铁道运输

• 站城融合背景下高速铁路综合枢纽短时客流预测研究

  周浪雅;王亦乐;谢余晨;杨静;宫薇薇;

  站城融合背景下，短时客流预测是高铁综合枢纽运营组织、协同管理、应急反应的重要依据。通过分析客流相互影响机理，提出高速铁路综合枢纽铁路系统、周边土地利用与城轨系统间的客流拓扑关系；以枢纽站周边各类兴趣点数量表征土地利用特征，采用岭回归方法推算高速铁路综合枢纽周边土地吸引客流；基于铁路进站客流、枢纽周边土地吸引客流与城轨出站客流间的相互作用关系，提出基于图注意力网络的客流预测模型，同时引入多头注意力机制，自适应获取不同日期不同时段下铁路进站客流和土地吸引客流的权重，实现高速铁路综合枢纽城轨出站客流的精确预测。为验证模型有效性，以北京南高速铁路综合枢纽为例进行分析，结果表明该模型与SVR、LSTM和GCN等预测模型相比，其预测精度显著提升。

  2023年04期 v.45;No.306 1-7页 [查看摘要][在线阅读][下载 1760K]
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• 基于CTCS-3/2级列控系统的高速铁路闭塞分区长度设计研究

  耿敬春;李建新;吕苗苗;倪少权;潘金山;

  根据CTCS-3级和CTCS-2级列控车载设备控车原理，提出高速铁路闭塞分区长度设计原则和约束条件。结合现行列控车载设备参数，当线路长大下坡道不大于24‰时，闭塞分区长度设计满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级300 km/h正常运行。当线路长大下坡道大于24‰时，闭塞分区长度按照满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级降速至250 km/h设计；或将CTCS-3级列控系统结合轨道电路信息定义的闭塞分区平均长度由3 000 m调整为4 400 m,以满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级300 km/h运行要求。

  2023年04期 v.45;No.306 8-15页 [查看摘要][在线阅读][下载 1151K]
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• 基于GA-LSTM网络的铁路枢纽运能瓶颈识别框架研究

  王攸妙;宋瑞;李光晔;薛守强;

  铁路枢纽运能瓶颈是导致车流积压、网络运输效率降低的主要因素之一。在分析运能瓶颈特点及产生机理的基础上，从拥堵强度、拥堵时长和拥堵趋势三个模块总结瓶颈影响因素，进而提炼可获取的数据指标及各指标的重要性标准。基于以上指标，利用遗传算法对长短时记忆网络的超参数进行优化，设计基于GA-LSTM网络的瓶颈识别模型。最后，基于某铁路枢纽的实际数据进行案例分析，对比各项深度学习方法，证明GA-LSTM网络的识别效果更佳；给出模型框架的应用范围：包括实时识别瓶颈情况和模拟不同指标数据的变化情况以提前开展瓶颈疏解工作。

  2023年04期 v.45;No.306 16-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1402K]
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铁道机车车辆、电气化

• 轨道车辆点焊疲劳寿命预测方法对比研究及应用

  周韶泽;宁伟;陈秉智;聂中亚;兆文忠;

  典型轨道车辆不锈钢点焊车体通常有几千甚至几万个焊点，使用数值仿真对其进行建模和准确预测疲劳寿命耗时巨大且非常困难，需对比和优选现有预测方法评估其疲劳寿命。但根据何种测试方法和评价准则来评估现有预测方法的优劣，是点焊抗疲劳设计研究需要解决的问题。提出一种点焊寿命预测仿真优选方法，采用拉剪和剥离两类试样模型和试验数据测试，以幂函数R~2量化“计算应力-疲劳失效次数”离散度和误差因子衡量仿真预测精度，再以不同有限元模型网格尺寸测试各方法的网格不敏感度，单个焊点的构建时间对比建模效率。根据所提方法分别对比名义应力法、RUPP、伞状和简化点焊结构应力法。结果表明，简化结构应力法离散度最小，预测精度、建模效率最高，且具备网格不敏感特性。以近3万个点焊的不锈钢车体仿真验证了该方法的有效性和实用性。

  2023年04期 v.45;No.306 25-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 1860K]
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• 基于迭代融合优化算法和WPHM的牵引电机轴承可靠性评估

  廖爱华;杨俭;齐美义;胡定玉;丁亚琦;

