ISSN 1673-0291 CN 11-5258/U
为解决列车在车站咽喉区的进路规划问题，在给定实际车站咽喉区场景、列车在咽喉区内的进路、列车长度以及车速等情况下，开展列车进路优化算法研究.首先，构建表征列车在车站咽喉区运行状况的时空网络，将进路问题看成一个有限资源的时空分配问题，并建立问题的网络流模型.其次，开发基于离散事件模型的算法，仿真给定列车优先权顺序条件下车站咽喉区内的行车计划，得到可行的列车进路方案.再次，基于禁忌搜索（Tabu Search， TS）算法开发列车优先权顺序优化算法，得到行车作业时间延误最小的进路方案.最后，以某车站咽喉区为研究场景进行分析.研究结果表明：提出的基于TS的列车作业优先权算法能够有效疏解列车在车站咽喉区内的进路冲突，优化列车的延迟时间和等待时间，并在4 min内达到收敛得到满意的进路方案.
针对高速公路行驶路段全程封闭、车辆行驶速度高、一旦发生交通事故往往造成不可估量的损失等问题，提出一种基于随机森林（Random Forest， RF）算法筛选指标与极端梯度提升树（eXtreme Gradient Boosting，XGBoost）算法结合的高速公路事故风险研判方法.首先，通过筛选高速公路事故路段的私家车行驶轨迹数据，建立4种不同时空条件（事故上游30 km及事故前30 min、事故上游10 km及事故前15 min、事故上游10 km及事故前10 min和事故上游10 km及事故前5 min）下的事故风险研判数据基座.其次，建立了随机森林和极端梯度提升树（Random Forest and XGBoost， RF-XGBoost）组合的事故风险研判方法，在对高速公路行驶车辆的各类运行指标进行筛选的基础上，对高速公路事故风险进行研判.最后，采用模型准确率、精确率、召回率、平衡F分数（balanced F Score， F1）、曲线下面积值（Area Under Curve， AUC）5个指标评价算法效果.研究结果表明：RF-XGBoost组合算法在事故风险研判上优于决策树（Decision Tree， DT）、支持向量机（Support Vector Machine， SVM）和传统的XGBoost算法；RF-XGBoost算法较传统XGBoost算法的平均准确率提升了11.1%，平均精确率提升了8.9%，平均召回率提升了7.625%.在事故上游10 km及事故前10 min的时空条件下，算法的准确率可达80%，综合研判效果最好.研究结果可为高速公路私家车的事故风险研判和动态预警提供理论和方法支撑.
随着城市公共出行需求不断增大，现有公交场站难以提供充足的车辆停靠服务，本文针对公交场站泊位分配问题进行优化设计.首先，为描述公交车辆在枢纽场站内部选择泊位并完成停靠的完整过程，构建入口等待弧、进泊行驶弧、泊位停泊弧和离泊行驶弧4种时空网络弧.其次，以时空网络弧为基础，综合考虑泊位数量、公交线路特点，以最小化入口等待时长和均衡利用泊位资源为目标，建立公交泊位分配的整数规划模型，并通过引入辅助决策0-1变量线性化模型.最后，以四惠公交枢纽为例，采用Python语言编写程序并调用Gurobi优化软件进行求解，验证模型的准确性和有效性.研究结果表明：对公交停泊站台和泊位进行重新分配可以最大化利用现有资源，并有效提高公交系统运营效率，公交时间等待成本和泊位均衡使用值分别降低26 min和724 min，整体上与原方案相比效果提升近48%；开行新公交线路情况下，在优化原有线路的分配方案基础上设计的泊位分配方案，在泊位均衡使用及求解速度提高等方面效果更优.
为实现山区铁路“隧道-环境”复合系统的良好协调演化发展，从微观要素视角构建“隧道-环境”系统耦合要素体系，运用耦合协调度模型分析其协调水平，采用双层复杂网络模型甄别提升隧道工程绿色化水平的主控要素，并构建“隧道-环境”耦合协调非线性优化模型（Non-Linear Programming， NLP），运用模拟退火算法（Simulated Annealing， SA）以主控要素为调控变量对其演化形态进行调控优化.以某山区铁路隧道工程为例分析其与隧址区环境的耦合协调关系.研究结果表明：“隧道-环境”复合系统的耦合协调初始值为0.675 8，系统处于初级协调状态，其耦合调控主控要素为隧道断面尺寸、洞渣利用率、洞口植被恢复率、衬砌渗透系数、注浆圈渗透系数、风机功耗，当各要素优化比例分别为12.72%、38.40%、44.06%、71.25%、30.00%、23.56%时，耦合协调最优演化值为0.799 0，达到良好协调状态；所构建的模型能够有效探析“隧道-环境”的协调演化路径，可为优化隧道工程绿色设计、促进山区铁路“隧道-环境”绿色协调发展提供新思路.
