2021年, 第34卷, 第12期 刊出日期:2021-12-20
  

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  • 中国公路学报. 2021, 34(12): 0-0.
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  • 中国公路学报. 2021, 34(12): 0-0.
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  • 中国公路学报. 2021, 34(12): 0-0.
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    近年来,我国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就。港珠澳大桥、沪苏通长江大桥、五峰山长江大桥等代表性桥梁的建成,以及深中通道跨海大桥、常泰长江大桥、张靖皋长江大桥的开工建设,标志着我国桥梁设计理论、建造技术及建桥装备已达到了国际领先水平。与此同时,随着桥梁服役年限的增长,服役环境的恶化,提高桥梁的安全性、耐久性和防灾能力,延长服役寿命,成为当前世界范围内的研究热点。
    桥梁服役期性能的监测和检测,是对桥梁进行科学评估和养护决策的重要依据。自20世纪90年代以来,我国陆续在江阴长江大桥、润扬长江大桥等一批大型控制性工程上建立了不同规模的健康监测系统。进入21世纪后,桥梁健康监测系统规模迅速扩大,2017年竣工的港珠澳大桥,更是建立了近年来规模最大的桥梁健康监测系统。与此同时,桥梁智能检测技术不断进步,图像技术、激光技术、光纤传感技术、GNNS技术、超声技术、热成像技术、声发射技术、电磁传感及雷达等技术在桥梁与结构的无损检测领域取得了长足的发展,极大推动了桥梁外部损伤、内部缺陷、力学参数、几何状态等内容和指标高精度测量技术的进步,在桥梁的指标检测、状态监测领域得到了广泛应用。这些智能检测与监测技术的发展与进步为桥梁性能评价、损伤诊断、可靠性分析、承载力评价、剩余寿命评估、桥梁养护决策等提供了重要方法和手段。
    近年来,随着信息化技术与传统桥梁评价技术的深度融合,在人工智能技术、大数据应用背景下,众多学者和科研人员对桥梁健康监测与安全评估、桥梁智能检测方向开展了大量卓有成效的工作,取得了丰硕的研究成果,为我国桥梁监测与检测技术进步提供了重要的理论和技术支撑。为了及时总结我国在桥梁结构健康监测与智能检测应用研究领域的最新进展和成果,引领该研究领域的发展方向,推动理论与应用技术创新,《中国公路学报》编辑部邀请长安大学赵煜教授、浙江大学汪劲丰教授、广州大学刘爱荣教授、重庆交通大学周建庭教授、长安大学王凌波副教授和王晓明副教授作为组稿负责人,共同向该领域知名专家、学者约稿,出版本期“桥梁结构健康监测与智能检测”专栏,回顾、总结和推广我国桥梁结构健康监测与智能检测研究领域的最新成果,展望该方向的发展趋势。本专栏共收到本领域应用相关理论、技术、方法的研究论文及综述论文63篇,最终录用11篇。研究内容集中于以下几个方面:
    (1)综述。总结了桥梁健康监测与智能检测技术的最新研究成果和进展,指出了该领域的发展趋势。主要内容包括:多源融合智能检测技术与评价方法、基于图像技术的结构损伤识别技术与装备开发、桥梁健康监测的损伤监测算法、健康监测数据分析与处理、桥梁结构安全预警、数字孪生技术在健康监测中的应用等。
    (2)桥梁服役性能智能仿真技术研究。主要内容包括:桥梁健康监测中的模型修正技术、桥梁施工控制过程的重要参数敏感性分析等。
    (3)桥梁结构智能检测技术及装备开发。主要内容包括:混凝土桥梁表面裂缝的智能识别、混凝土桥梁钢筋应力无损检测方法、基于数字图像的桥梁荷载动态识别方法等。
    (4)桥梁损伤识别与安全评价方法研究。主要内容包括:桥梁性能衰退机理及损伤行为、动力损伤识别理论和方法等。
    桥梁结构健康监测与智能检测领域的创新理论及应用技术研究,将为我国桥梁服役性能评估和提升、保证桥梁运营安全提供重要支撑。《中国公路学报》将继续关注该领域的国内外最新研究进展,更好地为学界和工程界专业人员提供学习和交流的平台,促进我国交通基础设施建设的高质量快速发展。
  • 中国公路学报. 2021, 34(12): 0-0.
