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期刊信息/Journal information
铁道科学与工程学报
铁道科学与工程学报

余志武

双月刊

1672-7029

jrse@mail.csu.cn

0731-82655133；82656174

410075

长沙市韶山南路22号

铁道科学与工程学报/Journal Journal of Railway Science and EngineeringCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中南大学主办的以理工为主的综合性学术刊物。1979年创刊，1982年公开改进，主要刊登土木工程、建筑工程、交通工程、自动控制、计算机科学与技术、运输管理工程、机电工程、数学力学、基础研究等方面的学术论文。1992年起被列为全国中文核心期刊，1994年被列为美国Ei Page数据库核心期刊。
正式出版
收录年代

    基于压电效应的高速铁路路基压电俘能方法研究

    陈晓斌金伟涛谢康吕金...
    3001-3014页
    查看更多>>摘要：为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题,将压电技术应用于铁路工程中,而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰,缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求,导致路基内的振动能以热量的形式消散.针对这一问题,首先,基于压电效应理论,结合高速铁路路基动力响应特点设计出压电俘能装置HRS-PEH(High-speed Railway Piezoelectric Energy Harvester),建立高速铁路路基压电俘能新方法;其次,通过室内列车荷载模拟试验,探究动载振幅、频率和外接电阻等关键参数对HRS-PEH发电量的影响;最后开展现场行车试验,进一步验证HRS-PEH装置的适用性.研究结果表明:1)HRS-PEH的开路电压随动载振幅的增大而增大,且与频率无明显关系,而负载电压随动载频率和振幅的增加,均呈现线性增大的趋势.故可在工程应用中将HRS-PEH布置在基床表层顶面、钢轨正下方,即可获得最大发电量.2)HRS-PEH的输出功率整体上随外接电阻的增加,呈现出先增大后减小趋势,故存在最优外接电阻使得HRS-PEH发电量最大.3)行车试验发现,若将HRS-PEH布置于高铁路基基床表层,当CRH5型高速列车仅以55 km/h低速运行时,HRS-PEH就可收获0.71 J电能,可以满足路基健康监控设备的正常工作需求.研究成果可高效利用列车振动能量转换为无污染电能,推动铁路"双碳"战略目标的实现.

    高铁路基压电理论室内试验行车测试"双碳"目标

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    服役条件下高铁路基桩网结构土工格栅张拉试验研究

    于红园刘舜赵闯边学成...
    3015-3025页
    查看更多>>摘要：桩网结构路基已经在软土地区的高速铁路建设中取得了广泛的应用,服役期地基过大沉降、地下水淹没桩顶等引起桩网结构不合理受力,甚至导致格栅张拉破坏,目前仍缺乏深入的针对性观测和分析.建立一个全比尺的桩网结构路基模型试验,开展正常路基、桩间土过大沉降、路基浸水和路基水位下降4组典型工况的试验.同时采用前期研发的高速铁路路基动力效应试验装置施加车速达360 km/h、轴重为17 t和25 t的列车移动荷载,利用沉降板加位移传感器测量桩土的沉降变形量,利用光纤传感器测定了每组工况下的格栅拉力变化和空间分布规律,研究不同工况下相同的列车长期荷载对土工格栅拉力的影响.试验结果表明:在列车荷载作用下正常路基的桩网结构格栅最大拉力为5.9 kN/m,位于桩帽边缘处,为格栅抗拉强度的11.8％;桩间土发生过大沉降后格栅拉力最大值仍位于同一位置即桩帽边缘处,为11.85 kN/m,为格栅抗拉强度的23.7％.水位上升后桩网结构格栅拉力下降,但在列车荷载作用下格栅拉力又迅速增长,最大拉力为12 kN/m,水位下降后在列车荷载作用下格栅最大拉力为10.5 kN/m.桩网结构路基的规范设计中对格栅拉力的计算偏于保守,模型试验结果对实际工程中桩网结构路基的设计以及理论方法的验证有一定的指导和借鉴意义.

