交通运输工程学报

乳化沥青与泡沫沥青冷再生技术发展综述

马涛, 栾英成, 何亮, 黄晓明, 王飔奇, 王宁, 马源 — 2023-04-25

马涛, 栾英成, 何亮, 黄晓明, 王飔奇, 王宁, 马源针对乳化沥青与泡沫沥青冷再生技术发展过程中的关键问题，介绍了冷再生技术的发展现状，分析了乳化沥青与泡沫沥青混合料的材料组分性能，总结了冷再生沥青混合料配合比设计方法和路面结构设计方法，论述了相关路用性能演化规律以及施工工艺和施工设备，提出了冷再生技术的未来发展趋势。研究结果表明：冷再生沥青混合料的材料组成成分间相互作用机制及强度破坏机理复杂，回收沥青混合料来源和掺量以及沥青老化程度、沥青以及外加剂种类及含量均会显著影响冷再生沥青混合料的材料性能；不同的冷再生沥青混合料设计方法在级配选择、沥青等级、成形方法、养护方式以及性能评价指标等方面差别较大，大多采用试验测试法指导配合比设计；冷再生沥青路面设计方法经历了从经验法到力学-经验法的转变，通常将冷再生材料视为无黏结颗粒材料或者沥青黏结材料进行结构设计，目前仍缺乏符合冷再生沥青混合料材料特性的力学失效设计准则；在工程应用方面，应充分考虑冷再生结构层位及力学响应，明确抗车辙、抗水损害、抗疲劳和低温抗开裂的性能需求，以指导冷再生沥青混合料的材料组成设计；未来应从施工工艺和材料组成两方面加强冷再生沥青混合料性能优化研究，建立以力学指标为基础的养生时间评估体系，完善适用于中国气候条件的冷再生结构层施工规范，加强现场试验的数据检测和收集工作，实现对冷再生沥青路面结构设计方程的有效标定。交通运输工程学报. 2023 23(2): 1-23.

温拌沥青技术研究综述

梁波, 张海涛, 梁缘, 王晓锋, 郑健龙 — 2023-04-25

梁波, 张海涛, 梁缘, 王晓锋, 郑健龙为进一步促进交通领域“碳中和”目标的实现，针对国内外温拌沥青技术的研究现状，总结了温拌沥青技术节能减排的优势及其局限性，研究了常用温拌剂和温拌技术的降温降黏机理及不同温拌技术对其性能的影响，综述了温拌技术在改性沥青混合料、再生沥青混合料及其他沥青混合料中的最新研究进展，分析了温拌技术在改性沥青混合料和再生沥青混合料中应用时降低施工温度带来的节能减排效果，探讨了降温对沥青混合料高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能等的影响。研究结果表明：温拌技术具有绿色环保、节能减排和便于施工等优点，但仍存在温拌剂成本高和温拌沥青中残留水分对其性能产生不利影响的问题；常用温拌技术多为国外技术专利，在国内经过研究、消化和吸收后在各种沥青混合料中得到广泛应用，充分了解温拌技术作用机理对开发低能耗、低排放和低成本的温拌沥青材料和技术至关重要；温拌技术应用在改性沥青混合料、再生沥青混合料和其他沥青混合料中能降低施工时的黏度和温度，节能减排效果显著，而限制其在工程中推广应用主要是由于前期投入成本较高，混合料低温性能和水稳性能不足；探索温拌技术与其他类型沥青混合料相结合的方案有利于促进绿色公路的创新与发展。总之，温拌沥青技术是全球“碳中和”目标实现的必然发展趋势，也是满足绿色公路发展理念的重要方法之一。交通运输工程学报. 2023 23(2): 24-46.

中国道路工程中土壤固化技术综述

季节, 梁犇, 韩秉烨, 索智, 王佳妮, 于海臣 — 2023-04-25

季节, 梁犇, 韩秉烨, 索智, 王佳妮, 于海臣为在道路工程建设中更灵活使用不同土壤固化技术并完善固化土规程，对比分析了土壤固化剂对不同土壤的固化效果与适用范围；梳理了道路工程设计和施工规范，统计其对基层与底基层的强度要求，并与固化土规范进行对比，分析了不同等级固化土的强度范围与公路规范要求强度区间的匹配性；结合实际固化强度效果与规范要求，建立了有机固化土与无机固化土在强度要求上的内在联系。研究结果表明：无机、离子、有机3类土壤固化剂对黏土等非特殊土均具有较好的固化效果，有机土壤固化剂具有更广泛的适用范围，且对红土等特殊土表现出更好的固化效果；公路规范中基层不同7 d无侧限抗压强度要求的重叠区间和最小7 d无侧限抗压强度要求各点位组成的下限区间相结合，二者区间交集为[1.5, 5.0]MPa，三级固化土最小强度要求为2.5 MPa，与公路交集区间的5.0 MPa差异较大；结合固化土本身特性和不同道路类型与结构层等对材料力学性能的要求，建议将固化土分级体系细化，新增四级[3.0，4.0)MPa、五级[4.0，5.0)MPa和六级[5.0，+∞)MPa3种等级；在现行规范中未有针对有机固化土的技术要求，而其力学性能基本上接近无机固化土，适用范围优于无机固化土，建议后续规范修订中新增有机固化土类别，以便规范化应用。交通运输工程学报. 2023 23(2): 47-66.

