2021年, 第45卷, 第5期　刊出日期：2021-10-29

  

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交通通信技术与列控系统
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  一种改进的SBR射线跟踪信道仿真方法

  赵友平，郭嘉琦

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210014

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  针对传统入射及反弹射线跟踪算法(Shooting and Bouncing Ray tracing,SBR)中接收球半径通常难以准确确定导致信道仿真出现“射线泄露”或“射线重叠”的问题, 提出了一种基于场景认知的改进方法.利用人工神经网络动态调整接收球半径,进而提升射线跟踪算法的信道仿真精度.针对收发端为大规模阵列天线时,SBR仿真时间较长的问题,提出了基于天线方向图的发射方法,用以提高使用大规模天线时的信道仿真效率.将改进的SBR信道仿真与基于传统SBR信道仿真和实测结果进行对比,结果表明:针对单天线,使用本文方法仿真获取的单天线路径损耗均方根误差为2.6 dB,误差小于传统的SBR信道仿真；针对大规模阵列天线仿真,使用本文方法进行接收功率单次仿真的平均时间比传统SBR仿真节省了97%.
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  基于认知结构的高速列车对标停车控制算法

  郭北苑，孙玉龙

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 8. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210050

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  高速列车进站停车是列车自动驾驶系统（Automatic Train Operation, ATO）的一个重要功能，该功能需要在保证乘客舒适性的同时实现精确的对标停车.针对高速列车自动驾驶系统的精确进站停车问题，首先分析了人类高速列车司机在停车过程中的认知处理过程;结合认知结构理论对这一过程进行建模，构建了高速列车停车对标任务认知结构模型，基于该模型提出了一种基于认知结构的对标停车控制算法.最后对设计的算法进行了评估与分析.结果表明：该算法与人类高速列车司机具有相似的驾驶特征，与PID控制算法相比在调整次数、冲击率等性能指标上更加优异，对不同的初始条件也有良好的适应性.
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  基于高性能射线跟踪技术的城市隧道无线信号覆盖研究

  唐庆涛，马子昂，官科，罗丹，徐奂

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 16. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210107

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  城市隧道封闭狭长的结构使其内部的电波传播特性不同于室外，其内部的无线信号覆盖情况一直都被广泛关注.隧道内的无线通信系统可承载安全管理、调度指挥等业务，在行业信息化方面发挥重要作用.随着天线技术的不断成熟，分布式天线系统已逐步应用在城市隧道内.采用高性能射线跟踪技术开展分布式天线系统的无线信道仿真，得到分布式天线系统的部署方案，并对分布式天线系统和泄漏电缆系统的无线信号覆盖情况进行比较.结果表明在城市隧道内分布式天线系统的天线间隔采用400 m即可满足接收门限要求且可实现近似泄漏电缆的均匀覆盖效果，为城市隧道内分布式天线系统的部署提供了理论与技术支持.
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  基于隐马尔可夫模型的高铁无线通信系统故障诊断

  谢雨飞，田启川

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 22. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200097

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  高铁列车运行控制系统的可靠性对保障安全运营有重要影响，迅速而准确地对系统故障进行诊断有重要意义.基于隐马尔可夫模型，以无线通信子系统为对象，探讨了具有随机性和间歇性故障特征的诊断方法，建立了系统模型，给出了参数训练及故障诊断算法.通过系统测试，验证了算法的收敛性和可用性.实验结果表明，在确保样本量足够大的前提下，系统故障的平均诊断率能够达到97.5%，该方法对故障诊断有良好的效果.
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  针对时间序列的城轨牵引能耗异常分析

  李熙，张立成

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 30. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210055

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  城市轨道交通牵引能耗占系统整体能耗的40%~60%.车载能耗计量装置记录了大量时间序列形式的牵引能耗数据，其能耗模式和异常分析对城市轨道交通节能运营具有重要意义.本文提出一种针对时间序列数据的牵引能耗异常分析方法.首先基于符号化近似聚合方法降低原时间序列维度得到牵引能耗子模式，然后利用K-means聚类实现牵引能耗模式判别，最后基于获得的典型牵引能耗模式及时间序列相似性度量方法，分析牵引能耗时间序列是否存在异常.将该方法应用于北京地铁某线路列车运营过程中记录的数据，得到3种典型能耗模式并结合车底运用计划进行分析，所提方法可用于时间序列牵引能耗数据的异常判断，为及时发现并确定牵引能耗异常程度提供数据支撑.
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  基于贝叶斯网络的列控车载设备故障诊断

  查园园，王亭岭，上官伟

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 37. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210057

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  针对目前高速铁路列控车载设备故障诊断过度依赖于专家经验且诊断正确率不高等问题，提出了以专家知识为基础，以贝叶斯网络为核心的故障诊断方法.首先，以CTCS3-300T型列车运行控制系统的车载设备为研究对象，建立基于专家知识的贝叶斯网络.其次，根据故障记录数据集使用K2算法进行结构学习并对学习后的贝叶斯网络结构做适当简约处理.利用极大似然估计算法进行参数学习，得到故障诊断的最优贝叶斯网络.最后，通过诊断推理，得到该故障诊断模型的诊断正确率为88.20%，验证了该贝叶斯网络模型的可行性和有效性.
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  基于边缘计算的车联网中数据回传新方法

