觀的授課方式，將理論知識融于實(shí)踐之中，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，已逐漸成為當(dāng)下高校的一種重要教學(xué)模式。本文以三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用為例，闡述了三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義，以及三維交通噪聲地圖的定義與作用，并提出了相關(guān)教學(xué)方案與應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 三維交通噪聲地圖

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.017

Applications of Virtual Simulation of 3-dimensional Road Traffic Noise Maps in Experimental Teaching

LIANG Yan， WANG Dongyu， XU Peng， CAI Ming

（School of Intelligent Systems Engineering， Sun Yat-Sen University， Guangzhou， Guangdong 510275）

AbstractVirtual simulation experimental teaching uses visual and intuitive teaching methods to integrate theoretical knowledge into practice and helps to stimulate students’ interest in learning and enhance students’ innovative thinking. It has gradually become an important teaching mode in colleges and universities. Taking the application of virtual simulation of 3D road traffic noise maps as an example， this paper expounds the meaning of experimental teaching and the definition and function of 3D traffic noise maps and puts forward relevant teaching programs and application suggestions.

Keywordsvirtual simulation； experimental teaching； 3D road traffic noise maps

0引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)及電子信息技術(shù)有機(jī)地融合在一起的新型教學(xué)模式，[1]以其可視效果好、人機(jī)交互性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)了信息時代高等教育開放辦學(xué)的變革要求。[2]

在教育改革和新工科背景下，隨著大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能等技術(shù)的興起，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已無法滿足現(xiàn)有交通知識體系的發(fā)展，[3-4]適應(yīng)時代科技發(fā)展潮流的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要。本研究以虛擬仿真技術(shù)為支撐，立足于交通與環(huán)境相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“交通環(huán)境工程”課程教學(xué)實(shí)際需求，開展三維交通噪聲地圖教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅有效提升了教學(xué)質(zhì)量，推動了交通環(huán)境領(lǐng)域復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，也為其他課程開展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供參考。

1三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義

為適應(yīng)我國交通智能化、綠色化發(fā)展趨勢，我校交通工程專業(yè)課程體系除了開設(shè)“交通工程導(dǎo)論”“交通管理與控制”“交通流理論”等傳統(tǒng)核心課程外，還開設(shè)了“交通環(huán)境工程”課程，該課程的主要內(nèi)容為交通系統(tǒng)對大氣、噪聲、生態(tài)等環(huán)境要素的影響機(jī)理和主要的環(huán)境保護(hù)基本理論、方法與技術(shù)。為加深學(xué)生對理論知識的理解與應(yīng)用，我們還開設(shè)了“交通工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程，為“交通環(huán)境工程”課程的部分理論知識設(shè)計了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其中，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是針對“交通環(huán)境工程”課程中“道路交通噪聲與污染控制”章節(jié)的理論內(nèi)容，在“交通工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)共4個學(xué)時，分兩次上課。通過三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生交通環(huán)境保護(hù)意識，提升學(xué)生專業(yè)技術(shù)實(shí)踐能力。具體意義表現(xiàn)為：

形象生動，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式傳授三維交通噪聲地圖知識體系，讓原本晦澀難懂的三維交通噪聲復(fù)雜演化過程變得形象生動，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量水平，也有助于學(xué)生理解交通噪聲相關(guān)基本概念、交通噪聲污染的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，掌握城市道路交通噪聲排放與傳播的基本原理與規(guī)律，提高學(xué)生對交通噪聲環(huán)境質(zhì)量變化的識別力。進(jìn)一步地，可以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，迸發(fā)學(xué)習(xí)熱情，變被動式教學(xué)為主動式學(xué)習(xí)，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

