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2023年  第23卷  第3期

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2023年第23卷第3期封面与目次
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综述
高速列车受电弓气动噪声研究综述
刘海涛, 王文宇, 周新, 张长亮, 肖乾
摘要: 为更深入全面了解高速列车受电弓气动噪声研究现状，阐明高速列车受电弓气动噪声机理与规律，总结了近年来国内外高速列车受电弓气动噪声的研究，概括了中国、日本、德国与法国高速列车受电弓的发展历程，分析了受电弓气动噪声源、辐射气动噪声特性以及高速列车受电弓气动噪声研究方法，探讨了高速列车受电弓气动噪声生成机理与抑制方法，总结了当前研究的主要成果。分析结果表明：受电弓作为列车顶部的重要受流装置，由多个杆件组成，在高速气流中会产生显著的有调噪声，是高速列车环境噪声污染主要来源之一；高速列车受电弓主要气动噪声源分布在弓头、铰链机构、绝缘子、底架等部件的迎风侧位置，研究受电弓气动噪声的手段有实车试验、风洞试验以及数值模拟；增加附属装置可以有效控制气动噪声，如增加导流罩、喷射气流、等离子体驱动器等，但这些方法增加了系统的复杂度；基于仿生学原理改变杆件表面微结构，可以显著抑制受电弓湍流旋涡的生成，从而大幅降低气动噪声；优化杆件截面形状以及空间结构设计，可以减少阻力及湍流旋涡的生成，进而有效控制气动噪声。可见，多种途径可以降低受电弓气动噪声，但工程落地的可行性、气动噪声与气动阻力及弓网接触稳定性的耦合关系，仍需进一步深入研究。更多>
2023, 23(3): 1-22. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.001
摘要(1017) HTML (283) PDF (22868KB) (209)
飞机牵引滑行技术综述
孙艳坤, 张威, 杨雄伟, 刘积昊, 祝恒佳, 刘衍希, 秦嘉浩
摘要: 从飞机牵引滑行模式的本质出发，分析了牵引滑行的内涵和驱动因素，提出了实现飞机牵引滑行模式需解决的牵引滑行过程运动学及其环境载荷分析、牵引滑行多体系统动力学、飞机前起落架结构力学响应、系统运动感知与控制、牵引滑行装备与物理测试平台以及牵引滑行模式对机场运行规则影响等关键问题，并分析了6项关键问题的研究现状和发展趋势，探讨了实现新模式所面临的技术难点与挑战。分析结果表明：牵引滑行的运动学计算相比于传统牵引的精度和实时性要求更高，要实现牵引滑行的安全估计需建立系统运动的高精度解算算法；高速重载飞机牵引滑行系统的运动状态、机场路面条件、控制输入等多因素作用将可能导致横向失稳、脱抱等极限现象，针对其系统动力学行为开展研究需考虑其结构与系统的非线性特征；为保障前起落架在长距离牵引滑行中承受纵向牵引力和垂向振动力耦合作用下的安全，需研究其结构动态响应和极限工况行为机理；要实现飞行员精确控制牵引滑行运动，需对人机交互模式、飞行员感知控制方法进行研究并开展测试验证；牵引滑行技术可缩短飞机发动机在地面运行阶段的使用时间，降低油耗和碳排放量，但同时会增加机场场面运行的复杂程度，因此，需建立新的机场飞行区场面运行管理规则体系。更多>
2023, 23(3): 23-43. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.002
摘要(924) HTML (245) PDF (2500KB) (128)
基于机器学习的交通流预测方法综述
姚俊峰, 何瑞, 史童童, 王萍, 赵祥模
