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2022年  第40卷  第6期

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本期导读
2022, 40(6): .
摘要(507) HTML (279) PDF(23)
摘要:
综述
船舶航行交通事件实时检测技术研究现状与展望
黄琛, 陈德山, 吴兵, 严新平
2022, 40(6): 1-11. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.001
摘要(1013) HTML (403) PDF(70)
摘要:
船舶航行交通事件检测依赖基于历史数据的离线检测方法, 检测模型适用性差, 难以满足监管人员的实时监测需求。通过分析船舶异常行为检测、航行事故检测等现有交通事件检测技术, 可以发现: 在数据层面, 监测数据来源单一、环境信息缺失; 在方法层面, 基于统计、风险评估等经典模型的事件监测方法效率高但准确性低, 基于神经网络、图像识别等机器学习的检测方法准确性高但效率低; 多源数据融合、多项技术结合的交通事件检测方法成为实时检测方法的发展趋势。在此基础上, 梳理了实时船舶航行交通事件检测的3项关键技术: (1)海事大数据技术: 高效处理船舶运动数据和航行环境数据, 统一多源异构数据结构标准, 降低数据源单一造成的事件误报率; (2)船舶行为动态建模技术: 利用知识图谱等技术融合船舶航行情境信息, 在不同船舶运动环境下利用深度学习、语义关联、图神经网络等方法构建不同的船舶行为模型, 提高检测准确性; (3)实时分析和可视化技术: 结合平行系统进行虚实系统间信息传递, 定性分析检测结果, 实时显示检测全过程, 提升监管过程中的人机交互效率。然后, 提出了包括数据采集、后台服务和客户端应用3个功能模块的交通事件平行检测系统; 该系统具备实时接收并处理船舶航行数据、分析并预测交通状态、动态检测并预警交通事件和仿真结果展示等功能。从数据融合、交通状态感知和交通虚实映射3个方面, 展望了面向海事监测实务的实时检测技术发展方向。
基于交通冲突理论的道路安全评价技术研究综述
葛慧敏, 周礼军, 薄云钰, 董磊, 臧文铠
2022, 40(6): 12-21. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.002
摘要(1180) HTML (593) PDF(110)
摘要:
基于交通冲突理论的道路安全评价技术, 是以交通冲突因素为指标的道路交通安全状态评价技术。在梳理交通冲突影响因素与安全评价基本概念的基础上, 列举了常见的道路安全评价技术应用场景; 从交叉口、高速公路、特定场景3个方面分析了交通冲突的影响因素; 从指标选取、方法选择、模型构建3个方面对道路安全评价技术进行了归纳总结。通过对现有文献的分析可以发现: 在应用场景构建时, 相比于考虑单一冲突因素, 综合考虑交通冲突影响因素, 将使得构建的交通冲突场景更接近实际情况; 在交通安全评价时, 科学选择复合指标、合理使用模糊综合评价和层次分析法构建安全评价方法, 将使构建的安全评价方法更加科学严谨。基于现有研究中存在的问题, 指出了道路安全评价技术未来的研究方向, 主要包括充分利用视频技术和互联网技术, 搭建实时、高效的安全评价模型; 验证现有道路安全评价方法在混合交通流下是否适用; 建立健全混合交通流环境下的道路交通安全评价技术标准和评价体系。
道路交通安全风险辨识与分析方法综述
寇敏, 张萌萌, 赵军学, 谢清民, 李鑫, 张荣林
2022, 40(6): 22-32. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.003
摘要(1597) HTML (513) PDF(187)
摘要:
道路交通安全风险辨识及分析的准确性、全面性, 是实现风险主动防控的基础和关键环节, 直接影响道路交通安全管理的精细化水平。从影响因素和分析方法2个方面对道路交通安全风险相关研究进行综述和评论。针对人的不安全行为、车辆的不安全状态、道路的不安全条件、外界环境刺激等单因素风险, 以及多因素间的关联耦合风险辨识, 梳理了安全风险理论分析法、系统安全分析法、大数据与人工智能分析方法等道路交通安全风险分析方法。研究表明: 安全风险理论分析法、系统安全分析法等以定性分析为主的方法侧重于对道路交通安全风险要素的全面、系统梳理, 具有简单、直观、易操作等优势, 但在多因素交织影响下的道路交通事故定量化剖析和事故成因深度挖掘方面存在较多局限性; 基于多源数据挖掘技术的大数据与人工智能分析方法在海量信息感知、高效计算处理等方面优势明显, 可基于多元数据对交通安全风险进行综合分析、精准挖掘, 刻画多因素耦合下的事故风险特征、探究事故发生规律, 是当前较为主流的研究方向。并提出道路交通安全风险研究领域存在的不足之处及未来研究发展方向, 主要包括多源异构数据的动态采集与融合、智能网联环境下的道路交通安全风险辨识、考虑时空异质性的可移植的道路交通安全风险识别模型研究等。
