本发明涉及数字孪生、物联网和计算机建模技术领域，更具体地，涉及一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法。本发明将数字孪生技术与噪音环境监测方法相结合，通过噪音检测传感器将车厢内部物理空间的噪音进行实时的、连续的监测；采用的计算机仿真可视化方法，将列车车厢内部物理空间的噪音分布直观地显示为可视三维图形，并支持连续的空间变化和时间变化的动态描述，有利于工程开发人员直观的理解和感受；通过数字孪生计算模型，将物理空间信息完整地影射为赛博空间信息，在计算机系统内建立基于数字孪生的预测模型，有效地预测在物理空间中的真实情况，可有效支撑列车车厢的工程实现和噪音仿真实验。
1.一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将列车车厢空间内的物理模型影射为赛博空间的信息模型，将连续的物理空间离散化为赛博空间的点和三维网格，形成物理空间影射的空间划分模型，同时采用传感器感知车厢内部的噪音分析数据，将其映射到赛博空间模型中；步骤S1具体包括：S11.对列车车厢进行几何三维建模，采用三维CAD软件将物理空间中的列车车厢转化到计算机系统中的三维图形信息，并采用Delaunay剖分方法将列车的车厢空间划分为三维网格模型；
S12.将三维几何网格数据序列化：假设一个网格由N个三角形组成，则最终一个网格表示为N×12的矩阵；对于每一个网格，它的12维特征分别为三角形三个顶点的三维坐标共9维，再加上每个三角形构成的面的法向量，表示为下面这种格式：式中，{x1,y1,z1|x2,y2,z2|x3，y3，z3}为三个顶点的三维坐标，{n1,n2,n3}是其法向量；
S2.在列车车厢内部，利用噪音传感器获取列车车厢环境的噪音分布；
S3.列车车厢内部空间的三维描述模型建立起来后，对声场仿真可视化系统仿真和可视化描述；
S4.设置物理空间模型的噪音传播边界条件，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置的边界条件，分别建立噪音在车厢中的传播模型和干涉模型，根据模型计算结果得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布图，使用可视化技术进行预测结果的展示。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，车厢内部的噪音传感器的分布方式为离散分布，采用插值或者拟合的方法，对各个传感器之间的空间噪音强度进行估算，从而得到整个车厢内部的完整的噪音分布情况。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括：
S31.将物理空间的噪音分布影射到赛博空间中，并对空间位置进行一一对应，由此获得三维空间中的噪音分布模型；噪音数据按照时间序列T组成时序数据，即形成连续时间段内噪音变化监测数据；
S32.将物理空间采集的噪音数值进行归一化处理，使得归一化后声源的振动幅值在[‑
S33.采用计算机可视化的方法，建立三维空间噪音的分布及传播可视化模型。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，时间采样点之间的噪音采用插值或拟合的方法得到；或，采用声音传播方程计算出时间采样点之间的噪音变化情况。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，在所述的步骤S33中，采用树状层级结构描述物理空间对象的关系，包括空间关系、组合关系。
6.根据权利要求3所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，在所述的步骤S33中，采用颜色影射可视化的方法获得直观的空间噪音分布。
7.根据权利要求3所述的基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括：
S41.假设噪音传播是一种球面波，根据波动方程和车厢的几何特征，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置物理空间模型的噪音传播边界条件；
S42.建立噪音在车厢中的传播模型和叠加模型：假设噪音传播是一种球面波，基于简谐声波的点声源声音方程为：式中，P表示声压，S和R分别表示声源点和接收点的坐标，与距离l成反比；其中ω＝2πf，f表示声波振动频率；
当两个或多个噪音在传播中发生球面波碰撞，声音能量发生叠加，采用能量叠加方程：式中，p1和p2是噪音的功率，t是时间；
S43.根据噪音传播模型和能量叠加模型，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况，建立预测车厢噪音环境的变化的实时计算模型；
S44.利用步骤S3中的可视化技术，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况结果的可视化表达和交互。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述的存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及数字孪生、物联网和计算机建模技术领域，更具体地，涉及一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法。
背景技术
[0002] 噪音是铁路沿线较为严重的环境污染，由于列车高速运行带来的各类噪音，影响了沿线群众的日常生活。严重的噪音污染不但严重影响乘坐的舒适性，也会伤害视觉神经，
