2023年, 第36卷, 第2期　刊出日期：2023-02-20

  

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  中国公路学报. 2023, 36(2): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2023, 36(2): 2-0.

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综述
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  基于深度学习的土木基础设施裂缝检测综述

  邓露, 褚鸿鹄, 龙砺芝, 王维, 孔烜, 曹然

  中国公路学报. 2023, 36(2): 1-21. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.001

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  基于深度学习的裂缝检测对于降低基础设施运营风险、节约运维成本并推进中国土木工程行业智能化转型具有重要意义。算法、数据集和评价指标是构建深度学习裂缝检测模型的关键要素；裂缝检测模型集成于机器人平台，从而实现对土木基础设施的全自动裂缝检测。为此，从以上4个方面对当前研究进行了系统梳理。首先，回顾了深度学习的发展历程，重点介绍了深度卷积神经网络在计算机视觉领域的应用及其在图像处理方面较传统算法所具有的显著优势。接着，详细介绍了3类基于深度学习的裂缝检测主流算法，包括分类算法、目标检测算法和语义分割算法。然后，对现有裂缝图像数据集以及模型性能评价指标进行了归纳。最后，总结了土木基础设施的各类裂缝检测机器人平台。综合分析表明：基于卷积神经网络主干结构的深度学习算法已被广泛用于土木基础设施表面裂缝的精准定位与分类，而裂缝的尺寸信息仍需依靠传统图像处理技术进行提取；由于像素级标注的成本和专业性高，大型的裂缝语义分割数据集相对缺乏，致使当前基于语义分割算法的裂缝检测模型鲁棒性较差；目前多数研究人员采用个人建立的裂缝数据集进行模型训练且采用不同的指标进行模型性能评价，缺乏统一的基准测试数据集和评价指标体系，无法对不同模型的性能进行平行比较；目前针对不同基础设施已相应开发了一些裂缝检测机器人，提高裂缝检测机器人的多场景适应性，并降低其应用成本是未来的发展方向。
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  智能网联混合交通流交叉口控制：研究进展与前沿

  马万经, 李金珏, 俞春辉

  中国公路学报. 2023, 36(2): 22-40. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.002

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  交叉口是城市道路交通运行的瓶颈点，是造成交通拥堵的问题所在。交通控制是调控交通流、预防和缓解交通拥堵的关键策略，在效费比上具有较大优势。智能网联、自动驾驶技术的发展催生了常规车辆（Regular Vehicle，RV）、网联车辆（Connected Vehicle，CV）和智能网联车辆（Connected and Automated Vehicle，CAV）组成的智能网联新型混合交通流，推动着城市道路交通控制对象、数据环境和控制手段的变革，为交通控制提出巨大挑战的同时，也为交通控制理论方法的创新发展创造了新的条件。智能网联混合交通流交叉口控制已成为国内外研究热点，尚处于研究起步阶段。根据路权特征，先从单点交叉口、干线交叉口和路网多交叉口3个层面梳理智能网联混合交通流环境下的共用设施交叉口控制研究，包括交通信号配时、车辆轨迹/路径规划以及车辆轨迹-信号配时协同控制。然后介绍自动驾驶专用设施交叉口控制研究，包括CAV专用车道、CAV专用路段、CAV专用区域和快速公交-CAV混合专用车道。通过对现有成果的梳理发现：虽然新型混合交通流交叉口控制研究取得了部分进展，但RV驾驶行为的随机性、CV驾驶行为的不完全可控性、CV/CAV横纵向轨迹的耦合性以及CV/CAV的时空稀疏性等仍是待解决的研究难点；并从流中控粒、以粒控流和粒流协控3个角度对未来研究方向进行了展望，为智能网联新型混合交通流控制研究提供参考。
道路工程
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  基于黏弹-塑性圆孔扩张理论压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度计算方法

  陈昌富, 李伟, 朱世民, 陈轶龙

  中国公路学报. 2023, 36(2): 41-51. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.003

