交通运输工程学报

从工程科学走向工程技术——新时期交通与运载工程学科发展与展望

王之中, 皮大伟, 吴兵 — 2021-10-01

王之中, 皮大伟, 吴兵国家自然科学基金委员会积极推进基金改革，设立技术科学板块，面向国家重大需求和经济主战场，解决需求背后的核心技术科学问题，推动科研范式改革。交通与运载工程学科作为科学基金技术板块的重要组成部分，应当积极响应，及时调整学科资助政策。小学科，大行业，交通与运载工程学科研究呈现需求牵引、面向未来、技术集成、交叉融通的特点，需要进一步重视各交通体系交通诸要素的差异性和独特性，反对脱离行业、脱离应用对象，盲目梳理所谓的共性工程科学问题。推动基于RAMS(可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维护性(Maintainability)和安全性(Safety))理论的工程科学与工程技术评价体系建设，关注各交通体系自身的特点及科学基础差异，强化其在重大、重点、人才等重要项目立项建议遴选、评审及成果后评估各环节中的应用，加快科学成果转化，支撑“交通强国”建设。交通运输工程学报. 2021 21(5): 1-5.

中国高速铁路的崛起和今后的发展

熊嘉阳, 沈志云 — 2021-10-01

熊嘉阳, 沈志云中国高速铁路是世界高速铁路发展中重要的一部分，从历史观点(人类社会发展的必然)和全球视野(世界高速铁路发展的延续)两方面重点回顾了中国高速铁路的崛起和发展历程，从宏观角度分析了世界高速铁路发展的时间轴，阐述了4次世界工业革命不断催生交通运输技术的重大进步，指出了世界高速铁路的发展都要经历4个阶段：酝酿、探索、成熟、发展。美国最早提出建设高速铁路，但至今还在酝酿期。日本、法国、德国等仍然处于探索期。只有中国高速铁路已进入快速发展期。围绕中国高速铁路取得的巨大历史成就，阐述了中国高速铁路引进、消化、吸收再创新到自主创新的过程，阐明了中国高速铁路之所以取得世界瞩目的重大成就，从政策层面看，主要是因为中国在吸收各国探索经验的基础上，在政府统筹下集中力量办大事，充分整合和利用企业、高校、科研院所等的资源优势，创建了轨道交通国家技术创新体系；从技术层面看，主要原因是取得了技术突破、理论突破和试验突破三大重要突破。探讨了高速铁路发展面临的技术挑战，论述了高速铁路关键技术的研究进展，展望了后高铁时代轮轨高铁和磁悬浮高铁的发展方向，提出了智能高铁、智慧高铁、数字高铁等未来发展思路，以期为中国高速铁路的未来走向和发展提供参考，助力中国交通强国伟大梦想的实现。交通运输工程学报. 2021 21(5): 6-29.

定制公交线路优化综述

马昌喜, 郝威, 沈金星, 王超, 杜波 — 2021-10-01

马昌喜, 郝威, 沈金星, 王超, 杜波为全面回顾定制公交线路优化问题的研究进展，从优化目标、问题场景和求解算法3个方面对相关文献进行了归类分析。研究结果表明：定制公交线路的单目标优化研究主要集中在行驶时间、运营里程、运营成本、运营收益以及多种成本线性加权形成的系统总成本等方面，而多目标优化研究主要通过同时考虑运营成本、出行成本和服务质量中的2种或3种来实现；根据出发和到达站点的数量，定制公交线路优化的问题场景可分为“一对一”、“多对一”和“多对多”3种，针对停靠站点之间时间阻抗场景的研究主要集中在“静态时间阻抗”，对“动态时间阻抗”的研究较少；出行需求场景的研究也主要集中在“静态出行需求”，对于“动态出行需求场景”，一般通过两阶段优化策略进行求解；由于定制公交的线路优化问题属于一种特殊的车辆路径优化问题，精确求解算法适用于少量出行需求的分析案例，针对大规模出行需求的实际问题，一般采用启发式智能算法进行求解。未来的研究中，定制公交的线路优化需要考虑停车场设置和停靠点选择的影响，针对不同类型出行者设置特定的时间窗属性；此外，大数据背景下如何兼顾实时出行需求和运营成本约束，提供差异化的定制公交线路也将是具有挑战的研究方向。交通运输工程学报. 2021 21(5): 30-41.

基于阻燃抑烟的纳米黏土改性沥青综述

杨小龙, 申爱琴, 蒋宜馨, 吴寒松, 王广琛 — 2021-10-01

杨小龙, 申爱琴, 蒋宜馨, 吴寒松, 王广琛分析了沥青材料的热解燃烧特性，总结了沥青材料阻燃抑烟性能测试方法，归纳了国内外常用的沥青阻燃剂类型及其优缺点；论述了隧道沥青材料常用的阻燃技术，评析了纳米改性沥青阻燃抑烟机理；探讨了纳米黏土对沥青材料高低温性能、水稳定性及老化性能等路用性能的影响，展望了未来隧道阻燃抑烟沥青材料的研究方向。研究结果表明: 用于隧道沥青材料阻燃剂应具有良好的协同阻燃抑烟效应，而金属氢氧化物和纳米材料具有较大的应用潜力；沥青材料的阻燃抑烟性能测试主要参考聚合物阻燃测试方法，这些试验方法与沥青路面真实燃烧状态明显不符，亟需补充和完善沥青材料阻燃抑烟性能测试方法和标准；以纳米黏土为代表的纳米改性材料对热沥青的烟气释放具有显著的抑制作用，但目前研究主要集中于纳米材料和聚合物复合材料的阻燃机理方面，针对纳米改性沥青的阻燃抑烟机理缺乏系统性研究；纳米黏土可显著改善沥青的高温、水稳及老化性能，对低温性能的影响方面，国内外研究存在较大争议；应将热拌沥青混合料烟气控制技术、金属氢氧化物和纳米黏土协同阻燃技术及沥青材料阻燃性能测试方法等方面作为隧道阻燃抑烟沥青材料未来的重点研究方向。交通运输工程学报. 2021 21(5): 42-61.

冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响

闫斌, 娄徐瑞利, 谢浩然, 陈伟, 程瑞琦 — 2021-10-01

闫斌, 娄徐瑞利, 谢浩然, 陈伟, 程瑞琦以哈大高速铁路路基冻胀区板式无砟轨道为研究对象，开展了快速冻融循环作用下C60、C40混凝土和砂浆材料标准立方体试件轴心受压和劈裂抗拉破坏试验，研究了冻融循环作用下材料性能劣化规律；在此基础上，建立了考虑限位凸台、环形树脂和层间黏结接触性能的CRTS Ⅰ板式无砟轨道-路基冻胀冻融空间有限元模型，研究了冻融损伤后轨道的静力特性，揭示了底座板的受力状态与损伤特征。研究结果表明：提高混凝土强度等级可显著减缓冻融循环对材料的劣化剥蚀作用，冻融循环加剧会导致结构界面接触状态显著恶化；随着冻融循环作用次数的增加，砂浆层和底座板材料性能劣化显著，弹性模量、层间黏结强度和轴心抗拉强度均大幅减小；与未冻融工况相比，300次冻融循环后，C60、C40混凝土和砂浆的峰值抗压强度降幅分别为14.7%、34.6%和29.9%，C60混凝土与砂浆胶结界面轴心抗拉强度降幅达到90.6%，C60、C40混凝土和砂浆轴心抗拉强度降幅均超过56%；在典型冻胀条件(冻胀波长为10 m，冻胀峰值为8 mm)下，冻胀中心处轨道各结构层上表面均受最大拉应力，在冻胀波脚处出现最大压应力；随着冻融循环次数的增加，轨道板和底座板所受最大拉应力亦不断增加。可见，在设计寒区板式无砟轨道时，底座板为主要控制性构件，底座板中部冻胀为最不利工况。交通运输工程学报. 2021 21(5): 62-73.

高速道岔弹性铁垫板刚度劣化规律及对提速的影响

王璞, 王树国, 葛晶, 杨东升 — 2021-10-01

王璞, 王树国, 葛晶, 杨东升对高速道岔弹性铁垫板的伤损发展及刚度演变过程进行了跟踪试验；基于实测数据，建立了车辆-道岔耦合动力学计算模型，分析了弹性铁垫板刚度劣化对车辆-道岔动力性能的影响，研究了刚度劣化状态下高速道岔对进一步提升运营速度的适应性。研究结果表明：随着高速道岔弹性铁垫板的长期使用，出现橡胶老化、开裂、分离、脱落，铁件锈蚀等伤损；有砟、无砟道岔铁垫板动静刚度比变化均较小，但静刚度均有所增大，有砟道岔铁垫板静刚度初期即有明显变化，上道3年增幅可超60%；普通地带无砟道岔铁垫板静刚度最大可增加30%，刚度变化小于有砟道岔；高寒、多风沙地带无砟道岔铁垫板静刚度变化较快；高速道岔弹性铁垫板刚度的逐渐劣化会对动力性能产生影响；刚度劣化状态下岔区钢轨变形减小，轮轨动力冲击作用增大，安全性参数均有提高；车辆和轮对的运动轨迹基本不变，但轮对振动加剧，车体振动也有加剧的趋势；高速道岔弹性铁垫板刚度劣化状态下，运营速度的提升会导致车辆-道岔系统动力性能进一步劣化，安全和疲劳性能裕量进一步减小，刚度劣化会使高速道岔对提速的适应性下降。扩大提速范围须重点关注道岔区弹性铁垫板刚度劣化情况，对弹性铁垫板进行适当更换，确保行车安全平稳。交通运输工程学报. 2021 21(5): 74-83.

机场跑道全波段不平整测试方法

钱劲松, 岑业波, 刘东亮, 李军世, 刘诗福 — 2021-10-01

钱劲松, 岑业波, 刘东亮, 李军世, 刘诗福结合车载式激光断面仪与全球导航卫星移动定位系统，提出了一种机场跑道全波段不平整测试方法；在济南遥墙国际机场进行了现场测试，采用重复试验与水准仪对该测试方法进行了可靠性验证；利用ADAMS/Aircraft软件建立了B737-800虚拟样机模型，进行了实测跑道不平整数据下的飞机滑跑仿真，探究了不同检测方法、滑跑速度、飞机位置下实测道面数据特征对飞机振动响应的影响。研究结果表明：所提出的测试方法可获得道面全波段不平整数据，弥补了激光断面仪难以捕获14 m以上波长的缺陷；当速度为80 km·h^-1时，全波段不平整道面下飞机振动响应波动幅值分别为长波不平整和短波不平整下的1.25~2.39倍和1.19~1.85倍，说明仅考虑道面长波或短波不平整将低估飞机在实际不平整条件下的振动响应；随着飞机滑跑速度的增大，全波段不平整与短波不平整条件下的飞机振动加速度差别逐渐增大，而动载系数差值则呈现先增大后减小的趋势，在速度为160 km·h^-1时达到最大，说明飞机在高速滑行中道面长波不平整的影响更为明显；全波段不平整相比短波不平整条件下驾驶舱加速度增幅平均比重心处大0.062 m·s^-2，前起落架动载系数增幅比主起落架平均大0.039，表明长波不平整对飞机前部振动的影响比重心处大，且随着滑行速度增大，这一差值先增大后减小，加速度的差值在80~120 km·h^-1时最明显，峰值约为0.078 m·s^-2，而动载系数的差值在160 km·h^-1达到0.062的峰值。交通运输工程学报. 2021 21(5): 84-93.