    高速铁路桩网结构路基模型试验土工格栅

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    脉动风场下二维高速列车/桥梁气动特性研究

    张洁余越张亮王璠...
    3026-3037页
    查看更多>>摘要：强脉动环境风加剧高速列车周围流场瞬变特性,进而形成强脉动列车气动载荷,直接危及列车行车安全.当列车在高架桥上运行时,环境风−列车−桥梁耦合条件下的列车气动载荷变化将更为剧烈.因此,采用更加真实的风场边界模拟横风作用下高速列车在桥梁上运行时的气动特性、明确不同风场特征下的列车周围流动结构特征显得尤为重要.基于大涡模拟方法,研究了恒定均匀风场、指数平均风场以及指数脉动风场(基于谐波合成法并采用Kaimal风速谱密度模型生成风速时程数据)特征作用下二维车体在10 m高桥梁上的横风气动特性.研究结果发现:不同风场特征下,车体周围流场结构、气动性能存在较大差异.对比指数平均风场,恒定均匀风场下车体背风侧产生一对更加充分发展的漩涡结构;车体的侧向力系数减少16.4％,升力系数增加59.7％,倾覆力矩系数降低23.6％,不同速度剖面对应的2种时均风场下,列车的气动特性出现了显著差异.当采用更为真实的指数脉动风场剖面时,车体表面压力分布呈现差异性变化,车体的侧向力系数增加9.0％,升力系数减少13.4％,倾覆力矩系数增加9.5％,可见脉动风场对桥梁上高速列车的横风气动性能具有较显著的影响.研究成果可为风环境下桥上高速列车的行车安全和限速指挥系统提供技术支撑.

    脉动风场气动性能横风高速列车数值仿真

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    考虑可变接续时间窗的高铁周期列车运行图优化

    李天琦聂磊张宏森
    3038-3049页
    查看更多>>摘要：精准高效的换乘接续设计对于周期列车运行图在我国的全面推广至关重要.我国高速铁路网络结构复杂、空间跨度广,不同距离的换乘客流OD所能接受的中转换乘时间范围有着明显的不同.现有研究对换乘接续时间的考虑多基于固定接续时间窗,造成实际换乘时间与各OD旅客可接受的换乘时间不匹配,限制了换乘服务水平的进一步提升.基于此,结合"事件−活动"网络和周期事件规划问题(Periodic Event Scheduling Problem,PESP),构建了考虑可变接续时间窗的高铁周期列车运行图优化模型,实现了列车接续关系选择、OD换乘接续关系分配、换乘时间优化的同步决策.模型首先引入OD换乘接续关系分配变量,使得模型可在优化过程中动态决策列车接续关系是否为特定客流OD提供服务.在此基础上,引入了可变接续时间窗约束,实现列车接续时间窗根据所分配客流OD合理换乘时间范围动态确定.同时,设计了最小化周期列车运行图换乘服务水平与理想服务水平偏差的线性化目标函数,使得模型得以在GUROBI整数规划求解器中求解.研究案例编制了京沪高铁以及与之衔接的部分高铁线路路网周期列车运行图,与固定换乘接续时间窗的研究案例相比,换乘服务频率和换乘接续时间指标均有显著提升,验证了所提模型的正确性及有效性.

    高速铁路周期列车运行图周期事件规划问题换乘接续可变接续时间窗

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    计及动力部分损失的动车组精准停车自适应模糊控制

    王中森李茂青岳丽丽王耀东...
    3050-3060页
    查看更多>>摘要：列车执行器未知故障引起的动力部分损失、列车模型参数不确定和未知外界干扰可能会造成停车精度降低进而影响运行效率,为解决上述问题影响下的动车组速度跟踪和精准停车问题,考虑设计一种输入饱和的自适应控制方案.首先,考虑列车的非线性,建立执行器复合故障下的多质点列车动力学模型,使用存在有界逼近误差的光滑非线性函数来逼近饱和函数,并根据中值定理将非仿射系统转换为仿射系统.其次,基于动车组故障模型,结合自适应模糊逻辑系统和反步法设计一种不需要执行器故障信息的自适应模糊容错控制器,利用自适应模糊逻辑系统逼近系统中未知外部干扰、模型不确定项等系统函数,并通过使用范数估计方法使得每个模糊逻辑系统只需要一个自适应参数,降低系统自适应更新律的复杂度.然后,根据李雅普诺夫稳定性定理证明闭环系统所有信号均有界,并且通过选取适当的控制器参数可保证跟踪误差收敛到原点附近任意小的邻域内.最后,选取CRH5型动车组作为控制对象进行仿真试验.仿真数据显示:控制器可以确保动车组平稳运行,同时使得最终停车误差在±0.5 cm以内,并且控制输入始终在受限范围内.仿真结果说明所设计的控制器可以在执行器复合故障和输入饱和同时存在的情况下完成预期控制目标并有效抑制外界干扰与模型不确定的影响.