  为了评估列车牵引电机轴承的运行可靠性，提出一种基于反向指数鲸鱼群(OEWOA)与粒子群(PSO)迭代融合的优化算法和威布尔比例故障率模型(WPHM)的评估方法。提取振动信号的时域、频域特征指标，利用主成分分析法(PCA)进行特征信息的融合，将融合后的特征指标作为WPHM的响应协变量进行可靠性评估。针对模型中多个参数直接求解困难的问题，利用反向学习策略(OBL)和指数收敛因子提高鲸鱼算法(WOA)的搜索能力，迭代融合PSO算法良好的收敛能力；通过OEWOA的探索指导PSO的迭代，避免PSO陷入局部最优，从而彻底探索搜索空间，同时使用PSO限制OEWOA的搜索，以便更快地将解收敛到全局最优值。应用该优化算法对WPHM中多个参数进行求解，实现牵引电机轴承运行可靠性的评估。结果表明，该方法与PSO、WOA等优化算法比较，具有更快的收敛速度和寻优能力。

  2023年04期 v.45;No.306 32-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 1514K]
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• 高速动车组分布式全局快速终端滑模控制策略

  李中奇;唐博伟;杨辉;黄琳静;

  速度跟踪控制是高速动车组自动驾驶的关键技术之一。通过分析列车运行过程的动力学关系，将车钩系统描述为弹簧-阻尼器系统，并考虑列车受到的附加阻力，以及由于列车车钩形变产生的列车长度变化等，建立高速动车组纵向多质点动力学模型。在此模型基础上，设计分布式全局快速滑模控制器，此策略连续的控制率消除了传统滑模控制的抖振问题，控制器考虑动车与拖车的不同动力分配和牵引电机的输出功率上限，分别对动车与拖车的控制力进行不同的饱和限制。基于李雅普诺夫稳定性原理，证明了提出的控制算法的收敛与稳定。仿真结果表明，此高速动车组多质点模型能较为准确地反映列车运行中车钩的状态与受到的附加阻力，基于该模型的带有输出限制的分布式全局快速终端滑模控制器，使车钩纵向冲动更小，速度跟踪性能更优。

  2023年04期 v.45;No.306 41-50页 [查看摘要][在线阅读][下载 2532K]
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铁道通信信号、信息化

• 面向新型列控系统的电子轨道地图数据约简方法研究

  陆德彪;王子琪;王剑;蔡伯根;丁珣;

  电子轨道地图是新型列控系统基于卫星导航的列车定位的重要参考源。为满足地图精度高、存储量低的要求，针对轨道线路数据约简方法开展研究。在面向直线表达的线路数据方面，对道格拉斯普克算法和基于线路数据航向角特征约束的约简2种算法的差异性进行比较；在此基础上面向线路数据的直线和曲线混合表达，提出一种基于Clothoid曲线的约简算法。利用曲线DP算法和垂直投影误差要求，得到Clothoid曲线片段，实现轨道圆曲线和直线的分段，提高线路数据的约简率，保障生成地图的精度。为验证提出方法的有效性，选取京沈高铁北票东—阜新北的线路数据进行分析，实验结果表明，基于Clothoid曲线拟合生成的轨道段满足0.5 m垂距精度和0.2 m测量精度，约简率达99.5%,证明提出的方法能够满足新型列控系统电子轨道地图数据约简的要求。

  2023年04期 v.45;No.306 51-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 2654K]
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• 基于CB-CNN与分割残差优化的列控系统网络攻击流量检测

  麻文刚;郭进;马亮;张亚东;禹倩;

  复杂环境中的列控系统容易遭到各类网络流量攻击，现有的攻击流量检测方法往往特征选择差、稳定性较弱，导致检测精度较低。为此，提出一种通道增强卷积神经网络与分割残差优化的攻击流量检测方法。首先通过降噪式自动编码器对正常流量进行建模，同时使用无监督训练将原始特征空间转换为重构特征空间；然后利用通道增强使相关误差向量转化为分类器的多通道输入变量；最后为增加神经网络的特征表示多样性，设计一种多路径的分割残差网络来优化CB-CNN,通过学习不同维度级别的流量特征来优化分类。实验结果表明：所提方法具有较好的训练性能，NSL-KDD数据集与真实铁路安全网络中获得的平均精确率分别为94.573%与96.78%。在误报率较低的同时均具有较好的分类可视化效果。综合对比其他检测方法，提出方法检测实时性较好，能够适用于复杂场景的列控系统网络攻击检测，在噪声存在时具有较好的鲁棒性。

