2021年, 第34卷, 第9期　刊出日期：2021-09-20

  

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  中国公路学报. 2021, 34(9): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2021, 34(9): 0-0.

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  线控底盘系统设计与控制专栏导语

  中国公路学报. 2021, 34(9): 0-0.

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  汽车电动化、智能化和网联化已成为全球汽车产业发展的普遍共识，发展智能网联新能源汽车是推动我国实现碳达峰和“交通强国”战略的必要途径。线控底盘系统包括线控驱动、线控转向、线控制动和（半）主动悬架等线控操纵子系统，通过电信号等控制执行机构实现驾驶意图，具有响应时间短、控制精度高、人机解耦以及易于实现主动安全控制等特点，是实现智能驾驶的必要条件。
  近年来，在线控底盘系统设计与控制领域，众多学者和科研人员开展了大量的研究工作，取得了一批具有代表性的研究成果，为我国智能网联新能源汽车技术发展提供了重要的理论和技术支撑。为及时总结和展示线控底盘系统设计与控制领域的最新进展和成果，推动相关理论与技术创新，《中国公路学报》编辑部邀请北京理工大学张雷副教授、南京航空航天大学赵万忠教授、新加坡南洋理工大学吕辰助理教授、长安大学赵轩教授作为专刊组稿负责人，清华大学刘亚辉副教授、同济大学张立军教授、北京理工大学王震坡教授、吉林大学朱冰教授、章新杰教授、郑州宇通客车股份有限公司郭耀华高级工程师作为特邀组稿专家，共同向该领域知名专家、学者公开征稿，出版本期“线控底盘系统设计与控制”专栏。本专栏共收到投稿50余篇，最终录用13篇。研究内容主要集中于以下几方面：
  （1）分布式驱动电动汽车主动安全控制。主要内容包括：分布式电驱动车辆力矩分配控制研究综述和基于功能安全的分布式驱动电动汽车前轮失效补偿控制等。
  （2）面向辅助驾驶的线控底盘子系统控制。主要内容包括：双离合器自动变速器起步自适应控制、线控转向系统转角反步控制、线控双电机转向系统滑模同步控制、基于增益模糊滑模变结构的线控液压转向控制、主动悬架用直线电机模型预测推力控制、基于商用车电液复合转向系统的车道保持控制、基于集成式电液制动系统的主动制动压力控制、基于直驱阀的快速响应线控制动系统液压力控制等。
  （3）智能线控车辆轨迹规划与跟踪及主动安全控制。主要内容包括：基于变传动比的全轮线控转向车辆可拓H_∞控制、人机协作系统中车辆轨迹规划与轨迹跟踪控制、考虑驾驶人特性的一主多从混合博弈容错控制等。
  线控底盘系统的设计、控制创新理论与应用技术研究，将为我国汽车产业转型升级、促进我国从汽车大国迈向汽车强国提供重要的理论和技术支撑。《中国公路学报》将继续关注该领域的国内外最新研究进展，更好地为学界和工业界专业人员提供学习和交流平台，促进我国汽车工业的高质量快速发展。
分布式驱动电动汽车主动安全控制
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  分布式电驱动车辆力矩分配控制研究现状综述

  邹渊, 郭宁远, 张旭东, 尹鑫, 周亮

  中国公路学报. 2021, 34(9): 1-25. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.001

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  分布式电驱动车辆具有控制灵活度高、传动链短、结构紧凑、传动效率高、空间布置利用率高等特点，独特的结构特点与驱动方式令其在充分挖掘车辆动力学控制潜力、增强车辆安全性、提升驱动效率、简化底盘结构等方面带来明显的技术革新，为高性能车辆控制技术提供硬件载体。然而，作为过驱动、多约束、车辆纵向-横向-垂向运动行为强非线性耦合系统，分布式电驱动车辆在车辆动力学控制、车辆行驶经济性控制、协同控制等方面仍面临理论与技术挑战。基于此，综合国内外前沿分布式电驱动车辆力矩分配控制策略研究，主要从控制框架、稳定性控制、能效控制、兼顾稳定性与经济性控制4个方面重点阐述当前发展现状，设计并对比分析应用案例，从不同角度对力矩分配的发展方向进行展望，旨在为先进分布式电驱动车辆高性能力矩分配控制器开发提供参考。
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  基于功能安全的分布式驱动电动汽车前轮失效补偿控制

  梁修天, 王其东, 陈无畏, 赵林峰

  中国公路学报. 2021, 34(9): 26-38. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.002

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  分布式驱动电动汽车可以实现四轮转矩分配和差动转向，提升整车的动力学控制性能和经济性，但是四轮转矩独立可控的特点也对功能安全提出挑战。当前轮单侧电机出现执行器故障失效情况时，不仅会产生附加横摆力矩降低车辆安全性，差动转向功能的存在还会使车辆严重偏航。基于此，在设计分布式驱动-线控转向一体化底盘的基础上，基于功能安全提出一种分布式驱动电动汽车前轮失效补偿控制策略。首先建立分布式驱动失效动力学模型，分析前轮失效对车辆状态的影响机理，发现单一的驱动转矩截断控制无法满足车辆状态修正需求；其次设计一套备用的线控转向结构，通过变截距滑模控制算法提高切换状态下线控转向系统的转角跟踪性能，并用台架试验验证跟踪的准确性；然后设计自适应失效诊断观测器实时诊断驱动系统的电机故障，在将对应轮进行驱动转矩截断后，通过模型预测控制算法对车轮转矩重新分配实现纵向和侧向的状态跟踪；最后通过仿真和实车试验验证所提失效补偿控制策略的有效性和可用性。研究结果表明：分布式驱动电动汽车前轮单侧电机失效后，备用的线控转向系统能及时矫正前轮转角，所提出的失效补偿控制策略能够快速恢复车辆的稳定性和路径跟踪能力。
面向辅助驾驶的线控底盘子系统控制
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  基于扩展状态观测器和滑模控制的双离合器自动变速器起步自适应控制