微胶囊沥青自愈合行为与微观机理

纪小平, 姚秉辰, 司伟, 王朝辉, 易珂, 何树鹏, 张雪君 — 2023-04-25

纪小平, 姚秉辰, 司伟, 王朝辉, 易珂, 何树鹏, 张雪君为探究微胶囊沥青自愈合行为及其影响因素，采用原位聚合法制备微胶囊，以宏观试验与微观试验相结合的方法，从微胶囊的应力控释、毛细作用与扩散行为三方面揭示其自愈合行为的微观机理；进行了微胶囊沥青的拉拔-愈合-拉拔试验，采用自愈率(试件愈合后拉拔强度与初始拉拔强度之比)作为评价指标，考察了微胶囊掺量和愈合时间对微胶囊沥青自愈率的影响规律；进行了微胶囊沥青的动态剪切试验，对比疲劳试验前后微胶囊沥青的微观形态，考察微胶囊的应力控释特性；借助荧光显微镜，可视化了芯材在微裂缝中的横、纵向毛细作用与在沥青中的扩散过程；借助显微图像软件中的实时录像功能，观测微胶囊沥青微裂缝的愈合过程；采用红外光谱测试微胶囊芯材和拉拔-愈合-拉拔试验前后微胶囊沥青的官能团，考察芯材在沥青中的释放行为。分析结果表明：微胶囊掺量从0提升至8%时，自愈率从16.70%提高至48.92%，表明微胶囊沥青的自愈率随着微胶囊掺量的增加而逐渐增大，当微胶囊掺量为4%时，愈合120 min的自愈率是愈合10 min的1.85倍，表明微胶囊沥青的自愈率随着沥青愈合时间的延长而逐渐增大，这说明提高荷载休息期和微胶囊掺量对增强微胶囊沥青自愈合性能具有积极作用；微胶囊沥青的微观自愈合机理为，微裂缝尖端应力刺破微胶囊的囊壁而释放囊芯愈合剂，芯材在毛细管作用力的驱动下流动、扩散，并与附近的沥青接触、浸湿，从而达到修复沥青微裂缝的目的。交通运输工程学报. 2023 23(2): 67-77.

多孔沥青混合料堵塞规律离散元仿真

2023-04-25

何亮, 周子栋, VAN DEN BERGHWim, BALIEURomain, CANNONE FALCHETTOAugusto, 朱继青, ALEXIADISAlessio, KOWALSKIKarol, VALENTINJan, 蔡皓东, 李后君, 乔亚宁为揭示多孔沥青混合料孔隙堵塞机理，开展了多孔沥青混合料堵塞模型试验与仿真模拟结合研究；基于电子计算机断层扫描与离散元软件PFC3D V5.0分析了多孔沥青混合料孔隙特征，得到了多孔沥青混合料的孔隙数据；在PFC3D V5.0中投放各粒径集料并根据孔隙特征生成压实虚拟试件，以MATLAB切片对比实际试件孔隙图像验证模型准确性；在自重条件下设置特定级配组成堵塞物侵入多孔沥青混合料试件模拟仿真，并以室内试验结果对照验证，改变投放堵塞物粒径，分析了试件孔隙衰变率，找出了堵塞敏感颗粒；在自重条件下引入流体模拟仿真试验，改变了流体渗流速度，分析了试件堵塞变化规律。研究结果表明：PFC3D V5.0生成的虚拟试件具备较高的精确度，仿真揭示了试件堵塞规律，小颗粒除堆积于喉孔处产生堵塞外，还会在嵌挤成型后与大粒径颗粒积聚产生堵塞；自重条件下的堵塞主要集中在混合料试件上层30 mm处，相应堵塞敏感颗粒粒径分布为0.150~0.600 mm，堵塞颗粒粒径分布对堵塞结果影响较大；在重力与流体条件下，随着渗流速度从0.005 m·s^-1增加到0.030 m·s^-1，孔隙衰变率变化速度增加，残留在混合料内部的堵塞物减少，孔隙衰变率减小，排水沥青路面在设计与养护时也需将当地降雨条件带入考虑。交通运输工程学报. 2023 23(2): 78-91.

