交通运输工程学报

2023年第23卷第6期封面与目录

交通运输工程学报. 2023 23(6): -.

自动驾驶测试公共服务平台建设与思考

王之中, 田野, 孙剑, 黄, 余荣杰 — 2023-12-25

王之中, 田野, 孙剑, 黄, 余荣杰为促进中国自动驾驶技术发展，在充分调研论证的基础上，按照工具化设计的理念，国家自然科学基金委员会交通与运载工程学科提出了场景库社会共建、开发环境敏捷、被测技术解耦、测试部署轻量化、评测结果公开透明的自动驾驶测试公共服务平台OnSite的建设构想，设置了战略委员会、技术委员会、用户委员会、创新基金会，自主决策，达成公共服务平台独立发展，良好运行的目标。2021年，交通与运载工程学科通过面上项目群快速启动本领域研究，2022年起，持续通过重点项目、面上项目群资助自动驾驶测评相关技术研究，推动OnSite平台建设，积极开展有组织科研。制定了单项决策规划能力测评-从单项测评到全栈技术测评-从虚拟测评到虚实融合测评-从单车测评到车队测评-从测评导向到开发测评一体五阶段公共服务平台建设计划；目前，已完成第1阶段建设目标，已形成面向单项决策规划功能的测试能力。以OnSite平台为依托，学科已成功举办第一届OnSite自动驾驶算法挑战赛，有助于科研人员明确研究差距，促进实现需求牵引，问题导向的研究范式。打破科研机构与产业部门的壁垒，实现产-学-研精准、快速对接。此外，通过以赛代评，将进一步完善基础研究项目评价体系，切实推进破“四唯”工作。交通运输工程学报. 2023 23(6): 1-9.

自动驾驶测试与评价技术研究进展

赵祥模国家重点研发计划(2021YFB2501200)团队 — 2023-12-25

赵祥模国家重点研发计划(2021YFB2501200)团队针对实际复杂交通运行环境中自动驾驶车辆整车级测试成本高、周期长、覆盖度低、缺乏完善工具链等难题，分析了自动驾驶测试与评价技术7大领域的研究现状，展望了未来发展方向，具体涵盖了自动驾驶车辆仿真测试技术、交通流仿真测试技术、硬件在环测试技术、场地测试技术、智能性评价技术、测试评价工具链与体系构建、认证与潜在缺陷检测技术等。在自动驾驶车辆仿真测试方面，分析了自动驾驶仿真测试软件、车辆动力学模型、测试背景车交互行为模型、云控平台监管的仿真测试与车辆仿真系统标准化的研究现状，总结了自动驾驶车辆仿真测试目前存在的主要问题；在自动驾驶交通流仿真测试方面，总结了测试背景车驾驶风格模型、交通流建模与仿真、交通场景生成方法和加速测试方法的研究现状，展望了自动驾驶交通流仿真测试的未来发展趋势；在硬件在环测试技术方面，总结了人-车-路-环多维数字孪生测试和自动驾驶车辆整车级系统平台构建方法，概述了高清摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等典型传感器数据与车车/车路通信信号的模拟技术；在场地测试技术方面，综述了封闭场地测试、开放道路测试与高速公路测试相关测试场、测试标准和关键技术的发展现状；在智能性评价技术方面，从自动驾驶智能性概念、场景复杂度量化和评估、自动驾驶智能性评价体系与社会合作性评价方法四方面介绍自动驾驶智能性评价方法的研究现状；在测试评价工具链与体系构建方面，主要从测试评价工具链技术、自动驾驶测试评价体系、自动驾驶测试标准现状三方面介绍了自动驾驶测试评价标准体系现状；在认证与潜在缺陷检测技术方面，从自动驾驶缺陷的定义、致因分析、缺陷分类、缺陷检测等方面综述了目前自动驾驶的缺陷检测方法，总结了自动驾驶车辆安全保障面临的挑战。研究结果表明: 自动驾驶测试评价技术虽已取得较大进展，但测试评价标准体系仍不完善，现有测试工具与方法难以满足L3级及以上自动驾驶车辆测试需求；虚拟仿真与数字孪生技术发展应用水平较低，在拟真度、测试效率与整车级测试能力方面存在诸多不足；未来需进一步加强全场景、高保真建模技术与实时仿真软件研发，建立虚实交互的在线加速孪生测试系统，研究自动驾驶全栈危险测试场景生成和加速测试方法，整合自动驾驶测试技术和工具，形成自动驾驶测试评价的工具链，完善标准规范。交通运输工程学报. 2023 23(6): 10-77.

