公路交通科技

2024年, 第41卷, 第2期　刊出日期：2024-02-05
  

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    道路工程
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    岩沥青胶粉复合改性高模量沥青性能研究
    王联芳, 孙立军, 吕泉
    2024, 41(2): 1-10. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.001
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    为改善沥青路面抗车辙性能,解决因交通量迅猛增长和重载化而导致的路面车辙病害问题,采用岩沥青、胶粉对沥青进行复合改性,制备高模量胶粉/岩沥青复合改性沥青。随后通过沥青三大指标、黏度、动态剪切流变试验等测试指标分析不同改性沥青的高低温性能特点,并采用抗老化性能试验和储存稳定性试验研究复合改性沥青的高温储存稳定性及抗老化性能的变化规律。利用荧光显微分析(FM)和红外光谱(FTIR)分析技术探明沥青的复合改性机理。结果表明:胶粉和岩沥青的掺入有效改善了沥青路用性能,且胶粉能够削弱岩沥青对沥青低温性能的劣化效果;岩沥青能够有效改善沥青的储存稳定性和抗老化性能。此外,胶粉和岩沥青颗粒使得复合改性沥青的弹性成分明显增加,弹性恢复能力得到提升。随着岩沥青的掺量增加,复合改性沥青的高温抗剪能力提升更加显著;但过量的岩沥青难以分布均匀,容易导致颗粒聚集。胶粉能够在沥青中产生溶胀形成局部的网络结构,岩沥青颗粒则能够分布在这些网络结构中,与沥青进行物理共混,从而提高了沥青的内聚力。确定岩沥青和胶粉的掺量分别为6%和20%。
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    沥青混合料烟气富集方法与释放规律分析
    念腾飞, 李竞高, 李萍, 李树旺, 陈修乐
    2024, 41(2): 11-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.002
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    针对拌和站沥青混合料烟气无序排放和治理效果不佳,给自然环境及人体健康造成巨大的危害,以质量法为基础,自行设计组装符合沥青混合料厂拌状态的沥青烟气产生-富集装置,开展了沥青混合料拌和时烟气释放规律的研究。选取4种石油沥青,考虑现场拌和站沥青烟气的产生条件,将拌和温度、骨料比表面积及拌和频率确定为影响烟气释放的关键因素,采用实测修正的比表面积计算方法对集料的暴露面积进行计算,分析了各关键因素对厂拌沥青混合料烟气释放量的影响。结果表明:自行设计组装的烟气生成-富集装置具有良好的稳定性,能够保证实验结果的准确性;不同拌和工况下烟气中轻组分的量级远低于重组分,基质沥青经SBS改性后的烟气释放量有所减少;拌和温度是决定烟气释放量最关键的因素,烟气释放量伴随着温度的上升呈现出明显的增长趋势,沥青产烟具有较强的温度敏感性,不同拌和温度下烟气释放量差异显著,160℃及170℃是烟气释放量的跃升节点;沥青混合料的产烟量与骨料的比表面积成正比,骨料的比表面积通过决定沥青的暴露面积直接影响到烟气的释放量;烟气释放量与拌和频率正相关,相较于烟气重组分,烟气轻组分的释放量受到拌和频率的影响较小。研究结果可为拌和站烟气的释放与处置提供理论与技术支撑。
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    钢渣沥青混合料在道路工程中的应用
    惠迎新, 王欣宇, 徐新强, 赵涛
    2024, 41(2): 22-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.003
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    为了总结钢渣在道路工程领域的研究现状,推动钢渣沥青混合料的应用,把握其发展现状并梳理发展需求,综述了国内外钢渣沥青混合料的应用与研究进展。通过对钢渣沥青混合料的制备与施工工艺进行总结分析,围绕钢渣掺量变化,分析其对沥青混合料路用性能的影响,归纳出目前钢渣沥青混合料的优势与不足。最后,分别对钢渣沥青混合料的经济效益、体积膨胀性和环境影响进行综合评估,旨在为钢渣沥青混合料的深入研究与应用提供启示和借鉴。结果表明:钢渣沥青路面具有路用性能优越、服役寿命长、绿色环保等优势,在多个工程实践中得到了验证;在制备钢渣沥青混合料时,级配、原材料种类以及制备工艺的差异均会对混合料性能产生关键影响;在施工过程中,由于钢渣的特殊性,需严格控制运输、摊铺以及碾压阶段的温度与均匀性;钢渣掺量对沥青混合料的路用性能有显著影响,适当掺入钢渣可提升沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、抗疲劳性以及抗滑性,但会降低体积稳定性,综合考虑各项指标后建议钢渣适宜掺量范围为40%~50%;在钢渣沥青混合料的推广应用中,应综合评估不同地区的经济效益,并选择合适的钢渣处理工艺,以进一步改善钢渣的应用性能、提高处理效率并降低成本,为工程建设带来更好的灵活性和可持续性。