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  压力注浆锚杆在隧道、边坡、基坑等支护工程中应用广泛。为了预测锚杆在不同注浆压力下的锚-土界面黏结强度，将锚-土界面法向应力的发展过程分为2个计算阶段：压力注浆时锚孔扩张半径的计算和浆液硬化后界面法向应力的计算。在计算时，将锚孔扩张过程视为无限土体中的瞬时圆孔扩张问题，考虑塑性区土体服从统一强度准则，推导出压力注浆时锚孔扩张半径解答；然后，考虑土体的时变特性，引入黏弹-塑性圆孔扩张理论，采用Merchant模型推导出浆液硬化后界面法向应力随时间衰减的解答；最后，基于库仑抗剪强度公式，建立了压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法。为了验证所提计算方法的可靠性，采用自制的锚杆微元体压力注浆装置，制作了3种不同注浆压力下的锚杆试样并开展了拉拔试验。将获得的试验结果与所提理论计算结果进行对比，并结合已有的压力注浆土钉拉拔试验结果进一步验证。结果表明：提出的压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法能够准确的预测试验数据，可为工程设计提供参考。最后进行了参数分析，结果表明：锚-土界面黏结强度与注浆压力呈线性关系，注浆压力增大能有效提高锚杆的承载性能；锚-土界面黏结强度随着复合模量的增大呈现非线性增加。
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  透水型级配碎石基层填料强度演化特征的离散元模拟

  肖源杰, 王小明, 于群丁, 华文俊, 陈晓斌

  中国公路学报. 2023, 36(2): 52-68. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.004

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  骨架空隙型级配碎石填料因其较好的渗透性能而广泛应用于透水型基床结构层，但其在不同级配下的抗剪强度特征及演化规律仍不明确。首先针对6种不同级配类型的碎石填料试样开展了不同围压下的室内单调加载三轴压缩试验，进而采用考虑颗粒真实不规则形状的三维离散单元方法对室内试验结果进行了数值模拟研究，从颗粒间接触、微观组构和颗粒运动等角度揭示了透水型级配碎石基层（UPAB）填料抗剪强度机理及其随级配变化的演化特征，验证了室内试验得出的级配影响规律及级配优化设计方法。研究结果表明：细颗粒通过改变颗粒体系的内部排列结构（即各向异性程度）而直接影响级配碎石填料宏观抗剪强度，细颗粒含量对试样的剪切破坏形态有直接影响，随着细颗粒含量的减少，试样整体发生较大变形时表现为内部颗粒发生转动的比例下降但发生颗粒间滑动的比例增加；试样失稳的主要原因是由于颗粒拓扑结构的改变，最终发展成不可逆的塑性变形；级配控制参数G/S=1.8时试样表现出最低的各向异性特征，相同应变条件下的颗粒旋转角均值最小，表明此时试样内部的颗粒堆积排列最优且抗剪强度最高，G/S=1.8可取作“填充密实”型与“残余空隙”型结构的分界；不同级配的试样内部颗粒的欧拉角变化在4.75~9.50 mm粒径范围内明显减小，表明该粒径范围是颗粒发生滚动和滑动的分界粒径，而颗粒滚动和滑动与其抗剪强度直接相关，故从颗粒运动角度验证了级配控制参数G/S的合理性。
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  基于干湿循环与三维条件下污泥固化土邓肯-张模型研究

  杨爱武, 梁振振, 卢力强, 杨少坤, 马锐敏

  中国公路学报. 2023, 36(2): 69-79. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.005

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  为研究城市污泥固化土作为路基填料时其在复杂应力状态下的力学特性，通过GCTS真三轴试验仪对城市污泥固化土进行不固结不排水试验，探讨其在不同干湿循环次数和中主应力比条件下的应力-应变特性和抗剪强度指标变化规律，并在三维条件下对邓肯-张模型进行了双重修正。研究结果表明：当干湿循环次数和围压一定时，污泥固化土的结构屈服应力随着中主应力比的增大而增大；当中主应力比和围压一定时，污泥固化土的结构屈服应力随着干湿循环次数的增加而降低，且干湿循环次数为3时降幅最大，干湿循环次数大于5之后土体结构屈服应力降幅较小；此外，对比污泥固化土的真三轴试验曲线与邓肯-张模型预测曲线，发现理论曲线与试验曲线存在一定差异，而通过考虑中主应力比、干湿循环次数和中、小主应力差作用的影响对污泥固化土邓肯-张模型进行2次修正，使得到的邓肯-张模型预测曲线与真三轴试验曲线基本一致，该预测曲线可准确反映污泥固化土的真实受力状态，可为其在路基工程中的应用、施工提供理论指导和预测分析。
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  基于机器学习预测微生物加固钙质砂统一动强度