低空空域容量评估研究综述

张洪海, 夷珈, 李姗, 刘皞, 钟罡 — 2023-12-25

张洪海, 夷珈, 李姗, 刘皞, 钟罡梳理了空域容量的基本概念，回顾了空域容量评估方法研究的起源与发展历程，总结了4种典型空域容量评估方法(基于数学计算模型的评估方法、基于管制员工作负荷的雷达模拟机评估方法、基于计算机仿真模型的评估方法与基于数据驱动的评估方法)的主要研究成果，结合中国空域管理现状与改革需求，提出了低空空域容量评估框架，分别介绍了低空空域分类与航路划设、起降机场选址布局与容量评估、低空空域容量影响因素分析以及低空空域容量评估方法相关内容，结合未来发展趋势提出了展望。研究结果表明：低空空域分类与划设是容量评估的基本前提，应充分考虑低空空域环境的复杂性，结合航空器性能、应用场景科学规划；起降机场是低空空域环境的关键节点，场点选址与内部结构将直接影响整体低空空域容量水平；低空空域容量影响因素分析是关键步骤，发挥着与低空空域容量评估结果相互验证的作用；目前，尚未形成成熟的低空空域容量评估方法体系，重点介绍了3种方法，分别为基于阈值的空域容量评估方法、基于几何拓扑的空域容量评估方法以及基于控制变量的空域容量评估方法；总体来说，低空空域容量评估是实现低空空域资源合理配置、保证低空空域运行安全高效的重要内容，应结合中国空域管理特点，开展因地制宜的低空空域容量评估方法研究与试点验证。交通运输工程学报. 2023 23(6): 78-93.

桥梁火灾科学与安全保障技术综述

张岗, 赵晓翠, 宋超杰, 李徐阳, 汤陈皓, 万豪, 陆泽磊, 丁宇航 — 2023-12-25

张岗, 赵晓翠, 宋超杰, 李徐阳, 汤陈皓, 万豪, 陆泽磊, 丁宇航综述了桥梁结构火灾安全理论与保障技术等方面的研究现状，介绍了国内外桥梁火灾事故出现的频次和发生垮塌的概率，给出了危化品运载车辆等交通工具的安全运营形势和危化品车辆(油轮)致桥梁火灾的危险性，指出了桥梁火灾安全控制新技术的发展方向。分析结果表明：桥梁火灾具有多发性、多样性特点；桥梁火灾安全控制受到许多学者与部门的重视，已开展了部分桥梁结构的火灾试验与抗火防护工作，但桥梁抗火设计规范当前仍处于空白状态；混凝土爆裂行为存在完全随机性，混凝土的高温爆裂是混凝土结构桥梁抗火分析的难点；火灾下预应力混凝土桥梁受剪研究难度大，目前以受弯为主；复杂截面形式钢梁的传热与结构热响应研究较少，远达不到钢结构桥梁智能建造与长寿命安全运维的需求，相关的设计细节、智能防护措施与系统亟待研发；索支承体系桥梁由于结构形式复杂，火灾下构件热膨胀，致其之间相互牵制、相互影响，结构的整体行为中又表现出显著的局部增强效应，其精细化数值预测困难多，而当前研究仅聚焦于构件与连接件或者结构的温度场，结构的整体响应研究欠缺，火灾下索支承体系桥梁的耐火性能与破坏准则是研究的热点与难点；桥梁结构处于开放空间，干扰其火灾监测与预警的因素多，难度大，但重大桥梁火灾安全监测、智能预警、智能防护以及性能增强十分必要，应持续研究；复杂极端环境火灾下桥梁结构的智能防护方法，桥梁结构遭遇复杂突发火情时的智能监测、预警与防护技术亟待形成体系研究；桥梁耐火韧性问题是桥梁火灾科学与安全保障研究的难点，涉及灾时抗火和灾后康复，需深入研究，从而为桥梁全寿命建造与安全运维提供理论依据。交通运输工程学报. 2023 23(6): 94-113.

冻融循环条件下盐渍化风积沙力学特性

包卫星, 李伟, 毛雪松, 陈锐, 秦川, 刘亚伦 — 2023-12-25

包卫星, 李伟, 毛雪松, 陈锐, 秦川, 刘亚伦为研究季冻区沙漠边缘盐渍化风积沙力学特性，在冻融循环条件下对不同含盐量风积沙开展了三轴不固结不排水剪切试验，为研究冻融循环后不同含盐量风积沙应力-应变关系曲线与抗剪强度的劣化规律，提出了一种考虑围压与冻融循环次数条件下修正的邓肯-张模型，并引入抗剪强度劣化度描述风积沙强度衰减速度，提出了冻融循环次数与含盐量对风积沙抗剪强度的耦合作用计算公式。研究结果表明：不同冻融循环次数、含盐量与围压下风积沙应力-应变曲线均表现为应变软化型，冻融循环状态下的盐渍化风积沙受到温度与盐分的耦合作用，随着冻融循环次数与含盐量的增加，风积沙应变软化速率显著降低；修正的邓肯-张模型可以较好地描述风积沙应变软化特征，不同冻融循环次数下风积沙初始回弹模量随围压增大而增大，随冻融循环次数增加先减小后缓慢增加；在冻融条件下，无盐风积沙抗剪强度劣化速率较慢，而对于含盐风积沙，土中的盐分与水分相变加快了风积沙抗剪强度的劣化速率，使得风积沙抗剪强度迅速降低；对于不同围压下的风积沙，其强度变化规律相似，即在经历初次冻融循环后抗剪强度显著下降，并随着冻融循环次数的增加，强度劣化速率逐渐趋于稳定，风积沙抗剪强度劣化度随冻融循环次数增加呈双曲线递增，随含盐量的增大呈线性递增趋势。交通运输工程学报. 2023 23(6): 114-124.