EBBR试验下沥青结合料低温性能评价指标

冯德成, 崔世彤, 易军艳, 王东升 — 2021-10-01

冯德成, 崔世彤, 易军艳, 王东升聚焦沥青结合料低温性能评价指标，基于流变学的弯曲梁流变仪试验、改进弯曲梁流变仪试验，分别分析了实际路面回收沥青、老化后的基质沥青、改性沥青低温流变性能规律；利用传统劲度模量及模量变化率指标展开了沥青的低温性能评价，提出了等效低温设计温度指标与温度差异值指标；在不同养护环境下进行模拟，利用低温等级损失指标对新制备、回收沥青展开了低温物理硬化影响因素研究；利用不同来源、不同品种沥青试验结果相互验证，从抗干扰能力、稳定性、评价准确度、直观性与指标获取难易程度等方面对上述指标进行分析，确立了4类指标对沥青低温性能的区分与评价能力。研究结果表明：回收沥青的实验室流变分析能够反映路面结构的低温抗裂水平，开裂严重路段沥青的模量明显高于其他路段，其数值差异可达130 MPa；新制备的SBS改性沥青与回收沥青低温加载规律一致性高，模量偏差低于15%，可有效搭建起实验室研究同实际路面病害处理需要的关系；传统指标数据稳定性偏弱，置信度仅为64.7%~82.3%，难以满足研究需要，温度差异值指标及低温等级损失指标在应用方面同样受到制约，对此仍需开展更多深入的研究。交通运输工程学报. 2021 21(5): 94-103.

沥青混合料蠕变损伤模型与损伤演化

张启鹏, 顾兴宇, 丁济同, 胡栋梁 — 2021-10-01

张启鹏, 顾兴宇, 丁济同, 胡栋梁为定量描述沥青混合料的蠕变特性，考虑沥青混合料在整个蠕变过程中同时存在蠕变硬化机制和蠕变损伤劣化机制，基于分数阶微积分理论，发展了一种相对简单的分数阶蠕变损伤模型，用分数阶Maxwell模型来描述蠕变硬化机制，用损伤应变来表示蠕变损伤劣化机制，并从统计学角度推导出沥青混合料的损伤演化方程；对AC-13沥青混合料进行了不同应力水平(0.179、0.358、0.448、0.537和0.716 MPa)下的单轴压缩蠕变试验，通过Levenberg-Marquardt优化算法进行了非线性拟合，确定了不同应力水平下分数阶蠕变损伤模型的参数与损伤演化曲线；为构建不同应力水平下统一的损伤演化模型，提出了一种统计量化沥青混合料损伤演化的方法，建立了蠕变损伤与损伤应变之间的演化关系。研究结果表明：在不同应力水平下，提出的分数阶蠕变损伤模型与试验结果的判定系数均不小于0.995，适用于描述包括衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段的整个蠕变过程；在衰减蠕变阶段，不同应力水平下沥青混合料的损伤都小于1.0×10^-3，相对于蠕变破坏时的损伤0.8可以忽略不计，而进入稳定蠕变阶段以后，损伤逐渐增大；当沥青混合料的蠕变应力超过一定值时会发生蠕变破坏，其流值时间取决于所施加的应力水平；用二参数Weibull分布函数拟合所得的蠕变损伤与损伤应变之间演化关系的判定系数为0.992，说明可以建立不同应力水平下的统一损伤演化模型，且其参数只与材料性能和温度有关，与施加应力大小无关。交通运输工程学报. 2021 21(5): 104-113.

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

姚远, 许振飞, 宋亚东, 沈龙江, 李传龙 — 2021-10-01

姚远, 许振飞, 宋亚东, 沈龙江, 李传龙针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题，提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理，研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施；根据某动力车结构参数，建立车辆横向动力学模型，结合半经验非线性涡激振子模型，实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明：单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因；减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施；针对该动力车，需避免较低等效锥度的轮轨接触，以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧；当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m^-1减小到400 kN·s·m^-1，涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%；车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时，可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值，并能兼顾车体前后端横向平稳性。交通运输工程学报. 2021 21(5): 114-124.

