交通运输工程学报

黏聚区模型在沥青路面反射裂缝模拟中的应用

周正峰, 蒲卓桁, 刘超 — 2018-07-14

周正峰, 蒲卓桁, 刘超结合ABAQUS有限元软件,分析了基于牵引力-分离法则的三维黏结单元本构模型与参数; 通过对单一黏结单元施加位移荷载,对比了不同初始损伤与完全失效准则组合下,加载过程中单元应力、位移和应变能的理论计算结果与数值模拟结果,以验证黏结单元的可靠性; 将黏结单元布设在开裂基层上方沥青面层可能发生反射开裂的部位,应用黏聚区模型模拟裂缝的发展过程,研究了黏结单元参数和面层厚度对裂缝扩展的影响。分析结果表明:当黏结层刚度由40 GN・m^-3下降到20 GN・m^-3时,单侧荷载与对称荷载作用下黏结层中分离位移的比值由1.52增大到13.52,单侧荷载作用下黏结层中剪切位移与张开位移的比值由1.52增大到11.32,说明当潜在裂缝扩展区刚度降低时,沥青层易于产生Ⅱ型剪切裂缝; 在交通荷载作用下,沥青面层损伤开裂的路径为首先沥青面层底部发生损伤并向上发展,随后路表轮载作用处附近发生损伤并向下发展,在损伤贯穿沥青面层后,潜在裂缝扩展区刚度的继续下降将使损伤沿道路横向继续扩展; 在面层厚度以2 cm的梯度由16 cm增加到22 cm的过程中,黏结层中分离位移分别降低了32.31%、15.22%、9.63%,剪切位移与张开位移的比值由3.24降低到1.10,说明增加面层厚度能有效延缓反射裂缝的扩展,但此延缓效果随着面层厚度的增加而减弱,并且使得面层反射开裂类型由Ⅱ型剪切型开裂逐渐趋于Ⅰ、Ⅱ型混合模式开裂。交通运输工程学报. 2018 18(3): 1-10.

钢砂SBS改性沥青混凝土裂纹的感应加热自修复性能

何亮, 李冠男, 熊汉江, 刘全涛, 高杰, 黄海林 — 2018-07-14

何亮, 李冠男, 熊汉江, 刘全涛, 高杰, 黄海林制备了带预切口的钢砂SBS改性沥青混凝土小梁试件,进行了电磁感应加热试验,分析了加热距离、钢砂粒径与钢砂掺量对SBS改性沥青混凝土裂纹自修复性能和路用性能的影响,并提出了相应导电材料使用建议。研究结果表明:加热距离越小,试件感应加热速率越大,当感应线圈距离试件顶面10 mm时,试件具有较大的加热速率且便于采用红外摄像机捕捉影像; 在混凝土制备时钢砂易于分散,钢砂粒径与掺量越大,混凝土的感应平均加热速率越大,其中,当钢砂体积分数为6%与粒径为1.4 mm时,试件顶面具有最大的感应加热速率,为1.25 ℃・s^-1; 随着钢砂掺量增加,试件的感应热自修复率逐渐提升,试件顶面最高温度达到80 ℃时,其平均自修复率为89.2%,且当钢砂体积分数为6%与粒径为1.0 mm时,试件具有最高的自修复率,为96.2%; 钢砂提高了SBS改性沥青混凝土的高温稳定性,但是对低温抗裂性有一定影响,当钢砂体积分数为6%与粒径为1.0 mm时,试件的动稳定度为6 813 次・mm^-1,冻融劈裂残留强度比为93.18%,浸水马歇尔残留强度比为93.88%,同时低温弯曲应变下降为3.155×10^-3,仍然满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40―2004)不小于3.0×10^-3的要求; 建议采用钢砂体积分数为6%与粒径为1.0 mm的SBS改性沥青混凝土用于感应加热自修复路面。交通运输工程学报. 2018 18(3): 11-18.

