ISSN 1673-0291 CN 11-5258/U
动车组运用计划是高速铁路完成运输任务的关键环节之一，对降低高铁运营成本、提高动车组运用效率具有重要作用，其合理性直接决定了高速铁路运营质量.目前铁路现场编制动车组运用计划高度依赖人工经验，存在运用效率低、编制周期长等问题，如何更高效地利用数学模型和算法提高动车组运用计划编制效率和质量成为学者们持续关注的热点，本文对国内外关于动车组运用计划的研究进行了总结和归纳，首先，界定动车组运用计划的概念，分析动车组交路计划、分配计划和检修计划的区别和联系；其次，从动车组运用条件、交路计划编制的模型及算法、突发情况下动车组运用调整研究3个方面对动车组交路计划研究现状进行梳理；再次，整理阐述动车组分配计划模型构建方法，总结分析动车组高级修计划编制模型与算法研究现状；最后，针对当前动车组交路计划、分配计划和检修计划编制中存在的问题与挑战，对动车组运用问题未来研究方向进行展望.研究结果表明：动车组运用优化研究最初集中于编制交路计划、分配计划，提高动车组运用效率，随着铁路网扩大与动车组保有量的增加，动车组运用调整、高级修计划编制问题成为研究热点.未来研究中可以从运用修与交路计划协同优化、突发事件下列车运行图和交路计划协同调整、高级修送修时间窗口精确预测方法等方向进行改进.
针对动车组（Electric Multiple Units，EMU）日常运用与高级修协调失衡问题，首先，从自动化编制的角度出发，阐明可变编组模式动车组接续过程，探究动车组运用计划与高级修周期的内在关系，并在此基础上，将动车组高级修均衡性及各项费用综合纳入优化目标，同时考虑检修能力、运行图、接续作业等约束条件，建立考虑可变编组和均衡检修的动车组运用检修一体化优化编制模型.然后，将启发式规则加入可行解生成算法中，结合模拟退火算法的寻优策略，设计出用于求解动车组运用计划的算法，以优化模型的求解过程.最后，以武广线部分运行图数据为背景进行算例验证.研究结果表明：可变编组模式比固定编组模式所需动车组数量减少16.9%，一级修检修次数减少18.7%，有效降低了综合运营成本.在考虑均衡检修条件后，动车组运用方案中动车组高级修均衡度上升了65%，有效缓解了实际运营中动车组集中送修，检修基地检修能力不足的问题，提高了动车组运用的组织水平.
针对低碳和降低物流成本的发展目标，开展空铁协同运输分配方案研究.首先，根据旅客出行意愿确定不同运输距离的客运分担率，并计算高铁预留车厢数和客机腹舱数；然后，通过分析单条线路的货物疏运需求，综合考虑运输成本、碳排放和时效性成本构建货流分配双目标优化模型，设计嵌套的稳态遗传算法，寻求模型的帕累托空铁货流分配优化解，并以京昆高铁沿线站点需求为例，设计算例验证模型的合理性；最后，探究不同碳排放税下的货流分配优化方案.研究结果表明：嵌套的稳态遗传算法相比于传统算法求解精度提高了59%，空铁货流分配方案比单一运输方式的成本更低，客机腹舱运输相比于高铁预留车厢更倾向于时效性较高货物的长远距离运输；当碳排放税为0.5~3元/kgCO2时，每单位碳排放税增加0.5元将会带来13万~15万元的隐性成本，同时显性成本会有所降低，当碳排放税为3~4.5元/kgCO2时，虽然碳排放税增加会继续增大隐性成本，但显性成本也会有所上升.研究充分利用了高铁和客机腹舱的剩余运力，以较低成本保证了货物运输效率，在碳排放和运输成本中找到了均衡方案，为加强空铁合作和指导政府部门制定碳排放税收政策提供参考依据.