体悬电机变轨距转向架动车动力学性能及参数优化

黄志辉, 郑志伟, 徐芳, 戴晓超 — 2021-10-01

黄志辉, 郑志伟, 徐芳, 戴晓超建立了一种适用于1 435/1 000 mm轨距变换、电机体悬的高速动车组变轨距转向架动车的动力学模型；重点计算在2种轨距线路上动车采用不同的轮轨匹配关系、不同磨耗状态下的运行稳定性分岔特性，并计算了轨距、轮轨游间对运行稳定性的影响；计算了车辆运行垂向和横向平稳性以及在不同曲线工况条件下车辆的曲线通过性能，结合相关动力学标准对各项动力学性能指标进行了评定，并对造成各项动力学指标差异的原因进行了简要分析；以电机体悬式变轨距转向架动车的12个悬挂参数为因子，以车辆蛇行失稳速度、轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数5个动力学指标为响应，采用最优拉丁超立方设计方法进行试验设计；建立径向基神经网络代理模型，采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对动车主要的悬挂参数进行多目标优化。计算结果表明：在设计工况条件下，所设计的高速动车组变轨距转向架动车在2种轨距线路上运行稳定性、平稳性和曲线通过性能均能满足设计要求；在1 000 mm轨距上运行的稳定性优于1 435 mm轨距情况，但运行平稳性和曲线通过性能劣于1 435 mm轨距情况；优化后的悬挂参数可以兼顾车辆的运行稳定性、平稳性和曲线通过性能，使车辆具有更好的动力学性能，在2种轨距线路运行上所有计算性能指标均满足相关标准。交通运输工程学报. 2021 21(5): 125-137.

内轴颈高铁车轴结构设计与强度分析方法

郭峰, 吴圣川, 冯洋, 刘建新, 梁树林, 尹振坤 — 2021-10-01

郭峰, 吴圣川, 冯洋, 刘建新, 梁树林, 尹振坤针对高速列车的轻量化设计需求，分析了内轴颈高铁车轴独特的内支承结构与承载特点，建立了内轴颈高铁车轴受力状态和结构强度理论分析模型，提出了内轴颈高铁车轴设计极限载荷和疲劳强度的解析计算方法；在此基础上，制定了基于理论分析、有限元方法和车辆系统动力学的内轴颈高铁车轴结构设计方法，并以17 t轴重的内轴颈高铁车轴为例开展了应用研究；基于内轴颈高铁车轴受力状态的理论分析结果，确定了车轴的临界安全截面和详细尺寸方案；建立了内轴颈高铁车轴的有限元模型，评估并校核了车轴的疲劳强度；建立了轴箱内置式高速动车的刚-柔耦合系统动力学仿真分析模型，验证了车辆的动力学性能和车轴的动荷载。分析结果表明：17 t轴重的新型内轴颈高铁车轴的质量为273.6 kg，比同轴重传统外轴颈高铁车轴的质量低约30%；内轴颈高铁车轴各截面疲劳强度的安全系数均大于1.66，临界安全截面转移至轴颈与轮座之间的卸荷槽及轴颈与轴身之间的过渡圆弧区域；采用内轴颈车轴的高速动车能够以350 km·h^-1的速度稳定通过半径为5.5 km的曲线线路，主要动力学性能指标优良；在选定曲线通过工况下车轴所承受的动载荷均能被设计极限载荷包络，据此开展的车轴结构设计和强度分析是稳健的。可见，内轴颈高铁车轴在实现高速列车轻量化设计方面有显著的技术优势，且高速适应性较好，在高速列车领域的发展和应用潜力巨大。交通运输工程学报. 2021 21(5): 138-148.

胶粘剂和CFRP吸湿对复合材料粘接接头失效的影响

秦国锋, 糜沛纹, 那景新 — 2021-10-01

秦国锋, 糜沛纹, 那景新对胶粘剂和复合材料的影响进行解耦；采用常温环境分别对胶粘剂、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和CFRP/铝合金粘接接头进行不同时间周期的浸泡，研究了不同应力状态对粘接接头失效的影响；以准静态失效测试的失效强度和失效模式分析为主，结合傅里叶变换红外光谱仪分析、差示扫描量热法分析和扫描电子显微镜分析，分别研究胶粘剂和CFRP吸湿后的失效机理，揭示了吸湿对复合材料粘接接头失效的影响机理。分析结果表明：胶粘剂在吸湿30 d后发生了水解，失效强度下降约53.7%，失效应变约为原来的3.2倍；CFRP吸湿后表面粘附性降低，容易引起界面失效，但打磨之后能够得到改善，CFRP吸湿后纤维/基体界面力学性能降低，在正应力状态下更容易造成纤维撕裂；CFRP/铝合金粘接接头的失效强度在吸湿30 d后下降了约23%，失效断面中胶粘剂出现了韧性断裂和界面失效；通过对胶粘剂、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头吸湿后的失效分析，发现剪应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效主要受胶粘剂吸湿后的性能下降影响，其次是界面失效的影响，而正应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效还受CFRP性能下降造成的纤维撕裂影响。交通运输工程学报. 2021 21(5): 149-160.

颗粒阻尼抑制水下航行器轴系纵振模拟试验

杨俊, 刘正林, 刘杰, 王建, 程启超, 邓天扬 — 2021-10-01

杨俊, 刘正林, 刘杰, 王建, 程启超, 邓天扬在简谐激励条件下，应用轴系颗粒阻尼纵振抑制模拟试验装置研究了旋转工况下的颗粒阻尼减振比；探讨了单腔体多颗粒和多腔体多颗粒时的轴系模拟系统加速度变化，讨论了颗粒的材料、粒径、质量填充比、腔体数量、转速、激励频率与位移等参数对系统减振比的影响规律。研究结果表明：在单腔体多颗粒条件下，填充有铜、钢、橡胶包钢颗粒的系统减振比处于7.83%~8.91%，橡胶颗粒的系统减振比接近于0；铜、钢、橡胶包钢颗粒有明显的抑振效果，颗粒的材料密度和阻尼比越大，抑振效果越好；当颗粒质量填充比为15%时，系统减振比最高为13.77%，但当质量填充比超过15%时，减振比有所降低，故质量填充比一般应根据实际情况控制在15%左右；粒径、转速、激励频率与位移幅值的变化对系统减振比的影响分别为1.76%~8.68%、6.77%~12.50%、4.41%~10.12%与2.19%~7.05%；在多腔体多颗粒工况下，当颗粒总质量填充比和转速一定时，腔体数量对系统减振比有明显影响；当腔体数量为3时，转速为100 r·min^-1和质量填充比为25%的最佳系统减振比为22.5%；在多腔体多粒径颗粒工况下，当总质量填充比为10%，转速为50~150 r·min^-1的系统减振比波动不大，平均为14.18%，这表明多腔体多粒径组合对转速不十分敏感，具有较好的减振效果，可拓宽转速使用范围。交通运输工程学报. 2021 21(5): 161-176.