摘要: 通过文献梳理、专家访谈和试验场景构建等方法，分析了道路指定断面和区域路网宏观交通流预测的国内外研究现状和发展趋势，归纳了局部断面交通流预测方法，包括传统机器学习、递归神经网络和混合模型，分析了卷积神经网络、图神经网络和融合多因素网络的特点，阐述了方法的原理、优势、局限性和应用场景，总结了现有场景交通数据集类别，从采样周期与采集方式角度归纳了国内外主流交通数据集。分析结果表明：递归神经网络可以有效获取交通数据的历史规律，但存在梯度爆炸、计算复杂度高、长时预测准确度不佳等问题；图神经网络针对路网拓扑连接关系引入了图结构，在考虑路网和交通流数据的时空相关性上具有明显优势；融合多因素网络充分考虑天气、道路、事故等内外部因素的影响，有效提升了交通流预测的实时性和鲁棒性；由于交通数据采集困难、外部因素影响难以量化、机器学习方法可解释性差等原因，交通流预测方法的改进受到了限制；未来应从交通信息有效挖掘和图卷积方法完善两方面入手，拓宽图结构在交通领域的应用和考虑非常态交通场景，进一步揭示交通数据的内在规律，开发更准确、高效的交通流预测方法，推动交通流预测在工业界的落地应用。更多>
2023, 23(3): 44-67. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.003
摘要(4042) HTML (507) PDF (11856KB) (815)
道路与铁道工程
中低速磁浮轨道疑似不平顺的Box-Whisker图筛选法
吴峻, 李洪鲁, 张雨馨, 张云洲, 汤钧元
摘要: 为了减少中低速磁浮轨道检测工作量和轨道检测设备占用线路的时间，提升轨道不平顺检测效率，提出了通过行车记录仪采集悬浮系统有关数据来筛选轨道疑似不平顺的方法；依据轨道线路不平顺异常对悬浮间隙、悬浮电磁铁垂向加速度及电磁铁电流等都会造成明显突变异常的基本思想，基于Box-Whisker图设定筛选阈值，利用悬浮间隙、悬浮电磁铁垂向加速度及电磁铁电流等数据进行三元阈值的异常筛选，并针对可能漏筛的数据再次分别基于一元和二元阈值筛选，并综合上述结果来判定轨道路段的异常等级，将多次被筛选出的异常判定为疑似不平顺路段；为进一步提升不平顺异常路段筛选结果的准确性，依据同一车厢的不同悬浮控制点通过相同不平顺异常路段时的数据应体现出重复性异常的思想，融合行车记录仪记录的多个悬浮控制点数据的筛选结果，以此综合评判路段的疑似不平顺，在此基础上应用提出的方法分析了长沙磁浮线M车厢左侧10处悬浮控制系统的数据。研究结果表明：提出的方法使现有全路段不平顺检测方式转变为利用轨检设备有针对性地检测疑似异常路段的方式，线路检测维护时间可减少20%左右。更多>
2023, 23(3): 68-76. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.004
摘要(378) HTML (148) PDF (3786KB) (55)
基于双弓受流动力学的弓网接触电弧分布
周虹屹, 刘志刚, 熊嘉铭, 徐钊, 邓云川
摘要: 针对双弓受流情况下发生的电弧问题，基于经典电接触理论分析了弓网接触面微观结构与弓网接触电弧的产生机理，提出了接触电弧发生率算法；考虑双弓受流条件下接触网波动传播规律分析了双弓耦合系统动力学模型，建立接触网有限元模型与受电弓多体动力学模型，获取不同后弓静态抬升力下的前后弓接触力；结合接触电弧发生率算法与获取的前后弓接触力，计算多工况下前后弓接触电弧发生率，分析其在对应的接触力下接触电弧分布规律，并提出减小接触电弧发生率的措施。研究结果表明：在前弓上发生的接触电弧发生率远小于后弓上的概率，前弓均值仅为后弓的32%；后弓静态抬升力的变化对前弓接触电弧发生率影响很小，4种工况下前弓接触电弧发生率均在1.5×10-3~5.0×10-3内波动，无明显变化规律；后弓接触电弧发生率随后弓静态抬升力的增大显著减小，随着抬升力从55 N升高至85 N，后弓接触电弧发生率平均降低了42%；前弓上接触电弧发生次数随接触力的变化无明显变化规律，后弓静态抬升力越大其分布越均匀；后弓上接触电弧发生次数分布随接触力增大而减少，主要分布于接触力低值区间内；接触力在70~80 N以及大于170 N时可有效抑制前弓接触电弧的发生，接触力大于70 N时可以有效抑制后弓接触电弧的发生。更多>