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    基于不同温度SCB试验的沥青混合料低温抗裂性能评价
    张磊, 李凌云, 薛海方, 杨涛, 高莉宁
    2024, 41(2): 39-47. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.004
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    为更方便、准确地评价沥青混合料低温抗裂性能,通过对半圆弯曲(SCB)试验对断裂能成分进行分析,探究了断裂能随温度升高而增加的原因,提出了基于SCB试验计算沥青混合料黏性耗散能方法,并用于评价沥青混合料低温抗裂性能。通过设计SCB试验,测试并评价了6种沥青混合料低温抗裂性能。结果表明:沥青混合料断裂能随测试温度升高而增加主要归因于黏性耗散能的增加,通过SCB试验预估沥青混合料黏性耗散能,用以评价沥青混合料低温抗裂性能;以黏性耗散能作为低温抗裂性能评价指标,对比不同再生沥青混合料的黏性耗散能的变化幅度,可以发现最大变化幅度(AC20R40与AC20R40RA试验组的差异)达到72.2%,远大于断裂能的变化幅度,可有效区分不同再生沥青混合料的低温抗裂性能,同时也有利于降低试验误差对评价结果的影响;随着试验温度升高,沥青混合料从脆性破坏逐渐转为延性破坏,断裂面中集料断裂面积逐渐减少,且材料原子或分子振动更剧烈,造成沥青混合料表面能逐渐减小,所以出现断裂能随温度先增大后减小的变化规律,其由黏性耗散能引起,断裂能峰值点温度即为黏性耗散能峰值点温度;建议黏性耗散能以―12℃与0℃温度下SCB试验的断裂能之差进行计算,用以评价沥青混合料低温抗裂性能。
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    基于SCB和3D-DIC技术的既有沥青路面剩余寿命预估
    胡洪龙, 江臣, 杨洋, 程龙, 张定一
    2024, 41(2): 48-56. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.005
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    在改扩建项目中准确评价超服役周期高速公路沥青路面的剩余寿命,对于合理制订既有高速公路沥青路面的利用策略至关重要。从服役周期超过20 a的高速公路上钻取27个沥青混凝土芯样,并制作成54个半圆试件,分别进行半圆弯曲(SCB)断裂和半圆弯曲(SCB)疲劳试验,评价既有沥青混凝土路面的抗疲劳特性和剩余寿命。为解决传统测试方法无法实时捕捉沥青混凝土在高周疲劳试验中试件表面裂缝拓展问题,引入立体数字图像关联(3DDIC)技术监测试件表面应变场以及裂缝长度随疲劳荷载次数的演化趋势,结合K-d tree算法计算了每个疲劳荷载循环对应DIC图像中裂缝长度的变化。同时,采用双线性软化内聚区模型(CZM)确定沥青混凝土裂缝的应变阈值,从而保证了K-d tree算法计算裂缝长度的准确性。构建了Paris方程主曲线消除沥青混凝土开裂参数在不同应力比下的不一致性,在宽荷载域范围内表征各种路段沥青混凝土的抗疲劳性能。结果表明:既有沥青混凝土裂缝的应变阈值为1 980 με;随着应力比的增大,Paris方程A和n参数分别表现出波动增加和平稳下降趋势,而应力强度因子阈值呈平稳上升趋势;K84,K124,K165路段沥青面层剩余寿命分别为2.13E+08,3.57E+08,1.02E+07,除K165路段外,其他路段的剩余疲劳寿命均满足路面设计年限内交通量要求。
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    不同温域变化下半柔性路面材料细观界面损伤开裂分析
    谢志惠, 何天明, 许克健, 程宏, 任敏达
    2024, 41(2): 57-68. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.006