  胡健, 肖杨, 肖鹏, 王林, 丁选明, 仉文岗, 刘汉龙

  中国公路学报. 2023, 36(2): 80-88. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.006

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  为探究不同微生物加固程度、有效围压和相对密实度与微生物加固钙质砂的动强度系数之间的相对重要性大小，并建立相应的统一动强度准则，用以预测微生物加固钙质砂的动强度，依据86组微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术加固钙质砂的不排水三轴试验数据建立数据集，利用反向传播神经网络（BPNN）和多元自适应回归样条（MARS）方法对数据集进行训练和预测。结果表明：微生物加固程度对动强度系数的影响程度最大，有效围压的影响稍逊之，相对密实度的影响相对较小，其相对重要性大小均值分别是100%、94%与68%，基于机器学习方法对微生物加固钙质砂的动强度系数进行预测的效果优于传统方法建立的统一动强度准则所获得的结果，其中BPNN模型的预测结果更准确，MARS模型的计算效率更高。
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  干湿循环作用下炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法

  李盛南, 梁桥, 刘新喜, 张馨尤, 肖俊, 黄中华

  中国公路学报. 2023, 36(2): 89-96. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.007

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  为建立干湿循环作用下炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法，对干湿循环作用后的炭质泥岩试样进行X射线衍射试验，测试干湿循环作用下炭质泥岩的矿物成份演变；同时，采用电感耦合等离子发射光谱测试技术，研究干湿循环作用下炭质泥岩浸泡溶液的离子浓度变化规律；基于离子守恒定律，推断干湿循环作用下炭质泥岩矿物发生的化学反应；在此基础上，建立浸泡溶液离子浓度与炭质泥岩矿物反应量的定量关系，并计算炭质泥岩各矿物反应的体积；基于唯象理论，提出以反应物与生成物的体积差为溶蚀孔隙体积增量，构建炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法；最后，利用比重瓶法和核磁共振法对炭质泥岩溶蚀孔隙度的计算结果进行验证。结果表明：干湿循环作用下炭质泥岩的方解石、钾长石和钠长石含量减小，高岭石含量增加；随干湿循环次数增加，浸泡溶液中Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Fe²⁺和Al³⁺离子浓度均增加，其中Ca²⁺离子浓度增长速率是其他阳离子的数十倍；经化学分析发现，方解石溶蚀和长石水解生成高岭石是干湿循环作用下炭质泥岩孔隙演变的主要化学反应。试验证明，利用矿物离子浓度计算炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法是可行的，该方法为定量研究干湿循环作用下软岩孔隙演化提供了新的思路。
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  粒料层当量模量求解新方法——以粒料基层沥青路面为例

  黄优, 王帅, 刘朝晖, 张允宝, 柳力

  中国公路学报. 2023, 36(2): 97-106. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.008

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  为了给沥青路面合理设计提供参考，围绕粒料的非线性特性对粒料层当量模量展开研究。基于Uzan三参数模型编制材料子程序，并引入Cary&Zapata模型对粒料回弹模量进行湿度调整；利用有限元方法开展不同温湿度组合下的沥青路面非线性结构计算；自主开发迭代反演算法，提出基于关键结构响应（沥青层底最大拉应变等效）的粒料层当量模量求解新方法，并结合当前基于路表弯沉的结构层反算模量进行比较分析。结果表明：①由于粒料的非线性，路表弯沉等效并不意味着内部关键结构响应等效，采用基于路表弯沉的线弹性模量反算体系对具有明显非线性的粒料层模量进行求解，存在不合理性；②自主开发的基于关键结构响应等效的粒料层当量模量求解方法快速稳定，沥青面层底部最大拉应变的相对误差可控制在1%之内；③以层状弹性体系为理论基础的沥青路面设计方法忽略了粒料层的非线性，造成荷载传力路径与真实情况存在偏差，使得实际弯沉（非线性）大于计算弯沉（线弹性），从理论上论证了中国当前“柔性基层沥青路面弯沉验收难以通过”的现实困境；④基于关键结构响应的当量模量与当前基于路表弯沉的反算模量之间存在良好的相关性，提出了二者的转换模型E_eq=a*E^b，后续将进一步探讨2种模量之间的协调与统一。研究可为完善沥青路面设计理论与粒料的推广应用提供参考。
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  基于流变特性的消石灰改性油污泥热解残渣沥青胶浆稳定性研究

