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时空视角下城市群铁路客运网络抵抗韧性

清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：吴鹏李得伟北京交通大学交通运输学院北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心

交通运输网络抵抗韧性是交通安全领域的研究热点,为有效评估城市群铁路客运网络的抵抗韧性,并识别关键路段,该文首先基于复杂网络Space L建模方法,建立了以实际铁路客运站为网络节点的时空加权城市群铁路客运网络模型;其次,采用单路段... 详细信息

交通运输网络抵抗韧性是交通安全领域的研究热点,为有效评估城市群铁路客运网络的抵抗韧性,并识别关键路段,该文首先基于复杂网络Space L建模方法,建立了以实际铁路客运站为网络节点的时空加权城市群铁路客运网络模型;其次,采用单路段删除和多路段连续删除的攻击模式模拟路段中断情景,提出将基于性能响应函数和旅客时空可达性的网络性能保留率作为客运网络动态抵抗韧性评估指标,利用抵抗韧性评估模型和仿真评估流程评估路段可替代能力和网络抵抗韧性;最后,进行了成渝城市群铁路客运网络实例研究。结果表明:靠近铁路枢纽城市的部分关键路段中断,最高可使铁路客运网络性能损失12.23%,从灾前仿真角度识别关键路段具有重要意义;无权、空间加权和时间加权铁路网络抵抗韧性仿真识别出的关键路段存在明显差异, Spearman相关系数验证了无权与加权铁路网络路段可替代能力的排序相关性较差; 3种铁路网络的抵抗韧性指数表明单路段中断对旅客出行时间的影响较大;关键路段连续中断对网络性能的影响较大,对时间加权铁路网络性能的影响大于无权和空间加权铁路网络,仅从网络拓扑结构和空间距离角度进行灾前仿真,容易低估风险因素的干扰后果。该文所提方法可为交通网络规划和韧性研究提供参考。

关键词：交通运输系统工程交通网络韧性路段中断灾前仿真复杂网络城市群

隧道轮廓激光雷达点云线特征共面约束标定方法

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光学精密工程 2024年第6期32卷 774-784页

作者：王耀东徐金杨朱力强史红梅方妍北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京特种机械研究所北京100143

地铁隧道断面轮廓参数测量过程中,需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境,对标定模板要求高,标定过程复杂,检测精度影响大。针对此问题,本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法,并基于双激... 详细信息

地铁隧道断面轮廓参数测量过程中,需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境,对标定模板要求高,标定过程复杂,检测精度影响大。针对此问题,本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法,并基于双激光雷达测量系统,进行了算法研究。本方法设计了专用的手推行便携式标定系统,利用由点云数据提取的标定板线特征,建立目标函数,通过混合了遗传算法和Levenberg-Marquardt算法的非线性优化方法,寻找全局最优解从而实现对激光雷达的标定。实验结果表明:本方法对于两侧钢轨顶轨的标定误差在±1.5 mm以内;静态测量精度X误差在±1 mm内、Y误差在±4 mm内;当采集系统以5 km/h的速度进行数据采集时,动态测量精度X误差在±4 mm内、Y误差在±6 mm内。本方法能够实现激光雷达的高精度标定,算法鲁棒性强,具有易操作、环境适应性强的特点。

关键词：激光雷达地铁隧道点云标定共面约束隧道断面

基于样本增强的列车卫星定位伪距欺骗检测方法

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交通运输系统工程与信息 2024年第3期24卷 32-42页

作者：刘江张楚蔡伯根王剑陆德彪北京交通大学自动化与智能学院北京100044 北京交通大学北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心北京100044 智慧高铁系统前沿科学中心北京100044

基于卫星导航的列车自主定位是列车控制系统等铁路关键装备的重要技术方向。然而,列车卫星定位面临诸多挑战,除信号可视性问题和多径效应之外,来自系统外部的蓄意欺骗等干扰攻击,会对定位功能及性能产生直接威胁。为此,本文以基于全球... 详细信息

基于卫星导航的列车自主定位是列车控制系统等铁路关键装备的重要技术方向。然而,列车卫星定位面临诸多挑战,除信号可视性问题和多径效应之外,来自系统外部的蓄意欺骗等干扰攻击,会对定位功能及性能产生直接威胁。为此,本文以基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车定位面临的伪距欺骗这一典型干扰模式为对象,研究并提出一种基于样本增强的伪距欺骗主动检测方法。该方法运用Wasserstein生成式对抗网络(WGAN)解决受欺骗干扰样本数据不均衡问题,利用扩充的数据集训练检测模型,并引入自注意力(SA)机制优化来自不同接收机输入特征之间的相对位置关系,采用生成式对抗学习思想形成一套完整的列车卫星定位伪距欺骗干扰检测方案。由列车卫星定位欺骗干扰注入测试结果可知,提出的方法能够充分运用生成式对抗网络思想解决受欺骗样本的典型受限问题,融合自注意力机制所得检测性能显著优于载噪比检测和代表性机器学习算法等常规检测方案;对建模样本未覆盖特征具备良好的适应能力,具有更优的检测精度和鲁棒性,在多个伪距欺骗干扰模式数据集上测试所得F1分数均超过0.99。该方法在欺骗干扰检测性能方面的优势能够为众多卫星导航系统铁路应用提供有力支撑,为有效防范卫星定位在信息安全层面的攻击入侵提供了有利条件。