水泥混凝土路面固化温度区域特征及其对面板翘曲的影响

王丽娟, 胡昌斌 — 2018-07-14

王丽娟, 胡昌斌基于全国5个地区的气候参数,采用路面早龄期温度场计算程序,研究了不同海拔和纬度地区水泥混凝土路面固化温度的分布特征; 考虑了面板的固化温度与环境温度的叠加效应,采用三维有限元程序,分析了不同地区固化温度对路面板翘曲和脱空的影响特性。研究结果表明:影响面板行为有板顶、板底固化温度差和固化平均温度; 各地水泥混凝土路面的全年固化温度差的分布基本呈宽矮峰加尖锐峰的双峰组合形态,分别反映负、正固化温度差分布; 负的固化温度差集中在白天形成,变异性大,造成面板板角向上翘曲的趋势,正的固化温度差基本在夜间形成,数值集中,形成面板板角向下翘曲的趋势; 对比不同区域的路面固化温度,高原地区负固化温差最大,拉萨高频次负固化温度差可达-17.2 ℃,其次为北方地区,哈尔滨高频次负固化温度差约为-13.2 ℃; 固化平均温度分布呈单峰型,一般为负值,纬度高的地区气温年较差大,直接导致固化平均温度变异范围大,处于北方的哈尔滨高频次固化平均温度约为-30.4 ℃,拉萨则约为-18.4 ℃; 负的固化平均温度也会引起面板板角向下翘曲,同等条件下其对面板翘曲的影响效应约为固化温度差影响效应的30%～50%; 不同的固化温度特征叠合当地气候环境,对面板服役阶段的翘曲和脱空会产生不同的效应,叠加负固化温度差为-20 ℃时,面板向上翘曲增大约1.5～2.0 mm; 对于面板翘曲明显的地区,建议可选用四边约束结构形式改善路面工程性能。交通运输工程学报. 2018 18(3): 19-33.

适应6轴铰接列车动力性的高速公路最大纵坡坡度和坡长

郭腾峰, 张志伟, 刘冰, 刘建蓓, 高晋生 — 2018-07-14

郭腾峰, 张志伟, 刘冰, 刘建蓓, 高晋生针对当今中国高速公路货运主导车型6轴铰接列车以满载状态在相同纵坡条件下行驶时,其性能差于《公路工程技术标准》(JTG B01―2014)中纵坡设计代表车型的问题,采用典型平路试验和实际道路试验相结合的方法,获得了该主导车型的发动机使用外特性曲线,分析了试验车发动机转矩、功率与发动机转速的关系; 依据汽车行驶受力方程,建立了该主导车型在各个挡位下的坡度与车速的关系曲线,确定了不同纵坡坡度时,发动机全负荷状态下车辆稳定行驶的最大平衡速度,获得了该主导车型的加速性能曲线和减速性能曲线,提出了符合中国当前货运车型变化的高速公路上坡方向纵坡坡度、坡长等主要控制指标。研究结果表明:相比于《公路工程技术标准》(JTG B01―2014),在相同纵坡条件下,由于主导车型比功率的降低,其平衡速度较标准中纵坡设计代表车型对应的平衡速度降低了20%～30%,且适应其动力性的最大纵坡坡度比标准中规定的纵坡坡度小50%,因此,中国当前主导货运车辆动力性能不适应高速公路纵坡条件; 根据6轴铰接列车在不同纵坡上的加减速特性,满足6轴铰接列车爬坡需求的最大纵坡坡长随坡度的增大而降低,且降低幅度逐渐增大,最大降幅达到60%。交通运输工程学报. 2018 18(3): 34-43.

莫斯科-喀山高速铁路沿线季节性冻土冻融特征

韩龙武, 蔡汉成, 程佳, 赵相卿, 江凯 — 2018-07-14

韩龙武, 蔡汉成, 程佳, 赵相卿, 江凯在莫喀高铁沿线770余公里的季节性冻土区内,依据地貌单元、微地貌、地层岩性与水文地质条件等特征设置了14个监测场,对季节性冻土的岩性、密度、含水率、地下水位、地温、近地面气温及雪盖的厚度和密度进行了频率为10天1次,持续时间为7个月(2016年10月1日～2017年4月26日)的监测,依据监测数据分析了莫喀高铁沿线季节性冻土的冻结融化特征。分析结果表明:莫喀高铁沿线季节性冻土区的雪盖主要存在于10月下旬至翌年4月,雪盖厚度为20.2～38.2 cm,平均值为27.3 cm,最大积雪厚度为25～60 cm,平均值为44.4 cm,出现在2月上、中旬; 莫喀高铁沿线季节性冻土的起始冻结时间为11月中、下旬,全部消融时间在翌年3月上旬～ 4月中旬之间,存活时间为100～165 d,平均时间为122 d; 季节性冻土的冻结速率为0.27～1.20 cm・d^-1,平均为0.50 cm・d^-1,融化速率为0.27～2.52 cm・d^-1,平均为1.14 cm・d^-1; 在土体的冻结期间,雪盖减小了地层的冻结速率,在土体的融化期间,雪盖推迟了季节性冻土自上而下融化的起始时间与融化量,并且会使季节性冻土在无雪条件下的双向融化变为自下而上的单向融化; 莫喀高铁沿线土体在自然状态(积雪覆盖)下的季节最大冻深为0.19～0.90 m,平均为0.45 m,出现在2月上、中旬; 雪盖会减小土体的最大冻深,在雪盖平均厚度为26.1～28.6 cm时,雪盖可以使季节最大冻深减小22.2%～32.6%; 在莫喀高铁沿线的季节性冻土区,雪盖在形成初期和消融末期保温与降温效果并存,但主要以降温效果为主,而在积雪稳定期,主要以保温效果为主; 雪盖对季节性冻土热状况的影响深度和程度取决于土体含水率,土体含水率越大,雪盖的影响深度和程度就越小,反之则亦然。交通运输工程学报. 2018 18(3): 44-55.

