一种基于社会力模型的医院声环境模拟系统

摘要

一种基于社会力模型的医院声环境模拟系统，由行为模型和声学模型构成，其中行为模型由发声间隔模块、持续时间模块、发声位置模块、发声强度模块构成，声学模型由室外噪声模块和室内声场模块构成；系统可将医院内每一个房间定义为一个交互式的Agent，当Agent中的某个声源被激活时，首先由行为模型中的发声间隔模块、持续时间模块、发声位置模块、发声强度模块来构成声源发声行为的基本属性；然后，通过声学模型中的室外噪声模块与室内声场模块对声音的传播进行模拟，计算得到接收点处的初始声压级大小；再通过比较初始声压级与背景噪声声压级，并且判断同一时间发声的声源数量来确定接收点处的最终声压级；最后，根据Agent中各个接收点的平面位置，以及接收点处的最终声压级大小，通过插值法计算得出室内声场的平面分布情况。

说明书

技术领域

本发明属于声学技术领域，特别涉及一种应用于医院的基于社会力模型的声环境模拟系统。 

背景技术

噪声对人的心理及生理的影响已有多年探讨，尤其对病人的舒适和康复有相当大的不良影响。根据许多实测结果，各国医院的实际噪声值通常比世界卫生组织(WHO)的推荐值平均高出15分贝，而之前的研究仅简单考虑到有限的、甚至错误的声学参数。因此医院声学是近年欧美声学和医学领域的研究交叉热点之一。 

中国专利201110090467.6公开了“基于改进的社会力模型的异常集群行为检测方法”；中国专利201110309444.X公开了“基于社会力模型的监控系统”；中国专利201210065523.5公开了“基于LBP加权社会力模型的人群异常事件检测方法”；上述专利虽然都是基于社会力模型，但是都没有涉及到医院声环境模拟系统。中国专利CN103440411A公开了“基于暴露人群\面积\声环境功能区的交通噪声污染模型”，但该专利也没有涉及到社会力模型在医院的声环境方面的应用。中国专利201280050836.1公开了“基于医疗环境中的声音分析的医疗监测系统”实现了提供基于医疗环境中的声音分析的监测，但该专利也没有涉及到应用社会力模型对医院声环境进行模拟。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述背景技术的不足，而提出一种应用于医院的基于社会力模型的声环境模拟系统。本发明在对医院声环境特性进行调查基础上，研究提出了一套基于社会力模型的，改善医院声环境、协助病人治疗和康复、提高医生工作效率，进而提高医院经济效益的技术方案。 

本发明为涉及基于社会力模型的医院声环境模拟系统，是目前第一个基于社会力模型的将医院环境中的噪声行为与声学参数相结合的系统，系统可将医院内每一个房间定义为一个交互式的Agent，以最大限度满足使用和扩展需求，其中包含了超过200个不同的变量来构成必要的声学参数、行为参数、算式和交互组件，可以同时模拟医院内各个房间的声环境状况。 

该模拟系统的内核由2个模型组成，分别是行为模型和声学模型，两个模型之间通过算式进行交互，如图1所示。声源为Agent中的变量，每种声源都在发声和停止发声两种状态下切换。当Agent中的某个声源被激活时，首先由行为模型中的发声间隔模块、持续时间模块、发声位置模块、发声强度模块构成声源的4个基本属性；然后，通过声学模型中的室外噪声模块与室内声场模块对声音的传播进行模拟，计算得到接收点处的初始声压级大小；再 通过比较初始声压级与背景噪声声压级，并且判断同一时间发声的声源数量来确定接收点处的最终声压级。最后，根据Agent中各个接收点的平面位置，以及接收点处的最终声压级大小，通过插值法计算得出室内声场的平面分布情况。 

行为模型中包含的4个模块分别涵盖了医院内典型声源(如说话声、脚步、设备声、推车声等)的4个基本属性：发声间隔、发声持续时间、发声位置、发声强度。 

发声间隔模块：医院里的每种噪声源都存在发声和不发声两种状态，发声间隔模块集成了医院里一些典型声源从发声停止到下一次开始发声之间的间隔时间数据。这些噪声源的发声间隔可能是固定的、随机的，或是符合一定概率分布的。比如，一些医疗设备的报警提示音或工作噪声是存在一定节律的，所以它们的发声间隔相对稳定；而病人和医护人员在说话时的间隔可能是非常随机的，所以各种典型声源的发声间隔都需要进行大量的行为观测，得到足够的观测数据后，再利用统计学分析计算发声间隔时间的概率分布，并将概率分布模型导入到发声间隔模块当中。 