关键词：智能交通伪距欺骗检测样本增强列车定位全球导航卫星系统生成式对抗网络

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高速铁路旅客智慧出行服务数据体系研究

铁道运输与经济 2024年第6期46卷 87-96页

作者：黄悦李得伟徐恩华北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044

新一代信息技术的发展给出行方式带来了巨大变化,旅客对出行服务提出了更高的要求。智慧出行服务有望利用数据信息分析与处理技术提升服务质量,但目前还存在数据标准不一、数据治理平台尚无、数据共享困难等难题。以高速铁路旅客服务为... 详细信息

新一代信息技术的发展给出行方式带来了巨大变化,旅客对出行服务提出了更高的要求。智慧出行服务有望利用数据信息分析与处理技术提升服务质量,但目前还存在数据标准不一、数据治理平台尚无、数据共享困难等难题。以高速铁路旅客服务为中心,贯穿出行前与售后、枢纽乘降与接驳和列车在途3个阶段,梳理旅客出行全过程的相关数据;以出行数据全生命周期管理为主线,从数据汇集、存储、治理、共享、应用与安全6个方面,设计高速铁路旅客智慧出行服务数据体系框架,并提出高速铁路旅客出行服务数据标准体系的建设思路,以期发挥高速铁路旅客智慧出行数据体系的数据价值,为智慧出行服务和运营管理发展提供理论依据。

关键词：高速铁路智慧出行服务数据体系数据标准体系旅客服务

减基法在轨道-隧道-土体系统谐响应分析中的应用

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1231-1240页

作者：王森辛涛王朋松杨燚戴传青滕明利北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京市轨道工程重点实验室北京100044 智慧高铁系统前沿科学中心北京100044

为了提高轨道交通环境振动预测效率,提出基于减基法原理的轨道-隧道-土体系统谐响应分析方法,即将减基法应用到轨道-隧道-土体系统的谐响应分析中。结合有限元方法和理论解析方法,在既有计算频率样本的基础上,实现原求解域内系统频响函... 详细信息

为了提高轨道交通环境振动预测效率,提出基于减基法原理的轨道-隧道-土体系统谐响应分析方法,即将减基法应用到轨道-隧道-土体系统的谐响应分析中。结合有限元方法和理论解析方法,在既有计算频率样本的基础上,实现原求解域内系统频响函数的重采样计算。将本文方法与有限元方法和线性插值方法进行对比分析。研究结果表明:在不同规模模型条件下,所提出方法的计算误差要明显低于线性插值方法的计算误差。同时,相比于有限元求解方法,本文方法能够在不同线程条件下均保持较高的计算精度和效率;且随着模型规模增大,本文方法相比有限元法的加速比不断提高,最大加速比可以超过2000。

关键词：轨道交通环境振动振动预测传递函数减基法

基于CS-BP的列车卫星定位欺骗干扰检测方法

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铁道科学与工程学报 2024年第1期21卷 422-432页

作者：王思昊刘江蔡伯根王剑陆德彪北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京交通大学北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044

随着列车运行控制模式车载自主化、系统智能化发展需求的不断深化,新型列车运行控制系统的设计与运用对列车测速定位自主性、可信性的需求愈发显著。全球导航卫星系统因其具备覆盖范围广、定位精度高、全天候等优势,成为新型列车控制系... 详细信息