  秦大同, 简军杭, 程坤, 吴邦治

  中国公路学报. 2021, 34(9): 39-50. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.003

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  双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）随着服役时间的增加离合器性态会发生变化导致起步性能下降，为降低离合器性态变化对起步性能的影响，提出一种基于扩展状态观测器和滑模控制的DCT起步自适应控制方法。首先，建立DCT起步动力学模型、发动机模型和液压控制系统模型；将DCT起步问题转化为参考轨迹跟踪问题，通过工况识别并利用极小值原理获得了不同起步工况的参考轨迹；在DCT起步动力学模型中将与离合器性态变化相关的项定义为不确定项，设计扩展状态观测器对不确定项进行估计，同时结合自适应滑模控制器，获得了起步发动机转矩和离合器油压的自适应控制率；为了跟踪发动机转矩和离合器油压的自适应控制率，设计了发动机转矩跟踪控制器，同时对液压系统采用了PID闭环控制；通过MATLAB/Simulink平台仿真以及台架试验验证所提出的DCT起步控制方法对离合器性态变化的自适应效果。研究结果表明：所提出的起步自适应控制方法能够有效避免由离合器性态变化导致的起步延时，同时1挡缓起步和急起步的仿真冲击分别减小了53.11%和43.42%，试验起步冲击分别减小了35.66%和30.31%。
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  线控转向系统转角反步控制算法研究

  贺林, 李飞龙, 魏宇江, 贺泽佳, 高炳钊, 石琴

  中国公路学报. 2021, 34(9): 51-60. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.004

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  为实现商用车线控转向，设计一套新的线控转向系统架构及其转角跟踪控制算法。新的线控转向系统采用丝杠螺母结构中的丝杠直接控制纵拉杆，螺母通过带轮机构被电机驱动。对线控转向系统结构进行运动学分析，推导转向系统可变传动比，采用前轮转角为状态变量，建立线控转向系统二阶动力学模型。基于转角跟踪目标，采用反步控制算法，设计线控转向系统转角跟踪控制器，通过反馈系统线性化处理系统参数不确定和环境干扰问题，实现准确的目标转角跟踪，并建立李雅普诺夫函数，证明了采用反步控制的线控转向系统是渐进稳定的。搭建采用“丝杠螺母+带轮机构”架构的线控转向实车底盘测试台架，选取蛇形和混合工况进行控制算法验证。研究结果表明：与滑模控制算法的测试结果对比可知，反步控制算法绝对平均跟踪误差值降低了71.88%~79.57%，跟踪误差标准偏差值降低了71.32%~78.50%；线控转向系统反步控制转角跟踪算法能够减少系统收敛到原点的时间，抑制系统的抖振，提高车辆线控转向系统转角跟踪的操纵灵活性。
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  线控双电机转向系统滑模同步控制及其硬件在环仿真

  王帅, 施国标, 桑冬岗, 张洪泉

  中国公路学报. 2021, 34(9): 61-69. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.005

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  为了满足高等级自动驾驶转向执行机构的高安全性需求，研究一种采用冗余双电机转向执行机构的线控转向系统，针对双电机在转角伺服控制过程中存在的不同步问题，提出一种基于滑模控制的同步控制策略。首先，对采用冗余双电机转向执行机构的线控转向系统进行结构原理的分析，建立线控系统转向执行机构模型和车辆二自由度模型；然后，为实现转向执行机构的转角伺服控制，在位置、速度、电流的三闭环控制策略的基础上设计速度同步控制器。为解决2个转向执行电机运行过程中存在的速度不同步问题，采用滑模控制方法，将2个电机的转速差值作为控制器的输入量，得到双电机电流的补偿量，并将其叠加至双电机的目标电流中。同时，将上述控制策略与传统PID控制进行对比仿真试验，验证了基于滑模同步控制的线控双电机执行器能够更好地协调双电机的转速，实现双电机同步运行。最后，搭建线控转向硬件在环试验台，对所设计的控制策略的有效性进行验证。结果表明：所设计的双电机线控转向系统滑模同步控制策略能够在实现转角伺服控制的同时，减少双电机的速度不同步现象，保证线控转向系统转角伺服的同步性能。
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  基于增益模糊滑模变结构的线控液压转向控制

  夏光, 陈建杉, 唐希雯, 赵林峰, 陈无畏

  中国公路学报. 2021, 34(9): 70-84. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.006

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  在分析全液压转向结构与转向偏差机理的基础上，设计了一种线控液压转向系统以实现车辆转向同步，消除转向偏差；针对现有方法确定的期望转向曲线可跟踪性差而无法实现转向同步，提出一种基于转向效率的期望转向曲线及其可行域确定方法，以最大、最小转向效率对应转向曲线为期望转向曲线可行域的上、下边界，确保期望转向曲线的可跟踪性；针对系统扰动不确定性及油液泄漏非线性，基于组合趋近律滑模控制，并引入饱和函数代替符号函数，在一定程度上抑制了控制系统的抖振；由于组合趋近律增益自适应性不足，导致车轮转角及角速度发生变化时，存在系统动态响应能力差的问题，通过分析车轮转角、角速度与趋近律增益的关系，制定了基于车轮转角及角速度的模糊规则表以自适应调整趋近律增益，实现增益模糊滑模控制，进一步提高油液补偿自适应能力和线控液压转向系统的鲁棒性；最后基于MATLAB/Simulink进行了仿真和试验验证。结果表明：提出的基于转向效率的期望转向曲线均具有良好的可跟踪性能；增益模糊滑模变结构控制具有良好的动态响应特性及控制精度，可有效地消除转向偏差，实现线控液压转向系统的同步转向。
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  主动悬架用直线电机模型预测推力控制

