2020年, 第44卷, 第1期　刊出日期：2020-02-28

  

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交通运输工程
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  轨道工程精细-均衡分析理论初探

  高亮,赵闻强,钟阳龙,马超智,殷浩

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190128

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  铁路高安全、高平顺、高稳定的发展趋势对轨道工程提出了新的需求，仅靠单一强度变形指标控制已无法满足其全寿命周期稳定服役的需要，亟需更具系统性、适应性及协调性的理论对其设计、施工及运营进行指导.归纳总结了轨道工程在建设及服役过程中的共性问题，初步提出轨道工程在精细化设计的基础上应遵循均衡设计的理念，并系统梳理了轨道工程中符合该理念的工程实例.在剖析精细化和均衡性内涵的基础上，综合了全寿命周期服役参数分析、结构精细化建模、参数影响规律分析等内容，并引入了广义系统能构造均衡性评估方法，建立了一套适用于轨道工程的精细-均衡分析理论.综合来看，目前轨道工程在设计、服役时较少考虑全寿命周期下的结构整体均衡，所提出的精细-均衡分析理论将具有广阔的研究前景.
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  基于差异化换乘感知的轨道交通末班车衔接优化

  袁振洲，魏来，吴玥琳,代鲁峰,肖清榆

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 12. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190055

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  末班车衔接优化中难于协调的两个关键因素是最大限度减少换乘乘客等待时间和尽可能避免乘客换乘失败.针对末班车时段，重点考虑乘客对换乘满意度的差异化感知，分析换乘站乘客换乘过程及列车接续过程.选取各线路末班车时段内第一趟列车的发车时间为决策变量，以乘客换乘感知费用总和最小为目标，构建全网条件下末班车时段多趟列车的时刻表衔接优化模型，设计多种群遗传算法进行求解.以成都市轨道交通网络为例，对模型及算法进行应用与验证.结果表明：与现有的轨道交通末班车衔接方案相比,通过采用本文提出的模型及多种群遗传算法,成功换乘客流量增加了3.1%，乘客换乘感知费用总和减少了29.7%,有效提高了末班车时段列车接续效果，为网络化运营组织提供重要依据.
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  区域轨道交通跨线运行行车密度优化模型

  梁青槐,柴树山,邓京维

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 20. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190047

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  列车的行车密度是列车运行组织方案编制过程中一个重要指标，与单线运行相比，开行跨线列车时的行车密度计算模型有其自身的特殊性.基于不同的客流出行需求和列车运行模式，对客流类型进行分类，以列车运营成本最小和乘客出行成本最小为目标，约束条件中考虑了开行跨线列车时的行车间隔、与单线运行相比时的成本优势、列车服务水平以及跨线列车对非跨线客流的承运作用等约束条件，建立了区域轨道交通跨线运行行车密度的多目标混合整数非线性优化模型，并将成本控制的偏好性引入模型，使模型更具有灵活性.通过算例验证了模型的适用性和合理性，得到开行跨线列车时不同偏好系数下承运各类客流的列车最优行车密度.
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  智能网联车环境下异质交通流稳定性及安全性分析

  蒋阳升,胡蓉,姚志洪,吴培财,罗孝羚

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 27. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190045

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  针对未来道路上由人工驾驶车辆（Human Driven Vehicles,HDVs）和智能网联车（Intelligent and Connected Vehicles, ICVs）所组成的异质交通流，对其稳定性与安全性进行研究.首先,利用全速度差模型（Full Velocity Difference, FVD）和协同自适应巡航控制模型（Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC）分别描述人工驾驶车辆和智能网联车的跟驰特性.然后，通过分析不同智能网联车渗透率下异质交通流的线性稳定性，得出其稳定性条件.最后，采用数值仿真实验进行验证，选取多项安全指标评估了不同渗透率下异质交通流的安全性.结果表明：随着渗透率的增加，交通流的车速离散程度减小，即表示安全性能提高；安全指标降低比例减少，即表示交通安全风险降低.因此，智能网联车的应用有助于提高交通安全.
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  开放式小区公交微循环站点与线网综合设计

  邓吉浩,宋瑞,陈小鸿,王天实,王柏豪

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 34. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190071