船舶并网光伏电力系统稳定性

李清, 孙玉伟, 吴健, 袁成清, 汤旭晶, 严新平 — 2021-10-01

李清, 孙玉伟, 吴健, 袁成清, 汤旭晶, 严新平为分析高渗透率光伏并网导致船舶电力系统等效转动惯量降低，静态和暂态稳定性恶化的问题，以中国首艘集成并网光伏电力系统的“中远腾飞”轮汽车滚装运输船为研究对象，根据船舶电力负荷计算书和电气系统图建立了船舶并网光伏电力系统仿真模型；光伏并网逆变器采用恒功率控制策略，对比了牛顿-拉夫逊、XB快速解耦、BX快速解耦、龙格-库塔、Iwanoto和简单鲁棒算法在系统潮流分析中的效果差异；对比了8组仿真算例，研究了不同光伏渗透率下系统的静态稳定性，分析了光伏并网运行中连续负载和艏侧推器顺次启动过程对系统暂态稳定性的影响。分析结果表明：牛顿-拉夫逊法的迭代次数仅为4次，动态仿真时长仅为Iwanoto算法的10.4%，其他6项评估参数与多种算法结果均值一致，在6种方法中最适于计算强耦合刚性电力系统潮流；随着光伏渗透率的提升，其系统的总有功和无功功率损失呈增长趋势，尤其当渗透率超过33.36%时，无功功率损失是有功功率损失的10倍；21.32%渗透率下，与同步发电机组相同功率等级的动力负载启动将导致船舶电力系统同时出现暂态功角和电压失稳；并网型光伏系统能够快速补偿船舶电力系统的低频振荡，但不能在维持或恢复船舶电力系统暂态稳定过程中起到有效作用。交通运输工程学报. 2021 21(5): 177-188.

基于轨迹特征的船舶停留行为识别与分类

黄亮, 张治豪, 文元桥, 朱曼, 黄亚敏 — 2021-10-01

黄亮, 张治豪, 文元桥, 朱曼, 黄亚敏为准确评估大规模轨迹数据中的船舶停留活动，构建了两阶段船舶轨迹停留点提取策略，提出了特征驱动的船舶停留行为识别与自动分类方法；以距离、时间和轨迹点数量为约束条件构建了规则模型，检测了原始轨迹中的停留候选轨迹，引入孤立森林算法检测和去除异常离群点，提取了高聚集度的船舶停留轨迹集合；基于船舶靠泊和锚泊的时空特征，定义了轨迹点重复率、相邻点平均距离和最远点对距离3个指标，构建了新的轨迹相似性度量模型，量化了船舶停留轨迹点的分布特征和聚合程度，并利用K近邻算法完成了船舶锚泊行为与靠泊行为的自动分类；采用提出的方法处理了3个不同水域的船舶轨迹数据，准确获取了船舶停留行为的分类结果，并验证了船舶锚泊与靠泊在轨迹时空特征上的差异性，以人工标注结果为参考依据评估了船舶停留行为识别与分类的准确性。研究结果表明：船舶靠泊的轨迹点重复率在80%以上，最远点对距离和相邻点平均距离分别为6~11和1~2 m，船舶锚泊的轨迹点重复率在10%以下，最远点对距离和相邻点平均距离分别为150~250和8~10 m，说明轨迹点重复率、相邻点平均距离和最远点对距离这3个时空特征对船舶靠泊和锚泊具有显著的区分能力；提出的方法对船舶停留识别分类的正确率在98%以上，充分证明了其有效性；采用提出的方法可更新已有码头和锚地的空间位置，自动识别规则水域外的船舶异常停留和规则水域内的超长时间船舶异常停留，掌握在港船舶停留分布情况，识别不同季节、不同时段的热点码头和锚地，从而辅助优化港口规划布局和交通组织。交通运输工程学报. 2021 21(5): 189-198.

