基于噪声模拟预测模型的声屏障计算机辅助设计方法与流程

本发明属于计算机辅助设计及噪声模拟，具体为基于噪声模拟预测模型的声屏障计算机辅助设计方法。

背景技术：

1、现有声屏障计算机辅助设计通常先建立道路、声源、地形、受声点及声屏障的参数化场景，再按照声传播距离、遮挡关系、边缘绕射、界面反射和地面衰减等规则计算各受声点的频带声级。为减少逐方案高精度仿真的计算量，常见做法是从预设参数范围内抽取若干声屏障设计状态，利用数值声学计算结果构成训练样本，建立由声源参数、环境参数、声屏障参数和受声点参数至预测声级的映射模型。设计阶段通过网格搜索、启发式搜索或梯度迭代生成候选参数，将候选参数输入预测模型获得噪声评价结果，再依据受声点声级限值调整屏障位置、高度或其他可设计参数。部分方案还在预测误差较大时补充整场仿真样本，并对预测模型重新训练，使计算机辅助设计过程在有限计算资源下完成多轮方案筛选。

2、噪声预测模型通常将完整设计场景作为整体输入，并直接输出受声点合成声级，未对直达、绕射、反射及地面传播等不同路径的贡献进行分解。当声屏障参数变化使某一传播路径由可见转为遮挡、使绕射边界发生替换，或使反射路径新增、消失时，声传播关系会发生拓扑切换，原有连续映射在切换边界附近容易产生局部失真。由于模型无法确定误差对应的具体传播路径和传播机制，补充样本时只能扩大整场仿真范围，参数优化时仍可能依据失真的声级变化关系更新设计参数。即使增加训练样本，若样本未覆盖具体的拓扑切换邻域，整体映射仍不能建立切换前后传播路径与声级变化之间的对应关系，预测误差便会沿设计迭代过程累积，使候选方案在路径拓扑变化区域的评价顺序和参数更新方向缺乏稳定依据，难以保证计算机辅助设计结果与实际传播状态一致。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于噪声模拟预测模型的声屏障计算机辅助设计方法，可以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、基于噪声模拟预测模型的声屏障计算机辅助设计方法，包括：获取声源参数、受声点参数、地形边界、声学介质参数及声屏障可设计参数，建立参数化设计场景；

4、根据声源至受声点之间的可见关系、遮挡边界及传播界面生成声传播路径图；

5、将所述声传播路径图输入噪声模拟预测模型，获得各传播路径的频带贡献量及受声点合成声级；

6、依据路径衰减约束、绕射过渡约束及多路径合成约束计算机理残差，确定残差集中的目标传播路径；

7、针对所述目标传播路径调用高精度噪声模拟生成局部校正样本并更新残差补偿函数；

8、将校正后的频带贡献量映射至所述声屏障可设计参数并执行参数更新；

9、在检测到传播路径拓扑变化时重构所述声传播路径图及残差补偿函数，输出满足噪声约束的声屏障设计方案。

10、优选的，生成所述声传播路径图包括：以声源、受声点、声屏障绕射边界及传播界面作为路径节点，按照声源与受声点之间的空间连通次序建立候选节点序列；

11、对相邻路径节点执行可见性判定和界面相交判定，删除穿越不可传播区域或不满足传播次序的候选边；

12、依据直达、遮挡绕射、界面反射及地面传播机制为保留的候选边配置传播类型标识，并记录路径长度、入射方向、出射方向、遮挡裕量及频带介质属性；

13、将具有相同节点序列和传播类型序列的候选路径合并为传播路径，按照所述传播路径与所述受声点的对应关系构建有向图数据，形成供所述噪声模拟预测模型读取的声传播路径图。

14、优选的，所述计算机理残差包括：针对每一传播路径，将所述噪声模拟预测模型输出的频带贡献量与依据路径长度和频带介质属性确定的衰减基准进行比较，获得路径衰减残差；

