2022年, 第46卷, 第4期　刊出日期：2022-08-15

  

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铁路运输组织优化
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  基于动态运输服务网络的中欧班列开行方案优化

  薛锋, 黄倩, 李海

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 1-8. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210122

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  为提高中欧班列运输效率，降低运输成本，根据中欧班列运输网络站点和线路现状，构建了混合轴辐式中欧班列运输网络.在此基础上，加入时间因素，形成中欧班列动态运输服务网络.结合动态运输服务网络特点，设置四维决策变量，以货流平衡、班列接续、编组能力限制、列车服务能力限制、运输时间限制等为约束，综合运营成本最低为优化目标，构建了中欧班列开行方案优化模型.选择15个境内货源地和7个境外需求地构成的运输网络为例进行分析验证，结果表明：当运输需求为17时，得出的开行方案包括9个集结班列和8个干线班列，与全直达运输方案相比，在运输相同货物347 FEU时，模型求解得到的“直达+中转”开行方案能够降低中欧班列运输线路的重合率，节省37 h的总时间消耗.优化后的中欧班列开行方案能够降低运输时间，提高运输效率，可以为中欧班列日常运输计划的制定提供参考.
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  基于虚拟编组技术的大小交路列车开行方案优化

  杨安安, 孙继营, 汪波, 陈绍宽, 明玮

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 9-14. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210168

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  虚拟编组技术下的实时动态编组，为根据客流时空分布特征开行分区段不同编组列车提供了保障.在分析虚拟编组技术下大小交路列车运行的基础上，基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建了以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型.模型的考虑因素包括发车间隔、大小交路区段满载率、可用车辆数、线路通行能力等.最后，以北京市轨道交通4-大兴线和10号线为例，分析了平峰期两条线路的优化方案.研究结果表明：将虚拟编组技术与大小交路运营相结合，可在满足不同交路区段运力运量匹配需求前提下，更好地实现满载率和发车间隔的平衡，有利于提高乘客出行效率，并降低运营成本.
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  考虑旅客等待时间的城际列车开行方案优化

  杨云, 张小强, 乔晓青

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 15-22. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210121

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  为减少旅客的等待时间，提高旅客出行效益，在保证席位利用率条件下，提出了一种多时隙城际列车开行方案的优化模型.把旅客到达车站过程视为泊松过程，旅客在各车站候车视为M/M/1排队问题.引入Lyapunov漂移表示旅客队列变化情况，以旅客平均累计等待时间和列车开行成本最小化为目标建立优化模型.通过Lyapunov漂移加罚将目标转化成开行成本与旅客排队长度的协同优化，设置Lyapunov漂移惩罚权重的系数值寻求开行方案中旅客排队长度和开行成本之间的平衡，最终通过Little定理求解旅客排队等待时间.以成遂渝高铁为例，采用改进的和声搜索算法，求解得到优化后的开行方案.结果表明：优化后的列车开行方案能有效减少各OD对旅客排队长度，各时隙旅客排队长度比较均衡，平均等待时间减少28.3%，运输网络保持稳定.
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  基于理想点法的高速铁路列车停站方案优化

  查伟雄, 任逸飞, 李剑, 严利鑫

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 23-30. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210103

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  针对高速铁路列车停站方案优化问题，结合铁路运输按流开车、大客流优先的特点，根据乘客对列车的选择方式，即乘客会选择在途时间最短的列车，提出了一种适用于铁路的客流分配方式，并命名为大客流优先分配法.建立了以列车总停站次数、列车空费能力、旅客时间损失最小为目标，满足客流、列车运输能力、每辆列车停站次数、始发终到站及重点车站停站约束的多目标高速铁路列车停站方案优化模型，并设计了以理想点法为适应度函数的遗传算法进行求解.最后，对京沪高铁的实例进行验证.研究表明：优化后列车停站方案的总停站次数降低了7.92%，列车空费能力降低了19.84%，旅客损失时间降低了41.52%.研究成果可为列车停站方案的制定提供合理参考.
交通运输规划与管理
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  基于时空维度变量的杭州市轨道交通站点聚类研究