针对能源地下连续墙传热特性规律机理的研究不足问题，探讨不同因素对其传热效率的影响.首先，建立三维数值模型，将模拟数据与实测数据进行对比，对模型的准确性进行验证.然后，模拟系统运行90天的过程，采用单因素试验研究支管间距、进水温度、循环水流速、初始地温和土壤导热系数5个因素对能源地下连续墙热交换效率的影响.最后，利用正交试验，比较各因素对能源地下连续墙换热效率的影响程度.研究结果表明：增加支管间距、土壤导热系数，提高进水温度、循环水流速，降低初始地温均可以提高能源地下连续墙的换热率；增加支管间距和循环水流速在系统运行初期对换热率的提高效果优于系统运行后期，而增加土壤导热系数在系统运行后期更有利于提高换热效率；各因素对能源地下连续墙换热效率的影响程度分别为进水温度>初始地温>支管间距>土壤导热系数>循环水流速.
为探究受地表交通荷载微扰动营运综合管廊土建结构位移变形的数量级及其发展变化和规律，以宿迁城市某路网工程软土地下管廊子项目为依托，通过正分析工具Abaqus建立路面（含变化的地面车辆负荷）-地层-管廊-管周物体（如注浆体、回填土、管廊底部垫层）精细化二维有限元模型，针对不同车辆速度v、横向作用位置x和排布对称性τ等条件下的人工机动车车辆激振力对管廊结构本体的变形规律影响作计算模拟与讨论.研究结果表明：当车辆荷载对称分布在道路左、右线（τ为2）时，位于道路中央绿化隔离带正下方的管廊主体结构可产生几毫米的竖直振荡，而出现的结构水平动位移峰值则仅以数十微米计，二者远不属于一个量级；当车辆单线运行（τ为1），即仅在管廊的一侧上方施加车行动载时，管廊沿横向上表现出非一致性沉降变形，造成管廊结构整体向车辆侧发生偏转，且随车载施加区域距管廊结构顶板梁跨中截面距离x的增加，管廊两侧差异位移量变化特征为先增后减小，另外，车载能够引发结构体约1 mm的水平位移；一般地，实际道路无论是单向通车或是双向通车，增加车速v会使管廊结构浅表典型测点或其附近区域的最大垂直位移增大；各特征变量对廊体结构变形性态的影响程度排序为v<x<τ.本文工作在仿真模拟中生产了大量综合管廊变形历史经验数据，可为后期进行深度学习模型训练提供数据参考.
在典型连续梁负弯矩区最不利受力的情况下，针对整体桥面板与键齿胶接缝式桥面板的受力性能差异，研究多因素影响下的键齿胶接缝组合梁的受力情况和受弯承载力，提出考虑钢梁、环氧树脂胶材料、预应力钢筋和键齿形状的键齿胶接缝组合梁受弯承载力表达式.为验证键齿胶接缝组合梁的受力情况和受弯承载力表达式，设计制作了采用可拆卸高强螺栓剪力键和桥面板的钢混凝土组合梁，共计2片组合梁，其中1片采用整体桥面板（N1组合梁），另1片采用节段预制键齿胶接缝式桥面板（N2组合梁）.基于试验平台开展静荷载试验且使用Abaqus软件进行有限元建模分析，研究2片组合梁的混凝土板裂缝发展、荷载位移关系、荷载应变关系、破坏模式等.研究结果表明：在破坏荷载后阶段，N1组合梁出现弯曲破坏，而N2组合梁表现为弯剪破坏，N1、N2组合梁的承载能力分别为675 kN和605 kN，N2组合梁在负弯矩区的极限承载能力降低约11%；N1组合梁曲率为20.5，延性挠度系数为5.57，截面曲率为42.46×10-6，N2组合梁曲率为30.7，延性挠度系数为6.20，截面曲率为98.42×10-6，N2组合梁相比N1组合梁延性提高约10%，截面转动能力提高约130%；N1组合梁开裂荷载较N2组合梁开裂荷载小33%，N1组合梁裂缝分布广泛，间距窄，数量多，N2组合梁的裂缝分布集中在键齿附近，间距宽，数量少；将提出的键齿胶接缝组合梁受弯承载力表达式的计算值分别与试验值和有限元值对比，发现表达式计算值与试验值和有限元值的差距均小于5%，证明了所提出表达式的可行性.