15、对所述声屏障可设计参数的相邻扰动状态下具有相同传播类型序列的传播路径进行配对，依据配对路径在遮挡裕量变化过程中的频带贡献量连续关系获得绕射过渡残差；

16、将各传播路径的频带贡献量合成结果与受声点合成声级进行一致性校验，获得多路径合成残差；

17、按照所述传播路径、频带及受声点索引组合所述路径衰减残差、所述绕射过渡残差和所述多路径合成残差，并根据残差在相邻路径节点之间的关联程度确定所述目标传播路径。

18、优选的，生成所述局部校正样本并更新残差补偿函数包括：锁定所述目标传播路径以外的传播路径状态，对与所述目标传播路径关联的声屏障可设计参数施加保持路径拓扑不变的局部扰动，形成局部设计状态；

19、分别对所述局部设计状态执行噪声模拟预测模型计算和高精度噪声模拟计算，按照相同传播路径、频带及受声点索引建立预测结果配对；

20、根据配对结果的差值、路径长度变化、遮挡裕量变化和传播界面关系构建局部校正样本；

21、利用所述局部校正样本更新以传播路径状态为输入、以频带贡献量补偿值为输出的残差补偿函数，并将更新后的补偿值叠加至对应传播路径的频带贡献量。

22、优选的，检测所述传播路径拓扑变化包括：在所述声屏障可设计参数更新前后，分别提取各传播路径的节点序列、传播类型序列、界面相交次序及遮挡裕量符号，生成更新前路径签名和更新后路径签名；

23、对所述更新前路径签名与更新后路径签名进行匹配，识别传播路径的新增、消失、节点替换、传播类型切换及界面次序改变；

24、依据匹配结果将所述声传播路径图划分为保持拓扑一致的公共子图和发生拓扑变化的差异子图；

25、保留所述公共子图中传播路径对应的残差补偿函数及所述局部校正样本，重新生成所述差异子图的路径节点、候选边和传播类型标识，并为重新生成的传播路径建立独立的残差索引。

26、优选的，针对所述目标传播路径调用高精度噪声模拟包括：根据机理残差幅值、所述目标传播路径对受声点合成声级的贡献比例以及关联所述声屏障可设计参数的局部敏感度，对所述目标传播路径进行联合排序；

27、针对排序结果选取的目标传播路径，在保持所述公共子图不变的参数区间内生成相互独立的局部扰动组合；

28、对各局部扰动组合预先计算路径签名，仅将所述路径签名与所述目标传播路径一致的组合提交高精度噪声模拟；

29、当所述局部扰动组合对应的路径签名发生变化时，根据路径签名变化前后的参数状态确定拓扑变化区间，将所述拓扑变化区间划分为不同路径状态的采样区间，并分别生成局部校正样本。

30、优选的，更新所述残差补偿函数还包括：根据所述局部校正样本对应的路径签名，将具有相同传播类型序列的样本划入路径公共样本集，将具有相同节点邻接关系和界面相交次序的样本划入路径局部样本集；

31、分别从所述路径公共样本集提取频带残差随路径长度和传播类型变化的公共残差分量，从所述路径局部样本集提取频带残差随遮挡裕量和界面关系变化的局部残差分量；

32、按照所述目标传播路径在路径状态空间中的样本覆盖密度，对所述公共残差分量和所述局部残差分量进行加权组合；

33、对组合后的补偿值施加相邻频带连续约束和同一受声点的路径能量合成约束，得到更新后的残差补偿函数。

34、优选的，将校正后的频带贡献量映射至所述声屏障可设计参数并执行参数更新包括：根据残差补偿后的各传播路径频带贡献量，计算所述声屏障可设计参数相对于各受声点、各频带声级约束的局部敏感度，构建设计参数与声级约束之间的敏感度矩阵；