轨道不平顺概率模型

徐磊, 翟婉明 — 2018-07-14

徐磊, 翟婉明为了高效选取轨道不平顺随机样本,以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求,依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征,提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法,在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列,对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征,视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性,采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱,并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269 km的轨道高低和方向不平顺,基于车辆-轨道耦合动力学理论,从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发,对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果,以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明:以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源,获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%,2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致,采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本,概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下,轮轨力和车体加速度的幅值分别为38～152 kN和-0.042g～0.043g(g为重力加速度),均未超过《高速铁路设计规范》(TB 10621―2014)中的限值(轮轨力为170 kN,车体加速度为0.25g),表明此高速铁路轨道不平顺状态较优,行车安全性和舒适性可以得到保证。交通运输工程学报. 2018 18(3): 56-63.

寒区隧道冻胀效应测试与分析

张玉伟, 赖金星, 邱军领, 谢永利 — 2018-07-14

张玉伟, 赖金星, 邱军领, 谢永利为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律,基于温度场变化定义了测试冻胀力,通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法,研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例,布置5个测试断面开展大规模现场测试,并选取典型断面K117+700(简称700断面)和K117+600(简称600断面)分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12～次年2月)和未冻(7～9月)时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力,结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力,并与测试冻胀力进行了对比,研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明:隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化,受环境温度影响,围岩温度呈季节性正负温变化,并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态,支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用,且温度越低冻胀效应越明显,各断面测点应力峰值均出现在1月,700断面衬砌和钢架最大应力分别为149 kPa、31 MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态,支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23 MPa,说明冻胀力除与围岩温度有关外,还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25 MPa,因此,寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。交通运输工程学报. 2018 18(3): 64-73.

高填方钢波纹管涵垂直土压力计算

魏瑞, 曹周阳, 顾安全, 谢永利 — 2018-07-14

魏瑞, 曹周阳, 顾安全, 谢永利引入表征钢波纹管波形特性的惯性矩计算方法,通过Spangler管-土相互作用模型,得到了钢波纹管涵竖向收敛变形计算公式; 假设管涵顶部填土为半无限直线变形体,将条形基础沉降倒置后比拟上埋式管涵的受力模型; 基于弹性力学推导的基础沉降计算公式,着重考虑管涵侧向土体压缩变形与管涵自身的竖向收敛变形之差,推导了管涵垂直土压力的计算公式; 以广巴广陕高速公路连接线吴家浩-张家湾段高填方钢波纹管涵工程为例,对涵顶垂直土压力进行了现场测试,将采用公式计算所得涵顶垂直土压力与现场试验结果和应用实测沉降差反算的垂直土压力进行了对比。研究结果表明:涵顶垂直土压力随填方高度的增加而增大,填土至设计标高后涵顶垂直土压力计算值、实测值和反算值分别为224.14、221.98、211.33 kPa,计算值与实测值的相对误差约为0.9%,反算值分别比计算值和实测值小6.1%、5.0%,且计算结果、反算结果均与实测涵顶垂直土压力变化规律一致,填方越高,误差越小。可见,提出的高填方钢波纹管涵垂直土压力计算公式可行,不仅考虑了涵侧土体的抗力系数和基床系数,而且体现了钢波纹管的变形与受力特征。交通运输工程学报. 2018 18(3): 74-83.

施工隧道负离子除尘新方法

徐世强, 任洪远, 王明山, 李杰 — 2018-07-14

徐世强, 任洪远, 王明山, 李杰在施工隧道通风换气时,为了快速稀释粉尘,加快施工进度,引入负离子除尘新方法,并分析了其应用的可行性; 利用粉尘颗粒荷电理论研究了粉尘颗粒的荷电量,推导了粉尘颗粒在负离子净化系统外电场作用下的饱和荷电量计算公式; 根据施工隧道的环境特点,在粉尘沉降主动力为电场力和重力时分析了粉尘颗粒的受力情况,并利用牛顿第二定律推导了粉尘颗粒的沉降算法; 模拟隧道环境进行了室内试验,依照室内试验获取的安装参数确定隧道试验方案后进行了现场试验,并利用现场测试结果分析了负离子除尘新方法的使用效果、机理和沉降算法的准确性。研究结果表明:在使用和未使用负离子净化系统的1个施工周期内,试验段呼尘消除率分别为51%和20%,超过《公路隧道施工技术规范》(JTG F60―2009)(简称《规范》)中呼尘短时间接触容许浓度8 mg・m^-3的时间分别为1、12 h,使用负离子净化系统后,呼尘时间加权平均浓度从6.38 mg・m^-3降至3.10 mg・m^-3,满足《规范》中不大于4 mg・m^-3的要求,即采用新方法可快速、高效地净化施工隧道内的空气; 施工隧道采用负离子除尘新方法的机理可使用粉尘荷电理论和牛顿第二定律进行解释; 在粉尘主要为PM₁₀的相似工况下,利用沉降算法、室内试验和现场试验得出的粉尘消除时间分别为14、18、20 min,采用算法得出的粉尘沉降时间需要考虑的综合影响系数为1.3～1.4。交通运输工程学报. 2018 18(3): 84-93.