系統(tǒng)全面，掌握噪聲評估分析工具。三維交通噪聲地圖涉及交通、環(huán)境、計算機(jī)、地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科的交叉，運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可將不同學(xué)科的知識成果關(guān)聯(lián)起來，形成系統(tǒng)知識體系，有助于消除學(xué)生學(xué)習(xí)斷面，達(dá)到對所學(xué)知識全面認(rèn)知、進(jìn)而融會貫通的層次。此外，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生初步了解ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件、交通噪聲虛擬仿真模型軟件等相關(guān)技術(shù)工具的使用方法；具體實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)踐運(yùn)用，有助于學(xué)生充分掌握并熟練運(yùn)用噪聲評估分析工具，培養(yǎng)學(xué)生分析交通噪聲污染問題的技能，增強(qiáng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)的意識。

安全便捷，不受現(xiàn)實(shí)交通場景拘束。由于城市道路交通噪聲復(fù)雜多變、對其實(shí)施實(shí)際評估的難度大且周期長、技術(shù)與數(shù)據(jù)融合不充分等因素，中等規(guī)模以上城市道路噪聲預(yù)測相關(guān)實(shí)驗(yàn)很難在真實(shí)交通場景中開展，而且學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中也會存在不確定的安全隱患。以地理信息系統(tǒng)和虛擬仿真噪聲地圖軟件為支撐，通過交互式平臺操作對城市道路交通噪聲進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可不受實(shí)驗(yàn)場地和噪聲測量設(shè)備等條件限制，實(shí)驗(yàn)操作簡單、便捷，更具可操作性和實(shí)踐性，還能有效解決教學(xué)場地和實(shí)操安全性等問題。

面向社會，著重培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新人才。隨著未來噪聲地圖在我國各城市聲環(huán)境建設(shè)中的普及和推廣，[5]社會對相關(guān)技術(shù)人才的需求將會越來越大，對高校噪聲防治研究方向的人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的要求也越來越高。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中自主組合交通實(shí)驗(yàn)場景和噪聲防治措施，逐步提高實(shí)踐動手能力；教師輔助引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，幫助提升學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計能力，為交通行業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才。

2三維交通噪聲地圖的定義與作用

2.1定義

噪聲地圖是通過噪聲源數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的收集與處理，利用聲學(xué)仿真模擬軟件進(jìn)行模型選擇、聲源轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)定，結(jié)合噪聲實(shí)際測量調(diào)研和校正工作，并進(jìn)行噪聲值分布情況可視化表達(dá)的地圖。[6]三維交通噪聲地圖則是指以道路交通噪聲為噪聲源，并實(shí)現(xiàn)噪聲分布結(jié)果三維可視化的噪聲地圖。

2.2作用

隨著城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動車保有量的增長，城市交通噪聲污染日益突出，交通噪聲擾民問題持續(xù)頻發(fā)，道路交通噪聲污染成為城市環(huán)境噪聲污染的主要來源之一。[7]交通噪聲因影響區(qū)域廣、時間久，易誘發(fā)群體事件等特點(diǎn)，已逐漸成為城市生活中“無形的暴力”。

通過道路交通噪聲模擬計算和噪聲結(jié)果可視化生成的三維交通噪聲地圖，可以全方位、直觀地反映城市交通噪聲三維分布情況，有效解決大區(qū)域交通噪聲監(jiān)測覆蓋面不全的問題，是真正意義上的區(qū)域噪聲評估技術(shù)手段。進(jìn)一步地，三維交通噪聲地圖可有效分析和評估城市交通噪聲污染狀況，篩選出交通噪聲污染黑點(diǎn)，可為噪聲污染防控與治理提供技術(shù)支撐，并為交通噪聲自動監(jiān)測設(shè)備選點(diǎn)提供參考，最終有助于居民寧靜社區(qū)的實(shí)現(xiàn)。