  李亮, 赵星, 张海燕, 杜希旺

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 31-42. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210077

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  为捕捉由轨道交通站点周边建成环境与客流时变特征的互动关系而反映的站点类型差异，基于地铁刷卡数据与站点周边兴趣点（Point of Interest，POI）数据，分别通过客流时间序列分析和地理加权回归模型进行时空维度聚类变量提取.应用K-means++聚类算法将杭州地铁1、2、4号线站点划分为工作导向型、居住导向型、商业型以及工作-居住混合型4种类型.研究结果表明：该方法相对于传统K-means算法具有更优的性能表现，其中轮廓系数、Davies-Bouldin指数与Calinski-Harabaz指数等3项聚类评价指标的改善幅度分别为30.43%、10.51%、9.02%，因而能够准确识别时空视角下的轨道交通站点类型并反映其客流出行模式，进而为站点客流预测、站城一体化建设等后续研究提供分析依据.
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  基于空间联系强度的城际出行分布预测模型

  彭辉, 王威, 徐培娟, 潘卫龙, 刘丹

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 43-51. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210164

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  为了更加精确地预测城市群城际出行分布量，研究城市群空间联系对出行分布量的影响，构建了基于空间联系强度的城际出行分布预测模型.首先，基于传统引力模型，引入结构方程模型从多维度搭建了城市质量计算方法；提出城市群多模式空间联系概念，将其空间联系细化为商务联系、旅游联系、其他联系3类，在充分考虑企业关联度、母子公司关联系数、旅游联系系数等参数的基础上建立3类空间联系强度模型；其次，将空间联系强度作为参数引入双约束重力模型，从出行目的比例获取、出行生成预测、出行分布量计算3个方面建立了城市群不同活动模式出行分布量预测方法；最后，以关中平原城市群为案例，利用构建的出行分布模型进行城际出行分布量预测，分析模型的有效性和可行性，将预测结果与实测值进行校核，结果表明：改进模型的预测结果与实测值之间的平均误差为11.49%，比传统模型低4.29%，有效地提高了模型预测的精度.
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  基于网络搜索引擎的大型活动客流规模预测

  董春娇, 刘晓珂, 常乃心, 李林玉

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 52-59. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210171

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  在对持续性大型活动进行交通需求预测时，会出现因缺失资料而导致预测困难的情况.针对该问题从综合搜索指数，潜在出行人口规模和吸引度3个方面，分析了持续性大型活动客流规模影响因素，根据多项式分布滞后（Polynomial Distributed Lag， PDL）模型构建了基于网络搜索引擎的大型活动客流规模预测模型.以2019年北京世界园艺博览会为例，利用北京市2012年至2019年北京客流量对预测模型进行参数标定，预测世园会5月客流规模.结果表明：网络搜索引擎数据与大型活动客流规模存在相关关系.对于无历史数据的持续性大型活动，该预测模型的平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）在8%以内，有较高的预测水平，能够为有关部门提供决策依据.
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  基于雷达数据的车辆换道行为识别研究

  苏丽娜, 李凡, 潘秀, 田子立, 赵建东

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 60-67. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210136