发声持续时间模块：集成了医院内典型噪声源一次发声的持续时间数据，也就是声源从开始发声到停止发声之间的持续时间。该模块与发声间隔模块一样，模块内数据基于大量的噪声行为观测。 

发声位置模块：该模块具有三个功能，1.定位声源的平面位置，为了使模型更加贴近真实情况，模块中使用50cm*50cm的网格来确保声源定位精确性；2.判断声源的移动属性，在实际医院环境中医疗设备在发声时一般是静止的，而病人或医护人员说话声可能是静止的，也可能是随时间移动的；3.判断声源的数量，如果一个房间内存在多个声源，发声位置模块可以同时定位每个声源的所在位置。 

发声强度模块：该模块集成了医院内一些典型声源发声时的声压级的大小与频谱数据，包括说话声、脚步声、通风设备的声音以及各种医疗设备的声音。通过实地测量与行为观测，发现其中一部分声源存在多种不同的发声强度和频谱，比如，说话声强度可被分为3个等级，如下表所示；心脏监护仪在判断监护病人的危机情况时通常会发出3种不同强度和频谱的报警声来分别代表一般紧急、比较紧急和非常紧急的情况；呼吸机在呼气和吸气时的发声强度和频谱也有所不同。 

表3个等级说话声音的频谱分布(dB) 

当Agent中声源发声行为的参数确定之后，数据会传入声学模型中计算接收点处的初始声压级大小，其中室外噪声模块负责计算室外噪声对室内声场的干扰情况，室内声场模块负 责计算房间几何参数、室内吸声性能对室内声音传播的影响。 

室外噪声模块：用于计算位于医院房间外部的噪声对室内声场的影响。医院中走廊的噪声会穿过门和走廊与房间之间的隔墙传入室内，户外噪声也会通过窗户和其他维护结构传入室内。因此，该模块集成了室外声压级输入端，墙体隔声性能数据库与隔声计算公式，门窗隔声性能数据库以及开闭情况。 

墙体隔声系数R_w计算公式， 

对于单一材料轻质隔墙：R_w＝D_nT,w-10log(T/T_r)+10log(ST/0.16V)+7 

对于砌体或混凝土隔墙：R_w＝D_nT,w-10log(T/T_r)+10log(ST/0.16V)+4 

对于混合结构隔墙：R_ave＝10log(1/τ_ave)＝10log(∑S_i/∑τ_iS_i) 

其中，D_nT,w表示室内外空气声隔声在现场测量的计权标准化声压级差； 

S表示室内外共用隔墙的面积，单位为(m²)； 

S_i表示如果室内外隔墙存在多种构件，且构件的隔声性能不一致时，每种隔声构件的面积，单位为(m²)； 

V表示室内容积，单位为(m³)； 

T表示室内混响时间，单位为(s)； 

T_r表示参考混响时间，用常数0.8(s)代替； 

τ表示声音的传播系数。 

室内声场模块：用于计算位于医院房间内部声源对室内声场的影响。声音在室内的传播情况主要由病房尺寸和其表面吸声系数两个指标决定。由于病房相对于其他声学空间体积较小，根据经典室内声学理论可将病房当做近似扩散声场进行计算。因此，在确定了声源的发声情况，病房尺寸，与其表面平均吸声之后，利用经典的室内声压级计算公式即可准确计算出室内接收点处的声压级大小。所以，该模块将以上病房尺寸和表面吸声系数作为可调变量，用于模拟现实环境中不同尺寸和吸声特性房间的声场情况。由于室内声压级计算公式适用于体积较小的扩散场，所以对房间的长、宽、高进行了尺寸限制，可对不超过120m²的房间进行模拟。 