随着列车运行控制模式车载自主化、系统智能化发展需求的不断深化,新型列车运行控制系统的设计与运用对列车测速定位自主性、可信性的需求愈发显著。全球导航卫星系统因其具备覆盖范围广、定位精度高、全天候等优势,成为新型列车控制系统实施列车自主定位的重要发展应用方向。卫星导航系统存在显著脆弱性,来自铁路沿线运行环境的干扰会对列车定位感知性能形成严重威胁,因此,准确、及时检测并识别干扰的发生是实施有效防护并确保列车运行安全的关键。欺骗式干扰通过信号转发或者定制生成虚假卫星信号信息,可诱骗接收机终端使其解算出错误的定位结果,具有复杂性、隐蔽性和危害性,对特定设备的影响极大。基于此,研究并提出一种列车卫星定位欺骗干扰检测方法。首先,分析列车卫星定位面临的欺骗干扰特征;其次,提取对欺骗干扰敏感的观测量构建典型特征量;然后,设计包括样本集构建、离线模型训练、在线检测识别等环节的欺骗干扰检测总体方案,提出基于布谷鸟搜索算法改进BP神经网络的卫星定位欺骗干扰检测模型构建方法;最后,搭建列车卫星定位欺骗干扰测试环境,采用多种观测信息及特征实施干扰样本的CS-BP模型训练并将其用于识别特定形式欺骗干扰的存在与特征,结合不同类型欺骗干扰注入测试对所提出检测方法的性能进行验证与对比。研究结果表明:布谷鸟搜索策略能够扩大搜索范围,跳出局部最优并实现快速迭代收敛,且收敛寻优性能受参数条件影响较小;基于布谷鸟搜索改进BP神经网络的建模方法相对常规地图匹配残差门限检测及代表性机器学习方法具有更优建模性能,对不同种类卫星定位欺骗干扰模式的检测准确率更为稳定,在时间敏感度、精确度、F1分数等方面更具优势。研究成果对列车卫星定位及其应用的欺骗干扰检测与干扰防护具有重要支撑意义,可为新型列控系统中卫星定位感知技术的可信应用提供有效途径,能够减少设置应答器、轨道电路等轨旁设备,有效降低建设及维护成本,有效提升车载设备应对复杂定位观测环境的自主性、灵活性及安全性。

关键词：列车运行控制列车定位卫星导航欺骗干扰干扰检测

高速铁路千米级主跨悬索桥线-桥垂向变形映射关系分析

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铁道学报 2024年第9期46卷 164-173页

作者：刘万里蔡小培牛留斌钟阳龙钟子杰北京交通大学土木建筑工程学院中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心

为研究千米级悬索桥线-桥垂向变形映射关系，逐层分析有砟轨道层间传力特性，建立悬索桥垂向变形与轨面几何形态的映射解析模型，并对映射模型的准确性和有效性进行验证。研究结果表明：桥梁变形波长大于16 m时，线-桥垂向变形可视为完... 详细信息

为研究千米级悬索桥线-桥垂向变形映射关系，逐层分析有砟轨道层间传力特性，建立悬索桥垂向变形与轨面几何形态的映射解析模型，并对映射模型的准确性和有效性进行验证。研究结果表明：桥梁变形波长大于16 m时，线-桥垂向变形可视为完全映射，波长小于16 m时，线-桥位移有所差异；扣件和道床刚度主要影响波长16 m以下的线-桥垂向变形映射关系；悬索桥上线路平顺性表现出显著的温度敏感性，影响桥上线路垂向不平顺的主要因素依次为主缆、主塔、吊杆和主梁；墩塔沉降作用下桥上线路产生不平顺的主要范围集中在桥梁边跨和主塔附近；桥上线路特征波长主要为2.8、14、28、56 m,分别对应桥梁的横梁间距、节间间距、标准节间长度和4倍节间间距。

关键词：悬索桥有砟轨道映射关系轨道不平顺特征波长

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智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

铁道学报 2024年第1期46卷 1-12页

作者：余祖俊唐涛李开成宿帅朱力强北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等... 详细信息

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

关键词：智慧高速铁路运行控制平稳追踪控制智能感知车-地自组网

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模糊认知图学习算法及应用综述

自动化学报 2024年第3期50卷 450-474页

作者：刘晓倩张英俊秦家虎李卓凡梁伟玲李宗溪北京交通大学计算机科学与技术学院北京100044 交通数据分析与挖掘北京市重点实验室北京100044 智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 中国科学技术大学自动化系合肥230027

模糊认知图(Fuzzy cognitive map, FCM)是建立在认知图和模糊集理论上的一类代表性的软计算理论,兼具神经网络和模糊决策两者的优势,已成功地应用于复杂系统建模和时间序列分析等众多领域.学习权重矩阵是基于模糊认知图建模的首要任务,... 详细信息

模糊认知图(Fuzzy cognitive map, FCM)是建立在认知图和模糊集理论上的一类代表性的软计算理论,兼具神经网络和模糊决策两者的优势,已成功地应用于复杂系统建模和时间序列分析等众多领域.学习权重矩阵是基于模糊认知图建模的首要任务,是模糊认知图研究领域的焦点.针对这一核心问题,首先,全面综述模糊认知图的基本理论框架,系统地总结近年来模糊认知图的拓展模型.其次,归纳、总结和分析模糊认知图学习算法的最新研究进展,对学习算法进行重新定义和划分,深度阐述各类学习算法的时间复杂度和优缺点.然后,对比分析各类学习算法在不同科学领域的应用特点以及现有的模糊认知图建模软件工具.最后,讨论学习算法未来潜在的研究方向和发展趋势.

关键词：模糊认知图学习范式因果推理软计算复杂系统建模