工程技术大学学报

基于随机效应模型的交叉口事故碰撞类型建模

王雪松，袁景辉，杨筱菡

摘要：目的：传统的交叉口安全分析通过建立交叉口总事故数与几何设计、信号控制、运行状况等特征变量的统计模型来分析事故发生的显著影响因素。然而不同碰撞类型事故发生前的碰撞行为不同，其影响因素也存在较大差异。此外，交叉口各进口道的几何设计、信号控制、交通流量均存在一定差异，且各进口道发生的事故数也并不是均匀分布。在交叉口层面集计各进口道的事故总数与交叉口整体特征建立统计模型容易掩盖事故与进口道层面特征因素的关联关系，难以对事故影响因素进行深入分析。与此同时，同一交叉口的不同进口道的交通流量、信号控制等因素之间存在相互影响，致使不同进口道之间存在一定的空间相关性。综合考虑各进口道之间的差异性和相关性，基于交叉口进口道的特征数据对各碰撞类型事故分别进行建模研究。方法：基于进口道层面对不同碰撞类型事故分别建立随机效应模型，通过在负二项模型中引入随机效应项来考虑交叉口不同进口道之间的空间相关性。采用全贝叶斯方法对随机效应模型参数进行估计，全贝叶斯方法通过引入估计参数的先验分布来避免由于样本数据随机性导致的回归平均值问题。由于没有可靠的先验信息，假定所有的回归系数服从正态分布，负二项分布的离散系数以及随机效应的方差服从Inverse-Gamma分布。结果：模型结果表明，不同碰撞类型事故的显著影响因素存在较大差异，其影响因素主要分为3个方面，交通特征、几何设计、交通控制。（1）交通特征：冲突交通量对各碰撞类型事故的影响均显著为正，并且其对追尾事故和侧向刮擦事故的影响程度显著高于其他事故类型。（2）几何设计：右转车道数对追尾事故和侧向刮擦事故有显著正影响，左转车道数则只对侧向刮擦事故有显著正影响。直行车道数与直角侧撞事故数显著负相关，然而其对侧向刮擦以及对向左转事故均有显著正影响。对向直行车道数仅对相交左转事故有显著负影响。（3）控制属性：进口道左转控制类型对追尾事故、对向左转事故、相交左转事故以及侧向刮擦事故均有显著影响。信号线控类型对追尾事故有显著正影响，黄灯时长以及全红时长均对直角侧撞事故有显著负影响，进口道限速值对追尾事故和对向左转事故均有显著正影响。结论：基于交叉口进口道层面针对5种碰撞类型事故分别建立了随机效应模型，结果表明不同碰撞类型事故的影响因素不同，同一影响因素对不同的碰撞类型事故的影响程度均存在显著差异，甚至出现截然相反的情况。这也从结论的角度证实了对交叉口区分事故碰撞类型进行建模分析的重要性以及必要性。基于进口道层面对各类型事故的影响因素进行分析可以更深入地揭示交叉口进口道的特征属性对各类型事故发生的影响。在此基础上，可以为相关部门的多方面工作提供理论依据，例如交叉口设计、管理以及事故多发交叉口判别与改善分析等。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2016, 44(1):81-86

入选年份：2016

利用粒子群算法的传感器优化布置及结构损伤识别研究

赵建华，张陵，孙清摘要：目的：损伤识别问题是结构健康监测研究的核心内容，而用以进行结构损伤识别的数据则主要是通过布设在结构各部位的传感器来获取的。由于受经济和结构运行状态等因素的限制，在结构的所有自由度上安装传感器是不可能也是不现实的，且过多传感器所带来的冗余数据会对信息的高速存储及有效分析带来一定困难。因此，如何将有限数目的传感器布置在结构最合理的位置，即传感器的优化布置问题，并利用这些有限测点获取的测量数据进行损伤识别是结构健康监测系统需要解决的一个关键性问题。为了合理布置结构健康监测系统中传感器的位置及满足结构损伤识别的要求，提出了一种基于改进粒子群算法的传感器优化布置方法。方法：首先，以模态保证准则（MAC）矩阵的最大非对角元极小化为目标，构造出满足优化条件的适应度函数。MAC矩阵的非对角元素Aij（i≠j）代表了相应模态向量的正交性状况，当其值为0时，表明第i阶和第j阶向量相互正交；而当其值为1时，表明两向量不可分辨。也就是说，其值越小，各阶测试自由度模态的独立性越好，传感器的布置效果也就越好；反之，各阶测试自由度模态的相关性值越大，传感器的布置效果则越差。其次，以适应度函数作为评价解群体优劣的标准，并采用改进的粒子群算法搜索出传感器的最佳布设位置。粒子群优化算法是一种基于群体智能的进化计算技术，它通过不断更新每个粒子的速度和位置，最终搜索到全局最好极值点位置，即找出传感器的最佳布设位置。在此基础上，利用振型动力扩充技术把有限测点的测量模态数据扩展为完整自由度模态数据，其基本思路是将实测自由度扩展到有限元模型理论的自由度上，利用插值扩阶方法获得未测量自由度上的振动信息，进而获得整个结构完整自由度上的振动信息并利用所提损伤识别方法进行结构损伤识别。结果：传感器的优化布置问题本质上是一类特殊的旅行商问题，就是将给定数目的传感器布置在结构最优位置处，以便获取尽可能多的结构动力特性信息和响应数据。要对传感器进行优化布置，需确定出合理的且能够满足设计要求的优化准则和选用简单高效的优化方法。结论：通过一个二维平面桁架结构算例对所提方法进行有效性验证，数值结果表明：所提传感器布设方法能够高效地搜索出给定数目的传感器优化位置；有限测点的模态数据经振型扩充后所得数据与完整测试模态具有非常好的相关性；利用传感器优化布置方案获得的测量数据能够准确高效地识别出结构的损伤位置和程度，且测量数据越完整，结构损伤识别的精度越高。