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    交通运输部印发的《推进综合交通运输大数据发展行动纲要(2020~2025年)》明确指出,要推进综合交通运输大数据发展,构建综合性大数据分析技术模型,有效支撑综合交通运输决策管理与服务。大数据基于人工智能算法与统计方法,提供了一种全面、连续观察交通现象的手段,能够为交通分析技术体系带来变革。传统交通模型是交通定量分析的重要工具,基于严格的数学与物理理论,探究人、车、物的宏微观移动规律,模拟交通特征,进而解析和预测交通现象。一方面,传统交通模型依赖交通大数据作为输入,提升模型输出的准确性;另一方面,交通大数据方法依赖传统交通模型刻画交通现象的内在机理。如何有效利用交通大数据,改进既有交通模型,建立新型交通理论与方法一直是学术界和产业界所关注的热点问题。
    在此背景下,众多学者和科研人员开展了大量卓有成效的工作,取得了丰富的研究成果。为及时总结交通数据科学研究领域的最新进展和成果,引领该研究领域的发展方向,推动交通研究理论与实践的有机融合,《中国公路学报》编辑部邀请同济大学王雪松教授(本刊副主编)、北京航空航天大学马晓磊教授(本刊青年编委)作为组稿负责人,华盛顿大学王印海教授、密歇根大学叶杰平教授为组稿咨询专家,浙江大学陈喜群研究员、长安大学段宗涛教授、北京交通大学康柳江教授、东南大学刘志远教授、中南大学王璞教授、西南交通大学杨飞教授、同济大学叶建红副教授、同济大学余荣杰副教授、南京理工大学张伟斌教授、重庆市交通规划研究院周涛教授级高工为组稿专家,共同向该领域知名专家、学者约稿,出版本期“大数据环境下的新型交通理论、方法与实践”专栏,回顾、总结和推广我国交通数据科学领域的最新成果,展望该方向的发展趋势。本专栏共收到交通大数据相关理论、技术、方法及综述等论文55篇,最终录用11篇。研究内容集中于以下几个方面:
    (1)综述。总结了国内外大数据环境下出行行为领域的最新研究成果和进展,并指出了该方向的发展趋势。主要内容包括:大数据背景下的路径选择行为建模、基于交通大数据的移动模式分析等。
    (2)交通状态感知与预测研究。主要内容包括:融合路段传输模型与深度学习的城市路网短时交通流状态预测、基于交通因子状态网络的城市交叉口交通流预测、考虑交通事件影响的城市道路行程时间预测、基于有向图卷积神经网络的交通预测与拥堵管控、基于地空信息融合的无人机交通状态感知方法研究等。
    (3)交通需求辨识与解析研究。主要内容包括:基于手机GPS定位数据的交通方式换乘点识别方法研究、基于共享电动自行车轨迹数据的逆行风险行为影响因素研究、基于多源数据的夜间出行需求空间效应及影响路径分析等。
    (4)货运交通运输量估计研究。主要内容包括:自动化公路货物运输量统计方法。
    大数据环境下的新型交通理论、方法与实践研究,将有效推动大数据与综合交通运输深度融合,为加快建设交通强国提供有力支撑。《中国公路学报》将继续关注该领域的国内外最新研究进展,更好地为学界和工程界专业人员提供学习和交流的平台,促进我国交通数据科学领域的高质量快速发展。
  • 院士专栏
  • 李克强, 古谚谌, 王永胜, 齐蕴龙, 卜德旭, 罗禹贡
    中国公路学报. 2021, 34(12): 1-11. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.001
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    目前预定义几何集方法主要用于平行车位和垂直车位2种类型的泊车路径规划,对于未涵盖的停车位种类而言则存在无法规划泊车路径的问题,使得自主泊车系统对于能够泊入的车位种类存在局限性。为了设计斜列式泊车方式用以提高自主泊车系统中车位种类的覆盖率,提出一种基于预定义几何集的斜列式泊车路径规划方法。首先,提出了斜列式C字形泊车路径规划方法,利用几何学设计一种圆弧相切斜线的路径,并通过多项式建模表征任意角度停车位下的斜列式C字形泊车路径;其次,通过分析泊车路径与停车位中可能发生碰撞的关键点之间的距离,构建了泊车路径碰撞约束模型,以此分析不同规格停车位下约束条件的参数,从而获得规划路径安全区域;然后,结合拓扑地图信息与斜列式C字形泊车路径规划的碰撞约束模型,获得合适的泊车路径起始点范围,继而生成与全局路径无缝衔接的安全泊车路径;最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证此方法的有效性,并通过实车试验证明实用性。结果表明:所提方法针对任意规格的斜列式停车位,均能有效地规划出无碰撞条件下的斜列式泊车路径;同时,车辆能够良好地跟踪所规划的路径,实现精准泊入停车位,证明所提方法能够提高自主泊车系统中停车位种类的覆盖率,并大幅度提高自主泊车系统的实用性。
  • 桥梁结构健康监测与智能检测专栏
  • 贺拴海, 王安华, 朱钊, 赵煜
    中国公路学报. 2021, 34(12): 12-24. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.002
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    为促进公路桥梁智能检测技术的发展,系统梳理了桥梁智能检测装备、智能检测方法、智能损伤识别算法、智能安全评价及养护决策的发展现状与趋势。综合分析表明:随着桥梁智能检测技术的发展,针对桥梁检测环境和构件特点,出现了包括无人机、移动机器人、环形爬升机器人、多功能检测机器人、爬索机器人、水下机器人、声呐探测装置等多种类型的智能检测装备。智能检测装备大多采用搭载的图像采集装置进行病害信息收集,其避障及抗环境干扰能力和图像采集精度是设备性能表征的关键;在智能检测方法领域,图像采集技术、激光点云扫描技术、全息摄影技术发展日趋成熟,探地雷达、干涉合成孔径雷达及声呐探测技术可作为桥梁基础及冲刷深度检测的有效手段;但以光纤传感、热成像技术、声发射技术、超声波检测、电磁传感为特征的桥梁检测新技术,其抗环境干扰的能力还有待提升,需要进一步的工程验证。随着桥梁智能装备能力的提升、智能检测技术的发展,不同类型海量数据的涌现,传统的从病害、构件、部件到结构的分层综合安全评价算法已不能适应,采用数字孪生技术进行结构状况的实时再现与评价,以多源数据融合技术进行区域级、路网级桥梁服役性能及抗灾韧性评价是桥梁智能检测与安全评估的主要发展方向。
  • 王凌波, 王秋玲, 朱钊, 赵煜
    中国公路学报. 2021, 34(12): 25-45. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.003