  2023年04期 v.45;No.306 62-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 4712K]
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• 面向轨道缺陷检测的联邦学习轻量化模型训练技术研究

  任中伟;方维维;许文元;李中睿;胡一寒;

  轨道缺陷检测对列车的安全运行意义重大，传统依赖专业人员现场人工识别的方法存在效率低下、人力成本较高等诸多问题。但传统集中式训练方法要求共享参与方的私有数据，又带来隐私泄露、流量通信压力等问题，因此基于深度学习的检测方法应运而生。近年来提出的联邦学习方法是一种分布式机器学习训练策略，通过聚合多个联邦成员本地训练的参数更新，无需共享私有数据，即可有效建立全局模型。然而，在铁路等工业场景中使用的物联网边缘设备，其计算和网络资源难以承受复杂深度模型带来的计算和通信开销。因此，提出一种轻量级边缘联邦学习算法，通过对网络模型进行通道剪枝与权值量化，降低计算、存储和通信开销，加速边缘设备上进行的联邦学习过程，最终得到精度损失在一定的可接受范围内的全局模型。通过构建轨道缺陷检测数据集，并选取ResNet-18作为目标模型，进行实验验证。结果表明，与不进行剪枝量化的原始联邦学习模型效果相比，在数据集所包含的各类缺陷上达到最高93.49%的平均鉴别准确率，同时模型大小可压缩至10.75倍，全局加速2.33倍，验证了本方法的有效性。

  2023年04期 v.45;No.306 77-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 1517K]
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铁道工程、工程管理

• 基于热力耦合的桥隧过渡段无砟轨道温度效应分析

  陈泽林;蔡小培;赵磊;董博;张乾;

  为研究高温环境下高速铁路桥隧过渡段无砟轨道的温度分布和受力与变形特征，基于赣深高速铁路桥隧过渡段无砟轨道温度测试，提出无砟轨道纵向温度分布荷载模式，建立桥隧过渡段无砟轨道热力耦合模型，通过实测数据验证了模型有效性。在此基础上，分析过渡段无砟轨道的温度场分布及其内部力与位移传递规律。结果表明：高温环境下，从隧道外到隧道内，无砟轨道温度变化幅值不断减小，在距隧道口超过44 m后，温度基本稳定；实测无砟轨道表面温度沿纵向变化幅值为27.12℃,在14:00达到纵向最大温度变化率5.17℃/m;采用分段函数对桥隧过渡段纵向温度分布进行拟合，在无砟轨道纵向温度变化率最大区段，轨道板纵向应力达到1.41 MPa,轨道最大垂向位移1.50 mm。

  2023年04期 v.45;No.306 84-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 3144K]
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• 面向复杂轨形的钢轨断面轮廓实时识别方法

  马子骥;沈伦旺;蒋志文;袁琪;王鑫伟;

  钢轨断面轮廓检测装备能够测量钢轨的磨耗情况，为铁路维修保养提供重要参考。能否及时准确地从普通轨道、道岔、接头等复杂路况条件下识别出有效钢轨廓形制约了检测装备的实际应用性能。通过对二维线激光采样数据的统计分析，实现对有效廓形和异常廓形的分类识别。首先，对比线路中不同区域的钢轨轮廓形态，选择轨头与轨腰的间断性和轨头与轨腰的形态相关性作为有效轮廓的识别依据。其次，利用不同路况条件下的钢轨轮廓点云数据分布情况，实现对原始数据中难以评估磨耗程度的异常轮廓数据进行识别分类。现场实验测试结果表明，该方法识别出的有效轮廓分布和实际路况基本一致，在行车测试速度8.3 km/h的条件下，单个轮廓平均识别时间为9.78 ms,识别准确率达到97%以上。

  2023年04期 v.45;No.306 92-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 3365K]
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• 基于有限元法的钢轨硌伤模拟及其应力状态研究

  罗易飞;周韶博;赵鑫;周志军;范伟;温泽峰;