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    损伤开裂是目前影响沥青路面结构耐久与行车安全的重要因素之一。路用灌注式半柔性材料(SFM)通过在沥青混凝土骨架中灌注水泥浆,兼具水泥和沥青特性,具有较好的耐久性及行车舒适性,但SFM界面处由于各相材料变形不协调易引发细观损伤。为了揭示半柔性材料在温度变化过程中的界面损伤,利用有限元分析方法,通过引入内聚力模型(CZM)对SFM界面区域在不同温域下黏结-失效过程进行了模拟分析。首先,以25%目标空隙率设计SFM的骨架沥青混合料,在对其进行基本性能测试后灌注水泥浆,制备SFM试件。然后通过工业CT扫描,获得SFM的内部截面几何信息,构建细观有限元模型。分别对SFM组分包括开级配沥青混合料、水泥灌浆料以及集料进行不同温度范围内的温缩行为测试,将试验获得的线收缩系数输入有限元模型中进行计算,研究其界面区域在经历不同温域后的应力集中、失效程度及损伤分布等问题。结果表明:与多数工况类似,在从20℃向― 30℃降温过程中,SFM内部应力主要集中于集料-沥青-水泥灌浆料界面区域。通过对各降温区段的应力大小及损伤程度分析后,发现20℃至10℃降温区间内,沥青膜黏结强度及断裂能最小且承受的不协调变形最大,因此该降温区间内SFM界面处损伤开裂最严重。
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    泥炭质土非线性固结理论研究
    阮永芬, 张福禄, 乔文件, 吴龙, 谈燕
    2024, 41(2): 69-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.007
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    在泥炭质土软基固结过程中,孔隙比和渗透系数会随固结时间增加逐渐变小,导致按Terzaghi一维固结理论计算的软基固结值与实测值存在较大误差,故以滇池湖相沉积泥炭质土为研究对象,进行固结-渗透联合试验,研究泥炭质土e-σ',k-σ'之间规律,从而得到e-lgσ',lg k-lgσ'模型,然后引入这两个模型推导出适用于泥炭质土的一维非线性固结理论,并求解出渗压指数Ck=1,Ck=2两种不同条件下的解析解。根据所取泥炭质土的Ck不同,当Ck=1时,一维非线性固结微分方程的解析解与Terzaghi一维固结方程解析解比较,仅竖向固结系数存在差异;当Ck=2时,一维非线性固结微分方程难以直接得到解析解,可引入激活函数得到非线性固结微分方程的一个特解。研究发现,Ck=1时,泥炭质土固结过程中Terzaghi一维固结理论预测沉降速率比实测快,固结完成所需时间短;推导的一维非线性固结理论预测的各时间段固结沉降值和实测值接近,预测固结完成所需的时间误差小,且上覆荷载越大St-t关系曲线与实测值越接近,推导的一维非线性固结理论预测结果越精确。研究结果可为泥炭质土类软基提供一种更为精确的固结计算方法。
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    激光基准公路边坡稳定性网联监测系统
    吴锋, 王会峰, 温立民, 王晓艳
    2024, 41(2): 79-87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.008
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    针对在役公路高危边坡对稳定性监测的高精度、实时性、远程需求,提出了一种基于FPGA解算高精度激光基准的光电图像式变形测量监测方法。激光网联监测系统分为激光发射单元和智能靶标接收单元,按功能实现靶标FPGA模块的合理划分,自定义设计了用于无线通信的COM接口。为提高系统精度,设计了靶标暗盒结构,使入射激光从纵向裂缝处透射到光屏,避免环境光干扰。为获得恒定功率的激光光源,设计了三环反馈结构的恒功率激光发射装置。为获得稳定的光斑,采用融合与连通算法,实现光斑的精准定位。建立从世界坐标系到像素坐标系的变换矩阵,通过张氏标定法求解监测系统的内参矩阵和外参矩阵,实现监测系统的三维标定。为更好地完成边坡沉降的远程数据传输,采用WEB技术为边坡监测系统开发远程界面,建立基于MySQL数据库的数据存储与处理系统,并安装于安康市汉滨区张滩-坝河段公路处。实测表明:边坡稳定性监测系统最大监测误差为0.25 mm,误差百分比小于2.99%;开发的基于云端网络的WEB远程界面系统功能完善,界面友好,可以满足边坡稳定性监测需求;通过为期1 a的边坡沉降对比测试,本研究测试结果要优于LM优化BP神经网络算法结果,表明本研究测试精度可以满足边坡沉降精度需求。
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    裂隙水作用下岩质边坡平面滑动力学模型
    姜楠, 张安然, 张芳, 陈明晖, 曹晓伟
