2019年, 第43卷, 第5期　刊出日期：2019-10-30

  

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智慧交通和数据挖掘
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  基于卷积神经网络的机票低价预测

  林友芳，蒋鹏，郭晟楠，武志昊

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180137

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  准确的机票低价预测有助于民航需求与供给的灵活对接及民航资源的充分利用.机票价格波动性大、随机性强、易受到诸多因素的影响，使得机票价格预测成为了一个极具挑战的问题.充分考虑机票价格自身特点，设计了二维“机票价格时间片”结构，并基于时间片充分挖掘、利用机票价格数据的规律与关系，设计了以卷积神经网络为核心的两阶段机票价格预测模型，对未来机票最低价格进行预测.在某在线订票网站的真实价格数据集上进行了验证，并与4种流行的基准模型进行了对比.结果表明：本文的方法明显优于其他模型，MAE效果提升了13.67%,MAPE数值降低了1.52%.
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  结合运动目标检测和ResNet的车速车型智能识别

  梁栋，何佳，石陆魁，王松，刘佳

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 10. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190043

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  车速和车型作为重要的车辆信息,在道路监控系统中发挥着很大的作用.传统的基于视觉的车辆信息识别方式由于计算参数过大且提取的特征不足,难以满足智能交通实时性和普适性的需求.对此,提出了一种新的车辆信息识别方法,采用运动目标检测技术实现视频中车辆的提取,然后利用虚拟线圈法进行车速识别,再通过改进的残差网络对提取的车辆进行车型识别,有效地减少了计算参数,实现了对视频的快速处理,同时利用了残差网络极强的特征表达能力,提高了识别的准确率.此外，加入了重载车型的研究,有良好的应用前景.实验结果显示,系统车速识别平均绝对误差不超过6 km/h,车型识别平均准确率达到92.1%,针对小客车和小轿车的识别准确率高达98.7%,优于传统的识别方法.
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  基于区域检测分割的运动模糊图像复原

  胡绍海，王敏茜

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 20. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180177

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  空间变化的运动模糊图像复原是当今图像处理领域的热点问题之一，而运动模糊区域检测更是其中的重点和难点.针对以往运动模糊区域检测算法的精确度较低的问题，提出基于检测分割的单帧运动模糊图像盲复原算法.结合多尺度感知和闭合型图分割，实现两步模糊区域检测.将检测到的模糊区域外延后进行复原，再将其去除外延部分并与清晰区域拼接，得到最终的复原结果.实验结果表明: 本文算法不但显著提高了模糊区域检测精度，也有效提高了图像复原质量.同时，具有一定的普遍性，可以适用于自然场景下的多种空间变化的运动模糊图像.
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  基于马尔可夫链的无桩共享单车车辆投放规模分析

  翟永，刘津，陈杰，邢绪超，杜娟，李恒，朱杰

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 27. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180054

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  为动态优化无桩共享单车投放规模，加强规范化管理，采用马尔可夫随机过程的数学方法研究共享单车的投放问题.分析了无桩共享单车使用过程所具有的不可约、非周期和正常返等性质，为高效求解共享单车站点的稳态规模，通过构造转移概率随机素矩阵，使用向量迭代技术，提出“稀疏矩阵秩—修正算法”，并进一步讨论了稳态规模的依时间段动态求解问题.最后，结合数据对算法进行了验证与分析，得出共享单车马尔可夫链“极限状态（稳态）概率唯一存在且独立于初始概率分布”的结论.可用于解决无桩共享单车投放和调度中的无序问题.
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  基于Faster R-CNN的多尺度高压塔鸟巢检测

  王纪武，罗海保，鱼鹏飞，郑乐乐，胡方全

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 37. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180168