  冉武平, 张珊珊, 朱海林, 李玲, 张玉

  中国公路学报. 2023, 36(2): 107-119. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.009

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  为探究油污泥热解残渣沥青胶浆性能，实现其在道路工程中的应用，开展了消石灰改性油污泥热解残渣沥青胶浆稳定性与改性机理研究。通过扫描电镜和红外光谱试验分析油污泥热解残渣的理化性质；在此基础上通过沥青胶浆三大指标和黏度试验，解析消石灰改性油污泥热解残渣沥青胶浆的掺配比；通过沥青弯曲蠕变劲度（BBR）和动态剪切流变（DSR）等试验评价了消石灰改性油污泥热解残渣沥青胶浆水稳定性能及高低温流变性能；最后通过微观试验解析消石灰改性油污泥热解残渣沥青胶浆的微观界面特性和改性机理。结果表明：油污泥热解残渣存在以中大孔为主、微小孔为辅的多孔体系，经消石灰改性后的油污泥热解残渣与沥青之间存在较强的物理吸附作用与化学吸附作用，提高了油污泥热解残渣与沥青之间的黏结力；消石灰掺量占填料总质量的30%时，其对油污泥热解残渣沥青胶浆的改性效果最佳；当粉胶比为1.0，消石灰掺量为30%时，与普通矿粉沥青胶浆相比，其水煮后的质量损失率减小了18.2%；-6℃、-12℃、-18℃时的蠕变劲度分别降低18.3%、16.5%、5.4%；64℃、70℃、76℃、82℃时的抗车辙因子分别降低6.9%、7.4%、3.3%、1.4%。故而消石灰可改善油污泥热解残渣沥青胶浆的水稳定性能与低温流变性能，研究成果为实现油污泥热解残渣的资源化利用提供了理论和技术支撑。
桥梁工程
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  基于Lamb导波深度学习的钢桥面板疲劳裂纹智能监测研究

  程斌, 石林泽, 刘天成

  中国公路学报. 2023, 36(2): 120-128. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.010

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  正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出，传统方法难以实现有效监测，可采用对钢结构裂纹高度敏感的Lamb导波信号进行裂纹监测。考虑Lamb导波在钢桥面板上的不同传播方式，建立钢桥面板有限元模型，并开展导波传播数值模拟；通过连续小波变换提取得到导波的主要特征，并运用深度学习技术挖掘导波特征中的疲劳裂纹信息，实现对钢桥面板疲劳裂纹的智能监测。结果表明：导波纵向和横向传播模式下的导波特征均能很好反映各类裂纹的影响，且2种传播模式之间可实现裂纹监测需求的有效互补；经过学习训练后的深度置信网络可实现对4 mm及以上长度裂纹的高准度识别，对裂纹深度的测量误差也在1 mm以内。研究成果为Lamb导波传感技术在钢桥面板疲劳裂纹监测中的应用提供了重要依据和方法参考。
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  直缝型后张预应力装配式UHPC挡块抗震性能研究

  吴文朋, 叶鑫, 周权, 李立峰

  中国公路学报. 2023, 36(2): 129-140. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.011

