ISSN 1673-0291 CN 11-5258/U
针对远距离城市空间物流无人机配送问题，提出基于两级多中心场景的无人机（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）配送服务模式.综合考虑客户时间、无人机充电和配送路径策略等内容，建立以最小配送总成本为目标的两级多中心物流无人机城市配送调度模型，通过比较标准算例下Cplex优化软件与鲸鱼优化算法（Whale Optimization Algorithm， WOA）、遗传算法（Genetic Algorithm， GA）和灰狼优化算法（Grey Wolf Optimization， GWO）3种启发式算法的实验结果，确定求解算法以设计两阶段算法进行求解.以天津市中心城区为例进行模型求解，并从需求点规模、机型和时间窗3方面进行敏感度分析.研究结果表明：与闭合式路径相比，半开放式路径策略分别节省约11.09%、60.45%的配送总成本和时间窗惩罚成本，成本节省随配送规模增大而增加；提出的固定路径班次模式相比现有按需模式，其可变成本和总成本降幅均高于18%，使用无人机数量减少近28%，生成的班次时刻表和飞行路径时空图可显现不同模式优劣.本文提出的模型对优化远距离城市物流无人机调度方案及配送模式有一定实用价值，可为企业在物流无人机的配送规划方面提供参考.
为探究铁路货运供需耦合协调发展的影响因素及其时空演化规律，基于2010年、2015年和2020年31个省份铁路货运相关统计数据，构建了包含19项需求侧和17项供给侧影响因素的供需协调度指标库.在结合相关系数法和变异系数法对指标库中的影响因素进行筛选后，利用熵权法确定权重并计算省域耦合协调度.基于地理加权回归模型（Geographically Weighted Regression， GWR）构建铁路货运供需协调时空分析模型，以解释我国铁路货运供需耦合协调度的省级区域差异及其时空演化规律，并提出障碍度模型分析制约铁路货运供需协调发展的主要因素.研究结果表明：在样本考察期内铁路货运供需耦合协调度空间分布具有集聚性，影响因素对铁路货运供需耦合协调度的影响程度具有空间非稳态特征，且发生重心的空间转移和分化现象，其中东北、华北地区供需耦合度较高，西部地区供需耦合度低；铁路货物周转量和货运量为影响供需协调发展的关键障碍因素.研究结果可为优化我国铁路货运网络、促进货运协调发展提供理论依据.
针对烟草物流配送系统在遭遇地震、洪水等破坏性强的突发事件时，其系统抗干扰和自修复能力不足等问题，首先，以车辆接替完成时刻、接替车辆完成配送的时间、运行水平响应值为约束条件，以最大化烟草物流配送系统韧性值为目标函数，构建烟草配送系统恢复优化模型.然后，设计自适应遗传算法求解该模型，并对算法中的自适应参数的取值进行了详细设置.最后，以某市烟草物流配送系统数据为例，验证恢复优化模型的有效性与不同恢复策略对系统韧性的影响.在算例中，设置包括1种随机攻击与两种目的攻击作为3种扰动情景，制定包括目标接替法、随机接替法、基于发车顺序的偏好接替法及基于车辆重要性的偏好接替法4种接替法确定恢复策略.研究结果表明：恢复优化模型是有效且稳定的，设计的自适应遗传算法具有收敛性；在3种扰动情景下，目标接替法提升系统韧性值的效果均优于其他3种接替法，使用自适应遗传算法求解恢复优化模型，烟草物流配送系统韧性值最高能够提升47%.
针对新能源网约车用户的充电行为与个人属性、车辆属性、用户满意度等多重因素之间的复杂互动问题，运用结构方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）详细探究各定量因素之间的影响作用，并采用关联规则挖掘技术结合定类数据和定量数据分析405份样本，得到用户与充电行为相关决策的具体表现形式.研究结果表明：每增加40 km的行驶里程，充电次数将平均增加0.407次；用户个人和车辆的属性反映出不同群体的充电决策差异，路径系数分别为0.336、0.159；排队时间阈值每增加1个单位，到站时间阈值平均增加0.231个单位，说明不同场景下用户可接受的时间阈值具有一致性，通过提供针对性服务可以满足不同用户的需求；新能源网约车的预估里程准确度与用户对充电设施的满意度正相关，正相关结果的统计显著性水平P值为0.273，反映了准确预估里程能力在促进新能源网约车普及中的重要性；用户对价格和服务的多样性说明市场的灵活定价机制具有潜在价值；时间和金钱在决策中的复杂权衡，反映了行为背后的复杂性和多元性.这些结果揭示了不同因素之间的复杂关联，为未来相关领域的研究提供了理论基础和实证依据.