重载货车冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响

孙树磊, 王广超, 彭忆强, 李平飞 — 2018-07-14

孙树磊, 王广超, 彭忆强, 李平飞基于摩擦缓冲器动力学理论、车钩双向接触方法与车体摇枕载荷传递模型,构建了车辆冲击三维动力学模型,仿真了不同冲击速度与不同空重车状态的货车冲击,分析了车辆冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响,并通过试验对仿真结果进行了验证。分析结果表明:利用车辆冲击三维动力学模型顺利实现了车辆冲击时缓冲器动态特性、车钩连挂动态特性与摇枕横向载荷的仿真计算,并获得了与冲击试验较为吻合的结果,其中车钩力误差基本小于10%,摇枕横向载荷误差基本小于25%; 空车质量较小,在冲击作用下车钩和从板姿态变化大,因此,重车冲击空车时车钩力动态曲线振荡特性较重车冲击重车更为明显,甚至局部出现尖峰; 相对于车钩接触模型与力学传递特性,摩擦缓冲器模型存在黏滞特性,导致重车冲击重车和重车冲击空车下车钩接触力较缓冲器阻抗力分别小24%和31%; 车钩力和摇枕横向载荷随着冲击速度的提高而逐渐增大,且时间变化历程与最大峰值出现的时间基本一致,相同速度下重车冲击重车的车钩力要大于重车冲击空车的车钩力,在3、5、8 km・h^-1速度下分别大57%、25%和37%,而产生的摇枕横向载荷刚好相反,3种速度下分别小42%、53%和47%,因此,重车与空车调车连挂过程更容易造成转向架摇枕横向载荷过大,应严格控制其连挂速度。交通运输工程学报. 2018 18(3): 94-104.

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

曹辉, 张卫华, 缪炳荣 — 2018-07-14

曹辉, 张卫华, 缪炳荣为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动,提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组,设计了一种在车辆二系安装垂向作动器,在车体底架布置压电作动器,运用H SymboleB@ 鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型,采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置,运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响,比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明:压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35 m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大,可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动,一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%; 速度越大,振动加速度抑制效果越明显,当车辆的运行速度为200 km·h^-1时,车体振动加速度均方根减小10%,当车辆的运行速度为350 km·h^-1时,车体振动加速度均方根减小18%; 相对于被动悬挂,二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为10⁶ N²·Hz^-1,对车体刚性振动有较大抑制作用,压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000 V²·Hz^-1,对车体弹性振动有较大抑制作用。交通运输工程学报. 2018 18(3): 105-113.

子系统参数对双层隔振系统隔振特性的影响

陈俊, 丁杰, 闫兵, 王永胜, 董大伟, 华春蓉 — 2018-07-14

陈俊, 丁杰, 闫兵, 王永胜, 董大伟, 华春蓉为了阐明子系统参数对双层隔振系统隔振特性的影响,建立了针对带子系统的双层隔振系统的三自由度动力学模型; 推导了一、二级主系统与子系统振幅比的解析式; 分析了3种振幅比随子系统质量比、固有频率比和阻尼比的变化规律; 给出了子系统充当双层隔振系统吸振器时最优参数的解析解和数值精确解; 以中国首批内燃动车动力包为研究对象,探讨了散热器子系统的刚度、阻尼和质量对动力包双层隔振系统隔振性能以及柴油发电机组和散热器本身振动烈度的影响规律; 得到了最优散热器隔振器刚度的动力包双层隔振系统样机,并进行了振动试验。试验结果表明:散热器隔振器刚度大于拐点处刚度1.5倍会严重恶化子系统的振动情况,其阻尼损耗系数取0.24左右能有效抑制双层隔振系统力传递率和振动烈度比的峰值,取较大的散热器质量能有效提高双层隔振系统的隔振性能,减小机组和散热器本身的振动烈度; 经过设计后,停机工况下二级隔振器最大动反力减小50%,常规工况下二级隔振器的实测最大动反力为296 N,优于同类水平,常规工况下机组与散热器实测振动烈度最大值分别为15.45、4.97 mm・s^-1,水平优秀。可见,取较大的子系统质量和阻尼,并将其视为双层隔振系统的吸振器进行优化设计,可使双层隔振系统在柴油机启停机工况和常规工况下都具备较优的动力学性能。交通运输工程学报. 2018 18(3): 114-128.