    2024, 41(2): 88-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.009
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    在降雨等水力条件作用下沿岩层层面的平面滑动是顺层岩质边坡最常见的一种破坏模式,而目前关于该类边坡的稳定性计算方法几乎很少考虑裂隙面粗糙度对地下水渗流力及滑面抗剪强度的影响,进而导致其稳定性计算结果误差较大。为此,首先对地下水作用下的顺层岩质边坡受力特征进行分析,认为地下水将对滑动岩体产生3个方面的力学作用:张裂隙中的静水压力、滑面上的扬压力和渗流力,由此建立了相应的边坡稳定性计算模型。其次,通过引入裂隙面粗糙度对裂隙抗剪强度及地下水渗流力的影响,提出了考虑裂隙粗糙及地下水渗流力的顺层岩质边坡稳定性计算模型。而后,通过对含一条贯通粗糙裂隙的岩质边坡稳定性为例,验证了该模型计算结果的合理性,同时计算结果表明裂隙面粗糙度系数JRC对边坡稳定性有重要影响,必须予以考虑。最后,基于参数敏感性分析研究了主要参数如裂隙面粗糙度系数、裂隙基本摩擦角、裂隙宽度、裂隙壁面岩石抗压强度及地下水位高度等对边坡稳定性的影响,结果表明:仅裂隙宽度对边坡稳定性影响很小,而其他参数对边坡稳定性影响则相对较大,不容忽视。且裂隙面粗糙度对边坡稳定性的影响与裂隙壁面岩石抗压强度密切相关,随着其增加,裂隙面粗糙度对边坡稳定性的影响程度逐渐变大。
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  • 桥梁工程
    不同道路服务水平下连续梁桥动力响应研究
    韩智强, 谢刚, 李路遥, 赵洲, 董海青
    2024, 41(2): 96-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.010
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    为了解不同道路服务水平与桥梁动力响应间的内在关系,以(50+100+50) m三跨连续梁桥为工程实例,采用交通流理论,引入平均车头间距与车流密度的相互关系,获取道路服务水平为一级至四级所对应的车辆间距分布规律,基于模态综合法和结构动力学原理,通过轮-桥之间的几何位移和力学耦合关系,组建多车车桥耦合时变动力分析模型,提出多车车桥耦合振动系统数值分析方法,研究不同车辆数量和不同道路服务水平下桥梁关键截面动力响应的变化规律。结果表明:随着车辆数量逐渐增加,桥梁关键截面处的挠度响应时程曲线呈先增大后减小的趋势变化,其中当桥面上的车辆数量为4辆时,桥梁关键截面的挠度响应幅值达到最大;当桥面上的车辆数量继续增加到8辆时,桥梁挠度响应幅值达到基本稳定。在此基础上,计算得出不同车辆间距变化,即随着道路服务水平由一级变化到四级时,桥梁关键截面挠度响应幅值呈增大趋势,其动力响应均大于单车作用下桥梁挠度响应幅值;而桥梁冲击系数则呈现先增大后减小的变化趋势,也均大于单车规范取值;在不同道路服务水平中均存在有利车队布置形式,使得桥梁振动响应影响较小。
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    体外预应力节段式UHPC无腹筋梁抗剪性能试验研究
    姜海波, 胡泽彬, 曹志鹏, 田月强, 孙向东
    2024, 41(2): 105-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.011
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    体外预应力节段式超高性能混凝土(UHPC)无腹筋桥梁由于其施工工业化水平高且构造简单,得到广泛地关注,但其抗剪性能研究尚不成熟,相关规范也相对滞后。为了研究体外预应力节段式UHPC无腹筋梁的抗剪性能,开展了静力破坏试验,共制作了5根体外预应力节段式UHPC无腹筋梁、2根体外预应力节段式UHPC有腹筋梁和1根体外预应力整体式UHPC无腹筋梁,选取了剪跨比、钢纤维掺量、箍筋间距为研究参数进行试验。结果表明:接缝张开后梁刚度明显下降;添加钢纤维的试验梁的裂缝多而密;钢纤维的掺入可以提高梁的开裂强度、极限强度和裂后性能,2%钢纤维掺量的梁开裂强度比1.5%和0%掺量的增大8.20%和1.16倍;配箍筋的梁在钢纤维失效后箍筋开始受力,并且很快达到屈服,箍筋的存在可以提高梁极限承载力,无腹筋梁的极限承载力比箍筋间距为150 mm和75 mm的梁低15.9%和19.6%。采用AASHTO GSCB INTERIM-2003标准中计算干接缝节段式梁的折减系数0.85。在不考虑安全系数的情况下,法国规范NF P 18-710中UHPC梁抗剪承载力计算公式可以准确地预测含钢纤维体外预应力节段式UHPC无腹筋梁的抗剪强度,其试验值和预测值比值的平均值为1.04,标准差为0.28。