2023, 23(3): 77-87. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.005
摘要(412) HTML (115) PDF (6483KB) (70)
基于轮轨垂向力的波磨状态估算方法
牛留斌, 胡晓依, 杨飞, 强伟乐
摘要: 为了探明轮轨垂向力与波磨状态之间的映射关系并采用轮轨力检测数据定量评价波磨严重程度，以中国CRTSⅡ高铁线路与服役动车组典型参数构建三维轮轨动力学有限元模型；细化波磨区段钢轨表面不平顺特征，采用高速综合检测列车在高铁波磨区段上实测轮轨垂向力时频数据验证有限元模型输出结果的准确性；模拟了车辆运行速度为300 km·h-1时波长在40~180 mm波磨激励下的轮轨垂向力，分析了其时频域分布特性；引入轨面不平顺变化率表征波磨沿钢轨纵向的变化特性，采用非线性最小二乘法与有理式方程拟合了不同波长条件下轮轨垂向力大值与轨面不平顺变化率之间的函数关系，分析了钢轨Pinned-Pinned固有共振频率及其半值振动模态对拟合参数曲线的影响，并推导了基于轮轨垂向力的波磨谷深估算方法；该谷深估算方法在某高铁线路波磨状态监测中初步试用，共发现32个波磨区段，并对比了波磨区段上实测谷深和估算谷深。分析结果表明：谷深估算值与实测值相关系数为0.97，两者具有较高的线性相关性；在谷深估算值大于0.08 mm时，估算值与实测值之间的均方根差约为0.01mm，基于谷深估算方法作出波磨打磨整治决策时的误判率约为6.25%，说明谷深估算方法在实际高铁线路上具有较好的适用性。更多>
2023, 23(3): 88-102. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.006
摘要(422) HTML (232) PDF (19016KB) (90)
注胶与植筋对纵连板式无砟轨道受力变形的影响
李杨, 陈进杰, 王建西, 石现峰, 蔡嘉升
摘要: 针对采取维修措施后纵连板式无砟轨道在高温荷载下的受力变形问题，考虑轨道板与砂浆层间界面黏结应力-位移非线性本构关系、植筋结构应力-滑移非线性本构关系，建立了纵连板式无砟轨道力学行为分析有限元模型，并对其施加非线性高温荷载，对比分析了注胶、植筋与2种措施共用对纵连板式无砟轨道受力变形与结构损伤的影响规律。研究结果表明：对于轨道板两侧存在0.2 m层间离缝、一宽窄接缝存在破损的基本工况，注胶、植筋与2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间离缝最大值分别为未采取维修措施时的63%、20%和18%，破损接缝混凝土受压损伤最大值分别为未采取维修措施时的51.0%、6.8%和5.5%；对于宽窄接缝结构状态较差的纵连板式无砟轨道，植筋措施的维护效果远好于注胶措施，而2种措施共用的效果更佳；注胶措施对纵连板式无砟轨道端部垂向位移、层间损伤和宽窄接缝受压损伤的限制作用随注胶深度的增加而增强；仅采用注胶措施情况下，若要达到2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间损伤的幅值范围，注胶板块数需不小于2，且双侧注胶深度均需不小于0.9 m，建议在仅采取注胶措施时，充分保证注胶维修面积。更多>
2023, 23(3): 103-113. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.007
摘要(298) HTML (156) PDF (7638KB) (58)
400 km·h-1高速道岔号码选型与结构优化
王璞, 王树国, 王猛, 赵振华, 司道林, 马思远, 孙照亮
