为了量化站域建成环境与地铁客流量的复杂关联效应,运用公共交通刷卡、手机信令、POI(point of interest)等多源大数据,采用可解释机器学习方法(融合随机森林和 SHAP(Shapley additive explanations)模型), 对站域建成环境变量与成都地铁客流量之间的非线性关系以及变量之间的协同效应进行实证研究。研究结果表明:对地铁客流量影响最大的3个建成环境变量是容积率、就业密度和道路密度。SHAP模型分析进一步揭示了站域建成环境对地铁客流量的阈值效应以及建成环境变量之间的协同效应。上述发现为以公共交通为导向的城市发展(transitoriented development,TOD)规划和实践提供了理论支持和政策启示。

针对四网融合背景下既有铁路市域化运营改造的相关问题,以西户铁路为例,研究既有铁路市域化运营改造的新思路与新模式。首先结合市域铁路的功能定位,在梳理既有铁路开行市域列车建设模式和运营特点的基础上,提出现阶段利用既有铁路开行市域列车存在技术标准不完善、线网融合程度低、客流强度不高、运营亏损严重等问题;然后以西户铁路开行市域列车为例进行研究,分析运输组织模式、客流特征、交通接驳方式等内容,深入探讨单线市域铁路客货混跑模式的适用性;最后论述市域铁路高质量发展的优化策略,提出统筹前期规划、优化交通衔接、提升运营效率、加快用地开发、打破管理壁垒等建议方案,为后续既有铁路改造提升提供参考。

都市快轨是在我国都市圈发展背景下应运而生的轨道交通干线,以京雄快线为例,以探索可推广的都市快轨车站设计标准为目的,使其兼有铁路的快速通达和城轨的公交化运营两方面优势,并与城市空间格局和城市综合交通体系相融合。梳理传统铁路客运站与城轨车站的特点和差异,以因地制宜、各取所长作为设计导向,剖析京雄快线各站点在线网中的功能定位,分为城市重大交通节点、城市级、区域级,提出面对差异化的城市空间形态、开发强度做好建筑空间一体化。面对都市快轨快速通达的乘客诉求,采取公交化运营缩短旅行时间,提供高效便捷的换乘、接驳服务水平。面对列车高速越行产生的风压,设全高站台门隔绝轨行区与乘客候车区,提供舒适的候车环境,采用“桥建分离”的结构形式,并采取安全可靠的技术措施满足风压计算强度要求。面对都市圈轨道先行,圈内各区域发展的不确定性,在站型选择和总体布局中为都市轨道线路未来逐步成网预留好主支结合、不断生长、网络化运营的拓展条件。

针对轨道交通工程的建筑信息模型(building information modeling,BIM)建模方法不统一、信息不规范,导致 BIM 模型数据难以在后期有效统一应用的弊端,研究基于工业基础类(industry foundation classes,IFC)标准 的轨道交通 BIM构件标准库。首先,根据轨道交通工程各专业构件的表达需求,研究构件类型、构件信息的IFC 表达,以及适配 IFC 标准的扩展机制;其次,提出轨道交通 BIM 构件标准库技术框架,主要包括基础数据层、技 术支撑层、应用场景层、用户层;然后,采用国家标准的分类编码方法定义轨道交通各专业BIM构件的分类编 码,设计了构件信息模板,规范各专业构件的属性信息及其资源链接方式;最后,研究BIM 构件模型的加解密方 法,以保障轨道交通工程 BIM 模型数据的安全性。研究结果表明,通过搭建统一的BIM 构件标准库,能够促进 参建方采用标准化的BIM构件模型创建轨道交通 BIM项目模型,保障BIM模型的规范性。