为科学发展新能源交通基础设施，对城市公共充电桩的建设选址优化展开研究.首先，考虑充电行为与停车行为的强关联性，提出静态充电需求的概念.其次，结合城市停车设施分布与安全间距要求，确定备选点位集合，并构建选址优化模型，在实现满足周边需求的同时，适应中心城区新能源汽车发展的总体规律，实现投建主体的收益最大化.再次，通过引入Voronoi图，平均划分备选点位之间服务范围的空间叠加，简化原模型的约束条件，并设计“两阶段”算法，降低原问题可行域维度，提升求解迭代效率.最后，以沈阳市三环内的城市核心区为实例进行分析.研究结果表明：基于静态充电需求的城市公共充电桩选址决策模型可通过优先在静态充电需求旺盛的区域布局城市公共充电桩，其在给定参数下，与传统的P-中心模型和集覆盖模型相比，充电收益可提升12.7%以上，充电服务覆盖范围更广，可以更好地保障新能源汽车发展，引导城市交通绿色化转型.
为研究新能源汽车政策对不同群体居民出行意向影响存在的差异性问题，提出新能源汽车政策下居民出行意向多群组模型.以计划行为理论为基础，整合居民对新能源汽车政策的态度、响应程度以及低碳理念，构建新能源汽车政策下居民出行意向模型，并对模型进行检验及修正，划分多群组，对修正后的模型进行多群组分析，研究新能源汽车政策对不同出行方式偏好群体影响机理的差异性.研究结果表明：居民对新能源汽车政策的态度、响应以及低碳理念对出行态度、主观规范、知觉行为控制以及行为意向的影响在不同出行方式偏好下存在显著差异；居民对新能源汽车政策的态度越积极、低碳理念越强，则选择新能源汽车或公共交通出行的意向越强；居民对新能源汽车政策的响应越积极，则选择新能源汽车出行的意向越强；改善居民对新能源汽车政策的态度、响应，可促进新能源汽车的使用；通过提升居民的低碳理念，可提高居民采用公共交通或新能源汽车出行的意向.研究可为通过交通政策调整居民出行意向以及制定交通政策提供参考.
针对列车运行图冗余时间布局影响列车运行图弹性的问题，对运行图冗余时间分配方法进行研究.首先，通过分析列车实际运行数据，总结列车运行晚点分布规律，基于对运行图关键位置及关键列车的判断，在运行图冗余时间总量不变的前提下，对列车运行图冗余时间进行重新分配.然后，在满足列车作业间隔约束条件的前提下，对列车到发时刻进行冲突疏解，形成新的列车运行图.最后，选取京沪高速铁路某日列车运行图进行算例分析，通过高速铁路列车运行自动调整系统，比较在不同初始扰动方案下运行图冗余时间分配前后的弹性效果.调整结果表明：冗余时间重新分配前列车运行平均总晚点时间为143 min，冗余时间重新分配后列车运行平均总晚点时间缩小为123 min，降低了13.99%，证明该冗余时间分配方法可有效降低外界扰动下的运行图总晚点时间，提升运行图弹性.
为有效解决复杂路网短时交通流预测问题中涉及的时空特征挖掘问题，提出一种基于改进长短时记忆神经网络（Improved Long Short-Term Memory， ILSTM）的交通流预测模型.首先，通过改进的遗传算法对长短时记忆神经网络（Long Short-Term Memory， LSTM）模型初始参数进行优化获得最优参数组合，解决LSTM初始参数设置对输出结果影响较大的问题.其次，针对复杂路网多路段交通流预测中遇到的空间特征提取问题，通过挖掘相关路段对目标路段交通流预测的影响程度，重新构建LSTM模型的损失函数，采用路网中相关路段对目标路段的影响系数，以损失函数输出值最小为终止条件，构建ILSTM模型.最后，选择加州公路局交通数据进行模型验证实验，采用遗传算法优化LSTM模型（Genetic Algorithm-LSTM， GA-LSTM）和单纯LSTM模型，以及皮尔森相关系数与LSTM组合模型（Pearson Correlation Coefficient-LSTM， PCC-LSTM），对工作日和周末数据的多次实验结果进行对比分析.实验结果表明：ILSTM模型能够充分考虑复杂路网交通流的时间和空间特征，预测平均误差约为1.16%，在收敛效率和预测精度方面均优于其他模型.