复合载荷下沥青路面高密实摊铺特性

贾洁, 朱建国, 刘洪海, 万一品 — 2023-12-25

贾洁, 朱建国, 刘洪海, 万一品为提高沥青路面的初始密实度，获得摊铺机熨平板作业后铺层混合料的高密实特性，考虑振捣机构和振动机构共同作用的影响，针对熨平板动力学特性及其对铺层混合料的压实作用，建立了熨平板压实系统动力学模型；基于不同振捣频率和振动频率下的熨平板位移变化，剖析了铺层混合料密实度与熨平板动态响应的关系；采用正交试验方法进行了仿真设计，以熨平板动态响应的平均位移峰值为密实度评价指标，分析了振捣机构和振动机构共同作用下混合料的密实效果；进行了熨平板对混合料的高密实摊铺效果试验，验证了只有振捣机构作用时的路面密实度和加入振动机构作用后路面密实度增量随振捣频率的变化，并对密实度增量和只有振捣机构作用时的路面密实度进行了相关性分析。研究结果表明：振捣频率和振动频率差值增大时，振捣作用对熨平板位移峰值的影响不显著，振动压实可补偿振捣压实较弱位置的密实度，但存在压实极限；振捣频率为10~18 Hz，且振动频率匹配在30~40 Hz范围内时，振捣与振动的复合压实达到最佳状态，可提高混合料的密实度，并可避免高密实摊铺作业时熨平板对混合料的过压实；振动频率分别匹配在高密实频率范围以内和以外时，混合料密实度增量相差2%~6%。交通运输工程学报. 2023 23(6): 125-134.

基于GM(1, 1)模型与相关向量机的轨道不平顺区间预测

王英杰, 楚杭, 陈云峰, 时瑾 — 2023-12-25

王英杰, 楚杭, 陈云峰, 时瑾为开展以预防修为主的养护维修作业，联合GM(1, 1)灰色模型与相关向量机(RVM)算法，提出一种预测轨道不平顺演化区间的GM(1, 1)-RVM组合模型；结合轨道质量指数(TQI)的振荡演变特性，通过二次-对数复合函数平滑优化和序列权重优化改进了GM(1, 1)模型，通过粒子群优化(PSO)算法对待优化参数进行搜索确定，并在此基础上计算点的预测值；构造以点预测值为输入，以TQI实测值为输出的样本特征映射模式，引入5折交叉验证环节优化与训练了RVM模型的组合核函数；通过GM(1, 1)模型与RVM模型间的输入-输出衔接机制集成了组合预测模型，并以某有砟线路中的2个区段为实例检验了轨道不平顺区间的预测效果。研究结果表明：与既有预测模型相比，改进GM(1, 1)-RVM组合模型可得到预测区间的均值和方差，从而将预测结果从单点数值扩充到预测区间；2个区段实例在外推区间上的点预测结果与TQI真实值相比，平均百分比误差分别为1.53%和4.67%，较支持向量回归(SVR)模型分别降低了0.58%和0.61%，较GM(1, 1)-反向传播神经网络(BPNN)模型分别降低了0.15%和1.87%；改进GM(1, 1)-RVM组合模型在90%、95%和99%三种置信度下的最大平均预测区间宽度分别为0.324 5、0.387 9和0.510 5 mm，最低预测区间覆盖率分别为91.67%、95.83%和95.83%，预测区间基本涵盖了外推区间内的TQI演化数据。可见，利用预测的均值和方差构造区间边界可有效把控轨道不平顺演变过程中的随机波动，为轨道不平顺预测提供了一种新思路。交通运输工程学报. 2023 23(6): 135-145.

