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《山东大学学报(工学版)》
Journal of Shandong University (Engineering Science)
主管单位:中华人民共和国教育部
主办单位:山东大学
主编:李术才
编辑出版:山东大学科技期刊社
ISSN:1672-3961 CN:37-1391/T
邮发代号:24-221
2024年 第54卷 第2期 刊出日期:2024-04-20
  
    交通运输工程—智慧交通专题
    驾驶员疲劳驾驶检测研究综述
    杨巨成, 魏峰, 林亮, 贾庆祥, 刘建征
    2024, 54(2):  1–12.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.279
    摘要 ( 261 )   PDF(1359KB) ( 199 )   收藏
    司机疲劳驾驶检测对于交通安全至关重要,有效的疲劳识别技术可以降低因疲劳引起的交通事故。对司机疲劳驾驶检测方法进行系统综述。介绍司机疲劳的概念及其检测的必要性,阐述疲劳驾驶行为特征并进行分类。详细总结目前广泛使用的几种疲劳驾驶公开数据集,通过归纳分析各数据集特点,对比其适用性和局限性,为后续研究提供宝贵资源。综合分析基于面部特征、生理信号特征、车辆特征以及多特征融合的司机疲劳驾驶检测方法,对比各类方法的优劣。总结司机疲劳驾驶检测领域面临的问题与挑战,对未来的发展方向进行展望。
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    光纤传感技术在道路交通中的应用
    宋修广, 赵涛, 毕研美, 张紫豪, 杜聪, 田源, 孔晓光
    2024, 54(2):  13–26.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.252
    摘要 ( 124 )   PDF(1745KB) ( 74 )   收藏
    光纤传感技术作为当前交通领域的研究热点,是交通基础设施和交通安全的重要监测手段。围绕光纤传感技术检测与监测应力应变信号、温度信号及振动信号的能力,从交通基础设施及交通信息两方面入手,系统阐述国内外相关研究成果。分析总结当前光纤传感技术在交通领域研究和应用的不足之处,并对该技术未来在交通领域中的发展和实际工程应用做出展望。
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    青岛主城区等时交通圈的构建及空间格局研究
    刘冰,王新雨,陈丽,张艺曦,张照杰,陆邹妍,梁蕾
    2024, 54(2):  27–35.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.193
    摘要 ( 80 )   PDF(1522KB) ( 68 )   收藏
    以青岛市主城区交通圈为对象,分析青岛主城区交通圈层,弥补青岛市交通圈空间格局研究的缺失。依据地价均衡理论识别青岛主城区;采用核密度分析法和中心服务区算法,辅以源点终点(origin-destination, OD)矩阵分析法、成本距离分析法,生成青岛主城区等时交通圈;将青岛主城区交通圈分为核心区、过渡区与边缘区,并对青岛主城区空间范围、圈层形态等空间格局特征进行分析、评价;根据分析结果提出交通规划的具体建议。研究结果表明:青岛主城区内基于职能的平均时间成本为0.58 h,不同区域的时间成本差异明显,其中核心区有较高的路网密度,呈南北狭长分布;过渡区在核心区周围,道路里程较短,路网密度最低,空间分布格局不规则;边缘区时间成本最高,但路网密度比过渡区高,空间形态呈组团式分布。
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    基于图神经网络轨迹预测的合流区交通冲突预测方法
    赵涛,张宁,王小超,马川义,田源,张圣涛,杨梓梁
    2024, 54(2):  36–46.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.230
    摘要 ( 96 )   PDF(6694KB) ( 53 )   收藏