针对地铁与公交网络耦合问题，基于北京市公共交通线网数据开展实证分析，解析地铁网络与公交网络耦合形成的地铁-公交复合网络结构性能，探究复合公共交通网络布局优化策略.首先，构建地铁拓扑网络和公交拓扑网络，根据换乘走行距离设置耦合规则，构建地铁-公交复合网络.其次，围绕单层网络、双层网络分别测算拓扑指标（平均最短路径长度、平均聚类系数、全局效率和局部效率等）与韧性指标（最大双连通子图规模和割点数目等），分析双层复合公共交通网络结构性能.再次，提出基于Kendall秩相关系数的复合网络层间关联性指标，量化复合网络的耦合强度.最后，提出4种层间关联性提升策略，并开展“公交线路生成实验”，验证各策略对于网络拓扑和韧性性能的影响.研究结果表明：北京市复合公共交通网络层间关联性呈现正相关关系，“薄弱环节优先”的层间关联性提升策略表现最佳，预期能够实现全局效率提高3.89%、局部效率提高25.62%、网络割点减少33.84%的目标，为进一步优化城市公共交通网络规划布局提供决策依据.
在全面推广高速公路差异化收费背景下，针对如何选取差异化收费路段的问题，建立一种基于多源数据的差异化收费路段识别方法.首先，基于高速公路门架数据、收费站出入口流量、普通国省道交通流量自动观测站数据等多源数据，从路段沿线社会经济发展水平、网络化水平、交通运行特征、交通可转移性、交通负荷均衡性5个维度，构建高速公路差异化收费路段识别指标体系.然后，基于k-means聚类和分类回归树算法（Classification and Regression Trees，CART）建立高速公路差异化收费路段识别模型.最后，以云南省130条高速公路路段为例，提取高速公路差异化收费路段细分规则及关键特征指标.研究结果表明：影响高速公路差异化收费路段细分的关键特征指标分别为路段成网率、收费站节点度、出行成本偏差率、路段全天小时拥挤度、可替代路径数量；根据决策树细分规则可将差异化收费路段划分为差异化上浮型、不适合差异化、差异化下浮型3种，符合高速公路实际收费运营情况.
针对隧道及地下工程中围岩吸水膨胀导致应力与位移场变化难以量化的问题，基于弹塑性与湿度应力场理论，采用统一强度理论与非关联流动法则，推导考虑中间主应力效应与围岩吸水膨胀特性的深埋圆形隧道弹塑性统一解.首先，结合考虑湿度变化的平衡方程与本构方程，获得围岩弹性状态下的应力与位移解；然后，提出围岩弹塑性状态的判定方法，并基于统一强度理论推导围岩塑性状态下的解析解；最后，通过算例对比分析验证本文所推统一解的准确性，并进一步探究中间主应力、湿度膨胀系数以及含水率变化对围岩应力场与塑性区半径的影响规律，研究结果表明：本文与已有文献所求塑性区半径偏差仅为0.136%，验证了本文所推统一解的合理性；在所提供支护抗力相同的前提下，考虑围岩膨胀特性计算所得塑性区半径扩大，弹-塑性界面的环向应力增加，考虑围岩膨胀特性所得塑性区半径与环向应力是不考虑膨胀特性的1.06倍；当统一强度理论参数从0.0增加到1.0时，弹-塑性界面的环向应力增幅为6.6%，塑性区半径降幅为13.9%，隧道洞壁位移降幅为16.0%；当湿度膨胀系数分别取值0.00与0.10时，由于湿度膨胀系数影响引起的弹-塑性界面环向应力与塑性区半径增量分别达17.98%与27.4%；当最大含水率从0.00增加到0.06时，弹-塑性界面的环向应力增幅为16.9%，塑性区半径增幅为23.1%，隧道洞壁位移增幅为100%.研究成果可为膨胀岩隧道结构设计提供理论依据.