室内声压级计算公式 

单声源发声时的室内瞬时声压级(扩散场)：

其中，L_p表示接收点处声压级大小，单位为(dB)； 

L_w为噪声源发声时的声压级大小，单位为(dB)； 

r表示接收点与噪声源之间的距离，单位为(m)； 

S表示室内各表面的面积总和，单位为(m²)； 

表示室内表面平均吸声系数； 

多种声源同时发声的室内瞬时声压级：

其中，L_sum表示接收点处的复合声压级大小，单位为(dB)； 

L₁,L₂,……,L_n表示接收点处单个噪声源的声压级大小L_p，单位为(dB)； 

在噪声源移动的情况下：$r=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2)}$

其中，r表示噪声源和接收点之间的距离； 

x_i,y_i分别表示噪声源的横坐标和纵坐标； 

x_j,y_j分别表示接收点的横坐标和纵坐标； 

在进行最终声压级和室内声压级分布情况的计算时，如图2所示，第一步是用接收点处的初始声压级大小与背景噪声的声压级大小进行比较，如果接收点声压级大于背景噪声，则进入第二步；如果接收点处的声压级小于背景噪声，则将该声源判断为背景噪声；第二步是通过判断Agent中是否存在多个声源同时发声来确定接收点处的最终声压级大小，如果为单一声源发声，则该接收点声压级大小为最终声压级大小，如果为多个声源同时发声，则该接收点处的最终声压级大小为多个声源的声压级进行叠加后得出的复合声压级大小。最后，根据室内各个接收点的位置，以及接收点处的最终声压级大小，通过插值法计算得出室内声场的平面分布情况。 

附图说明

图1示出基于社会力模型的声环境模拟系统的技术路线图， 

图2示出本发明的声压级计算的流程图， 

图3示出本发明的实施例，其中一个Agent的参数设置图， 

图4示出本发明的实施例，系统运行界面图， 

图5示出本发明的实施例，模拟结果与实测结果的曲线对照图，(a)单人病房，(b)4人间病房， 

图6示出本发明的实施例，两间模拟病房(单人病房和4人间病房)的声场分布图。 

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的一个优选实施例进行描述。利用该系统对某医院的重症监护科(ICU)的3间病房的声环境进行模拟。 

根据实地调研情况建立医院的Anylogic模型，其中行为模型和声学模型在每一个Agent中应用涉及的参数超过200个，如图3所示。该声学模型可以对房间中任一随机位置的单频声压级进行预测，同时噪声数据有较强的可视化，都证明了该模拟系统的灵活性和适应性。 

图3中选框1-3所表示的区域为声学模型中的参数。选框1中包含了随机数发声器，吸声系数与筛选的需要模拟的病房；选框2中包含了病房的尺寸(长、宽、高)，声源以及接收点的所在位置；选框3中包含了背景噪声声压级与接收点处的声压级及单频声压级。 

选框4所表示的区域为噪声源的种类，根据实际情况，病房内主要包含了6种不同的噪声源，分别是说话、呼吸机、心脏监护仪、输液泵、加湿器、鼻饲插管。使用者除了可以从发声行为数据中添加噪声源，也可以自行创建，并且可以对已添加的噪声源进行激活或是屏蔽。由于在实地测量的时间段，病房内没有病人使用鼻饲插管，所以图3中的鼻饲插管作为不存在的噪声源已经被屏蔽了。 

选框5-8所表示的区域为行为模型中的参数，选框5-6包括了每种噪声源的发声强度、发声间隔以及发声持续时间。选框7-8包含了某种声源的不同发声强度的比例，以及是否存在多个噪声源的情况判断。 

为了验证社会力声学模型的灵活性和准确性，模型中的声学参数，包括病房的长、宽、高、形态以及平均吸声系数均与实地测量结果相同。本次对ICU的2间单人病房和1间4人间病房建立的3个Agent，由于2间单人病房的尺寸，功能与布置基本完全相同，所以这两间病房的行为模型均采用相同的设置。在每间病房(Agent)里面布置了5个声音接收点，其中一个在病房的中心，另外4个分别布置在距离病房4个角落0.8米的位置。模拟时间设置为1000分钟，模拟运行时的系统界面如图4所示。 

模型结果显示，这三间病房内的噪声等级在各频率处层次明显，其中以2kHz的高频占主导地位，这是因为ICU病房内的心脏监护仪作为一个主要声源，其报警音的主导频率正好在2kHz左右，且发声强度高，发生间隔与比其他声源都要短，最终造成了病房内的噪声模拟结果在2kHz比较集中，与实测结果非常一致。除了典型的噪声源，背景噪声对声压级模拟也有较明显的影响。相同房间内5个接收点处的声压级基本相同，而且这5个接收点处声压级随时间变化的曲线一致性非常高，达到了基本重合的地步；对于发生在不同位置的噪声行为，在所有接收点上的显示几乎是同步的。而不同病房中同一位置的接收点在某一时间点的瞬时声压级存在显著差异，这些都与真实的测量情况相吻合。 