  张德干，曹利香，张婷，赵彭真，张捷

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 46. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210046

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  针对车联网中数据回传时，由于车辆的移动特性以及路边单元和车辆有限的通信范围，车辆在计算任务完成前已经驶离RSU通信范围而面临的回传选择问题，提出基于V2I直传和V2V辅助传输的新方法.首先，通过对车辆的移动、回传数据量、最大传输时延以及链路有效寿命进行估算，判断使用何种传输策略.其次，在设计辅助传输策略时综合考虑车辆的速度、方向、位置等因素，并将这些因素用稳效值来衡量.在构建回传链路时采取贪婪选择方式，选择稳效值最大的邻居节点作为中继节点.实验表明，本文提出的回传策略相比其他算法在传输时延和包交付率方面有更好的效果.
交通智能控制与检测
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  基于旅客画像的航班出行选择预测方法研究与实现

  上官伟，邓雨亭，柴琳果，聂敏

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 56. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210006

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  根据预处理后的旅客出行数据，运用改进的K-means聚类算法进行用户分群，提取聚类特征得到旅客类型子集合，并构建用户画像.基于特征重构数据库，构建旅客类型、出行方式、出行时间段三个维度的交叉巢式Logit模型，捕捉选择方案间的相关性，预测旅客航班出行方式、出行时间段的交叉选择，并基于实际数据进行参数估值和检验.结果表明，旅客倾向于先根据个人及家庭的需求形成旅客类型，考虑选择何种出行方式，最后在旅客类型和出行方式的双重约束下选择航班的出发时间，为机场实施需求管理提供有效依据.
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  基于强化学习的新型列控系统区间行车间隔控制方法

  付文秀，李亚，吕继东，李丹勇，李洋

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 63. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200110

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  列车间隔控制是保证列车运行安全和提高列车行车密度的关键.基于车-车通信的新型列控系统能够感知更多的列车运行环境信息，缩小列车行车间隔，提升列车运行效率.本文将列车速度控制视为一个决策过程，采用强化学习算法来实现新型列控系统中列车区间速度的实时控制.首先，结合车-车通信获得所处环境的列车状态信息，采用蒙特卡洛树搜索算法实时生成列车动态速度调整序列；然后，通过动态规划算法对序列进行分析处理，并在此基础上，确定列车当前时刻所应采取的速度控制策略；最后，仿真模拟了多车在不同初始条件下的列车间隔控制运行场景.仿真结果表明，在相同场景下强化学习算法对比模糊控制算法在行车间隔控制的响应速度、调节时间、总体波动以及超调量上具有一定的优势.
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  改进粒子群优化XGBoost模型的高速公路服务区交通量预测

  孙朝云，吕红云，杨荣新，魏振荣，郝雪丽，裴莉莉

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 74. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210018

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  为了科学有效地评估高速公路服务区交通通行服务能力和进行基础设施优化配置，提出一种基于改进粒子群算法（Improved Particle Swarm Optimization, IPSO）和XGBoost融合的高速公路服务区交通量预测模型.首先对粒子群算法的拓扑关系结构进行改进，将粒子群划分为主粒子和从粒子，获得多个改进粒子组，并给出改进后主从粒子速度和位置的更新方法；其次利用线性递增和递减函数对粒子的迭代寻优速度进行自适应调整；最后在模型训练过程中，引入交通量调查数据这一重要特征，并利用IPSO算法对XGBoost模型的主要超参数进行优化选择，建立了交通量调查数据和服务区各交通量之间的IPSO_XGBoost预测模型.结果表明：提出的改进粒子群算法具有更强的参数寻优能力，迭代收敛速度更快，能够搜索出XGBoost模型的理想超参数，实现对服务区交通量的有效预测.同时，提出模型的预测性能明显优于LSTM、XGBoost、CNN-LSTM和PSO_XGBoost，对小型车、大型车、货车、车当量和人当量数据的预测精度分别达到了0.913、0.815、0872、0.931和0.924.
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  考虑节点失效和边失效的航空网络鲁棒性

  冯霞，贾宏璨

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 84. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200137

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  运用复杂网络方法，构建无向加权航空网络模型，在分析其拓扑结构特性的基础上，提出一种考虑节点失效和边失效的航空网络鲁棒性评价策略，评估在不同攻击策略下网络的鲁棒性.研究结果表明，中国航空网络可以归类为小世界网络，且度分布近似幂率分布，符合复杂网络基本特征.当网络中大部分节点（机场）或边（航线）随机失效时，中国航空网络仍可以保持连接，具有较强的鲁棒性，而在蓄意攻击下，少数节点或边失效就会导致网络迅速瘫痪，鲁棒性较弱，且加权节点介数和加权边介数攻击对网络的破坏力较强.
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  基于区块多源时空数据的道路网密度预测模型

  黄士琛，邵春福，王晟由

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 93. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210001