  孙晓东, 蔡峰, 蔡英凤, 陈龙

  中国公路学报. 2021, 34(9): 85-100. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.007

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  针对主动悬架用直线电机高精度与高效率的控制需求，充分研究直线电机以及主动悬架动力学特性，建立直线电机驱动模型与主动悬架二自由度参考模型。为了改善传统直线电机直接推力控制的动态性能，提出一种改进的模型预测推力控制方法。该方法将逆变器产生的7个非零电压矢量作为备选矢量，并融合预测模型来计算出控制周期内的电机运行状态参数，基于成本函数最小值原理挑选出最优电压矢量，并将其作用于逆变器产生驱动电机所需的电压。为了解决数字控制系统的固有问题，提出延时补偿技术，保证对电机能够进行实时控制；对于逆变器开关频率不固定而引起的开关损耗等问题，通过在成本函数中加入开关频率项，在选择最优电压矢量的同时还降低了逆变器的整流频率与开关损耗；另外为了提高电机推力的效率以及减小推力与磁链波动，提出最大推力电流比与占空比优化控制技术，提高直线电机的动态控制性能。基于MATLAB/Simulink与dSPACE联合仿真，并搭建直线电机与主动悬架硬件测试平台，对所提出的控制方法进行验证，同时对主动悬架系统的动力学性能也进行了仿真与试验测试。试验结果表明：相较于传统的直接推力控制，所提出的控制策略使电机能够拥有更快的稳态速度、更小的电磁力与磁链波动以及更低的开关频率；各工况下，轮胎动载荷试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为12.3%、4.47%、6.3%；悬架动行程试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为10.3%、8.86%、10.6%；车身加速度试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为6.23%、9.12%、7.2%。由计算结果可知，各评价指标的相对误差均在13%以内，验证了仿真结果的正确性，证明了模型预测推力控制对于提升电机与悬架动力学性能的有效性，能够实现对车辆悬架系统全局工况性能最优，协调控制悬架系统的动力学性能。
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  商用车电液复合转向系统的车道保持策略

  施国标, 张洪泉, 王帅, 桑冬岗

  中国公路学报. 2021, 34(9): 101-110. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.008

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  为了提高商用车的行驶安全性，避免因驾驶人的分心驾驶出现车辆偏离车道的问题，提出一种基于电液复合转向系统的商用车车道保持策略；在建立电液复合转向系统模型、二自由度车辆模型、预瞄驾驶人模型的基础上，设计基于驾驶人在环的MPC和ADRC串级的车道保持控制策略。首先，采用MPC算法将车辆横向位置控制的最优问题转化为二次规划求得目标前轮转角；然后，考虑电液复合转向系统的不确定和干扰问题，利用ADRC算法对目标转向盘转角和实际驾驶人的转向盘转角差值以转矩信号的形式进行补偿。同时研究车道保持系统对驾驶人的干预问题，引入干预系数的概念，采用模糊控制的方法，将驾驶人手力和车辆的运动状态作为输入变量，干预系数作为输出变量，保证整车行驶安全性的前提下减小车道保持辅助系统对驾驶人的干预。最后，通过MATLAB/Simulink仿真和硬件在环试验对所设计的控制策略进行验证。研究结果表明：所设计的基于商用车电液复合转向系统的车道保持策略能够及时地纠正因驾驶人的分心驾驶而导致车辆偏离所在行驶车道的行为，特别是在弯道处出现驾驶人转向不足或过度转向的情况时，能够将车辆维持在车道线之内，保证车辆的行驶安全性，同时由于干预系数的设计，使得驾驶人也有良好的人机交互体验感。
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  基于集成式电液制动系统的主动制动压力精确控制方法

  朱冰, 张伊晗, 赵健

  中国公路学报. 2021, 34(9): 111-120. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.009

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  智能电动汽车的发展对制动系统的主动制动和再生制动能力提出了更高的要求。配备真空助力器的传统制动系统难以满足智能电动汽车的需求，因此逐渐被线控制动系统所取代。为提高线控制动系统的集成度与解耦能力，提出了一种新型集成式电液制动系统（Integrated Braking Control System，IBC），能够实现主动制动、再生制动、失效备份等功能。作为机-电-液耦合的高集成度系统，IBC具有复杂的非线性特性和动态摩擦特性，对制动系统压力的精确控制提出了挑战。为了提高IBC制动压力动态控制精度，提出了一种基于集成式电液制动系统的主动制动压力精确控制方法。首先，介绍了IBC的结构原理和控制架构。随后针对液压系统的迟滞特性和传动机构的摩擦特性进行建模与测试。然后基于系统的强非线性特性，提出了主动制动三层闭环级联控制器，其中压力控制层采用液压特性前馈与变增益反馈结合的控制策略，伺服层控制器设计考虑了机构惯性补偿与摩擦补偿，电机控制层采用矢量控制并进行了电压前馈解耦。最后，基于dSPACE设备搭建了硬件在环（Hardware-in-the-loop，HiL）试验台对主动压力控制方法进行验证。结果表明：所提出的压力控制方法能控制制动系统压力快速精确跟随期望压力，使动态压力跟随误差控制在0.4 MPa之内，稳态压力误差控制在0.1 MPa之内。
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  基于直驱阀的快速响应线控制动系统液压力精确控制

  李波, 黎德祥, 葛文庆, 谭草, 陆佳瑜, 宋爱娟

  中国公路学报. 2021, 34(9): 121-132. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.010