随着工程建设的不断发展，隧道开挖孔洞数量增多的同时，多孔洞隧道相应围岩压力计算理论并不完善.针对四孔小净距隧道，以普氏理论为基础，参考已有研究中的荷载计算模型，结合四孔隧道位置特征，将深埋四孔小净距隧道计算荷载简化，综合考虑隧道开挖顺序与中岩柱所发挥作用，提出深埋条件下的围岩压力计算方法，利用该方法，结合余姚市某四孔公路隧道进行计算，并分析隧道间净距、隧道开挖跨度与中岩柱承载能力对围岩压力的影响规律.结果表明：隧道净距会影响隧道围岩压力附加承载拱的形成，净距越大各隧道偏压程度越弱，且两中洞间净距的变化对隧道整体围岩压力的影响较大；当隧道间净距不变时，增大隧道开挖跨度，隧道洞室所承载围岩压力逐渐增大，且内侧竖向围岩压力变化均强于外侧；围岩承载能力越强，相同中土柱厚度条件下隧道开挖相互影响越小，其分担来自隧道上方附加平衡拱内松散围岩压力的效果越好，隧道支护结构所承受围岩压力越小；四孔小净距隧道中洞间距的变化对隧道整体围岩压力的影响较大，隧道偏压特性随间距的增大而逐渐减小.
针对盾构工程中合理的盾构机参数需要依靠大量工程经验进行选取以满足地表沉降的问题，提出一种考虑盾构机参数主动控制的盾构隧道掘进地表沉降智能预测模型.首先，根据工程的实际特性与时空特征，将盾构掘进地表沉降的影响因素划分为几何参数、地质参数、掘进段盾构机参数以及未掘进段控制参数.然后，针对输入数据的不同结构特征，综合采用不同的神经网络模型分别提取不同输入参数的特征，从而构建符合现场盾构掘进数据特征的混合神经网络模型.最后，利用杭州地铁3号线3个区间盾构隧道工程的施工数据库对模型预测性能进行验证，同时将本文模型与其他传统机器学习算法进行对比.研究结果表明：相较于随机森林模型与长短时记忆神经网络模型，混合神经网络模型预测性能提升近50%与30%；多种输入参数中未掘进段盾构机主动控制参数对模型的重要性最高，对结果的影响最大.研究成果可为盾构隧道掘进中的沉降预测与盾构机参数决策提供参考.
外套于盾构隧道管片螺栓的空心圆锥筒定位抗剪构件定位榫能有效控制盾构管片错台量和错台值，与管片、螺栓共同形成“管片-定位榫-弯螺栓”接头.为探明盾构隧道管片受压工况、“管片-定位榫-弯螺栓”接头在剪切荷载作用下的结构力学特征和破坏机理，以内径7.5 m、外径8.3 m、弯螺栓连接的盾构隧道衬砌环的纵向接头为例，首先，建立三维有限元模型，对轴力分别为196、392、588和784 kN4种工况的接头剪切破坏全过程进行数值模拟；然后，对接头剪切破坏过程、定位榫和螺栓力学及变形特征、管片接缝面变形破坏特征进行分析；最后，采用原型剪切破坏试验对数值模拟结果进行印证和补充研究.研究结果表明：盾构隧道“管片-定位榫-弯螺栓”接头剪切破坏全过程分为接触面静摩擦、定位榫弹性变形、定位榫塑性错动和螺栓剪切破坏4个阶段；定位榫弹性变形阶段，定位榫表现为“压扁”形态，定位榫塑性错动阶段，定位榫拱顶外侧首先出现塑性屈服区，随着剪切荷载的增加，塑性区将扩展到定位榫端部和横断面内大部分区域，塑性破损过程中定位榫将超过其承载能力的外部剪切荷载转移给螺栓；螺栓杆体受力从定位榫塑性错动阶段开始，最终加载侧杆体将发生“拉直”破坏、固定侧杆体将发生弯剪破坏；管片接缝面混凝土从定位榫塑性错动阶段后期出现塑性区，初始位于榫槽内水平两侧，随着剪力增加，塑性区将向周边扩展，最终与管片内弧面手孔塑性区连通，形成“手孔-螺栓孔-手孔”塑性破坏域.