为揭示不同温度荷载下全断面纤维混凝土封闭结构的力学特性，采用有限元软件建立CRTS Ⅲ型板式无砟轨道-全断面纤维混凝土封闭结构仿真分析模型.通过潍烟高铁现场实测数据验证模型的准确性，分析整体温度荷载、温度梯度荷载及温度循环荷载作用对全断面纤维混凝土封闭结构应力应变云图的影响，研究荷载作用对全断面纤维混凝土封闭结构应力沿纵横向分布的变化规律.研究结果表明：温度荷载对高韧性混凝土全断面防水封闭结构有明显的影响；在整体温度荷载作用下，底座板中部对应位置处为温度主影响区域，轨道结构伸缩缝位置为温度敏感区；轨道结构变形为温度梯度荷载作用下全断面纤维混凝土封闭结构受力的主要影响因素；底座板边缘位置对结构层具有侧向剪切作用，在施工过程中，应做好质量控制，减少层间接触损伤的产生；全断面纤维混凝土封闭结构在温度循环荷载作用下存在应变滞后现象，根据形成的滞回圈大小可知，路肩位置和底座板边缘对应位置处结构层易产生疲劳破坏；温度循环荷载下结构层受力和温度梯度随深度和时间时刻变化，温度梯度在结构层0.02 m深度范围内较大，此位置为受力的不利位置.
为进一步提升高韧性修补砂浆在侵蚀环境下的耐久性，研究聚乙烯醇纤维（Polyvinyl Alcohol，PVA）对高韧性修补砂浆力学与耐久性能的影响规律，并分析微观作用机理. 首先，制备掺加0.0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的高韧性修补砂浆试块，标准养护至3 d和28 d，测试其抗压、抗折、黏结强度与收缩性能、抗冻性能；然后，制备不同PVA掺量下的高韧性修补砂浆复合试件，干湿循环56 d后，测试试件的抗压、抗折强度；最后，采用压汞仪和扫描电镜表征砂浆的孔结构和微观形貌. 研究结果表明：随着PVA纤维掺量的增加，砂浆的抗压强度先增大后逐渐稳定，抗折强度与黏结强度逐渐提升，抗冻性先提升后轻微下降； 硫酸盐环境下，PVA纤维的掺入在发挥桥接作用的同时改变了砂浆孔结构，缓解了钙矾石等侵蚀产物在填充孔隙过程中产生的膨胀应力，砂浆抗侵蚀性能提高；当PVA纤维体积掺量为2.0%时，侵蚀产物过度填充而诱导基体产生更多的微裂缝，抗压强度耐蚀系数不再提升.
针对重载货车车轮磨耗演化规律及不同运行里程磨耗车轮型面滚动接触疲劳损伤行为等问题，基于车辆-轨道耦合理论、Kik-Piotrowski轮轨接触算法、Archard车轮磨耗模型、Dang Van滚动接触疲劳损伤准则，在UM软件中建立重载货车动力学模型，研究不同里程下车轮型面磨耗量、滚动接触疲劳损伤演化规律.研究结果表明：在车辆运行里程达到3.5 万km时，1、2位轮对轮缘磨耗量分别为2.04 mm、0.75 mm，1位轮对轮缘磨耗更为严重，1位轮对累积损伤分布范围比2位轮对分布更宽，而2位轮对累积损伤整体要高于1位轮对，处在踏面6~9 mm位置；随着车辆运行里程增加，1位轮对磨耗宽度更宽，处在踏面-35~36 mm位置，1位轮对最大累积损伤接触点由内向外移动，再向车轮根部移动，而2位轮对最大累积损伤接触点由外向内，再向车轮端部移动；1位轮对磨耗量最大，而滚动接触疲劳损伤要小于2位轮对，车轮磨耗量与滚动接触疲劳损伤两者之间互相抑制，促使车轮滚动接触疲劳损伤向车轮端部移动；建议车辆运行前期采用车轮润滑或者钢轨润滑降低车轮轮缘磨耗，而在车辆运行达到3.0 万km后，应重点关注车轮中部踏面5~15 mm位置损伤情况，必要时采用“研磨子”增大车轮磨耗来降低车轮损伤.