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  针对常规普通混凝土挡块在震后修复较困难的问题，提出一种适用于中小跨径桥梁结构的可替换直缝型后张预应力装配式超高性能混凝土（UHPC）挡块结构形式。设计并制作了4组装配式UHPC挡块模型试件，分别进行拟静力破坏试验，探讨了加载高度、挡块厚度和预应力初张力大小对后张预应力装配式UHPC挡块抗震性能的影响。然后，建立ABAQUS有限元分析模型并与试验结果进行校核验证，通过一系列有限元参数分析研究了挡块摩擦因数、荷载加载高度、预应力初张力值和UHPC挡块厚度对新型挡块转动机制的影响机理。研究结果表明：装配式UHPC挡块具有良好的抗震位移能力和自复位功能；挡块与盖梁间的摩擦因数对挡块转动性能的影响可忽略不计；加载高度增加会导致挡块转动临界荷载和承载能力下降；增加挡块厚度能显著提升挡块自身强度，降低挡块地震损伤；增大预应力初张力大小能够提高挡块的临界转动荷载和承载能力；进行后张预应力装配式UHPC挡块设计时，可直接利用预应力初张力和加载高度等参数来估算挡块的设计临界转动荷载。
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  耐候钢及其焊接节点大气腐蚀经时演化预测方法

  马燕, 张清华, 范传斌, 柴翔雨, 笪乐天, 李明哲

  中国公路学报. 2023, 36(2): 141-153. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.012

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  为了给解决耐候钢桥在应用和发展中所面临的腐蚀问题提供理论方法与对策，针对耐候钢在大气环境中的腐蚀损伤演化特性，通过编制MATLAB程序，建立了基于三维元胞自动机技术的耐候钢焊接节点大气腐蚀经时演化模型。该模型根据耐候钢在大气腐蚀过程中发生的化学反应，将大气腐蚀系统中的关键元素抽象成4种元胞类型，并离散成元胞网格。对母材和焊缝分别定义了不同的元胞邻居类型，模拟了耐候钢焊接节点代表性体元在介观尺度上的腐蚀演化过程，并通过大气暴露试验验证了所提出方法的可行性和有效性，揭示了耐候钢焊接节点腐蚀动力学及蚀坑演化规律，分析了溶解氧浓度和溶解概率对腐蚀损伤的影响。在此基础上提出了耐候钢大气腐蚀经时演化预测方法。研究结果表明：所提出的耐候钢焊接节点经时演化模型稳定可靠，演化规律合理，当时间尺度和空间尺度分别设置为0.2年和100 μm时，模拟结果与大气暴露试验数据吻合良好；耐候钢焊接节点的腐蚀损伤主要由溶解概率和溶解氧浓度决定，平均腐蚀深度随溶解概率和溶解氧浓度的增加而增大。所提出的耐候钢大气腐蚀演化预测方法能够较为准确地再现研究对象的大气腐蚀过程，描述和识别研究对象在大气中的腐蚀动力学、腐蚀形态和蚀坑分布特征，可为耐候钢及其焊接节点在长期大气腐蚀过程中的腐蚀行为连续预测提供依据。
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  基于线形识别的索力测量方法影响因素研究（双语出版）

  王邵锐, 王犇, 程崇晟, 周建庭, 屈建强, 谭虎

  中国公路学报. 2023, 36(2): 154-165. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.013

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  拉索是索承重桥梁重要的传力构件，其受力状态是反映桥梁健康状态的重要指标，准确测量拉索的索力对保障桥梁结构的安全至关重要。结合数字图像处理技术和拉索计算理论，提出了一种基于线形识别的索力测量方法，可实现非接触式无损测量，设备简单，操作方便，效率高。通过高精度的图像采集及数字图像处理技术进行拉索线形的识别与提取，获取拉索有限空间点的几何坐标，再基于悬链线理论和过“三定点”的精确线形数值计算方法，即可快速计算出索力。通过缩尺模型试验验证了该方法可适用于不同长度、不同直径、不同倾角的索力测量，测量误差为2%~5%。采用数值仿真的方法，探究了温度变化、拉索弯曲刚度、减振装置等单一因素变化对索力测量精度的影响规律，并基于模型试验，剖析了图像采集角度及采集距离对测量精度的影响。结果表明：拉索的弯曲刚度、边界条件对短索测量精度的影响较大，拉索温度的变化对测量精度影响较小，减振装置对测量精度的影响随减振装置刚度提高而增大，拉索图像正面平拍和近距离采集可提高方法的精度；基于以上分析，建立了考虑弯曲刚度和减振装置影响的索力修正方法，修正后索力误差为1%~2%。
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  基于机构运动及磨损理论的伸缩装置滑动支承磨损评估方法