    为保证高速公路合流区路段的交通安全,减少交通冲突,提出一种基于图神经网络轨迹预测的合流区交通冲突预测方法。该方法包括基于时空图卷积神经网络的轨迹预测方法以及基于预测轨迹的交通冲突预测方法。利用Mirror-Traffic数据集进行交通冲突指标阈值计算,并通过一定的轨迹数据处理方法得到适用的数据,进行网络模型训练和验证。结果表明,严重冲突的后侵入时间(post-encroachment time, PET)阈值为2.0 s,轻微冲突的PET阈值为5.36 s。该轨迹预测方法的平均位移误差为1.5 m,最终位移误差为2.1 m,时间成本为0.59 s,与其他4种方法相比,本研究方法的轨迹预测整体效果最好。在交通冲突预测方面,采用准确率、精确率、召回率和F1评价交通冲突预测模型,结果表明交通冲突预测效果较好。本研究提出的方法保证了预测的正确性,增强了预警系统下行车的安全性,提高了预警系统下的合流区通行效率。
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    基于排队模型的电动物流车充电站选址和运输路径问题
    赵姣,杨倩倩,胡大伟,胡卉,李洋
    2024, 54(2):  47–59.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.022
    摘要 ( 77 )   PDF(6985KB) ( 58 )   收藏
    针对电动物流车辆规模化应用中电池容量小和充电时间长的问题,以充电站选址和运输路径集成优化为目标,考虑因充电排队等待因素及电动车能耗碳排放成本,建立带时间窗的电动物流车选址-路径问题(location-routing problem, LRP)模型。基于遗传算法,加入贪婪搜索策略、精英保留策略和劣解突变策略求解模型。针对小规模测试算例,采用LINGO优化求解器与改进的遗传算法进行求解效果分析,验证算法的有效性;采用较大规模不同分布的测试数据进行分析计算后,改进的遗传算法比传统的遗传算法平均改进54.52%,表明改进遗传算法能够较大程度改进求解能力。分析充电站服务率参数对各项成本的影响,发现随着充电站服务率的增加,总成本整体呈下降趋势,表明所提模型更加符合实际,为电动物流车大规模推广应用提供了理论依据。
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    基于时频分解与深度学习的轨道客流预测
    徐金华,罗义凯,李昱燃,李岩
    2024, 54(2):  60–68.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.040
    摘要 ( 64 )   PDF(9902KB) ( 85 )   收藏
    为提高城市轨道线网站点短时客流预测精度,在对轨道站点分类的基础上分别对各类型站点进行客流预测。以动态时间弯曲作为度量,采用K-means算法对站点进行分类,分析各类型站点客流时序特征;为弱化原始客流数据中噪声的影响,利用经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)方法对各类站点原始客流进行时频分解;提出一种融合图卷积网络(graph convolution network, GCN)和门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)的深度学习模型,并以分解得到的分量作为模型输入。以西安地铁为例进行研究,结果表明,根据连续一周站点客流时序特征可将站点分为办公就业型、密集居住型、休闲娱乐型、偏远居住型和职住均衡型5类。采用平均绝对百分比误差及均方根误差作为评价指标,结果表明本研究所提方法对各类站点客流预测的精度优于基准模型。
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    机器学习与数据挖掘
    面向冷启动用户的元学习与图转移学习序列推荐
    李璐,张志军,范钰敏,王星,袁卫华
    2024, 54(2):  69–79.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.016
    摘要 ( 49 )   PDF(3112KB) ( 13 )   收藏
    为解决推荐系统用户冷启动问题,提出面向冷启动用户的元学习与图转移学习序列推荐(sequential recommendation for cold-start users with meta graph transitional learning, MetaGTL)。MetaGTL在不使用其他辅助信息的前提下,采用图神经网络(graph neural network, GNN)建模序列间物品高阶关系生成用户物品嵌入;将交互序列构造为物品对集合,使用序列编码模块捕捉物品间的转移关系,动态建模用户兴趣;采用注意力机制,生成准确的用户特征;采用基于梯度的元学习方法训练模型,生成初始化模型;对模型的工作性能和结果进行详细分析,结合基线模型进行对比评价。试验结果表明,基于元学习与图转移学习的MetaGTL在缺少辅助信息的用户冷启动任务中具有更高的预测精度。