针对列车轴箱轴承服役条件恶劣，轴承故障信号易被干扰噪声湮没，提取故障特征存在较大难度等问题，提出一种融合包络熵与峭度的调和均值指标（Harmonic Mean Index，HMI）适应度函数的变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）参数优化方法，并通过等比例试验台轴承故障数据对算法进行验证.首先，为保证综合函数表征的信号周期性与冲击性在同一个量级，引入调和均值参数，将包络熵与峭度调和均值指标作为适应度函数，采用鹈鹕优化算法（Pelican Optimization Algorithm，POA）进行全局最优值搜索；其次，通过HMI-POA算法优化筛选VMD关键参数，确定最优分解层数K和惩罚因子α，代入关键参数值将故障信号分解为K个本征模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF），并根据加权峭度（Weighted Kurtosis，WK）指标确定最佳分量；最后，包络解调最佳分量信号，提取滚动轴承的故障特征成分，采用等比例试验台故障数据验证所提HMI-POA-VMD算法的有效性，并与传统方法比较，以故障特征系数（Fault Feature Coefficient，FFC）为评判依据，验证其优越性.研究结果表明：所提方法具有较高的故障频率提取率，相较于单一适应度函数优化，FFC提升49.1%，相较于传统VMD，FFC提升62.5%，有效提取了更为丰富的故障频率，实现了噪声环境下特征信息的准确获取.
针对长轴承支撑的复杂转子系统，建立一类含非对称非线性弹簧阻尼耦合支撑的双盘转子系统的力学模型.首先，计算润滑油膜力和转定子因碰摩产生的碰摩力等非线性力，并将两端轴承和底座之间等效为非线性的弹性阻尼耦合作用.其次，基于多目标协同、多参数耦合仿真分析，采用变步长四阶 Runge-Kutta 法数值计算，分析一类长轴承双盘转子系统的周期碰摩振动的模式类型、分布区域及分岔特征.最后，揭示系统的动力学特性与模型参数的关联关系.研究结果表明：转子系统随定子刚度比或转速比的增大而表现出典型的非光滑特性，系统的多种周期类型共存现象频发，当定子刚度比、间隙阈值、转速比等多参数耦合变化时，系统的非线性振动特性呈现出复杂性和多样化特征；随着定子偏心比增大，系统发生的最大碰摩力和碰摩占空比值均随之增高；系统的摩擦系数变化对系统的周期振动的模式类型、分布规律、最大碰摩力和碰摩占空比值的影响相对较小；亚谐周期振动、混沌等复杂的周期碰摩振动随系统转速比增大而持续发生.
高铁轨道板裂缝严重危害车辆运行安全，针对目前裂缝维护中存在无效修复裂缝的问题，提出基于YOLOv8-DSC模型的多类裂缝检测方法.首先，在骨干网络引入动态蛇形卷积模块（Dynamic Snake Convolution，DSC），基于此重新构造C2f中的Bottleneck结构，建立为C2f-v1模块，从而替换YOLOv8骨干网络的部分C2f模块，提升无效修复裂缝多尺度细节特征的获取能力；其次，在颈部网络引入CBAM注意力机制，增强模型对关键特征的关注度，强化细小裂缝特征在神经网络中的传递；再次，在损失函数方面，利用SIoU损失函数替换CIoU，削弱几何因素对模型的过度惩罚，减少对模型训练的干预以增加模型对相似裂缝的泛化能力；最后，从网络结构、裂缝数据、分类方法和环境条件4个方面对其进行验证和评价.研究结果表明：YOLOv8-DSC模型相较于YOLOv8原模型，漏检误检情况得到明显改善，平均精度均值及查全率分别提高了4.6%、4.0%，且在不利环境条件下具有良好的鲁棒性和适应性，有效实现了轨道板无效修复裂缝的准确检测.
为提升货运动车组大尺寸货物快速装卸效率和满足节能减排需求，设计一种基于碳纤维复合材料的超大开度车门及自动化开闭装置，以减轻整车重量、降低能耗，适应大开度车门高强度、高刚度、低重量要求.首先，借鉴航空、铁路货运等成熟应用案例进行碳纤维复合材料车门的结构设计.然后，采用HyperWorks商用仿真软件对门体结构设计进行数值模拟研究，通过深入分析纵梁、环梁、蒙皮结构对碳纤维复合材料超大开度门扇刚度、强度的影响，进一步优化门扇的结构设计和材料铺层.最后，设计大型测试工装，加载模拟内外部气压的载荷进行大开度车门的结构测试，验证超大开度车门的力学性能和锁紧性能.研究结果表明：板梁结构采用7根环梁和16个四周锁紧装置结构的一体超大门扇可满足其强度和刚度的设计标准，且工艺具有可操作性，优化效果显著，符合实际技术要求.