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  为突破响应时间与控制精度的性能瓶颈，提出一种基于直驱阀的快速响应线控制动系统，通过基于Halbach永磁阵列的电磁直线执行器直接驱动阀芯，实现制动轮缸液压力的迅速调节。建立线控制动系统电磁、机械和液压子系统模型，设计基于逻辑门限的线控制动系统液压力-直驱阀位置切换控制架构。压力环采用滑模变结构控制，使轮缸液压力迅速逼近目标液压力值；设计结合摩擦补偿自适应控制律、稳定反馈和鲁棒控制的自适应鲁棒控制方法的直驱阀位置环，使直驱阀芯能够迅速通过阀死区；基于李雅普诺夫函数方法证明算法的稳定性。以线控制动系统的响应时间、控制精度等性能参数作为目标函数，通过相关矩阵分析控制参数对性能的影响规律，并通过多目标粒子群算法优化控制器参数。研究结果表明：提出的切换控制方法与PID控制和滑模控制相比，目标压力10 MPa的阶跃响应时间为0.05 s，稳态误差不超过2％；ARTEMIS欧洲循环工况下的均方根误差为0.33 MPa；设计的直驱阀结构与控制方法有利于提高制动系统的响应速度和控制精度。
智能线控车辆轨迹规划与跟踪及主动安全控制
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  基于变传动比的全轮线控转向车辆可拓H_∞控制方法研究

  徐飞翔, 周晨, 王军, 刘昕晖, 杨凯

  中国公路学报. 2021, 34(9): 133-145. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.011

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  为了解决传统固定转向传动比以及鲁棒H_∞控制方法无法很好地改善车辆稳定性的问题，提出全轮线控转向车辆的变传动比和可拓H_∞控制策略。首先，建立八自由度车辆动力学模型和轮胎模型。其次，以车辆方向盘转角和车速为输入信息，基于模糊控制方法设计全轮线控转向车辆的转向传动比，并计算出全轮线控转向车辆的前轮转角。然后，以横摆角速度偏差和偏差微分为特征值，基于可拓控制理论将车辆状态划分为3个区域：经典域、可拓域和非域；在经典域中，采用基于横摆角速度反馈的鲁棒H_∞控制方法，实时获取全轮线控转向车辆的后轮转角；在可拓域和非域中，结合可拓控制和H_∞控制策略，动态调整H_∞控制器的输出信号，在保证控制系统鲁棒性的前提下改善车辆的操纵稳定性。最后，基于MATLAB/Simulink仿真平台和自主研制的全轮线控转向特种消防救援车辆，通过正弦转向、单移线、阶跃转向、双移线等典型工况对所提控制方法进行验证，并以平均绝对误差和均方根误差为评价指标，与无控制和H_∞控制方法进行对比分析。仿真和试验测试结果表明：①变传动比控制方法不仅可以提高车辆低速时的转向灵敏度，也能改善车辆高速时的稳定性；②相比传统鲁棒H_∞控制，可拓H_∞控制策略提高了全轮线控转向车辆的操纵稳定性，改善了车辆全轮线控转向控制系统的鲁棒性。
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  人机协作系统中车辆轨迹规划与轨迹跟踪控制研究

  孙秦豫, 付锐, 王畅, 郭应时, 袁伟, 刘卓凡

  中国公路学报. 2021, 34(9): 146-160. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.012

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  自动驾驶系统需具备响应驾驶人意图且有效执行驾驶人意图的能力，以解决人机协作系统中存在的人机冲突、人机优势融合等问题。提出决策层“以人为主”、执行层“以机为首”的人机协作关系，构建包含驾驶人意图识别模块、基于意图识别的轨迹规划模块与轨迹跟踪控制模块的人机协作一体化控制系统框架，并重点对轨迹规划模块与轨迹跟踪控制模块开展研究。首先，结合双向长短期记忆神经网络（Bi-directional Long Short Term Memory，Bi-LSTM）与注意力机制模型建立换道轨迹规划模型；在改进人工势场算法中引入模型预测控制并建立避险轨迹规划模型。其次，通过开展驾驶模拟器试验建立换道与避险驾驶行为数据集，为拟人化模型训练和模型参数确定提供支撑。然后，综合考虑车辆状态变量、控制输入与输出以及道路结构参数等约束条件，构建基于最优转向前轮输入的线性时变模型预测轨迹跟踪控制器，实现对规划轨迹的精准跟踪。最后，基于驾驶模拟器搭建人机协作系统硬件在环测试平台，对轨迹规划模块与轨迹跟踪控制模块开展硬件在环测试与验证。结果表明：换道与避险规划轨迹光滑且平稳，轨迹跟踪控制过程中，车辆航向角与前轮转角变化平稳；所构建的轨迹规划与轨迹跟踪控制模块在确保安全性前提下可实现不同场景中的车辆运动控制需求。
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  考虑驾驶人特性的一主多从混合博弈容错控制

  张博涵, 卢少波, 谢文科, 谢菲菲

  中国公路学报. 2021, 34(9): 161-171. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.013

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  为保证线控底盘电动汽车在遭遇执行器失效时的稳定性，并考虑人-车交互行为，提出了以驾驶人为领导者的一主多从（Single-leader-multiple-follower，SLMF）混合博弈容错控制框架。为实现驾驶人-车辆的交互控制，首先建立了两者的耦合模型。其次，将驾驶人及5个底盘子系统即主动前轮转向（Active Front Steering，AFS）系统和4个轮毂电机建模为博弈中的6个参与者，基于Stackelberg主从博弈与多人合作博弈设计了SLMF混合博弈控制框架。考虑驾驶人具有优先控制权限及执行器对驾驶人行为的补偿作用，基于Stackelberg博弈理论建立了驾驶人与底盘子系统的主从博弈模型，其中驾驶人作为领导者通过感知跟随者的行为做出转向决策，而5个底盘子系统被建模为跟随者。由于跟随者追求共同的横向稳定控制目标，因此基于合作博弈理论建立了合作模型，并对领导者的转向策略做出最优响应。最后，为研究跟随者之间追求不同目标导致不合作时的控制效果，设计了非合作Nash博弈与Stackelberg博弈相结合的混合博弈为对比方法，通过实时硬件在环测试验证并对比了2种方法。结果表明：针对不同风格的驾驶人，所设计的方法可以保证遭遇执行器卡死失效车辆的稳定性。与不合作的情况相比，2种不同风格的驾驶人驾驶的车辆在底盘子系统合作时，车辆稳定性分别提升了54.62%和53.78%，驾驶人工作负荷分别降低了31.79%和36.07%。
道路工程
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  基于球形硅微粉的新型透明黏土基本力学特性试验