为了解决城市轨道交通线网未来运营碳排放量与减碳目标不明确的问题,基于20182022年西安城轨交通运营能耗的统计分析,采用碳排放因子法对过去5年运营碳排放量进行核算;采用指标法对未来5年西安城轨交通运营能耗进行预测,并得到碳排放量的预测值;依据《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》提出的综合能耗强度约束性要求,对未来5年西安城轨交通运营节能总量目标进行量化分析,进而确定碳排放总量需达到的约束值与减碳量目标值。研究表明:2018—2022年,西安城轨交通运营产生的碳排放约175.9×10⁴tCO2e,在此情景下估算未来5年城轨交通运营预计将产生的碳排放约321.6×104 tCO₂e,其中以牵引与车站电耗产生的间接碳排放为主要来源。若达到城轨行业协会提出的综合能耗强度下降目标,经估算与预测碳排放量相比,2025年全线网运营碳排放量预计可减少约13%,2027年全线网运营碳排放量预计可减少约15%;未来5年预计共减少碳排放量约10%。

通过优化地铁时刻表可有效降低地铁牵引能耗。为解决客流波动和车辆延误对实际节能率影响的问题,提出列车牵引和供电系统实时潮流计算分析模型和基于 Dueling Deep Q Network(Dueling DQN)深度强化学习算法相结合的运行图节能优化方法,建立基于区间动态客流概率统计的时刻表迭代优化模型,降低动态客流变化对节能率的影响。对预测Q网络和目标Q 网络分别选取自适应时刻估计和均方根反向传播方法,提高模型收敛快速性,同时以时刻表优化前、后总运行时间不变、乘客换乘时间和等待时间最小为优化目标,实现节能时刻表无感切换。以苏州轨道交通4号线为例验证方法的有效性,节能对比试验结果表明:在到达换乘站时刻偏差不超过2s和列车全周转运行时间不变的前提下,列车牵引节能率达5.27%,车公里能耗下降4.99%。

针对目前城市轨道交通系统能耗剧增导致能耗计算量大、计算不够精准的问题,通过考虑电机动态效率,精确计算实际列车侧能耗,并构建基于列车运行单质点和多质点模型的能耗仿真计算模型。首先分析列车牵引传动系统的能量流动过程,建立各部件效率与列车运行状态的关系。然后,结合各部件效率转换,依据两表法推导基于电功率的实际列车能耗计算公式,综合分析影响能耗的因素,进一步提出考虑单质点和多质点列车模型的能耗仿真计算方法。最后,以国内某市域线路的四站三区间为例,验证本文所提能耗模型的准确性。研究结果表明:无论是单质点还是多质点列车运行模型下的运行能耗,与实际运行能耗相比,均能实现5%以内的偏差;在单质点模型的基础上,多质点模型的运行能耗进一步减小了1.66%的偏差。本文所提模型可以为列车节能优化提供理论支撑,助力我国绿色经济发展。

在城市轨道交通快速发展阶段,针对轨道交通突发事件应急响应不及时、应急处置不到位等问题,设计一套数智化地铁安全应急保障系统,阐述该系统的设计架构、应用场景和功能以及关键技术。该系统集成水文、气象、传感器等多源异构数据,并结合数字孪生、GIS、BIM 等新兴技术,对地铁运营日常安全监控、应急资源管理、应急预案管理、指挥调度等应急全过程进行管理,同时针对火灾、防台防汛、大客流三大应急场景进行深化建设,显著提高事故预防能力和突发事件应对能力及处置效率,提升现有应急管理体系数智化水平。

轨道交通乘客信息系统(passenger information system, PIS)是以通信和多媒体技术为基础,基于多种显示终端为乘客提供全方位、多场景的信息服务系统。针对目前轨道交通乘客信息系统面临的硬件投资过剩、部署调试效率低、播控传输链路长、可靠性差的弊端,提出“系统入云、播控入屏”的新一代乘客信息系统的云播控技术架构,详细阐述云播控架构通过变革传统音视频传输方式带来的技术优势,并分析多显示终端画面难以同步的问题。研究结果表明,云播控技术可以减少50%的故障节点,有效提高部署调试效率,实现集约化建设的目标,并能够针对乘客从进站到出站的出行全链路进行多种个性化场景的应用支撑。

