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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2023 Vol.24 No.3 P.173-298
Special Issue on High-Speed Railway Transport Technology
Guest Editor-in-Chief: Youtong FANG; Guest Editor: Jien MA
Editorial
Editorial: High-speed railway transport technology
Youtong FANG, Jien MA
DOI: 10.1631/jzus.A230HSRT Downloaded: 615 Clicked: 961 Cited: 0 Commented: 0(p.173-176) <Full Text>
机构：浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027
概要：中国高速铁路历经十多年的发展，已经形成了世界上体量最大、水平最高、体系最完备的高速铁路科学研究体系和产业链。高速铁路是人工智能、电气工程和材料工程等相关领域先进技术的综合，如何把各个领域的最新进展融入高速铁路发展意义重大。通过高铁专刊聚焦高铁领域近年来最新的研究成果，为未来高铁技术的发展提供参考和推动。
关键词组：轨道交通；牵引传动系统；研究进展
Reviews
Review: Recent advances in traction drive technology for rail transit
Jien MA, Chao LUO, Lin QIU, Xing LIU, Bowen XU, Jiabo SHOU, Youtong FANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200285 Downloaded: 1142 Clicked: 1540 Cited: 0 Commented: 0(p.177-188) <Full Text>
机构：浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027
概要：牵引传动系统是轨道交通车辆的"心脏"。当代轨道交通绿色、安全、经济、可靠、高效、舒适的发展方向对牵引传动系统提出了日益苛刻的要求。永磁电机等先进电机、碳化硅等先进电子器件、有机硅等新一代绝缘材料、稀土永磁和非晶等先进磁材料和现代控制技术、先进制造技术、人工智能等高新技术的快速发展为新一代牵引传动系统提供了重要的条件支撑。本文简略回顾近年来轨道交通牵引传动技术的重要进展，并对下一代轨道交通牵引传动技术的发展方向及面临的主要挑战进行探讨。
关键词组：轨道交通；牵引传动系统；研究进展
Ying WU, Haoran FU, Xuecheng BIAN, Yunmin CHEN
DOI: 10.1631/jzus.A2200341 Downloaded: 988 Clicked: 1530 Cited: 0 Commented: 0(p.189-205) <Full Text><PPT> 671
机构：1浙江大学，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058；2浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058
概要：作为全球关键交通基础设施，高速铁路承担着大量的运输任务。极端气候和列车荷载的耦合作用容易诱发各种路基病害，从而导致高速铁路事故频发，极大地影响了人们的出行安全。因此，研究极端气候与列车交通耦合作用对高铁路基长期服役性能的影响具有重要意义。本文总结了当前高铁路基长期服役过程中出现的路基病害类型，针对典型病害的研究现状、路基短期检测和长期监测技术以及路基病害的控制修复手段进行回顾，指出目前研究的不足，并为今后该领域的研究提供了一定的建议。
关键词组：高速铁路；长期服役性能；列车荷载；极端气候
Review: Progress in research on nanoprecipitates in high-strength conductive copper alloys: a review