基于智能手机图像采集方法的沥青路面表面离析评价指标优选

汪海年, 万铜铜, 刘园园, 郑文华, 高俊锋 — 2023-04-25

汪海年, 万铜铜, 刘园园, 郑文华, 高俊锋为优选沥青路面表面离析评价指标，室内成型了3种不同级配类型的沥青混合料车辙板试件；采用智能手机，提出了一种图像采集方法，获取了沥青混合料表面图像；基于盒子分形维数和多重分形谱算法计算试件表面二值图像的分形维数和多重分形谱指标，依托Image-Pro Plus图像处理软件提取二值图像凹形分布百分数和宏观构造宽度指标，采用室内铺砂法测试表面构造深度，计算平均构造深度来评价沥青混合料表面离析；分析了不同级配组成沥青混合料表面凹形区域分布特征，研究了沥青混合料表面离析评价指标间灰关联熵。研究结果表明：基于智能手机来获取二值图像的可靠性分析误差率不超过3%，说明基于智能手机获取试件表面图像方法具有较高可重复性；沥青混合料表面凹形构造具有显著分形特征，集料颗粒粒径越大，表面构造分形越复杂；基于图像处理方法的沥青路面表面离析评价指标与平均构造深度指标间存在线性相关性，但相关程度不一；同一级配沥青混合料表面分形特征指标计算误差范围较大，而凹形分布百分数指标误差范围最小，仅为±1.89%，且其与平均构造深度指标的熵关联度最高，为0.996 2，其次分别是多重分形谱、分型维数和宏观构造宽度指标；综合考虑推荐沥青混合料表面凹形分布百分数可作为可靠的表面离析评价指标。交通运输工程学报. 2023 23(2): 92-102.

乳化沥青残留物疲劳特性评价的影响因素与机理分析

汪德才, 董是, 胡磊, 郝培文, 张庆, 陈渊召 — 2023-04-25

汪德才, 董是, 胡磊, 郝培文, 张庆, 陈渊召基于简化黏弹性连续介质损伤(S-VECD)理论研究了乳化沥青残留物应力应变响应特征、疲劳损伤特性与疲劳寿命预估，通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等微观手段分析了乳化沥青残留物相态结构、共混改性以及疲劳损伤的影响机理。研究结果表明：普通乳化沥青残留物的损伤曲线存在交错现象，添加改性剂使得损伤曲线不再产生交错，提升了乳化沥青残留物的疲劳性能，SBR改性剂的改善效果更为显著；改性乳化沥青残留物在EN、ASTM蒸发方式下的损伤曲线较DHM蒸发方式下更平缓，表现出EN、ASTM蒸发方式下的残留物抵抗损伤能力更强；从疲劳寿命提升幅度上看，不同蒸发方式制备的普通乳化沥青残留物的最大疲劳寿命较最小疲劳寿命提升56.9%，而SBS、SBR改性乳化沥青残留物分别提升179.1%和67.8%，表明蒸发方式对改性乳化沥青残留物的巨大影响，且DHM蒸发方式下改性乳化沥青残留物的疲劳寿命均最小；添加改性剂和改变蒸发方式会引起官能团含量、胶体结构和微观粗糙度的变化；DHM蒸发方式更易使得改性乳化沥青残留物发生氧化作用，并且促使更多的沥青质的产生，使得胶团的胶溶性降低，凝胶化增强，导致乳化沥青残留物的疲劳性能降低，影响疲劳性能的评估结果；原子力显微镜试验表明通过DHM蒸发方法制备的改性乳化沥青残留物，分子结构中O^2-和H⁺发生了交换缩合反应，可能产生了化学胶结结构，进而影响了乳化沥青残留物疲劳性能的准确表征与评价。交通运输工程学报. 2023 23(2): 103-115.

振动作用下沥青黏度与沥青混合料路用性能

容洪流, 宁志康, 李正华, 杨小龙, 孟勇军 — 2023-04-25

容洪流, 宁志康, 李正华, 杨小龙, 孟勇军为减少沥青混合料施工过程中大量的能源消耗和废气排放，在传统搅拌技术中加入振动功能以降低搅拌过程所需要的温度，采用布氏旋转黏度试验探究了振动参数(振动频率和幅值)和试验温度对SBS改性沥青的降黏效果，通过沥青的基本性能指标(针入度、软化点和延度)试验揭示2种振动方式对SBS改性沥青基本性能的影响，基于标准、高温与重载车辙试验，浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验分别分析了振动拌和对SBS改性沥青混合料高温稳定性和水稳定性的影响。试验结果表明：振动拌和可以显著降低SBS改性沥青的黏度，提高改性沥青的流动性，且随着振动参数的增大，改性沥青降黏效果越好，最大降黏率可达14%；振动降黏可等效于温度降黏，且随着温度的升高，振动效应所带来的温度等效作用越显著；振动拌和结束后SBS改性沥青可恢复其黏稠属性，故基本性能不存在负面影响；当振动频率小于40 Hz时，SBS改性沥青混合料的动稳定度、残留稳定度和抗拉强度比均随振动频率的增大而增大，表明振动拌和可提高沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，但当振动频率为50 Hz时，沥青混合料路用性能与振动频率为30 Hz时作用效果一致，表明增大振动频率对提高沥青混合料路用性能具有局限性。交通运输工程学报. 2023 23(2): 116-125.

