2018年, 第42卷, 第2期　刊出日期：2018-04-30

  

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智能交通和数据挖掘
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  基于深度时空卷积网络的民航需求预测

  林友芳，康友隐，万怀宇，吴丽娜，张宇翔

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.001

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  在线机票预订网站上的用户查询量变化是真实的民航市场需求变化的反映.通过对机票查询数据进行分析，可以准确地预测航班需求，以利于民航业做出快速的市场反应.提出了一种基于深度时空卷积神经网络的民航需求预测模型（DSTCN-FRP），将用户查询量时间序列数据转换成航线网格图，设计多层卷积神经网络来捕捉用户需求与查询数据之间的时间和空间依赖，同时加入节假日等外部因素，最后得到未来一段时间内的民航需求量.在某在线订票网站的真实查询数据集上进行了实验，结果表明:DSTCN-FRP模型优于其他现有的预测方法,其MAE比其他方法降低了15%~50%，RMSE降低了12%~28%.
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  基于GBDT的商品分配层次化预测模型

  朱振峰，汤静远，常冬霞，赵耀

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 9. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.002

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  商品预测是使用以往商品信息去估计和推断未来商品的销售趋势，并以此作为对商品进行合理调配与规划的依据.为实现对商品销售的精确预测，在GBDT基础上，提出了一种层次化集成预测模型（HGBDT）.针对数据表征的高维问题，基于Bagging思想，在特征空间构建了该模型，实现对商品的有效描述，以此提高预测模型的性能与泛化能力.在开放数据库上的实验结果验证了本文模型的有效性.
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  一种局部属性加权朴素贝叶斯分类算法

  张伟，王志海，原继东，刘海洋

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 14. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.003

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  朴素贝叶斯模型具有的简单性和有效性，使其在诸多问题领域表现出优良的性能，但其属性条件独立性假设在实际应用中难以成立.而属性加权是降低属性条件独立性假设对分类器性能影响的主要途径.传统建立在整个数据集上的单一全局模型忽略了每个测试实例所具有的特点，同时从整个训练集上学习到的属性权重并不能准确反映每个属性对待分类实例的影响.为此提出一种基于数据驱动的懒惰式局部属性加权方法，它在每个测试实例的近邻集合上学习属性权重，并通过最优化方法建立相应的局部属性加权朴素贝叶斯模型.实验结果表明：和当前常见的准朴素贝叶斯模型相比，本文模型具有较高的分类准确率.
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  双目视觉的原木径级快速检测算法

  陈广华，张强，陈梅倩，李建伟，尹怀永

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 22. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.004

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  针对成捆原木自动化检尺中原木端面径级检测的关键问题，采用双目立体视觉及图像分割的原理，完成原木径级的快速三维测量.根据原木的直方图特征，提出基于最大熵阈值分割的区域标识算法，设定动态阈值，实现对原木端面与背景的精确分割.将提取的左右图像中原木端面边缘，借助ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征点检测方法，与极线几何理论相结合完成原木边缘的快速立体匹配，得到三维坐标.此外以成捆原木为检测对象，进行原木边缘图像的最小二乘法椭圆拟合，确定原木端面长、短径参数.实验结果表明: 该算法能够在10 s内完成原木径级的检测，测量误差在2 mm内.
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  基于弱关联频繁模式的超限行为挖掘优化

  万芳，胡东辉

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 31. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.005

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  目前采用博弈分析和流量预测等模型，对未来时间段道路网货运车辆超限行为进行提前识别，取得一定的检测效果，但对具有时空动态性和迁移性的超限车辆分布挖掘仍具有局限性.根据道路网超限车辆数据特点，提出一种基于弱关联频繁模式的超限行为的挖掘优化算法，该算法采用空间弱关联频繁模式构建的超限频繁模式树，建立时间弱关联的状态转移模型，得到频繁模式的预测值.在FP-growth频繁模式挖掘算法的基础上，首次建立了超限模式挖掘与货运车辆行为数据的时空弱关联，使超限行为预测算法误差率降至6%以下，有效提高了超限行为的检测效率.
通信网络和列车控制安全
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  采用传播图论建模方法的Massive MIMO室内场景传播特性

  刘留，刘妍，雷勇，吴钰浩

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 38. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.006

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  大规模多天线（Massive MIMO）技术在基站端配置大规模天线阵列，能够大幅度提升数据传输速度和系统容量，实现无线传播信道中的空间和时间资源的最大化利用.有关Massive MIMO无线传播信道的研究，对大规模多天线的应用、系统的设计与部署具有重要意义.本文采用传播图论信道建模的方法，研究Massive MIMO在实际传播信道中的性能表现，既能很好的避免信道实测带来的繁重工作，又能有效反映Massive MIMO的无线信道衰落特性.分别在高频点6 GHz和低频点1.472 5 GHz对选定的室内传播场景进行了信道建模与仿真，由传播图论建模方法得到了信道冲激响应，并进行参数提取，分别从角度域和时延域分析了大规模多天线系统的信道传播特性，并通过分析信道奇异值扩展的分布，证明了实际传播环境中天线数目增多信道的正交性显著增强.
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  基于分簇的Ad Hoc网络媒体接入控制协议C-USAP