产生失眠、神经衰弱、血压不稳等一系列不良生理症状，可能还会产生心理压力、易于情绪
烦躁、反应迟钝等。为了降低噪音对乘客的生理和心理影响，可以采用降噪的方式进行，降
噪可以分为被动降噪和主动降噪两种形式，其中被动降噪主要采用更多、更好的隔音材料
或吸音材料对车厢内部空间进行改良，主动降噪可以采用干扰噪音的形式进行。
[0003] 目前，主要采用采样实验的方法对列车车厢内部物理空间的噪音进行采集分析，不能实现连续的噪音监测，而通过采样数据建模获得的噪音数据难于对噪音环境精准预
测。传统的方法难于建立可视化的计算机仿真模型，抽象的形式化表达方式使得工程人员
难于直观观察和理解车厢内部空间的噪音分布及变化。在工程人员调整车厢的设计、工艺
和材料后，需要对内部空间的噪音分布重新进行采样实验，以获取新的数据。不但成本高
昂，而且难于实现快速开发。
[0004] 数字孪生技术是计算机实时系统的关键技术。数字孪生是指针对物理实体空间中的真实物体属性，如几何属性、物理属性、行为规则等方面，在计算机系统的赛博空间中构
建的虚拟化模型，并将物理空间和赛博空间中的系统建立一一对应的虚实映射关系。
发明内容
[0005] 本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，包括以下步骤：
[0007] S1.将列车车厢空间内的物理模型影射为赛博空间的信息模型，将连续的物理空间离散化为赛博空间的点和三维网格，形成物理空间影射的空间划分模型，同时采用传感
器感知车厢内部的噪音分析数据，将其映射到赛博空间模型中；
[0008] S2.在列车车厢内部，利用噪音传感器获取列车车厢环境的噪音分布；
[0009] S3.列车车厢内部空间的三维描述模型建立起来后，对声场仿真可视化系统仿真和可视化描述；
[0010] S4.设置物理空间模型的噪音传播边界条件，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置的边界条件，分别建立噪音在车厢中的传播模型
和干涉模型，根据模型计算结果得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布图，使用可
视化技术进行预测结果的展示。
[0011] 进一步的，所述的步骤S1具体包括：
[0012] S11.对列车车厢进行几何三维建模，采用三维CAD软件将物理空间中的列车车厢转化到计算机系统中的三维图形信息，并采用Delaunay剖分方法将列车的车厢空间划分为
三维网格模型；
[0013] S12.将三维几何网格数据序列化：假设一个网格由N个三角形组成，则最终一个网格表示为N×12的矩阵；对于每一个网格，它的12维特征分别为三角形三个顶点的三维坐标
共9维，再加上每个三角形构成的面的法向量，表示为下面这种格式：
[0014]
[0015] 式中，{x1，y1,z1|x2,y2,z2|x3,y3,z3}为三个顶点的三维坐标，{n1,n2,n3}是其法向量。
[0016] 进一步的，车厢内部的噪音传感器的分布方式为离散分布，采用插值或者拟合的方法，对各个传感器之间的空间噪音强度进行估算，从而得到整个车厢内部的完整的噪音
分布情况。
[0017] 进一步的，所述的步骤S3具体包括：
[0018] S31.将物理空间的噪音分布影射到赛博空间中，并对空间位置进行一一对应，由此获得三维空间中的噪音分布模型；噪音数据按照时间序列T组成时序数据，即形成连续时
间段内噪音变化监测数据；
[0019] S32.将物理空间采集的噪音数值进行归一化处理，使得归一化后声源的振动幅值在[‑1,1]之间，便于后续的可视化处理；
[0020] S33.采用计算机可视化的方法，建立三维空间噪音的分布及传播可视化模型。
[0021] 进一步的，时间采样点之间的噪音采用插值或拟合的方法得到；或，采用声音传播方程计算出时间采样点之间的噪音变化情况。
[0022] 进一步的，在所述的步骤S33中，采用树状层级结构描述物理空间对象的关系，包括空间关系、组合关系。
[0023] 进一步的，在所述的步骤S33中，采用颜色影射可视化的方法获得直观的空间噪音分布。
[0024] 进一步的，所述的步骤S4具体包括：
[0025] S41.假设噪音传播是一种球面波，根据波动方程和车厢的几何特征，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置物理空间模型的噪音传
播边界条件；
[0026] S42.建立噪音在车厢中的传播模型和叠加模型：
[0027] 假设噪音传播是一种球面波，基于简谐声波的点声源声音方程为：
[0028]
[0029] 式中，P表示声压，S和R分别表示声源点和接收点的坐标，与距离l成反比；其中ω＝2πf，f表示声波振动频率；
[0030] 当两个或多个噪音在传播中发生球面波碰撞，声音能量发生叠加，采用能量叠加方程：
[0031]
[0032] 式中，p1和p2是噪音的功率，t是时间；
[0033] 最后计算球面波碰撞后的能量叠加值；
[0034] S43.根据噪音传播模型和能量叠加模型，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况，建立预测车厢噪音环境的变化的实时计算模型；
[0035] S44.利用步骤S3中的可视化技术，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况结果的可视化表达和交互。
[0036] 本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述的存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现以上所述方法的步骤。