后生产阶段时-温耦合作用对RHAM水稳定性的影响

高杰, 姚玉权, 王迪, 何亮, 刘状壮, 仰建岗, 赵龙 — 2023-04-25

高杰, 姚玉权, 王迪, 何亮, 刘状壮, 仰建岗, 赵龙为揭示热再生沥青混合料(RHAM)在后生产阶段新旧沥青混融程度演变及其对RHAM水稳定性的作用，在调研后生产阶段中RHAM的温度耗散规律与耗时的基础上，以时-温当量为指标构建了4种典型后生产阶段工况，采用Pb标记新加沥青，借助能谱仪分析了时-温当量对新旧沥青融合的促进作用；通过沥青混合料水敏感性试验模拟了轮胎运行作用下雨水对再生沥青路面的冲刷效应，解析了时-温当量与RHAM在动水冲刷条件下水稳定性的定量关系；对比了5个厂拌热再生沥青路面工程中7种RHAM在后生产阶段前后的强度差异，并论证了时-温当量对再生沥青路面压实度的影响。研究结果表明：后生产阶段中新旧沥青的融合程度与时-温当量呈正比关系；提高时-温当量可抑制动水冲刷下RHAM的空隙发育，从而改善其水稳定性；时-温当量每提高10%，RHAM在未冲刷和弱、中、强冲刷下的马歇尔稳定度分别增大了0.86%、2.94%、2.13%和3.34%，冻融前后的劈裂强度分别提高了1.24%和0.21%；RHAM经历后生产阶段后的稳定度均较之前有显著提高，增幅介于9.0%~32.4%；在保证压实温度和规范施工的前提下，时-温当量与压实质量之间没有必然联系，考虑到时-温当量对RHAM的性能改善作用，建议在保证压实温度的前提下设法延长后生产阶段。交通运输工程学报. 2023 23(2): 126-140.

基于量子化学的沥青热老化与紫外老化机理

胡栋梁, 顾兴宇, 孙丽君, 薄雾, 吴成彬 — 2023-04-25

胡栋梁, 顾兴宇, 孙丽君, 薄雾, 吴成彬为从原子层面揭示沥青热老化与紫外老化的底层机制，基于从头算分子动力学和密度泛函理论分析了沥青质在多种温度及紫外辐射条件下的老化反应路径与反应势能参数；基于傅里叶变换红外光谱试验，分析了原样沥青、热老化沥青和紫外老化沥青试样表面化学官能团的变化规律，比较了它们的老化程度。研究结果表明：沥青质老化涉及的亚反应包括由氧气或自由基攫氢所触发的环烷芳构化与含氧基团形成，以及直接的侧链均裂；沥青质老化机理可归纳为沥青质在氧气分子或自由基的侵袭下不断失去氢原子并转化为具有高反应性的不稳定结构，因而经由分子异构化或吸附氧原子等后续反应来降低自身能量，由此引发了沥青质老化行为的持续进展；温度提升不仅加快老化反应速率，还使更多类型的老化反应得以发生；芳构化反应的能垒最低，因此，在较低温度下即可发生，含氧基团的形成次之，而侧链均裂反应的能垒最高，只能在较高温度下才发生；在紫外线辐射下，沥青质分子跃迁至激发态，其反应能垒相比基态显著降低，能大幅加快老化反应；傅里叶变换红外光谱测试结果表明紫外老化沥青试样的老化程度远高于热老化沥青试样，验证了理论计算结果。交通运输工程学报. 2023 23(2): 141-152.