基于模态叠加法的公路简支梁桥动力放大系数研究

周勇军, 薛宇欣, 高徐军, 李冉冉, 王业路, 赵煜 — 2023-12-25

周勇军, 薛宇欣, 高徐军, 李冉冉, 王业路, 赵煜为研究模态阶数对挠度和弯矩动力放大系数分析的影响，以标准跨径的简支T梁桥、箱梁桥和空心板桥为研究对象，基于模态叠加法推导了简支梁在三轴车作用下的动力放大系数表达式；采用MATLAB软件编制了车桥耦合振动分析程序进行数值计算，研究了桥面不平整度、车辆速度与车辆质量3种因素下挠度和弯矩动力放大系数随模态截断阶数的变化规律，分析了不同模态阶数下两者的比值关系，对一座30 m简支箱梁桥进行了实桥动载试验验证。研究结果表明：挠度动力放大系数受模态阶数影响较小，1阶模态对挠度动力放大系数的贡献率为99%，选取前5阶模态时，可以获得完整桥梁结构响应信息；弯矩动力放大系数受模态阶数影响较大，1阶模态对弯矩动力放大系数的贡献率为86%，前5阶模态贡献率为90%；当考虑前25阶甚至更多模态时能够得到弯矩动力放大系数可靠结果；车辆速度在一定程度上影响模态阶数对动力放大系数的贡献率，桥面不平整度与车辆质量对动力放大系数收敛阶数影响不甚显著；弯矩动力放大系数小于挠度动力放大系数，当取1阶模态时，两者比值为0.86，取前15阶模态时，两者比值为0.95；建议相同测试条件下采用挠度动力放大系数。交通运输工程学报. 2023 23(6): 146-155.

强盐沼泽区干湿循环作用下桥梁桩基腐蚀损伤

冯忠居, 陈慧芸, 王富春, 胡海波, 徐占慧, 姚贤华 — 2023-12-25

冯忠居, 陈慧芸, 王富春, 胡海波, 徐占慧, 姚贤华为探明干湿循环与强盐沼泽腐蚀作用下桥梁桩基混凝土材料损伤机理，通过室内模拟试验，研究了不同材料质量比的混凝土浸入不同浓度复合盐溶液，经干湿循环后的质量损失率、相对动弹性模量和抗侵蚀系数；基于扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和化学成分分析相结合的方法，研究了桩身混凝土抗腐蚀微观机理。研究结果表明：经干湿循环后混凝土质量增长是因为在材料内部生成了钙矾石、Friedel盐等膨胀性晶体，氯盐的存在能够抑制硫酸盐对于桩基混凝土的侵蚀作用；复合盐溶液浓度不同时，经过120次的干湿循环后，水泥、碎石、砂子、水、粉煤灰、减水剂、硅灰、膨胀剂质量比为327∶1 103∶767∶170∶87∶7∶22∶44(质量比Ⅲ)的桩基混凝土试件的相对动弹性模量为92.7%，抗侵蚀系数最小为0.91，而在未添加硅灰和膨胀剂的质量比与仅添加硅灰的质量比下桩基混凝土试件的相对动弹性模量最大为89.7%，抗侵蚀系数最小为0.80，质量比Ⅲ的桩基混凝土试件的抗侵蚀性能较好，桩基混凝土试件受到膨胀力但内部未产生裂缝，说明添加硅灰和膨胀剂提升了桩基混凝土的抗侵蚀能力且可以确保桩基混凝土不产生裂缝。可见，实际工程中可综合考虑区域内腐蚀性离子类别等因素，在质量比Ⅲ的基础上进一步优化桩基混凝土的质量比。交通运输工程学报. 2023 23(6): 156-167.

超导EDS磁浮列车多级悬挂方案优化与动力学性能

马卫华, 李腾飞, 胡俊雄, 张赛, 罗世辉 — 2023-12-25

马卫华, 李腾飞, 胡俊雄, 张赛, 罗世辉研究了超导电动悬浮(EDS)磁浮列车悬浮架的悬挂方案，分析了超导EDS磁浮列车的工作原理和既有悬浮架的悬挂系统技术特征，提出了一种多级悬挂系统优化方案，从理论上推导了多级悬挂车辆的动力学微分方程；基于多体动力学软件SIMPACK与数学工具MATLAB/Simulink搭建了超导EDS磁浮列车动力学联合仿真框架，分析了超导EDS系统的磁力特性；将计算得到的电磁力组建成一个查找表，利用SIMPACK分别构建了既有悬挂方案和多级悬挂方案下3车体和4悬浮架的三编组超导EDS磁浮列车机械模型，借助MATLAB/Simulink建立了电磁力查找模型，通过SIMAT模块将查找表与机械动力学模型耦合，并通过联合仿真对比了在轨道随机不平顺条件下不同悬挂方案的超导EDS磁浮列车动力学响应。研究结果表明：与既有方案相比，采用多级悬挂方案时列车悬浮架和车体的振动响应明显减小，二者振动加速度峰值降幅均达到50%以上，车体振动加速度均小于1 m·s^-2，车体各向平稳性指标基本保持在2.5以下的优秀水平，证明采用多级悬挂方案可以改善列车运行时的动力响应，提高车辆整体的乘坐舒适性。研究工作可为超导EDS磁浮列车的悬浮架方案优化设计和动力学研究提供理论依据和参考。交通运输工程学报. 2023 23(6): 168-179.

