《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》征稿简则
液压起重机安全监控系统的开发

第32卷 第4期2008年8月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering )V o l .32 N o.4A ug .2008液压起重机安全监控系统的开发3 收稿日期:2008203225 朱 钰:女,44岁,副教授,主要研究领域为轮机工程液压与控制技术 3国防研究项目资助(批准号:200505YB 09)朱 钰1) 许顺隆1) 刘少辉1) 莫善锋1) 胡甫才2)(集美大学轮机工程学院1) 厦门 361021) (武汉理工大学能源与动力工程学院2) 武汉 430063)摘要:针对集美大学轮机工程学院实验室内的2t 3m 液压起重机,建立由吊臂油缸压力传感器、吊臂变幅角度传感器、吊臂回转限位器、钩头过卷限位器、吊臂变幅限位器、多功能数据采集卡、工控机等构成起重机安全监控硬件系统.基于Visual Basic 软件平台,开发出一整套起重机工况监控及报警软件系统,界面友好,操作简单,实现了起重量、工作半径、当前工作半径下的最大负载等多个参数的实时检测与显示,并根据危险工况等级实行报警或停机保护处理.关键词:起重机;状态监测;安全系统中图法分类号:U 6250 引 言起重机作为建筑、物流、安装领域的重要机器设备,其单机的工作范围、起重能力及监控水平不断向大型化和自动化方向发展.同时,由于起重机自身结构和工作特点,决定了它是一种蕴藏较大危险因素的施工机械.随着人们安全意识的不断增强,保证起重机在安全限度内工作,成为起重机安全设计方面的一大研究重点[123].国内外对起重机安全系统的研究主要集中在起重力矩限制器方面,并向智能化方向发展[426],本文针对轮机工程实验室2t 3m 液压起重机建立并开发了该起重机状态的实时监测、显示、报警等的软、硬件系统,实现了起重机的起升、回转、变幅等状态的实时监控及安全报警功能,为今后起重机操纵向智能化方向发展的研究奠定了基础.1 安全监控系统的组成及工作原理根据起重机安全保护系统的具体要求,安全保护系统主要包括状态数据的采集、数据的处理、工况的显示报警和起重机的控制四大部分.数据采集部分一般由传感器(如压力、角度传感器)、限位器(如回转、变幅限位器)和数据采集卡组成;数据处理部分一般是微处理器,微处理器可以是计算机、工控机、PLC 、单片机等;工况的显示报警由显示面板(LED )和报警装置组成.图1示出起重机安全监控系统的组成.图1 安全保护系统的基本组成根据要求,传感器和限位器分别安装在起重机的相应位置,在起重机运行过程中,实时检测运行参数的变化并由数据采集卡采集;之后,送入微处理器中,调用预先编写的程序对信号进行处理计算,并做出正确的判断,结果由显示器显示;如果起重量达危险起重量或运动到极限位置,输出控制信号至控制元件,使起重机停止所有操作或仅能向安全方向操作,同时报警装置启动.2 2t 3m 液压起重机安全监控系统2.1 硬件系统的组成图2为安全监控系统的硬件构成,包括研祥工控机、711B 多功能数据采集卡、16通道功率继电器输出板PCLD 2885、通用端子板PCLD 2880、角度传感器、变幅油缸压力传感器、左右回转限位器、变幅限位器和钩头过卷限制器等.图2 安全监控系统硬件构成图3为各传感器、限位开关等的位置分布及接线示意图.图3 传感器、限位器分页及接线示意图2.2 监测及控制工作原理根据实时测量的吊臂角度和变幅油缸的压力值,结合该起重机的几何参数,计算出实际起重量,并与该工作半径所对应的额定起重量进行比较,若比值<90%则系统可继续正常工作;若该值≥90%则监控面板上报警灯开始闪烁报警,同时系统输出控制信号,使卸载电磁阀断电,液压回路卸载,起重机停止工作.为防止起重机工作时吊臂和吊钩超出极限位置,在相应位置安装限位器.当吊臂幅度达限,或钩头过卷达限,或吊臂回转达限时,屏幕上报警灯开始闪烁,同时系统输出控制信号,使卸载电磁阀断电,液压回路卸载,起重机停止工作.在机旁操作箱上设置了复位按钮,系统重新工作前必须按复位按钮,以提醒操作者在排出故障后再开始工作. 1)吊臂角度信号的采集与处理 吊臂角度信号的检测是通过安装在吊臂上的角度传感器实现的.由于该传感器的测量范围为±45°,而起重机吊臂的工作角度是在30°~80°,故调整角度传感器的安装位置,使其在吊臂处于50°时输出为0,即:当起重机吊臂角度为30°时,角度传感器输出对应-20°信号;当起重机吊臂角度为80°时,角度传感器输出对应30°的信号.角度修正公式为Α=0.041Y -33.333(1)式中:Α为角度值;Y 为经A D 转换后计算机读取的角度信号数字量.2)吊臂变幅油缸压力信号的采集与处理 为了能够得到起重机的实际起重量,在吊臂变幅油缸的高压侧安装了压力传感器,实时检测油缸内的压力变化,油缸内的压力值由下式给出p =0.0188(m -2818)(2)式中:p 为吊臂变幅油缸内压力值;m为经A D 转换后计算机读取的压力信号数字量.3)起重机的实际起重量 起重机的实际起重量T 与吊臂变幅油缸中的压力p 、角度信号Α及起重机的几何尺寸之间存在着一定的关系,根据文献[7]可知T ={[(0.0068p -488)×0.61×sin (arcco s ((0.61-1.04c o s (Α+74.78))(1.4537-1.2688co s (Α+74.78))1 2))](2.85×co s Α)-982.456}104(3) 实际起重量T 与额定起重量进行比较,即可得出负载率.4)限位开关的状态检测 图4为计算机 机旁控制转换及各限位开关接线图.图4 计算机 机旁控制信号接线图SA 2手动多路转换开关;K 1—回转左限位开关;K 22变幅限位开关;K 32回转右限位开关;K 42吊钩过卷限位开关;SB 2复位开关;HL 2状态指示灯・936・ 第4期朱 钰,等:液压起重机安全监控系统的开发 当所有限位正常时,系统正常工作;但当某限位开关达限时,其常开和常闭触头状态发生变化,数据采集卡的相应输入状态发生变化,计算机可以立即检测得到,并做出相应的报警处理.