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  公交微循环系统是解决城市交通“最后一千米”问题的有效方案.在当前建设开放式小区的背景下，其站点选址和线网设计对于乘客、企业和社会更具有重要意义.以所有公交微循环线路总长度最小和乘客总步行距离最短为目标，以站点数量、站间距、线路长度等为约束条件，建立开放式小区公交微循环站点与线路综合设计模型，设计遗传算法求解模型.以北京市某小区为例，验证了所提出的模型和算法的正确性和有效性.最后，对模型参数和线路条数进行灵敏度分析，决策者应综合考虑企业与乘客利益，选择合理的模型参数值与布设线路条数，使决策达到最优.
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  考虑出行者选择偏好的出行方式选择模型

  姚恩建,陈伟迪,卢天伟,杨扬

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 42. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190072

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  构建合理的出行方式选择模型是精确预测出行结构的关键.在现实出行条件中，不同出行者对于不同交通方式存在固有选择偏好，从而表现出一种非完全理性的出行方式选择行为.为进一步提高出行方式选择模型的预测结果精度，提出了一种考虑理性决策和固有选择偏好共同影响的出行方式选择模型.双因素共同作用决定出行者的出行方式选择结果，两者的影响权重与出行者对于备选方案的心理参考值有关.备选方案的特征变量数值与心理参考值差值绝对值较小时，选择行为更多地受到固有偏好的影响，反之，则更多地受到理性决策的影响.分析对比结果表明，所提出模型在出行方式选择结果的预测命中率上优于以完全理性决策为前提的传统分层Logit模型的预测结果.
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  中国商品车铁路运输竞争力分析——以京津冀地区为例

  李世琦,郎茂祥,于雪峤,卢越,李成立

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 49. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190054

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  在交通运输业积极推进运输结构调整、优化货物运输结构背景下，以商品车运输为研究对象，基于随机效用理论，构建包含经济性、时效性、环保性的多项Logit离散选择模型，计算商品车铁路运输和公路运输的市场分担率.以京津冀地区为例，结合京津冀地区的商品车铁路及公路运输现状，量化分析商品车铁路运输的优势运距及其竞争力.结果表明：商品车铁路运输的优势运距在390~400 km以上，且公路运价率、铁路基价2以及铁路两端短驳运费率等因素对商品车铁路运输的市场分担率影响较大.最后提出了提升商品车铁路运输市场竞争力的相应措施.
高速列车运行安全
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  典型缺陷车轴应力分布及对疲劳性能影响研究

  任尊松,吕晓旭,李秋泽

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 57. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190021

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  目前国内高速动车组最高运营速度已达350 km/h，但在运行过程中，多次发生车轴表面击伤现象.因此以某型高速动车组车轴实际应用为背景，针对缺陷发生特征及对车轴造成的影响问题，重点研究了撞击伤及擦伤两种缺陷，从产生原因、缺陷形貌及车轴应力、强度变化等方面对其进行了深入分析.借助Ansys、HyperMesh和Franc3D等软件，建立了两种缺陷的车轴有限元仿真模型，通过应力数值计算方法，确定了不同尺寸缺限下的应力集中系数，分析了缺陷参数对车轴应力的影响规律.结果表明:两种缺陷均会导致车轴疲劳寿命下降，相比于光滑车轴两者疲劳寿命曲线都发生明显下移，且缺口的形状及深度等参数会对车轴造成不同程度的影响.
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  基于实测载荷谱的高速列车轮轴剩余寿命分析

  金新灿,黄巾懿

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 64. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190022

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  针对检修周期内轮轴是否会发生破坏断裂的问题，研究了轮轴的裂纹扩展寿命.通过标定试验与线路实测试验，采用数据处理分析软件统计出了各个载荷下车轮旋转出现频次，得到了中国标准动车组测力轮对载荷谱.将最恶劣工况的载荷谱作为裂纹扩展分析的输入载荷，利用裂纹扩展分析软件计算了含裂纹的车轴在不同扩展阶段的应力强度因子，结合疲劳裂纹扩展理论估算了车轴上不同初始形状的裂纹扩展到临界尺寸时的扩展寿命，为保证检修周期内车轴不发生破坏断裂提供了科学参考.结果表明：裂纹初始深度相同的情况下，裂纹形状越扁平,车轴剩余寿命越短，裂纹扩展门槛值对裂纹扩展寿命影响较大.
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  高速磁悬浮列车悬浮架结构可靠性研究

  李强，姚毓瑾，虞大联，袁雨青

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 70. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190019