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    组合梁桥负弯矩区后张预制板抗裂技术研究
    方志杨, 寿浙坤, 林星昀, 彭卫兵
    2024, 41(2): 116-125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.012
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    对于跨径小于50 m的桥梁,使用强配筋能很好地满足抗裂性能要求,但对于更大跨径的组合梁桥负弯矩抗裂,单独采用强配筋的方式已不能很好地满足桥梁抗裂需求。为了提高50~80 m连续组合梁桥负弯矩区桥面板抗裂性能,实现负弯矩区桥面板装配建造,提出一种适用不同抗裂能力的模数式预应力预制板。首先,设计了适合负弯矩区快速施工的3类预制板,其中A类板为中间位置普通预制板,B类板为带齿块的锚固板,C类板为端部锚固板,根据实际受力情况采用这3类预制板数量及长度组合以满足抗裂需要。其次,结合设计规范与数值模拟,验算使用这种抗裂技术时桥梁结构的内力、应力、挠度以及抗裂性能,验证其可行性。最后,进一步扩展到中跨径50~80 m、1.5~1.7边中跨比的组合梁桥,分别采用MIDAS进行结构抗裂验算与适用性分析。结果表明:采用后张预应力预制板抗裂技术可实现预制板翼缘应力在长短期组合下不出现拉应力,满足规范A类构件抗裂要求;养护龄期6个月的预制块在降低徐变作用方面效果明显,降幅均在48%左右,可满足50~80 m主跨跨径组合梁桥桥面板抗裂与钢箱梁强度控制规范要求;采用负弯矩预制板后,相较于规范计算结果,负弯矩长度范围略降低,仍可采用规范中偏安全的计算。
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    基于MCFT理论的PC空心板梁抗剪强度分析
    武建, 赵国浩, 张峰, 张璐珂
    2024, 41(2): 126-138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.013
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    为研究预应力混凝土空心板梁的抗剪强度,基于6次预应力混凝土空心板梁抗剪强度试验,对板梁斜裂缝扩展、极限抗剪强度开展分析,基于修正斜压场理论(MCFT),建立了板梁理论计算模型,研究了预应力混凝土空心板梁箍筋间距的等效间距法确定原则,对比试验数据,验证了其有效性并分析弯剪组合效应对抗剪强度的影响,针对预应力、配筋率、钢筋和混凝土强度等不同参数开展分析。结果表明:加载点位置抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为0.71,剪跨中点位置抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为0.99,支座位置纯剪状态下抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为1.11,考虑弯矩后,板梁抗剪强度削弱,剪跨中点位置计算值与试验值更为接近;预应力混凝土空心板梁在弯剪组合状态下,全黏结预应力钢筋数量由2根提高到10根,抗剪强度提高21.7%;随预应力筋数量的增多,有效预应力大小对抗剪强度的影响更为显著,当弯矩为100 kN·m时,有效预应力由186 MPa增加到1 395 MPa的过程中,2根预应力筋抗剪强度提高10.2%,6根预应力筋抗剪强度提高15.3%,10根预应力筋抗剪强度提高20.3%。
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    基于随机森林的非常规突发事件结构化情景体系模型
    张咏华, 邬开俊
    2024, 41(2): 139-147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.014
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    为降低非常规突发事件发生所造成的各类损失,构建基于随机森林的非常规突发事件结构化情景体系模型。根据随机森林相关理论知识,使用python进行了试验仿真,并将交通隧道工程的坍塌事故视为非常规突发事件进行处理。首先,针对传统的非常规突发事件结构化情景模型存在的问题,构建非常规突发事件结构化描述空间,利用随机森林模型对非常规突发事件进行了分级,按照分级的结果,进行非常规突发事件的结构化描述。其次,基于朴素贝叶斯模型与支持向量机模型进行了对比试验,在相同的试验环境下,使用不同的数据集通过多次试验分析比较。最后,基于随机森林的回归模型预测事故类型,使用决策树模型对数据进行了可视化分析,并计算使用重要特征预测事故类型的时间效率与准确率。利用实际发生的交通隧道工程坍塌事故验证了随机森林回归模型的实用性。结果表明:随机森林模型的平均准确率比其他两种模型提高了至少8.77%;仿真结果与真实值几乎相近,仿真准确率值为1。研究结果为国家应急管理部门提供了应急决策依据,帮助决策者在最短的时间内提出合理的应急响应和应急预警方案,可以有效减少非常规突发事件发生所造成的经济损失,因此随机森林模型有较高的使用价值。
