基于CA-RL的堆石坝填筑仓面碾压作业动态路径规划

碾压作业是堆石坝填筑仓面施工的关键工序,科学合理规划碾压路径能够在保障碾压质量的前提下提高碾压效率。在当前路径规划研究基础上进一步考虑碾压机数量变化、压实质量感知等动态要素可以提高路径规划模型面对复杂动态的仓面施工环境的适应性。本文通过建立基于元胞自动机的填筑仓面信息模型、提出条带整体压实质量评价方法,解决压实质量等仓面信息的储存更新的问题;通过建立基于强化学习的碾压作业路径规划模型、构建碾压机状态集和动作集、设计奖励函数和探索利用策略,解决碾压机数量变化的路径分配的问题;耦合上述两种模型,实现堆石坝填筑仓面碾压作业动态路径规划。结合国内某堆石坝工程开展了工程应用,结果表明:本方法可动态考虑碾压机数量变化、压实质量感知等要素,路径规划结果在保障碾压质量的前提下路径长度相较现场施工实际路径平均缩短22.3%,能够有效提升碾压效率。

基于元胞自动机的高速公路主线同侧连续入口间距研究

针对高速公路主线同侧连续入口处车辆行驶安全与通行效率问题,对高速公路主线同侧连续入口间距进行了研究。通过建立元胞自动机仿真模型,分析了主线与匝道设计速度的差异以及高速公路主线匝道连续入口间距各部分长度对交通冲突率、平均拥堵车辆数和平均速度的影响;提出了不同主线与匝道设计速度组合下的主线同侧连续匝道入口间距推荐值;并对不同间距组合下的工况进行了仿真对比分析。研究结果表明:当主线与匝道设计速度的差异较大时,现有规范中的高速公路主线同侧连续入口间距难以满足交通安全与通行效率要求;相比采用规范中的一般值,采用文中推荐值时的主线车辆平均速度由81.39 km/h上升到95.29 km/h,匝道车辆冲突率由0.0335次/(km·veh)下降到0.0256次/(km·veh),匝道车辆平均拥堵数由0.0077 veh/s下降到0.0022 veh/s,提高了车辆通行效率,降低了车辆发生事故的风险。

船舶超大空间火灾环境下人员疏散模型

针对船舶超大空间火灾对人员疏散能力的影响难以量化问题,本文基于元胞自动机理论,构建了一种行人个体自主分析火灾环境下温度和能见度影响的疏散模型(cellular automata model considering visibility and temperature, CAVT)。CAVT模型采用Sigmoid函数和历史实验数据建立温度、能见度与人员运动能力的映射关系,基于FDS数值模拟结果建立火灾环境场对人员个体运动能力影响的时空耦合关系,使用熵值法计算温度场和能见度场在火灾环境场中的权重。以某客船超大空间为例开展研究分析,结果表明:火灾环境下人员疏散时间受火源功率影响较大,火源位置影响较小,出口宽度大于3 m,不影响疏散效率。与Pathfinder软件相比,CAVT模型可更准确模拟人员因高温和低能见度导致的运动能力的动态下降反馈。

考虑恐慌情绪和信息传递的行人疏散模拟

为分析应急疏散过程中恐慌情绪和信息传递对行人疏散效率的影响,提出基于热传递原理的情绪感染模型和元胞自动机场域模型相结合的疏散模拟方法。该方法通过量化的恐慌值影响行人决策偏好,并引入信息扩散模型,修正成功接收到出口信息的人群的疏散路径,模拟研究恐慌情绪作用下行人受到信息引导后疏散行为的变化。研究结果表明:恐慌情绪感染主要出现在人群聚集时期,伴随恐慌的蔓延,整体疏散效率降低,且对小规模行人疏散影响效果更显著;随着危险源向出口靠近,恐慌情绪使行人做出非理性决策的可能性更大,导致出口处人群出现分散再聚集现象;有效的信息传递可以降低恐慌情绪影响、提高疏散出口利用率,且信息传递影响效果随疏散人数的减少和危险源向出口的靠近而有所增强。研究结果可为提升应急疏散效率提供理论支持。