面向热轴故障的高速列车轴温阈值预测模型

谢国, 王竹欣, 黑新宏, 高橋聖, 望月宽 — 2018-07-14

谢国, 王竹欣, 黑新宏, 高橋聖, 望月宽针对现有基于车轴温度固定阈值的故障检测系统适应性差且误报率、漏报率高的问题,综合考虑列车速度、环境温度与运行工况等因素对轴温的影响以及各因素之间的关系,建立了高速列车轴温动态阈值预测模型; 考虑高速列车在不同运行工况下轴温变化的差异特征,将列车运行状态分为加速、匀速和减速3个阶段,并针对每个阶段运用皮尔逊相关系数法分析列车速度、环境温度、荷载等原始监测数据以及各阶段运行时间、初始轴温等衍生数据与轴温的相关程度; 提取与轴温变化密切相关的因素,基于多元回归分析方法,针对列车的3个运行阶段,分别建立基于原始监测数据的轴温动态阈值预测模型和基于原始监测数据与衍生数据的改进轴温动态阈值预测模型,并采用F检验方法对模型的有效性进行检验,基于中国高速列车实测轴温数据对模型的正确性进行了验证。研究结果表明:列车在加速、匀速与减速3个阶段中,轴温真实值与改进轴温动态阈值预测模型预测值的平均相对误差分别为2.0%、4.1%和3.3%; 相对于基于原始监测数据的轴温动态阈值预测模型,3个阶段中改进轴温动态阈值预测模型的预测精确度分别提高了79.8%、64.3%和65.6%; 改进预测模型的决定系数大于0.99,显著性概率小于0.05,表明模型有效。交通运输工程学报. 2018 18(3): 129-137.

安全型继电器失效机理判别与寿命预测

孙永奎, 张玉琢, 徐超凡, 曹源 — 2018-07-14

孙永奎, 张玉琢, 徐超凡, 曹源分析了安全型继电器的失效机理,将其划分为3种失效形态; 以接触电阻、吸合时间、超程时间、回跳时间、释放时间和燃弧时间作为失效特性参数,采用小波变换和移动平均法实现降噪; 针对特性参数间可能存在相关性的情况,采用主成分分析法实现对多维特性参数的降维处理; 定义了主成分的平均梯度,采用欧氏距离判别准则,对18组触点的失效形态进行了判别; 采用Fisher判别方法分析了触点特性参数,选取能够显著反映安全型继电器寿命的特性参数作为预测变量,建立了灰色预测模型,进行了安全型继电器的寿命预测,并验证了模型的预测效果。研究结果表明:降噪后特性参数平滑度较好,同时具有较高的信噪比和较低的均方根误差,降噪效果较理想; 采用欧氏距离判别准则得到的18组触点失效形态的判别准确度为83.3%; 超程时间的Fisher判别函数值最大,为8.2,表明超程时间是表征安全型继电器寿命的一个重要参数; 安全型继电器的实际寿命为12.2万次,基于灰色模型的预测寿命为11.6万次,寿命预测值的相对误差为4.9%,表明基于提出模型的寿命预测精度较高,具有较好的可行性。交通运输工程学报. 2018 18(3): 138-147.

基于动态规划算法的增程式电动汽车能量管理策略优化

席利贺, 张欣, 耿聪, 薛奇成 — 2018-07-14

席利贺, 张欣, 耿聪, 薛奇成提出了一种动态规划改进算法,根据约束条件确定未来可达状态序列,通过计算离散状态点间的转移代价,在保证求解精度的同时,降低了离线优化计算量; 利用改进动态规划算法设计了增程式电动汽车能量管理策略,根据能量管理优化问题特点,建立了动力系统模型和适用于全局优化求解的系统状态方程,并确定了以动力电池荷电状态为系统状态量和增程器发电功率为系统控制量; 在迭代计算过程中,将发动机燃油费用和动力电池电能费用之和作为目标函数,构建了基于北京主干道不同行驶里程仿真工况,得到了驱动电机需求功率最优分配结果; 提取了增程器启停状态与动力电池荷电状态和驱动电机需求功率二者之间的控制规则,利用最小二乘法对增程器功率分流比与驱动电机需求功率的分布规律进行拟合,建立了基于优化规则的能量管理策略。仿真结果表明:对于行驶里程为100 km的仿真工况,动态规划改进算法计算时间为7 239 s,与经典动态规划算法相比计算效率提高了78.2%; 基于优化规则的能量管理策略能够获得类似动态规划改进算法的控制效果,2种控制策略的动力电池荷电状态误差小于2.5%; 相比实车电能消耗-电能维持型控制策略,基于优化规则的控制策略能够使整车经济性提高5.4%,使燃油经济性提高7.9%。交通运输工程学报. 2018 18(3): 148-156.