交通安全
高速公路限速策略优化方法与评价模型
杨雅钧, 张驰, 唐翔, 亓鑫, 赵一静
2022, 40(6): 33-44. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.004
摘要(926) HTML (363) PDF(63)
摘要:
为解决限制速度值确定不合理、限速方式不适用以及限速区间长度设置不恰当等问题, 对驾驶人行驶体验以及限速管理可信度的负面影响, 优化了高速公路限速区间最小长度、限制速度值、限速区间划分的确定方法, 进而提出了以安全车速与通行效率为依据的高速公路限速区间优化与评价模型。依据驾驶人视认距离、限速标志设置前置距离和驾驶人心理稳定距离, 标定计算模型中的限速区间最小长度。以行驶速度是否易发生突变为标准, 采用不定长法将不同路段划分为6种组合类型, 建立基于不同组合路段的限速预测模型。采用有序聚类分析法中基于划分和层次的分析方法, 以满足限速区间最小长度和交通延误最小2个方面为目标进行优化限速区间的划分。同时, 选取交通冲突率作为表征交通安全的指标, 选取交通延误时间作为表征交通效率的指标, 建立评价指标模型; 最后通过对比分析优化前后的指标来验证限速区间优化方法的有效性。以某山区高速公路为对象应用VISSIM开展限速优化仿真实验, 结果表明: 优化后安全评价模型参数值比原方案降低了约29.49%, 效率评价模型参数值比原方案提高了约21.90%, 优化后的高速公路整体安全性以及通行效率均得到提高。所提出的高速公路限速区间确定方法以速度突变为基准, 结合路段的属性及指标特点, 能够优化限速区间长度的制定和区间的划分。
人机混驾交通流交织区换道模型切换控制策略
李霞, 李明烨, 张孝铭, 崔洪军, 马新卫
2022, 40(6): 45-52. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.005
摘要(787) HTML (306) PDF(43)
摘要:
因交织区的强制换道存在紧迫性, 车辆换道行为在交织区后半段会出现因换道意愿强烈而产生的激进换道行为, 这种微观的换道行为将给交通流带来一定影响; 在人机混驾情形下, 不同类型换道切换控制模型同样可能影响交织区通行能力。在分析人机混驾交通流交织区换道行为特性的基础上, 将换道类型分为保守型换道和激进型换道; 在可接受安全间隙模型的基础上结合自动驾驶车辆间的协同行为, 构建自动驾驶车辆在保守状态下的协同换道模型; 以及在激进型状态下考虑目标车道后车类型影响下, 构建激进型换道模型。通过分析津保立交桥实地调研轨迹数据和NGSIM中US-101交织路段轨迹数据, 分别拟合了保守型、激进型换道模型切换点分布函数; 考虑不同车辆驾驶行为特性及其相互作用, 提出人机混驾条件下换道模型切换控制逻辑决策。以SUMO仿真软件搭建实验平台, 考虑人工驾驶车辆换道模型切换点分布特性, 以优化最大流率、交织区整体车辆运行速度、换道车辆速度等为目标, 确定不同自动驾驶车辆渗透率下自动驾驶车辆的最佳保守型-激进型换道模型切换点。仿真结果显示: 在交织区长度为250 m, 自动驾驶渗透率分别为0.2, 0.5, 0.8时, 自动驾驶换道模型切换点分别在180, 80, 50 m处达到最佳, 即随着自动驾驶渗透率的提高, 换道切换点最佳位置将向交织区入口处逐渐移动, 且在自动驾驶渗透率较低时这种换道切换点的变化较为明显; 在较高渗透率下, 由于协同换道出现频率增高, 自动驾驶强制性换道行为比例降低, 换道模型切换点对交织区通行能力的影响逐渐变小。本项研究对人机混驾条件下高速公路交织区自动驾驶车辆的换道控制提供决策依据
LNG船对船过驳作业配置模型与安全稳定性分析
石峰, 陶可健, 黄立文, 谢澄
2022, 40(6): 53-62. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.006
