|
|
Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2026 Vol.27 No.1 P.1-86
<<< CONTENTS
Research Article
Ruixuan LIAO, Yiming ZHANG, Hao WANG, Jianxiao MAO, Aoyang LI, Zhengyi CHEN
DOI: 10.1631/jzus.A2500277 Downloaded: 1494 Clicked: 573 Cited: 0 Commented: 0(p.1-11) <Full Text><PPT> 19
机构：1东南大学，混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，中国南京，211189；2伊利诺伊大学香槟分校，计算机科学系，美国伊利诺伊州，61801；3香港科技大学，土木与环境工程系，中国香港
目的：大跨度桥梁通常跨越繁忙水道，超高船舶与桥梁主梁发生碰撞的风险长期存在，严重威胁结构运营安全。本文旨在突破远距离传感条件下的尺寸测量精度限制，提出一种数字孪生辅助的船舶尺寸预测框架，以实现对超高船舶的远距离识别与主动防撞预警。
创新点：1.建立三维虚拟代理环境，生成包含船舶图像、位置与尺寸的多源合成数据集，为尺寸预测模型提供训练样本；2.构建模拟与真实数据之间的域映射关系，通过坐标系转换减少虚拟场景与真实场景的域差异；3.利用深度学习模型挖掘船舶空间位置、二维像素信息与尺寸参数之间的非线性关系，并通过虚拟-现实迁移学习实现真实场景船舶尺寸预测。
方法：1.通过建立三维虚拟代理环境生成多源数据，获取船舶图像、尺寸与空间位置信息（图2和7）；2.在合成数据集中提取船舶的二维像素与三维坐标特征，构建用于深度学习回归建模的训练样本，并比较不同模型在合成数据上的性能表现（图3~5）；3.通过坐标系统一与监督式迁移学习方法，消除虚实数据偏差并提升模型在真实场景中的泛化能力（图7）。
结论：1.深度学习模型能够有效反映船舶空间位置、二维像素信息与尺寸参数之间的非线性映射关系；2.数字孪生辅助船舶尺寸测量框架能够有效结合虚拟仿真数据与有限的实测数据，提升船舶尺寸预测精度，且平均绝对百分比误差仅为3.74%；3.虚实-迁移学习显著减小模拟环境与真实环境之间的数据差异，实现远距离船舶尺寸的高精度测量。
关键词组：桥梁防船撞预警；超高船舶监测；船舶尺寸测量；数字孪生；计算机视觉；迁移学习
Lihui XU, Meng GAO, Xinyu TAN, Chao ZOU, Meng MA
DOI: 10.1631/jzus.A2500019 Downloaded: 2496 Clicked: 1873 Cited: 0 Commented: 0(p.12-25) <Full Text><PPT> 19
机构：1山东科技大学，土木工程与建筑学院，中国青岛，266590；2中国铁路设计集团有限公司，中国天津，300308；3广东工业大学，土木与交通工程学院，中国广州，510006；4北京交通大学，城市地下工程教育部重点实验室，中国北京，100044
目的：地铁建设初期的环境振动经验预测中需快速预测车致振动源强水平。本文旨在提出一种考虑普通轨道和浮置板轨道的地铁车致振动源强快速解析预测方法，探究模型的有效性及相关因素的影响，为振动源强预测提供可靠的工具。
创新点：1.解决管中管（PiP）模型中扣件力引起的周期性问题，建立周期性PiP模型；2.充分考虑轨道不平顺，提出地铁车致振动源强快速预测方法。
方法：1.通过理论推导，获得普通轨道与浮置板轨道下地铁车致隧道壁振动水平的快速计算公式；2.通过对比分析，根据实测结果及理论结果，验证模型的适用性及高效性；3.通过参数分析（土体和轨道不平顺等），获得各种因素对振动源强的影响及浮置板的减振效果。
结论：1.基于周期性PiP模型的预测方法能够高效准确预测振动源强，可用于经验公式的振动源强预测；2.轨道不平顺由Q2退化至Q4，振动源强增加约8 dB，建议采用实测轨道不平顺谱进行源强预测；3.本文案例中，浮置板轨道的减振量约为14 dB，其受轨道不平顺和车速等因素的影响，减振量变化幅值最大约2 dB。
关键词组：环境振动预测；振动源强；解析预测模型；浮置板轨道；实测轨道不平顺