Jian YU, Feng ZHAO, Huiya YANG, Jiabin LIU, Jien MA, Youtong FANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200398 Downloaded: 1043 Clicked: 1531 Cited: 0 Commented: 155(p.206-225) <Full Text><PPT> 440
西安电子科技大学微电子学院，中国西安市，710071
摘要：文章提出一种应用于 X 频段和 Ku 频段卫星无线通信的带有滤波效应的新型宽带圆极化天线。该结构包含一个驱动层（同时也是滤波层）以及一个堆叠层（同时也是圆极化层）。带通滤波响应中的两个辐射零点，是衬底集成波导（SIW）腔体支持的开口与嵌入式驱动贴片的综合效果。引入倒角贴片作为堆叠元件，具有同时实现圆极化和拓宽工作带宽的能力。使用多层印制电路板（PCB）工艺制作了一个尺寸为 0.8λ0×0.71λ0×0.16λ0 的紧凑原型进行演示。实验结果与仿真结果吻合良好，测量的 −10-dB 阻抗带宽和 3-dB 轴比带宽分别为10.83% 和 15.54%。此外，还获得了 8.9 dBic 的左旋圆极化峰值增益，大于 7 dBic 的带内平均左旋圆极化增益，以及良好的频率选择性。
关键词组：圆极化；滤波效应；贴片天线；衬底集成波导
Review: An overview of bearing voltages and currents in rail transportation traction motors
Yao LI, Lin QIU, Yongjian ZHI, Zifan GAO, Jien MA, Jian ZHANG, Youtong FANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200180 Downloaded: 1123 Clicked: 2020 Cited: 0 Commented: 0(p.226-242) <Full Text><PPT> 436
机构：1浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027；2中车株洲电力机车研究所有限公司，中国株洲，412001
目的：脉冲宽度调制（PWM）变频驱动使轨道交通牵引电机获得了良好的运行性能，但由于输出电压存在共模分量，导致了轴承电压和轴承电流的产生，进而引起轴承早期失效。本文旨在回顾轴承电压根源、轴承电蚀失效模式、轴承电流形成机理、轴承电流共模等效电路、耦合回路阻抗提取和抑制对策等方面的研究现状，并重点围绕轨道交通牵引系统电机及负载接地状况对轴承电压的影响展开全面研究。
创新点：1.总结PWM变频系统轴承电流分析与建模方法和抑制对策与效果；2.分析轨道交通牵引系统电机接地配置对轴承电压的影响，并通过共模等效电路模型成功模拟了不同转速下的轴承电压波形，验证了采用接地环和调整系统接地阻抗可以降低轴承电压。
方法：1.通过文献搜索和调研，总结PWM变频系统轴承电流的研究方法和思路；2.结合实际轨道交通牵引电机系统接地状况，得到共模等效电路模型和提取回路阻抗参数，并通过仿真模拟与实际测量轴承电压波形，验证模型的正确性；3.通过实际测量，验证接地环和调整系统接地阻抗是否可以降低轴承电压。
结论：1.轨道交通牵引系统电机轴承电压与定转子接地阻抗有关，可产生转轴接地型轴承电流；2.通过转轴侧接地共模等效电路，可以模拟不同转速下的轴承电压波形；3.通过适当调整系统保护接地回路，降低电机定子侧接地阻抗，可以实现降低轴承电压的目标。
关键词组：轨道交通；轴承电流；共模电压；轴承电蚀；接地配置
Research Articles
Zonghan MU, Yong QIN, Chongchong YU, Yunpeng WU, Zhipeng WANG, Huaizhi YANG, Yonghui HUANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200175 Downloaded: 1242 Clicked: 1775 Cited: 0 Commented: 0(p.243-256) <Full Text><PPT> 502
机构：1北京交通大学，轨道交通控制与安全国家重点实验室，中国北京，100091；2北京交通大学，交通运输学院，中国北京，100091；3北京工商大学，人工智能学院，中国北京，100048；4石家庄铁道大学，安全工程与应急管理学院，中国河北，050043；5京沪高速铁路股份有限公司，中国北京，100038
目的：桥梁钢结构以及钢结构上的高强度螺栓长期受风雨侵蚀，常常会有锈蚀或缺失的情况发生，而人工巡检的效率低、危险性大且视觉盲区多。本文期望通过无人机拍摄，对铁路桥梁钢结构图像所包含的检测目标（螺母正常、螺栓正常、螺栓缺失、螺母缺失、钢表面锈蚀和钢栏杆锈蚀）进行识别和检测，以提高铁路桥梁巡检工作的精度和效率。