摘要: 基于中国高速铁路进一步提升运营速度的需求，系统研究了400 km·h-1高速道岔号码选型与结构优化方法；基于车辆-道岔耦合动力学仿真，分析了道岔号码与平顺性的关系，并给出了号码选型建议；研究了道岔线型对动力学性能的影响，并考虑既有岔枕通用原则，提出了线型优化方案；建立了客专线18号道岔尖轨转换原型试验平台，研究了尖轨不足位移的影响因素与影响机制，提出了尖轨不足位移的控制方法；基于有限元理论，建立了道岔区轨道刚度计算模型，结合岔区钢轨动位移现场实测数据，提出了岔区轨道刚度目标取值与均匀化方案。研究结果表明：在现有车站布置方案条件下，400 km·h-1高速道岔仍建议选择18号道岔；将400 km·h-1高速道岔相离值增大至28 mm，可显著提升耐磨性能与使用寿命，也可实现岔枕通用；综合考虑系统匹配设计、制造工艺、工电结合要求等多方面因素，建议将第三牵引点至固定端距离减小600 mm，可减小尖轨不足位移，同时最小轮缘槽和第三牵引点牵引力符合规范要求；建议改进高速道岔辙叉结构设计方法，根据实际受力确定心轨弹性变形状态，在此基础上进行连接件与心轨转换设计；建议岔区目标刚度由25±5 kN·mm-1减小为23±3 kN·mm-1。更多>
2023, 23(3): 114-126. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.008
摘要(351) HTML (106) PDF (7297KB) (189)
地铁减振扣件轨下弹性垫刚度特性与寿命预测
高晓刚, 冯青松, 马宇飞, 王安斌, 孙海波
摘要: 为了研究地铁减振扣件弹性垫在服役过程中刚度敏感性和对线路环境振动的影响，以南京地铁多条运营线路中抽取的压缩型减振扣件为研究对象，开展了压缩型扣件轨下弹性垫服役刚度特性、常温下疲劳特性和热加速疲劳老化特性等多环境室内综合测试；基于测试结果对比分析了新旧压缩型扣件轨下弹性垫使用时间与刚度变化的相关性，得到了轨下弹性垫的时间-寿命特性曲线，提出了轨下弹性垫刚度变化百分比与使用时间的寿命预测模型。研究结果表明：在周期性轮轨载荷和线路温湿碱环境等综合作用下，地铁减振扣件轨下弹性垫的服役刚度随使用时间呈线性增加趋势，其弹性发生了性能退化；新的轨下弹性垫热加速疲劳老化刚度曲线与服役抽样轨下弹性垫的刚度曲线趋势基本一致，即轨下弹性垫的热加速循环老化试验能够模拟或演化轨道交通线路的热机械循环载荷等现场条件；基于Arrhenius寿命-应力热加速老化模型，轨下弹性垫服役应力和加速老化应力下的加速因子分别为1.99和1.36，进而可通过加速因子预测减振扣件轨下弹性垫的更换周期。更多>
2023, 23(3): 127-136. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.009
摘要(306) HTML (95) PDF (11437KB) (88)
载运工具运用工程
城市轨道车轮结构振动-声辐射一体化优化方法
文永蓬, 刘跃杰, 周月, 圣小珍
摘要: 为了降低城市轨道车辆的车轮结构噪声，以服役的双S型辐板车轮为研究对象，建立了考虑振动与声辐射融合的城市轨道车轮结构噪声优化模型，获得了一种自上而下呈不等厚特征辐板的新型降噪车轮廓形，提出了以轨道车轮辐板区域为设计域的车轮结构振动-声辐射一体化优化方法；将整个辐板区域确定为设计域，分别设定编码规则、选择规则、交叉规则和变异规则，使振动-声辐射优化目标函数逐渐收敛，从而进化为较优的降噪车轮廓形，实现轨道车轮振动-声辐射结构优化设计；利用成熟有限元工具获得优化车轮的静强度、疲劳强度和振动声辐射性能，进一步验证双S型辐板车轮新型结构噪声优化结果的有效性和可靠性。研究结果表明：车轮结构振动-声辐射一体化优化方法适用于降噪车轮的结构廓形优化，优化后车轮峰值声功率级较原双S型辐板车轮降低了4.26 dB(A)，在0~5 000 Hz频段范围内声功率级峰值处降噪效果明显；从辐板结构特征上看，双S型辐板车轮的辐板由优化前的基本等厚辐板进化为不等厚辐板，车轮辐板的不等厚特征有利于降低车轮的声辐射水平，从车轮的经济和降噪性能兼顾的角度，建议采用不等厚辐板车轮廓形作为轨道车轮降噪模型。更多>