高速公路混合交通环境下的智能网联汽车换道策略研究

为推动智能网联汽车应用落地,提出高速公路混合交通环境下智能网联汽车换道策略。首先,改进NaSch元胞自动机模型,并采用马尔科夫链算法计算道路通行能力;其次,针对目标车道为专用车道和普通车道分别建立基于车速引导的决策模型和基于博弈论的双矩阵决策模型;最后,采用多目标轨迹优化算法优化换道轨迹。结果表明:目标车道为专用车道和普通车道时,所提出的策略可分别提高换道效率6%、3.38%。

面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行仿真研究

城市轨道交通是解决城市交通拥堵问题最强有效的绿色交通方式,其高峰期客流激增且客流时空分布不均,而面向虚拟连挂的城轨列车动态灵活编组和群组追踪运行能有效满足复杂多变的城轨运营需求。本文剖析面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行过程,给出虚拟连挂列车群组最小安全追踪距离计算公式;以单列标准车长的线路路段为一个元胞单元,设计速度及位移更新规则,构建基于元胞自动机的城轨列车群组追踪运行仿真模型;以某市地铁2号线为背景,多角度仿真刻画面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行性能。仿真结果表明:面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行模型能有效缩短列车最小安全追踪间隔时间,城轨线路通过能力较移动闭塞制式提高78.4%;头车延迟引起的后续列车晚点总数量及总晚点时间更小,呈现出更佳的抗干扰性与恢复性能,且宜采用小编组列车实现虚拟连挂;动态混合编组的城轨列车群组追踪运行性能最佳,单一小编组的次之,大编组列车群宜在小编组列车群前面运行;城轨列车群组旅行速度总体上与平均站间距呈正相关;当列车发车间隔大于延迟时间时,平均站间距对列车群组的延迟影响不敏感,相反,则影响较为显著。研究结论能够为面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行决策提供技术支撑。

车联网环境下车辆上匝道元胞自动机仿真模拟

为了验证车联网下的交通效率与安全水平,针对高水平车联网下的车辆上匝道过程进行了元胞自动机仿真。针对主道为双车道的上匝道场景,在换道规则上提出了协同换道规则,改进了强制换道规则,从而建立了考虑安全距离和互联性的元胞自动机模型。并模拟了智能网联车与普通人工车混合排列下的交通效率与安全状况。当车流密度较大时,不同车辆排列方式的指标值差异显著。在交通效率方面,当智能网联车渗透率高时,出流量较大且平均速度在20m/s处聚集。说明智能网联车对交通效率有积极影响,而普通人工车的长队列对交通效率有消极作用。在交通安全方面,碰撞时间与临界指数函数值的分布结果均表明,混行情况下智能网联车形成的长队列有利于交通安全,而普通人工车的聚集对交通安全不利。

考虑恐慌行人和多救援人员分区引导的疏散研究

为了探究紧急情况下多救援人员对恐慌行人疏散的影响,建立了一个考虑恐慌行人和多救援人员分区引导的元胞自动机扩展模型。首先,在模型中引入了恐慌因子Pm(t)定量反应恐慌情绪对行人疏散的影响;然后,考虑当多个救援人员存在时,协作开展分区救援的行为;最后,通过仿真重点分析了恐慌情绪阈值、救援人员数量及危险源位置对疏散动力学的影响。结果表明:恐慌情绪阈值和危险源位置显著影响人群的恐慌传播过程和疏散过程;救援人员的引导提高了疏散效率;当多名救援人员存在时,实行分区引导更有利于疏散;出现救援人数不足时,根据危险源的位置和恐慌传播过程对疏散的影响合理地分配救援人员能够提高疏散效率。