永磁电动悬浮系统单目标性能优化

胡永攀, 王志强, 龙志强 — 2023-12-25

胡永攀, 王志强, 龙志强针对超高速永磁电动悬浮系统浮重比、浮阻比和悬浮刚度的优化问题，划分了求解域，建立了边界条件，明确了电磁力的表达式；采用了控制变量法，选取了5组相互独立的特征参数，分析了特征参数对各优化指标的影响，指出了不同优化指标的可优化变量；研究了不同悬浮间隙下浮重比最大时，永磁阵列波长、厚度、宽度和感应板宽度、厚度的取值，探讨了不同悬浮间隙下浮阻比最大时，永磁阵列波长和感应板厚度的取值，分析了不同悬浮间隙下悬浮刚度最大时，永磁阵列波长、厚度、宽度和感应板厚度的取值；开展了永磁电动悬浮系统试验研究，得到了电磁力随永磁阵列线速度的变化规律。研究结果表明：超高速情况下，浮重比随永磁阵列剩磁的增加而显著增加，随单位波长永磁体个数的增加而单调增加，随永磁阵列波长和宽度的增加大体上先增加后减少, 浮重比受永磁阵列厚度的影响明显；浮阻比受永磁阵列剩磁、永磁阵列宽度、感应板宽度、悬浮间隙的影响较小，受感应板厚度影响明显，永磁阵列波长、厚度和速度越大对提高浮阻比越有利；悬浮刚度随永磁阵列剩磁、永磁阵列宽度及厚度的增加单调递增，随永磁阵列波长的增加先增加后减少，随导体板厚度的增加先迅速增加然后缓慢下降，随悬浮间隙的增加变化显著，随速度几乎不发生变化；以浮重比为优化指标，当悬浮间隙从0.012 m增加至0.020 m时，永磁阵列厚度、波长、感应板宽度的最优取值逐渐增加，而永磁阵列宽度的最优取值逐渐减小，浮重比最优值下降了约50.00%；以浮阻比为优化指标，当永磁阵列波长从0.050 m增加至0.500 m时，感应板厚度的最优值逐渐增加，浮阻比的最优值提高了约2倍；以悬浮刚度为优化指标，当悬浮间隙从0.012 m增加至0.020 m时，永磁阵列波长的最优取值逐渐增加，永磁阵列宽度最优值等于感应板宽度，感应板厚度的最优取值约为0.001 m，悬浮刚度的最优值下降约50.00%；试验得到的线速度为0~50.00 m·s^-1时的电磁力变化趋势与理论计算、仿真结果一致，悬浮力随速度的增加先迅速增加，然后逐渐平稳；磁阻力随速度的增加先迅速增加，在线速度为4.00 m·s^-1附近时达到最大，然后缓慢下降。交通运输工程学报. 2023 23(6): 180-192.

磁悬浮列车超导磁体电磁激振试验台设计

胡道宇, 闫少强, 蔡华, 张志华, 张艳清 — 2023-12-25

胡道宇, 闫少强, 蔡华, 张志华, 张艳清梳理了轮轨列车、电磁悬浮列车、超导钉扎悬浮列车与超导电动悬浮列车台架试验台的研究进展，分析了超导电动悬浮列车推进线圈与悬浮线圈在超导线圈侧产生的空间磁场分布，提出了超导磁体电磁激振试验台的总体方案；介绍了电磁激振试验台核心组成子系统激磁模组和变流系统，提出了变流系统的多频复合电流闭环控制策略；仿真对比了超导磁体在线上运行和电磁激振线下模拟2种工况下的背景空间磁场、电磁载荷与振动加速度响应。研究结果表明：推进线圈和悬浮线圈主要空间谐波磁场阶次分别为2次和5次，对应引起超导线圈产生3倍频和6倍频电磁力波动；通流控制策略可实现二十四相激磁模组直流、3倍频和6倍频电流的控制；电磁激振试验台获取的主要电磁载荷与真实运行情况比较吻合，其中稳态推进力误差不大于3.4%，稳态悬浮力误差不大于8.0%，主要的3倍频与6倍频转矩误差分别不大于6.5%、8.5%；超导磁体各测点加速度响应的线上运行值及线下模拟值趋势与幅值基本吻合。可见，该试验台能够很好地复现实际运行环境下车载超导磁体的背景磁场、电磁载荷与加速度响应，总体方案的有效性得到验证。交通运输工程学报. 2023 23(6): 193-205.