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    为进一步推进桥梁健康监测技术的发展,保障桥梁运营安全,依据近20年国内外桥梁健康监测(BHM)领域的学术研究现状,总结了BHM在系统及适用性、结构损伤监测算法、监测数据预处理、损伤结构安全预警及数字孪生技术方面取得的最新进展,确定BHM技术目前的研究热点和未来的发展方向。综合分析表明:在BHM系统及适用性方面,研究结构响应参数与健康指标的关联机制,研发长寿命非接触自动采集的智能传感装置,建立针对多源数据采集、传输、存储、分析、评价、预警于一体的自动化、网络化、智能化综合系统是重点研发方向;在结构损伤监测算法方面,设置针对异质场景的不同人工神经网络及修正方法选择建议集,针对多源信息流构建基于数据驱动与模型修正实时交互的多层级耦合智能算法是主要研究热点;在监测数据预处理方面,进一步研发基于深度学习的多源异构数据融合方法,建立复杂环境影响下的损伤结构动态信号提取算法,实现结构监测数据的精准分离是未来研究的热点;在损伤结构安全预警方面,研究重心集中于预警指标和预警体系的建立以及基于可靠度理论与监测数据的常规损伤安全评估,以结构监测数据反映总体力学行为并结合局部损伤的智能检测信息进行服役性能评价是未来的主要发展方向;数字孪生技术在BHM中尚属起步,将数字孪生技术融入多层级复合算法,建立结构多源异构大数据智能融合机制,形成数字联通、实时互动的智能化桥梁运维监测体系是重要发展方向。
  • 周建庭, 龚娅, 赵瑞强, 屈英豪, 童凯, 陈悦
    中国公路学报. 2021, 34(12): 46-56. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.004
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    为了给桥梁结构的健康检测提供参考,将金属磁记忆检测技术引入到钢筋混凝土(RC)梁内部钢筋的应力检测当中,进行了钢筋混凝土T形截面梁四点弯曲加载应力自漏磁信号检测试验。利用基于金属磁记忆的三维扫描检测装置采集了试件在不同荷载下的自漏磁信号,并对不同提离高度和多条扫描路径下的磁信号进行分析,得到了钢筋混凝土T形截面梁在不同应力状态下的空间信号规律,提出了利用“法向漏磁场方均根值”来定量计算RC梁纯弯段处钢筋应力的方法。研究结果表明:在钢筋混凝土T形截面梁纯弯段内,钢筋内部应力与“法向漏磁场方均根值”呈线性关系,且函数的拟合优度R2达到0.988 4,拟合值与实测值之间误差微小;随着提离高度的增加,钢筋混凝土T形截面梁在不同荷载下的自漏磁信号曲线逐渐上移,自漏磁信号的分布规律没有显著变化,“法向漏磁场方均根值”与RC梁内部钢筋的应力在纯弯段内仍满足线性关系,试件在不同提离高度下的R2达到0.965;随着扫描路径的改变,钢筋混凝土T形截面梁在不同荷载下的自漏磁信号曲线呈现出相似的规律,且“法向漏磁场方均根值”与RC梁内部钢筋的应力在多条扫描路径上均满足线性变化的关系,在各条扫描路径下R2的平均值为0.959。所提方法可为RC梁内部钢筋应力的无损检测提供新的思路与参考。
  • 梁鹏, 赵云鹏, 邬刚柔, 叶春生, 王树东, 李洪宇, 王康迪
    中国公路学报. 2021, 34(12): 57-67. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.005
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    为了提高桥梁结构有限元模型修正的效率和效果,提出基于加权Kendall相关系数和序贯代理模型的有限元模型修正方法。首先,建立基于目标响应误差和待修正设计参数灵敏度的加权Kendall相关系数指标,并采用凝聚层次聚类算法,合理确定待修正设计参数的数量和位置,保证待修正设计参数对目标响应具有合适的解耦能力;其次,为解决传统一次性代理模型法在构造代理模型过程中产生的欠采样或者过采样的问题,采用基于FLOLA-Voronoi通用序贯设计策略的序贯代理模型法,提高构造代理模型过程中试验设计样本的利用率和模型修正效率;最后,根据一座斜拉桥的静动力荷载试验数据进行有限元模型修正。结果表明:基于FLOLA-Voronoi算法的序贯代理模型能够合理地确定构造代理模型所需的样本数量和位置,使得在相同样本数量的情况下,序贯代理模型比一次性代理模型具有稍好的精度指标;采用加权Kendall相关系数指标的聚类方法可以得到具有合适解耦能力的待修正设计参数,使得修正前大误差目标响应的误差显著下降,小误差目标响应的误差基本都处于合理范围内,有效地降低了目标响应的整体误差;同时,有限元理论静动力响应与实测静动力响应的平均误差分别由5.56%、8.43%降低至1.87%、3.41%,并且相较于常规方法,修正精度更好,所提方法可以用于桥梁结构有限元模型修正,可得到准确的桥梁结构数值模型。
  • 单德山, 董皓, 顾晓宇
    中国公路学报. 2021, 34(12): 68-79. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.006
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    为掌握大跨度斜拉桥结构参数变异对结构状态的影响规律,确保斜拉桥的施工安全和工程质量,针对该类型桥梁施工控制参数敏感性分析的实际需求,考虑不同结构参数和不同结构部位相同结构参数的变异性,实现了大跨度斜拉桥施工过程控制中的多元统计敏感性分析。从统计学角度明确了参数敏感性分析为边缘分布问题后,将试验设计方法引入统计多参数敏感性分析,结合参数显著性检验评价参数的敏感性。将同一批次或类似条件制造、施工的构件归为同一子结构,子结构内的相同参数视为一个随机变量,在减少随机变量个数的同时,提升了计算效率。采用分组试验设计降低均匀试验设计难度,在分组参数显著性检验后,将所有显著参数集成在一起进行整体参数显著性检验,最终确定目标结构响应的敏感参数。以某跨越长江的叠合/混合梁斜拉桥的施工控制为例,确定19个结构响应和63个结构参数,对其进行了多元统计敏感性分析。结果表明:斜拉索索力、桥面板重量和钢梁重量等结构参数对叠合主梁线形和内力影响显著;结构参数变异对主梁响应的影响不仅与参数变异大小有关,还与结构参数与响应截面的相对位置有关,一般来说,响应截面附近的子结构参数影响大于远离该截面子结构参数的影响。