多特征融合的船舶轨迹相异度模型分析与优选

刘磊, 张永, 张明阳, 王永明, 陈静 — 2021-10-01

刘磊, 张永, 张明阳, 王永明, 陈静基于船舶自动识别系统轨迹，构建了船舶轨迹静态相异度模型、动态相异度模型以及组合相异度模型，包括轨迹起点和终点相异度模型、轨迹长度相异度模型、轨迹空间分布相异度模型、轨迹航速均值相异度模型、轨迹航向均值相异度模型、轨迹航速标准差相异度模型和轨迹航向标准差相异度模型；采用KNN分类算法进行轨迹分类，分析了单个相异度模型的有效性和时效性，对比了单个相异度模型和组合相异度模型下轨迹分类效果，研究了组合相异度模型中相异度模型的类别和权重对轨迹分类的影响；分别以内河航道和港口水域船舶轨迹进行试验。试验结果显示：在采用单个相异度的情况下，就分类效果而言，轨迹起点和终点相异度模型和轨迹航向均值相异度模型在内河航道和港口水域船舶轨迹分类效果均优于其他模型，而基于轨迹航速均值相异度模型和轨迹航速标准差相异度模型的轨迹分类效果最低，就分类效率而言，基于航速、航向均值和标准差的相异度模型耗时明显低于其他3个相异度模型；采用组合相异度进行轨迹分类，内河航道和港口水域船舶轨迹分类结果的基于精确率和召回率的宏平均值和微平均值均能接近99%；将组合相异度中相异度类别数由4个增加到7个，轨迹分类评估结果进一步得到提高。因此，单个相异度模型中以轨迹起点和终点相异度模型、轨迹航向均值相异度模型以及轨迹空间分布相异度模型分类效果最优且稳定，而轨迹空间分布相异度模型和轨迹长度相异度模型耗时明显高于其他方式，各相异度模型在不同场景中的适应性基本相似，通过增加组合相异度中相异度类别能够提高轨迹识别效果。交通运输工程学报. 2021 21(5): 199-213.

基于密度峰值的终端区航迹聚类与异常识别

刘继新, 董欣放, 徐晨, 杨光, 江灏 — 2021-10-01

刘继新, 董欣放, 徐晨, 杨光, 江灏为有效解决高流量终端区内标准飞行模式、非标准飞行模式和异常飞行模式难以自动分离的问题，采用广泛记录的广播式自动相关监视(ADS-B)数据，构建了基于稳健深度自编码器(RDAE)和快速搜索并寻找密度峰值的聚类(CFSFDP)算法的航迹聚类模型; 使用RDAE降维提取终端区内航迹集的非线性特征，利用多种正则化手段约束内部低维流形，以重建更紧密的航迹并将其作为CFSFDP算法的输入，利用轮廓系数选取不同密度飞行模式的聚类中心，并调节边缘密度参数识别出异常航迹; 选取主成分分析(PCA)结合有噪声的空间密度聚类(DBSCAN)算法、动态时间规整(DTW)结合DBSCAN的2种常用航迹聚类模型作为对比项，分别在广州白云机场1 d的少量数据和45 d的大量数据上进行试验。分析结果表明：DTW与CFSFDP的结合模型在少量数据集上具有最优的航迹聚类性能，轮廓系数比对比项分别提升了62%和28%，且可以自动识别出遵循区域导航标准飞行模式的航班和特定环境下遵循管制偏好的非标准飞行模式的航班，识别异常航迹的精确度也分别提高了57%和10%;大量数据下，提出的RDAE结合CFSFDP模型的聚类性能比经典的PCA结合DBSCAN算法提升了13%，且具备可接受的时间复杂度。由此可见，建立的终端区飞行模式区分模型可为空域级交通流性能评估和航班级航迹预测与优化提供数据提取平台。交通运输工程学报. 2021 21(5): 214-226.

面向大客流的城轨备用车投放车站选择与优化模型

叶茂, 钱钟文, 李俊铖, 曹从咏 — 2021-10-01

叶茂, 钱钟文, 李俊铖, 曹从咏为快速疏解城轨线路上车站的大客流，减少乘客的等待时间，研究了备用车投放问题; 在考虑列车追踪关系、列车停站时间等约束的基础上，建立了综合备用车投放时机确定、投放最佳车站选择和时刻表动态调整的多目标优化模型; 界定了城轨备用车开行条件，提出了城轨备用车投放时机的定量化判定方法; 用0-1变量表征车站是否具备备用车投放条件，并将其作为模型输入，以减小大客流车站乘客等待时间和降低运行图偏离时间(延误时间)为优化目标，构建了备用车投放的混合整数非线性规划模型，该模型通过比较不同的备用车投放方案效率得到最佳的备用车投放车站和后续开行计划; 为同时求解0-1变量与连续变量，设计了带惩罚函数的改进粒子群优化算法求解模型。研究结果表明：该方法可对所有符合备用车开行条件的车站制定投放方案，并进一步筛选出最优的备用车投放车站，最多可减少1 318 209 s的乘客等待时间，优化效率为21.9%，且改进的粒子群优化算法对混合整数非线性规划模型的适用性较好; 相比于既有城轨线路列车运行调整和时刻表优化方法，本文提出的方法在应对突发大客流的备用车投放时机上做出了更加定量化的判断，优先考虑了大客流车站的疏解能力和效率，并优化了备用车与后续列车的开行方案，可以有效解决高峰时段车站大客流问题。交通运输工程学报. 2021 21(5): 227-237.

基于交通流时间序列相似性的NCut城市路网分区算法

殷辰堃, 方茹, 李拓 — 2021-10-01

殷辰堃, 方茹, 李拓针对大规模城市道路交通路网分区的实际需求，基于可反映时间序列变化趋势的皮尔逊相关系数和度量空间关系的欧式距离，构建了一种衡量交通流时间序列相似性的综合指标; 结合交通流时间序列的时空相似性特点，引入子区内的空间连通约束，利用归一化割(NCut)算法设计了一种改进的路网静态分区算法; 为体现交通路网分区的时变特征，选取了合适的评价指标来确定每一时间段内合理的分区数量，提出了一种基于时间序列的NCut路网动态分区算法; 利用北京市东北二环区域内采集的路段交通流速度数据，应用所设计的算法对7.23 km²的路网进行分区，对比了晚高峰时期的分区效果。研究结果表明：所提出的分区算法能实现对路网内不同区域交通状况的有效识别，以30 min为间隔的动态分区算法能划分出数量和范围随时间变化的多个可变子区域; 与子区数固定为2、3、4、5的静态分区算法相比，动态分区算法的评价指标分别提升了63.77%、50.06%、6.43%和7.13%，提高了路网分区效果。可见，本文提出的动态分区算法在保证子区内部连通性的基础上可将异质路网划分成多个内部同质子区域，并充分体现交通流动态演化的时空特性，有利于制定动态的多区域边界控制方案。交通运输工程学报. 2021 21(5): 238-250.

