面向队列实际行为特性的混合交通流建模及分析

为探讨自主汽车队列实际行为特性对交通流的影响,针对混入前车跟驰(PF)汽车队列的混合交通流,考虑队列实际行为特性并按照其实际控制策略进行建模,基于元胞自动机方法建立了混合交通流模型。仿真分析表明:队列车头时距、队列渗透率、队列规模、控制增益等队列特征对混合交通流呈现出耦合及非线性的影响特性,不同队列特征下的混合交通流时空特征差异显著;减小队列车头时距或增加队列渗透率对提升道路的通行能力总体是有利的;队列规模及控制增益对交通流量的一致性影响规律不明显,都需要结合其他队列特征进行具体分析。

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。

事故紧急度视角下人机混驾车流拥堵演化仿真

为提高事故路段通行效率,提出考虑事故紧急度的元胞自动机模型。首先,构建人工驾驶车辆(HVs)驾驶员与自动驾驶车辆(CAVs)的事故紧急度感知量化模型;其次,区分行驶车辆所在的车道位置,将量化后的事故紧急度加入车辆的换道和跟驰模型中,分析车辆在选择减速跟驰、变换车道或加速驶离等不同驾驶行为时,事故紧急度对交通流产生的4种影响情景;最后,在不同情景下,通过仿真验证车辆受到事故紧急度引导时,事故路段人机混合交通流组织的改善效果。结果表明:相较于第1种情景,第3种影响情景的总平均运行速度提高36.94%、上游车辆拥堵影响范围减少75%、最大排队长度改善10.56%、平均排队长度改善12.09%。

基于SHCA-T算法的车身骨架多工况耐撞性优化设计

为解决多变量非线性动态结构优化效率低、难以收敛等问题,提出求解车身骨架厚度优化的子区域混合元胞自动机(SHCA-T)算法以及多工况SHCA-T算法,实现车身骨架多工况耐撞性高效优化设计。该方法包括内外两层循环:外层循环主要开展碰撞仿真分析、计算输出响应,更新目标质量,实现结构质量的最小化;内层循环主要根据当前元胞及其邻胞的内能密度,按照PID控制策略调整元胞厚度,使内层循环的当前质量收敛于目标质量;最终使元胞内能密度分布尽可能逼近阶跃式目标内能密度函数。为了验证SHCA-T和多工况SHCA-T算法的精度和效率,将其用于求解侧面碰撞和侧面柱碰工况下车身骨架的厚度优化问题,并与基于伪CEI准则的并行约束EGO(EGO-PCEI)算法的优化结果进行对比。结果表明:在收敛精度相当的条件下,SHCA-T和多工况SHCA-T算法具有更高的全局搜索效率。

汽车碰撞关键件非线性拓扑优化设计

由于汽车碰撞安全法规的升级以及轻量化的需求,对汽车碰撞关键件的优化提出了更高的要求。基于混合元胞自动机法,给出了汽车开发详细设计阶段在复杂工况下实现非线性拓扑优化的流程。首先,将整车模型根据工况特点简化为等效模型;然后,基于等效模型开展非线性拓扑优化设计;最后,将等效模型优化结果应用于整车模型中进行验证,完成轻量化设计,其中,对于侧面柱碰撞工况动力电池的防护,以门槛梁为优化对象,在原有优化结果的基础上通过设计使重量减小了12%。针对《中国保险汽车安全指数测试评价规程》(2023版征求意见稿)中侧面碰撞工况后的车门侵入过大问题,采用非线性拓扑优化对C柱钣金进行设计,使重量减小了13%。

铝合金汽车前碰撞横梁的轻量化设计与碰撞性能分析

基于显式动力学有限元分析软件,以混合细胞自动机(HCA)作为优化计算模型,对铝合金前碰撞横梁的结构进行优化设计。针对拓扑优化结果,采用模拟退火法优化横梁壁厚尺寸,获得薄壁、中空且带有加强筋结构的铝合金前碰撞横梁设计方案。以6061铝合金前碰撞横梁替代某车型原钢质横梁,通过台车碰撞进行仿真模拟与实验验证。结果表明:铝合金前碰撞横梁比原钢质前碰撞横梁质量减轻了25%,且具有较高的抗弯曲强度,低速碰撞下,铝合金前碰撞横梁较原钢质件系统吸能提高了45.6%。