  李光玲, 苏权科, 韩万水, 许昕

  中国公路学报. 2023, 36(2): 166-178. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.014

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  为评估运营阶段风及车流作用下大跨桥梁转轴式伸缩装置的服役状态，融合机构运动理论及磨损机理建立转轴式伸缩装置滑动支承构件的磨损寿命评估方法。以变杆长双滑块双导杆四连杆机构的运动理论为基础，推导了多滑块多导杆的伸缩装置机构运动学数值仿真模型；基于Archard磨损理论提出了伸缩装置滑动支承磨损深度计算模型，以失效概率为指标建立了伸缩装置滑动支承磨损寿命的评估方法；以一单跨悬索桥为算例，对风和车流作用下伸缩装置滑动支承的服役年限及其年更换次数进行定量评估。分析结果表明：建立伸缩装置的机构运动仿真模型，通过与8缝伸缩机构的运动试验数据对比，验证了仿真模型的准确性；利用伽马分布能够较好地模拟伸缩装置滑动支承磨损深度的累加概率特性；随机车流和风作用下，悬索桥伸缩装置滑动支承的服役年限随距滑动侧越近而越小，失效概率反之；一般流和风速10 m·s^-1工况下，超82%的滑动支承服役年限小于15年；不同车流密度-风速联合作用对伸缩装置滑动支承的服役年限影响显著，伸缩装置滑动支承的合理更换周期应依据桥址交通量荷载水平及风场条件制定；建立的转轴式伸缩装置滑动支承磨损寿命评估方法可为同类型伸缩装置机构的磨损寿命评估提供参考借鉴。
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  非同时受压矩形钢管混凝土界面传力特性研究

  程高, 张之恒, 陈浩, 王凯强

  中国公路学报. 2023, 36(2): 179-189. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.015

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  受结构构造、施工方法及制作精度等影响，钢管混凝土桥梁节点区域传力较为复杂，压力荷载传递往往先由钢管或混凝土承担，经过一定长度后再由钢管和混凝土共同承担，钢管和混凝土非同时受压现象较为普遍。界面传力机理决定着非同时受压钢管混凝土构件、节点及界面抗剪连接件的工作特性。基于弹性连续介质层法，利用变形协调条件，建立了非同时受压矩形钢管混凝土界面传力理论分析模型，推导出剪力传递长度及界面纵向剪力的解析表达式。经有限元验证理论分析模型，进行了矩形钢管混凝土界面传力特性的敏感性参数分析，给出了矩形钢管混凝土剪力传递长度和界面纵向剪力的变化规律。结果表明：给出的界面相对滑移、界面纵向剪力、剪力传递长度等解析公式计算精度较高，可为钢管混凝土构件、节点及界面抗剪连接件的设计计算提供理论依据；剪力传递长度是反映钢管混凝土界面传力特征的关键指标，决定着钢管与混凝土协同作用范围及强弱；弹性工作阶段混凝土先受压和钢管先受压时界面剪力传递长度相等，与轴力无关，受界面剪切刚度影响规律相同；界面纵向剪力与轴力成正比；剪力传递长度随界面剪切刚度的增大而减小，与之呈负指数函数关系，随钢管、混凝土的轴压刚度增大而增大，与之呈二次函数关系。
交通工程
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  基于因子分析与熵值法的不同隧道侧向宽度下驾驶负荷模型

  阎莹, 王虹婷, 万利, 袁华智, 刘革

  中国公路学报. 2023, 36(2): 190-202. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.016