车辆基地发车能力逐渐成为提高早高峰正线运营水平的瓶颈,部分城市开始探索建设自动化列车控制(automatic train control,ATC)车辆基地,针对 ATC 车辆基地收发车能力计算复杂,现有收发车能力计算方法难以应用的弊端,研究了ATC车辆基地咽喉区通过能力的计算方法。首先,在ATC灭灯模式下,通过比较得到不同列车发车顺序下的最小列车总发车时间;其次,计算得到 ATC 车辆基地的最大咽喉区通过能力;最后以广州萝岗车辆基地为案例,进行ATC灭灯模式下咽喉区通过能力计算模型有效性的验证研究。研究结果表明:ATC灭灯模式、ATC 点灯模式、列调结合模式和列车进路模式下咽喉区通过能力分别为28、17、13、11列/h;ATC 灭灯模式较其他3种模式有更大的发车能力,能更好地满足早高峰正线的运营需求。研究结果可以为评估车辆基地设计方案提供参考。

针对市域(郊)铁路曲线超高相关规范标准不统一、各超高允许值之间优先考虑原则不明确的情况,对其合理设置进行研究。通过对比分析不同规范曲线超高的设置要求及实例分析,提出兼顾《铁路轨道设计规范》及《市域(郊)铁路设计规范》等行业标准的最大及最小设计超高值、一般及困难情况下的欠超高及过超高允许值、超高顺坡率允许值,以及不同超高设计允许值之间的优先考虑原则,为新建市域(郊)铁路的曲线超高设计提供指导,对行业相关标准规范的完善提供参考。

聚氨酯泡沫合成轨枕最早配合直线电机牵引系统应用于城市轨道交通,因其良好的综合性能,在国内获得广泛研究和应用。对比分析国内合成轨枕的技术发展历程和国外、国际相关合成轨枕技术标准,并调研合成轨枕在国内的应用进展及使用过程中出现的问题和解决措施,主要表现在:横向阻力偏低,部分道钉孔失效或涂层破损;这些问题可通过产品结构改进及安装维护方案优化进行解决。结合国内轨道交通领域的发展需要,及聚氨酯合成轨枕产品性能特点和市场现状,提出聚氨酯合成轨枕产品在我国未来发展建议。

针对深基坑工程施工过程中潜在风险因素众多而难以识别的问题,提出基于直觉模糊优劣解距离法(TOPSIS)的多属性评价方法对风险因素进行评估。首先,基于基坑安全事故案例、专家工程经验和实际工程,分析并确定潜在的风险因素;进而,根据风险因素构建风险评价体系,应用直觉模糊数确定专家和评价准则的权重;最后,运用 TOPSIS 多属性决策方法识别和评估潜在的风险因素。最终通过实例验证了该方法的可行性。研究表明:本方法可有效识别施工过程的高风险因素,可作为基坑施工安全风险分析与控制的决策工具。

针对传统钢支撑不能受拉、混凝土支撑工序复杂且拆除产生大量建筑垃圾等问题,研发可拉压预应力钢支撑结构。对可拉压预应力钢支撑结构进行技术评价及造价对比,结果表明:其抗压承载力与传统钢支撑相同,与混凝土支撑相当;抗拉性能及支撑刚度与混凝土支撑相当,优于传统钢支撑;施工便捷性与传统钢支撑相当,优于混凝土支撑;造价与传统钢支撑相当,比混凝土支撑低20%~30%。在地铁基坑工程中,首道支撑采用可拉压预应力钢支撑,相比混凝土支撑,在保证支护效果的同时,能够产生更好的经济效益和社会效益。

为探讨基坑降水引起的既有隧道受力变形特性,依托实际工程建立三维数值模型,以隧道的最大竖向位移为评价指标,使用正交表筛选最优组合和主要影响因素,而后对主要影响因素进行单变量分析,研究隧道受力变形规律。研究表明:通过极差分析和方差分析发现,连续墙插入深度是影响坑外隧道最大竖向位移的主要因素,故邻近既有隧道的新建基坑工程有降水需求时,可先选取该因素进行隧道变形控制;随着连续墙插入深度的增加,隧道弯矩和变形均会随之减少,当连续墙插入深度到达透水性较差的土层后隧道变形显著减小,此时隧道变形能得到有效控制,而继续增加插入深度对于控制隧道变形意义不大;降水使坑外邻近隧道产生朝向坑内斜向下的“横鸭蛋”沉降变形,施工过程中应重点关注隧道拱顶和邻近基坑侧拱腰的变形情况。