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  城市化进程与人口增速的不协调导致了城市蔓延现象，为科学合理地统筹引导道路建设，缓解城市蔓延引发的交通拥堵和环境污染，需要对建成区的道路网指标进行精细化管理.以道路网密度为例，考虑道路建设进度和政策实施惯性，构建基于深度学习的区块化时空数据预测模型BiConvlstm2DNet，与之对应地构造基于区块的多源数据融合流程，并以某市为例进行实验.将该市时序的土地覆盖、人口和道路网拓扑结构融合为时空多源数据集，而后在数据集上将本模型同其他经典预测模型进行参数标定和对比. 研究结果表明，BiConvlstm2DNet在该数据集上得到的准确率为91.5%，较支持向量回归和随机森林回归等模型的准确率平均提升了8.0%，是一种分区块预测建成区道路网指标的可靠模型.
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  基于MD-LBP关联方向特征的铁路隧道漏缆卡扣检测算法

  张云佐,宋洲臣,杨攀亮

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 101. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210017

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  全路段跟车拍摄隧道漏缆卡扣图像再进行逐张排查，是实现卡扣故障检测的重要手段.针对目前LBP、CS-LBP等相关变体算法存在描述子质量不佳、特征维度过高的问题，提出MD-LBP关联方向特征提取算法实现故障卡扣的检测工作.该算法首先对输入图像进行高斯滤波预处理，根据图像的全局灰度均值得到图像的自适应阈值；其次计算图像的三层MD-LBP特征图结构，依次经过两次下采样分别得到Cell主方向特征和Block主方向特征；然后再在Block特征图上提取关联方向特征，并以此作为描述子；最后通过SVM区分故障卡扣，完成检测工作.实验还对比了LBP、HOG等9种特征描述子的检测情况，结果表明该算法不仅特征维度低，并且检测故障卡扣的召回率和精准度都达到了85%.
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  电缆槽对电缆间串扰的影响研究

  崔勇,黄鑫,杨晓凡

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 108. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210019

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  电缆在使用时一般会铺设在电缆槽中，而电缆槽对铺设其中电缆之间的串扰会形成影响.针对电缆槽中电缆之间的串扰问题，提出一种结合多端口网络理论及分块级联思想的建模方法，使用基于波导格林函数的矩量法来提取电缆槽中电缆间的分布参数，并用虚拟节点理论将提取的分布参数矩阵转化为模型中的传输函数.通过与商业电磁仿真软件的仿真结果进行对比，验证了本文的模型及算法在分析电缆槽中电缆间的串扰问题时具有较好的精确度，最后运用此方法分析了电缆处于电缆槽中不同位置时的线间串扰大小，并结合铁路现场的实际情况对电缆槽中电缆的布线方式提出了建议.
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  处理器片上缓存内及时局部性环境分析

  胡九川,范东睿,程建聪,严龙,彭燕,叶笑春,李灵枝,钟海斌

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 116. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200125

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  为提高处理器内核访存效率、命中率和缩短访存延迟，将具有时间和空间关联关系的数据汇集在处理器片上缓存内，数据便具有了有利于处理器内核访存的及时局部性.本文分析了营造及时局部性环境的合理性和及时局部环境因数据迁移而产生的变化规律，为进一步改造片上缓存结构和片上数据迁移提供新的启示.
机械与电气工程
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  真空镀膜机用小型磁性液体密封设计

  于文娟,李德才,李艳文,张志力,董珈皓

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 124. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210025

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  真空镀膜机的传动控制轴处密封通常采用的是接触式机械密封，易磨损、寿命短、制作工艺繁琐、造价高.本文设计了小轴径真空镀膜机用的磁性液体密封结构，对磁性液体密封结构的磁场进行了有限元分析，得到了密封结构的磁场分布，以及密封结构的极齿处磁场强度值.由磁性液体运动方程推导了伯努利方程，确定了磁性液体密封边界条件，推导了磁性液体密封结构的耐压公式，计算了极齿与转轴不同间隙的真空镀膜机磁性液体密封结构的耐压值，加工了间隙为0.1 mm的磁性液体密封装置，应用在真空镀膜机的转动轴动密封处，满足真空度要求.
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  不同负荷模型对上海电网暂态稳定性的影响分析

  吕伟,张菁,任丽佳

  北京交通大学学报. 2021, 45(5): 130. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210090

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  上海电网作为负荷密集地区的大受端系统，负荷种类多样且复杂，对于一些弱联系的局部电网来说，如崇明长兴电网、金山石化电网，一旦发生故障可能会造成严重的后果.因此以崇明长兴电网为研究对象，采用中国电力科学院推荐的负荷模型和参数.考虑有无频率因子的静态负荷模型、马达负荷模型，分析联络线上潮流流向及有功无功大小，对电网故障后孤岛运行暂态稳定的影响，研究结果表明在静态负荷下，当联络线潮流过大会造成系统频率失稳；再加入动态负荷模型后系统的电压波动更大，但对频率和功角有一定的稳定作用，并得出更适合崇明长兴电网的负荷模型比例的结论.