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    基于混合偏移轴向自注意力机制的脑胶质瘤分割算法
    高泽文,王建,魏本征
    2024, 54(2):  80–89.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.021
    摘要 ( 52 )   PDF(8100KB) ( 11 )   收藏
    为提高脑胶质瘤核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)图像分割精度及质量,设计一种混合偏移轴向自注意力机制的脑胶质瘤分割多层级轴向注意力网络(multi-level axial-attention net, MLA-Net )算法。MLA-Net算法框架中设计的混合偏移轴向自注意力机制和混和损失函数,分别用于提取更精确的全局相对位置关系、提升网络对细节结构特征的敏感程度和实现精确地分割胶质瘤模糊边界。试验结果表明,在BraTS 2018和2019的混合数据上,MLA-Net算法的dice系数可达到0.843 3, Hausdorff距离为2.587。MLA-Net算法的MRI图像脑胶质分割性能优良,可以融合全局相对位置特征和局部细节特征,更好地分割出脑胶质瘤感兴趣区域。
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    基于岸基激光雷达的水位智能监测技术
    陈晓燕,齐明杰,程之恒,张昱,庄绪彩,陈亮,田源
    2024, 54(2):  90–95.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.046
    摘要 ( 54 )   PDF(3046KB) ( 15 )   收藏
    针对传统水位监测方法耗费人力物力极大且难以满足夜间、雨天等恶劣环境下实时监测的难题,基于激光雷达研发水位智能监测技术,通过在岸基搭建激光雷达数据采集平台,以相对水平角和垂直方位角为参数选择感兴趣区域;研发算法分析用户数据报协议(user datagram protocol, UDP),自行解析雷达数据,提取水面有效点云信息;拟合离散点云,构造水面方程,计算水位高度,并修正。对该算法进行实地试验,试验结果表明,本研究提出的水位智能监测技术可有效进行水位监测,平均绝对误差为0.057 m,均方根误差为0.073 5 m,平均百分比误差为7.588%。
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    结合自训练模型的命名实体识别方法
    肖伟, 郑更生, 陈钰佳
    2024, 54(2):  96–102.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.353
    摘要 ( 61 )   PDF(1009KB) ( 34 )   收藏
    针对命名实体识别数据集中存在某些实体类别样本过少,使模型学习该类别特征能力较差,导致整体性能较低的问题,提出结合自训练模型的命名实体识别方法。利用已有的命名实体识别数据集训练一个教师模型,通过改进的文本相似度函数搜寻与原数据集最相似的无标签文本,利用教师模型对无标签文本生成伪标签,并将伪标签与有标签数据集混合重新训练一个学生模型用于下游的命名实体识别任务。试验结果表明,相较基线模型,该方法在公共数据集MSRA、CONLL03和法律实体识别数据集上取得更优的性能。
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    基于活动理论的社会-信息服务协同建模方法与工具
    齐明皓,赵卓峰,丁维龙
    2024, 54(2):  103–113.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.004
    摘要 ( 49 )   PDF(2912KB) ( 4 )   收藏
    以第四方平台模式下的科技服务协同为研究案例,通过活动理论对社会-信息服务协同要素进行分析,提出社会-信息服务协同核心建模元素及模型定义,给出基于BPMN2.0扩展的定义语言,设计并实现可视化的社会-信息服务协同建模工具及相关支撑系统。通过具体的科技服务协同案例验证了本研究方法可以有效支持社会-信息服务协同的建模及管理需求。