基于全尺寸台架试验的中低速磁浮列车悬浮架强度评估

李苗, 马亚群, 王宇, 罗世辉, 马卫华, 雷成 — 2023-12-25

李苗, 马亚群, 王宇, 罗世辉, 马卫华, 雷成为评估某中低速磁浮列车悬浮架构架是否满足强度要求，利用自主研发的全尺寸中低速磁浮强度试验台对该悬浮架构架开展了静强度与疲劳强度试验，基于有限元和多体动力学仿真结果，确定了悬浮架构架的应力集中部位与承载特性；据此，在悬浮架构架上合理布置了系列测点，测量了车辆在超常载荷、模拟主要运营载荷和模拟特殊运营载荷3类工况下悬浮架构架的应变响应信号，根据悬浮架构架不同部位的材料特性，通过转换计算评估了悬浮架构架的应力水平。研究结果表明：在静强度试验中，悬浮架构架的较大应力点主要分布于托臂拐角、支撑轮安装座与防侧滚梁连接处、停放制动滑橇安装座等处，而在疲劳强度试验中的薄弱点主要为纵梁与托臂连接的焊缝处；相比于列车的常规运行工况，在悬浮失效、超载落车制动等特殊运行条件下，悬浮架构架的静强度和疲劳强度的应力幅值分别增加了1.06和4.77倍；所有测试工况下悬浮架构架受到的最大拉应力、最大压应力分别为67.22、-20.30 MPa，且最小安全系数为1.71，说明悬浮架构架满足结构强度要求；所有测试数据结果均在各自材料的Goodman-Smith疲劳极限图包络线内，说明悬浮架构架满足疲劳强度要求；经渗透探伤查验，悬浮架构架的任何位置上均未发现裂纹，验证了悬浮架构架疲劳强度评估结果的可靠性。交通运输工程学报. 2023 23(6): 206-215.

磁浮列车悬浮系统LSTM与MGD融合的在线异常检测方法

杨彪, 梅子, 龙志强 — 2023-12-25

杨彪, 梅子, 龙志强针对磁浮列车悬浮系统的在线异常检测问题，提出了一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络与多元高斯分布(MGD)的检测方法；建立学习悬浮系统正常运行的LSTM时间序列预测模型，得到了正常情况下的预测误差；基于间隙、电流和加速度的预测误差，建立了反映正常情况下预测误差分布特性的MGD模型；以对数概率密度作为检测指标，设计了在线检测逻辑，并以F₁分数作为检测效果衡量指标设置阈值；为了验证所提方法的有效性，利用磁浮列车运营线数据模拟在线数据，采用所提方法对过轨道接缝异常、砸轨异常和加速度信号异常进行了检测与分析。研究结果表明：在检测以上3类异常时，所提方法的F₁分数分别达到了100.00%、97.85%和83.33%，所提方法的检测指标在正常和异常情况下对比明显，可以反映出悬浮系统产生异常到调整好的具体时间段，并且算法平均耗时约2 s；相较于基于超球体高斯分布方法，所提方法检测率平均提高了1.9%，其中对于持续时间短的过轨道接缝异常的检测率提高了9.4%。可见，所提方法可以对悬浮系统状态数据进行异常在线检测。交通运输工程学报. 2023 23(6): 216-231.

基于试验数据的中低速磁浮列车电磁铁结构参数分析

刘清辉, 马卫华, 单磊, 罗世辉, 刘静, 秦龙泉 — 2023-12-25

刘清辉, 马卫华, 单磊, 罗世辉, 刘静, 秦龙泉为提高中低速磁浮列车的承载能力，基于等效磁路法建立了全尺寸悬浮电磁铁磁路模型，推导了包含悬浮电磁铁结构参数的垂向电磁力表达式；基于影响因素分析方法，对比研究了线圈匝数、电磁铁宽度、极板长度等结构参数对悬浮电磁铁垂向电磁力的影响；通过单电磁铁试验台对比了不同悬浮间隙和线圈电流下，线圈匝数分别为320和410时悬浮电磁铁垂向电磁力和浮重比的变化规律，验证了优化线圈匝数对提升中低速磁浮列车悬浮性能的可行性。研究结果表明：相比电磁铁宽度和极板长度，线圈匝数是影响磁浮列车悬浮性能的主要因素，但在10~30 A的小电流范围和大悬浮间隙(>10 mm)的范围内，改变线圈匝数对悬浮电磁铁垂向电磁力的提升效果较弱；当悬浮间隙为8 mm，线圈电流为30~50 A时，410匝悬浮电磁铁相对320匝悬浮电磁铁对悬浮电磁铁垂向电磁力的提升效果明显，平均垂向电磁力提升约2.94 kN，提升比例约为27.8%，平均浮重比提升约2.83，提升比例约为15.33%；随着线圈电流进一步增加，悬浮间隙进一步减小，平均垂向电磁力提升约3.38 kN，提升比例约为25.5%，平均浮重比提升约3.06，提升比例约为13.22%，说明当悬浮间隙为8 mm，线圈电流为30~50 A时，410匝悬浮电磁铁对中低速磁浮列车悬浮性能的提升效果最佳，而410匝悬浮电磁铁垂向电磁力的方差和标准差比320匝悬浮电磁铁的大，说明增加线圈匝数会使得悬浮电磁铁垂向电磁力对参数的变化更敏感。交通运输工程学报. 2023 23(6): 232-243.