3三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計與應(yīng)用

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是使學(xué)生通過提前閱讀實(shí)驗(yàn)方案，基本掌握三維交通噪聲地圖的計算和渲染原理，然后在教師的現(xiàn)場指導(dǎo)下，通過ArcGIS軟件和城市道路交通噪聲虛擬仿真軟件，按照實(shí)驗(yàn)方案操作流程，最終實(shí)現(xiàn)城市道路三維交通噪聲地圖的繪制與展示。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的城市道路交通噪聲模擬軟件由本教研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，其功能模塊主要有讀取數(shù)據(jù)、計算噪聲、地圖渲染、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分布計算，以及測量工具、噪聲查詢、質(zhì)量評估、噪聲黑點(diǎn)和搜索查詢等更具展示性的模塊。教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，指導(dǎo)學(xué)生熟悉并運(yùn)用相關(guān)的功能控件板塊，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)要求，有助于提高教學(xué)的趣味性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計了理論、實(shí)踐到分析三個層次，具體分為基本原理、實(shí)驗(yàn)建模、數(shù)據(jù)分析三個教學(xué)模塊，如圖1所示。

第一模塊，夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識，傳授學(xué)生相關(guān)基本概念和實(shí)驗(yàn)原理，潛心研讀式完成學(xué)生對知識體系的構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及了聲學(xué)的基本知識、車輛噪聲、道路交通噪聲預(yù)測等知識點(diǎn)。首先，學(xué)生需要了解噪聲的定義、來源以及描述聲音特性的基本物理量，理解等效聲壓級是作為噪聲主觀評價、道路交通噪聲預(yù)測的重要方式。其次，學(xué)生要明白車輛行駛噪聲強(qiáng)度計算方式及影響因素，認(rèn)識到噪聲在傳播過程中會受到建筑物反射、地面、植被、空氣吸收等因素的影響，進(jìn)而領(lǐng)會大中小型車輛噪聲排放模型和噪聲傳播衰減模型的計算式形式。然后，學(xué)生應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到在道路交通噪聲預(yù)測計算中，涉及路網(wǎng)、建筑物、噪聲源等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及建筑物對噪聲存在復(fù)雜的反射、衍射作用，會導(dǎo)致噪聲計算復(fù)雜、緩慢等問題，因而需要進(jìn)行算法優(yōu)化。最終，學(xué)生還需要理解噪聲計算結(jié)果是以空間點(diǎn)陣的形式存儲的，點(diǎn)陣中每一個點(diǎn)都有表示噪聲級的屬性，為了估計空間中任意一點(diǎn)的噪聲級，因此需要使用克里金插值方法對離散點(diǎn)陣的噪聲級進(jìn)行插值，并且將噪聲級區(qū)間映射到一個顏色區(qū)間中，將單點(diǎn)噪聲形成相應(yīng)顏色并顯示在相應(yīng)的空間位置，從而渲染出噪聲地圖。

第二模塊，理論與實(shí)踐相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)多場景虛擬仿真建模，層層遞進(jìn)式加深學(xué)生對理論知識的理解。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及的知識點(diǎn)是道路交通噪聲預(yù)測、道路交通噪聲污染控制。學(xué)生通過改變“計算噪聲”模塊的參數(shù)，如車輛行駛速度、交通流量等，構(gòu)建“無降噪措施”“采取限速措施”“采取限行措施”“采取限速和限行措施”四個交通場景，并分別模擬計算出相應(yīng)的噪聲結(jié)果數(shù)據(jù)，并渲染成四幅噪聲地圖。此外，本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)允許學(xué)生開展創(chuàng)新性設(shè)計，自主思考、自行設(shè)置并計算出其他交通場景下的噪聲地圖。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有助于學(xué)生理解產(chǎn)生交通噪聲污染的機(jī)理和影響因素，了解控制道路交通噪聲污染的措施，掌握噪聲評估分析的技能，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