Jiayuan SONG, Wentao HE, Yanlin HU, Kaiyun WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2500044 Downloaded: 3087 Clicked: 3290 Cited: 0 Commented: 0(p.26-42) <Full Text><PPT> 25
机构：西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031
目的：研究横风下空载敞车的空气动力学和动力学特性对于确保其安全运行至关重要。本文旨在分析空载敞车在不同高度挡风墙下运行的动态性能，探明列车周围流场结构和气动载荷的变化规律，揭示挡风墙高度对气动载荷和动力学响应的影响机制，并确定最优挡风墙高度。
创新点：1.通过分析横风下空载敞车周围的流场结构和压力分布，得到气动载荷随挡风墙高度的变化规律；2.通过动力学仿真计算和模态分析，探明横风对车辆低频横向振动的影响机制。
方法：1.采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法和重叠网格技术建立三维非稳态空气动力学模型；通过仿真计算得到空载敞车的气动载荷和瞬态流场结构。2.通过三连挂C80货车多体动力学（MBD）模型计算动力学响应，得到不同高度挡风墙下列车运行的稳定性和安全性指标。
结论：1.挡风墙高度与列车横向稳定性之间存在非单调关系；临界高度为2 m（0.74倍车体高度）的挡风墙可使脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数的值分别降低76%、64%和81%。2.当挡风墙高度超过2 m时，敞车空腔内的涡流会对背风侧内壁面产生不利的压力系数分布（最小值为−2.17），从而增大侧力和倾覆力矩。3.横向摇摆和倾覆的振动模态与低频（1.61 Hz）横向振动相关。
关键词组：横风；空载敞车；非稳态空气动力学；动力学响应；列车安全性；挡风墙
Predicting the temperature of CRTS III ballastless tracks in cold regions based on a TCN-Track model
Jie LIANG, Shijie DENG, Juanjuan REN, Wenlong YE, Kaiyao ZHANG, Dacheng LI, Ronghe ZHANG
DOI: 10.1631/jzus.A2400527 Downloaded: 2426 Clicked: 1442 Cited: 0 Commented: 0(p.43-57) <Full Text><PPT> 18
机构：1西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；2西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031；3中国铁路设计集团有限公司，中国天津，300308；4运营安全保障铁路行业工程研究中心，中国成都，610031;5上海申通地铁建设集团有限公司，中国上海，201103
目的：针对寒区CRTS III无砟轨道因气象要素时空异质性导致的温度场非均匀分布问题，本文旨在通过分析沈阳地区气象数据，量化极端低温与降雪等气候因子对轨道热力耦合效应的影响机制，进而开发基于TCN-Track模型的温度场预测方法。该研究通过融合多尺度气象特征与热传导机理，构建具备动态预测能力的智能模型，为寒冷环境下高铁轨道的预防性维护和热应力调控提供理论依据与技术支撑。
创新点：1.系统分析了极端低温、降雪等气象因子对轨道多层结构温度分布的累积影响特性，为温度场建模提供科学依据；2.突破传统模型仅基于瞬时气象数据的局限，实现了长期气象信息的深层特征提取与序列依赖建模；3建立了轨道结构多层温度场预测体系，不仅覆盖轨道表面温度，同时揭示了内部结构温度变化规律，全面支撑轨道力学性能演变分析。
方法：1.通过实测气象数据分析，识别寒冷地区无砟轨道温度场分布的主控因素，并揭示极端低温、太阳辐射与降雪等历史累积效应对温度演变规律的影响（图3和4）；2.基于时间卷积网络（TCN）理论，提出TCN-Track预测模型，构建局部与全局气象特征融合的温度场时序映射关系（图5）；3.通过超参数分析，确定模型训练轮数与卷积核尺寸对预测性能的影响规律，优化得到最优组合参数（表1和2）；4.通过模型训练与对比实验，验证TCN-Track在温度场预测精度上是否优于传统的长短时记忆（LSTM）方法（表3，图10）。