碳纳米管增强火山灰基地聚合物的制备与性能表征

李峰, 张荣荣, 周思齐, 杨湛宁 — 2023-04-25

李峰, 张荣荣, 周思齐, 杨湛宁为研究多壁碳纳米管对火山灰基地聚合物的增强效果与机理，通过显微观察和图像识别对比了不同超声时间多壁碳纳米管分散液中团聚体的数量和面积，确定了适宜的超声分散时长；以不同顺序混合分散液、碱激发剂溶液和火山灰制备地聚合物，通过所得浆体的稠度试验、硬化试件的三点弯曲试验、单轴压缩试验研究了不同掺量、不同种类的多壁碳纳米管对地聚合物工作性能与力学性能的影响，并利用扫描电子显微镜-能谱仪、压汞试验对地聚合产物的微观形貌和孔隙结构进行表征。分析结果表明：随着超声时间的增加，多壁碳纳米管的分散效果改善明显，45 min超声后超过85%的团聚体面积减小至0~100 μm²，总团聚体面积占比小于1%，且平均面积小于50 μm²；先添加多壁碳纳米管分散液再添加碱激发剂溶液的材料混合顺序更有利于纤维的均匀分散和地聚合物工作性能的保持；多壁碳纳米管在0.10%质量掺量时，对火山灰基地聚合物流动度影响不大，且能够有效提升其力学性能；功能化的多壁碳纳米管由于具有更强的亲水性和润湿性，对浆体工作性能的影响更轻微，对硬化试件力学性能的提升更显著，28 d时抗折、抗压强度较参照组最高可分别提升31.0%、15.9%；微观检测结果显示，多壁碳纳米管在地聚合物中发挥了桥接、填充、成核作用，因而实现性能的改善。交通运输工程学报. 2023 23(2): 153-165.

基于VGG16-UNet语义分割模型的路面龟裂形态提取与量化

张伟光, 钟靖涛, 呼延菊, 马涛, 朱俊清, 何亮 — 2023-04-25

张伟光, 钟靖涛, 呼延菊, 马涛, 朱俊清, 何亮提出了基于VGG16-UNet语义分割模型的路面龟裂分割技术，开发了该模型提取龟裂形态的量化评价方法；通过移动拍照设备采集路面干燥、浸水与存在道路标线影响等不同条件下的龟裂图像，构建了涵盖轻度、中度、重度3种破损程度的多场景龟裂图像数据集；分析了VGG16-UNet、VGG19-UNet、PSPNet、SegNet与DeepLab v3 + 语义分割模型的龟裂图像分割效果与相应分割指标，明确了最优分割模型并提取了龟裂形态特征；对比了外接正矩形、最小外接矩形和凸包3种轮廓形状拟合边界方法，确定了最优拟合边界，并据此计算了龟裂面积；提出了基于轮廓边界极点坐标的龟裂块度计算方法, 分析了路面龟裂面积和块度特征。研究结果表明：VGG16-UNet模型与VGG19-UNet、PSPNet、SegNet、DeepLab v3 + 这4种语义分割模型相比，VGG16-UNet具有数量为14 710 464的最小总参数量，模型训练速度可达每个世代训练时间为118 s，并能达到每个图像0.021 s的最高预测速度，同时在公开数据集Crack500、CrackTree与EdmCrack600中对复杂背景的裂缝分割准确率为81%，召回率为82%，调和均值为0.81，平均交并比为0.73，优于4种对比模型，模型泛化能力更高；凸包边界拟合方法计算龟裂面积最小，相较于外接正矩形与最小外接矩形边界拟合方法，拟合率分别提高了14.47%、9.30%，能得到最优的路面龟裂轮廓边界；基于轮廓边界极点计算的龟裂块度能有效评价龟裂破损程度，弥补了现有路面龟裂块度的计算难题。交通运输工程学报. 2023 23(2): 166-182.

高速列车隧道车内外压力变化的实车试验

梅元贵, 王志钧, 吕博, 杜云超, 杨永刚 — 2023-04-25

梅元贵, 王志钧, 吕博, 杜云超, 杨永刚基于350 km·h^-1中国标准动车组在大西高铁科学试验段的实车试验，结合压力保护阀工作状态，研究了列车通过试验段全程的车内外压力变化特征，分析了隧道长度、线路坡度、隧道群和列车速度对车内外压力变化的影响；针对EN 14067-5—2010中实车试验最大压力变化量的估算方法和TB/T 3250—2010中“整车车内可构成一个气压密封舱”的条文进行了实测数据验证，研究了整车气密效率的变化特征以及其与车内压力舒适性的关系。分析结果表明：EN 14067-5—2010中车外压力峰值计算方法得出的结果与实测数据存在较大差异，对其中列车和隧道壁面摩擦导致压力变化进行变量替代修正后的计算与实测差异明显减小；在压力保护阀关闭状态下，列车通过大坡度隧道后车内外长时间保持较大压力差；车厢内端门、风挡通过台门、司机室门的关闭几乎不存在气密性效果，整列车内贯通空间可视为一个气压密封舱；头车端和尾车端进入隧道引起的压力变化以及空气与列车和隧道壁面摩擦引起的压力变化与列车速度的平方成正比；整车气密效率随隧道长度的增大呈减小趋势，且其减小会带来车内人员耳部不适的问题。研究成果可为进一步认识高速列车通过隧道车内外压力变化特征和国内外相关试验标准的进一步完善提供支撑。交通运输工程学报. 2023 23(2): 183-198.