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  为了解决复杂图像背景条件下高压塔上鸟巢检测的问题，提出一种基于Faster R-CNN的多尺度高压塔鸟巢检测方法.在特征提取方面，通过改进基于卷积神经网络的ResNet-50特征提取网络分别完成图像中高压塔和鸟巢的特征提取；在建议区域提取方面，提出在两种不同深度的卷积特征图上采用合理尺度的不同大小滑动窗口方式完成建议区域的提取，增强了对鸟巢的检测能力；在目标检测方面，提出在高分辨卷积特征图上进行上采样操作，并额外增加SENet特征增强模块,有效提高了目标检测效果.最后利用同时检测出的高压塔区域条件剔除了此区域之外的鸟巢检测结果，进一步提升了最终的鸟巢检测精度.该方法在2 000幅无人机实际巡检航拍的含有鸟巢的图像数据集上进行了测试.实验结果表明：本文方法的平均检测精度达到了84.55%.对比已有的基于HOG+SVM的检测方法和基于经典的Faster R-CNN ResNet-50检测方法，本文所提出的方法平均检测精度分别提高了43.5%和15.2%，并加快了检测速度.该方法为无人机电力智能巡检提供了一种新的解决办法.
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  电磁拓扑理论的CAU抗干扰应用研究

  崔勇，黄昆，黄鑫，王泽民

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 44. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190025

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  铁路现场信号设备常常受到电磁干扰，其中应答器传输模块（Balise Transmission Module,BTM）设备最为典型.针对小型天线单元（Compact Antenna Unit,CAU）受空间辐射干扰情形，现场部分采取在CAU四周增加金属挡板来提高其抗干扰性能，但缺乏相应的理论研究，无法对挡板的抗干扰性能进行定量分析.结合绕射理论与电磁拓扑理论，建立CAU加挡板的抗干扰模型，仿真与实测结果基本吻合，验证了模型的有效性，为CAU抗干扰提供了新思路.
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  铁路安全应用卫星导航信号空间可信区域识别方法

  靳成铭，蔡伯根，王剑，上官伟

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 50. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180129

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  卫星导航系统作为一种信息源，在铁路安全苛求系统中应用时需满足相应的可用性需求. 针对铁路遮挡环境下导航卫星空间信号的可用性评估问题, 提出了一种基于禁忌搜索的8-邻域区域生长算法，并得出可信的卫星导航信号可用区域.在此基础上，设计了一套铁路导航定位应用环境下的空间信号本地可用性分析方案，并进行了实验验证.结果表明，在所选取的四个场景中，本文所提出的算法能够有效降低将遮挡识别为可见天空的风险，算法将可见天空识别为遮挡的误识率低于6.9%，漏识率低于2.1%，并支持风险等级的进一步降低，为铁路安全苛求系统提供可信的“保守”空间信号可用区域.
通信网络和列车控制安全
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  一种面向区块链的优化PBFT共识算法

  方维维，王子岳，宋慧丽，王云鹏，丁毅

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 58. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190051

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  区块链技术具有去中心化，数据不可篡改和数据透明等特点，使得该技术的应用领域不断扩展，但目前应用于区块链系统的共识算法存在着资源浪费和共识效率较低等问题，限制了区块链技术的发展.针对此问题，基于实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT），算法的基本思想，提出了一种优化的共识算法.该算法引入积分机制，根据节点积分挑选参与共识的节点，以降低网络中的通信开销；在不存在拜占庭节点的情况下，优化PBFT算法的一致性协议；引入升降级机制，动态更新参与共识的节点集合，以保证算法在大部分时间内都执行优化一致性协议.实验结果表明: 与PBFT算法相比，本文提出的共识算法将共识过程的时间复杂度从O(N2)下降到O(N)，有效降低了网络中的通信开销，平均时延从55 ms降到37 ms，平均吞吐量从342 TPS提升到677 TPS.
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  基于最强用户检测改进算法的大规模MIMO接入机制设计与优化

  邸俊杰，章嘉懿

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 65. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190034

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  针对大规模多输入多输出系统中的导频冲突问题，提出一种基于用户到达角度的最强用户检测改进算法（SUCIR）.根据基站反馈允许增益最强用户接入，其他用户进行退避重新接入，同时基站利用不同用户的到达角度进行接入复用.结果表明，SUCIR算法能够降低80%用户导频冲突，且用户平均接入时延低于30 ms.
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  基于RBF-ARX模型的高速列车预测控制器设计