为探究高铁快速发展对民航运输造成的竞争冲击，进一步优化空铁联运复合交通网络结构稳定性，提出一种考虑竞争效应的空铁联运网络脆弱性评估和修复方法.首先，基于旅客出行需求与运输供给的动态平衡关系，引入空铁竞争效应指标，改进网络脆弱性评估模型；其次，针对不同攻击策略和失效情景，提出修复成本和脆弱性能同时最小化目标的修复模型，采用粒子群算法求解模型；最后，以东航国铁联运网络为案例开展多情景对比分析，得出不同情景下的最优网络修复序列.研究结果表明：空铁竞争效应指标的加入使得各节点脆弱性指数平均提升约2倍，关键节点辨识度和准确性显著增强.通过划分城市节点的网络脆弱等级，主要识别出上海、南京、广州、深圳、厦门等15个重度脆弱城市；蓄意攻击下节点和区域失效方案的修复效果最好，流量分配更加均匀，修复成本平均增加23%，网络性能提升2倍以上.
针对取送车计划执行过程中异常情况发生时，调车指挥人员需在有限的时间内对现有计划做出重新安排的作业情景，对异常情况下树枝形货物作业点取送车计划实时编制问题进行研究.首先，在分析多样化异常情况干扰的基础上，探讨树枝形货物作业点取送车计划实时编制问题的决策标准和作业约束，建立异常情况下树枝形货物作业点取送车计划编制的数学模型.然后，以贪婪插入法产生初始解，随机选择两种方法之一产生邻域解，采用先划分批次再确定作业时刻的方法计算解的适配值，以禁忌搜索算法为主框架对模型进行求解.最后，以某车站计划时段内取送车任务调整为案例进行验证.研究结果表明：以禁忌搜索算法为主框架求解异常情况下树枝形货物作业点取送车计划编制问题是可行的和有效的，平均计算时间约为0.817 s，能满足铁路车站实时调整编制取送车计划的时间和质量要求；与模拟退火算法、遗传算法相比较，禁忌搜索算法在求解时间与计算稳定性方面优于其他两种算法.
针对电动垂直起降飞行器（electric Vertical Take-off and Landing，eVTOL）合乘运营场景下的动态请求匹配问题，对合乘匹配及路径规划进行研究.首先，考虑eVTOL垂直起降机场容量、eVTOL载重、电池能耗等限制，以乘客和eVTOL运营商利益最大化为目标建立基于合乘公平性的动态eVTOL路径规划模型；其次，使用基本插入算法和线性插入算法对问题模型进行求解，并对比分析按照先到先服务和请求优先级将新请求与eVTOL进行匹配的两种处理方式；最后，以T市5个火车站和1个机场作为垂直机场，用其实际地理位置信息进行算例研究.研究结果表明：与基本插入算法相比，线性插入算法的计算时间缩短了60%以上，证明该算法可以有效求解模型；与按照先到先服务处理方式相比，请求优先级处理新请求时乘客的平均支付费用减少了0.87%，运营商合乘收益提升了5.86%，实现了在保障乘客和运营商利益下新请求与eVTOL的较优匹配.所构建的动态路径规划模型为eVTOL共享运营模式提供参考.
针对城际旅客出行决策较少考虑出行链信息和组合出行相关性的问题，调查影响城际旅客组合出行决策的关键因素，构建相应的决策模型.首先，以北京至太原出行场景为研究对象，基于意向调查（Stated Preference，SP）方法，设计包含不同出行链信息的对照情景，分析城际旅客组合出行的特征及其影响因素.其次，为有效刻画离散型变量（出行方式）与连续型变量（出发时间）之间的相关性，运用乘客出行的非集计理论和Sklar定理，构建Copula联合模型.最后，采用梯度下降法进行参数标定，并通过瓦尔德统计量检验参数的显著性水平，从而构建城际旅客组合出行决策模型，应用建立的Copula联合模型，识别出对城际出行方式和出发时间具有显著影响的关键因素.研究结果表明：相较于仅了解部分城市出行信息或未知城市出行信息的旅客，获取完整出行链信息的旅客更倾向于选择高铁出行，且出发时间相对较晚，证实了出行链信息对组合出行决策的显著影响；Copula参数的检验结果验证了出行方式与出发时间之间存在显著相关性；Copula联合模型具有较优的拟合优度和更优的预测精度.