来源出版物：西安交通大学学报, 2015, 49(1): 79-85

入选年份：2016

活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯工艺过程研究进展

郭子瑞，黄龙，陈志强，等

摘要：目的：聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是原核微生物在营养物质缺乏的情况下，作为储备碳源而在细胞内存储的聚合脂类物质。系统梳理了利用活性污泥合成 PHA工艺中产PHA混合菌群富集阶段和PHA合成阶段的相关研究进展，并对今后的研究方向提出建议和展望。研究进展：近年来，大量研究集中于混合菌群的富集驯化工艺。由于城市污水处理厂的活性污泥可以作为混合菌群的良好来源，活性污泥利用廉价碳源合成PHA成为研究热点。活性污泥合成PHA的工艺研究中，普遍采用三段式方法：第一阶段，底物准备阶段，通常用于制备适于 PHA合成的底物，如工业与农业废水等含有复杂有机物组分，需通过厌氧预处理将其转化为挥发性脂肪酸以适合微生物吸收利用；第二阶段，将活性污泥中的混合菌群在反应器中进行驯化，在选择压力的作用下筛选出能够合成 PHA的优势菌群；第三阶段，利用第二阶段富集出的混合菌群和第一阶段的底物在批次实验中实现 PHA在混合菌群细胞内的大量合成。而针对第二阶段的驯化方式，以下3种工艺已被报道：厌氧-好氧工艺，好氧瞬时供料（ADF）工艺和好氧动态排水（ADD）工艺。在第三阶段，相关研究提出了改进的批次（供需匹配）或连续补料工艺以进一步提升 PHA的产率。在活性污泥菌群富集并合成PHA的过程中，往往需要通过数学模型的手段对微生物微观代谢过程进行定量的探索。活性污泥代谢模型 ASM3（activated sludge model number 3）是近年来用于定量描述活性污泥代谢过程的主要模型之一，其也被成功移植到混合菌群PHA合成工艺，该以化学需氧量（COD）为计量单位，涉及到活性污泥碳氧化过程和硝化、反硝化过程，但不包括生物除磷与参数控制。利用现代传感器系统在反应器运行过程中进行实时监测与自动控制，结合代谢模型则可进一步完善对产PHA菌泥富集、PHA合成工艺段的优化。PHA合成工艺过程的经济性能分析主要涉及3个重要的参数：其一是底物利用效率，由于底物占其合成PHA成本的50%以上，PHA合成过程需要尽可能避免底物浪费；二是单位体积的PHA生产量，其决定了混菌PHA工艺的基建成本；三是PHA纯度，即单位细胞中的PHA含量。在PHA回收过程中，需要进行细胞破壁和纯化，PHA含量直接影响后续成本，纯度越低，提取成本越高。结果与展望：基于好氧条件下充盈与饥饿模式来进行高效的产PHA菌群富集与PHA合成的基本参数优化调控已积累大量成果，利用这些成果可以成功富集出PHA最大含量占细胞干质量90%的混合菌群。然而漫长的富集时间依然是没有解决的问题，这也成为利用活性污泥大规模合成 PHA的商业化运营的瓶颈之一。好氧动态排水（ADD）工艺在原有充盈与饥饿模式的基础上引入物理选择压概念，较好地解决了快速富集的问题。针对 ADD模式，从运行工艺参数到模型建立机制研究，仍然有很多需要进一步探讨的问题。此外，通过对混合菌群数值模型的建立，日趋完善的反应器自动控制系统也将成为研究的热点。实现高效 PHA菌群富集和 PHA合成的相关研究，将围绕废弃碳源资源化和PHA合成工艺成本的进一步降低展开。