为探究空洞对盾构隧道的影响机理,通过建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,研究不同空洞深度、面积、位置等多种情况下管片内力、变形及截面安全系数的变化规律,并探讨管片不同拼装点位对含壁后空洞隧道的影响。研究结果表明:隧道壁后不同位置空洞对结构安全不利影响的排序为:隧腰>隧底>隧顶;空洞面积为5.0 m²时,随空洞深度增加,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩及安全系数呈先减小后反向增大的趋势,且管片椭变先减小至0后反向增大,弯矩分别在空洞深0.3、0.2m时反弯,左隧腰空洞中心处截面安全系数不断降低,管片椭变及弯矩大幅提升;空洞深度为0.5m时,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩均在空洞面积3.75m²时反弯;空洞范围内存在纵缝会降低空洞中心处隧道截面内力并提升其安全系数,但其最大张开为空洞内无接缝时的2.0~3.5倍。研究成果可为盾构隧道壁后空洞安全评价、拼装点位选取提供参考。

针对现有维修模式中存在的“维修不足”和“维修过度”等问题,提出了一种计及指标重要度的地铁供电设备健康状态分级评估方法。根据层次分析和模糊统计相结合的方法求解设备健康值,并将指标的重要度考虑在内,对设备所处的健康状态进行等级划分,最后以干式变压器为例进行实例分析。研究结果表明:利用本文提出的评估方法能够合理地表征地铁供电设备的健康状态,与实际情况符合,验证了方法的准确性及可行性。

针对带上盖物业地铁车辆基地内高大厂房无法采用自然通风且传统横向通风系统设置困难的问题,本文提出采用纵向诱导通风系统的解决方案。建立纵向诱导通风系统的三维模型,根据数值模拟结果分析诱导推射风机安装间距、安装高度等对厂房内流场的影响,并结合工程实际情况进行验证。研究结果表明:运用库内诱导推射风机的安装间距为20m、安装高度为8m时,全面通风效果最佳;诱导推射风机的安装间距为25m,安装高度为6m时,岗位通风效果最佳,现场测试与模拟结果基本一致。研究结果可以为纵向诱导通风系统在工程中的应用提供理论依据。

研究城轨运营事故的分布特征和致因机理,对保障运营安全、制定安全管控措施具有重要意义。本文针对1970—2022年国内外 425 例城轨运营事故,对比分析运营事故的发生原因及时间分布特征。基于致因机理并结合主成分分析法,构建城轨运营安全评价体系,提出基于博弈论的组合权重评价方法,并以1990—2022年我国274例运营事故数据为例,结合专家打分情况,从宏观角度分析我国城轨运营安全状况。研究结果表明:引发运营事故的原因包括人员因素、设备因素和环境因素,其中国内和国外由设备原因导致的运营事故占比最高,分别为65%、56%,1月、3月、7月、8月和12月为事故频发月份,与客流高峰月份相同;组合赋权法既考虑客观统计数据中的信息量,又结合主观专家的经验积累,其评价结果与统计结果相差较小,证明评价方法的可行性。

针对城市轨道交通网络化运营下,各条线路运营时间存在差异性而导致乘客无法成功换乘的问题,本文开展面向城市轨道交通末班车衔接优化问题的研究,选取末班车到发时间为决策变量,以最小化失败换乘乘客数量为目标,构建了混合整数线性规划模型。考虑到线网规模扩大导致模型复杂度高的问题,本文率先将量子计算应用于上述优化模型求解中。首先将原始模型重构为计算规模更小的两阶段问题;进而将第一阶段优化模型转换为可以运行在量子计算机上的二次无约束二值化优化问题(quadratic unconstrained binary optimization,QUBO)模型,并基于相干伊辛机的光量子计算技术完成了算法开发和真机实测。为了验证所提方法的有效性,以北京地铁为例,将量子计算结果与商业求解器进行比较,验证了本文提出模型转换方法和量子计算方法的可行性,为进一步应用量子计算解决轨道交通行业复杂优化问题提供了技术支撑。