  • 隧道工程
    基于博弈论与可拓云的盾构掘进安全稳定性评价
    王伟, 王兴, 刘丹娜, 周勋
    2024, 41(2): 148-157. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.015
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为了研究对盾构掘进安全稳定性评价过程中各评价指标间的模糊性、随机性和各个指标的权重问题,选取地面沉降、建筑物沉降、河堤沉降、管线沉降以及管片沉降等监测数据作为评价指标,采用博弈论、层次分析法和熵值赋权法进行了组合赋权,通过可拓云模型计算评价指标的期望、熵和超熵,运用Matlab计算并绘制了各评价指标的云滴图。最后,将博弈论赋权结果与可拓云模型计算结果相结合,构建了盾构掘进安全可拓云综合评价模型,对实际工程案例中19组监测数据进行了安全稳定性评价,并与模糊综合评价结果进行了对比。结果表明:案例中盾构隧道区间安全稳定性评价指标的重要性排序依次为建筑物沉降、管片沉降、地面沉降、管线沉降和河堤沉降;综合评价结果为8个Ⅲ级,4个Ⅱ级,7个Ⅰ级,其中,对于Ⅱ级和Ⅰ级数据组附近需采取相应的预防措施;评价模型能够反映各指标之间的不确定性关系,避免了单一赋权的片面性,相较于模糊综合评判其计算结果更符合客观实际情况。综合上述研究提出了一种基于博弈论理论与可拓云模型相结合的综合评价方法,为盾构施工安全评价提供了新的方法和思路。
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    基于蚁群算法的公路隧道亮度检测路线研究
    陈建, 方正鹏, 王磊, 张萌
    2024, 41(2): 158-165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.016
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏
    为解决在普通干线公路隧道照明亮度检测过程中因隧道分散而致使行进路线迂回曲折、工作效率差的问题,找出一种合适的遍历隧道照明亮度检测路线。以经纬度地理坐标系为研究对象,通过资料搜集辅助百度或者高德地图等电子地图工具确定普通干线公路隧道经纬度地理坐标系,根据各省普通干线公路隧道的分部情况或者检测片区的隧道分布建立了经纬度球面坐标系数据库表,辅助地图分析软件工具进行数学计算,将建立的经纬度球面地理坐标系变换到二维投影坐标系,利用蚁群算法对二维投影坐标系数据库表进行计算,选取蚂蚁集合数、信息素重要因子、启发函数重要因子、信息素挥发程度、信息素强度、最大迭代次数等参数,从不同的隧道开始轮询访问计算,遍历所有照明亮度检测的普通干线公路隧道,生成一种可实施普通干线公路隧道检测的行进路线,该路线行进过程中未产生迂回,起点出发后按照路线对隧道照明进行检测,检测结束后又回到起点。结果表明:在解决隧道亮度检测行进路线的规划上,将经纬坐标变换、蚁群算法和电子地图工具相结合重新计算生成并排序隧道亮度检测路线的方法合理、科学、易实现。该方法在某省某片区普通干线公路30座隧道照明亮度检测中得到实际应用。
    • 交通工程
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    动态公交专用道分区控制方法设计及适用性分析
    周锦强, 王海林, 杨雄, 曹峰
    2024, 41(2): 166-172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.017
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    针对公交专用道利用率较低的问题,提出了一种公交专用道路权动态分配策略,实现公交专用道精细化管理,提升道路通行效率。在公交优先的基础上,基于道路分区控制思想,将公交停靠站间道路划分成一定数量的清空区域,通过检测器获取当前通过车辆的类型,利用可变情报板提示公交专用道的使用状态,当检测到公交车时,可变情报板提示公交专用道对外关闭。反之,当公交车未使用专用道时,可变情报板将提示其对外开放。进一步通过数值仿真与模拟对不同清空区域长度、车辆饱和度及公交发车间隔组合条件下公交车辆和其他车辆运营效果进行对比分析,最终得到能取得最佳运营效果的清空区域长度、车辆饱和度及公交发车间隔组合条件。最后以兰州市BRT为例,采用C++与Vissim-COM进行了联合仿真试验,验证分区控制方法的有效性。结果表明:车辆饱和度大于0.4时,清空区域长度在50~200 m时,其他车辆车均明显降低,动态公交专用道分区控制运营效果良好;饱和度在0.4~0.6,清空间距100 m时,其他车辆受益较大,公交车所受影响较小,实行动态公交专用道分区控制策略综合运营效益最佳。该结论对于公交专用道分时段灵活使用具有一定的现实意义,为优化道路资源利用提供了重要的理论支撑与实践参考。