针对基坑传统换撑方法换撑工序复杂，对管廊结构施工延续性及施工效率影响较大的问题，基于典型软土地层，以广东中山某管廊深基坑工程为背景，提出了利用垫层换撑的新方法.首先，对基坑进行三维Abaqus数值模拟并与实测数据进行对比分析；然后，提出垫层换撑方法并进行数值模拟正交试验，探究采用垫层换撑方法在拆撑后不同因素对基坑围护结构变形影响情况；最后，通过现场试验验证管廊深基坑垫层换撑新方法的合理性和可行性，并将垫层换撑方法与传统换撑方法对于围护结构水平位移影响进行对比.研究结果表明：影响围护结构变形的3个主要因素为垫层改良区域（垫层梁）厚度、混凝土强度等级和纵向钢筋直径，其中垫层改良区域（垫层梁）的厚度极差最大，为影响围护结构变形最显著的因素；垫层换撑现场实验在拆除底部横撑后，围护结构最大水平位移平均实测值仅为21.79 mm，有效解决了软土区围护结构易变形过大的问题，验证了垫层换撑方法的适用性；在基坑地层及开挖条件相同情况下，采用垫层换撑方法围护结构最大水平位移约为传统方法的84%，相较于传统换撑方法能够更好地控制基坑变形.
针对运营前期信息化程度不足导致的高速铁路线路历史维修记录缺失进而影响后期高速铁路运维合理规划的问题，建立基于信息熵和数值滤波的高速铁路高低不平顺维修时间识别模型.首先，基于挖掘长时间跨度下的轨道动检数据，获取精确的维修信息并揭示线路维修与不平顺劣化速度的关系.然后，将模型提取时间节点与某CRTS 型板式无砟轨道的综合检测列车历史维修数据对比，分析模型提取效果.最后，采用线性回归进行不同劣化时间段劣化速率预测和分析.结果表明：维修作业方案的改善程度不同，18%的维修方案能够实现高低不平顺原始数据70%的改善量，75%的维修方案能够实现高低不平顺原始数据30%的改善量；对比不同轨下结构类型，劣化速率最大的10%个线路区段所需平均维修周期隧道段最长，为28个月，桥梁段最短，为9个月；未开展维修的线路区段占整体线路的18%，高低不平顺标准差劣化速率分布较为集中，不超过0.01 mm/月；自2016年1月起，依靠日常检养修工作，预计下次维修时间最早为82个月后.
针对四足机器人难以跨越大尺寸障碍物的问题，提出了一种仿生腾空跳跃的轨迹优化控制方法.首先，对马里努阿犬的越障运动进行测试和仿生学分析，得到腾空跳跃的参考轨迹.其次，根据摩擦锥、轨迹平滑、运动学和动力学等约束条件，基于轨迹优化的方法对仿生参考轨迹进行离线优化，生成四足机器人的期望跳跃轨迹，得到跳跃所需的足端位置、关节力矩和关节角度序列.再次，设计分阶段的跳跃控制器，采用关节和质心PD（Proportional Derivative）的组合控制策略，实现对期望跳跃轨迹的跟踪，采用变刚度虚拟模型控制实现对落地姿态的调整和足底力的缓冲.最后，在Webots仿真环境中完成了1 m高度的自由落地和跳跃0.75 m高度桌子的仿真实验.研究结果表明：仿生轨迹优化与控制算法能够使四足机器人跳跃大尺寸障碍物并且具有平稳落地的效果，对于提高四足机器人的高性能运动能力以及拓展其应用环境具有参考价值.
目前隧道管片修复加固工作自动化程度低，存在施工安全隐患大、效率低、成本高、工人劳动强度大等问题.为实现隧道管片加固钢板的自动化拼装，首先，提出一种2P6R拼装机械臂方案，建立机械臂正运动学模型.其次，采用解析法对机械臂进行逆向运动学求解，以限制关节超限作为代价函数进行冗余解的选取，并在Beckhoff C6030-0080的TwinCAT 3平台进行逆运动学求解测试，验证算法具有较好的实时性.再次，利用微分变换法求得机械臂的雅可比矩阵，识别并列举边界奇异及内部奇异位形示例.最后，利用图解法绘制出机械臂可达工作空间截面及完整的三维可达工作空间，并进一步对机械臂进行灵活度分析，绘制出灵活度分布图.研究结果表明：2P6R拼装机械臂可以满足隧道管片加固钢板自动化拼装需求，为机械臂的应用提供理论基础.