针对混合车型全球定位系统（Global Positioning System，GPS）轨迹数据难以有效支撑精细化交通需求分析建模的问题，构建基于高斯隐马尔可夫模型（Gaussian Hidden Markov Model，Gaussian HMM）的车辆类别研判模型.首先，基于车辆轨迹数据，从时空两个维度提取车辆出行特征指标，对比分析货车与私家车出行差异性，选取车辆车型特征指标.然后，结合鲍姆-韦尔奇（Baum-Welch，BW）算法和维特比（Viterbi）算法训练及测试模型，设计基于出行特征的车辆类别研判模型求解算法.最后，以北京市货车和私家车出行轨迹数据为例，进行了实证研究.研究结果表明：货车与私家车在出行开始时间、出行结束时间、总运行时长、平均停留时长、平均行程时间、出行次数及出行距离7个指标存在明显的差异性；构建的基于Gaussian HMM的车辆类别研判模型对私家车的查准率为83%，货车的查全率为82%，模型的准确率为79%，能够较好地实现车辆类别的研判.研究成果可为精细化碳排放测算、差异化需求管理政策制定及精细化交通管理提供支持.
为探究建成环境与网约车碳排放之间的互动关系，以南京市网约车订单运营数据为基础，从人口数量、土地利用、距市中心距离及房价等方面刻画建成环境指标，建立将出行起终点建成环境因素同时考虑在内的极端梯度提升树模型（Extreme Gradient Boosting， XGBoost），识别影响网约车碳排放的关键因素，揭示二者之间非线性影响与变量交互效应.同时，将模型回归结果与传统的梯度提升决策树模型（Gradient Boosting Decision Tree， GBDT）进行对比，进而验证该模型在拟合回归上的优势.研究结果表明：XGBoost模型拟合效果优于GBDT模型，其决定系数、平均绝对误差、均方根误差分别为0.541、0.364、0.275；网约车出行起终点距市中心距离变量贡献度较大，分别为20.544%和29.127%；起终点距地铁站点距离对网约车碳排放量的反馈机制相反，表明距地铁站点距离对碳排放影响存在非对称性；起终点距市中心距离与网约车碳排放非线性关系均呈现U型分布，在7 km和20 km处具有显著阈值效应；起点距市中心距离与起点道路密度等变量对网约车碳排放存在明显的交互作用.
针对单一反向传播（Back Propagation，BP）神经网络预测基坑开挖变形时泛化性差及容易出现局部最优解的问题，分别采用遗传算法（Genetic Algorithms，GA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）进行优化，并融合注意力机制（Attention）组合成GA-Attention-BP和PSO-Attention-BP神经网络模型.依托南京双子座基坑工程，采用PLAXIS 2D模拟了680组不同工况下围护结构及地表的变形特征，并结合20组南京地区基坑实测监测数据作为数据集，以均方误差（Mean Squared Error，MSE）、平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）和决定系数（R-Square，R 2）作为评价指标，将不同神经网络的预测值和实际监测值进行对比.研究结果表明：GA-Attention-BP和PSO-Attention-BP的MSE分别为3.47和3.22，MAE分别为1.59和1.47，R 2分别为0.93和0.96，较BP和Attention-BP神经网络有较大的性能提升，预测效果较好；基于注意力机制的权重分配结果表明，基坑深度和地下连续墙的宽度对围护结构变形的影响最为显著，其权重系数分别高达1.33和1.17.
为优化城市砂层隧道注浆参数，改善注浆效果，依托实际工程砂层隧道注浆问题，自主研制了室内砂层注浆试验系统，试验设计自变量为注浆压力、土体孔隙率和浆液水灰比，因变量为结石体强度、浆液扩散半径和注浆量，通过试验结果回归拟合自变量与因变量之间的相对关系式，进而采用试验所得的线性回归方程优化现场注浆设计参数，并结合优化后的掌子面开挖与浆脉情况、取芯结石体强度、地表沉降进行效果评价.研究结果表明：经方差分析、回归系数与复相关系数检验，所得自变量与因变量之间的关系方程线性回归性强、回归系数显著；注浆压力对注浆量影响最大、浆液扩散半径次之、结石体强度影响最小，土体孔隙率对注浆量影响最大、结石体强度次之、浆液扩散半径影响最小，浆液水灰比对结石体强度影响最大、注浆量次之、浆液扩散半径影响最小；采用优化后的注浆参数进行现场施工，观察到掌子面开挖过程揭露浆脉较多、浆液扩散均匀，掌子面保持直立且无地下水渗出，取样结石体强度满足要求，地表沉降稳定，表明优化后的注浆效果较好，可有效保证依托工程隧道施工的质量与安全.