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  针对高速公路车辆轨迹跟踪及换道行为识别问题，基于路侧雷达数据提取车辆换道过程特征，提出了融合支持向量机算法与粒子群算法的换道行为识别模型.首先，针对异常数据及轨迹匹配问题，采用空间约束、动力约束、长度约束等多重条件约束进行数据清洗，并分别利用Savitzky-Golay滤波器和改进弗雷歇距离算法对轨迹进行平滑和匹配；其次，为有效分析换道轨迹信息特征，从整段轨迹和换道区间中，提取了偏移角度、平均换道横向速度、平均换道纵向速度、横向偏移量、换道时长作为典型换道特征；然后，提出了一种基于支持向量机（Support Vector Machines， SVM）的换道行为识别模型，并针对核函数参数优化问题，分别运用网格搜索法和粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）进行模型参数寻优.最后，以高速公路路侧雷达检测数据为例，对模型进行训练和测试.实验结果表明：与其他识别模型相比，SVM-PSO模型的识别准确率和精确率分别为93.59%、97.75%，具有良好的识别能力.
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  基于个体出行模式的公交乘客活动规律性度量

  姚志刚, 杨杰, 王元庆

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 68-75. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210149

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  针对分别度量公交乘客出行重复性与周期性造成的个体活动规律特征表征不完全问题，以空间维度为例对个体活动相似性进行公交站点聚类，按乘客日活动先后顺序进行排序，构建了个体日出行链，将相同站点集群的日出行链归为同一类出行模式.分别改进了信息熵（Information Entropy， IE）模型和环形周期判别法（Ring-like Periodic Detection Method， RPDM），建立了公交乘客活动规律组合度量模型，并结合浙江省海宁市2019年10月至12月共92 d的公交出行数据进行了方法应用.比较了83 423名乘客的出行活动重复性、周期性和规律性值的差异，选取不同重复性与周期性的4名乘客，分析了其92 d活动空间特征，绘制了50名出行最规律和最不规律乘客的出行模式热图，发现按个体出行模式综合度量公交乘客出行活动规律性，能区分出12.13%重复性相同而周期性不同的乘客和25.14%周期性相同而重复性不同的乘客，将乘客细分效果提升了37.06%. 结果表明：基于个体出行模式重复性与周期性的组合度量模型进行公交乘客出行规律判别效果好，有利于提升公交乘客细分的精确度.
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  考虑用户边际成本偏好的逐日交通路径选择模型

  张文义, 张璇, 何彦博, 马继辉

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 76-84. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210155

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  针对现有逐日交通调整模型在刻画用户边际行为偏好上存在的不足，提出一种适用于路径叠加网络的边际成本计算方法，并构建了能更合理反映用户边际成本偏好（Marginal Cost Preference，MCP）的逐日交通路径调整模型.理论分析证明该模型是一个理性行为调整过程，表明边际成本偏好与理性行为调整规则可相容.数值分析结果表明：边际成本偏好考虑与否以及边际成本的计算方式对于交通流演化过程具有显著影响；基于新边际成本的路径调整模型的流量演化轨迹长度更短，在此基础上开发确定型用户均衡的求解算法有望获得更好效果.
土木建筑工程
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  基于简化模型的铁路桥墩健康状态快速评估方法及应用研究

  王冬立, 战家旺, 王闯

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 85-94. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220002

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  针对存在墩梁耦合效应的重载铁路多跨简支梁桥桥墩健康状态评估问题，以重载铁路多跨简支梁桥为研究对象，推导了梁体等效集中质量的计算公式，提出了多跨简支梁桥桥墩简化模型，进而建立了一套基于简化模型的铁路多跨简支梁桥桥墩健康状态的评估方法.并以南排河特大桥为试验对象，探究了该方法在实际工程中的应用情况.结果表明：锤击激励和环境激励下梁体振型等效集中质量系数计算值差异很小，其计算方法不受外部激励的影响；提出的单墩简化分析模型可以较好地等效局部墩梁体系的振动；基于模态频率和振型构建的模型修正方法可以实现桥墩墩身刚度与基础约束的定量评估；整体和局部健康评估结果均表明南排河特大桥4号和5号墩服役状态良好，该快速评估方法能够准确反映桥梁健康状态，具有良好的实用价值.
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  扣件胶垫频变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动影响

  崔巍涛, 刘林芽, 秦佳良

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 95-104. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210115