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    土木工程
    月球基地的建设远景与挑战
    蒋明镜, 王思远, 姜朋明, 华亦雄, 石安宁, 杨越群, 薛桥斌, 戴婉婷, 仇淞
    2024, 54(2):  114–125.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.305
    摘要 ( 79 )   PDF(13427KB) ( 51 )   收藏
    基于对月球资源和环境条件的调研及国内外月球基地建设方案的相关研究与发展现状,综合考虑月球纬度、复杂地形地貌以及月壤/月岩矿物等原位资源利用因素,以传统土木工程为框架,结合当下物联网、大数据、人工智能等研究方法,提出以月表、月海、月岩等地貌特征与不同阶段下月球开发探索的研究目标相结合,分阶段构建“月表之上”“月海之中”“月岩之下”的月球综合体建造基地的设想。对不同阶段的基地建设选址、设计方案、结构特征以及智慧基地的建设要点进行分析,总结面对复杂月面地貌特征条件下构建月球基地综合体所面临的技术挑战和关键科学问题,为未来建设高级月球基地及功能分区部署提供参考。
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    围岩参数不确定性对地下水封洞库稳定性的影响
    彭振华,王者超,洪成华,李康林,李傲
    2024, 54(2):  126–135.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.036
    摘要 ( 55 )   PDF(8262KB) ( 40 )   收藏
    为了分析库区围岩条件测量不确定性问题对围岩稳定性分析产生的影响,依托国内某地下水封洞库工程,采用ANSYS/FLAC3D建立洞库的三维数值计算模型,开展洞库稳定性数值模拟。将围岩的位移分布、应力分布和塑性区分布作为稳定性的评价指标,分析围岩物理力学参数(包括弹性模量、泊松比、密度、内摩擦角、黏聚力和抗拉强度)、地应力方向对洞库围岩稳定性的影响。通过改变围岩物理力学参数的大小和应力场方向,开展考虑围岩物理力学参数和主应力方向不确定性的地下水封洞库围岩稳定性研究。数值模拟结果表明,当围岩的物理力学参数下降10%时,围岩的位移显著增加,地应力方向改变10%时,围岩位移变化均会增加,说明围岩物理力学参数的变化对稳定性的影响更大,验证主洞室的走向应与地应力方向平行。
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    新型装配式剪力墙单向往复/单调加载试验
    樊禹江,余滨杉,许锦宝,陈玉喜,熊二刚,孙克清
    2024, 54(2):  136–142.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.029
    摘要 ( 36 )   PDF(7551KB) ( 5 )   收藏
    为明确装配式剪力墙结构水平连接的传力机理,获得更优异的耗能能力,提出一种新型装配式剪力墙结构。针对此结构,设计制作4片缩尺比例为1∶1.54的不同螺栓配置数量、轴压比和边缘构件纵筋配筋率的新型装配式剪力墙结构模型,完成单向往复/单调加载试验。4片试件破坏模式相似,墙体保持弹性状态,且未发现明显裂缝;之后墙体混凝土发生破坏,裂缝多开展于1/3墙高下侧,最终破坏时沿墙身对角线向墙角贯通。轴压比/边缘构件纵筋配筋率减小导致试件各特征荷载降低。试验结果表明,增加螺栓配置数量虽然对试件的特征荷载影响不大,但能有效限制墙体侧移,提高试件的整体性和水平连接装置的传力性能;新型装配式剪力墙具有更强的变形能力,极限承载力与现浇墙体基本一致。
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    基于耦合欧拉-拉格朗日方法的砂土中静压桩挤土效应数值模拟
    韩超,王彤,陈德文,孙恩赐,李平,吴则祥,周冲,庄培芝
    2024, 54(2):  143–152.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.050
    摘要 ( 48 )   PDF(8077KB) ( 36 )   收藏