铁路隧道口墙体裂缝严重危害轨道列车的运行安全，针对隧道口人工巡检周期长、准确性低等问题，提出一种基于无人机（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）巡检和RFA-YOLOv8模型的铁路隧道口墙体裂缝检测方法.首先，通过UAV巡检获取铁路隧道口高清影像数据，对采集到的图像进行预处理，并对隧道口墙体裂缝进行标注，构建墙体裂缝训练数据集；其次，根据隧道口墙体裂缝特征，改进YOLOv8目标检测模型，引入感受野注意力卷积（Receptive Field Attention Convolution，RFAConv）构建全新的C2f_RFA模块，从而替换主干网络中的C2f模块，提高模型对裂缝所在区域的关注度，使用BiFPN结构替换原有的特征融合网络，提高模型对不同尺度目标的检测效果，使用EIoU损失函数替换CIoU，最小化目标预测框和真实框的高度和宽度差异，提高模型的检准率；最后，通过对比试验、消融试验及检测效果可视化3个方面对RFA-YOLOv8进行验证和评价.研究结果表明：RFA-YOLOv8模型相较于YOLOv8原模型，小裂缝漏检情况得到改善，裂缝检测召回率及平均精度均值分别提高了3.8%、2.5%，能够较好地利用无人机巡检采集的隧道口墙体图像数据，实现对隧道口墙体裂缝的准确检测.
针对当下翻浆冒泥病害识别成本昂贵、周期长和效率低等问题，提出一种基于灰狼优化算法（Grey Wolf Optimization， GWO）与变分模态分解（Variational Mode Decomposition， VMD）相结合的无砟轨道翻浆冒泥病害识别算法.首先，通过对翻浆冒泥病害数量的统计分析，明确无砟轨道翻浆冒泥病害区段长度.其次，基于动检车所测得轨道不平顺数据，比较经验模态分解（Empirical Mode Decomposition， EMD）、小波分解（Wavelet Decomposition， WD）和VMD在无砟轨道翻浆区段不平顺数据分解中效果及麻雀搜索优化算法（Sparrow Search Algorithm， SSA）、人工蜂群优化算法（Artificial Bee Colony， ABC）、鲸鱼优化算法（Whale Optimization Algorithm， WOA）、粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization， PSO）和GWO对于VMD关键参数k和 的自适应选择效果；采用GWO-VMD对测得的轨道不平顺数据进行分解，分析轨道不平顺固有模态分量（Intrinsic Mode Functions， IMF）的特征；将IMF的峭度值作为特征向量，通过计算包络谱熵值的最大似然函数得到病害识别阈值为3.51.最后，通过实例验证GWO-VMD模型的有效性.研究结果表明：利用GWO-VMD分解轨道不平顺数据所得到的每个IMF分量具有不同的频率和幅度特征，对应了不同空间尺度信息；与现场病害资料对比，GWO-VMD识别的结果准确率均达到90%以上，可有效地实现无砟轨道翻浆冒泥病害的定位与检测.研究结果有助于无砟轨道服役状态的精细化管理，为高铁线路“状态修”提供技术支持.
针对高温天气中纵连板式轨道结构内部积聚过大温度应力导致的板间接缝热胀失稳问题，提出纵连板式轨道板间接缝优化方法，建立桥上纵连板式轨道结构热损伤计算模型，分析换填接缝的弹性材料宽度和弹模匹配方案，研究接缝等效弹模对轨道结构温度应力、温度变形、接缝损伤和层间损伤的影响规律，提出接缝等效弹模的合理建议值.研究结果表明：换填接缝的弹性材料宽度相同时，材料弹模越小，轨道结构纵向温度应力释放越大，接缝垂向变形降低量、纵向变形、接缝受压损伤和层间损伤越大；板间接缝等效弹模建议取值为28 400 MPa，对应的换填宽接缝两侧弹性材料总宽度为50 mm，弹性模量为17 324 MPa；相较于原轨道结构的接缝，采用弹性材料换填宽接缝两侧后，纵连板式轨道结构纵向温度应力降低了14.2%，接缝受压损伤和层间损伤分别减少了7.4%和3.2%，接缝垂向变形减少了2.8%.