  周航, 袁井荣, 刘汉龙, 丁选明

  中国公路学报. 2021, 34(9): 172-180. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.014

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  透明土试验技术是近年来发展起来的一种新的变形可视化技术，包括透明土的制备和图像捕捉与处理方法等。通过此技术可以对透明土体内部的变形和渗流过程进行观测以实现土的三维变形、强度和渗流等问题的可视化研究。目前应用最多的透明土有2种：第1种是以熔融石英砂为土骨架，正十二烷和15^#白油的混合溶液配制透明砂土，第2种是利用无定型硅微粉配制的透明黏土。透明砂土已经有了较成熟的研究，然而针对透明黏土的研究还不够成熟和深入，应用光学技术搭配透明介质研究土体三维变形和流动规律时，有两点要求不可忽略，一是透明土需要通过激光束对其进行切面，再利用数字照相技术进行图像采集与分析，因此配制出的透明土透明程度要高；二是配制的透明土其基本力学特性要与真实土体性质接近。目前所研究的透明黏土存在透明度不高，强度太低等诸多问题。为此，选取球形硅微粉作为透明土骨架材料，15^#白油与正十二烷溶液混合溶剂作为孔隙流体配制新型透明黏土，对新型透明黏土进行直剪试验、一维压缩试验以及渗透试验，研究配制的新型透明黏土用于模拟真实黏土的可行性。试验结果表明：以球形硅微粉为土骨架，15^#白油与正十二烷溶液混合溶剂作为孔隙流体制作的新型透明黏土，其土体的强度特性和压缩系数与粉质黏土特性相似，可以满足模型试验要求。
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  基于Faster R-CNN与形态法的路面病害识别

  晏班夫, 徐观亚, 栾健, 林杜, 邓露

  中国公路学报. 2021, 34(9): 181-193. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.015

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  为提高基于图像处理的路面表观病害检测识别效率及精度，引入目标检测中的快速区域卷积神经网络（Faster Region Convolutional Neural Network，Faster R-CNN）算法以快速识别病害种类、位置与面积；针对已提取的带边框裂缝病害区域，采用基于VGG16迁移学习与模型微调的CNN与50%重叠率的滑动窗口定位裂缝骨架，进而利用形态法操作提取裂缝形态，计算其长度与宽度；针对Faster R-CNN算法在病害种类识别时漏检率低但误检率偏高的问题，引入精确率、召回率和F₁分数指标对算法进行评估，并根据F₁分数最大值确定相应的病害框像素面积及置信度阈值来降低误检率，以适应路面表观病害多样化的应用场景。运用开发的病害识别算法对广东一高速公路路面进行表观检测。结果表明：所提方法对典型裂缝图片的识别效率及精度均高于单独应用CNN滑动窗口和传统形态法的全局图像处理方法；对分段的裂缝边界框进行合并，且病害框像素面积及置信度阈值取优化值后，横向裂缝精确率由合并前的0.861提升至合并后的0.918，横向及纵向裂缝误检率则分别由调整前的20.4%和23.8%下降至调整后的8.2%和6.9%，漏检率则稍有提高。基于Faster R-CNN、CNN及形态法的路面病害识别方法具有工作高效、漏检率低的优点，在引入评估指标、最优病害框像素面积与置信度阈值后，病害误检率也大幅降低，具有潜在工程应用价值。
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  高原低气压对道路工程混凝土性能的影响及原因

  李扬, 王振地, 薛成, 白永厚, 王玲

  中国公路学报. 2021, 34(9): 194-202. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.016

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  为研究高原低气压对道路工程混凝土性能的影响，在拉萨（气压约60 kPa）和北京（气压约100 kPa）两地采用相同配合比的道路混凝土分别进行性能对比试验，测试了混凝土含气量、坍落度、强度、NEL法氯离子渗透系数和单面盐冻耐久性等性能指标，进一步测定了引气剂溶液的泡沫体积、表面张力和硬化混凝土孔结构。试验结果表明：在低气压下，引气混凝土的含气量和坍落度分别比常压下降低8%~36%和4%~9%；抗压强度和劈裂抗拉强度分别比常压下降低1.6%~14.8%和1.5%~10.8%；氯离子渗透系数比常压下增加29%~135%；可见低气压下其抗冻耐久性降低。在低气压下，引气剂溶液的表面张力比常压下增加3.0%~4.5%，溶液泡沫体积比常压下降低2%~14%，混凝土内的气体压缩系数比常压下减小，这些原因导致了低气压环境下施工的道路混凝土含气量降低，坍落度减小；与此同时，硬化混凝土平均气孔直径增大6%~18%，气泡间距系数增加45%~92%，最终使得低气压下混凝土强度、抗氯离子渗透性和抗冻耐久性降低。
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  公路工程项目组合施工进度风险防范策略

  白礼彪, 张璐瑶, 孙怡晨, 杨琦, 秦选龙

  中国公路学报. 2021, 34(9): 203-214. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.017