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  为探究隧道侧向宽度对驾驶心理及行为的影响机理，采用眼动仪、CAN-OBD测速仪等设备在滨莱高速试验场开展不同侧向宽度场景实车试验，获取30名男性驾驶人在不同侧向宽度场景下生心理及驾驶行为数据；以心率均值、车速差、速度标准差、平均注视持续时间和注视时间标准差为关键变量，建立基于因子分析与熵值法的驾驶负荷量化模型，量化评价不同侧向宽度下驾驶负荷变化规律；基于K-means聚类算法确定不同等级驾驶负荷阈值，结合ROC曲线的分类判别和最大约登指数值，提出隧道侧向宽度临界阈值计算方法。研究结果表明：当设计速度为120 km·h^-1时，采用较大的隧道侧向宽度不仅有利于提高运行车速，同时可减小驾驶负荷；相较于左、右侧侧向宽度分别为0.75 m和1.25 m的标准断面设计尺寸，隧道左、右侧侧向宽度增加至1.00 m和1.50 m时，小型车和大型车驾驶人运行车速分别提升4.5%和3.6%，驾驶负荷分别减小31%和29%；不同侧向宽度下驾驶负荷低、中、高3个等级对应的阈值为0.23和0.42，隧道左侧最佳侧向宽度阈值为0.75~1.00 m，右侧最佳侧向宽度阈值为1.25~1.50 m。研究成果可为高速公路隧道横断面设计及安全高效运行提供技术支撑。
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  基于站点群体聚集性客流的公交串车调度优化

  李利华, 曹慧琪, 邓亚军, 邢璐, 靳竹喧

  中国公路学报. 2023, 36(2): 203-215. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.017

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  为提升城市公交准点率、减少延误，解决车辆串车问题，研究基于站点群体聚集性客流的公交调度优化方法。以乘客出行意愿、乘车属性、到站规律等标识公交客流变化特征，以车辆载客限制、站点延误、到达率、下车率等描述串车形成场景。考虑准时性、客流需求、调控策略等约束，采用实时混合控制策略，实现车头时距偏差与乘客总行程时间最小的多目标优化。提出的公交串车调度方法，考虑到乘客到达率的不确定性，并通过调控公交车辆站点驻站时间以及路段平均行驶速度，可满足站点时段性群体聚集公交客流出行需求，防范潜在的公交串车。在模型求解上，考虑到双目标优化视角的差异性，运用超车规则对串车场景下的出站车辆重新排序，设计基于NSGA-II的求解算法，以拥挤距离标定序度关系，以精英策略获取新种群，改进交叉算子，并基于TOPSIS法对获取的Pareto解集择优。最后，以实际公交线路为例进行案例分析，结果表明：基于站点群体聚集性客流的公交串车优化调度模型，系统考虑了乘客乘车属性与车辆载客限制，能够输出最优的车辆滞站与车速调整方案，并且能运算得出车辆离站时间、车头时距偏差、准点率、乘客等待时间以及乘客行程时间等多项运营指标。优化前后对比表明：总的车头时距偏差缩短了56%，乘客总出行时间下降了11.7%，乘客平均等待时间减少了12.5%，公交线路站点准点率提高了24.1%，串车次数减少36次。同时随机性验证试验中，两目标函数平均下降比例分别为50.4%与13.7%，下降幅度较大，优化效果较好。模型计算结果可较大程度提升公交运行效率，有效解决公交串车，解的鲁棒性与可靠性较强，方法的实用性与可行性较好。
汽车与机械工程
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  基于不同风格行驶模型的自动驾驶仿真测试自演绎场景研究

  马依宁, 姜为, 吴靖宇, 陈君毅, 李南, 徐志刚, 熊璐

  中国公路学报. 2023, 36(2): 216-228. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.018