结论：1.提出的TCN-Track模型，融合了TCN、LSTM和门控循环单元（GRU）网络，有效整合了气象因素的累积效应，提升了特征提取能力，并实现了对无砟轨道多层结构温度场的精准预测。2.模型在预测每日轨道结构各层温度时，取得了平均绝对误差（MAE）在0.26至0.39之间、均方根误差（RMSE）在0.32至0.50之间、相关系数R在0.888至0.985之间的优异结果；3.与TCN、LSTM和GRU等单一模型相比，TCN-Track模型在轨道温度场预测任务中将MAE降低了3.61%~89.17%，将RMSE降低了6.67%~88.51%，以及将相关系数R提高了1.45%~29.57%。
关键词组：寒区；CRTSIII型板式无砟轨道；温度预测；气象变量；时序预测模型
Zhe XIONG, Yupeng YUAN, Liang TONG, Jianshu CHU, Boyang SHEN
DOI: 10.1631/jzus.A2400413 Downloaded: 2612 Clicked: 1586 Cited: 0 Commented: 0(p.58-75) <Full Text>
机构：1武汉理工大学，水路交通控制全国重点实验室，中国武汉，430063；2武汉理工大学，国家水运安全工程技术研究中心，中国武汉，430063；3武汉理工大学，交通与物流工程学院，可靠性工程研究所，中国武汉，430063；4中远海运重工有限公司，中国上海，200135；5剑桥大学，工程系，英国剑桥，CB3 0FA
目的：船舶在实际运行中往往处于动态变化的通航环境，可能导致能量分配在实际航行中的滞后或不匹配，从而影响燃油经济性和电量状态（SOC）的维持性。本文旨在研究一种能够适应动态工况变化的等效因子动态调整机制，以更高效地实现瞬时优化，并提高复杂通航环境下的能量分配适应性。
创新点：1.利用径向基函数（RBF）网络结合通航环境预测船舶推进电机转速，并提出模型预测控制（MPC）方法优化船舶航速；2.根据转速变化动态调整等效因子，形成工况自适应能量管理策略。
方法：1.利用RBF网络结合船舶通航环境预测船舶推进电机转速，通过多组实验得出合理的预测时域（图9），并以最小化能效运行指标（EEOI）为目标利用MPC方法优化船舶推进电机转速（图10）；2.改进等效油耗策略（ECMS）中等效因子的计算公式，通过PI控制模块动态调整等效因子，并利用超级电容的SOC反馈消除系统稳态误差，以增强控制系统的适应性；3.自适应ECMS控制模块通过动态等效因子的调节，在柴油发电机和超级电容之间优化能量分配，实现船舶推进功率的精确控制和燃油经济性的提升（公式(28)）。
结论：1.基于MPC的航速优化方法在提高航行效率和节能方面表现优越，可缩短航行时间约2.59%，降低EEOI约11.61%，同时可平缓推进电机转速变化；2.提出的工况自适应ECMS策略相较传统方法在降低燃油消耗（最多约9.47%）和减小柴油发电机负载波动方面更具优势，提高了能量管理系统的适应性与稳定性。
关键词组：等效燃油消耗最小策略；能效优化；工况自适应；混合动力船舶
Feifei YANG, Xinlin SONG, Jia HE, Huiping YIN
DOI: 10.1631/jzus.A2500400 Downloaded: 1445 Clicked: 638 Cited: 0 Commented: 0(p.76-86) <Full Text><PPT> 19
机构：1西安科技大学，人工智能与计算机学院，中国西安，710054；2西安科技大学，理学院，中国西安，710054
目的：从物理角度研究一般混沌映射的忆阻电路实现及其能量函数的确定方法。
创新点：1.通过开环调制耦合方法构建一个混沌映射；2.给出混沌映射的两种忆阻耦合电路；3.提出混沌映射的能量函数确定方法。
方法：1.利用物理电子元件的量纲定义，推导出混沌映射的量纲振子模型；2.以两类忆阻器分别耦合电感型和电容型器件，设计两类忆阻电路；3.通过忆阻电路元件的物理场能与对应的无量纲能量函数确定混沌映射的能量函数。
结论：1.混沌映射可以等效为不同电子元件量纲对应的不同量纲模型；2.混沌映射中的高阶非线性项可以利用非线性电阻等效；3.混沌映射交叉项可以利用两类忆阻器表达；4.混沌映射的能量函数可以通过对应的忆阻耦合电路的物理场能量确定；5.准确的非线性电路能够判断混沌映射的可靠性。
关键词组：调制耦合；混沌映射；动力学分析；能量函数；忆阻电路