  • 余加勇, 李锋, 薛现凯, 朱平, 吴鑫赟, 卢培升
    中国公路学报. 2021, 34(12): 80-90. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.007
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    桥梁结构表面裂缝检测为桥梁状态识别、病害治理、安全评估提供了重要状态信息和决策依据。为解决传统人工检测方法存在的危险性高、影响交通、费用昂贵等问题,提出基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)及深度学习的桥梁结构裂缝智能识别方法。采用大疆M210-RTK多旋翼无人机进行贴近航摄,获取桥梁结构混凝土表面高清图像;利用SDNET裂缝数据集等图像资源,制作1 133张标记裂缝精确区域的深度学习训练样本图像库;引入掩膜区域卷积神经网络(Mask R-CNN)深度学习算法,训练和建立Mask R-CNN裂缝识别模型;基于Mask R-CNN裂缝识别模型,采用矩形滑动窗口模式扫描混凝土表面高清图像,实现裂缝自动识别和定位。构建包含图像二值化、连通域去噪、边缘检测、裂缝骨架化、裂缝宽度计算等流程的图像后处理方法,实现裂缝形态及宽度信息自动获取。通过精度验证试验,证实采用M210-RTK无人机+ZENMUSE X5S相机+45 mm奥林巴斯镜头的组合装备,当无人机至桥梁结构表面垂直距离为10.0 m时,无人机方法识别的裂缝宽度与裂缝测量仪结果吻合,其绝对误差小于0.097 mm,相对误差小于9.8%。将该无人机裂缝检测方法应用于高136.8 m长沙市洪山大桥桥塔表面裂缝检测,采用深度学习Mask R-CNN算法进行裂缝智能识别,其裂缝识别准确率和召回率分别达到92.5%和92.5%。研究结果表明:无人机桥梁裂缝检测方法可实现高耸桥梁结构表面裂缝的远程、非接触、自动化检测,具有重要的科学研究和工程应用价值。
  • 周银, 黄梓恒, 王玥, 向中富, 周建庭, 张雪松
    中国公路学报. 2021, 34(12): 91-103. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.008
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    为了解决现有的斜拉桥索力测量方法在精度、可靠性、效率等方面仍存在的不足,首次提出了一种由实测索形直接估计索力的新方法,简称索形法。采用在斜拉索上任意截取的拉索节段构建了悬链线力学模型,基于悬链线公式,首次推导了由实测索形点集精确估计拉索张力的计算公式。地面激光扫描技术被研究用于快速捕获斜拉索索形,开发了基于扫描点云自动化精确提取拉索中心线的算法。以在建的水土嘉陵江大桥为试验对象,详细分析了三维扫描测量误差、拉索截面弯曲刚度及边界条件和拉索局部弯曲变形、拉索振动等索形偏差因素及其对索力计算精度的影响。研究结果表明:已知拉索直径条件下,三维扫描实测索形误差为0.000 4~0.001 5 m之间,测量误差引起的索力计算误差在0.2%以内;拉索弯曲刚度与锚固边界条件引起的索形与标准悬链线形的偏差较小,对索力计算精度的影响可以忽略不计;当拉索自振振幅小于R/4时,三维扫描仍能精确测量拉索的索形;在多种索形偏差的叠加下,所提出的索力计算方法能够实现数值计算的最优估计。对比索形法和被精确标定的千斤顶的测试结果表明,索形法的索力测量值与千斤顶测量值吻合,最大偏差为0.9%,证明了该方法具有较高的索力测量精度;与频率法对比结果表明,所提出方法的数据采集效率提高了8倍,并且具有自动化程度高、测量风险低、测量结果可靠性强等优点。
  • 夏烨, 简旭东, 邓露, 孙利民
    中国公路学报. 2021, 34(12): 104-114. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.009
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    为了进一步提升既有的桥梁动态称重技术,提出一种交通视频辅助的新型桥梁动态称重方法。首先介绍基于深度神经网络的计算机视觉目标检测技术和一种计算机视觉坐标转换方法,实现从交通监控视频中实时地探测与定位桥上行驶的车辆和车轴。然后引入桥梁应变分解方法和应变影响面识别方法,建立车重、车辆位置与桥梁应变之间的映射关系,从而建立一种综合利用时间和空间冗余信息对车辆进行称重的方法。该方法构建超定的影响面加载方程组,使用最小二乘法求解该方程组以得到桥上行驶车辆的轴重和总重。最后总结出一套交通视频辅助的桥梁动态称重方法框架。为验证以上方法,在某连续大箱梁桥的缩尺模型以及实桥上进行试验。试验包含单车、双车、跟车、并行、直行、变道、匀速、变速等复杂交通工况。模型试验结果表明:该方法的车辆总重识别误差均值为-2.02%,标准差为4.77%;车辆轴重的识别误差均值为4.77%,标准差为17.50%。实桥试验结果表明:该方法的车辆总重识别误差均值为0.21%,标准差为1.53%;车辆轴重的识别误差均值为-3.59%,标准差为42.67%。除此以外,所提出的方法还可用于识别桥上车辆的数量、类型、轴数、实时位置、运动轨迹、行驶速度等多粒度交通信息。
  • 刘焕举, 武隽, 刘宁, 申彦利, 李彦苍, 张荣
    中国公路学报. 2021, 34(12): 115-128. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.010
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    大跨桥梁上的车流重力动态分布和作用在变形主梁上的时变纵向力,决定梁端伸缩缝纵向变形,实现伸缩缝纵向变形分析,车-桥耦合系统是核心,实现车流重力分布和纵向力计算加载的车流微观行驶行为仿真及力学化的理论方法是关键。首先,从元胞尺寸和行驶规则2个角度对仿真方法进行精细:把实测车型典型轴距对标当前市场车型,确定各车型车辆前、后悬长并纳入车长考虑,基于多车型的车长公约数综合确定元胞尺寸,使得各车型的车长在仿真交通流中得到差异且全面的元胞表达,奠定精细仿真元胞基础;在车间距基础上,把车速差纳入考虑,丰富车辆微观行驶决策因素,并设定多级变速和变道优先权,从宏观规则和处置细节上对车流行驶微观行为进行精细化。其次考虑到车速是车辆行驶行为的直观表现,采用动量定理实现车辆变速行为到纵向力(力矩)的转换;把纵向力(力矩)均分加载在车辆占据的各元胞中心,实现车辆出、入桥力学过程的适度精细模拟;匹配车辆行驶行为,调整车流判断流程和加载识别部分,完善微观车流-桥梁分析系统。最后,以一座斜拉桥为工程背景,对不同密度组成的车流作用下伸缩缝的纵向变形进行分析。结果表明:①与单向车流相比,计算密度下双向车流的总体纵向力在均值和极值上的加强度的极值分别为1.6和1.5,即双向车流有相互作用,总体表现为抵消;②车流重力因素产生的主梁纵向变形较为稳定,伸缩缝纵向响应时程曲线围绕重力产生的伸缩缝纵向变形均值上下波动,波动幅度总体趋势受密度控制,在正、负(方向)上的极值和均值随车流密度增大大体均呈增大趋势,波动局部受上下行密度差控制,当双向车流密度之和一定时,双向车流的密度差越大,极值和均值就越大;③伸缩缝纵向位移服从正态分布,伸缩缝累积行程随车流总密度、上下行密度差增大呈增大趋势,车流密度、密度差越大,伸缩缝磨损范围越大,磨损程度越严重。