2023, 23(3): 137-147. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.010
摘要(309) HTML (105) PDF (6642KB) (53)
升力翼对高速列车列车风与尾流特性的影响
熊小慧, 汪欣然, 张洁, 王凯文, 程凡, 罗长骏
摘要: 为探究在高速列车车顶安装升力翼后引起的列车周围流场剧变，以三车编组1∶10缩尺比某型CRH高速列车模型为研究对象，采用基于两方程湍流模型的改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法，对比分析了有无升力翼的2种高速列车时均和瞬时列车风的发展规律；利用涡旋识别方法探讨了尾迹区瞬时涡结构分布特征，通过比较尾迹区不同流向位置的列车风分布特征与尾流涡旋移动规律，验证了列车风速度峰值与尾涡非定常特性的相关性，采用频谱分析方法获得了尾迹区速度功率谱密度曲线。研究结果表明：升力翼的几何外形结构加剧了车身表面边界层分离，令列车顶部和侧表面边界层厚度增大；升力翼使列车风速度峰值增大，其中在轨侧和站台位置最大时均列车风速度分别增大了1.556和1.327倍，且相较原型列车第2个峰值位置延后；由于翼尖涡不断向下游发展和累积，升力翼列车尾流结构表现为大尺度涡对中夹杂着一对更为破碎的细小涡旋，相较原型列车，涡旋与地面之间的剪切作用更强，升力翼列车尾流时均列车风速度在展向分布上有所增大，但垂直分布上有所降低，并在水平面上出现更明显的剪切分离；升力翼列车尾迹中包含较多破碎的小尺度涡，进而影响了尾迹涡脱落频率，使之比原型列车具有更高的能量，且涡旋耗散速度更慢。更多>
2023, 23(3): 148-161. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.011
摘要(287) HTML (118) PDF (26105KB) (44)
基于迁移学习和卷积神经网络的牵引电机轴承健康评估方法
蒋玲莉, 李书慧, 李学军, 王广斌, 高连斌
摘要: 针对牵引电机轴承健康评估中带标签的全寿命周期振动数据获取与可反映轴承性能退化趋势的健康指标构建困难的问题，提出了一种基于迁移学习和卷积神经网络的牵引电机轴承健康评估方法；采用迁移学习，以带标签的轴承全寿命周期数据集为源域数据，以综合试验台数据为目标域数据，构建数据集；采用欠采样与合成少数类过采样技术对全寿命周期数据集进行扩充与平衡，得到了卷积神经网络训练所需的有效样本数量；在时域和频域上提取描述轴承退化过程的特征，利用卷积神经网络，遵循轴承性能退化规律的浴缸曲线，对基本特征进行融合, 构造了健康评估指标。分析结果表明: 在电机轴承轴电流损伤的健康评估中，所提出的基于迁移学习和卷积神经网络的健康评估方法的准确率为98.17%，遵循直线型、二次函数型和抛物线型退化规律构建健康指标的方法的准确率分别为86.61%、89.56%、91.30%，因此，所提评估方法准确率最大，具有更佳的评估效果，并且实现专家知识与神经网络学习知识的结合，降低了故障特征维度，解决了健康指标构建困难的问题，通过跨设备迁移学习实现了牵引电机轴承的健康评估。更多>
2023, 23(3): 162-172. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.012
摘要(252) HTML (115) PDF (12322KB) (75)
受电弓故障的车载图像识别技术
丁建明, 周敬尧, 江海凡