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  针对高速磁悬浮列车悬浮架结构可靠性评估问题，利用Hypermesh软件建立悬浮架的有限元模型，根据悬浮架实际运行情况，提出一套约束方案，并利用Ansys软件对高速磁浮列车进行静强度、疲劳强度以及模态分析，分别基于von Mises应力、Goodman疲劳极限图评估悬浮架结构的静强度和疲劳强度，基于Block Lanczos法计算悬浮架模态.结果表明:悬浮架的静强度分析结果显示4种超常载荷下最大受力位置均出现在摆杆处，总体均满足静强度要求；疲劳强度分析结果显示悬浮架上关键点应力和应力幅均在材料修正的Goodman疲劳极限内，满足疲劳强度要求；模态分析结果显示悬浮架的自振频率明显高于激振频率，不会产生共振现象，满足车辆运行要求.
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  减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析

  赵允刚，王鑫涛，赵晋，屠阳磊

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 77. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190024

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  针对采用声屏障时，高速列车运行过程中表面气动阻力较大的问题，提出利用减载式声屏障降低列车运行过程中受到的气动阻力.采用数值模拟方法，对采用不同孔隙率声屏障时高速列车运行过程中表面的气动阻力及其影响因素进行研究.利用Gambit软件建立了声屏障与高速列车相对运动计算模型；在声屏障孔隙率不同时，采用Fluent软件对350 km/h速度行驶的高速列车表面压强分布和气动阻力进行了数值模拟与分析研究.研究结果表明:与普通声屏障相比，随着减载式声屏障孔隙率的增加，列车头车高压区和尾车低压区的面积减小，列车行驶的压差阻力降低，而摩擦阻力变化不大；减载式声屏障具有一定的节能效果，并且随着减载式声屏障孔隙率的增大，节能效果更加明显.
机械与电子控制工程
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  基于支持向量机的燃料电池发动机氢气泄漏检测方法

  邹强，田颖，李红松，秦顺顺

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 84. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190027

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  针对传统通过检测车内环境中氢气浓度大小对燃料电池汽车氢气泄漏故障进行诊断的方法，其诊断效果容易受到传感器安装点位、数量及外部环境（例如风向、风速）影响的问题.提出了一种基于支持向量机的氢气泄漏检测方法，利用质量守恒方程计算燃料电池发动机氢气泄漏故障特征指标，采用经过粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）优化的径向基核函数支持向量机识别系统氢气泄漏，并通过燃料电池发动机模型在车辆行驶新欧洲标准行驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）工况时的仿真结果,对该方法在车辆变工况行驶条件下检测氢气泄漏的效果进行验证.结果表明：基于支持向量机的燃料电池发动机氢气泄漏检测方法在车辆变工况行驶条件下,对燃料电池发动机系统氢气泄漏的诊断正确率均高于90%.所提出的方法能够较好地实现对燃料电池发动机系统氢气泄漏的检测，并能为其他氢气泄漏检测方法的设计提供参考.
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  考虑死区时间的直线感应电机参数静止自整定方法

  吕刚，杨琛，罗志昆

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 91. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180166

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  针对直线感应电机初级和次级漏感不相等的特点，对直线感应电机静止状态下的参数辨识方法进行研究.首先，分别针对死区时间为0、1、2、3和4 μs的情况进行场路联合有限元法仿真.利用PWM逆变器依次向直线感应电机中通入单相直流电压、单相交流高频电压和单相交流低频电压来获得等效电路中的各个参数.然后，将不同死区时间下的辨识结果与实际值进行比较，并进行误差对比，讨论不同的死区时间对辨识精度的影响.最后,分别分析死区效应对初级电阻及漏感、互感、次级电阻及漏感的辨识结果产生的影响.结果表明:在考虑到直线感应电机的初、次级漏感不相等的情况下提出的基于PWM逆变器的静止状态下参数辨识方法,辨识结果比较精确，验证了方法的正确性,死区效应的存在对直线电机各个参数的辨识结果均产生影响.
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  基于MP稀疏分解与空间点群的机械故障模式表征方法

  程卫东，尹尧心

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 98. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190023

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  机械系统产生的振动信号是由多激励力源产生的振动响应的混合，为了实现某一机械故障源和其他振动源的分离，需要对机械故障模式特征进行表征.针对振动信号时域表征难以区分机械故障模式特征的问题，将空间点群引入到故障诊断领域，提出一种具有明显物理特征的基于MP稀疏分解与空间点群的机械故障模式表征方法.以滚动轴承内、外圈故障实测振动信号为实验对象，首先对滚动轴承故障信号进行分段切片化处理.然后对每段切片信号进行MP稀疏分解，将之分解为少数五维原子的线性组合，通过残差信号能量确定分解原子个数.最后从定性和定量两方面对原子的两个维度进行选择，形成二维空间点群，对机械故障模式进行表征.通过与时域信号表征进行对比试验，结果表明该表征方法能够更准确地表征机械故障模式.
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  基于改进Faster R-CNN+ZF模型的铁路桥梁裂缝分类方法