    为探讨砂土地基中静压桩沉桩过程的挤土效应,引入Simsand砂土临界状态本构模型,采用耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法,模拟分析了砂土中静压沉桩过程的挤土效应。基于相关试验数据校定本构模型参数,利用模拟离心机沉桩试验,验证数值模型的准确性。结果表明,挤土效应的影响区域直径随着桩尖角度和砂土相对密度的增大而增大,压入过程中,平底桩的挤土效应倾向于竖向向前,增大了土体阻力。桩基压入引起近地表土层发生隆起,密砂地层的隆起较松砂地层显著。随着深度增加,桩周土体的竖向位移由隆起变为向下移动,且趋于稳定,密砂中发生的侧向位移大于松砂地层。挤土效应的影响区域直径随桩端竖向向下方向迅速衰减,随桩端竖向向上方向发生小幅度减小,在密砂中沿径向方向呈现先增大后减小的趋势。
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    基于离散元的深海集矿车履带土体动态作用机理
    刘钦,刘磊,张宁,赵红宇,王哲,黄坤鹏
    2024, 54(2):  153–162.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.352
    摘要 ( 33 )   PDF(13702KB) ( 9 )   收藏
    针对深海集矿车在软底质土上行驶困难的问题,配制模拟底质土进行直剪试验,通过离散元土体模拟压陷与剪切试验,验证离散元模拟底质土的可靠性。在此基础上构建履带-土体相互作用系统,在重心偏移下,分析集矿车履带接地长宽比和支重轮数对接地压力和土体沉降的影响。结果表明,随履带接地长宽比增大,偏心效应越显著,履带初始接地压力分布不均匀,履带整体沉降增大,但对履带梯形不均匀沉降形式无明显影响。支重轮数n≤3时,增加支重轮数可适当减小偏心效应,履带初始接地压力不均匀分布明显,履带整体沉降降低;n>3时,支重轮数变化对偏心效应影响较小,履带初始接地压力分布逐渐均匀,但对履带整体沉降无明显影响。不同履带接地长宽比与支重轮数的土体压陷关系近似符合Bekker压陷公式。
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    湿陷性黄土微观力学特征及其路基沉降规律
    肖文斌,李靖,武科,王志强,许文彬,刘大鹏,张智棋,沈平
    2024, 54(2):  163–173.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.388
    摘要 ( 45 )   PDF(16197KB) ( 15 )   收藏
    依托朔州市南环路黄土路基改扩建工程,基于电镜扫描试验和颗粒流数值模拟分析,研究孔隙率的差异性导致湿陷性黄土微观结构特征及其应力变化规律。采用宏观数值计算方法,建立湿陷性黄土公路路基施工力学三维模型,研究公路改扩建工程湿陷性黄土路基沉降规律,探讨路基参数对新旧路基沉降的影响效应。研究结果表明:湿陷性黄土颗粒主要分为散粒和凝块,其颗粒接触关系主要有3种:支架接触、镶嵌接触以及分散分布,其中,支架接触结构受含水率影响最大。在不同围压条件下,不同孔隙率的湿陷性黄土试样在加载过程中经历了4个发展阶段,并且孔隙率对湿陷性黄土峰值剪切强度以及剩余强度影响显著。新旧路基最大沉降和变形受路基加宽宽度和路堑挖深高度影响,且保持同增同减的关系;地基强度越高,新旧路基沉降变形越小。地下水位越高,黄土的湿陷性越明显,新旧路基沉降越大。
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    电气工程
    提升高比例新能源送端电网暂态电压安全的调相机优化配置策略
    杨金刚,石振江,何成明,李笑蓉,梁永亮
    2024, 54(2):  174–182.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.356
    摘要 ( 54 )   PDF(7916KB) ( 16 )   收藏
    以提升高比例新能源送端电网的暂态电压安全性为目标,研究调相机组的选址和定容优化配置问题。基于新能源机组高/低电压安全穿越标准建立暂态电压安全评估指标,提出调相机安装站点优选方法。综合考虑送端电网暂态电压安全和外送通道功率输送要求,构建调相机配置容量优化模型,提出应用天牛群算法的模型求解方法。通过对高比例新能源送端电网仿真分析,验证了所提调相机优化配置策略能够有效提升送端电网暂态电压安全水平并减少故障扰动下外送通道功率与故障前调度值偏差。
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