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    多车道高速合流区车辆换道识别及轨迹分析
    齐龙, 郝艳军, 徐婷, 陈亦新, 王孝冬
    2024, 41(2): 173-181. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.018
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    为了提高多车道高速公路合流交织区交通安全,研究车辆换道轨迹特征并识别换道意图。首先,利用无人机采集目标区域为单向两条车道以上的高速公路合流区域车辆自然状态下运行轨迹视频,经Tracker运动学轨迹软件提取每条轨迹的时间和位置等信息,获取车辆行驶轨迹,累计获得自然驾驶轨迹数,并且根据车头时距、车速、加速度数据得到跟驰和换道片段,并对两类驾驶行为的时长和距离分布进行了分析,得到车辆换道轨迹片段数据。其次,结合车辆速度、加速度和变加速度,通过K-means++聚类将驾驶风格分为“常规型”、“激进型”和“保守型” 3种,确定了用随机森林模型对不同风格的驾驶人轨迹进行了识别,进而选取基于XGBoost,LightGBM两者的Stacking融合模型对车辆换道意图进行了识别。最后,构建机器学习CNN-LSTM模型进行轨迹的预测模型。结果表明:采用K-means++将驾驶风格聚类为3类模型的综合效果最优,选定其聚类结果为轨迹片段驾驶风格标签值,随机森林的准确率较好,选用Stacking融合模型的准确率适用于驾驶轨迹识别,从换道轨迹的预测准确角度判定R2处于0.62水平,并且当时间窗为2 s时,模型对预测换道轨迹能做出较为准确的预测;研究实现了通过驾驶行为识别预测轨迹,为实现车辆的实时碰撞风险识别应用提供理论基础,同时可以优化自动驾驶车辆的行驶轨迹,提高高速公路入口复杂交通流状态下的安全性。
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    基于驾驶员脑电信号的平原区四车道公路禁令和警告标志优化设置
    任董普, 刘怡美, 索传政, 蓝清, 史磊
    2024, 41(2): 182-190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.019
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    为探究平原区4车道公路各类交通禁令和警告标志的设置效果,通过现场试验采集驾驶员脑电信号数据,对脑电信号电位、时频、地形图、功率及其衍生指标等进行了综合分析,研究驾驶员在观察不同类型交通禁令和警告标志时的脑电特征,实现了对交通标志设置效果的客观评价。结果表明:在试验路段,驾驶员观察交通禁令和警告标志时较静息状态的脑部额叶区电位变化和脑电功率变化均更加显著,脑区激活程度更高,该路段交通禁令和警告标志的设置总体上能够引起驾驶员的警觉;试验路段中十字交叉、限制质量、环形交叉、T形交叉、限速、解除限速6类交通禁令和警告标志在脑电β波相对功率和θ/β功率指标中均有显著性差异,其中限速和解除限速类交通标志β波相对功率较高,θ/β功率指标较低,该类交通标志设置效果较好,能够引起驾驶员较高的注意;限制质量、十字交叉、T形交叉类交通标志β波相对功率较低,θ/β功率指标较高,该类交通标志设置效果较差,不能引起驾驶员足够的注意,其原因可能与驾驶员驾驶习惯和道路环境等因素有关,在对该路段交通禁令和警告标志进行优化时,应重点考虑限制质量、十字交叉、T形交叉这几类标志。研究结果可为同类公路交通禁令和警告标志的优化设置提供参考和借鉴。
    • 智能交通
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    网联混合流高速公路车道管理及通行能力分析
    王正武, 陈涛, 向健, 贺正冰
    2024, 41(2): 191-202. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.020
