2022年, 第46卷, 第5期　刊出日期：2022-10-15

  

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交通智能控制与检测
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  基于HSI空间的沙尘图像增强算法

  牛宏侠, 王春智

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 1-8. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220068

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  针对现有去沙尘算法的时间效率较低和受雾霾影响图像对比度提升不明显等问题，在偏色校正的基础上，提出在HSI空间提高饱和度与对比度的去沙尘增强算法.首先，在RGB颜色空间利用绿色通道校正其他颜色通道，实现沙尘图像的色彩平衡，完成颜色校正.其次，利用HSI空间各通道互不干扰的特性，针对S通道设计了自适应饱和度增强算法，I通道利用限制对比度自适应直方图均衡化（Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization，CLAHE）算法提升对比度.最后，合并通道转到RGB颜色空间得到清晰的去沙尘图像.实验结果表明：本文所提算法对于图像细节的清晰度和对比度恢复效果均有较大提升，而且本文算法在时间效率上提升显著，在原有算法的基础上，改进后平均算法效率提升77%左右，保证了算法的实时性.
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  基于随机森林的城市轨道交通桥梁故障预测模型

  郑胜洁, 徐余明, 胡祖翰, 刘留

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 9-18. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220029

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  城市轨道交通桥梁故障维修具有滞后性的问题，为提前了解故障部位数据随时间变化的趋势，需要对桥梁具体故障部位数据进行快速而准确的预测.以桥梁实测数据为基础，提出基于随机森林的城市轨道交通桥梁故障预测模型，并以桥梁结构位移参数为例，首先进行数据预处理，然后使用皮尔逊系数对桥梁监测特征参数做进一步筛选，最后将筛选的特征输入随机森林预测模型中训练，得到结构位移的预测结果.结果表明，随机森林模型能实现对结构位移故障的预测，预测结果的均方误差为0.085 1，可决系数为98.21%.
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  基于图像处理与深度学习的隧道衬砌裂缝检测

  王建锋, 刘文豪, 潘清云

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 19-29. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210200

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  针对目前隧道衬砌裂缝检测方法适应性不好且检测精度不高等问题，提出了以图像处理和深度学习相结合的衬砌裂缝检测方法.首先，以隧道衬砌图像采集车载设备为研究对象，对获取的图像利用改进Mask匀光算法去除图像中的阴影，利用拼接缝去除方法去除拼接缝.其次，构建改进的VGG19网络模型，通过深度学习方法实现了衬砌裂缝的高效分割，提出基于虚拟标尺的裂缝长度和宽度测量方法，实现了衬砌裂缝的高效准确检测.最后通过实际隧道检测试验验证了本文方法的可行性和有效性，试验结果表明裂缝类型识别率高，裂缝长度的最大偏差为2.92 mm，裂缝宽度的最大偏差为0.28 mm.
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  结合高低频分解和多尺度两级融合策略的单一深度图去噪方法

  赵利军, 王可, 张晋京, 白慧慧, 赵耀

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 30-41. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210167

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  现有的很多基于神经网络的深度图去噪方法忽略了深度图结构信息和细节信息之间的差异性，导致这些方法往往无法准确地恢复深度图的几何结构信息.为此，提出一种结合图像高低频分解和多尺度两级融合策略的单一深度图去噪方法.首先，考虑到不同噪声的差异性，引入多尺度高斯滤波器将含噪声的深度图分解为一组低频结构分量和一组高频细节分量.其次，考虑到低频结构信息和高频细节信息的互补特性，将这两组分量分别输入到基于多尺度两级融合的低频特征提取网络和高频特征提取网络，并且提出在这两个网络之间使用互补的特征加权融合机制进行多级特征融合和反馈.最后，对高低频特征提取网络输出的高低频增强特征，使用高低频合并重建模块进行残差预测，再将其与输入图相融合得到高质量的深度图.实验结果表明，在峰值信噪比、均方根误差、结构相似性和综合性能对比方面，本文方法比多个主流的深度图去噪方法如ARCNN、Fast ARCNN、DnCNN、ADNet和FFDNet拥有更好的性能.
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  基于自适应和级联结构的组合图像检索

  陈小彤, 韦世奎, 张港鉴, 谭创创, 范宇铭, 孙鹏, 赵耀

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 42-49. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210186

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  现有的组合图像算法大多直接进行特征联合嵌入以获取融合查询信息，忽略了不同模态间的互补信息，并保留了大量冗余信息.鉴于此，提出一种基于自适应和级联结构的组合图像检索算法.首先，提出了一种自适应双线性池化模块来进行模态间的信息交互，并结合自适应机制实现对各模态信息的筛选；其次，利用级联结构，在局部和全局层面上探索多模态信息间的相关性，并融合有效信息，生成最终的组合查询嵌入向量.实验结果表明，该算法可以准确表征跨模态组合信息，并在多个数据集上提升了检索精度.
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  改进恒定时间间隔算法的无人汽车的队列控制