来源出版物：哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(2): 1-8

入选年份：2016

结构拓扑优化理论及其在桥梁结构找型中的应用

陈艾荣，常成，马如进，等

摘要：目的：传统的结构设计中，结构的最初形态主要源自设计师的经验和直觉，具有很大的偶然性和盲目性，且一定程度上限制了桥梁体系与形式的创新。结构拓扑优化为结构优化的一种，相对于传统的结构优化方法，该方法不需要给定一个初始结构形态，而只需设定结构的空间范围以及荷载与支撑等边界条件，通过结构分析技术与非线性优化算法就能够自行找出设计域内合理的结构形态。因此，结构拓扑优化不仅是一种结构优化技术，更是一种计算机辅助造型技术，可用于结构设计初期进行结构找型。方法：首先介绍结构拓扑优化领域常用的物理模型。变密度法源于均匀化方法，而离散变量法可以视为对变密度法的简化。水平集法是从一种全新的角度去描述优化问题的模型。其次，介绍了如何将拓扑优化问题从物理模型转换为数学模型。再次，介绍了3种求解拓扑优化问题的优化算法并比较了各自优缺点。优化准则法通用性较强，便于在通用有限元软件中进行二次开发，但优化效率较低，一般需要较多迭代次数。移动渐进线法的鲁棒性较强，需要通过目标函数与约束函数的导数信息来构造目标函数与约束函数的近似函数，因此适用于约束条件较少的情况。梯度投影法是一种直接寻优算法，效率较高，但易于陷入局部最优值，需要辅以优化稳定措施。结果：结构拓扑优化问题中结构响应与设计变量之间一般是非线性的隐式关系，所以采用非线性优化算法时需要通过多个迭代步对设计变量进行逐步更新，以使其逐渐逼近最优设计。在一座悬索桥桥塔的拓扑优化过程中，随着优化的进程，结构材料从均匀分布的混沌状态逐渐向结构的有效传力路径汇聚，最终形成了具有交叉斜撑的桥塔结构。将该方法用于桥梁结构的整体找型、构件找型以及具有微结构的材料找型，均可得出合理且具有启发性的材料分布方案。结论：拓扑优化依据设定的优化目标与约束，通过优化算法迭代得出结果，结构的力学性能可得到有效保障。拓扑优化可以用于结构设计初期的概念设计阶段，从而对最终设计方案的生成产生深远的影响。拓扑优化设计不受传统设计经验的束缚，得出的方案可突破设计师的经验与想象。未来结构必将向着多样化和轻量化发展，当已有的设计经验无法提供参考时，拓扑优化或将会成为结构设计中必不可少的一环。为推动拓扑优化技术在桥梁找型中的应用，未来应尝试具有全局搜索能力的智能优化算法，研究包含多种材料的拓扑优化方法，将可制造型、易维护性、美观性等纳入优化的目标，改进拓扑优化程序的易用性和计算效率，研究可实现拓扑找型方案的施工制造技术。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2016, 44(5):657-663

入选年份：2016

水洗对准东煤煤质特性影响的实验研究

付子文，王长安，翁青松，等

摘要：目的：准东煤田是近年来新发现的特大型煤田，然而由于煤灰中碱金属Na含量过高，燃用准东煤的电站锅炉普遍出现了严重的积灰结渣问题。水洗是解决准东煤燃烧过程积灰结渣问题的有效途径之一，然而关于水洗对准东高钠煤煤质特性影响的研究却很少。因此，在对准东煤中碱金属赋存形态分析的基础上，研究了水洗对准东煤Na脱除量及其热解燃烧特性的影响。方法：通过搭建水洗预处理和热分析实验系统，着重研究了水洗温度、水洗时间和液固比等因素对准东高钠煤中钠脱除效果的影响，并分析了水洗前后煤样热解燃烧及反应动力学特性的变化。水洗可以有效脱除有害元素Na，脱除量与水洗温度和时间密切相关，较高的水洗温度和足够长的停留时间有利于Na元素的脱除，而水洗对其他金属矿物元素的脱除效果不明显。实验研究结果表明，在3种典型的准东煤中Na主要以水溶形式存在，可溶钠占93%以上。随着液固比的增加，水洗脱除Na的效果更加明显，水洗在脱除部分矿物质的同时也使煤孔结构发生了改变，煤样比表面积和微孔体积变化明显，而孔隙率变化不显著。水洗后煤热解特性指数D减小，20℃、40℃水洗使热解提前，焦炭产量增加，挥发分产量减少，而60℃水洗则相反。水洗使燃烧TG、DTG曲线向高温区偏移，燃尽温度 Tf和最大燃烧温度 Tmax升高，最大燃烧速率（dw/dt）max减小，燃尽时间延长，燃烧特性变差。动力学分析结果表明，水洗使煤热解第1、3阶段表观活化能减小，第2阶段表观活化能增大，水洗对煤的大分子结构基团几乎没有影响，其对煤孔特征参数的影响主要由煤中水溶性矿物质的脱除造成。水洗温度越高，钠脱除量越大，但能耗也随之增加，因此对全厂进行经济性分析，从而计算得出最佳水洗温度。Na对煤样热解燃烧存在催化作用，少量 Na对煤热解燃烧起催化作用，而过多 Na则可能阻滞热解燃烧过程，存在最佳Na含量使催化作用最强。在燃用准东煤的电厂，可以建造一个洗煤池，用于准东煤水洗预处理，使煤在水温不低于60℃、煤水比约为20 g·L-1的条件下浸泡24 h左右。锅炉冷凝器的冷却水温度为30～50℃，经过汽轮机抽汽加热至60℃左右，可用于洗煤。由于我国水资源短缺和污染问题，还应考虑水洗后污水净化处理装置，使洗煤水循环利用。此外，在煤样送入炉膛之前，还应增加水洗后煤样的干燥系统。结论：动力学分析结果表明，水洗使煤热解第1、3阶段表观活化能减小，第2阶段表观活化能增大，使燃烧表观活化能和指前因子减小，燃烧反应速率常数K减小。因此，准东煤中水溶性钠含量过高，且易挥发进入气相，这是准东煤燃烧过程中沾污问题严重的首要原因。