城市主干路交通功能可靠度量化评价方法

严亚丹, 仝佩, 宁佐强, 王东炜 — 2018-07-14

严亚丹, 仝佩, 宁佐强, 王东炜为了定量评价城市主干路交通功能的实现程度,建立了城市主干路交通功能可靠度的计算方法; 分析了主干路交通功能的3个主要特征,即承载较大交通流量,具有较高运行速度与服务于中长距离出行,应用可靠度理论,提出了城市主干路交通功能可靠度的概念; 选取行程速度和直行率之积作为可靠度的计算指标,构建了基于概率论的交通功能可靠度计算方法; 分析了2个计算指标的阈值范围,对比了交通功能可靠度与服务水平的区别与联系; 针对郑州市2个主干路单元,评价了其高峰和非高峰时段的交通功能可靠度。计算结果表明:行程速度与直行率之积不相关,且可认为二者相互独立; 主干路与支路交叉口的直行率均大于主干路与次干路交叉口的直行率,实测的4组数据中直行率分别高出0.271、0.062、0.229和0.034; 连接老城区与高新区的科学大道在高峰和非高峰时段的交通功能可靠度分别为0.803和0.702,交通功能实现程度处于较高水平; 老城区的东风路在高峰时段的交通功能可靠度为0.386,其交通功能特征和实现程度相对较弱,远低于科学大道; 科学大道上3个交叉口的服务水平均为一级,高峰和非高峰时段的路段服务水平分别处于C级、B级,而高峰时段东风路上3个交叉口的服务水平分别为二级、二级和三级,路段服务水平处于C级,科学大道的整体服务水平优于东风路。可见,交通功能可靠度评价结果与服务水平分析结果的趋势基本一致,但与服务水平相比,交通功能可靠度更能体现主干路的功能特征和外界因素对交通运行的随机影响。交通运输工程学报. 2018 18(3): 157-166.

一种拥挤数量调节的非均衡网络交通流动态演化模型

吴立烜, 黄中祥, 王玉兰, 魏涛 — 2018-07-14

吴立烜, 黄中祥, 王玉兰, 魏涛基于经济学非瓦尔拉斯均衡理论,采用经济学中市场摸索过程模拟出行者路径选择行为; 假设城市出行者在路径决策过程中,考虑路径出行时间和关键路径拥挤程度的共同影响,以价格拥挤混合均衡交通流模式为基础,建立了一种价格-拥挤混合调节的非均衡网络交通流动态演化模型,并验证了模型稳定状态与均衡的等价性; 基于简单的测试网络和中型路网,对演化模型进行了模拟,描述了非均衡网络交通流的演化过程与非均衡状态下交通网络的整体表现。研究结果表明:时间价格调节模型的演化结果符合经典的Wardrop第一原理,拥挤数量调节的结果使得OD间各路径上关键路段的拥挤程度一致,价格-拥挤混合调节的结果会使路径流在走行费用较小和拥挤程度较低的路径上相互进行调整,其动态演化过程波动性要大于单一调节的情况; 在测试路网中,考虑采用拥挤程度对路径进行选择的行为,使得整个路网拥挤均匀程度整体提高62%,但路段饱和度均值却从0.60增大到了0.64,表明路网整体上变得拥挤; 若考虑两者的共同调节,最拥堵路段饱和度从0.936下降到0.787,均匀程度整体提高46%,且路段饱和度均值降低,路径行程时间变小,拥堵得到改善; 中型路网的测试结果也表明这种混合均衡模式能灵活、客观地描述路网交通流动态演化过程,获得较为合理的路网系统的稳态流量。交通运输工程学报. 2018 18(3): 167-179.