  刘伯鸿,连文博,李婉婉

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 73. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190009

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  针对高速列车在复杂环境运行时，传统预测控制器出现的动力学模型失配、在线辨识实时性不强等问题，提出一种基于RBF-ARX模型的列车预测控制方法.首先，构建RBF-ARX模型作为列车控制器的预测模型，使用SNPOM算法处理列车运行中的大量历史数据，得到预测模型的模型阶次及优化参数，并验证了模型的准确性.然后使用该模型构造预测控制器对列车目标曲线进行在线跟踪仿真.结果表明:基于RBF-ARX模型的高速列车预测控制器不仅解决了动力学模型失配的问题，并且在控制精度及舒适度等方面都优于传统预测控制器.
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  一种面向车联网的高效条件匿名认证方案

  王青龙,乔瑞,樊娜,段宗涛

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 80. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190013

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  针对传统基于公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)的匿名证书方案需要更新的问题，提出一种车联网匿名证书分发机制，车辆从途经的路侧单元(Road Side Unit, RSU)获得临时匿名证书,并利用该证书进行消息广播.因而不存在复杂的证书管理问题，并且车辆在认证消息时也不需要耗时的证书撤销列表(Certificate Revocation List, CRL)检查，显著提高了认证效率.安全分析表明本文方案满足匿名性、不可关联性、可追踪性、撤销性及消息完整性，能够抵抗伪造攻击、假冒攻击和重放攻击，特别是与已有类似方案相比较，能够抵抗RSU的关联攻击.实验结果显示本文方案具有较高的计算效率，具有实际应用价值.
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  基于OS-ELM和SDAE的Wi-Fi入侵检测方法

  刘明峰,侯路,郭顺森,韩然,赵宇飞

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 87. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180183

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  为解决大多数Wi-Fi网络入侵检测方法实时性差、误报率高等问题，提出一种基于在线序列极限学习机（OS-ELM）的实时Wi-Fi网络入侵检测系统模型.首先，考虑到实验样本数据中正常与异常数据极不平衡的问题，采用SMOTE算法对数据样本中的异常数据和正常数据进行平衡处理操作，使分类器的分类效果不受样本数据集中多数类样本的影响.然后使用栈式降噪自编码网络（SDAE）对平衡后的数据进行降维，消除无关或冗余特征降低检测建模规模，避免维度灾难.最后，在AWID数据集进行处理并输入到OS-ELM分类器中，结果表明：与其他基于浅层学习算法的检测方法相比，所提方法可有效地精简数据特征，降低了检测时间，同时在检测精度和误报率方面也体现出了更优性能.
电动汽车与机电系统控制
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  模糊PID改进算法在热重分析炉温度控制中的应用

  陈广华,李梦凡,张健

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 94. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180158

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  为了解决热重分析仪器反应迟钝、不能线性控温等问题，提出了一种模糊PID改进算法.首先设计对应的模糊PID控制器来进行温度的控制，其次借助于ANSYS软件建立炉温度场模型，分析得出炉温受加热功率、燃烧物放热等因素的影响.为了能更加精准地进行温度控制，对控制器进行了改进，加入了非线性校正参数αt和燃烧放热补偿参数uq.经过Matlab/Simulink仿真实验并与传统的控制器进行对比分析，改进的模糊PID控制器调节时间缩短了19.8 s，超调量减少了092，能较为有效地解决热重分析设备反应迟钝、温度非线性等问题.
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  基于能耗优化的前后轴独立驱动电动汽车转矩分配策略

  姜涛,耿聪,薛奇成,张欣

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 102. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180159

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  为减小前后轴独立驱动电动汽车的整车能耗，提出了一种基于能耗优化的转矩最优分配策略.首先分析前后轴独立驱动电动汽车驱动功率消耗的特征，提出以前后电机总损失功率为目标函数的转矩分配系数计算方法，进而建立转矩优化分配计算的数学模型；然后利用Matlab进行非线性优化问题的求解得到用于转矩优化分配控制的转矩分配系数MAP图；最后利用AMEsim与Simulink建立联合仿真平台，并进行典型驾驶循环下不同转矩分配策略的对比仿真试验分析.结果表明，转矩优化分配策略能够明显减少驱动情况下的能量消耗，提高制动情况下的能量回收，因此提高了整车经济性.
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  计及转子护套与永磁体机械强度的高速永磁同步电机多物理场研究