考虑时空修正的轨道交通封站短时客流预测方法

许心越, 吴宇航, 张英男, 王雪琴, 刘军 — 2021-10-01

许心越, 吴宇航, 张英男, 王雪琴, 刘军为了实现封站情况下轨道交通短时客流的精准预测和探索客流的变化机理，提出了一种考虑时空修正的融合动态因子模型(DFM)和支持向量机(SVM)的短时客流预测方法(DFM-SVM); 利用符号聚合近似方法(SAX)与动态时间规整(DTW)相结合的算法(SAX-DTW)识别受封站影响的时空范围，利用DFM预测常态下的短时客流，利用SVM提取和处理受封站影响车站与时段客流量的非线性特征，对受影响车站与时段的客流量进行修正; 以北京地铁封站情景下车站的进站量预测为例，验证方法的有效性。研究结果表明: 与既有SAX相比，提出的SAX-DTW不仅能全面考虑到客流数量和客流趋势的变化，还能更准确地识别出多个车站的异常时段; 与传统DFM相比，DFM-SVM能显著降低各车站的预测残差，其中奥体中心车站的预测残差降低约60%;与基线模型霍尔特-温特(Holt-Winters)、SVM、门控循环单元(GRU)和长短期记忆(LSTM)相比，在整体客流量预测效果方面，提出的DFM-SVM在其均方根误差方面分别降低43.39%、70.00%、33.18%和70.83%，平均绝对误差分别降低43.72%、67.17%、28.98%和57.08%;在单个车站的客流量预测效果方面，提出的DFM-SVM在均方根误差和平均绝对误差方面有70%的车站均低于其他基准模型。可见，提出的DFM-SVM能够捕捉封站影响客流的非线性关系，极大提升了客流预测精度，能够为运营管理者提供可靠的客流预警信息与决策依据。交通运输工程学报. 2021 21(5): 251-264.

多源数据驱动CNN-GRU模型的公交客流量分类预测

赵建东, 申瑾, 刘麟玮 — 2021-10-01

赵建东, 申瑾, 刘麟玮为精准分析公交线路与站点不同客流的出行特征及时变差异性，结合深度学习理论，提出了一种基于卷积神经网络(CNN)与门控制循环单元(GRU)组合的公交客流分类预测模型；融合匹配公交一卡通刷卡、公交车GPS轨迹、线路和站点基础信息、气象等多源数据，实现公交客流数据重构；采用K-Medians算法将乘客分为通勤类和非通勤类；以乘客类型、历史客流量、时段、高/平峰、星期、降水量、重大活动等因素为输入向量，分别建立CNN与GRU单一模型，并利用均方误差、均方根误差、平均绝对误差为评价指标，开展预测；针对单一模型不适用多特征时间序列预测等问题，分别构建了由CNN和GRU组合的线路客流和断面客流预测模型；以北京市特15路公交为例，预测工作日与非工作日场景下的线路及断面的分类客流。分析结果表明：对于通勤类和非通勤类线路及断面客流，组合模型的均方误差相比单一模型平均降低了57.932、13.106和33.987，均方根误差平均降低了1.862、1.058和1.538，平均绝对误差平均降低了1.399、0.487和0.613，可见，多源数据驱动下的CNN-GRU组合模型具有良好的预测性能。交通运输工程学报. 2021 21(5): 265-273.

基于时空行为规律挖掘的公交乘客分类方法

陈君, 田朝军, 赵清梅, 李晓伟 — 2021-10-01

陈君, 田朝军, 赵清梅, 李晓伟应用智能公交系统(APTS)提取个体乘客出行信息，构造了公交出行链，研究了基于时空行为规律挖掘(STBRM)的公交乘客分类方法；应用时间序列表征乘客出行时间特征，利用互相关距离(CCD)算法计算了个体乘客出行时间规律；应用带噪声基于密度的空间聚类(DBSCAN)算法，挖掘了个体乘客的出行空间规律；依据出行强度和出行时空规律，将乘客划分为极少出行、时间规律、空间规律、时空规律和不规律等5个群体；以出行天数、类似上车时间数量和类似上车站点数量为聚类指标，应用K-Means++算法将乘客划分为高规律、中规律和低规律3类，比较了本文提出的STBRM方法和K-Means++聚类方法的分类结果，揭示了2种方法分类结果之间的关系。研究结果表明: 当时段划分长度取5 min，时间规律性判断阈值取3.0时，利用CCD算法识别时间模式规律乘客的效果最佳，与常用的DBSCAN算法相比，识别率提升了14.64%；增加时间窗长度能够提高时间、空间模式规律判定结果的稳定性；时间窗长度达到3周后，空间模式规律的乘客比例下降趋缓，达到6周后趋于稳定；时间窗长度达到2周后，时间模式规律的乘客比例增长趋缓，达到4周后趋于稳定；时间规律、空间规律和时空规律等3类乘客数量仅占总乘客数量的30.4%，但其出行量占到了总出行量的84.7%，公交依赖度很高，应作为公交机构重点保障的对象；本文提出的STBRM方法与K-Means++聚类方法的分类结果具有较强的关联性，规律性极高或极低的群体高度重合。交通运输工程学报. 2021 21(5): 274-285.