客改货飞机载重平衡问题建模与Benders分解算法设计

赵向领, 李云飞 — 2023-04-25

赵向领, 李云飞研究了民航客改货飞机的载重平衡问题，分析了客改货飞机与客机和纯货机在载重平衡问题所存在的差异，建立了具备主货舱指派问题和下货舱背包问题组合优化特性的客改货载重平衡问题的线性整数规划模型，实现业载量最大和配载重心偏离指定目标重心最小的多目标函数，包含了实际操作中客改货机型的货舱及其位置约束、各种质量约束、上下舱联合约束与飞机重心包线约束等；设计了Benders分解算法对该模型求解，把原问题分为主问题和子问题两部分；设计了改进模拟退火算法求解主问题，改进了离散变量的编码、变异以及个体修正等策略；设计了基于逻辑检查的y-check算法，用于检查子问题的上下舱联合限重、重心包线等复杂约束，给出了Benders' Cut约束模型；设计了以B757-200客改货飞机为例的20组不同规模算例，基于Gurobi、Lingo、人工配载和本文提出的算法对模型进行验证。研究结果表明：Gurobi求解质量和速度最好，平均业载量为29 517.3 kg，重心偏差为0.02%，求解时间为0.13 s；人工配载方法最差，平均业载量为27 131.9 kg，重心偏差为5.26%，求解时间为581.75 s；本文提出的算法由于采用了智能启发式算法，平均业载量为28 379.1 kg，与Gurobi和Lingo的最优解相比稍差，但重心偏差为0.05%，可以忽略不计，平均求解速度为20.33 s，远快于Lingo的7 370.65 s。交通运输工程学报. 2023 23(2): 199-211.

考虑交叉口渠化区排队特征的元胞传输模型

黄玮, 胡洋 — 2023-04-25

黄玮, 胡洋为了更准确地描述城市道路交叉口交通流演化规律，以具有进口道展宽设计和合用车道功能设计的信号控制交叉口为研究对象，综合考虑排队消散过程、分流过程、可选择性换道和合用车道4个现实因素改进了元胞传输模型(CTM)；结合交叉口的几何特征，以车道组为单位提出了路段元胞划分方法；在此基础上，调整了元胞发送能力函数对排队的消散过程，并进行了建模；在分流过程建模中引入阻塞因子来描述不同车道组空间排队的相互影响，以平衡相邻车道组空间排队为目标对过渡区可选择性换道行为进行了建模，并在合用车道建模中考虑了不同流向车流的冲突效应；结合实际交叉口，选取车道组周期最大排队长度作为评价指标，验证了改进CTM的有效性。试验结果表明：改进CTM可以同时估计不同车道组的排队长度，随着直行车流比例的增大，改进CTM的估计误差逐渐减小，不同流量场景下，路段最大排队长度的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和加权平均绝对百分比误差(WMAPE)的平均值分别小于16.43、21.36 m和13.51%；与基准方法相比，不同场景下改进CTM对路段最大排队长度的MAE的减小幅度为15.31%~90.03%，且在高流量场景下估计精度的提升效果更明显。由此可见，改进CTM能够更准确地刻画交叉口交通流运行特征，并提高排队长度估计精度，可作为交通管理与控制的重要依据。交通运输工程学报. 2023 23(2): 212-224.

疫情后国际邮轮公司直销渠道定价策略

杨忠振, 杨云茜, 谢燮, 郭威佑, 连峰 — 2023-04-25

杨忠振, 杨云茜, 谢燮, 郭威佑, 连峰对比了邮轮游产品在国外的分销模式和在国内的旅行社包船模式之间的差异，分析了旅行社包船模式成为制约中国邮轮游市场进一步发展瓶颈的原因；基于斯塔尔伯格博弈和古诺博弈理论，构建了考虑消费者选择行为的直销和代销价格博弈模型；设计了以1个邮轮公司和多个旅行社为对象的数值分析试验，分析了在邮轮公司垄断市场、旅行社竞争市场和邮轮公司与旅行社竞争市场中，邮轮公司直销与旅行社代销的价格博弈行为与市场需求特征之间关系。研究结果表明：旅行社包船模式在中国邮轮市场发展初期符合国际邮轮公司快速渗透市场的需求，国际邮轮公司对代销渠道价格的间接影响力微弱，需通过旅行社使其邮轮游产品获得合理的价格；在市场较为成熟时期，邮轮游产品的代理数量为4~6个时，可以保证直销渠道和代销渠道价格处于合理区间；随着中国邮轮游市场的逐渐成熟，国际邮轮公司应加大发展直销渠道的力度，通过调控代理旅行社订购舱位时单位舱位的成本价与控制代理旅行社的数量，间接控制代销渠道的销售价格；邮轮疫情的负面报道将可能创造广告效果，在疫情后为提高邮轮产品知名度产生积极效用。交通运输工程学报. 2023 23(2): 225-239.