  • 彭容新, 邱文亮, 滕飞
    中国公路学报. 2021, 34(12): 129-146. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.011
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    受到周期性潮汐变化的影响,中国寒区近海混凝土桥梁长期遭受海水冻融及多种耦合腐蚀作用,这严重影响了桥梁的服役性能与使用寿命。为了准确预测桥梁的性能衰退规律,针对桥梁所处环境,分析了桥梁结构的性能退化机理,并借助近场动力学方法在多尺度方面的优势,利用MATLAB-ABAQUS联合仿真方法建立了桥梁劣化损伤预测与评估方法。在此基础上,从混凝土海水冻融损伤出发,考虑温度分布特性、临界饱和度模型、孔隙结晶规律与孔隙压力理论,结合不同孔隙的结晶温度与孔隙累积,通过孔隙变形加载方式建立混凝土微观尺度的冻融循环数值模拟计算方法。随后,根据混凝土微观尺度冻融损伤的计算结果,建立考虑冻融损伤分布的RC桥墩等效数值模拟计算方法。最终,设计制作了RC桥墩节段,进行了海水环境下RC桥墩的冻融循环试验,并利用超声层析成像技术,得到RC桥墩的海水冻融损伤分布。试验与计算结果表明:通过与超声层析成像试验结果的对比,混凝土微观尺度计算模型可以很好地模拟冻融循环过程中孔隙累积与孔隙转化引起的混凝土冻融损伤行为;受到温度分布与相对饱和度的影响,当冻融大于50次后,试件出现明显的冻融损伤界限(冻融深度),且随着冻融次数的增加,冻融深度的增速呈现先增大后减小的趋势。除此之外,等效计算模型的滞回曲线计算结果与试验结果吻合较好,随着冻融次数的增加,RC桥墩的峰值荷载逐渐减低,海水冻融对RC桥墩力学性能的影响极为严重,且建立的计算方法很好地预测了海水冻融作用下RC桥墩的力学性能退化。
  • 黄杰忠, 孔维琛, 李东升, 王亚飞, 张纯, 李宏男
    中国公路学报. 2021, 34(12): 147-160. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.012
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    基于传统扩展卡尔曼滤波方法(EKF)的损伤识别过程是一个典型的反问题求解,反问题的不适定性使EKF识别结果容易受噪声干扰,导致EKF算法收敛困难、识别精度下降。基于l1正则化的EKF算法在一定程度上可以缓解此问题,但其不能获得足够准确的稀疏解。为此,提出了一种改进稀疏正则化的EKF方法。该方法采用Arctangent罚函数代替l1范数以施加损伤稀疏性约束;通过伪测量技术将稀疏性约束嵌入到EKF中,获得施加约束方程后的递推解。采用3层剪切结构和悬臂梁2个试验算例验证了该方法的有效性。研究结果表明:即使在噪声干扰下,所提方法也可以准确识别出结构损伤;相比传统l1正则化EKF方法,该方法需要的观测信息更少,能获得更准确的稀疏解。
  • 大数据环境下的新型交通理论、方法与实践专栏
  • 李大韦, 冯思齐, 曹奇, 宋玉晨, 赖信君, 任刚
    中国公路学报. 2021, 34(12): 161-174. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.013
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    路径选择建模的主要任务是基于合理假设,定量分析交通参与者的路径选择行为,并估计和预测交通参与者对交通网络的使用情况。基于此,全面总结路径选择建模的研究现状,介绍各种出行数据的特点,阐释常见的选择集生成方法,对文献中提出的众多离散选择模型进行归类和讨论,对比模型估计的2类主要方法,并展望机器学习在路径选择建模中的广阔前景。研究结果表明:随着交通感知技术的全息化发展,在海量车辆轨迹数据的支撑下,路径选择研究取得了全方位的进步;路径选择模型可分为基于路径和基于路段的模型,前者以路径为基本选项,从通过确定性或随机性方法生成的选择集中选择路径,包括多项Logit (MNL)模型以及更先进的MNL修正模型、广义极值(GEV)模型、混合Logit模型和非GEV分布模型,后者以路段为基本选项,动态地求解路径选择问题,无需生成选择集,包括各种递归Logit模型;路径选择模型的参数估计可使用有标签数据或无标签数据,前者通过地图匹配在交通网络中重构出真实路径,后者则依概率考虑一系列可能的路径。近年来,基于机器学习的路径选择模型因具有更优的预测性能而受到广泛关注。在未来的路径选择研究中,应进一步结合离散选择模型和机器学习模型,使两者优势互补。
  • 焦朋朋, 赵霞, 张勇, 胡永利, 尹宝才
    中国公路学报. 2021, 34(12): 175-202. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.014
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    交通大数据可为揭示交通主体显性出行行为背后的深层规律(即移动模式)提供重要基础。精确掌握大数据驱动下交通主体的移动模式,可为需求预测、客流组织、土地利用、事件管理等应用提供理论依据。交通大数据主体繁多、时空多态、关联性复杂的特性迫使小数据时代下的移动模式分析方法转型和升级,但仍可能遇到移动模式一致性表达难、异常类型检测难、复杂关联性表达难、时空多态性建模难、一体可视化分析难等普遍问题。针对这些问题,利用科学知识图谱,对2010~2020年期间3 747篇文献的热点关键词分布、发表趋势分布、出版刊物分布等特点进行归纳总结,结合常见的移动模式分析数据集,系统综述现有研究在移动模式常态分析、非常态分析、关联分析、预测分析和可视化分析方向上的阶段性进展。其中,移动模式常态分析综述了个体活动特性分析、出行类别划分、特定群体分析等应用的研究进展。移动模式非常态分析综述了基于模板匹配和数据驱动的非常态事件检测方法的发展脉络。移动模式关联分析综述了面向不同数据源的关联特性检测方法的发展近况。移动模式预测分析综述了基于数理统计和数据驱动的交通属性预测方法的发展状况。移动模式可视化分析综述了用户交互设计、移动模式宏观可视化、微观可视化和整体可视化的发展近况。最后,系统总结各个分支方向面临的主要问题与挑战,并从数据整合、模型创新、机制变革等角度提炼移动模式分析研究的未来发展趋势,期望为后续研究采用新理论技术开展移动模式分析提供参考。