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  为了降低公路工程施工进度风险，考虑风险事件的交互关系提出了公路工程项目组合施工进度风险防范策略。首先，通过公路工程建设文献资料梳理和专家筛选补充，构建了公路工程项目组合施工进度风险三级指标体系。然后，利用网络层次分析法解析了公路工程项目组合施工进度风险指标间的交互关系，运用Super Decisions软件确定了各级风险指标的权重。最后，通过系统动力学建立了公路工程项目组合施工进度风险水平评估模型，在验证模型的有效性后运用Vensim软件对施工进度风险水平进行模拟。在此基础上，为降低公路工程施工进度风险，综合考虑风险破坏和交互程度改进传统“概率-损失”风险矩阵，对不同风险防范策略实施后的管控效果进行仿真模拟，进而提出了相应的风险防范策略集。研究结果表明：风险间交互关系致使公路工程项目组合施工进度风险在整个施工阶段呈上升趋势，且施工阶段中后期风险上升趋势明显升高，有必要对风险进行控制；采取单一风险防范策略后总体施工进度风险降低[0.13%，10.12%]，下降程度并不显著；采取组合风险防范策略后总体施工进度风险下降[10.45%，17.42%]，显著度明显提高。该结果厘清了公路工程项目组合施工进度风险的交互关系，验证了风险防范策略的科学有效性，为解决公路工程项目组合施工进度的风险防范问题提供了依据。
桥梁工程
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  基于可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构研究综述

  韩强, 董慧慧, 王利辉, 杜修力

  中国公路学报. 2021, 34(9): 215-230. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.018

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  基于大震不倒，且震后无需修复或者稍加修复就能恢复正常使用功能理念的可恢复功能桥梁防震结构是桥梁地震工程研究的热点之一。设置可更换构件是实现桥梁结构可恢复功能的一种有效途径，附加可更换构件可恢复功能桥梁防震结构是指：在结构适当部位设置减震装置作为可更换构件，通过牺牲可更换构件从而保护主体结构免受损伤或大幅减小损伤，震后通过更换损坏构件以恢复结构正常使用功能。对附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的研究进行了系统的梳理和总结。首先介绍了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的设计理念；然后总结了目前国内外可更换构件的类型、附加可更换构件桥梁结构的抗震性能及其抗震设计方法的研究现状；并通过实际工程应用案例说明了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的工程实践价值；最后探讨了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的发展趋势。现有研究表明，附加可更换构件桥梁结构的功能可恢复性已得到了工程界的认可，但仍然需要在新材料、新构造形式的开发，系统性的试验研究以及抗震性能优化设计等方面开展深入研究。
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  桥梁平转施工中球铰界面的摩擦力精确计算方法及验证

  黄仕平, 袁兆勋, 唐勇

  中国公路学报. 2021, 34(9): 231-241. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.019

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  转体施工是桥梁施工中的重要方法，中国已成功将该技术应用于数百座大跨桥梁的施工。大吨位转体施工中，摩擦力的计算至关重要，但现有工程实践中给出的近似计算方法与工程试验值有较大差距。因此，精确的摩擦力和摩阻力矩计算理论，是转体施工中亟待解决的问题。首先采用称重原理获得竖向摩阻力矩，然后利用接触理论求得接触面的应力分布规律，并推导出竖向摩阻力矩理论公式，进而求得摩擦因数。之后，利用获得的摩擦因数，根据接触面的应力分布规律，获得了平转过程中的水平摩阻力矩和牵引力。最后，进一步将前述方法推广到带滑块的转体装置中，获得统一的摩擦因数、摩阻力矩计算方法。将该方法和有限单元法的计算结果进行对比，两者高度吻合；和实际工程数据对比，显示所提方法的结果更加合理、准确。主要结论如下：①根据称配重方法计算摩擦因数时，现有近似计算方法获得的摩擦因数，随着球铰参数α的增加误差逐渐增大。②球铰表面接触应力呈现出中间向两边逐渐增大的分布特征，现有计算方法假设均匀的法向接触应力分布与实际应力分布差距较大。无滑块转体装置中，有限元模型计算所得水平转动摩阻力矩比现有近似方法计算的大14.3%；而该方法计算值与有限元结果误差仅为3.0%。③在带滑块转体装置中，与工程实测值相比，现有近似方法和该改进方法获得的水平转动摩阻力矩误差分别为31.4%和23.7%。由此可见，该方法进一步提高了计算准确度。
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  预应力混凝土箱梁损伤后剩余承载力计算及变化规律研究

  虞子楠, 贺拴海, 任乐平, 刘大明

  中国公路学报. 2021, 34(9): 242-252. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.020

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  目前对在役桥梁进行技术状况评定时，往往需采用荷载试验的方法来反映桥梁结构实际损伤所产生的性能退化。然而，荷载试验方法存在费用高、耗时长等问题，进行荷载试验代价巨大，且对于存在损伤的结构具有一定的风险。因此，基于对一新建跨径30 m预制预应力混凝土箱梁进行的足尺模型试验结果，构造定义了2种不同的刚度损伤折减系数，结合规范给出的开裂构件抗弯刚度计算公式，提出基于刚度损伤折减系数计算构件实际剩余承载力的计算公式。结果表明：2种方法定义得到的抗弯刚度折减系数的变化趋势基本一致，箱梁在出现损伤后的刚度折减效应明显，从箱梁出现开裂损伤到承载能力极限状态刚度折减约40%，相邻两截面的刚度折减可近似呈线性分布；基于刚度损伤折减系数计算的剩余承载力与试验值的偏差都在5%以下；结合刚度折减系数沿箱梁纵向的分布规律，可计算得出在跨中截面出现损伤后，沿箱梁纵向各截面实际剩余承载力的分布规律。提出的基于刚度损伤折减系数计算实际剩余承载力的方法，可通过结构外观检查结果实现对带有损伤的预应力混凝土箱梁实际剩余承载力的准确计算，该方法简便可行、费用低廉，同时也可为出现损伤的在役桥梁技术状况评定及剩余承载力计算提供一定的借鉴。
隧道工程
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  土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

  谭忠盛, 杨旸, 薛君

  中国公路学报. 2021, 34(9): 253-262. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.021

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  随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。
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  交通隧道高强约束混凝土拱架性能研究与应用

  王琦, 肖宇驰, 江贝, 李术才, 何满潮, 辛忠欣, 窦鹏飞

  中国公路学报. 2021, 34(9): 263-272. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.022