现有协作机器人多采用串联刚性结构，与人的共融性较差，限制了机器人的应用场景.为解决协作机器人在柔顺性和环境适应性上的不足，首先，基于人体手臂肌肉柔性并联驱动机理，设计一种6自由度串并混联机械臂SoftArm-6，由臂部3个串联自由度和腕部3个并联自由度组成，采用电机串联弹性驱动器（Series Elastic Actuator，SEA）构成柔性驱动关节，通过建立机械臂的运动学模型，基于机构等效原理实现串并混联机械臂的位姿解耦.其次，基于Kinect人体运动捕捉的在线轨迹示教方法，针对驱动关节中SEA柔性环节带来的位置精度降低、易抖动等问题，设计基于虚位移原理的前馈重力补偿算法.最后，针对SoftArm-6样机设计轨迹跟随、示教抓取等实验.研究结果表明：SoftArm-6在轨迹跟随任务中的偏差小于1.5%，抓取成功率达98%，显著提升了操作精度和环境适应性.该设计为协作机器人在复杂、不确定环境中的应用提供了新的技术支持.
针对工程中对高速磁悬浮列车涡流制动系统（Eddy Current Braking System， ECBS）电磁特性研究不够深入的问题，提出电磁模型并建立制动力与列车运行速度、磁极对数、励磁电流、次级板厚度、励磁线圈匝数、铁芯齿槽结构等参数之间的关系.首先，基于等效电流层法将涡流制动系统分为3个求解区域，并且计算各求解区域内的磁场分布表达式.其次，建立感应电流密度分布模型，计算趋肤效应对次级板材料电导率的影响，并对其进行参数修正.再次，引入次级板材料电导率修正系数，利用各求解区域上的边界条件计算次级板与气隙交界面处的磁通密度表达式.最后，根据麦克斯韦应力张量法推导出制动力表达式，根据磁悬浮列车涡流制动系统的参数搭建三维有限元仿真模型.研究结果表明：在对涡流制动力随速度、励磁电流和次级板厚度3种参数变化情况下的曲线分析可知，解析计算和有限元仿真结果之间的平均相对误差在10%以内，验证了数学解析模型的有效性；制动力随列车运行速度增加，先增大后减小，在速度为50 km/h时出现峰值；制动力随励磁电流、励磁线圈匝数等参数增加而增大；制动力随磁极极距、次级板厚度等参数增加，先增大后趋于平稳；制动力随初级槽深增加先保持平稳，当通过临界点后迅速减小.
针对传统机械式位移传感器价格昂贵、灵敏度易受工作环境影响等问题，将模型参考自适应法（Model Reference Adaptive System， MRAS）应用于电机的径向位移观测中，提出一种新型无轴承开关磁阻电机（Bearingless Switched Reluctance Motors， BSRM）无位移传感器控制策略.首先，基于共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机的数学模型，以绕组电流为状态变量，建立参考模型和可调模型.其次，选取比例积分自适应律，构建电机无位移传感器控制系统，并通过波波夫超稳定性定理证明无位移传感器控制系统的稳定性.最后，在宽转速和受到干扰力的情况下进行仿真和实验研究.研究结果表明：该系统能够在不同转速和受到干扰力的情况下实现电机转子径向位移的实时跟踪和准确估计；将无位移传感器观测方案所得的位移信号反馈至电机的悬浮控制系统，在500、1 000、 1 500 rpm 3种典型转速和受到干扰力的情况下，均能将电机的转子径向位移控制在-0.08~0.08 mm范围内，该系统能够实现电机在没有位移传感器情况下的稳定悬浮.
新能源并网系统稳定性分析通常应用阻抗分析法，需要确定其并网变流器dq阻抗，而传统阻抗测量方法存在测量效率偏低，对测量设备要求较高等问题，为此提出一种基于单相谐波电压注入原理的并网变流器dq阻抗测量方法.首先，分析基于谐波注入的并网变流器dq阻抗测量原理，明确测量dq阻抗需要两组独立的扰动电压和扰动电流.然后，分析单相谐波注入dq阻抗测量原理，结合多个频率点测量时注入频率间的关系，设计单相谐波注入dq阻抗测量方法在测量并网变流器单频率点和多频率点阻抗时的测量步骤.最后，分别对单电流环和电压电流双环控制下的并网变流器进行阻抗测量仿真和实验测量.研究结果表明：与传统三相谐波注入的测量方法相比，单相谐波注入dq阻抗测量方法在保有测量精度的同时，能够降低对谐波注入设备的要求；在多频率点测量时，单相谐波注入方法测量次数少于传统三相谐波注入方法，可以减少测量量，提高测量效率.