点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

基于鱼群效应的智能网联车队形成与演化机理研究

随着智能网联车的快速发展,智能网联车与人工驾驶车辆混行下的交通特性分析和协同控制研究已成为热点。本文构建多车道混合交通流元胞自动机仿真模型,对智能网联车队的形成及状态演化过程进行仿真刻画。首先,基于智能网联车的网联化特征,引入鱼群效应来描述4种智能网联车队的形成过程;其次,从车队角度,利用马尔可夫性计算车队规模转移概率,阐述车队状态演化过程;再次,引入Gipps安全距离原则对NaSch模型进行改进,并对智能网联车和智能网联车队进行速度引导;最后,基于实测的车辆到达率,对建立的基于鱼群效应的混合车流元胞自动机模型进行仿真实验。结果表明:智能网联车队可以有效改善混合交通流的运行状态,缓解交通拥堵;在渗透率60%的条件下,智能网联车队规模为3时,与不存在车队相比,拥堵率可减少43.9%,交通流速度约提升43%,并且随着车队规模的增大,交通流平均速度趋于平稳。

隧道岩体崩落灾害下施工人员疏散模拟方法研究

在隧道工程建设过程中,岩体崩落等安全事故属于常见的危险情况。为能够综合考虑到岩体坍塌这类动态危险障碍物对隧道内施工人员应急疏散的影响,选取某高原地区铁路隧道工程作为研究对象,运用元胞自动机理论(CA)构建了隧道内人员与动态危险障碍物(如落石)轨迹交互模型,并研发了岩体崩落时的人员疏散模拟方法。在此基础上,对隧道内不同岩体崩落灾害等级和范围下的应急疏散过程进行了分级分段的数值模拟和讨论。结果表明:开发的数值模拟方法能够准确地模拟出不同灾害等级下人群在岩体崩落时的疏散过程和伤亡情况;根据模拟结果可知,当发生同一等级的岩体崩落事故时,随着灾害范围的扩大,受伤人数增加,整体疏散速度变慢,从而导致疏散时间延长;同时,灾害等级也是影响施工人员安全的主要因素,灾害等级越高,坍塌岩块的密度越大,从而增加了临灾群体受伤和死亡的概率。该疏散模型为隧道灾害条件下施工人员应急疏散提供了参考依据。

基于可逆元胞自动机加密的扩展码索引调制方案

针对直接序列扩频系统伪随机(Pseudo Noise,PN)码资源有限且码索引调制系统误码率性能下降的问题,提出了一种基于可逆的初等元胞自动机加密的扩展码索引调制方案。首先,针对PN码资源有限的问题,提出使用混沌规则的初等元胞自动机对PN码进行迭代的方案,从而实现扩展PN码的目的;其次,针对码索引调制误码率性能下降的问题,提出了一种可逆元胞自动机加密的码索引调制方案,在发射端,把信息比特切割成调制比特和映射比特,并分别映射为调制符号和扩频码索引,使用对应索引的扩频码对同相分量进行扩频,同时使用可逆元胞自动机对映射比特进行加密,加密后的映射比特为调制符号的正交分量选取对应索引的扩频码进行扩频。仿真与分析结果表明,在相同频谱效率条件下,在加性高斯白噪声信道中,当误码率为10-5时,扩展码索引调制方案的误码率性能优于码索引调制和广义码索引调制方案约2~4 dB,优于非正交码移键控码索引调制方案约0.5 dB。