    动车组多质点模型精准停车输入饱和容错控制自适应模糊控制

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    高速列车受电弓区域气动噪声的尺度效应研究

    袁思齐杨志刚李雪亮谭晓明...
    3061-3071页
    查看更多>>摘要：受限于风洞尺寸和仿真计算规模,研究高速列车气动噪声问题时,通常采用缩比模型.然而,由于受电弓区域的流场结构复杂,缩比模型的使用会导致雷诺数减小,从而改变流场结构,进而影响气动噪声特性.为探明模型尺度对气动噪声声源分布和辐射噪声强度的影响,结合大涡模拟和Ffowcs Williams-Hawkings积分方程,研究高速列车受电弓区域不同缩比尺度下的气动激扰特征、表面偶极子声能和远场辐射噪声声压级.研究结果表明:随着模型尺寸减小,流动主尺度从受电弓上部迁移到受电弓下部.流场变化导致声场主发声源随之迁移,受电弓区域的整体辐射噪声呈下降趋势.1/4、1/8、1/16、1/25和1/50比例的缩比模型辐射噪声分别为97.40,95.39,94.30,92.48和88.1 dB(A).其中,1/4比例的缩比模型受电弓上部声源声功率占比为32％,受电弓区域整体声源谱型存在2个峰值,峰值频率由弓头和上臂杆产生;而在1/50缩比模型中受电弓下部声源声功率占比为87％,受电弓区域整体声源谱型呈现宽频特征,与受电弓腔谱型特征一致.研究结果揭示模型缩小导致的误差是非线性的,进行缩比模型试验时,需要根据具体的缩比尺度对声源特征进行相应的修正,以便更准确地反映实际情况.研究结果可为缩比模型试验仿真以及未来高速列车的低气动噪声设计提供参考依据.

    高速列车受电弓气动声学尺度效应等效声源

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    客流波动场景下的动车组运用计划调整研究

    何筱雍王莹李涵曹伟...
    3072-3081页
    查看更多>>摘要：为了适应旅客客流的动态变化,列车运行图的调整越来越频繁,相应的动车组运用计划也需要随之进行调整.为了使动车组运用计划在列车运行图切换时能够高效高质量地调整,针对客流波动场景下的动车组运用计划调整问题进行研究,构建了一个多日的动车组运用接续网络刻画动车组担当运行线、检修、接续等状态和基本约束,从而将可行动车组交路的生成转化为接续网上的路径搜索问题.在此基础上,以取消加开车次数量最少、偏离原计划程度最小、动车组运用成本最小和偏离期望库存数量最少为目标,考虑动车组接续以及检修等约束条件,建立了基于路径的动车组运用计划调整模型.针对模型的分治结构特征,设计了拉格朗日松弛算法,将原问题分解为多个独立动车组运用的时空最短路径子问题,并通过求解拉格朗日对偶子问题得到路径集合.基于迭代过程中生成的路径集合,采用求解器求解原模型,得到问题的上界解.最后,以多个区域内的部分高速铁路网络日常图与周末图的实际运营数据为背景进行算例验证.结果表明,所设计的算法均能在65 s内得出结果,且Gap均在0.64％以下,所得到的方案在求解质量和求解效率方面均优于人工调整的方案.通过本文提出的优化方法,可以快速生成动车组调整计划,有效提高动车组的运用效率,降低运营成本.