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  在交通隧道，尤其是大断面交通隧道建设过程中常面临开挖扰动剧烈，围岩控制困难，传统支护强度不足，易出现支护构件破断、拱架屈曲失稳、拱顶冒落掉块等问题。约束混凝土拱架是一种高强、高刚、稳定性好的新型支护形式，能够满足此类隧道的围岩控制要求。目前针对交通隧道约束混凝土拱架的研究均为单榀小比尺试验，无法模拟现场拱架之间的协同承载，试验结果与现场拱架真实受力和变形情况存在较大差别。基于此，研发了交通隧道支护结构大型力学试验系统，开展了组合工字钢拱架、组合约束混凝土拱架与单榀约束混凝土拱架的大比尺力学性能对比试验，研究了拱架的变形破坏机制与整体承载性能。试验结果表明：①工字钢拱架整体呈现“拱顶弯曲，拱腰弯扭，拱架变扁平”的变形形态，变形破坏严重。2类约束混凝土拱架的节点位置在加载后期出现大变形或破坏，单榀拱架拱顶出现平面内弯曲，整体变形较为明显，组合拱架除节点处焊缝撕裂外，加载结束时整体未出现较大变形。②组合约束混凝土拱架的刚度和承载能力分别是组合工字钢拱架的2.51倍和2.63倍，是单榀约束混凝土拱架的4.18倍和2.78倍，组合约束混凝土拱架稳定性能和承载能力较高。③试验拱架均呈现出拱顶、拱底外侧受压，拱腰外侧受拉的受力特性，拱顶位置应力的增长速率较快，拱腰位置由于向外变形受限，易发生平面外失稳，拱顶和拱腰是拱架的关键受力位置。在上述研究的基础上，提出了约束混凝土支护体系在交通隧道中应用的工程建议，研究成果可为该类支护体系的设计和后期研究提供依据。
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  纵向力对带榫管片环缝剪切破坏机制影响研究

  曹淞宇, 封坤, 刘迅, 肖明清, 何川

  中国公路学报. 2021, 34(9): 273-284. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.023

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  为明确带榫管片环缝剪切受力机制及剪切受力过程中纵向力对管片结构环间接缝抗剪性能的影响，采用苏通GIL （Gas Isolated Line）综合管廊工程所用带有分布式凹凸榫的原型管片衬砌，通过局部原型试验，对带榫管片结构在考虑不同纵向力作用下的受荷过程中环间螺栓应力、环间分布式凹凸榫表面应力、环缝张开量进行了研究。结果表明：①不同纵向力作用下带榫管片结构环缝剪切受力机制不同，纵向力较小时环缝凸榫受力破坏方式为多次的凸榫混凝土冲削损伤破坏，而纵向力较大时环缝凸榫破坏方式为单次的混凝土剪切破坏，凹凸榫之间形成剪切破坏面。②不同纵向力作用下带榫管片结构环缝凹凸榫破坏最严重位置均靠近纵向接头处，为中间凸榫；两侧凸榫损伤程度较弱，纵向力较小时两侧凸榫损伤程度高于纵向力较高时。③环间纵向力的增加有助于提高带榫管片结构环缝的抗剪能力，可使凸榫均匀受力，同时降低凸榫的损伤程度，避免局部区域环缝接头与凸榫表面的应力集中；实际工程中可通过螺栓复紧等方式保持环间纵向力。④对于环缝张开量的控制是保持纵向力的主要目的，在实际工程中，可通过环缝张开量的状态与发展，通过分阶段分析凸榫受力模式，评估环缝凹凸榫抗剪能力的发挥程度，以达到充分利用榫槽抗剪性能的目的。
交通工程
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  一种新式的交叉口左转待行区信号控制方法

  蒋贤才, 谢志云, 金宇

  中国公路学报. 2021, 34(9): 285-296. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.024

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  针对信号交叉口许可相位运行期间直行车与左转车交通冲突严重、通行效率低下的问题，提出一种针对许可相位的新式左转待转区设计方法，设计该组织模式下的信号相位方案并分析了设置左转待转区前后的交通冲突情况。建立新式左转待转区设置后的延误模型，以车均延误最小为优化目标，建立改进后交叉口信号控制参数优化模型，并给出求解算法。以哈尔滨市融江路-群力第六大道交叉口为例，VISSIM仿真表明：尽管提出的方法对次要道路中左转车的延误和停车率不利，但总的车均延误在下降，特别是主路相位延误下降更明显，说明所提方法可行、有效。进一步分析交通流量规模、左转车比例和左转待转区容量等因素对设置左转待转区前后次要道路车均延误的影响，结果表明：当每方向左转待转区容量固定不变时，红灯期间到达的左转车辆数越多，所提方法适用的次要道路交通流量临界点越高，且随着次要道路交通流量的增加，所提方法适用的临界左转比例在下降；在相同交通条件下，每个方向左转待转区容量越大，车均延误就越小，说明每个方向左转待转区容量越大，所提方法的效果越明显。该方法有助于改善含许可相位的信号交叉口交通安全和通行效率。
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  基于客户价值和满意度的城市冷链物流时变路径问题

  王宁, 胡大伟, 徐杰, 赵姣

  中国公路学报. 2021, 34(9): 297-308. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.025

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  针对车辆保有量日益增加和拥堵情况日趋严重而造成的城市冷链物流时效性不强、客户价值不高、顾客满意度降低等问题，综合考虑客户价值、客户满意度以及成本等因素，提出一种城市冷链物流时变路径优化方法。考虑到冷链配送过程中不同时段的道路拥堵问题，采用分段函数刻画车辆行驶速度，并同时考虑时间窗和车辆载重量等约束，建立了多目标数学模型。使用线性加权法和主要目标法对多目标进行处理，将其转换成单目标数学模型。结合问题NP难特性，设计了单亲遗传算法对小、中、大规模算例进行了求解，结果表明：与未考虑客户价值模型相比，该模型在平均增加3.28%成本的情况下，提高14.96%的客户价值和14.64%的满意度；与未考虑成本模型相比，该模型在减少1.55%的客户价值的前提下，节约17.32%的成本；对比静态路网模型，模型减少0.92%的成本，提高6.27%的客户满意度和16.06%的客户价值。通过对目标函数中成本权重和客户价值权重进行参数分析，表明成本和客户价值之间存在明显的背反关系。
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  风险情境下老年驾驶人行为特性研究