基于扰动时空混沌的三维OFDM星座加密方案

无线通信网络的迅猛发展使得传输信息量迅速增加,这对系统的传输效率和通信安全提出了更高的要求。为满足上述要求,提出了一种基于扰动时空混沌的三维OFDM星座加密方案。首先,设计了一种反馈元胞自动机,以提高元胞自动机的周期性和伪随机性。将反馈元细胞自动机的迭代结果进行归一化后,作为扰动加入时空混沌系统中。通过分岔图、李亚普诺夫指数、回归映射分析和随机性测试,证明了添加该扰动的系统具有良好的混沌特性。其次,设计了一种新的三维16-ary星座图,将星座点之间的最小欧氏距离扩大了6.3%,并结合扰动的时空混沌系统实现了三维星座旋转的物理层调制加密。实验仿真结果表明,与其他三维16-ary星座映射旋转加密算法相比,该算法的误码率性能提高了约1 dB。此外,通过密钥空间、密钥灵敏度和统计攻击的安全分析,证明了其良好的安全性能。

公交站点区域行人与非机动车交互行为建模与仿真

为研究公交站点区域行人和非机动车的冲突行为,在元胞自动机模型的基础上,首先,考虑激进型行人和混合非机动车流,通过行人穿越决策规则和非机动车避让规则耦合行人运动模型和非机动车运动模型,采用双向行人Blue模型模拟进出站行人的运动行为,采用改进的NaSch模型模拟非机动车的运动行为,建立公交站点区域行人与非机动车交互模型。然后,在北京市西单商场公交站B站台开展观测实验,微观层面展现行人和非机动车之间的交互作用,分析在不同流量构成下二者冲突演化规律以及进出站行人到达率、非机动车到达率对延误和冲突数的影响。研究结果表明,非机动车堵塞多发生在非机动车与行人刚开始的交互处,并向来车方向延伸。与进出站行人到达率相比,行人和非机动车延误受非机动车到达率影响更显著;在进出站行人比例为0.5时,行人和非机动车延误达到峰值;进站行人比例为1时,行人和非机动车延误比出站行人比例为1时延误小;在行人到达率一定时,冲突数随着非机动车达到率的增大而增加,当行人到达率较小时,冲突数呈缓慢地增长趋势,随着行人到达率的增大,冲突数增长率呈现先增大后减小的趋势。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

基于改进元胞自动机的城市区域疏散时序规划模型研究

为解决灾前城市大规模人群有效疏散的难题,考虑实际路网、人口等因素对疏散的影响对传统元胞自动机疏散模型进行改进,构建以各疏散组整体疏散时间最短且不发生拥堵为目标的城市区域疏散时序规划模型,并选取武汉市某滨江地区进行疏散仿真模拟以验证突出模型的有效性与适用性。研究结果表明:提出的模型可以显著减少各疏散组的整体疏散时间和道路拥堵概率,同时得到具体的分阶段疏散方案。研究结果可为制定城市大灾巨灾的应对预案、构建灾害情景等工作提供参考。

基于改进的王正非模型结合元胞自动机的林火蔓延预测

【目的】针对当前我国林火蔓延预测仍存在预测精度不高、普适性差等问题,基于王正非速度模型结合多维元胞自动机的林火蔓延预测模型进行改进,研究了不同区域和分辨率下该模型的有效性,增强了该模型对于不同分辨率数据的适应能力,从而更好地对森林火灾蔓延进行预测,并为林区的火灾蔓延预测和管理提供一种科学合理的技术手段。【方法】使用黑龙江省大兴安岭地区2011年10月28日发生的森林火灾(分辨率500 m)与四川省凉山地区2022年3月29日发生的森林火灾(分辨率30 m)作为数据源,提取发生火灾时刻以及蔓延过程的火线。引入归一化植被指数(NDVI)对王正非模型进行改进,并利用反卷积算法对元胞自动机算法进行改进,将改进后模型输出的结果与实际结果进行精度对比,并比较不同分辨率下的模型精度表现。【结果】改进后的模型精度有明显的提升,其中,黑龙江省大兴安岭试验改进后模型的kappa系数提高了0.0297,面积误差率降低了21.33%,火场预测火点170个,平均过火速度0.75 m/min。四川省木里县试验改进后模型的kappa系数提高了0.1165,面积误差率降低了37.08%,火场预测火点1795个,平均过火速度为4.00 m/min。【结论】改进后的林火蔓延预测模型可以更有效地预测火灾蔓延并计算出最可能过火的火点位置,其预测结果具有高度的一致性和准确性,提高了林火蔓延模拟预测的实用性。与原始模型相比,改进后的模型很好地提高了在不同分辨率数据下的预测精度,能为林火预防和管理提供科学依据。