因考虑教学需要,起重机的限位控制保留导热的机旁控制方式,由手动多路转换开关SA 切换.5)卸载电磁阀的控制 当任意一限位开关达限动作,或实际起重量达到额定起重量的90%时,计算机通过PCLD 2885继电器输出板输出信号,切断卸载电磁阀电路,起重机液压系统卸载,起重机不能继续工作,恢复工作前必须先按复位按扭SB ,以达到提醒操作者起重机曾出现故障.3 起重机安全监控软件的开发3.1 软件设计主程序流程图软件设计主程序流程如图5所示.图5 软件设计主程序流程图3.2 安全监控系统运行界面首先,进入监控系统.在VB 环境下,点击“运行”,则出现“欢迎进入起重机安全控制界面”.第2步,显示起重机的运行工况.在“欢迎进入起重机安全控制界面”中,点击按钮“进入监控面板”则出现“运行工况显示”界面.在“运行工况显示”界面中,能够实现“信号采集”、“工况曲线显示”、“复位”和“返回”功能. 第3步,信号的采集.在“运行工况显示”界面中,点击按钮“信号采集”则“运行工况显示”界面.起重机的各个运行参数被采集到监控面板上,包括大臂起升角度、工作半径、实际载重量,最大载重量、负载率以及回转左右限位器,大臂变幅限位器和钩头过卷限位器的运行情况.点击按钮“工况曲线显示”还可显示即时曲线图.当任何一限位器超限或负载率≥90%时,报警灯闪烁报警.待起重机向安全方向运行后,按下“复位”按钮.最后,按下“返回”按钮则回到初始界面,停止监控.4 结 论本文在广泛了解国内外有关起重机安全保护研究的成果和基础上,对轮机工程学院2t 3m 液压起重机安全保护的有关问题进行了深入研究、分析和具体计算.采用711B 多功能数据采集卡、工控机、传感器及相关工业端子板为液压起重机构建了安全保护系统,并利用Visual Basic 6.0软件建立了安全模拟控制界面,通过对大臂角度和变幅油缸压力传感器以及限位开关数据信号的实时采集及处理,实现起重机状态的实时显示、安全控制、超限报警等功能.实验运行结果表明,整个安全保护系统实现了所要求的功能.参考文献[1]王还枝.起重机安全技术[M ].北京:化学工业出版社,2004.[2]徐承军.基于名义应力法的港口起重机金属结构安全使用期估算[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2007,31(2):2932295.[3]MoskvinP V .Diagnosingand forecastingtheresidual service life of welded metal structures ofbridge cranes using metal foils [J ].Russian Journal of Nondestructive Testing ,2007(12):8422852.[4]Hirokazu Araya .Level luffing system for crawler cranes [J ].Automation in Construction ,2004(9):6892697.[5]代宝林.起重机安全智能监控系统[D ].长春:吉林大学机械科学与工程学院,2003.[6]董国金,巫世晶.Elman 神经网络在起重机安全状态评估中的应用[J ].装备制造技术,2007(4):64266.[7]唐盛平.轮机实验中心液压起重机安全装置的设计[D ].集美大学轮机工程学院,2005.(下转第644页)[2]黄 勋,唐慧强.嵌入式平台ARM2uClinux的构建与应用开发[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2006,30(1):1742177.[3]Takeuchi,Ikkyu Kazumi,Nakayama,et al.VFS onVFS:A flexible usage of file systems on UNIX[J].Electron and Commun in Japan,Part III:Fundam Electron Science,2006,89(9):22233.[4]吴 娴.嵌入式Linux文件系统的设计和实现[J].计算机工程与应用,2005(5):1112112.Tailoring uClinux File System for Embedded SystemsHe Keyou Zhou Caizhen(School of Computer Science and Technology,WUT,Wuhan430063)AbstractAiming at the challenge of limited resources of embedded devices,the techniques of tailoring the uClinux file system for embedded systems are discussed.Based on analyzing the VFS file system and system calls used in uClinux,the paper presents the simplification of the key system data structure,a finding process of detailed system calls function set,and a fine grained tailoring strategy.The experiments show that it reduces the required storing space significantly when applying the proposed tailoring