  为研究诱发局部滚动接触疲劳的钢轨硌伤现象，需精确模拟其应力应变场。基于显式有限元法建立钢轨动态硌伤有限元时域分析模型，考虑车轮滚滑、真实接触几何、率相关弹塑性本构等因素，轮-轨-异物间瞬态接触采用基于罚函数的“面-面”接触算法求解。针对摩擦系数为0.3,车轮运行速度为300 km/h,直径4 mm的刚性球形异物造成的硌伤进行模拟。结果表明：模型能捕捉到异物在硌伤过程中的复杂空间运动轨迹，以及连续体振动造成的应力波动；硌伤几何、残余应力、应变场具有明显的空间非对称性；车速从100 km/h增加至350 km/h,硌伤坑变浅，表层残余应力、等效塑性应变在200 km/h时出现极值；摩擦系数由0.5降至0.1,硌伤截面形状、残余应力应变非对称化加剧。

  2023年04期 v.45;No.306 102-110页 [查看摘要][在线阅读][下载 3744K]
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• 基于卷积神经网络的钢轨螺孔裂纹识别算法研究

  杨崎;李立波;吴先梅;杨培俊;

  钢轨由于长时间负载会出现各种伤损，对铁路运输安全造成威胁。螺孔裂纹是钢轨接头处的主要伤损，如果不及时发现很容易造成安全事故。已有钢轨伤损检测方法是使用超声波检测，人工回放检测数据进行伤损判别，该方法效率较低。基于机器学习的伤损判别方法提高了钢轨伤损判别效率，但准确率不高。因此，针对该类钢轨伤损，利用卷积神经网络(CNN)与多层感知机(MLP)结合的模型，将螺孔超声波B扫图像作为识别对象，识别钢轨螺孔是否存在裂纹，提升螺孔裂纹的判别效率和准确率。经过数据集训练，在测试集上该模型的识别准确率达96.25%,在测试数据集以外的图像上进行应用，取得了很好的识别效果，证明该模型在钢轨螺孔裂纹识别问题上的可行性和模型的实用性。

  2023年04期 v.45;No.306 111-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 1923K]
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• CRTSⅡ型轨道板-CA砂浆界面离缝高度可靠度分析

  王军;卢朝辉;赵衍刚;

  轨道板与CA砂浆层间离缝损伤是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要损伤形式之一。通过分析轨道板与CA砂浆离缝产生机理，提出温度作用下轨道板与CA砂浆层间离缝高度功能函数；基于轨道板与CA砂浆层间内聚力模型，建立CRTSⅡ型板式无砟轨道多层结构体系层间离缝高度计算有限元模型；将一维减维点估计与有限元方法结合求解功能函数的前四阶矩，并基于高阶矩法计算可靠度指标；在不同离缝损伤形式下，分析温度梯度对离缝高度可靠度指标的影响规律。研究结果表明：整体升温时，轨道板中心离缝高度可靠度指标随正温度梯度增加而减小；整体降温时，轨道板板角离缝高度可靠度指标随负温度梯度增加而减小；在极端温度条件下轨道板与CA砂浆层离缝高度超限的概率较大，建议加强CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的养护维修。

  2023年04期 v.45;No.306 117-126页 [查看摘要][在线阅读][下载 1567K]
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• 更高速度条件下高速铁路路基动力响应及长期动力稳定性研究

  刘振宇;赵有明;李泰灃;王李阳;张新冈;张千里;

  高速铁路路基结构设计合理，可避免长期列车动力作用导致的路基累积变形，以确保行车安全。为提出更高速度条件下满足长期动力稳定性要求的高速铁路路基结构，本文建立高速铁路轨道-路基有限元动力分析模型，分析列车以更高速度运行条件下不同基床结构的路基动力响应，对该动荷载条件下满足路基长期动力稳定性的基床厚度进行设计。计算结果表明，动应力、动变形不是限制基床厚度的主要控制条件；为满足长期动力稳定性要求，基床厚度设计应以基床底层顶面动剪应变和累积附加沉降量作为设计指标，基床表层厚度不应小于0.4 m,基床底层厚度不应小于2.3 m。本文系统分析了不同基床结构的路基动力响应和长期动力稳定性，所得成果可对高速铁路路基基床结构设计提供理论支撑。

  2023年04期 v.45;No.306 127-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 3479K]
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• 筋箍碎石桩承载机制的三维离散-连续介质耦合数值模拟

  谭鑫;尹心;胡政博;裘钊辉;陈昌富;