  熊轲,马换,刘强

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 46. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.007

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  在未来大规模无线自组织网络中，不但要保证数据的高效传输，还要保证能够适应网络拓扑结构的快速变化.现有的M-USAP（改进的统一时隙分配协议）能够在一帧内完成全网控制信息的交互，每个节点拥有全网路由信息，在小规模网络中能够快速适应网络拓扑结构的变化.但是随着网络规模的增大，存在路由开销大、收敛慢、端到端时延大、节点吞吐量小、时隙复用率低和网络反应迟钝等问题.针对上述问题，提出一种适用于大规模无线自组织网络的媒体接入控制协议C-USAP（分簇式统一时隙分配协议）.该协议基于分簇思想，簇内采用动态时分多址协议，簇间采用多频段分割技术，实现高效的簇内和簇间节点交互.仿真结果表明：该协议具有路由收敛快、业务收发平稳、端到端时延小、时隙复用率高和网络灵活等特点.
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  基于分簇结构的移动自组织网络接入控制协议关键技术研究

  刘强,袁万刚

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 54. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.008

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  提出了一种基于分簇结构的移动自组织网络（MANETs）接入控制协议（CM-MAC）.该协议主要适用于大规模多跳移动自组织网络，采用分簇技术将整个大规模网络分成多个簇，每个簇拥有不同的工作频段，各个簇之间互不干扰.簇内采用了动态时分多址协议，每个节点根据自身业务强度动态地占用网络资源，簇与簇之间通过网关节点实现跨簇通信.本文采用了OPNET Modeler进行网络建模和仿真，仿真结果表明：在大规模拓扑网络中， CM-MAC协议比标准USAP协议的吞吐量提升了约2.2倍，时隙复用率提升了约4倍，端到端延时降低了约3倍.
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  列控-安全信息传输系统可靠性及安全性的形式化分析

  高莺,张琦,陈黎洁,刘宏杰

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 61. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.009

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  基于通信的列控（CBTC）系统使用基于IEEE 802.11系列的无线局域网实现车-地双向信息传输，但是无线局域网无法满足安全苛求列控系统在信息传输可靠性和安全性方面的需求.为了解决该问题，可以采用双网冗余的结构提高无线局域网信息传输的可靠性，再在无线局域网之上增加安全通信协议来保证信息传输的安全性.本文提出在双网冗余无线局域网基础之上增加安全通信协议形成列控-安全信息传输系统（China-Radio），使用随机Petri网建立了双网冗余结构的无线局域网的可靠性模型，并与单网结构进行了定量对比和形式化分析，验证了双网冗余结构可靠性的提升；使用有色Petri网对China-Radio系统建模，并采用模型检验的方法证明China-Radio系统的功能安全性，能够满足列控系统的需求.
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  车联网干线协调控制相位差自适应优化

  柴琳果，蔡伯根，上官伟，王剑，王化深，陈俊杰

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 69. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.010

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  为了提高车联网环境中干线的通行效率，提出一种车联网中干线协调控制相位差自适应优化方法.本文基于车辆换道延误模型建立了以上游交叉口车辆数为输入、下游交叉口信号相位差调节量为输出的模糊控制网络；为解决车流和路况变化造成的控制效果降低问题，以车辆交叉口平均等待时间最小为目标，对模糊规则进行自适应调节；通过基于Q-Paramics的车联网仿真平台对本文提出的方法进行验证.结果表明：本文提出方法控制效果明显优于传统干线协调控制方法；在车流大幅震荡和车流随机波动条件下，较固定规则的干线模糊控制方法能够分别降低车辆平均等待时间12.35%和9.7%.本文方法能够适应车流变化和路况变化，具有更优的适应性、可用性及工程价值.
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  基于以太网的列车通信网络冗余结构可靠性分析

  简捷，王立德，靳建宇，申萍

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 76. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.011

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  列车通信网络是轨道车辆可靠安全运行的重要保障，具有可靠性高、实时性强、故障切换与恢复时间短等特点.提出基于PRP和HSR的列车通信网络结构，实现网络故障零恢复时间.在此基础上依据系统可修性和功能相关性及冗余性特点，采用DFTA对其进行可靠性建模；引入BDD和Markov矩阵分解静态子树和动态子树以优化传统故障树分析的计算量；针对具体算例对PRP、HSR、RSTP协议的可靠性指标进行量化求解与对比分析.研究结果表明：提出的PRP与HSR冗余结构和RSTP相比，平均故障间隔时间分别增长了5 764 h与5 269 h，有效提升了网络可靠性.
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  基于STPA方法的平交道口安全需求分析

  刘宏杰，唐涛，金夏垚,杜恒

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 84. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.012