城市快速路匝道车辆汇入影响因素识别与行为预测

王尔根, 孙剑 — 2018-07-14

王尔根, 孙剑分析了美国US101快速路瓶颈路段(简称“US101”)和上海市延安高架上虹许路匝道瓶颈路段(简称“SHHX”)的车辆轨迹数据,研究了城市快速路入口匝道车辆的汇入行为; 考虑了汇入行为的13个瞬时影响因素和25个历史经历影响因素,采用随机森林算法对38个影响因素进行重要度排序,并识别关键影响因素; 分别对2个瓶颈路段构建了贝叶斯网络汇入行为预测模型,并评价了模型预测精度。分析结果表明:瓶颈路段US101和SHHX共有14个关键影响因素,包括6个历史经历影响因素,其中瓶颈路段US101和SHHX历史经历影响因素分别占关键影响因素总数的45.45%、36.36%,说明汇入行为的历史经历影响因素对最终汇入决策有显著的影响; 考虑历史经历影响因素的贝叶斯网络模型预测精度较高,瓶颈路段 US101和SHHX汇入行为的总体预测精度分别提高了2.53%、8.85%,其中未考虑历史经历影响因素时,瓶颈路段US101和SHHX汇入行为的总体预测精度分别为87.94%和73.17%,考虑历史经历影响因素时,瓶颈路段US101和SHHX汇入行为的总体预测精度分别为90.47%和82.02%; 此外,预测模型无过度拟合,测试集汇入事件与非汇入事件的预测精度之差在1.2%以内。交通运输工程学报. 2018 18(3): 180-188.

随机用户均衡交通分配问题的蚁群优化算法

杨临涧, 赵祥模, 贺冰花, 魏秋月, 安毅生 — 2018-07-14

杨临涧, 赵祥模, 贺冰花, 魏秋月, 安毅生研究了出行者对路网熟悉程度的指标与交通流分配均衡性之间的关系,提出了具有指数形式信息素更新策略的随机用户均衡模型蚁群优化算法,建立了从Logit模型加载,到交通需求确认及路径流量、路段流量、路段阻抗、路径阻抗迭代计算的交通分配动态循环流程; 计算了Nguyen-Dupuis路网模型中各路段的流量与阻抗,并与连续平均算法计算结果进行比较; 通过调节出行者对路网熟悉程度的因子,分析了蚁群优化算法与连续平均算法的敏感性。研究结果表明:采用连续平均算法和蚁群优化算法计算的路段流量分布分别为20～280、40～260 pcu,蚁群优化算法的流量分布区间减小了15.4%,路段流量的最大值减小了7.1%,因此,采用蚁群优化算法计算的路段流量较为均衡; 采用蚁群优化算法时,在Nguyen-Dupuis路网模型中各路段流量的标准差从65 pcu降至48 pcu,88%可选路径的阻抗分布在61～64,且84%的路径阻抗低于采用连续平均算法计算的阻抗,因此,采用蚁群优化算法减少了用户出行时间; 当路网熟悉程度分别为0.01、0.1、1、2、7、11时,采用连续平均算法计算的路段流量标准差分别为75、65、50、47、45、45 pcu,采用蚁群优化算法计算的路段流量标准差分别为48、48、48、47、43、43 pcu,可见,随着路网熟悉程度的增大,分配在各路段上的流量范围逐渐减小,标准差趋于稳定,信息素更新策略对出行者的路径选择概率影响越明显,出行者选择阻抗小的路径的概率变大,因此,采用蚁群优化算法对路段的流量分配逐渐优于连续平均算法。交通运输工程学报. 2018 18(3): 189-198.

泊位-岸桥联合分配模型的模拟植物生长交替进化算法

吴迪, 王诺, 林婉妮, 吴暖 — 2018-07-14

吴迪, 王诺, 林婉妮, 吴暖为了综合优化集装箱码头泊位和岸桥联合分配计划,分析了二者的相互独立性和系统关联性; 利用相互独立性,分别针对泊位和岸桥分配建立了以平均在港时间和作业成本最小为目标的2个优化子模型; 利用系统关联性,构建了泊位-岸桥联合分配的约束条件,将2个子模型紧密联系在一起,建立了完整的泊位-岸桥联合分配模型; 分析了联合分配模型的特点,设计了模拟植物生长交替进化算法求解模型,利用基于模拟植物生长算法的交替进化算子对种群中每个个体的2个目标进行交替优化,进而实现种群进化,通过算法框架实现非支配解筛选,经多次种群进化和非支配解筛选,获得泊位-岸桥联合分配的Pareto满意解集; 针对大连港集装箱码头3 d中共计31艘真实到港船舶的泊位-岸桥联合分配计划进行优化计算,并与多目标遗传算法的计算结果进行对比。计算结果表明:共获得13个满意解,船舶平均在港时间为7.47～9.44 h,使用岸桥次数为85～96台,作业总成本为20.868～21.114万元; 与多目标遗传算法相比,进化算法的运算速度提高了6.07%,所得非支配解的数量增加了4个,增加幅度为30.76%,且计算结果更趋近于Pareto前沿,联合分配计划优化程度较高。可见,采用模拟植物生长交替进化算法能够最大限度地保持种群进化过程中个体的独立性,获得更多的非劣解,且交替进化的方式能够使结果更逼近Pareto前沿。交通运输工程学报. 2018 18(3): 199-209.