第三模塊，開展自主數(shù)據(jù)分析，提供學(xué)生建議但不限制發(fā)散性思維，多元開放式培養(yǎng)學(xué)生對研究的能動性。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及的知識點(diǎn)是噪聲的主觀評價及噪聲容許標(biāo)準(zhǔn)、聲環(huán)境質(zhì)量影響評價內(nèi)容和方法。學(xué)生需要先學(xué)習(xí)噪聲污染指數(shù)、噪聲污染度、交通噪聲沖擊指數(shù)等評價指標(biāo)和方法，再通過第二模塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)開展此模塊的數(shù)據(jù)分析工作，研究方向可以是區(qū)域噪聲水平、噪聲分布特點(diǎn)、降噪措施效果對比、噪聲暴露人群評估等。此外，還可以鼓勵學(xué)生自行查找相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參考，不規(guī)定和限制研究方向，讓學(xué)生能夠能動地開展實(shí)驗(yàn)研究和分析，并形成實(shí)驗(yàn)報告，有助于學(xué)生了解聲環(huán)境質(zhì)量影響評價的程序，掌握聲環(huán)境質(zhì)量影響評價技術(shù)與方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決環(huán)境問題的能力。

學(xué)生在虛擬仿真軟件設(shè)置的環(huán)境中開展交通噪聲計算和三維噪聲地圖繪制實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵步驟的操作：

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：城市道路交通噪聲模擬軟件（圖2）、聲圖計算目錄（“Atten”文件夾：存儲噪聲衰減項(xiàng)文件、“Config”：存儲計算所需的基礎(chǔ)參數(shù)文件、“Data”：存儲噪聲計算所需的原始數(shù)據(jù)、“Result”：存儲噪聲計算的結(jié)果文件）、路網(wǎng)的shapefile文件（該文件中的道路至少應(yīng)包含以下屬性：道路上大中小型車的車流量、速度，車道數(shù)，單車道寬度，路面材料等）、該路網(wǎng)中的建筑物shapefile文件（該文件中的建筑物至少包含以下屬性：建筑物高度、底面面積和輪廓）。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）選定研究區(qū)域；（2）路網(wǎng)圖層和建筑物圖層數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：在路網(wǎng)圖層中編輯交通流參數(shù)字段信息，在建筑物圖層中編輯層高參數(shù)字段信息；（3）噪聲地圖計算：啟動城市道路交通噪聲模擬軟件，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀取數(shù)據(jù)，計算噪聲；（4）噪聲地圖渲染：使用城市道路交通噪聲模擬軟件自帶的渲染功能渲染/使用Arc-GIS的渲染功能渲染（圖3）。

實(shí)驗(yàn)分析：撰寫實(shí)驗(yàn)報告，報告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)名稱、目的、過程、結(jié)果及分析總結(jié)。

4應(yīng)用建議

學(xué)生應(yīng)重視課前理論知識的預(yù)習(xí)，掌握相關(guān)基本概念和原理，夯實(shí)基礎(chǔ)知識，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)做鋪墊，循序漸進(jìn)、由淺入深地學(xué)習(xí)。

教師應(yīng)注重學(xué)生數(shù)學(xué)建模思維的培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生由現(xiàn)實(shí)物理世界總結(jié)推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，發(fā)掘聲音及其傳播特性和原理。

高校應(yīng)加大虛擬仿真平臺建設(shè)投入，調(diào)研學(xué)生的仿真實(shí)驗(yàn)基本需求，滿足不同課程的虛擬仿真平臺定制化需求。為支撐學(xué)生完成各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，爭取做到平臺功能控件多樣，操作簡便、直觀易懂。

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢明顯，不受場地和設(shè)備限制，但也不能完全忽視實(shí)地調(diào)研的重要性。三維交通噪聲地圖經(jīng)虛擬仿真平臺繪制后仍需采集部分噪聲實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖校驗(yàn)。通過虛擬仿真和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方式教學(xué)，更能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的動手能力。

5結(jié)語

綜上所述，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)立足于交通環(huán)境專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，設(shè)計了三個模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以求能更好地幫助學(xué)生理解抽象理論知識，充分調(diào)動學(xué)生的科研能動性，掌握交通噪聲污染防治的基本理論與方法，為交通與環(huán)境管理部門提供相應(yīng)的技術(shù)支撐和人才力量，推動社會可持續(xù)發(fā)展。*

通訊作者：蔡銘

基金項(xiàng)目：廣東省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目-中山大學(xué)交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

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