  郭凤香, 熊昌安, 万华森, 倪定安, 周燕宁

  中国公路学报. 2021, 34(9): 309-321. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.026

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  为研究风险情境下老年驾驶人与中青年驾驶人行为特性的差异，并确定老年驾驶人的眼动、心理生理、驾驶操作及风险感知等各类行为特性的衰退情况；选取19位老年驾驶人和19位中青年驾驶人作为试验对象，应用眼动仪、生理仪及驾驶模拟平台开展驾驶模拟试验；采集5种风险场景下2组驾驶人的眼动、心理、生理、操作行为与车辆运行数据；对比分析2组驾驶人的注视及扫视等眼动行为特性、心率变异及皮电等心理生理行为特性、制动及转向等操作行为特性、风险反应及敏感度等风险感知行为特性。试验结果表明：2组驾驶人的各类行为特性均随风险等级的增加呈现一定的规律性变化，随着风险等级的增加，2组驾驶人的注视持续时间、皮电均值及增长率、心率增长率和风险敏感度亦随之增加，而扫视、心率变异指标SDNN、制动时间及风险反应时间等指标随风险等级的增加而下降；上述指标的规律性变化说明驾驶人对风险的关注度和敏感度随着风险自身危险性的上升而不断增加，进而做出的反应也就越早，同时伴随着心理紧张程度增加，需要付出的努力也越大，与年龄的高低无关；另一方面，老年驾驶人的各类行为特性出现明显的衰退且与中青年驾驶人存在显著差异，其中老年驾驶人的注视持续时间、扫视幅度、扫视速度等眼动指标分别衰退了37.83%、27.58%、23.80%，皮电均值、心率增长率和SDNN心理生理指标分别衰退了57.67%、20.08%和29.14%，转向熵、车速控制和制动反应时间操作行为指标分别衰退了32.81%、20.34%和49.48%，风险敏感度、判断阈值和风险反应时间风险感知指标分别衰退了13.70%、8.66%和31.80%。通过对风险情境下老年驾驶人的各类行为特性进行详细分析，确定了老年驾驶人各类行为的衰退情况，对老年驾驶人行为特性的研究具有一定借鉴意义。
汽车与机械工程
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  新型点阵夹层防撞梁与负泊松比吸能盒复合总成开发与吸能性能

  李兆凯, 马正东, 李亦文, 张伟

  中国公路学报. 2021, 34(9): 322-334. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.027

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  为高效解决车身结构抗撞性和轻量化同步实现的难题，以乘用车前防撞梁与吸能盒为例，将点阵夹层结构与负泊松比结构用于其设计，并考察新型复合总成的吸能性能。以传统高强钢方案作为对标基准，获取待开发总成的性能设计依据。基于高强钢总成40%重合率碰撞试验，完成有限元模型的精度验证，进而获得全宽碰撞的结构响应特征及吸能参考数值，用于指导新型总成的开发。通过数值模拟算例，分析新型复合总成对冲击输入能量的适应性及吸能量对负泊松比吸能盒壁厚的敏感性，从而提出增加吸能盒封板与防撞梁支撑的改进方案。改进后的点阵夹层防撞梁具有更佳的承载刚度与载荷传递能力，总成变形模式愈加合理；改进前、改进方案1与改进方案2的总成吸能量分别占输入总能量的11.5%、68.2%与92.76%，高于高强钢方案的64.09%；改进方案2较高强钢方案减重32.9%。复合前防撞总成的台车试验与仿真结果对比显示：输入能量、碰撞初速度、总成吸能量、平均压溃量、平均碰撞力与回弹速度等指标的偏差绝对值均小于5%。结果表明：采用点阵夹层结构与负泊松比结构后，新型复合总成的吸能性能与轻量化水平均优于高强钢方案，2类结构适合于车辆承载与吸能结构，复合总成的设计方法与开发流程适用于相关新型结构的开发。
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  基于模糊理论的沥青路面热风加热多参数优化

  肖茹, 焦生杰, 顾海荣, 张江勇, 郭栋梁

  中国公路学报. 2021, 34(9): 335-344. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.09.028

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  为了优化就地热再生热风加热参数，提高热风加热沥青路面的加热效果，基于有限元方法，建立了热风加热装置加热沥青路面的模型，模拟计算了热风加热沥青路面的过程，通过试验验证了仿真模型及参数设置的正确性。采用正交试验设计方法研究了热风温度、热风速度、出风孔离地高度对加热效果的影响。提出了基于模糊理论的热风加热效果评价方法，引入综合模糊评价指标代替沥青路面温度场、对流换热系数和加热过程中的能量利用率等单一评价指标对沥青路面加热效果进行评价，采用独立性权系数法确定了各指标的权重系数，仿真分析验证了综合模糊指标评价方法的有效性。结果表明：在加热装置的设计参数范围内，热风温度对沥青路面表面温度及分布均匀性影响最大，热风速度对换热系数影响最大，出风孔离地高度对能量利用率影响最大。以沥青路面温度场、对流换热系数和能量利用率等单一指标为优化目标获得的最佳加热参数组合，仅能保证各自指标最优，但其他指标较差；以综合模糊评价指标E_CFI为优化目标得到的最佳热风加热参数组合，可以同时获得较好的沥青路面温度场、对流换热系数和能量利用率。研究方法和结论为沥青路面热风加热参数的选择和加热效果的评价提供了一种有效可行的途径。