  • 陈喜群, 曹震, 沈楼涛, 李俊懿
    中国公路学报. 2021, 34(12): 203-216. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.015
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    城市路网短时交通流预测是实现智慧城市的关键技术,随着人工智能的发展,越来越多的深度学习算法被应用于城市道路交通状态估计和预测研究。但是深度学习因缺少对交通流演化机理的刻画导致其可解释性不强,而交通流解析模型常因预测精度问题导致其应用效果受到限制。为了取长补短,首先对路段传输模型(Link Transmission Model,LTM)进行改进,提出了可以利用真实数据实时校准仿真网络从而提高预测精度的数据驱动型路段传输模型(Data-driven Link Transmission Model,D2LTM),并在此基础上引入时空深度张量神经网络模型(Spatial-temporal Deep Tensor Neural Networks,ST-DTNN)来捕获网络交通流数据中的时间维、空间维和深度维特征信息,形成融合路段传输模型和深度学习的城市路网短时交通流预测模型D2LTM-STDTNN。该混合模型一方面通过D2LTM机理模型来揭示交通流演化的基本规律,发挥其对城市路网交通流状态时空演化过程的精细刻画能力,增强混合模型机理的可解释性;另一方面利用ST-DTNN模型强大的高维数据挖掘能力和动态特征学习能力,提高城市级路网交通流的短时预测精度。该模型还考虑了交叉口不同转向的短时预测问题,具有更细的空间粒度和时间粒度,因此也具有更大的预测难度。实测结果表明:D2LTM-STDTNN混合模型相对于基准模型预测精度更高,且具备模拟演化机理方面的优势,提升了城市路网短时交通流状态预测能力,揭示了路段间的交通流动态演化规律,可为网络交通流模拟推演和主动管控提供了技术支撑。
  • 张伟斌, 张帅, 郭海锋, 冯姚瑶
    中国公路学报. 2021, 34(12): 217-228. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.016
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    信息技术的快速发展,为交通研究和城市交通管理提供了大规模、多样化的数据资源,并为城市交通状态估计和交通流预测方法的研究提供了有力支持。将城市交叉口视为一个微观交通系统,采用数据驱动与领域知识结合的方式,建立微观层次的交通因子状态网络模型(Traffic Factor State Network,TFSN),考察交通因素之间的相互关联,并考虑环境因素的影响。该模型结合交通因子和环境影响因子的影响,通过对交通流数据进行聚类分析,估算出对应于环境影响因子的交通状态,并通过实际案例验证其物理意义以及与交通流实际状态的对应关系。进一步地,基于不同交通状态下的交通流数据建立高阶多元马尔可夫链,进行交通流预测,并根据交通流时间序列的聚类性能指标提高模型的预测准确性。对数据序列马氏性强弱、马尔可夫模型阶数与模型预测准确性之间关系进行分析。研究结果表明:根据马氏性合理选择马尔可夫模型的阶数可以提升模型预测准确性;直接对原始交通流数据进行预测的平均绝对百分比误差为24.61%,而不同交通状态下交通流预测的平均绝对百分比误差为16.99%,相比直接预测误差下降了7.62%,验证了所提出的微观交通因子状态网络的有效性和可用性。
  • 许淼, 刘宏飞, 苏岳龙
    中国公路学报. 2021, 34(12): 229-238. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.017
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    外部环境因素对城市交通预测有较大影响,尤其在交通事件发生时,由于交通流的随机性和非线性特征,交通异常情况下的预测精度往往较低。为此,基于深度学习理论,提出一种以序列到序列模型(Sequence-to-sequence,Seq2Seq)为主体,融合外部因素特征的城市道路行程时间预测方法。利用时间序列分解算法(Seasonal and Trend Decomposition Using Loess,STL)挖掘交通历史数据的时序周期规律,结合交通事件数据深入分析交通异常产生的原因,并建立堆叠降噪自编码器模型(Stacked Denoising Autoencoder,SDAE)提取时间属性和交通事件数据的潜在特征。以北京市北四环中路和G6京藏高速路段为例,对预测模型的准确性和可行性进行验证,通过重复性交通事件和非重复性交通事件下的案例试验,对SDAE组件的有效性进行分析。研究结果表明:模型的单步和多步预测性能均优于基线模型,预测精度最高达到了87.71%;与其他输入了交通事件数据的模型相比,以SDAE作为外部组件的模型具有较好的预测性能和鲁棒性,能够适应复杂多变的交通流,在智能交通系统的短期预测上有显著的优越性,可以增强管理系统的调控能力,降低城市交通的拥堵成本。
  • 曾筠程, 邵敏华, 孙立军, 鹿畅
    中国公路学报. 2021, 34(12): 239-248. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.018