摘要(762) HTML (304) PDF(22)
摘要:
针对LNG船对船过驳作业中设备选型与配置问题, 利用多层次模糊综合评判分析并系统性地构建了LNG船对船过驳作业配置模型, 提出了LNG船对船过驳设备配置稳定性的定量分析方法和计算流程, 以145 000 m3和60 000 m3的LNG船舶为试验对象, 利用计算流体动力学(CFD)技术对2船组合体配置系统开展仿真试验分析, 并基于仿真试验结果开展了该模拟工况条件下LNG船对船过驳选型适配度的计算。结果表明: 在模拟工况下LNG船对船过驳选型与配置适配度为0.85, 与最优值1.00的误差为15%, 在20%的误差允许范围内, 验证了所提出的LNG船对船过驳作业选型与配置模型的有效性; 同时, 明确了LNG船对船过驳作业的环境限制条件应为能见度大于1 000 m, 风力小于6级, 流速小于2.5 n mile/h, 过驳作业安全区半径范围为1 210 m。采用所构建的过驳作业选型与配置模型能够实现LNG船对船过驳作业设备选型与配置安全稳定性的量化分析和确定具有普适性的LNG船对船过驳作业限制条件, 对于保障LNG船对船过驳作业关键配置选型的安全性具有重要意义。
交通信息工程与控制
考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法
王厚沂, 张存保, 曹雨, 陈峰, 曾荣
2022, 40(6): 63-71. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.007
摘要(830) HTML (293) PDF(32)
摘要:
传统的干道协调控制通常以协调流向的通行效率最大为优化目标, 然而在实际交通流量波动环境中, 某些非协调流向的流量在局部时段可能与协调流向相当甚至高于协调流向, 从而影响干道运行的总体效率。为了解决该问题, 研究了1种考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法。利用路径流量分担率和行程时间指数计算各车辆行驶路径的重要度, 并采用系统聚类算法识别干道上车辆行驶的关键路径。在此基础上构建了考虑关键路径序列的干道绿波协调控制模型: 考虑了各关键路径信号相位之间的协调关系, 设置了含0-1变量的信号相位矩阵, 并构建模型的基础约束条件; 设置了无效带宽存在性判断变量和最小重要度判断变量, 构建了考虑路径重要度的绿波带宽分配策略, 确保绿波带宽优先分配给重要度大的关键路径; 以关键路径序列加权绿波带宽总和最大为优化目标, 构建了模型的目标函数。利用VISSIM仿真软件搭建仿真环境, 以武汉市中山路4处交叉口组成的干道路段为例进行仿真验证。实验结果表明: 相比于传统的干道绿波协调控制方法和干道多路径绿波协调控制方法, 考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法使得干道平均延误分别减少了12.1%和4.8%, 平均排队长度分别减少了13.6%和7.6%, 平均停车次数分别下降了16.5%和9.7%;各关键路径的车辆平均行程时间与自身重要度大小严格成反比, 避免了绿波带宽的浪费。
基于信号检测论的国际豁免航班飞行员注意特征分析
李敬强, 张希凝, 胡超, 周妍汝, 刘安南
2022, 40(6): 72-80. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.008
摘要(724) HTML (339) PDF(12)
摘要:
《疫情期间豁免机组成员值勤期、飞行时间限制的实施办法》要求执行豁免航班(即不过夜休息航班)机组人员应对各种信号具有较高的检测能力。飞行员信号检测能力代表机组人员信息加工能力的准确性与决策效率, 高效的信息加工及决策效率能有效保障飞行安全。可见, 飞行员选择性注意、持续性警觉与阶段性警觉对飞行安全至关重要。基于信号检测原理, 设计了评估飞行员对选择性、持续性、阶段性3种刺激信号判别能力(d')与判断标准(β)的测试方法。收集了国内飞往北美洲的豁免与不豁免航班中18名飞行员在飞行过程中对上述3种信号的判断结果, 确定了辨别能力与判断标准, 绘制了受试者工作特征曲线(ROC)。结果表明: 在豁免与否2种模式下, 飞行员在去程降落后的疲劳自评感受差异最明显(卡罗琳斯卡嗜睡量表差值=2.333, 机组人员状态检查表差值=1.222);飞行员对选择性信号辨别能力(sig=0.337)与判断标准(sig=0.200)无显著性差异; 豁免航班飞行员对持续性信号的辨别能力(d'=4.149)高于不豁免航班(d'=3.137), 判断标准(β=0.616)低于不豁免航班(β=0.629);豁免航班中飞行员对阶段性信号判断能力(d'=3.916)高于不豁免航班(d'=2.994), 判断标准无显著性差异(sig=0.262)。总体而言, 豁免航班飞行员对3种信号辨别能力高于不豁免航班, 判断标准与平均反应时无显著差异。豁免航班飞行员信号检测能力不会对安全运行产生负面影响。