  王纪武，鱼鹏飞，罗海保

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 106. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190030

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  针对传统图像处理算法不能对存在过饱和像素和随机高强度噪声影响的铁路桥梁裂缝图像有效分类的问题，设计了一种基于改进Faster R-CNN+ZF模型的铁路桥梁裂缝自动分类方法.首先将原始图像集进行数据增强后，参照Pascal Voc数据集格式自制训练所需数据集；然后在Faster R-CNN网络模型前添加一层Prewitt算子锐化卷积层提升模型特征提取能力；最后重置ZF模型中相关卷积核的尺度、优化模型超参数和学习率，使模型的鲁棒性和高实时性得到有效保障.该方法在实际采集的49 124幅铁路桥梁裂缝图像数据集中进行测试.结果表明：新的算法能实现所有铁路桥梁裂缝类型的分类，有效裂缝识别率达93.7%以上，明显优于投影法和支持向量机法，具有很强的工程应用价值.
土木工程
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  墩底沉降对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

  张鹏飞，连西妮，桂昊，雷晓燕，耿琦慧

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 113. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190031

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  针对墩底沉降引起的桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向受力与变形问题，基于有限元法和梁-板-轨相互作用机理，建立多跨简支梁和大跨连续梁桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，研究各墩底均匀沉降及差异沉降条件下无砟轨道和桥梁结构纵向力与位移分布规律.结果表明：各墩底发生均匀沉降时，两侧桥台及相邻桥墩顶为薄弱位置，两种桥上轨道结构纵向力与位移最大值及其变化趋势基本一致，且随沉降量的增加而线性增大；各墩底发生差异沉降时，沉降值突变的相邻桥墩顶为薄弱位置，该处轨道结构纵向力与位移随着沉降差值的增加而明显增大；需严格把控长大梁桥墩底桩基础的施工质量，避免各墩底发生差异沉降；研究成果可为桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路设计改进及工程建设提供参考.
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  小净距浅埋盾构隧道相互影响机制与控制措施研究

  赵乙丁，刘守花，阳军生，傅金阳，杨安民，刘玮

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 120. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190075

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  工程实践表明，浅覆软弱地层中大直径小净距盾构隧道施工时，后行隧道施工显著影响先行隧道的安全.依托某盾构隧道工程，采用精细化数值模拟技术，建立盾构隧道施工模型，分析小净距浅埋盾构施工相互影响，并对不同净距下盾构隧道施工相互影响规律进行分析.结果表明：双线浅埋盾构隧道施工时，净距与地表沉降槽宽度呈线性正相关，与沉降峰值、管片附加变形、接头张开量和附加拉应力呈负相关；浅覆软弱地层盾构施工时应避免将封顶块置顶；陈村2号隧道净距小于5 m区段，先行隧道管片内力不满足规范要求，采取“隔断墙+水泥土搅拌桩”控制措施，实测和数值结果均表明控制效果良好，研究成果可为后续类似工程设计和施工提供参考.
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  基于双液高压旋喷注浆处理后桩基持力层安全厚度分析

  唐明裴，王如寒，宁平华

  北京交通大学学报. 2020, 44(1): 129. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180189

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  岩溶发育地区大跨度桥梁桩基不易满足现有规范中桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d（d为桩径）的相关规定.针对此类桩基问题，通过双液高压旋喷注浆法形成人造持力层参与溶洞顶板受力，分析了注浆前后溶洞顶板的不同受力模式，得出了注浆形成人造持力层后溶洞顶板弯曲破坏、冲切破坏的相关公式.结合工程实例，建立三维有限元桩基-顶板-人造持力层相互作用力学模型，进一步分析了双液高压旋喷注浆处理后溶洞顶板的安全厚度.研究结果表明，采用双液高压旋喷注浆处理后形成人造持力层的处理方法，可使溶洞顶板安全厚度限值相对于处理前大幅减小，降低了岩溶地区桩基的施工难度和施工风险，缩短了施工工期，节约了工程造价，为岩溶发育地区大跨度桥梁桩基持力层设计提供了一种新思路.