  白倬宁, 尹逊和, 陈丽红

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 50-62. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220005

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  针对无人汽车车队在附着系数较低的路面上行驶的纵向控制问题，提出考虑道路附着系数和本车无法持续获取前车加速度信息的最小安全车距的计算方法，以此来对传统的期望车间距的恒定时间间隔（Constant Time Gap，CTG）算法进行改进.然后，采用分层的结构设计队列控制系统，并通过对车队的队列稳定性进行分析，得出上层控制中的控制器增益的取值条件.最后，对一个由4辆车组成的车队进行仿真验证.结果表明：提出的改进恒定时间间隔算法可以在路面附着系数较低的情况下保证车队的队列稳定性，同时能够避免相邻两车间发生碰撞.在本车无法获取前车加速度信息且前车紧急制动的情况下，采用改进的恒定时间间隔算法的车队在行驶过程中的最大车间距偏差率为19%，低于应用传统方法时的最大车间距偏差率22.27%，且车间距误差随着时间的增长最终收敛至零.采用改进的恒定时间间隔算法的车队在行驶过程中车辆的加速度的最大值为0.75?m/s2，低于利用传统方法时的加速度的最大值0.91?m/s2，说明改进的恒定时间间隔算法可以保证车队的稳定行驶，并且具有较好的乘坐舒适性.
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  基于时间注意力图卷积的民航旅客需求预测

  俞嘉慧, 吴薇薇, 刘鹏, 陈嘉鑫

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 63-73. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210197

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  随着航空运输业的发展，高效准确的需求预测成为各民航单位提高运行效率与企业竞争力的重要条件.考虑航空运输中旅客需求的时空特征，针对小型中转航线网络，构建基于图卷积神经网络（Graph Convolution neural Network，GCN）、门控循环网络（Gated Recurrent neural， GRU）与注意力机制的时间注意力图卷积（AT-TGCN）预测模型，以此捕获航线网络中的图结构特征与时空相关性.首先，基于航空公司历史航班运行数据，构建以中转航线为主的小型网络；其次，依据中转航线网络的拓扑结构，进行时间与空间的多维特征分析；结合网络的时空特征构建预测模型，并基于具体数据进行预测；最后，选用多项误差指标，将构建的预测模型与传统基准模型进行比对分析.预测结果表明，在中转航线网络的旅客需求研究中，基于时间注意力图卷积的预测模型具有显著的优势，且预测精度可达93.10%，可为航空公司了解中转旅客的需求变化提供有应用价值的预测模型.
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  基于生成对抗网络的极坐标域自监督径向畸变校正算法

  薛松, 赵珂瑶, 林春雨

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 74-83. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220065

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  鱼眼相机可以捕捉大视野场景，但它在图像中引入了严重的径向畸变.大多数现有的深度学习图像校正方法都需要畸变参数、无畸变图像等标签进行监督，而应用到真实世界的场景时，上述的假设和要求可能并不成立.提出基于生成对抗网络的极坐标域自监督径向畸变校正算法，利用极坐标图像畸变大小水平一致性和极坐标图像内部畸变平滑性，实现单幅图像的自监督鱼眼校正.同时使用多项式模型和除法模型合成大范围的畸变训练数据集，使模型获得较好的泛化能力.在合成数据集和真实数据集上的对比实验结果证明了本方法的优越性.
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  基于改进TD3的自动驾驶车道保持决策方法

  田康, 于镝, 李擎, 张宏昌, 吴迎年, 范玲玲

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 84-94. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220018

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  本文提出基于改进TD3算法的车道保持端到端决策新方案.首先，构建多数据融合TD3算法框架，感知自主车辆运动学数据信息和视觉图像信息来提升算法的稳定性.并且结合注意力机制思想细化图像特征，使得算法关注重要道路信息，以此增强算法可解释性.其次，综合考虑驾驶的安全性、舒适性和效率性因素设计了指导型奖励函数，以引导智能体学到更加类人的驾驶策略.最后，采用分类与高价值优先级经验回放方法，以提高样本利用率和加快算法收敛速度.借助TORCS仿真平台，设计了多组对比实验，以验证所提方法的有效性和可行性；并且通过多个场景的仿真测试，验证了改进TD3算法的整体性能优于TD3算法.
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  基于改进SOLOv2的复杂场景下智能机器人巡检识别算法

  吴忧, 袁雪

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 95-106. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220062