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  现代平交道口控制系统多为由计算机组成的基于通信的控制系统，该类型系统中的危险致因大多源于系统组件间的复杂交互场景未得到充分辨识和控制。为了避免平交道口事故的发生，提出一套基于系统理论过程分析（STPA）的铁路信号系统安全分析方法。借助对传统STPA方法的改进及XSTAMPP软件，以平交道口控制系统为案例进行了安全分析。研究结果实现了安全需求可根据危险分析结果自动生成，解决了传统STPA过程过于依赖人工的问题；分析得到的平交道口控制系统安全需求被自动转化为线性时序逻辑（LTL）语言描述的形式化规范，避免了传统STPA分析结果用自然语言描述可能存在的歧义性，为基于模型的系统设计、测试和验证提供参考。
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  面向客运车站环境监测的WSN覆盖策略

  邓胜江

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 91. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.013

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  客运车站环境的监测对于保障车站安全运营和为旅客提供舒适出行具有重大意义.基于无线传感器网络（WSN）的客运车站环境监测全覆盖策略，依据被监测区域中已部署的传感器节点对区域进行Voronoi划分，计算Voronoi图中三角形的覆盖比，提出基于Voronoi三角形覆盖比的全覆盖算法，该算法通过逐个添加新的传感器节点修复覆盖空洞.仿真结果表明：所提算法在实现监测区域全覆盖的同时能够有效减小由于大量部署传感器节点所造成的覆盖冗余.
电力系统控制和电路参数检测
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  基于虚拟同步机控制技术的交直流互联电力系统电压稳定控制策略

  孙丽敬,吴鸣,杨景熙,李蕊，张海，吕志鹏

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 98. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.014

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  电压暂降是电力系统正常运行过程中一种不可避免和难以预测的电能质量问题.交直流微电网和交直流配电的发展，使交直流互联方式下交流电网电压稳定问题更加复杂.针对电压暂降治理，提出了一种采用虚拟同步发电机技术的交直流互联方法.根据本文提出的方法，光伏发电和电池储能等直流分布式系统，能自主地参与到对交流电网电压的调节中，从而维持交流母线电压的稳定性.设计并搭建了额定功率为120 kVA的仿真平台，对上述控制策略进行了仿真分析和研究，仿真结果验证了所提出控制策略能确保交流母线电压在电网电压暂降早期不会出现较高幅值的跌落，并在电网电压暂降故障排除后较快地恢复其额定幅值.
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  基于遗传算法的直线感应电机帽型次级结构参数优化设计

  吕刚,刘素阔

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 107. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.015

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  为了提升直线感应电机的性能，在考虑直线电机所特有的横向和纵向边缘效应的情况下，建立了帽型次级直线电机的等效电路.确定帽型次级的优化变量后，得到推力、效率、功率因数和单位次级重量的解析表达式和多目标优化函数模型.通过遗传算法求解，在次级宽度的约束条件下，实现了推力、效率、功率因数和单位次级重量等量的优化计算.建立复合次级和帽形次级3-D FEM模型，将解析优化与有限元仿真进行对比，证明了优化方法的易用性.
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  实测数据的350 km·h中国标准动车组空载合闸涌流特性研究

  郭旭刚

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 114. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.016

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  为优化动车组高压保护系统，本文详细分析中国标准动车组牵引变压器空载合闸引起的涌流特性理论模型及其空载合闸实测数据，对比研究了中国标准动车组不同角度合闸涌流特性、变压器原次边电压特性及其影响.通过对实测数据深入分析与研究，在一定角度范围内相控合闸可以有效抑制动车组主断路器频繁合闸引起励磁涌流影响，从而提高整个牵引供电系统电气设备安全性.同时中国标准动车组宝贵实测数据为动车组高压系统关键部件选型及主电路参数的设计提供重要技术支撑.
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  大功率电力机车异步牵引电机的典型故障研究

  张世聪

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 122. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.017

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  通过分析相电流信号，对大功率电力机车异步牵引电机的两种典型故障——转子断条故障和定子绕组匝间短路故障进行故障诊断，建立电机故障情况下的有限元模型并进行仿真.结果表明，电机故障引起了三相电流不对称，基于故障后的三相电流，利用频谱分析法和对称分量法进行后处理运算，可以提取到明显的故障特征，能够有效的诊断转子断条故障和定子绕组匝间短路故障.实验所得结果与仿真及理论分析吻合，证明了故障模型的正确性，也验证了基于相电流信号的故障诊断方法的有效性.
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  自适应无迹卡尔曼滤波动力电池的SOC估计

  谢永东，何志刚，陈栋，周洪剑

  北京交通大学学报. 2018, 42(2): 129. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.02.018

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  无迹卡尔曼滤波法(Unscented-Kalman Filter,UKF)在估计动力电池的剩余容量(State of Charge,SOC )时，由于系统噪声的不确定，可能导致算法不收敛，而且算法的估计性能受模型精度的影响，为此采用自适应无迹卡尔曼滤波法(Adaptive-UKF,AUKF)动态估计电动汽车动力电池的SOC.建立了适用于SOC估计的电池模型，辨识相应的电池模型的参数并进行验证，将AUKF应用到该模型，在未知干扰噪声环境下，在线估计电池的SOC.试验仿真结果表明：UKF算法的估计误差在-0.04~0.06之间跳动，而AUKF算法的估计误差平稳的保持在0.05以内，实时修正微小的模型误差带来的SOC估计误差.