  筋箍碎石桩的承载机制由于涉及碎石-土工格栅-土体之间的相互作用而十分复杂。基于三维离散-连续介质耦合计算模式提出一种筋箍碎石桩的数值建模方法。该方法基于离散单元法建立考虑碎石颗粒真实几何形态的桩体模型，采用弹性膜单元模拟双向拉伸土工格栅。通过对比室内模型试验获得的筋箍碎石桩荷载-沉降曲线及桩体变形特征验证该方法的正确性。采用该方法模拟不同包裹长度下筋箍碎石桩单桩承载变形直至破坏失效的全过程，并结合数值模拟揭示的土体、筋材受力变形结果以及碎石桩颗粒力链网络结构，从细观尺度讨论碎石-土工格栅-土体的相互作用规律，从而揭示筋箍碎石桩的承载机理和破坏特征。建立的离散-连续介质耦合数值既克服了连续介质数值模型难以准确反映碎石集料与筋材土体细观相互作用的缺点，又较离散单元法数值模型在参数标定和计算效率上具有优势，能够为筋箍碎石桩复合地基的承载变形规律等相关研究提供一种数值模拟思路。

  2023年04期 v.45;No.306 139-147页 [查看摘要][在线阅读][下载 3728K]
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• 交通荷载作用下考虑累积塑性应变的饱和软黏土应变软化特性研究

  孙苗苗;虞健刚;何绍衡;叶科;刘旻;

  长期往复交通荷载将引起显著的路基沉降，而现有路基长期运营沉降分析多数建立在循环三轴试验基础上，忽视了交通荷载下土体单元主应力轴的偏转效应。通过对杭州原状软黏土进行应力控制的空心扭剪试验，研究循环应力比CSR、偏应力固结比K_0、振动频率f的变化与软化指数、累积塑性应变的关系。研究表明：对于各向同性固结软黏土，初始累积塑性应变为负应变，并随着振动次数的增加而逐渐增大(负应变),而K_0固结的初始累积应变为正应变；K_0和振动频率的减小增大了土样的初始累积塑性应变，加快土样破坏速度。在试验结果的基础上，确定软化指数与振次的对数关系表达式，引入累积塑性应变影响因子ζ,建立原状软黏土累积塑性应变模型，为预测和计算地基土层的长期沉降变形提供理论依据。

  2023年04期 v.45;No.306 148-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 2033K]
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• 基于虚拟激励法对高速铁路桥梁垂向共振响应的研究

  吴兆智;张楠;杨庆山;

  轨道不平顺是常见的作用在列车-桥耦合系统的随机激励，其与列车移动轴重效应的确定性激励共同作用，使桥梁共振时的响应具有随机性。为克服单一轨道不平顺空间域样本给计算结果带来的不确定性和多样本计算的低效性，本文采用虚拟激励随机振动分析方法，构建二维车桥耦合系统空间状态方程，考虑轨道不平顺随机激励和确定性轴重激励，在列车以不同速度匀速行驶条件下，借助精细积分法通过全过程迭代过程对该状态方程进行精确高效求解，与传统的蒙特卡罗抽样下的纽马克贝塔法求解结果对比，并确定响应的概率分布模型。分析桥梁发生垂向共振时的时频响应，最终给列车安全过桥提出建议。

  2023年04期 v.45;No.306 157-165页 [查看摘要][在线阅读][下载 2135K]
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• 锈蚀钢筋混凝土柱残余承载力研究

  陈华鹏;江钰;刘昌雨;

  沿海及周边地区的钢筋混凝土结构往往因钢筋锈蚀而导致混凝土结构发生开裂破坏、结构承载力降低，严重威胁钢筋混凝土结构的可靠性和安全性。针对氯盐环境中处于服役状态下的钢筋混凝土柱结构的力学性能退化规律进行研究，通过分析钢筋锈蚀引起的材料损伤机理，构建对应的钢筋与混凝土材料退化模型以及构件强度退化模型，计算锈蚀钢筋混凝土柱的残余承载力，并获得锈蚀柱的弯矩-轴力相互作用曲线。计算结果表明，锈蚀钢筋混凝土柱的承载力随锈蚀程度的上升而显著下降，对于大偏心受压情况，当锈蚀程度为6%～10%时，构件的承载力由于钢筋与混凝土界面的黏结强度损失而大幅降低，对于小偏心受压及轴压情况，当锈蚀程度接近5%时，构件的承载力由于受压区混凝土截面的几何损失、钢筋屈服强度降低与横截面面积减小而明显降低。

  2023年04期 v.45;No.306 166-174页 [查看摘要][在线阅读][下载 1535K]
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