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  智能巡检技术逐步替代人工巡检有效提高检测效率，降低人力成本，成为智能巡检系统中的重要组成部分.目前现有的智能巡检技术在复杂场景下可识别的设备部件种类较少，检测精度和速度较低，对于小部件（例如按钮等）的识别效果较差.为了达到较好的检测效果和一定程度的广泛适用性，提出了一种基于改进SOLOv2的智能机器人巡检识别算法.本方法能较好地应对复杂场景下多种类设备部件的精准定位及模态提取问题，解决了现有智能巡检技术可识别部件种类少的问题.针对实例分割算法SOLOv2对于小目标识别精度低的问题，通过增加特征金字塔网络中大尺寸层级特征图的输出，增加小目标物体的正样本数量，提高小目标识别精度.实验结果表明，本文提出的方法相较于目前的巡检识别算法，具有更好的识别精度，复杂场景下的鲁棒性更高；相比较原有的智能巡检系统，可识别种类提高12类；相较于原始SOLOv2算法，小目标物体的精度提升10%左右，整体的识别精度也提升1.7%.
交通通信技术与列控系统
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  基于粒子滤波的列车轨道占用判别方法

  袁祎, 陈光武, 李朋朋, 刘洋

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 107-113. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220007

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  基于全球导航卫星系统（Global Narigation Satellite System，GNSS）的列车定位系统降低了铁路建设与运营的成本，而正确识别列车所在道岔区段是列车卫星定位的前提.为提高列车轨道占用判别过程的准确性及实时性，提出一种基于粒子滤波（Particle Filter，PF）的列车轨道占用判别方法.以PF原理为基础，根据列车当前位置，设置可调节误差置信区域对相邻道岔节点进行检索，有效避免漏检索、重复检索的问题.其次，将轨道占用判别过程建模为列车运行位置与线路地图候选区段的实时匹配过程，在与之拓扑连接的候选道岔区段上随机生成粒子进行列车的实时追踪；将各时刻粒子运动状态与列车定位点之间的距离误差及航向角误差作为加权函数，通过计算与道岔节点邻接轨道区段的累计粒子权值，得出最大概率占用区段，实现对列车所在道岔区段的正确判别.最后，结合实测数据与现有轨道占用判别方法进行对比.实验结果表明：基于粒子滤波的列车轨道占用判别方法可以有效识别当前轨道，其平均识别距离比直接投影方式稳定识别占用轨道的距离减少了约6.5 m，比加权识别方法减少了约3.8 m，具有一定实时性.
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  基于SM-LADRC的高速列车自动驾驶速度控制

  梁乐观, 牛宏侠

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 114-121. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220013

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  针对高速列车自动驾驶中应用传统自抗扰控制跟踪运行速度时可调参数多且整定困难、跟踪精度较低、抗干扰性较弱的问题，提出基于线性自抗扰（Linear Active Disturbance Rejection Control，LADRC）的速度控制设计方案.首先，以单质点列车模型为基础，依据LADRC设计实时估计系统未建模动态的线性扩张状态观测器；其次，采用改进指数趋近律的滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）优化非线性误差反馈控制律，提高系统的响应速度并削弱抖振；最后，设计滑模线性自抗扰（Sliding Mode Linear Active Disturbance Rejection Control，SM-LADRC）控制器，对速度指令进行追踪，通过数值仿真验证控制器的有效性.实验结果表明，SM-LADRC控制器具有可调参数少且易整定、跟踪精度高、抗扰动性强、响应速度快等优势.
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  基于决策树等价的CBTC列控车载TSM监控曲线测试案例约简方法

  张芳, 李开成, 罗正伟, 魏国栋, 吕继东

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 122-130. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220003

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  针对传统组合测试在CBTC列控车载TSM监控曲线中产生覆盖无交互作用参数组合的冗余测试案例问题，提出了一种基于决策树等价的组合测试案例套件自动约简方法.首先，结合t-way参数覆盖的组合测试案例及其输出构造捕获被测系统行为的数据集，并采用CART算法将数据集推理出决策树；其次，设计了改进的组合测试案例约简算法，利用决策树结构等价和误分类等价关系约简冗余的组合测试案例；最后，利用约简算法在CBTC列控车载TSM监控曲线功能上进行了实例分析，相关实验结果表明，该方法可以达到高达74%的约简率，同时约简前后，测试套件的低层次组合覆盖率和故障检测能力基本一致.
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  超高速磁悬浮列车闭塞分区设计与优化模型

  马琳, 郑勇, 金成日

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 131-141. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210095