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    为解决城市快速路正面临的日益严重的交通拥堵问题,提出了一种针对城市快速路的基于有向图卷积神经网络的交通预测与拥堵管控方法,该方法能够有效利用海量交通数据进行交通预测,实现拥堵的主动管控。首先,基于交通路网的空间有向性和交通流的时空特性,定义了有向的距离影响矩阵、修正欧式距离矩阵和自由流可达矩阵,构建出有向的图卷积算子,并将其应用于长短时记忆神经网络模型中,提出了能学习交通路网时空双重特性的有向图卷积-长短时记忆神经网络(Directed Graph Convolution-LSTM,DGC-LSTM)模型;其次,基于DGC-LSTM的交通预测结果识别出拥堵产生点并将其作为拥堵管控的对象;再次,采用控制进口匝道车辆输入快速路主线的手段,针对管控对象的时空特征,设计了全圈层分时段阶梯式拥堵管控策略;最后,基于上海市快速路网上布设的2 712个检测器在122个工作日每间隔5 min记录的速度、流量和占有率信息,开展实例分析,测试了DGC-LSTM模型的预测精度以及全圈层分时段阶梯式拥堵管控策略的有效性。结果表明:与传统的循环神经网络、长短时记忆神经网络相比,DGC-LSTM模型具有更高的预测精度,能将速度预测的平均绝对误差和误差标准差分别降低38%和20%以上;基于预测结果采用的全圈层分时段阶梯式拥堵管控策略能令拥堵产生点的速度提升14 km·h-1以上,并能使拥堵的持续时长缩短40%,可阻止拥堵从产生点开始发生大范围的蔓延,降低整个路网的拥塞程度。
  • 黄玲, 吴泽荣, 洪佩鑫, 张荣辉, 吴建平
    中国公路学报. 2021, 34(12): 249-261. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.019
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    现有的无人机(UAV)交通状态感知方法,主要针对宏观交通状态参数的获取,同时尚未克服UAV自运动对交通参数检测精度的影响,难以满足智能交通系统对于高精度微观交通参数的应用需求。为此,提出一种基于地空信息融合的UAV交通状态感知方法,该方法包括:地空信息融合模型、道路关键点(IKP)检测及跟踪、车辆目标检测及追踪算法和交通状态参数提取及估计。其中,地空信息融合模型利用地基信息(IKP世界坐标)与空基信息(IKP像素坐标)进行最优化融合,并通过自适应IKP追踪算法与自适应UAV位置偏移判断算法实时更新模型参数,以此克服UAV自运动对车辆轨迹精度的影响,进而获取可靠的车辆级(瞬时速度、车头间距和车头时距)与车道级(车道动态密度、车道流量和空间平均车速)交通状态参数。利用提出的感知方法获取实地拍摄视频的车辆级交通参数并进行了分布检验,同时比较了基于不同交通流模型的车道级参数估算方法。结果表明:该方法在车辆检测的mAP@0.5指数超过90%,同时提取的车辆轨迹相对完整,获取的车辆级和车道级交通状态参数也符合实际交通流状况。最后,将该模型应用于实地道路的交通拥堵检测及交通事件检测,该研究结果为UAV在现代交通感知和管理中的应用提供了一种理论和技术参考。
  • 边扬, 杨家夏, 赵晓华, 张晓龙, 韩唐姗
    中国公路学报. 2021, 34(12): 262-275. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.020
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    为改善电动自行车带来的交通安全问题,研究逆行风险行为与其影响因素间的相关关系。基于长沙市芙蓉区共享电动自行车GPS轨迹数据,实现逆行行为的精准识别,采用机器学习CatBoost模型与SHAP可解释机器学习框架,从道路条件、交通状态、土地利用性质等方面开展逆行行为影响要素挖掘及作用解析。研究结果表明:CatBoost模型能够有效预测路段逆行频次并提取逆行行为的重要影响因素,主要包括出行时段、公共交通设施、土地利用性质、道路条件及交通状态等;从出行时段来看,工作日、早晚高峰时段更容易发生逆行;从公共交通设施与土地利用性质来看,道路周围公交站地铁站出口数量及餐饮、公司、购物等设施数量与逆行频次呈现非线性影响关系,在一定范围内设施数量与逆行行为存在正影响作用;从道路条件来看,过街通道间距在50~400 m时不易发生逆行,在非机动车道无物理隔离设施或过街通道间距在400~600 m时容易发生逆行,间距大于600 m时作用不稳定;从路段机非分隔形式来看,护栏分隔的逆行概率较低,绿化带分隔的逆行概率较高;从交通状态来看,当骑行速度、加速度较低或较高时与逆行行为负相关,当骑行速度在6~16 km·h-1及加速度在0.3~1.0 m·s-2时与逆行行为正相关。研究成果可为共享电动自行车风险骑行行为辨识、非机动车交通安全管理提供有效的技术支持。
  • 姚振兴, 许心越, 邵海鹏, 杨飞
    中国公路学报. 2021, 34(12): 276-287. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.021
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    交通方式换乘点识别长期以来是手机大数据交通调查领域的一大技术难点,既有研究大多通过设置出行时间、距离阈值进行识别,算法经验性强,普适性不佳,且易将起讫点、信号控制、交通拥堵等停留误识别为换乘停留。为此,提出了一种基于手机GPS定位数据的交通方式换乘点识别新方法:首先,构建模糊时空聚类算法识别个体运动-静止状态,算法同步实现了定位点时空密度双重聚类约束与聚类边界弹性需求,对个体运动状态识别效果更佳;其次,建立支持向量机模型进行交通方式换乘点识别,有效解决了起讫点、信号控制、交通拥堵等停留对换乘停留造成的干扰;最后,从出行链视角出发,提出了基于序列相似度算法的误差回溯自检与优化模型,能够有效修复换乘点漏识别与错误识别问题。此外,在成都市开展了大范围实测试验,由150名志愿者采集了近2 160 h得到的777.6万条数据被用于技术实证评估。试验结果表明:所述方法对交通方式换乘点平均识别准确率达89.3%,换乘时间平均识别误差控制在20 s以内;与既有空间聚类、小波分析算法相比,换乘点识别精度提升近10%,换乘时间误差最大可降低20 s以上,算法适用性与效果更佳。研究成果可为基于活动的交通需求模型演进提供数据支撑,为交通规划与管理部门决策提供技术支持。
  • 程小云, 张学宇, 施澄, 杨琦, 刘钰倩, 姚振兴, 丁玲
    中国公路学报. 2021, 34(12): 288-301. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.022