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  为了研究扣件胶垫频变特性对车辆、轨道和桥梁振动的影响规律，以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象，通过其动态力学性能试验，结合温频等效原理、WLF方程与FVMP模型，预测和表征了扣件的宽频动力特性，并将FVMP模型代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明：扣件动参数对频率有明显的依赖性，采用FVMP模型可以在宽频范围准确描述其动态力学性能.考虑扣件胶垫的频变特性时，从时域响应来看，轮轨力、扣件力、钢轨加速度、钢轨位移、轨道板位移和桥梁加速度明显增大，其中轮轨力和扣件力峰值分别增大9.53%和4.80%.从频域响应来看，扣件胶垫频变特性主要对结构的中高频振动产生影响，钢轨在整个中高频振动明显加剧，轨道板和桥梁在轮轨耦合系统的固有频率63 Hz附近处振动明显增大.因此，为提高预测的精度，在车辆-轨道-桥梁的振动响应求解时有必要考虑扣件胶垫的频变特性.
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  基于MU-net的混凝土桥裂缝识别方法

  梁栋, 张伟, 于洋

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 105-112. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210081

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  针对目前裂缝人工检测方法难以满足工业化生产准确性与实时性要求的问题，对更智能的裂缝识别手段进行研究，提出一种利用轻量化全卷积语义分割网络MU-net识别混凝土桥梁裂缝的方法.首先，在U-net网络结构的基础上，引入Mobile-net中的深度可分离卷积，并在卷积操作过程中加入修正单元，构建MU-net模型.然后，收集混凝土裂缝图片，通过筛选扩充等手段构建数据集并制作标签.最后，搭建一套针对实验梁的集成检测系统，将MU-net模型作为处理后端.实验结果表明：相较于经典U-net模型，MU-net平均识别时间缩短了68.5%，平均准确率提升0.29%，平均召回率提升1.86%，在保证精度的同时，提高了桥梁裂缝图片语义分割效率，基本能够实现对桥梁裂缝图片准确快速的识别处理.
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  承压水层圆形基坑悬挂式止水帷幕涌水量解析

  吴杰, 李鹏飞, 贾嘉陵, 孔恒, 郭彩霞, 郭飞

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 113-120. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210176

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  针对承压水地层悬挂式止水帷幕基坑的涌水量计算不准确的问题，根据地下水动力学原理，建立了圆形基坑渗流场解析模型，推导了涌水量解析的计算公式.提出了与止水帷幕插入比、承压含水层厚度和基坑半径相关的渗径影响系数，并且采用数值模拟正反分析拟合得到了系数取值，该系数用于修正坑内等效渗径长度并直接影响涌水量计算结果.最后，基于解析解涌水量结果讨论了基坑尺寸止水帷幕控水效果的关系.研究结果表明：本文理论解析结果与数值结果以及现场实测数据有良好的一致性；基坑尺寸过大时不宜选用悬挂式止水帷幕作为控水措施.
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  回填施工对钢带增强聚乙烯螺旋波纹管涵受力性能影响研究

  刘保东, 董寒林, 范渊博, 黄学伟, 田子瀚

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 121-130. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210131

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  钢带增强聚乙烯螺旋波纹管（简称钢带增强PE管）结合了高密度聚乙烯和钢的优点，获得了良好的耐腐蚀性能和较高的承载能力.为明确其施工回填过程结构受力特性及其影响因素，采用等效模量法（Equivalent Modulus Method， EMM）对管壁截面进行等效，采用有限元软件Abaqus对管体进行数值模拟，采用附加荷载法对管涵的回填施工过程进行数值模拟，并通过试验验证了有限元模型的有效性，研究了沟槽宽度、压实压力大小和回填土摩擦角对钢带增强PE管涵回填施工过程中受力性能的影响.计算结果表明：管道在回填过程中的水平相对变形值均大于竖向相对变形值，峰值挠度随沟槽宽度和压实压力的增大而增大，回填材料摩擦角对管道变形的影响不显著；管涵顶部竖向土拱率均大于1.0，说明管涵在回填施工过程中为负土拱效应；回填施工过程中最大弯矩的位置和大小随回填高度的变化而变化，最大弯矩在回填至距管底0.75~1倍管涵直径之间.
机械工程
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  铁路道岔直尖轨主要组合断面打磨廓形优选研究