基于多智能体建模和蒙特卡洛仿真的跑道容量评估

陈正磊, 种小雷, 刘超佳, 邵斌, 耿昊, 张佳佳, 徐吉辉 — 2023-12-25

陈正磊, 种小雷, 刘超佳, 邵斌, 耿昊, 张佳佳, 徐吉辉分析了飞机编队动力学特性以及机场组织模式、管制方式和飞行方式等特征，建立了跑道容量计算模型和跑道运行模型；以中距平行双跑道半混合运行模式和混合运行模式作为典型场景，综合运用多智能体建模和蒙特卡洛仿真方法，计算了不同运行模式下跑道容量；设计正交仿真试验，研究了跑道容量与运行模式、起降比例、出动间隔、机型比例、编队数量和环境因素的关系。仿真结果表明：相比于半混合运行模式，混合运行模式的起飞容量平均增加了55.2%，着陆容量平均减小了6.2%，总容量平均增加了28.5%；随着出动间隔从60 s增加到180 s，半混合运行模式的总容量减小了27.2%，混合运行模式的总容量减小了24.9%；随着机型比例从0增加到1.0，半混合运行模式的总容量减小了29.7%，混合运行模式的总容量减小了29.2%；随着平均编队数量从1.9增加到3.2，半混合运行模式下的总容量增加了9.8%，混合运行模式的总容量增加了7.1%。可见，混合运行模式的性能整体优于半混合运行模式，跑道容量与任务出动方式密切相关，需要根据任务出动方式合理选择跑道运行模式。交通运输工程学报. 2023 23(6): 244-256.

考虑路段随机行程时间异质性的交通网络可靠路径规划模型和算法

黄森, 许项东 — 2023-12-25

黄森, 许项东为应对交通网络路段随机行程时间异质性分布情况下，出行者路径选择决策对行程时间可靠性和不可靠性方面的关注，以均值-超量行程时间为优化准则，构建了一种新的可靠路径规划模型；为刻画交通网络中不同路段随机行程时间的异质性分布，以行程时间前四阶矩为输入，解析估计了均值-超量行程时间，以免于现有研究均一化的分布假设；利用均值-超量行程时间的理论特性，提出了以Dijkstra最短路算法和K-最短路算法为基础的精确和近似两阶段算法；以Monte Carlo模拟方法为基准，验证了基于前四阶矩的均值-超量行程时间解析估计方法的精确性；通过求解算例网络中所有OD对的最短均值-超量路径，分析了近似两阶段算法的精确性和计算效率。研究结果表明：现有研究中常用的路段随机行程时间正态分布假设会忽略偏度和峰度系数对可靠路径选择结果的影响，而均值-超量行程时间解析估计方法所得近似值与真值的相对误差不超过0.13%；当K-最短路算法中K为10时，近似两阶段算法求解的全网络OD对最短均值-超量路径中，有0.11%的OD对的最小均值-超量与精确两阶段算法求解结果不同，最大相对误差为3.35%；针对由随机选择的5个节点与其他节点组成的OD对，近似两阶段算法平均计算时间与精确两阶段算法平均计算时间的比值范围为0.87%~22.96%，表明近似两阶段算法不仅保证了其求解准确性，还可有效提高计算效率；提出的模型和算法能够接纳网络中不同路段随机行程时间分布具有异质性的现实特征，其路径规划结果能够更好地体现出行者对按时到达可靠性和迟到风险的关注诉求。交通运输工程学报. 2023 23(6): 257-269.

单向三车道高速公路合流区智能网联车辆协同汇入控制

王正武, 潘军良, 陈涛, 滑肖月 — 2023-12-25

王正武, 潘军良, 陈涛, 滑肖月为提高多车道高速公路入口匝道智能网联车辆合流安全性与通行效率，提出了一种基于规则的换道策略和一个时间离散的车辆轨迹优化模型，以进行协同汇入控制；以普通单向三车道高速公路匝道合流区为研究对象，将合流区及其上下游路段划分为4个区域，并对关键的提前换道区和协同合流区分别进行交通控制；在上游提前换道区，基于最小安全跟车间距和速度效益的换道规则，将部分主线外侧车道、中间车道的车辆在合流区上游提前换道至内侧相邻车道，以此减轻合流区外侧车道的交通压力，提高合流效率；在下游协同合流区，选取合适的周期时长，以周期内合流车辆行驶速度最大为目标，不固定合流点，规划合流车辆的纵向行车轨迹，引导匝道车辆在周期结束后汇入主线，实现协同合流；利用SUMO和Python仿真验证提出的协同汇入控制方法，并进行临界跟驰车头间距的敏感性分析。仿真结果表明：与无控制自然合流相比，提出的协同汇入控制方法在不同的交通需求水平下能使车辆平均速度提高4.9%~21.1%，平均延误降低29.9%~56.5%，且不会出现停车现象；与先进先出合流控制相比，在高匝道交通需求水平下能使车辆平均速度提高3.4%~9.6%，平均延误降低22.9%~39.4%；较低的临界跟驰车头间距可以更好地提高合流区通行效率，且在主线交通需求水平较高时更明显。交通运输工程学报. 2023 23(6): 270-282.