基于深度强化学习的自动化集装箱码头集成调度方法
尹星, 张煜, 郑倩倩, 唐可心
2022, 40(6): 81-91. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.009
摘要(1180) HTML (376) PDF(57)
摘要:
针对自动化集装箱码头卸货过程中岸桥、智能运输机器人和场桥设备交互作业, 实际调度环境复杂多变等问题, 以最小化最大完工时间为目标, 构建基于混合流水车间的三阶段集装箱码头集成调度模型, 为解决自动化码头调度环境动态性强的特点, 使用1种深度强化学习算法(DDQN)进行求解。依据码头实际调度情况, 使用神经网络实时拟合动作-值函数, 把各阶段设备状态数据输入模型, 采用经验回放机制训练模型, 把单一启发式规则加复合启发式规则作为设备候选行为, 通过强化学习动作选择与动作评估机制, 得到最优的集装箱-设备组合策略, 并与精确算法和常用的几种元启发式策略进行对比分析。结果表明: 较大规模算例下, 与目前较为先进的粒子群算法相比, 所提方法的总作业时间平均降低了7.84%, 与理论下界值的差距分别为6.0%, 5.6%, 4.6%, 三阶段设备负载较为均衡, 设备平均利用率为89%, 满足实际应用需求; 小规模算例下, 与Gurobi求解器的总完工时间平均误差为1.99%, 且随着算例规模增加, 所提算法在求解时间上显现出一定的优势, 求解时间最大提升59%, 验证了所提方法对于提升自动化集装箱码头运行效率的可行性和高效性。
交通规划与管理
基于3种可视图的进场航班流量波动特性适应性评估
张勰, 肖恩媛, 刘宏志, 赵嶷飞, 王梦琦
2022, 40(6): 92-105. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.010
摘要(637) HTML (242) PDF(9)
摘要:
在空域资源优化配置、运行效率提升、飞行安全保障等方面, 掌握空中交通流量波动规律发挥着先导性、基础性和关键性作用。为评估可视图、水平可视图、有限穿越可视图这3种图对航班流量波动特性及其演化的刻画能力, 针对同1个进场航班流的多尺度流量时间序列构建复杂网络, 分别从网络的整体结构和局部结构开展了适用性评估分析。针对网络整体结构特点, 提出了基于网络结构从属阵特点的网络细节损失率定义, 再通过k-core聚类分析考察了k阶核量化流量波动强度的适用性; 针对网络局部结构特点, 利用motif方法计算波动模式转移概率, 分析了不同长度序模体刻画波动演化的适应性水平。分析结果表明: ①当有限穿越可视图网络N值与节点数量占比在0.48%~1.442%区间时, N值的选择能够保证从属阵细节损失率在0.5范围内; ②可视图与有限穿越可视图(N=1~3)均能有效刻画航班流量时间序列的波动强度, 对时间序列波动的适应性评估值分别为2.665、4.810、6.973和9.883;③motifs序列长度过短, 将导致motifs类型数量少、不同motifs类型之间的转移概率趋于相同, 而在交通流混沌特性的影响下motifs序列过长对于预测没有意义, 因此, 可视图及N=1~3的有限穿越可视图motifs序列长度推荐使用选择4~7个节点长度。综上所述, 运用k-core聚类与motifs方法能有效分析整体网络与局部网络下波动模式的转移特征, 准确揭示空中交通时间维度的演变规律, 相关分析结果可以为航班延误预测提供依据, 能在航班实际运行管理中发挥先导性作用。
随机运输时间下集装箱海铁联运箱流径路优化方法
袁雪丽, 杨菊花, 任金荟
2022, 40(6): 106-117. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.011
摘要(570) HTML (209) PDF(23)
摘要:
集装箱在海铁联运过程中容易受到各种不确定因素的影响, 导致运输时间波动, 进而影响货物的送达准点率。为有效降低不确定运输时间的影响, 兼顾运输过程的经济性和绿色可持续性优化集装箱海铁联运箱流径路。采用随机机会约束规划构建运输总费用最少和碳排放量最低的多目标模型。在约束条件中引入铁路和海洋期望运到时间, 并对超过期望运到时间的径路进行惩罚处理, 保证运输径路的优越性。考虑一站直达和中转换装这2种运输组织模式, 克服现有研究未考虑货源是否充足的缺陷。运用不确定及概率论相关理论知识将不确定约束转化为线性约束。以西安至洛杉矶的集装箱货物出口径路优化为案例背景, 采用NSGA-Ⅱ算法求解, 并通过贪心算法改进初始化种群以及基于logistics分布的概率选择算子改进精英选择算子。通过对比分析得到以下结果: ①算法优化后运输总费用减少23.15万美元, 碳排放减少6.69 t, 同时算法求解速度提高了75.36%;②将本文模型选用的随机规划和模糊规划进行对比, 发现随机规划解集数量多于模糊规划, 且二者在相同输送径路中的运输总费用和碳排放量均优化了10.65%。因此本文模型和算法具有良好的优化效果。进行灵敏度分析, 观察置信水平以及时间影响系数对目标函数和货物送达准点率的影响。结果表明: ①较高的铁路和海洋运输置信水平会提高货物的运输总费用。②时间影响系数和货物送达准点率呈负相关, 影响系数越大货物送达准点率越低。
考虑驾驶策略的高速列车运行图节能优化方法
革新, 张玉召
2022, 40(6): 118-126. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.012
摘要(637) HTML (223) PDF(23)
摘要:
为了降低高速列车从始发站至终到站运行的牵引能耗, 研究了针对多列车区间运行时分同步分配的列车运行图节能优化方法。基于高速列车在站间采用的“四阶段”操纵策略构建最优驾驶策略集, 以牵引距离和巡航距离为变化因子, 以牵引能耗和区间运行时分为计算目标, 求解出最优驾驶策略集里牵引能耗与区间运行时分的线性关系。在此基础上构建多列车区间运行时分最优分配的节能运行图模型。模型以牵引能耗最低为目标, 考虑了列车总运行时间约束、变量取值范围约束以及安全间隔时分约束。在模型求解方面, 选取拉格朗日松弛算法, 将复杂约束松弛至目标函数当中, 从而把原问题分解为各区间可独立求解的子问题, 利用次梯度优化的方法得出精确解, 实现了多列车区间运行时分同步分配的目标。以宝兰高速铁路为背景进行算例验证, 结果表明: 通过重新分配区间运行时分, 10列车总共节约了595.958 kW·h牵引能耗, 平均节能率达到了1.2%;从运行图的层面分析, 该算例下通过调整区间运行时分的节能方法对其影响幅度较小, 具有较强的现实意义; 所提出的模型及算法的计算时间为10 s, 针对列车开行对数较多的高速铁路, 可有效提高求解效率。
“新能源汽车运行安全保障关键技术”专栏
锂离子电池安全检测传感器研究进展
赵星, 王澎, 抄佩佩, 李宁, 梁新苗, 董红磊
2022, 40(6): 127-136. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.013
摘要(994) HTML (403) PDF(116)
摘要:
近年来, 由于热失控引发的锂离子电池安全事故频繁发生, 严重影响了新能源汽车运行安全, 作为保障车辆运行安全的有效手段, 对电池系统进行安全检测尤为重要。为提高锂离子电池的性能、延长循环寿命, 减少热失控安全事故的发生, 需要利用传感器技术对电池工作状态进行实时监控和检测。根据电池正常和异常工作状态下各物理量的变化, 常用的安全检测信号有应力应变、温度以及特征气体等。目前, 用于检测上述信号的安全检测传感器在电池状态检测方面已得到了广泛的应用。然而, 传统的传感器存在着体积大、灵敏度低、不耐电解液腐蚀等问题。对新型光纤布拉格光栅传感器、柔性薄膜传感器以及半导体式气体传感器的工作原理进行概述, 总结了上述3种传感器在锂离子电池应力应变、温度和气体检测的应用现状, 并从稳定性以及灵敏度等角度指出当前研究的不足, 如光纤布拉格光栅传感器电池体系适用性差, 插入式薄膜传感器影响电池性能, 半导体气体传感器精度和寿命低等问题。如何以经济、安全和实用的方式将传感器安装到电芯中, 减轻实际应用中传感器对电池循环性能的影响以及提高传感器信号传递的稳定性、精度、灵敏度, 是锂离子电池安全传感器开发面临的挑战, 仍然需要在传感器、电池设计等方面开展大量实验研究。

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