来源出版物：西安交通大学学报, 2014, 48(3): 54-60

入选年份：2016

一种基于MAC层时延上限的VANET自适应分簇算法

杨琼，邢松，夏玮玮，等

摘要：目的：媒体接入控制（MAC）是车辆自组织网络（VANET）的关键技术之一，它决定了车辆节点共享无线信道的方式。在车流密集的场景下，现有的MAC协议应用于 VANET时均存在着固有缺陷，而传统的分簇方法在 VANET中并不适用。为了提高 VANET中媒体接入机制性能，克服传统MAC协议的固有缺陷，提出了一种基于MAC层时延上限的自适应（MDBA）分簇算法，在传统的MAC协议中融合节点自适应分簇机制。方法：VANET自适应分簇算法中，每个簇由 1个簇头（CH）和若干个簇成员（CM）共同组成，所有簇成员都在簇头的通信范围之内。采用有限状态机描述车辆节点所处状态（包括孤立节点状态、簇头状态、簇成员状态和伪孤立节点状态）。根据车辆节点状态之间的转换关系，将自适应分簇算法分为簇头选举算法和簇维护算法2部分。在MAC层消息传输的时延上限制约下，簇头选举算法通过综合考虑车辆节点的速度、加速度、位置和目的地4种因素来选取簇头；针对网络拓扑的变化，簇维护算法对分簇进行自适应调整。其中，簇维护算法又包括簇成员的离开与加入、簇融合和簇分裂，当2个簇的簇头移动到彼此的通信范围之内时，利用簇融合算法对当前的分簇进行调整，当原先的分簇经过分叉路段或车辆密度增大到原先的分簇不能容纳更多簇成员时，利用簇分裂算法调整分簇。结果：利用交通流仿真软件VISSIM创建仿真场景，以考察MDBA分簇算法的性能。选择簇头CH平均生存时间和簇成员CM平均生存时间作为评价分簇算法优劣的标准。这2项评价标准直接反应了簇的稳定性，在相同的仿真条件下，簇头和簇成员的生存时间越长说明分簇越稳定，簇维护的代价越小，分簇算法越优。利用 MDBA分簇算法得到的CH平均生存时间和CM平均生存时间均高于Lowest-ID分簇算法和MOBIC分簇算法，即MDBA分簇算法性能最优，MOBIC算法次之，Lowest-ID算法的性能最差。在Lowest-ID算法中，节点广播Hello消息后，ID号最小的节点直接当选为簇头；MOBIC算法针对节点的移动性，使用相对移动量作为簇头选举的标准；而MDBA算法则通过综合考虑车辆节点的速度、加速度、位置和目的地4种因素来选举簇头。性能最优的MDBA算法更适用于以车辆为节点的车辆自组织网络VANET。结论：针对 VANET中MAC层协议在车辆密集情况下性能变差的问题，利用 VANET的特点对车辆节点进行分簇，提出了一种MDBA分簇算法。该算法在MAC层消息传输的时延上限限制下，综合考虑了车速、加速度、位置和目的地4种因素，并能根据网络拓扑的变化自适应地进行簇维护。仿真结果表明，MDBA分簇算法的性能优于无线传感器网络和移动自组织网络中的传统算法，大幅度提高了CH平均生存时间和CM平均生存时间，更适用于车辆自组织网络。

来源出版物：东南大学学报（自然科学版）, 2016, 46(1):1-6