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  超高速磁悬浮列车闭塞分区的划分不仅是设计能力的重要影响因素之一，也与牵引供电设备成本密切相关，对指导超高速磁浮列车经济、合理、科学的系统设计及规划具有重要意义.本文以平均发车间隔和分区工程造价为目标，通过构建超高速磁悬浮列车能力计算模型，将闭塞分区划分问题转化为一个混合整数非线性规划问题，并采用非支配排序遗传算法（Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ， NSGA-Ⅱ）优化闭塞分区设计.基于超高速磁悬浮列车的线路、列车以及信号系统相关数据，设计仿真案例对上述算法进行评估，并与基于线性加权方法的多目标遗传算法（Vector-Evaluated Genetic Algorithm， VEGA）的求解效果进行对比.结果表明：NSGA-Ⅱ生成的Pareto最优解质量和求解速度均优于VEGA，仿真结果精确满足各项约束.
机械与电气工程
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  非屏蔽电缆束的串扰抑制措施研究

  崔勇, 谢路雨

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 142-148. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220064

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  随着电子系统和电气设备的高度集成化以及对信号传输需求的増加，电缆线束越来越密集，使其周围的电磁环境越来越复杂，恶劣的电磁环境会导致一系列的电磁兼容性问题.基于多导体传输线理论结合级联传输线方法，通过链路参数矩阵得到非屏蔽电缆束模型，基于该模型的仿真结果与电磁场仿真软件CST（CST Studio Suite）仿真结果进行对比，验证了本文所建立仿真模型的正确性.重点研究电缆束的线缆数量、线缆端接阻抗以及线缆在电缆束中的层位置对线间串扰的影响，并提出相应的抗干扰措施.特别是对于线缆端接阻抗的研究，提出“牺牲电缆”的概念，即选取一根线缆作为“牺牲电缆”，两端接较小负载，以抑制电缆束的线间串扰.

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  基于MPC的混合动力汽车能量管理策略

  万欣, 荀径, WUGuoyuan, 赵子枞

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 149-158. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220042

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  混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle， HEV）通常由两种或两种以上动力源共同驱动，通过控制算法协调各动力源的动力分配，以改善整车性能，提高车辆燃油经济性.以目标结构的混联式HEV作为研究对象，采用“黑盒”建模方法，结合参数识别、车辆动力学和动力传动系统的物理模型以及实际测试数据，评估输入变量对被控混联式HEV的影响以及存在的工作模式等.同时，提出了一种两层的模型预测控制（Model Predictive Control， MPC）的能量管理策略.上层控制器利用车路协同信息（Vehicle-to-everything， V2X），包括道路速度限制、车辆跟车约束、交叉口信号状态，以及停车线位置，计算车辆的参考运行状态，并将这些信息提供给下层控制器.下层控制器通过MPC计算各部件力矩和制动力，以优化HEV的运行过程.matlab/Simulink仿真结果表明，电池荷电状态（State of Charge， SOC）消耗量降低了5%，验证了该方法的可行性和有效性.
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  两级混淆对抗域自适应网络轴承故障诊断

  邬春明, 朱海潮, 马欣, 郭晓利

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 159-166. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20220006

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  在变工况轴承故障诊断任务中，领域自适应方法仅仅对两个域进行全局对齐，而未进行相应类别的对齐，为解决上述问题，提出了一种两级混淆对抗域自适应网络.该网络由一个特征生成器、两个标签分类器及一个辅助分类器组成.网络使用源域样本帮助两个任务分类器学习，同时在辅助分类器上构造了基于两级域混淆损失的对抗性学习目标函数，通过对抗训练，驱动特征生成器生成类别对齐的特征.两个公共轴承数据集的实验结果表明，该方法的平均诊断准确率远远高于传统深度学习算法和其它四种域自适应算法.
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  考虑多附加阻力的不同牵引工况下城市轨道交通杂散电流动态分布特性

  康宏, 李亚宁, 王烨

  北京交通大学学报. 2022, 46(5): 167-174. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210184

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  杂散电流是影响城市轨道交通供电系统运行可靠性的重要隐患.在考虑列车运行中所受附加阻力的条件下，以“钢轨-排流网-大地”模型为研究对象，建立杂散电流动态分布模型并对其动态分布特性进行了仿真分析.研究结果表明：杂散电流峰值主要出现在列车启、制动阶段，制动阶段峰值更大；相较于快速牵引工况和舒适牵引工况，经济牵引工况下产生的杂散电流最小.考虑多种附加阻力后，经济牵引工况下启动阶段杂散电流增加14.65%，制动阶段杂散电流降低6.45%；快速牵引工况下启动阶段杂散电流增大7.09%，制动阶段几乎不变；舒适牵引工况下杂散电流几乎不受影响.研究成果为城市轨道交通杂散电流排流装置的设计与防护提供了理论参考.