对于一个模拟系统来说，对其实用性和可靠性进行验证是非常必要的。通过对单人和多人病房内等效声压级L_Aeq(dBA)和计权声压级L_A95(dBA),L_A90(dBA),L_A50(dBA),L_A10(dBA),L_A5(dBA)，这6个声学指标的对比(图5)，发现该模拟系统对ICU单人病房和多人病房的声压级模拟结果与实地测量的结果吻合程度非常高，证明了该系统用于模拟医院声环境是可靠的。 

L_A95表示测量中有95％的声压级超过该声压级，相当于背景噪声； 

L_A90表示测量中有90％的声压级超过该声压级，相当于背景噪声； 

L_A50表示测量中有50％的声压级超过该声压级，相当于均值噪声； 

L_A10表示测量中有10％的声压级超过该声压级，相当于峰值噪声； 

L_A5表示测量中有5％的声压级超过该声压级，相当于峰值噪声。 

虽然，模拟结果在L_A10和L_A5两个指标与实测结果的误差相对较大，但都不超过2dBA。说明系统对背景噪声(L_A95，L_A90)和均值声压级(L_A50)的模拟要比对峰值噪声(L_A10，L_A5)的模拟更加准确，这是因为峰值噪声通常是由小概率的噪声行为事件所引发的，例如东西掉落，医疗设备的危险警报等，这些噪声产生的随机性和不确定性影响了系统对突发噪声模拟的准确性。 

根据室内不同接收点的位置，以及接收点处的最终声压级大小，通过插值法计算得出ICU单人病房和多人病房内的夜间等效声压级在房间平面内各个位置的分布情况，并以噪声地图的形式直观呈现，如图6所示，虽然两间病房内的声场分布非常均匀，但还是可以发现几处噪声敏感区域。例如，在单人病房床头的医疗设备摆放位置噪声比较突出，是由于医疗设备报警声的影响；在4人间病房中，中间公共走道的噪声比较突出，是因为医护人员在该区域说话相对比较频繁。 

噪声地图除了能够计算出医院内的噪声污染区域，还可以在设计阶段预先对医院的噪声污染进行评估，通过模拟生成不同改进方案的声场分布图，从而有助于设计师从声环境的角度对医院和病房的设计策略进行可行性分析。该模拟系统的另外一个重要用途是通过改变现有行为模型和声学模型中的一些参数，定量分析这些参数的改变对医院声环境的影响，有助于对现有医院的声环境存在问题进行有针对性的改进。 

以本次模型中的一间ICU单人病房为例，下表显示了一些行为参数和声学参数改变后，这间病房室内声压级模拟结果相对于原始模型的变化。 

表改变不同参数对ICU单人病房连续等效声压级的影响(dBA) 

通过表格可以发现，减小医疗仪器的声音能够最有效的降低病房室内噪声，将医疗仪器的噪声减小3dBA，ICU单人病房室内声压级即可减小2.32dBA，而且房间内的最大最小声压级差从1.41dBA降低到1.21dBA，说明房间内声场变得更加均匀。但出于安全角度考虑，设备报警或提示音一般会设置到一个较高的声压等级，确保一定距离外的医护人员能够听到报警声并做出正确的反馈。但减小说话音量对降低单人病房的室内声压级几乎不起作用。 

值得注意的是，改变病房的吸声系数也是降低病房声压级的有效措施，如果病房内平均吸声系数相比原始模型分别增加15％、30％、45％，噪声等级分别可以降低1.31dBA、2.78dBA、3.66dBA。而且，房间内声压级差也随着吸声系数的递增而递减，说明在不改变墙体表面扩散性能的情况下，房间的声场均匀度与吸声性能成反比，也符合真实情况。 

另外，小幅度的改变房间三维尺寸对病房的室内声压级影响不大，但会在一定程度上影响其室内声场均匀度。 

对于所属技术领域的技术人员而言，随着技术的发展，本发明构思可以不同方式实现。本发明的实施方式并不仅限于以上描述的实施例，而且可在权利要求的范围内进行变化。