GPS/BDS联合解算的列车高精度实时定位方法

王剑, 周子健, 姜维, 蔡伯根, 潘佩芬 — 2021-10-01

王剑, 周子健, 姜维, 蔡伯根, 潘佩芬为了构建智能化列车运行控制体系，针对卫星导航的铁路应用，开展了列车定位优化方法的研究；利用广播星历实时特性，借助框架转换模型为系统提供实时、准确、统一的时空参考；结合误差模型校正系统中与定位相关的误差，以降低定位解算复杂度；为了进一步优化系统定位性能，提高定位精度，提出一种基于GPS/BDS多星座联合解算的非差载波相位定位方法；利用京沈高铁实际数据进行仿真，对比了单星座定位方法和多星座定位方法的信号几何分布和定位误差；为了进一步验证提出定位方法的性能，利用同一组数据，将定位结果与传统伪距单点定位结果进行对比。试验结果表明：在测试期间，GPS和BDS单星座定位方法的可见卫星平均数分别为9.2和13.4颗，几何精度因子平均数分别为2.341 7和2.272 1；GPS/BDS多星座定位方法可见卫星平均数为22.5颗，几何精度因子平均数为1.264 6，因此，多星座定位方法能够成倍增加可见卫星数，优化卫星信号几何分布，在卫星信号连续变化条件下保证精确、连续定位；在卫星信号稳定区域内，伪距单点定位和提出的定位方法在空间三维方向上的定位均方根误差分别为5.396 1、5.569 7、2.831 2和0.976 1、0.988 8、0.861 8 m，在卫星信号受限区域内，伪距单点定位和提出的定位方法在3个方向上均方根误差分别为7.245 9、7.056 3、3.756 2和1.561 2、1.603 1、1.215 5 m，因此，相比于传统伪距单点定位，提出的定位方法能够在多个场景下获得更高的定位精度。交通运输工程学报. 2021 21(5): 286-296.

开阔水域多物标动态自适应智能航行方法

贺益雄, 梁宇, 熊勇, 牟军敏, 李梦霞, 张可 — 2021-10-01

贺益雄, 梁宇, 熊勇, 牟军敏, 李梦霞, 张可考虑船舶操纵特性、《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求，提出了动态自适应目标船不协调避碰行动的开阔水域智能航行方法；将物标分类、建模并构建数字孪生交通环境，结合航向控制方法、操纵运动和复航模型构建了自动航行模型，推演了船舶非线性操纵运动；基于自动航行模型量化解析了《规则》要求，探究动态避碰机理，建立了可行航向求取方法；在多目标环境中，提出了目标船机动判别方法，研究了《规则》约束下构成自主航行方案的改向时机、幅度和复航时机等要素求取方法。仿真结果表明：依靠信息秒级更新的滚动计算，提出的智能航行方法可自适应剩余误差和目标船随机运动；提出的智能航行方法能将可行航向区间和改向幅度精确到1°；将程序运行和复航时机计算步长设置为1、10 s，设置多类静态物标和6艘保向保速目标船，在640、1 053、2 561和3 489 s，本船进行右转9°、复航、保向保速和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点；设置目标船在300 s采取不协调转向避让行动，本船在980、2 790、3 622、5 470 s时进行右转9°、左转12°、右转17°和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点。可见，任意初始状态下的船舶均可沿计划航线自动航行至终点，提出的方法能满足多个、多类动静态物标共存的真实开阔水域环境中的智能航行需要。交通运输工程学报. 2021 21(5): 297-308.

基于FRRN注意力监督的沥青路面积水区域分割

杨炜, 黄立红, 赵祥模, 王潇 — 2021-10-01

杨炜, 黄立红, 赵祥模, 王潇为实现不同光照与气候条件下的沥青路面积水区域自动分割，在现有全分辨率残差网络(FRRN)的上采样层设计了一种注意力监督机制；加入积水区域注意力模块(PAAM)与深度监督模块，建立了一种含积水区域注意力监督模型(PAAM-FRRN)；利用最大池化与上采样构建编码器-解码器结构，在全局尺度下捕获了积水的视觉特征，在上采样层引入了注意力监督机制，针对积水区域进行上采样并融合不同网络层之间的特征，最小化网络各层损失函数，优化网络总体最终损失；采集不同光照与气候条件下的1 770个(弱光750个、强光740个、雨天280个)沥青路面积水图像进行五折交叉验证试验，获得了积水区域分割结果；以人工标注结果作为真值，利用Dice相似系数(DSC)、Jaccard相似系数(JSC)、精确率、召回率与豪斯多夫距离(HD95)作为量化评价指标，将提出的模型分别与FRRN和其他7种有代表性的传统模型进行了分割效果对比。研究结果表明：提出的模型在DSC、JSC、精确率与召回率所取得的均值分别为0.91、0.86、0.92和0.93，相比FRRN分别提高了3.41%、6.17%、2.22%和4.49%，且均高于传统7种对比模型；在DSC、JSC、精确率以及召回率所取得的标准差分别为0.12、0.15、0.11和0.12，与FRRN相比分别降低了20.00%、16.67%、21.43%和25.00%，且均低于传统7种对比模型；其HD95为38.56，均低于其他对比模型，提出的模型能够实现对不同光照与气候条件下的沥青路面积水区域的准确、有效分割。交通运输工程学报. 2021 21(5): 309-322.