创新点：1.提出了一种自适应图像裁剪方法，可根据图像的具体情况，自适应的调整图像的分割尺寸以及裁剪重叠区域面积，可以消除无人机拍摄距离以及焦距不固定带来的负面影响，并且提高小目标的检测效果；2.基于铁路桥梁钢结构待检测对象的特征，提出了浅层注意力网络，使模型能够更加关注待检测对象的浅层特征，从而使锈蚀区域更易于检测；3.将坐标注意力（CA）机制模块集成到浅层注意力网络模型当中，帮助网络在大范围的无人机拍摄场景下找到缺陷区域；4.将阿尔法并交比（α-IOU）损失函数集成到浅层注意力网络模型当中，提高针对铁路桥梁钢结构小数据集的训练和测试精度。
方法：1.提出自适应图像裁剪策略，对无人机大尺寸图像进行处理，得到更易于网络检测出缺陷目标的小图像；2.通过对YOLO网络进行改进，得到更关注浅层特征的浅注意力网络，提高对锈蚀、缺失的检测精度；3.集成CA注意力机制和α-IOU损失函数到浅注意力网络中，提高图像检测的精度。
结论：1.在小数据集中，待检测目标与输入图像的比例对最终的检测结果有明显影响；在本研究使用的数据集中，图像与主目标比例在20?1到80?1之间时，以50?1为界限，大于50?1时，精度变化较大，但是训练时间基本不变，而小于50?1时，精度基本不变，但是训练时间变化较大，因此在训练过程中，存在一个临界点，此时训练效率和测试结果最佳。2.更深层的网络会干扰小目标、少样本且简单特征对象的检测精度；对比其他策略相同但网络结构不同的检测结果，ACSANet相较于ACNet+CA+α-IOU的螺栓缺失精度提高了近10%。3.不同的注意力机制由于注意方向不同，并不一定会提高检测精度；合适的注意力机制以及损失函数可以对铁路桥梁钢结构无人机图像目标进行更好的检测，采用不合适的注意力机制会对检测产生负面效果。
关键词组：铁路；桥梁；无人机图像；小目标检测；缺陷检测
Analysis of the breakage parameters of railway ballast based on the discrete element method
Gan-zhong LIU, Jia-cheng DAI, Ping WANG, Rong CHEN, Hao LIU, Xian-kui WEI
DOI: 10.1631/jzus.A2200019 Downloaded: 1423 Clicked: 1814 Cited: 0 Commented: 0(p.257-271) <Full Text><PPT> 488
机构：1西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031；2西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；3厦门地铁，中国厦门，361000；4中国铁道科学研究院集团有限公司，铁道建筑研究所，中国北京，100081；5四川省铁路产业投资集团有限责任公司，中国成都，610031
目的：有砟轨道在长期服役下频繁出现道砟颗粒掉角、破碎等劣化现象，降低了有砟轨道的稳定性。而道砟的破碎与其形状、大小、应力状态等有较大的关系，因此合理确定道砟的破碎参数是研究和解决这一问题的关键。本文旨在探索基于Hertz-Mindlin本构模型的道砟破碎参数，研究道砟的破碎性能，以期为实际服役的铁路有砟轨道提供参考。
创新点：1.采用统计学方法分析了道砟破碎的主要影响因素及其临界压碎强度和临界剪碎强度；2.采用响应面法确定了离散元道砟的最优破碎参数组合；3.通过直剪试验分析了道砟的抗剪性能和破碎状况，为实际服役的有砟轨道提供参考。
方法：1.通过单轴压缩破碎和单轴剪切破碎实测试验，确定简单应力状态下道砟破碎的主要影响因素及其临界压碎强度和临界剪碎强度（图1和2，表3）；2.建立可破碎道砟的精细化离散元模型，采用Box-Behnken法进行仿真试验的工况设计，并对仿真试验结果进行响应曲面分析以获取最优破碎参数（图9，表7）；3.通过对比实测与仿真的直剪试验结果，验证离散元道砟破碎参数的正确性，并探明道砟堆积体的抗剪性能（图12和13）。
结论：1.对于粒径范围为22.4~63.0mm的道砟，其压碎特征应力和剪碎特征应力受道砟粒径的影响不大，而受道砟形状的影响较大；2.针状道砟更容易破碎；3.直剪试验中，道砟的累积破碎率逐渐增大，最终达到13.97%；4.道砟的最优破碎参数可参考本研究的结论进行取值，且具有较高的应用价值。
关键词组：有砟轨道；破碎；离散元；响应面；参数