动车组车体焊缝部位在服役过程中承受着复杂的多轴随机载荷，针对其动态疲劳可靠度评估问题，本文建立一种动态应力⁃强度干涉模型用于精准计算.首先，通过车辆系统动力学模型计算中间车体的垂向及纵向载荷⁃时间历程，采用代理模型方法将车体所受的多轴随机载荷转化为焊缝部位的动态结构应力.其次，通过雨流计数法将其修正转化为车体焊缝部位的等效结构应力范围，应用两参数威布尔分布拟合得到应力概率分布.最后，由铝合金焊接接头应力-寿命（主S-N）曲线导出强度数据，结合基于损伤的强度退化模型及应力概率分布函数和概率密度函数建立动态应力-强度干涉模型，研究车体动态变化的疲劳强度可靠度.研究结果表明：车体关注部位疲劳强度可靠度在运行初期很高，但随着运行里程的增加会逐渐降低，在1 400万km服役里程中，位于车体底架垂向载荷输入位置附近的搭接焊缝疲劳强度可靠度降低最多，达0.116 5；车体各关注点失效率随着运行里程的增加先减小后增加，呈现出浴盆曲线的早期失效期和损耗失效期特征；采用多项式拟合法计算大型车体结构的动态应力是可行且高效的，可为车体运维及安全可靠度评估提供参考.
为降低高速列车转向架区域的气动阻力，提出3种不同结构的导流板设计方案，通过对列车底部的气流进行合理引流，进而实现节能降耗的目的.数值模拟采用基于SST 模型的改进的延迟分离涡方法（Improved Delayed Detached Eddy Simulation，IDDES），对安装不同结构导流板的高速列车气动减阻效果进行对比研究，并分析导流板对列车底部转向架区域流场和尾涡的影响.研究结果表明：安装导流板后，虽然列车车体阻力增大，但转向架自身气动阻力大幅降低；因导流板的引流作用，列车底部空气流速变缓，转向架突出部件受气流冲击程度减弱；转向架区域的正压面积大幅减小，前后压力差变小是转向架自身气动阻力降低的主要原因；当列车以350 km/h速度运行时，与原型车相比，模型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ的整车减阻率分别为8.1%，9.8%和12.1%；受导流板的影响，3种列车模型尾部三维涡旋结构均出现变化，尾车鼻尖附近的湍动能强度也呈现出降低的趋势，说明尾涡对列车的拖拽效果减弱，进而降低了高速列车的气动阻力.
列车运行速度的不断提高对运行安全提出了更高的要求.针对横风作用下时速350 km及以上高速度列车运行带来的安全问题，对列车在横风作用下的运行响应进行深入研究.首先，基于流体力学及车辆动力学理论，分别采用CFD流体力学软件和UM多体动力学软件，建立高速列车气动模型和高速列车动力学模型.其次，通过将气动载荷作为外部激励施加在车体上，实现横风作用下高速列车直线路段行车全过程计算.最后，综合分析稳态风载模式、风速对高速列车行车安全的影响.研究结果表明：横风作用下，车体横向位移、轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率较无风时均显著增大；当风速5 m/s、车速350~400 km/h时，列车各项安全性指标处于较低水平，增长幅值较平稳且在安全限值范围内；当风速≥10 m/s、车速350~420 km/h时车轮挤压钢轨，轮轨横向相互作用明显，迎风侧轮轨发生瞬时分离，尤其是时速400 km/h以上高速列车更为突出.研究结果可为控制横风作用下高速列车行车安全提供重要参考.
针对制动时车轮型面演变和表面硬化对车轮磨耗影响的问题，基于实测的地铁车轮磨耗型面和踏面硬度数据，分别建立车轮-闸瓦有限元模型和含有柔性轮对的车辆系统刚柔耦合动力学模型，分析紧急制动工况下不同车轮磨耗型面对轮轨接触特性、轮轨动态响应、车轮-闸瓦接触应力及制动温升的影响.在考虑不同车轮磨耗型面及硬度的基础上，利用改进的Archard磨耗模型分别计算车轮-钢轨磨耗、车轮-闸瓦磨耗与踏面总磨耗.研究结果表明：随着踏面磨耗程度的增加，车轮-钢轨、车轮-闸瓦接触应力与接触面积发生变化；相较于轮轨垂向力，横向蠕滑力和纵向蠕滑力对型面变化更敏感；车轮-钢轨磨耗主要受车轮-钢轨接触应力影响，而车轮-闸瓦磨耗主要受踏面初始硬度影响；紧急制动时踏面总磨耗以车轮-闸瓦磨耗为主.