考虑结伴行为的养老场所多群体人员疏散研究

为了研究养老场所内不同类型的结伴行为对人员疏散的影响,通过分析结伴行为与老年人运动的关系,建立了考虑不同速度和体力值变化的元胞自动机疏散模型,定义了结伴行人的转移概率。为解决多种群体目标位置竞争冲突的问题,提出了两种冲突解决策略。对护理人员比例、老年人结伴概率和行人密度等影响疏散的重要因素进行讨论。研究表明:在疏散过程中不同群体行人发生人员冲突时,优先疏散速度较快的群体可以加快整体的疏散进程;护理人员比例和老年人结伴概率越大疏散效率越高;护理人员分布在疏散场所的远门区疏散效果较好。该研究成果可为优化养老场所人员疏散过程提供参考。

电力机车底架前端结构耐撞性拓扑优化研究

为提高电力机车碰撞安全性,文章以某型电力机车车体为研究对象,对底架前端部位开展耐撞性动态拓扑优化研究。首先,建立电力机车有限元模型,通过基于混合元胞自动机法的动态拓扑优化分析得到底架能量流动的主要路径;然后,结合电力机车车体结构特点,对底架前端结构进行优化设计与铝蜂窝吸能材料填充;最后,将优化前后的有限元模型进行碰撞仿真计算对比。研究结果表明:优化后的车体碰撞峰值加速度为402.56 m/s^(2),较优化前的车体碰撞峰值加速度663.04 m/s^(2)降低了39.29%,优化后碰撞峰值界面力比优化前降低35.71%,验证了机车耐撞性结构拓扑优化设计的合理性与有效性,提升了该型机车的耐撞性能。

精细刻画城镇自组织扩展过程的CA-ABM耦合模拟及预测模型

城镇扩展模拟预测是支撑国土空间规划、实现城镇化高质量发展的重要手段,提高其科学性和实用性有助于精确把握城镇扩展趋势,对国土资源的合理和可持续利用意义重大。现有以元胞自动机(CA)为基础的模型着重于刻画空间因子驱动的城镇自然扩展过程,智能体模型(ABM)则在模拟城镇自组织扩展方面具有理论优势,而且已有的耦合方法多为基于模拟步骤的模型级联,难以实现二者紧密耦合以充分发挥其在模拟城镇自然和自组织扩展方面的优势。本文基于CA的结构开放性和ABM的理论优势,以可达性为媒介表征城镇扩展局部自组织过程的范围差异,并依据博弈论设计利益相关者之间的局部自组织规则,将ABM刻画的人地交互决策融入CA邻域构建,建立一种可以精细刻画城镇自组织扩展过程的CA-ABM耦合模拟及预测模型(CA-ABM-LSO),实现CA和ABM在底层结构的深度集成和城镇自然与自组织扩展过程的耦合模拟。以武汉市为例对其进行应用,结果表明:基于CA和ABM的优势互补特点进行耦合建模,能够充分发挥二者在刻画城镇自然和自组织扩展方面的优势,显著提升城镇扩展模拟精度,并改善模拟城镇斑块的景观形态;基于博弈论的局部自组织规则可有效实现宏观经济政策对微观智能体交互决策的指导,提高城镇扩展模拟的科学性和规划实用性;预计至2035年,武汉市城镇扩展的重点区域集中在高新科技园区和运输集散中心附近,这符合“武鄂黄黄”都市圈的发展预期,可为其空间规划提供决策支持。