基于混合元胞自动机的铝合金保险杠横梁设计

为提高保险杠横梁的耐撞性并考虑轻量化的要求,提出铝合金横梁结构的设计方法.建立耐撞性有限元仿真模型,基于混合元胞自动机方法进行耐撞性拓扑优化,根据材料分布得到H型梁的结构;采用Kriging近似模型技术,进一步优化拓扑优化后的截面尺寸.结果表明,所提出的结构设计方法可以得到合理的截面形状和尺寸,提高了保险杠横梁耐撞性且实现了轻量化设计.

混合电梯群控系统建模及新型优化调度策略

为了简化电梯系统建模问题的复杂性,国内外学者一直将电梯系统作为离散事件动态系统来分析,然而实质上电梯群控系统是一种典型的混合系统,包含了连续状态和离散状态以及复杂的人为逻辑策略。针对这一情况,打破此传统分析方法,将电梯作为混合动态系统进行分析,以细胞自动机理论为基础,加入多种连续速度曲线,建立了完整的混合电梯群控模型。仿真结果表明该模型结构简单,具有较强适应能力和可扩展性。同时,针对粒子群算法容易陷入局部最小值的缺陷,对其加以改进,提出一种新型的调度策略,并应用到混合电梯群控系统模型中,进行优化派梯。仿真结果表明该策略具有一定的可行性与优越性。本派梯策略为电梯群控算法提供了新思路与新方法,并扩展了粒子群算法的应用范围。

基于混合元胞自动机算法的连续体结构非线性拓扑优化

采用一种无梯度的混合元胞自动机(HCA)算法,通过将元胞自动机(CA)规则与LS-DYNA求解器耦合来实现拓扑优化,解决了材料非线性小变形工况在迭代过程中的振荡不收敛及突变现象。通过引入体积约束函数并不断更新应变能密度目标值,使优化结构的质量能够精确收敛于目标质量,实现了拓扑优化结果对结构尺寸优化的目的。研究结果表明,非线性分析对实际工程中的结构优化设计非常重要,结合LS-DYNA求解器的HCA拓扑优化算法对求解非线性问题高效可靠,能够有效减少奇异解并消除棋盘格现象,具有良好的工程应用价值。

混合电梯群控系统建模及免疫优化派梯策略

电梯群控系统是一种典型的混合系统,包含了连续状态和离散状态以及复杂的人为逻辑策略,利用细胞自动机原理对电梯群控系统建模,能准确描述系统的连续动态、离散事件及其相互影响,同时也能完整有效地包容各电梯运行及管理两大部分。模型结构简单,具有较强适应能力和可扩展性。将人工免疫优化算法应用于混合电梯群控系统中进行派梯优化,模拟生物免疫系统的人工免疫(AI)优化算法采用高变异克隆避免种群陷入局部最优,加速优化速度,取得了比较好的效果。

基于宏观运动波和微观元胞自动机的双车道交通流混合建模

基于运动波理论和线性元胞自动机模型,提出了一种宏观与微观空间表现尺度相结合的双车道交通流混合建模方法.在交通流供需理论框架下,定义了考虑车辆变道行为和元胞自动机空间离散性影响的宏观/微观边界转换条件.该边界条件能够克服在引入车辆变道行为和应用离散化的微观元胞自动机模型时所引起的交通流质量损失问题.应用混合模型模拟双车道堵塞和单车道关闭引起的交通流瓶颈现象.结果表明,交通波在经过模型空间尺度发生变化的边界时能够连续传播,传播速度并未出现降低或者振荡现象,并且交通流质量守恒.混合建模能根据各路段所需表现的空间尺度不同,应用不同空间层次的交通流模型分别模拟,有效提高了大型交通流网络的模拟效能.