Yougang SUN, Fengxing LI, Guobin LIN, Junqi XU, Zhenyu HE
DOI: 10.1631/jzus.A2200189 Downloaded: 1155 Clicked: 1413 Cited: 0 Commented: 0(p.272-283) <Full Text><PPT> 441
机构：1同济大学，铁道与城市轨道交通研究院，中国上海，201804；2同济大学，国家磁浮交通工程研发中心，中国上海，201804
目的：在强磁场持续运行下，高速磁悬浮列车悬浮系统的执行器容易发生部分故障，使得悬浮控制问题具有挑战性。为了降低容错的成本和能耗，提升高速磁悬浮列车悬浮系统对执行器故障的容忍度，本文从实用的角度出发，提出一种新型的高速磁浮列车悬浮系统自适应补偿非线性容错控制策略。
创新点：1.无需知道执行器的故障信息，自适应补偿控制律随系统故障的发生而变化，并自适应地进行重构，降低系统的保守性；2.在没有任何线性化近似的情况下，证明控制器的设计和稳定性。
方法：1.通过数学推导，建立基于连接结构的悬浮系统的动力学模型（图2和公式(12)）；2.通过理论分析，描述执行器故障的类型（公式(14)）；3.通过数学分析，设计一种具有自适应更新律的非线性容错悬浮控制律，以实现针对部分执行器故障的稳定悬浮（公式(19)和(20)）。利用Lyapunov理论和扩展的Barbalat引理来严格证明闭环渐近稳定性（公式(23)）；4.通过在高速磁悬浮车辆-轨道磁耦合实验平台进行硬件实验，验证所提方法的可行性和有效性（图4~17）。
结论：1.提出的具有自适应补偿的非线性容错控制策略在无故障诊断和隔离的情况下，实现了部分执行器故障时优越的悬浮控制性能；推导出的容错控制律结构简单，可以随着故障的发生而自适应变化，从而提高了系统的可靠性和暂态性能；通过严格的数学分析，证明了整个闭环系统是全局渐近稳定的。2.通过硬件实验，实现了常规悬浮控制或跟踪悬浮控制，同时也补偿了实际中的部分执行器故障，证明所提方法具有良好的鲁棒性。
关键词组：高速磁浮交通；悬浮控制系统；自适应容错控制；部分执行器故障；机电一体化
Effect of low operating temperature on the aerodynamic characteristics of a high-speed train
Xiujuan MIAO, Guangjun GAO, Jiabin WANG, Yan ZHANG, Wenfei SHANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200166 Downloaded: 1005 Clicked: 1689 Cited: 0 Commented: 0(p.284-298) <Full Text><PPT> 516
机构：1长沙理工大学，汽车与机械工程学院，中国长沙，410076；2中南大学，交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，中国长沙，410075；3中南大学，轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，中国长沙，410075；4轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，中国长沙，410075
目的：受空气物理参数变化影响，低温下列车周围的流场特性与常温时存在差异。本文旨在对高速列车在低运行温度下的空气动力学性能及流场特性变化研究予以补充，探究低温对列车周围流场、列车风及列车尾流等方面的影响，以提高高速列车的抗高寒性能。
创新点：1.将气体参数设置为低温环境，探究列车相比常温下的气动性能及周围流场的变化。2.对比不同低温环境，探究不同程度低温对列车气动特性的影响。
方法：1.通过基于SSTk-ω湍流模型的IDDES数值计算方法对高速列车在雷诺数约为1.85×106的条件下低温运行的流动特性进行仿真。2.依托后处理软件对不同温度下列车气动阻力、表面压力分布、车身周围流动及尾流等进行分析。3.将结果进行比对，得出不同程度低温对列车气动特性的影响。
结论：1.低温显著增加列车气动阻力；相比常温环境，0 °C、?15 °C及?30 °C时的气动阻力分别增加了5.3%、11.0%和17.4%。2.低温会增强车体周围的正负压力场，进而提高冲击流及流速快速变化区域的正负压力峰值。3.低温时，列车风的作用范围缩小，涡量分布区域后移，而转向架舱内的气流流速增加。4.低温时，列车的尾流速度降低。
关键词组：高速列车；低温；气动特性；寒区