摘要: 针对列车在途中因受电弓发生故障而影响运行安全的问题，提出了一种受电弓故障的车载图像识别技术，以实时检测受电弓降弓、变形与毁坏，碳滑板异常磨耗与缺口，弓角变形与缺失故障；基于更快速的区域卷积神经网络(Faster R-CNN)目标检测框架设计了弓头图像定位目标检测模型，利用残差网络代替原有卷积网络，利用特征金字塔多尺度预测结构构建了候选区域推荐网络，以精准、快速地进行弓头定位和状态检侧；基于掩码区域卷积神经网络(Mask R-CNN)实例分割框架设计了弓头图像分割模型，并针对性地重新设计了检测头的网络结构与特征图尺寸，以适应受电弓的细长弯曲特征，从而准确、快速分割弓头图像；为了在分割后的二值图中更快速地识别与定位故障，根据受电弓结构尺寸和图像分割模型输出的位置坐标，制定了弓角与碳滑板故障的快速模板匹配策略，并在此基础上编制了详细的故障检测算法与程序。研究结果表明：在相应的数据集上，弓头图像定位目标检测模型的平均检测精度为0.944，平均每帧检测时间为0.029 s，弓头图像分割模型的平均分割精度为0.967，平均每帧检测时间为0.031 s，模板匹配的检测精度为0.985，平均每帧检测时间为0.005 s，故障检测算法的平均检测精度为0.966，平均每帧检测时间为0.051 s。由此可见，提出的检测算法具备了较高的可靠性和实时性。更多>
2023, 23(3): 173-187. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.013
摘要(319) HTML (235) PDF (14370KB) (66)
基于改进ACGAN的齿轮箱多模式数据增强与故障诊断
邵海东, 李伟, 林健, 闵志闪
摘要: 针对现有生成对抗网络(GAN)难以高效率生成多模式的故障样本和训练不稳定问题，提出了一种改进辅助分类生成对抗网络(ACGAN)，并将其用于齿轮箱多模式数据增强和智能故障诊断，以确保运载工具的安全运行；引入独立的分类器构建新型ACGAN框架，改善了经典ACGAN的分类精度与判别精度之间的兼容性；使用Wasserstein距离定义具有平滑特性的新型对抗损失函数，以此克服GAN易出现模式崩塌和梯度消失的缺点；引入谱归一化方法替代权重裁剪，限制判别器的权重参数，提高对抗训练过程的稳定性；为验证改进ACGAN的有效性和优越性，对齿轮箱的6类健康状态样本进行试验分析。分析结果表明：改进ACGAN生成的故障样本在数据层面和特征层面取得了更好的质量评估结果，其中基于结构相似度的评估指标平均优于对比方法0.249 3，基于最大平均差异的评估指标平均优于对比方法0.696 6；改进ACGAN的训练过程更加稳定，其损失函数具有更优的收敛性，同时在多模式故障诊断情景下具有更高的效率，其训练时间缩减为对比方法的20%；针对故障样本缺失的情况，改进ACGAN的生成样本能有效辅助深度学习智能故障诊断模型的训练，可将诊断精度由75.34%提升至97.06%。更多>
2023, 23(3): 188-197. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.014
摘要(320) HTML (80) PDF (7744KB) (66)
交通运输规划与管理
轴辐式应急救援网络规划
马昌喜, 石褚巍, 杜波
摘要: 为了实现对受灾城市的快速支援，同时尽可能降低应急救援网络的建设成本，以应急救援站选址和应急救援通道布局为落脚点，研究了三级轴辐式应急救援网络的多目标规划方法；考虑轴辐式网络的多级结构及应急救援站间的连通关系特征，以三级应急救援站选址、应急救援站间的连通关系及应急救援通道等级为决策变量，以各级应急救援站的建设成本和网络平均救援时间最小为双目标函数，构建三级轴辐式应急救援网络规划模型；结合决策变量的特征为三级轴辐式应急救援网络规划模型设计了三段式编码结构的小生境Pareto遗传算法；依托甘肃省14个城市的公路网络进行应急救援网络的建模求解，验证方法的有效性，并将优化结果与传统三级应急救援网络进行了对比。