35、依据所述路径签名保持不变的参数范围确定拓扑稳定域，并在所述拓扑稳定域内求解同时受设计参数取值边界和声级约束限定的参数更新量；

36、利用所述参数更新量生成候选设计状态并重新计算路径签名，当所述候选设计状态的路径签名保持一致时写入参数化设计场景，当路径签名发生变化时撤销所述参数更新量并执行差异子图重构。

37、优选的，在所述拓扑稳定域的边界邻域内执行参数更新时，还包括：获取拓扑变化区间两侧的路径签名和声传播路径图，建立新增传播路径与消失传播路径之间基于公共路径节点和传播界面的过渡对应关系；

38、分别利用拓扑变化区间两侧的残差补偿函数计算边界邻域内的频带贡献量，并根据遮挡裕量、界面相交距离及路径节点可见状态生成两侧声传播路径图的组合权重；

39、按照所述组合权重形成边界邻域的分段频带贡献量映射；

40、基于所述分段频带贡献量映射计算候选参数更新量，并将跨越拓扑变化区间的候选参数更新量拆分为分别位于两侧拓扑稳定域内的连续更新量。

41、优选的，输出满足所述噪声约束的声屏障设计方案包括：记录每次参数更新对应的声传播路径图、路径签名、机理残差、局部校正样本及残差补偿函数，形成与所述候选设计状态关联的迭代数据链；

42、在每次参数更新后，按照受声点声级约束偏差、传播路径频带贡献比例和机理残差确定待复核传播路径，对所述待复核传播路径执行高精度噪声模拟，并将复核结果写入所述迭代数据链；

43、当复核结果与残差补偿后的频带贡献量之间的频带差值超出对应路径签名的局部校正样本残差包络时，返回对应拓扑稳定域补充所述局部校正样本并重新计算参数更新量；

44、当各受声点的复核声级满足声级约束且路径签名不再变化时，输出当前参数化设计场景中的声屏障可设计参数。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

46、1.将声源、受声点、绕射边界和传播界面组织为声传播路径图，并由噪声模拟预测模型分别输出各传播路径的频带贡献量，使合成声级对应的传播来源保持可分辨。基于路径衰减约束、绕射过渡约束和多路径合成约束形成机理残差后，可按照传播路径、频带及受声点索引确定残差集中的目标传播路径，再仅对目标传播路径关联的局部设计状态执行高精度噪声模拟，并据此更新残差补偿函数。经校正的路径贡献量再映射至声屏障可设计参数，使参数更新依据来自经复核的局部声学响应。当参数变化引起路径新增、消失或传播类型切换时，通过路径签名识别拓扑变化并重构差异子图，冻结跨越拓扑边界的原参数更新关系，避免沿用与当前传播状态不一致的残差补偿结果。路径分解、机理残差定位、局部校正和拓扑重构形成连续闭环，由此抑制局部预测失真向后续设计迭代传递，并保持候选方案评价顺序与实际传播路径变化之间的一致性。

47、2.按照更新前后路径签名将声传播路径图划分为拓扑一致的公共子图和发生变化的差异子图，公共子图对应的残差补偿函数及局部校正样本能够继续保留，差异子图仅重新生成相关路径节点、候选边和残差索引，减少与拓扑变化无关的重复计算。局部校正样本按照传播类型序列、节点邻接关系和界面相交次序分组，并分别提取公共残差分量和局部残差分量，使既有样本能够在相同传播机制下参与后续校正。设计参数更新被限制在路径签名保持不变的拓扑稳定域内，跨越拓扑变化区间的候选更新量被拆分为不同路径状态下的连续更新量，避免单次更新同时混合两类传播关系。设计迭代过程中同步记录声传播路径图、路径签名、机理残差、校正样本和补偿函数，并对待复核传播路径执行高精度噪声模拟；当复核差值超出局部样本残差包络时返回对应拓扑稳定域补充样本，使输出设计参数具备与噪声预测结果相对应的计算依据。