一种基于元胞自动机的改进遗传算法

针对遗传算法中存在搜索效率和解精度低的问题,结合元胞自动机模型,提出了一种改进的遗传算法——竞争杂交算法。在适应度函数中运用元胞自动机模型进行竞争复制,在确定交叉算子时进行杂交,依此来对遗传算法进行改进。仿真结果表明,竞争杂交算法在搜索速度和概率上比简单遗传算法要高一些。

考虑自适应巡航车辆影响的上匝道系统混合交通流模型

在考虑自适应巡航(adaptive cruise control,ACC)车辆的交通流模型的基础上,建立了考虑ACC车辆影响的上匝道系统混合交通流模型,研究ACC车辆引入对上匝道交通系统交通流的影响.为了描述ACC车辆和手动驾驶车辆在交通流运行中的差异,分别构建了基于常车头时距原则的ACC车辆跟驰子模型和手动驾驶车辆MCD元胞自动机子模型;基于上匝道车辆合流驶入主线的需求,建立了换道子模型,引入了表征驾驶员换道心理的参数λ.通过对混合交通流模型进行数值模拟发现,ACC车辆的混入可以有效改善上匝道系统交通流的运行,降低合流等事件对于交通流运行的影响,抑制交通拥堵的时空范围及拥堵强度,提高交通流的平均速度和流量.此外在混合交通流模型中,ACC车辆期望车头时距Hd的减小与换道心理参数λ的增大均可以提高混合交通流运行的速度和流量,而合流区长度lw对混合交通流影响则因上匝道车辆驶入概率的不同而存在差异.

一类特殊规则的二维混合元胞自动机的GOE问题

无前像位形(GOE)是元胞自动机的一个重要特征,它的存在关系到元胞自动机的可逆性。本文主要利用矩阵代数的原理,针对一类二元域上的特殊混合规则的线性二维元胞自动机进行讨论,给出了在不同的情况下,一个位形是GOE的充分必要条件,以及计算元胞自动机中GOE的个数的算法。

低噪声圆锯片动态拓扑优化设计研究

为了降低金刚石圆锯片锯切噪声,提出一种适用于多约束条件下的圆锯片减振降噪动态拓扑优化设计方法。基于混合元胞自动机算法构建了低噪声圆锯片动态拓扑优化模型,以锯片减振降噪为设计目标,以锯切过程的锯切力、位移载荷响应为多约束条件,对优化模型进行计算分析,得到了满足刚度要求的最优开槽圆锯片,降低噪声5.1 dB。依据优化结果制备了开槽锯片,通过锯切实验,验证了优化结果的正确性。该方法为低噪声圆锯片的动态拓扑优化设计提供了新思路。

基于元胞自动机与改进A^(*)算法的砾石土摊铺实时监控作业路径规划

砾石土摊铺是心墙堆石坝施工的重要环节,其厚度和平整度是表征摊铺质量的关键指标。然而,现有的摊铺作业路径规划高度依赖人工经验,存在主观性强的缺陷,因而摊铺质量难以得到有效控制。针对上述问题,本研究提出了一种基于元胞自动机与改进A^(*)算法的砾石土摊铺实时监控作业路径规划方法。该方法通过改进A^(*)算法中的轨迹距离度量函数并引入避障冗余距离优化全局路径的规划和选取,同时结合质量评价函数优化局部动态路径规划方法,从而实现摊铺作业全局-局部混合路径规划。此外,通过建立砾石土摊铺质量元胞自动机模型,将施工机械的实时监控数据转化为仓面各网格的质量信息,实现质量信息的实时更新。工程应用表明,本研究提出的方法在保证施工效率的前提下,能够控制摊铺厚度在0.27 m左右,有效避免超厚超薄现象的发生,且平整度相较人工提高了22.6%。