研究结果表明：三段式编码结构的小生境Pareto遗传算法能够有效求解该轴辐式应急救援网络规划模型；与传统应急救援网络模型的最优解相比，选取的Pareto解方案可使三级轴辐式应急救援网络在应急救援站的建设成本上降低8.3%，在网络平均救援时间上加快了3.5 h，其优化结果可支配传统应急救援网络的最优解。可见，提出的三级轴辐式应急救援网络规划方法能够兼顾轴辐式网络的集约特性，同时取得更短的应急救援时间。更多>
2023, 23(3): 198-208. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.015
摘要(515) HTML (140) PDF (2418KB) (99)
运营事件下基于韧性的地铁网络保护决策优化
路庆昌, 刘鹏, 徐标, 崔欣
摘要: 为缓解地铁运营事件的负面影响，提高地铁网络应对运营事件的能力，研究了地铁网络保护决策优化问题；以网络韧性为目标，考虑了网络性能降级和恢复过程中韧性曲线的变化特性和累积性能损失，构建了地铁网络保护决策的双层优化模型，上层模型为随机整数规划模型，用于获取不确定运营事件场景下待保护站点的最优选择，下层模型为用户均衡配流问题，特别考虑了容量有限站点内排队客流和乘客等待恢复时间的变化，以准确估计运营事件下乘客出行延误；基于遗传算法和Frank-Wolfe算法分别求解上层模型和下层模型；以西安市中心区域地铁网络为例，验证并分析了提出的模型和算法。分析结果表明：基于韧性的保护决策通过保护研究区域37.5%的站点，可以使网络性能损失降低超过50%，优于基于脆弱性的保护决策和不考虑公交网络替代作用的保护决策；当保护网络中1/2的地铁站点时，相比基于脆弱性的保护决策，基于韧性的保护决策的网络性能损失和客流时间损失分别降低了6.18%和582 h；公交网络的替代作用会导致地铁网络中超过2/3的站点保护优先级发生变化；同一类型的站点中，客流量越大，越依赖公交网络的替代作用；地铁站点的保护优先级主要取决于经过的客流量和运输能力，站点经过的客流量越大，运输能力越低，其保护优先级越高；站点类型也是影响保护优先级的因素，尤其对于客流量大的站点，非换乘站需要更高的保护优先级。更多>
2023, 23(3): 209-220. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.016
摘要(478) HTML (166) PDF (4975KB) (101)
交通信息工程及控制
网联自动驾驶车辆混合交通流专用道管控方法
秦严严, 罗钦中, 贺正冰
摘要: 分析了网联自动驾驶车辆(CAV)混合交通流中各车辆类型及其跟驰模式下的车头间距，从通用性混合交通流特征层面理论推导了各车头间距模式的概率表达式，从而对混合交通流进行了数学描述；以混合交通流整体通行流率最大为目标，计算了多车道混合交通流中一个CAV专用道的设置条件以及专用道设置后CAV交通流在专用道和混合道上的最优交通流分配比例，将一个CAV专用道情形推广至多个CAV专用道动态管控的一般性情形，构建了混合交通流专用道动态管控的分析方法；应用案例分析论证了CAV专用道管控方法的有效性。研究结果表明：在交通需求为2 000 veh·h-1时，各CAV渗透率阶段均无需设置CAV专用道；在交通需求为3 000 veh·h-1时，需在CAV渗透率为0.2~0.4的阶段下考虑设置CAV专用道；在交通需求为5 000 veh·h-1时，需考虑在各CAV渗透率阶段下设置CAV专用道；提出的CAV专用道管控方法可根据交通需求和车道总数等条件定量化计算不同CAV渗透率阶段下的最优CAV专用道数量以及CAV交通流最优分配比例，且交通需求能够影响反映CAV专用道设置条件的临界CAV渗透率范围，交通需求和车道总数量可分别从交通需求属性和道路空间属性方面促进最优CAV专用道数量的提升，符合多车道场景混合交通流CAV专用道管控的特性。更多>