改进食肉植物算法优化的车辆长期目标跟踪器

黄鹤, 李文龙, 杨澜, 王会峰, 茹锋, 高涛 — 2023-12-25

黄鹤, 李文龙, 杨澜, 王会峰, 茹锋, 高涛研究了群体智能算法与目标跟踪相关的机理，提取了跟踪区域快速方向梯度直方图(FHOG)作为特征模板，利用食肉植物算法在图像搜索区域搜寻目标位置，基于巴氏距离作为模板匹配的相似度函数设计了一种食肉植物算法跟踪框架；考虑到实际跟踪过程的遮挡、背景杂乱等复杂状况，设计了一种短期记忆模块来预测跟踪过程中食肉植物算法的初始化个体，该模块采用高斯分布方式，利用视频序列前2帧中目标位置来预测运动轨迹；为更好地利用食肉植物算法优化目标跟踪，在迭代过程中设计了一种随机跟随策略与种群划分机制，并作为搜索策略引入跟踪框架中；为弥补方向梯度直方图单特征对目标的表述能力不强的问题，在FHOG基础上融合了ResNet-50中的Conv2-1与Conv4-1两层特征，并在融合特征的基础上设计了一种自适应学习率动态更新模板；在种群维度上添加二维比例感知因子，使得目标窗口的长宽比各自变化，更好适应目标窗口的尺度变化。研究结果表明: 随机跟随策略和种群划分机制的引入显著改善了食肉植物算法的迭代速度和寻优能力；融合特征和自适应模板更新增强了目标特征表述能力, 解决了由于遮挡等情况学习到大量无效信息，从而导致特征模板退化的问题；算法在跟踪UAV123中几个具有挑战性的车辆视频序列时性能优越，精确度和成功率分别为0.81和0.58，速度为每秒11.05帧；与同类算法相比，跟踪精度和鲁棒性均有大幅提升，能够适应复杂场景中的环境变化，对目标车辆长期保持稳定跟踪。交通运输工程学报. 2023 23(6): 283-300.

基于二次诱导的群体空港旅客出行推荐方法

柴琳果, 芮涛, 上官伟, 蔡伯根 — 2023-12-25

柴琳果, 芮涛, 上官伟, 蔡伯根针对旅客个性化出行需求和机场快速疏解要求，在对陆侧交通各出行方式固定分配的基础上，提出了一种基于二次诱导的群体空港旅客出行推荐方法，为定制化旅客服务提供算法支撑；基于旅客原始数据，结合粗糙集理论进行特征属性的知识约简，提高算法性能；运用改进贝叶斯分类算法进行基于旅客独立特征概率计算的出行方式推荐度量化，生成基于一次诱导的旅客出行推荐序列；面向机场陆侧各出行方式运力固定分配的约束，将旅客出行推荐序列输入基于改进非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)的旅客二次诱导出行推荐模型中，进行运力与旅客流的深度匹配，对旅客出行推荐结果进行再次优化；基于普适性原则，使用小规模(100人次)和大规模(1 000人次) 旅客样本进行模型验证。分析结果表明：在不同规模旅客流输入情况下均能得到良好结果，小规模样本下旅客出行方式推荐正确率为77.41%，大规模样本下旅客出行方式推荐正确率为79.62%；经过二次诱导后，旅客流出行推荐分布与运力间的匹配度相比真实出行以及一次诱导分布皆有巨大提升。在旅客流与运力高度匹配的基础上实现了旅客出行偏好需求，算法性能良好，为改善枢纽机场客流疏解能力提供了一种切实可行的方法。交通运输工程学报. 2023 23(6): 301-313.

未知干扰下多船相邻交叉耦合同步编队避障控制

庹玉龙, 康彩霞, 王莎莎, 戴东辰, 高双, 李莉莉 — 2023-12-25

庹玉龙, 康彩霞, 王莎莎, 戴东辰, 高双, 李莉莉针对在未知海洋干扰下编队航行时的同步性能差和障碍物碰撞风险问题，提出了一种多船舶分布式相邻交叉耦合同步编队避障鲁棒控制方法和具有更高同步控制精度的相邻交叉耦合同步控制策略, 并利用神经网络估计未知海洋干扰；为防止船舶与障碍物、船舶与船舶之间的碰撞风险，将人工势场法应用到多船舶编队控制系统当中；通过模拟5艘船舶在具有多个障碍物和未知海洋干扰情况下的并排编队航行场景，测试了提出方法的有效性。研究结果表明：在考虑障碍物与外界海洋干扰的环境下，5艘船舶在安全躲避障碍物后，均能够以期望的编队形式完成航行；9 s左右这些船舶就能够达到一致的速度，面对障碍物干扰时，速度会出现轻微波动，但30 s后仍可趋于一致，并保持相同的速度继续航行；船舶的位置跟踪误差、速度跟踪误差、相邻船舶的位置同步误差与神经网络逼近误差会出现小幅度的振荡，但30 s后这些误差最终都收敛于0，保证了5艘船舶位置与速度信息的同步。可见，该方法不仅可解决未知海洋干扰下船舶编队控制同步性能较差的问题，同时可有效降低船舶与障碍物、船舶与船舶之间的碰撞风险，一定程度上提高了船舶编队航行时的自主性与安全性。交通运输工程学报. 2023 23(6): 314-326.