现代无轨列车横摆稳定控制策略

张立伟, 刘晋琦, 张孟磊, 宋中超 — 2023-04-25

张立伟, 刘晋琦, 张孟磊, 宋中超为改善现代无轨列车车体横摆稳定性和路径跟踪性能较差的问题，基于拉格朗日方程建立车辆动力学模型，分析了液压杆刚度对车辆转向性能的影响；为解决方程中含有未知约束力，导致其定量关系无法求解的问题，以横摆角速度误差和轨迹跟踪误差为优化目标，采用遗传算法离线优化了刚度参数，并利用函数插值方法在线预测，得到了不同车速、不同前轮转角下的最优液压杆刚度；为提高车辆轨迹跟踪性能，将横摆角速度跟踪误差与轨迹跟踪误差作为评价车辆横摆稳定性的标准，定义了车辆行驶过程中各个轴的侧向误差与航向角误差，基于滑模控制(SMC)算法设计了车辆横摆运动控制器，计算了期望横摆角速度，并进行了稳定性证明和稳态误差分析；由比例积分(PI)控制器计算分配到各个驱动轴的车体横摆力矩，并在U型弯路径上进行了仿真与试验。研究结果表明：车辆稳态转向时，液压杆刚度与车速、前轮转角直接相关，且在任何情况下，连接模块前部液压杆刚度一定大于后部液压杆刚度，车速在22 km·h^-1左右时最优液压杆刚度最小；车速大于22 km·h^-1时，速度越大，最优液压杆刚度越大，且前部液压杆刚度变化率明显大于后部；车速小于22 km·h^-1时，速度越小，最优液压杆刚度越大；直线路段上车轴侧向误差小于0.03 m，航向角误差小于0.03 rad；弯道路段上车轴侧向误差小于0.06 m，航向角误差小于0.06 rad；行驶过程中，车体横摆角速度可以快速跟踪给定值，车辆的行驶稳定性得到了提高，验证了控制策略的有效性。交通运输工程学报. 2023 23(2): 240-250.

高速列车滑模自抗扰黏着控制方法

李中奇, 黄琳静, 周靓, 杨辉, 唐博伟 — 2023-04-25

李中奇, 黄琳静, 周靓, 杨辉, 唐博伟为解决高速列车运行过程中因轨面情况改变，导致列车没有达到最大黏着利用而出现空转或滑行等问题，设计了一种基于最大黏着系数的滑模自抗扰(SM-ADRC)黏着控制器；考虑轮轨间黏着特性的复杂、时变与非线性等特点，基于黏着机理分析，建立了轮轨间牵引系统的力学模型；采用极大似然估计(MLE)方法对不同轨面的相关参数进行辨识，计算了当前轨面的最大黏着系数，保证列车始终能达到最大黏着利用；通过引入滑模算法改进了自抗扰控制(ADRC)中非线性误差反馈控制律部分，设计了一种SM-ADRC黏着控制算法，利用Levant跟踪微分器减小初始跟踪误差，利用扩张状态观测器(ESO)估计和补偿系统总的外部扰动，由滑模控制提高系统的鲁棒性；采用MATLAB软件对CRH380A型高速列车进行仿真，在轨面情况改变时，由SM-ADRC黏着控制器控制列车跟踪设定速度，并将其与比例积分微分(PID)控制器、滑模控制器、ADRC的仿真结果进行对比。仿真结果表明：干燥轨面的最大黏着系数是0.160，16 s时辨识出真值；潮湿轨面的最大黏着系数是0.106，18 s时辨识出真值；ADRC的速度跟踪误差范围为±1 km·h^-1，轨面变化后，速度跟踪误差波动幅度较大；SM-ADRC黏着控制器的速度跟踪误差范围为±0.4 km·h^-1，轨面变化后，速度跟踪误差波动幅度较小，更加平滑稳定，速度控制跟踪精度更高，且优于PID和滑模控制方法。可见，所提出的SM-ADRC黏着控制器能够实现列车的快速黏着控制，并达到最大的黏着利用。交通运输工程学报. 2023 23(2): 251-263.