    高速铁路动车组运用计划调整短期计划时空接续网络拉格朗日松弛

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    基于过饱和条件的市域铁路与地铁运行图协同优化

    马晓天黄志鹏王旋
    3082-3092页
    查看更多>>摘要：随着城镇一体化的快速发展,通勤客流需求逐渐增大,市域铁路与地铁的衔接为通勤旅客的出行提供了便利,但大量的通勤客流给市域铁路与地铁衔接的换乘站带来了巨大的压力.为了满足市域客流和地铁客流的出行需求,同时降低通勤旅客在换乘站的等待时间,缓解换乘站的客流压力,需要进行市域铁路与地铁列车运行图的协同优化.引入动态、过饱和OD客流概念,在过饱和条件下,考虑非均匀车头时距、灵活停站时间和旅客换乘条件等约束,从滞留旅客数量和换乘等待时间2个方面构建双目标非线性整数规划模型.结合模型特点,采用ε-约束法将其转化为单目标优化模型,设计具有双阈值和记忆功能的改进模拟退火算法.为验证所提方法的可行性和有效性,将模型及算法应用于金山铁路与上海地铁3号线上海南—中山公园进行案例研究.计算结果表明:优化后的市域铁路与地铁列车运行图,滞留旅客总数增加了9.28％,协同列车数增加了50％,旅客换乘总等待时间降低了60.79％,不断更新容忍度ε能够得到一组综合考虑旅客服务水平和换乘效率的近似Pareto方案,改进的模拟退火算法相较于传统模拟退火算法具有更好的收敛效果和求解效率.研究结果为市域铁路与地铁运行图的协同优化,进一步提升通勤客流的换乘效率提供了理论参考.

    市域铁路列车运行图协同优化换乘接续ε-约束法模拟退火算法

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    考虑旅客有限理性的城际公交化列车开行频率优化

    安醇朱昌锋唐兆鑫成琳娜...
    3093-3106页
    查看更多>>摘要：列车开行频率优化对提升城际铁路公交化运营收益水平和旅客满意度具有重要意义.通过分析有限理性条件下的乘车选择行为,构建了有限理性条件下城际铁路客流分配模型;通过构建列车候选集,以基于客流分配的列车客流与开行频率相关的成本为目标,考虑开行客流条件、客流守衡和区间运力等为约束,构建基于列车候选集与旅客有限理性的城际公交化列车开行频率多目标优化模型,并设计了一种NSGA—II算法进行求解.以长株潭城际公交化铁路为例验证模型和算法的有效性,并通过关键参数扰动分析,揭示不同客流OD和客流条件阈值对开行频率方案的影响机理.研究结果表明:在考虑旅客和企业双方效益下,开行频率方案更具多样性,且随开行频率增加,二者间的制约作用显著.随客流OD增大,模型解空间缩小,算法收敛性和解集多样性降低,优化梯度更倾向于增开站站停列车.此外,随客流阈值增加,有限理性行为对优化方案影响甚微,企业成本大幅降低.本研究可为铁路运营企业在城际公交化运营中的管理与决策提供参考.

    城际铁路公交化运营有限理性客流分配开行频率优化模型

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    面向节能的重载列车辅助驾驶模型预测控制研究

    李紫宜周艳丽杨辉李光伟...
    3107-3118页
    查看更多>>摘要：近年来随着重载铁路运输的快速发展,列车的能耗问题日益突出.目前大多通过改造列车设备来达到节能的效果,但列车驾驶人员操作的差异性所产生能耗却常被忽视,特别是重载货运列车的高载重、列车长、惯性大等因素导致驾驶操纵不易,造成列车运行能耗差异更大.因此,研究重载列车辅助驾驶节能技术变得至关重要.对此,通过分析重载电力机车牵引列车的运行能耗与驾驶操纵的关系,在当前列车驾驶操纵控制的基础上研究了辅助智能驾驶节能控制方法,提出列车辅助驾驶系统,通过优化列车运行曲线并通过模型预测控制自适应调整列车的运行工况序列来实现.系统结合线路条件、运行环境、列车控制、LKJ安全监控防护以及地面指挥调度,基于列车运行曲线实时跟随预测、协同智能控制基础上融合模型预测控制,自适应调整列车控制牵引/制动特性,进行滚动寻优控制,优化列车操纵运行速度曲线,精准控制重载机车的牵引/制动力的发挥,从而优化车−环境−线路中列车协同运行的能耗控制.最后,以模拟京广线路区段的部分线路进行仿真对比实验.结果表明,采用模型预测的重载列车辅助驾驶可降低列车运行能耗约12.4％,验证了本文提出的列车辅助驾驶控制方法的有效性,助力了重载列车的节能、绿色、安全操纵运行.

    重载列车辅助驾驶节能优化模型预测控制自适应控制

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