  杨逸航, 胡伟豪, 肖乾

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 131-138. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210166

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  针对现如今铁路道岔直尖轨主要组合断面打磨廓形较为单一问题，对1 180组道岔尖轨主要组合断面开展调查分析，将现场测试的组合断面廓形进行离散化处理，处理后的廓形竖向分成6个大区域，随后对各区域的垂向偏差值进行归一化分析，由正态分布理论得到道岔关键断面偏差范围.然后对6个大区域中每个区域横向进一步均分成10个小区域，基于算术平均法对每个区域进行代表点选取，通过多段多项式拟合算法对多个曲线进行拟合，最终设计得到10组道岔尖轨打磨优选廓形.通过动力学仿真及现场试验验证优选廓形实际效果.结果表明：列车通过尖轨打磨组合断面优化廓形磨耗特性及列车横向运行稳定性优于列车通过尖轨全新组合廓形，打磨前横向及垂向加速度均值分别为1.59 g、0.56 g，打磨后横向及垂向加速度均值分别为1.52 g、0.53 g，轨检车平稳性得到提升.
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  铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头疲劳性能研究

  马国栋, 张颖川, 黄磊杰, 金炜

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 139-147. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210133

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  为克服现有铝合金连接手段可靠性低，外观质量差等缺点，采用双轴肩搅拌摩擦焊接新工艺对母材为6061-T6，壁厚为2.5 mm轨道交通铝合金空腔型材进行焊接，并研究了新工艺下焊接接头的疲劳特性.针对金属疲劳特性，首先在中短寿命（疲劳寿命N<2×10⁶）区利用成组法对试验数据进行处理，然后对长寿命区指定了两组循环基数（N=2×10⁶，N=10⁷）使用升降法进行数据处理，获得该工艺下焊接接头的条件疲劳极限，最后结合物理现象及数学方法删选可疑值后，根据可靠性理论，采用三参数幂函数拟合法分别求出了焊接接头在置信度γ=95%时，存活率为p=99%、95%、90%、50%的p-S-N曲线.疲劳试验结果表明：正反面接头的疲劳极限分别为69.5 MPa、85 MPa；焊接接头大多断裂在搅拌摩擦焊接的返回边处，飞边缺陷是影响接头疲劳极限的重要原因，正反面的焊接工艺是导致正反面疲劳性能产生差异的主要原因；双轴肩搅拌摩擦焊接接头比熔焊接头疲劳性能更加优异.
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  内部激励下高速动车齿轮箱振动响应评估

  胡玉飞, 张建超, 陈湛, 王军

  北京交通大学学报. 2022, 46(4): 148-156. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210173

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  针对高速动车齿轮箱箱体振动响应问题，采用Adams多体动力学仿真软件建立了高速动车齿轮箱传动系统的刚柔耦合仿真模型.通过对齿轮箱传动系统的动力学仿真，研究了斜齿轮啮合、轴承滚动过程中的各接触力变化规律以及大小齿轮、轴承保持架的运动稳定性，对箱体振动特性来自斜齿轮啮合、轴承滚动作用下的影响程度分别进行了对比分析，通过单轴滚振实验对箱体的振动特性进行了实验验证.研究结果表明：齿轮啮合力与滚动轴承法向接触力的仿真结果值与理论结果值、箱体振动特性的仿真结果与实验结果分别具有较好的一致性，并且箱体的振动特性受小齿轮端振动和大齿轮处轴承滚动振动影响较大，受大齿轮端振动影响较小.