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    为提高网联混合交通流环境下高速公路基本路段通行能力,需针对车流量、网联自动驾驶车辆(CAV)比例制定与之匹配的车道管理策略。针对低CAV比例环境下CAV专用车道闲置浪费的问题,提出了一种CAV优先车道管理策略。利用跟驰模型推导了混合交通流基本图模型,构建了人工驾驶车辆(HV)专用车道、CAV专用车道、混行车道及CAV优先车道通行能力模型,分析了高速公路不同车道组合方案适用的交通需求范围。然后,以双向4车道高速公路为例,基于SUMO仿真平台分析了CAV优先车道性能,对不同车道组合方案的通行能力和适用范围进行了仿真验证,并从效率、安全及能耗角度对车道组合方案进行了比较。结果表明:在适用性方面,CAV比例p≤0.5时,两条混行车道适用的交通需求范围最大,CAV优先车道次之,CAV专用车道最小;在效率方面,p≤0.5时,设置CAV专用车道方案的效率最差,CAV优先车道表现较好,且p越小优先车道效率提升越显著;在安全、能耗方面,设置CAV专用车道方案的能耗和安全性能较佳,CAV优先车道次之;在p>0.5时,设置CAV专用车道方案的综合表现更优;在多种车道管理方案均可行时,相比于两条混行车道方案,采取其他车道管理措施在安全、能耗上的表现均有提升;在需求D≤2 500 veh/h,p≤0.5时,相比于其他车道方案,采用CAV优先车道方案既能满足通行需求、降低能耗,也能更充分地利用道路资源,综合表现均衡。
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    基于能量场的城市道路车辆交互强度研究
    周贝妮, 韩皓, 李易
    2024, 41(2): 203-211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.021
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    由于交通环境的复杂性、车辆之间的交互多变性,无人驾驶的行为决策研究一直存在应用灵活性较差、精度不高的瓶颈。因此,以探究车辆之间的交互机理为目标,深入研究车流运行的微观规律,为无人驾驶的行为决策研究提供理论依据。首先,基于能量场的物理性质,将车辆类比于引力场中的场源,建立车辆的行车交互场模型,并依据能量场中的质量和车辆物理特性定义了交互虚拟质量,例如速度、加速度、车型。采用行车交互力模型量化车辆之间的交互程度,依据临界车头间距与多普勒效应分别重新定义交通环境中的距离和速度。其次,利用实车在上海浦东新区同顺大道采集速度、相对距离等相关数据,通过视频处理软件Kinovea提取行车记录仪中的数据,采用高斯混合模型验证行车交互力与实际驾驶行为之间的关系。最后,通过K-means算法对行车交互力聚类分析,量化车辆行驶风险等级。结果表明:通过高斯混合模型计算出的跟驰、换道分类结果与实际分类结果的误差分别为1.12%和9.1%,说明行车交互力对车辆交互的量化描述能力较好;同时,在行车交互力模型的基础上将行车风险分为4级,有效评估了行车风险。本研究提出的行车交互力模型不仅可以拓展以往行车安全场的应用范围,也为驾驶行为决策研究提供一定的理论支撑。
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    考虑交通和环境效益的公交优先信号配时研究
    赵慧雄, 陈艳艳, 张斌, 潘芋燕
    2024, 41(2): 212-222. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.022
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    为了在实现城市信号交叉口公交优先的同时,提高交叉口的交通运行效益和环境效益,综合考虑反映公交优先效益的人总延误,反映环境效益的尾气排放,以及反映交通运行效益的停车次数和通行能力性能指标,提出一种以有效绿灯时间改变值为决策变量的公交优先信号配时优化方法。首先,选取各交通和环境指标模型,并对经典性能指标权重系数进行修正,确定模型约束条件,构建能适应繁忙交通流状态的公交优先信号配时优化模型。其次,构建寻优算法逻辑框架,基于遗传算法对多目标函数模型进行求解。最后,选取广州大学城某一典型交叉口作为模型和算法的验证对象,将Webster模型和优化方法进行对比,构建经过参数标定的交叉口仿真模型,通过仿真评价验证优化方法的适用性和有效性。结果表明:公交优先配时模型的优化方案在提供优先通行权给公交车的同时,也兼顾了小汽车的通行效益;在人总延误、尾气排放和停车次数方面相比于现状的降幅分别为12.8%,6.8%和2.5%,并在通行能力方面有显著提高,相比于现状的增幅为12%。可见,提出的综合考虑交通运行效益和环境效益的公交优先信号配时优化方法适用于改善城市信号交叉口的运行状况,且改善效果整体优于Webster模型。