中速磁悬浮列车的滑模周期自适应学习控制方法

张文静, 阮玉鑫, 高亚苹, 陈渝丰, 岳强, 徐洪泽 — 2023-04-25

张文静, 阮玉鑫, 高亚苹, 陈渝丰, 岳强, 徐洪泽为了提高中速磁悬浮列车的运行控制性能，考虑到中速磁悬浮列车沿固定线路往返运行时的周期特性，提出了一种基于滑模周期自适应学习的中速磁悬浮列车运行控制算法，对应的滑模周期自适应控制器由等效比例积分微分(PID)和速度前馈控制部分、磁阻力与空气阻力补偿部分以及坡道阻力滑模周期自适应补偿部分组成；采用粒子群优化算法辨识了运行控制器的参数，采用滑模周期自适应学习控制器学习上一周期内的列车运行信息，实时估计并补偿列车运行过程中的坡道阻力，消除坡道阻力对列车运行性能的影响；利用全长5 076 m的中速磁悬浮列车半实物仿真试验线进行了数值仿真，并将设计的滑模周期自适应控制器与PID控制器进行仿真对比。仿真结果显示：滑模周期自适应控制器和PID控制器作用下的列车最大位置跟踪误差分别为0.004和0.007 m，最大速度跟踪误差分别为0.007和0.036 m·s^-1；经过4个迭代周期后，滑模周期自适应控制器已准确地估计了给定的坡道阻力；在控制系统受到扰动的情况下，滑模周期自适应控制器与PID控制器作用下的位置与速度跟踪曲线均有波动，相比于PID控制器，滑模周期自适应控制器控制下的跟踪曲线波动更小。可见，相比于传统的PID控制算法，提出的滑模周期自适应学习控制方法可以提高中速磁悬浮列车的运行控制性能。交通运输工程学报. 2023 23(2): 264-272.

基于随机价格时间博弈的列车队列稳定性模型验证与控制策略优化

卢万里, 吕继东, 高金金, 柴铭, 刘宏杰, 唐涛, 李丹勇, 宋栋良 — 2023-04-25

卢万里, 吕继东, 高金金, 柴铭, 刘宏杰, 唐涛, 李丹勇, 宋栋良为保证列车队列运行安全并提高队列稳定性，研究了列车队列稳定性模型验证与控制策略优化问题；基于车-车通信的列车队列采用等空间间隔、等时间间隔和变时距3种控制策略，利用随机价格时间博弈自动机，建立了包含领航列车和跟随列车的队列控制模型，分析了模型的队列稳定性；在保证列车运行安全的前提下，以列车的相对位置差、相对速度差和时间间隔差为成本函数，通过队列随机价格时间博弈自动机模型获得控制策略集；利用Q-Learning方法得到队列的最优驾驶策略，验证队列运行的安全性和稳定性；结合列车运行追踪场景，进行队列的稳定性分析。仿真结果表明：通过形式化验证，采用3种控制策略下的队列安全性得到了保证；通过随机价格时间博弈控制、协方差优化控制和Q-Learning方法对比PID控制，等空间间隔策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了0.19%、0.18%和0.11%，等时间间距策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了30.21%、10.34%和9.24%，变时距策略下队列稳定性误差最大值分别为118.27%、56.09%和39.67%，可见，采用Q-Learning方法的随机价格时间博弈理论能在安全前提下提高列车队列稳定性。交通运输工程学报. 2023 23(2): 273-286.

考虑智能网联近邻车辆信息的交织区换道风险预警

谢济铭, 夏玉兰, 钱正富, 刘兵, 秦雅琴 — 2023-04-25

谢济铭, 夏玉兰, 钱正富, 刘兵, 秦雅琴面向车辆换道风险预测时特征差异大、样本不均衡、参数调优时间久的问题，将高精度微观车辆轨迹数据与超参数优化机器学习方法相结合，提出了一种可应用于智能网联车辆(ICV)的交织区换道风险识别与预警方法；基于无人机航拍视频，从广域视角提取了城市快速路交织区时间精度为0.1 s、空间精度为每像素0.1 m的换道轨迹，测算了车辆间距、矢量速度、加速度、接近率、速度角度等换道风险感知信息；引入考虑近邻车辆信息的换道TTC模型，以反映车辆汇入或汇出主线的迫切需求，描述其在不同位置的换道行为差异性；结合15分位数法和四分位差法，划分了换道风险预警等级；基于准确率、真阳性率、灵敏度等多项评价指标，遴选并对比了线性分类器、支持向量机、K近邻以及RUSBoost模型换道风险预测结果，得出交织区换道风险实时预警优选模型，针对优选模型进行了超参数优化与验证。研究结果表明：RUSBoost模型为优选模型；超参数优化机器学习方法迭代至第24次时，RUSBoost具有最小误差与最佳点超参数；RUSBoost、BRUSBoost优化模型预测准确率分别为91.40%、99.80%，AUC分别为0.96、0.99；BRUSBoost优化模型对于Ⅰ级、Ⅲ级换道预警精准率分别提升了50.9%、41.2%，有效改善了极端风险换道条件更复杂也更不易预测的缺陷。研究成果有助于智能网联车辆换道决策与轨迹优化，指导交管部门制定ICV动态预警方案。交通运输工程学报. 2023 23(2): 287-300.