  李伟力,候富余,沈稼丰

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 110. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180149

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  针对高速永磁同步电机的永磁体与护套在高速工况下受到较大的离心力，可能会发生永磁体断裂，护套形变过大等导致电机故障的问题.以200 kW、15 000 r/min高速永磁同步电动机为例，针对表贴式，轴径向分块式永磁体与奥氏体不锈钢护套配合设计的结构，建立了高速永磁同步电机的机械应力场的数学模型，研究了额定转速15 000 r/min时高速永磁同步电动机的护套和永磁体应力的分布规律,并确定了护套和永磁体应力的安全阀值.在此基础上，建立了瞬态电磁场对电机的损耗进行了理论计算，将理论值代入到三维稳态温度场中，确定了不同护套厚度对电机内的定转子温度分布的影响，并进行了实验验证，结果表明：高速永磁同步电机设计中，奥氏体不锈钢护套厚度的选择需要综合考虑其电磁损耗、温升变化与应力安全的影响.
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  定子铁心采用非晶与硅钢的电动汽车用永磁同步电机温度场分析

  刘瑞芳,朱健,曹君慈

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 119. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190029

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  永磁同步电动机因具有功率密度高，噪声低及效率高等优点在电动汽车中占据了较大的市场份额.将低铁损的非晶材料应用于定子铁心时可使电机效率进一步提升，但高功率密度伴随而来电机发热问题不可忽视.通过对两台相同结构，定子铁心分别采用硅钢和非晶的永磁同步电机进行电热耦合数值分析，对比研究两台电机在额定工况和峰值工况以及高转速下的温度场分布特性.结果表明，在额定转速下非晶电机温升高于硅钢电机，但高速下硅钢电机温升远高于非晶电机.最后对两台样机进行温升实验，将电热耦合结果与实验数据进行对比.
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  基于云模型和信息公理的车辆故障模式风险评估方法

  李磊,郭歌,李杰,周芳

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 126. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190074

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  针对现有故障模式和影响分析(FMEA)识别故障模式风险大小中存在的不足，提出一种基于云模型和信息公理的故障模式风险评估方法.首先利用云模型处理专家给出的语言评估信息，克服现有研究在处理语言信息的不足；其次，基于云模型和信息公理方法构造故障模式风险评估模型，并且针对风险因子权重计算，提出基于云值的风险因子主客观权重计算方法；最后，以地铁车辆车门故障模式风险评估为例进行检验，同时与其他方法对比验证本方法的可行性和有效性.实例结果表明本文方法计算出的数值结果合理、准确，能根据故障模式风险排序找出影响车门可靠性的关键故障模式，为合理制定维护措施、科学分配检修资源提供参考.
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  三轴重载汽车自寻最优制动及硬件在环验证

  杨绍普，贾长旺，路永婕，刘鹏

  北京交通大学学报. 2019, 43(5): 135. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180164

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  为了提高三轴重载汽车的制动安全性能，搭建了制动动力学模型，基于TruckSim建立了三轴重载汽车整车模型.在对Burckhardt“轮胎-路面”模型和以往自寻最优制动理论研究的基础上，设计了应用于整车模型的三轴汽车自寻最优ABS控制器.采用硬件在环实验的方法，在高附路面、低附路面和对开路面3种工况下验证了控制器的可行性，加入传统ABS作为比较.实验结果证明，在3种工况下，自寻最优ABS将车辆控制在不同的滑移率下，低附路面下的制动效果最明显，制动时间减少0.96 s，制动距离减少2.77 m，横摆角速度峰值减少1°/s，说明自寻最优ABS可以自动搜索车辆当前路面下的最优滑移率，提高了三轴重载汽车的制动性能和制动过程中的稳定性.