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  为了验证自动驾驶汽车决策结果的安全性，提出一种具有自主决策和交互能力的行驶模型生成方法，该行驶模型作为背景车被用于构建自演绎仿真场景来测试自动驾驶汽车的连续决策能力。首先，以强化学习为基础、结合遗传与进化思想，创新地设计并生成了具有自主决策和交互能力的不同风格行驶模型；然后，在模型构建阶段分别训练生成了保守、普通和激进3种风格的行驶模型，其中普通风格行驶模型的训练参数来源于自然驾驶数据集highD的车辆参数分布，保证了该行驶模型的真实性；最后，在普通风格行驶模型的基础上设计并训练出了具有显著激进特征的激进风格行驶模型，以增强自演绎场景的复杂性和测试效果。结果表明：在模型真实性方面，以highD数据集中的跟车速度、车头间距、换道时刻下碰撞时间等参数的分布为真值，研究所生成的普通风格行驶模型的参数分布与真值的平均相似程度为88%，相较于基于规则的智能驾驶人模型（IDM）提升了20.3%；在场景测试性方面，以被测系统为主要责任方的碰撞次数为评估指标，研究生成的不同风格行驶模型所构成的自演绎场景的测试性约是由IDM构成的基线场景的7倍。因此，设计和生成的行驶模型所构成的自演绎场景可以有效支撑面向自动驾驶决策系统的仿真测试。
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  基于多目标参考信号优选的车辆路噪主动控制（双语出版）

  夏子恒, 贺岩松, 张志飞, 徐中明, 周桃

  中国公路学报. 2023, 36(2): 229-239. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.019

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  在车辆路噪主动控制（Road Noise Cancellation，RNC）过程中，参考信号的选择会直接影响系统的降噪效果。针对传统参考信号选择方法中存在的目标区域单一、参考信号间独立性不足等问题，提出一种改进的多目标参考信号优选方法。首先推导参考信号选择所依据的相干性和条件数评价指标，使用折衷规划法将上述指标构造成综合目标函数，并通过准则间相关性方法确定各项的权重系数；为降低运算量，利用遗传算法建立以该综合目标函数作为适应度函数的多目标参考信号寻优模型，并通过该模型获得一组优选的参考信号，从相干性分析及条件数计算结果易知，优选的参考信号组合在100~500 Hz频段内与目标噪声的相干性较好，且彼此独立；为验证该方法的有效性，以某款燃油车为研究对象，采用多通道NFxLMS算法对该组参考信号进行RNC仿真和实车道路验证。研究结果表明：在降噪效果方面，通过传统多重相干法选择的参考信号在100~500 Hz频带内的平均降噪量为4 dB （A），而通过多目标方法优选出的参考信号在100~500 Hz频带内的平均降噪量达到6 dB （A），RNC系统的控制效果得到增强；在计算效率方面，所提方法的计算量仅为传统多重相干法的0.01%，显著减少了运算负担，缩短了参考信号选择所需时间。
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  基于变论域模糊多参数自整定PID控制的智能挖掘机轨迹跟踪（双语出版）

  张新荣, 康龙, 唐家朋, 张军

  中国公路学报. 2023, 36(2): 240-250. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.02.020

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  智能液压挖掘机多用于特殊环境下的无人操纵施工。在执行诸如直线刮平、斜坡整平和定点挖掘等特定挖掘任务时，对智能挖掘机工作装置铲斗齿尖的轨迹规划和轨迹跟踪提出了较高要求。为此，针对智能挖掘机运动的控制问题，提出一种基于变论域模糊多参数自整定PID （Variable Universe Fuzzy Multi-parameter Self-tuning PID，VUFMS-PID）的轨迹跟踪控制策略。首先，在关节空间中通过三次非均匀有理B样条（Non-uniform Rational B-Splines，NURBS）曲线插补法完成直线刮平和定点挖掘轨迹规划，并得到工作装置挖掘作业时各关节角、角速度、角加速度位置序列。然后，综合考虑挖掘机非线性、时变性等特点，基于变论域思想，提出一种基于VUFMS-PID的轨迹跟踪控制方法。最后，基于AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真和硬件在环（Hardware-in-the-Loop，HiL）试验平台，对VUFMS-PID控制方法的有效性和先进性进行验证。研究结果表明：在铲斗齿尖运动过程中，规划轨迹平滑连续且变化幅值较小，规划轨迹与期望轨迹之间的误差较小；VUFMS-PID控制的响应速度和跟踪精度相较于传统PID控制与模糊PID控制有明显提升；在硬件在环试验分析中，提出的控制方法在跟踪直线刮平轨迹和定点挖掘轨迹时，能够将跟踪误差控制在20 mm以内，实现对规划轨迹的精确跟踪。