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    为了揭示多维因素对出租车夜间出行需求的空间影响机制与局部关联特征,基于多源数据,利用空间计量模型和多尺度地理加权回归(MGWR)模型分别从全局和局部视角研究多维因素对夜间出行需求影响的空间效应及其异质性。首先,利用出租车GPS数据在分析夜间出行时空分布特征的基础上,明确夜间场景下的研究区域及时段划分;其次,从建成环境、人口分布、路网结构3个维度提出夜间出行需求影响因素指标体系,并基于POI数据、手机信令数据和路网数据进行指标量化。在交通小区尺度下分时段构建空间杜宾模型,从全局视角探讨不同时段下主要影响因素对夜间出行需求的空间效应;通过构造距离负指数衰减形式的空间权重矩阵,量化分析关键影响因素的空间溢出效应随地理距离变动的过程。最后,借助MGWR模型从局部视角分析主要影响因素对夜间出行需求影响的空间异质特征。研究结果表明:各解释变量对夜间出行需求的直接效应大多在0.05水平下显著,而溢出效应差异明显;美食与停车设施密度影响最为显著,两者的溢出效应在不同时段分别表现为负向和正向影响,即美食设施呈现出虹吸现象,停车设施具有诱发作用;停车和美食设施对夜间出行需求的空间溢出效应随距离变化均具有非线性衰减特征,分别呈现先增强后减弱的倒“U”形过程和负向先减弱后增强的过程,并在地理距离分别为1 500 m和1 000 m时,空间溢出效应达到最强;MGWR模型拟合效果优于经典GWR模型,局部回归系数的空间分布模式表明关键影响因素对夜间出行需求空间作用的异质特征显著。研究结论从夜间设施影响范围及强度的空间差异等方面为夜间交通需求的科学预测提供理论依据,进而为夜间商业及交通配套设施的合理配置提供方法支撑。
  • 张彭, 霍恩泽, 王英平, 韩媛, 黄毅, 邢宇鹏
    中国公路学报. 2021, 34(12): 302-312. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.023
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    为了提高中国公路货运统计的真实性和统计效率,利用自动化交调、轴载检测、高速公路计费、联网联控货车以及国家道路货运量专项调查等数据,提出2种自动化公路货运量统计方法。2种方法均采用浮动检测数据与固定检测数据融合的原理,使用浮动车数据获得运输特征,分别使用高速计费数据及自动化交调数据获得运输规模。通过设备检测数据与人工调查数据的嵌套计算,解决分层统计中行业浮动车代表性不足的问题。通过数据的一致性分析,解决不同类型数据车型划分标准不同给数据融合带来的口径不一致问题。与传统方法相比,统计方式由人工统计转变为自动化统计;统计对象由营运性货车扩展为全社会货车;统计口径由按车籍地统计转变为按运输发生地统计;统计周期由月缩短为日。此外,实现了可按车辆类型、道路类型、运输成分及公路线路的精细化统计。以辽宁省路网和G102国道为例,给出区域公路网和公路线路的货运量统计结果。最后,以高速公路为统计对象,与计费数据获得的货运量对比,验证基于交调数据统计方法的准确性。结果显示,交调融合法的货运量统计误差为11.5%。对比2种方法,交调融合法具有更广泛的适用性和更高的灵活性,为中国公路运输统计现代化发展提供了技术方法,同时探索了利用设备检测数据和人工调查数据嵌套分析解决工程问题的方法。
  • 道路工程
  • 刘建坤, 胡田飞
    中国公路学报. 2021, 34(12): 313-322. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.024
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    冻土退化及路基融沉病害是中国多年冻土区交通工程面临的关键障碍。基于制冷技术,提出一种更具实时性和有效性的多年冻土保护方法。通过多年冻土制冷需求分析、制冷方法对比、驱动源供应方法分析,提出太阳能光伏驱动压缩式制冷的节能方案。设计一款路基专用的一体化制冷系统,并从资源性、技术性、经济性等角度论证其实用性。研究结果表明:压缩式制冷系统的输出性能与结构形式可以有效应对多年冻土退化的大深度分布特征和冷负荷要求。青藏高原等多年冻土区的太阳辐照量充足,基于光伏发电技术可以解决路基沿线制冷驱动力的分散供应难题,太阳能制冷具有地域、季节匹配性好的优势。制冷组件包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流器等,其中功能部件蒸发器的结构形式为立式柱状螺旋形盘管。制冷系统可以预设不同的制冷温度和启停间隔,技术性和经济性条件良好。试验结果表明:装置在正温环境下的制冷温度约为-14℃,地层冷却半径在3.0 m以上;有效制冷系数随着周围土体温度的减小而逐渐降低,平均值在0.41以上。所提出的太阳能光伏压缩式制冷系统可为多年冻土区路基建设和运营保障提供一种新方法。
  • 赵秀绍, 赵林浩, 陈子溪, 饶江龙, 耿大新, 莫林利
    中国公路学报. 2021, 34(12): 323-334. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.12.025
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    为了充分利用全风化千枚岩与红黏土作为路基填料,设计了红黏土与全风化千枚岩干质量比分别为0:5、1:4、2:3、3:2、4:1、5:0,石灰掺量分别为0、3%、5%和8%的组合改良方案,开展了环刀试样干湿循环试验;为了定量描述裂隙的发育状况,开发了裂隙率计算软件,提出基于AutoCAD裂隙总长度计算方法。试验结果表明:裂隙发育规律有继承性、自愈合性,膨胀裂隙与干缩裂隙并存特性;石灰掺量为0时,高红黏土掺和比(80%、100%)下混合改良土裂隙率随着干湿循环次数的增长而增长,且干湿循环次数大于5时还有增长趋势;中低红黏土掺和比(掺和比不大于60%)时,第2次干湿循环后裂隙率达到最大,然后下降或趋于稳定;石灰改良剂对裂隙发展有很强的抑制作用,当石灰掺量为3%或5%,且红黏土掺和比为40%或60%时,可以完全抑制裂隙的发育,其他红黏土掺和比下相对于纯红黏土裂隙率也有大幅降低;考虑石灰掺量、红黏土掺和比对裂隙率降低幅度的贡献,认为石灰掺量为3%、红黏土掺和比为40%或60%是裂隙控制的优化方案,不仅合理、经济,而且裂隙率为0。
  • 其他
  • 中国公路学报. 2021, 34(12): 335-350.
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