[0037] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现以上所述方法的步骤。
[0038] 与现有技术相比，有益效果是：
[0039] 1、本发明将数字孪生技术与噪音环境监测方法相结合，通过噪音检测传感器将车厢内部物理空间的噪音进行实时的、连续的监测；同时还可以将噪音数据和物理空间的其
他数据，如列车时速、风速、坡度、弯度、温度等信息相融合，建立融合的噪音模型；
[0040] 2、本发明将列车车厢内部物理空间的噪音分布直观地显示为可视的计算机三维图形，并支持连续的空间变化和时间变化的动态描述，能够快速的反映时间和空间变化，有
利于工程开发人员直观的理解和感受，为工程设计及车厢内部的舒适性分析提供有力的支
撑，并可以将该技术拓展到其他封闭空间环境内的噪音描述中；
[0041] 3、本发明通过数字孪生计算模型，将物理空间信息完整地影射为赛博空间信息，在计算机系统内建立基于数字孪生的噪音传播和噪音叠加的预测模型，有效地预测在物理
空间中的真实情况，可有效支撑列车车厢的工程实现和噪音仿真实验。
附图说明
[0042] 图1是本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
[0043] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，
附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性
说明，不能理解为对本发明的限制。
[0044] 如图1所示，一种基于数字孪生的列车车厢噪音环境建模方法，包括以下步骤：
[0045] 步骤1.将列车车厢空间内的物理模型影射为赛博空间的信息模型，将连续的物理空间离散化为赛博空间的点和三维网格，形成物理空间影射的空间划分模型，同时采用传
感器感知车厢内部的噪音分析数据，将其映射到赛博空间模型中。
[0046] S11.对列车车厢进行几何三维建模，采用三维CAD软件将物理空间中的列车车厢转化到计算机系统中的三维图形信息，并采用Delaunay剖分方法将列车的车厢空间划分为
三维网格模型；
[0047] S12.将三维几何网格数据序列化：假设一个网格由N个三角形组成，则最终一个网格表示为N×12的矩阵；对于每一个网格，它的12维特征分别为三角形三个顶点的三维坐标
共9维，再加上每个三角形构成的面的法向量，表示为下面这种格式：
[0048]
[0049] 式中，{x1,y1,z1|x2,y2,z2|x3,y3,z3}为三个顶点的三维坐标，{n1,n2,n3}是其法向量。
[0050] 步骤2.在列车车厢内部，利用噪音传感器获取列车车厢环境的噪音分布。车厢内部的噪音传感器的分布方式为离散分布，采用插值或者拟合的方法，对各个传感器之间的
空间噪音强度进行估算，从而得到整个车厢内部的完整的噪音分布情况。
[0051] 步骤3.列车车厢内部空间的三维描述模型建立起来后，对声场仿真可视化系统仿真和可视化描述。
[0052] S31.将物理空间的噪音分布影射到赛博空间中，并对空间位置进行一一对应，由此获得三维空间中的噪音分布模型；噪音数据按照时间序列T组成时序数据，即形成连续时
间段内噪音变化监测数据；时间采样点之间的噪音采用插值或拟合的方法得到；或，采用声
音传播方程计算出时间采样点之间的噪音变化情况；
[0053] S32.将物理空间采集的噪音数值进行归一化处理，使得归一化后声源的振动幅值在[‑1,1]之间，便于后续的可视化处理；
[0054] S33.采用计算机可视化的方法，建立三维空间噪音的分布及传播可视化模型。利用树状层级结构描述物理空间对象的关系，比如空间关系、组合关系等；采用颜色影射可视
化的方法获得直观的空间噪音分布。
[0055] 步骤4.设置物理空间模型的噪音传播边界条件，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置的边界条件，分别建立噪音在车厢中的传播模
型和干涉模型，根据模型计算结果得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布图，使用
可视化技术进行预测结果的展示。
[0056] S41.假设噪音传播是一种球面波，根据波动方程和车厢的几何特征，根据步骤S1中的三维网格划分结果和物理空间中根据声音传播物理特性设置物理空间模型的噪音传
播边界条件；
[0057] S42.建立噪音在车厢中的传播模型和叠加模型：
[0058] 假设噪音传播是一种球面波，基于简谐声波的点声源声音方程为：
[0059]
[0060] 式中，P表示声压，S和R分别表示声源点和接收点的坐标，与距离l成反比；其中ω＝2πf，f表示声波振动频率；
[0061] 当两个或多个噪音在传播中发生球面波碰撞，声音能量发生叠加，采用能量叠加方程：
[0062]
[0063] 式中，p1和p2是噪音的功率，t是时间；
[0064] 最后计算球面波碰撞后的能量叠加值；
[0065] S43.根据噪音传播模型和能量叠加模型，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况，建立预测车厢噪音环境的变化的实时计算模型；
[0066] S44.利用步骤S3中的可视化技术，得到噪音的预测分布图和噪音干涉的预测分布情况结果的可视化表达和交互。
[0067] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0068] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本
发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。