基于非线性主成分分析和GA-RBF的高速公路交通量预测方法

雷定猷, 马强, 徐新平, 刘青意 — 2018-07-14

雷定猷, 马强, 徐新平, 刘青意为了提高高速公路交通量的预测精度,综合考虑高速公路交通量的高度非线性和受多因素影响的特征,提出一种基于非线性主成分分析和GA-RBF神经网络(NPCA-GA-RBF)的高速公路交通量预测方法; 确定了高速公路交通量的主要影响指标,运用非线性主成分分析法降低高速公路交通量影响指标的维数及其相关性,用少数主成分代替原有的多指标,以简化神经网络结构; 利用GA优化RBF神经网络的参数,进一步提高交通量的预测精度; 以普洱市某高速公路为例,对交通量预测方法进行实例验证。分析结果表明:2组试验GA-RBF和NPCA-GA-RBF方法的平均相对误差分别比RBF方法降低1.62%、3.53%和2.27%、3.32%,说明GA优化RBF神经网络能提高RBF方法的交通量预测精度; 与GA-RBF方法相比,2组试验NPCA-GA-RBF方法的平均相对误差分别降低了1.91%、1.05%,其交通量预测值更接近实际交通量,预测结果更为可靠,表明非线性主成分分析法消除了指标的相关性,进一步提高了交通量预测精度,减少了交通量预测复杂度。可见,NPCA-GA-RBF方法具有更高的交通量预测精度,能为高速公路的良好管理提供可靠的决策依据,满足高速公路合理运营管理的客观需求。交通运输工程学报. 2018 18(3): 210-217.

改进的Sliding Window在线船舶AIS轨迹数据压缩算法

高邈, 史国友, 李伟峰 — 2018-07-14

高邈, 史国友, 李伟峰分析了船舶AIS数据的时间序列特征与船舶操纵特性,提出了改进的Sliding Window在线压缩算法; 计算了277艘船舶总计1 026 408个坐标点的AIS轨迹数据,确定了合适的压缩阈值,分析了距离阈值与角度阈值对算法压缩率的敏感程度; 根据压缩率图像的阶跃点,推荐了高、中、低3个档位的距离阈值和1个角度阈值,对比了Douglas-Peucker算法和改进Sliding Window算法的压缩率与压缩效率。试验结果表明:随着压缩率的提高,压缩后所剩下的点越来越少,数据所保留下来的有用信息也越来越少; 压缩率与距离阈值、角度阈值均呈正比; 经量纲为1化处理的高、中、低档位压缩距离阈值分别为43%、38%、33%船长; 距离阈值为130 m时,角度阈值超过9°后压缩率平稳,所以推荐角度阈值为9°,与《海港总体设计规范》(JTS 165―2013)中风流压差角8°相接近; 随着距离阈值的增大,Douglas-Peucker算法和改进Sliding Window算法压缩率趋于相近,当距离阈值为120 m时,Douglas-Peucker算法压缩率仅比改进Sliding Window算法高1.74%; 在5种距离阈值的情况下,Douglas-Peucker算法运行所用的平均时间是改进Sliding Window算法的5.39倍; 随着数据量的增大,2种算法压缩效率的差距更加明显。可见,改进的Sliding Window算法能在降低压缩风险的同时大幅提高压缩效率,可以在数据持续更新的状态下一直保持压缩状态,与普通压缩模式相比,系统所占用的资源更少,处理效率更高,可用于船舶轨迹数据处理、电子海图显示与对船舶关键行为特征提取等方面。交通运输工程学报. 2018 18(3): 218-227.

二维激光雷达数据角点特征的提取

康俊民, 赵祥模, 杨荻 — 2018-07-14

康俊民, 赵祥模, 杨荻为增强无人车识别行驶环境中角点特征的鲁棒性,并提高角点特征的识别速度,基于观测点的二变量正态概率密度映射之间的相对差值, 提出了一种角点特征提取方法; 将观测数据组映射到二变量正态概率密度空间,获得每个观测点的映射; 对映射结果进行归一化,消除协方差引起的数值差异; 在映射数值曲线中寻找波峰与波谷的位置,波峰对应的观测点最接近均值点,波谷对应的观测点最接近拐点; 利用波峰和波谷的相对高度判定该组观测数据是否符合角点特征的边长要求; 用波谷对应的原始观测数据点坐标作为角点特征,构建环境特征地图。试验结果表明:提取方法能够处理观测点数大于63,观测点角度分辨率大于1°的稀疏观测数据,在大尺寸室外环境和室内环境中,提取方法都能够稳定识别大型角点; 对小于180个点的观测数据,最大处理时间小于5 ms,平均处理时间小于1.9 ms,提取方法减少了构建环境特征地图的时间; 提取方法依据观测数据的二变量正态概率密度提取角点特征,对观测误差和角点特征的尺度与形状不敏感,能够有效提高角点特征的识别鲁棒性。交通运输工程学报. 2018 18(3): 228-238.