2023, 23(3): 221-231. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.017
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混合交通环境下网联自动驾驶车辆跟驰模型与优化策略
彭佳力, 上官伟, 柴琳果, 邱威智
摘要: 为进一步提高混合交通环境下车辆的行车效率与交通流的稳定性，在考虑后视效应的基础上，融合多辆前车速度与加速度等状态信息，以指数平滑方式构建了网联自动驾驶车辆(CAV)跟驰模型；在此基础上，研究了前后方车辆数和状态信息完整度对模型稳定性的影响，结合Lyapunov第一方法和线性谐波微扰法进行了线性稳定性分析，并确定了模型最优参数；利用混合交通环境特性，在考虑通信信息丢失的情况下提出了CAV在不同位置和状态下的跟驰策略，并在该策略支撑下进行了不同CAV渗透率的车辆启动、车辆刹车停止、环形道路3个典型场景下的数值仿真。研究结果表明：在刹车停止场景中，全部车辆的停止波速最大提高了26.1%；在车辆启动场景中，启动波速最大提高了15.5%，车辆加速度和速度变化更为平缓；在环形道路场景中，当混合交通流中CAV渗透率由40%提高至100%时，在较大扰动条件下车辆的平均速度波动时间相较于低CAV渗透率场景下降了44.8%，波峰下降了5.7%，波谷上升了19.4%，而CAV渗透率较低时提出的优化策略对混合交通流的改善并不明显。由此可见，在当前构建实际混合交通环境与开展CAV实车试验比较困难的情况下，该跟驰模型和策略可用于车辆跟驰仿真与特定场景下的测试验证，能够有效保障混合交通环境中的交通流扰动吸收和车队稳定行驶。更多>
2023, 23(3): 232-247. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.018
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基于车辆排序的异质性货车队列低能耗配置方法
邬娜, 聂肖雄, 葛颖恩, 赵祥模
摘要: 考虑了燃油车和电动车动力系统差异以及货车车型对队列运营节能效果的影响，基于货车物理能耗模型和车形节能关系矩阵，建立了不同类型货车队列的能耗表征模型；为了不损失队列运营效率，构建了货车队列运营节能模型；以队列运营节能效益最大为目标，以不同类型货车数量、队列长度、队列排序位置要求为约束，建立了异质性货车队列低能耗配置优化模型，优化了队列规模和各个队列内部的车辆排序；基于数值试验，量化分析了异质性队列节能情况，解析了队列行驶工况、节能系数、不同车型比例对能耗的影响规律。研究结果表明：相较于独立行驶，12、18辆车试验的异质性货车队列运营节能率分别为6.5%、6.6%；相较于同质性队列，12、18辆车试验的异质性队列节能率分别增大了4.6%和4.8%；异质性货车队列配置情况不随行驶工况的变化而变化，但相较于匀速行驶状态，加速状态下节能率相对较低，约为3.6%；就车型排列规律而言，首先应依据“钟形”规律排布燃油车，其次应按照“钟形”规律插入电动车，使电动车帮助燃油车减少能耗，最后应优先配置队列前方位置；队列运营节能率随着速度的提升而增大，弹性系数为0.05，表明了队列技术在高速公路场景下可带来较为可观的效益；随着电动车比例的不断增大，队列节能率略有增加；节能系数对队列节能率影响最大，弹性系数为1.2。更多>
2023, 23(3): 248-258. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.03.019
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