面向变厚度柔性轧制工艺的帽型梁横向冲击吸能优化设计

作为汽车主要吸能构件的帽型梁的吸能提升设计是备受关注的问题.研究表明,通过优化薄壁结构的厚度可有效提升吸能性能,但复杂的厚度分布造成制造困难.针对可实现厚度调控的工艺,发展易制造的结构设计方法极为必要.本文基于变厚度柔性轧制工艺(variable gauge rolling, VGR)可实现厚度调控的特点,发展建立帽型梁横向冲击吸能优化设计方法.基于变厚度柔性轧制工艺生产的柔性轧制板(tailor rolled blanks,TRB)的特点,将受横向冲击的帽型薄壁梁设计成沿轴线分段变厚度、分段间设梯度过渡段的结构形式,通过调整各段厚度、分段位置和过渡层梯度变化规律,实现性能的优化.以应变能密度分布均匀为优化准则、基于混合元胞自动机(hybird cellular automata, HCA)方法构建优化模型和求解方法,并在迭代过程中施加满足轧制约束的过滤函数,使结构满足轧制工艺要求.其中,轧制约束的过滤函数由粒子群算法自动寻找.基于本文方法,具体设计了柔性轧制帽型梁横向冲击吸能最优的分段位置、各段厚度及过渡段厚度的梯度过渡方式,设计结果验证了方法的有效性.

基于Agent与元胞自动机的无人机集群混合式控制

高效有序的集群控制方式是集群顺利完成作战任务的前提。针对无人机集群控制问题,结合集中式与分布式2种控制方式,提出基于Agent与元胞自动机的集群混合式控制。从无人机集群作战流程出发构建了无人机集群控制体系框架、通信拓扑结构及集群控制规则,将集群个体由上至下分为中心长机、小组长机、个体无人机3个层次,高层级对低层级采用自上而下的集中式控制,同层级采用自下而上的分布式控制。在此基础上,利用Agent模型的层次性与元胞自动机模型的同质性,设计了基于Agent与元胞自动机的集群混合式控制模型,实现2种控制方式有效结合,元胞自动机模型实现集群基本的聚合、分离、速度一致规则,Agent模型实现不同层级个体间的协同交互规则。在编队集结与保持任务背景下,对分布式、集中式与混合式3种控制进行对比仿真,结果表明:基于混合式控制的集群在编队可控性、跟随性、一致性以及降低通信负载等方面具有明显优势,验证了混合式集群控制方法的有效性。

基于一维混合元胞自动机模型的汽车变厚度B柱设计

为了将连续变厚度轧制工艺更好地应用于车身轻量化设计和耐撞性设计,针对连续变厚度轧制(TRB)B柱不同区域厚度分布的设计问题,提出一维混合元胞自动机(ODHCA)模型。建立变厚度B柱的ODHCA模型,提取元胞厚度作为设计变量,确定其局部更新规则;根据连续变厚度轧制工艺的特点定义设计区域的约束条件,确定ODHCA方法的迭代方式与收敛准则。结果表明:应用ODHCA方法,在等质量情况下,胸部、腹部、骨盆位置侵入量分别降低了8.8%、13.4%、14.6%;而在质量降低14.2%时,上述各部位的位置侵入量分别降低了5.8%、9.6%、10.3%。因而,该方法可以改善B柱的变形模式,提高侧面碰撞安全性能,并满足轻量化要求。

基于壳单元虛拥偏置的HCA形貌优化分析

形貌优化是工业设计中提高零件性能的重要工具,现有的商业软件多通过节点偏置进行形貌优化,但形成的加强筋高度为定值且起筋形态过于简单,限制了性能的发挥。采用壳单元虚拟偏置的方法,在元胞自动机理论基础上建立了CA和LS-DYNA联合仿真系统(混合元胞自动机,Hybrid Cellular Automata,HCA),实现了自动迭代计算生成虚拟加强筋。算例结果与商业软件0ptiStruct进行对比,结果表明采用HCA系统生成的加强筋使零件在载荷方向上的最大位移比0ptiStruct减小了16.2%,分布均匀性得到改善,具有一定的研究与实践意义。