techniques.The effectiveness of the proposed tailoring techniques is verified.Key words:VFS;tailor;fine grain;uClinux(上接第640页)Development of Hydraulic Crane′s Safety Monitoring SystemZhu Yu1) Xu Shunlong1) Liu Shaohui1) Mo Shanfeng1) Hu Fucai2)(Marine Engineering College,Jimei University,Xiamen361021)1)(School of Energy and Power Engineering,WUT,Wuhan430063)2)AbstractFor the2ton3m hydraulic crane in the lab of marine engineering college of Jimei university,the safety monitoring hardware system is build up,which consists of pressure sensor on boom cylinder, boom luffing angle encoder,boom slewing limit switches,hook overhauled limit switch,boom luffing limit switch,multi function data acquisition board and industrial computer etc..Based on Visual Basic software,a set of crane’s condition monitoring and alarming system is programmed,the software interface is friendly and convenient.A real time monitoring and displaying for parameters of the crane,such as lifting load,working radius,and maximum lifting capacity at the radius etc.are realized.Alarm will be actuated or operation will be cutoff according to dangerous grades.Key words:crane;condition monitoring;safety system。
《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》征稿简则
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Hale Waihona Puke 《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》,(ISSN 2095/844, CN 42-1824/U),刊期为双月刊,创刊于1959年。是由武 汉理工大学主办的自然科学综合性学术期刊。
办刊宗旨:《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》是交通运输领域高水平的学术理论性刊物,是我国交通科学与 工程领域的学科前沿阵地和学术交流的平台。学报坚持理论联系实际,推崇科技创新,注重科学引领,用优质的论文彰显我 国交通领域最新科学发展与研究成果,促进交通运输科技成果转化,为交通运输工程及相关学科建设服务,为发现和培养高 水平交通科技人才服务,为促进我国交通科学与工程学术研究与国际交流服务。
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体、黑白体及上下角标。第一次出现的英文缩写要给出全称。
3参考文献著录格式 3.1对参考文献的要求详见本刊网站“稿件模板”,参考文献必须标全,并注意引用国内外及本刊的最新文献。按在文
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《交通科技与管理》征稿简则
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基于影响矩阵法的自锚式悬索桥施工张拉力确定
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第33卷 第3期2009年6月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science &Engineering )Vol.33 No.3J une 2009基于影响矩阵法的自锚式悬索桥施工张拉力确定3 收稿日期:2009201215 杨 俊:男,33岁,博士,主要研究领域为大跨度桥梁设计理论 3国家自然科学基金项目资助(批准号:50808113)杨 俊1,2) 沈成武1)(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (三峡大学土木水电学院2) 宜昌 443002)摘要:自锚式悬索桥施工过程中,控制吊杆施工张拉力,使桥梁在施工完毕后达到理想的设计状态.文中结合自锚式悬索桥施工过程中的力学特性,提出了基于几何线性、几何非线性的影响矩阵法确定自锚式悬索桥的施工张拉力.该方法计算简单,所得结果符合要求.关键词:自锚式悬索桥;影响矩阵;吊杆张拉力中图法分类号:U448.25DOI :10.3963/j.issn.100622823.2009.03.047 自锚式悬索桥由于其独特的造型、灵活的适应性和经济性而得到越来越广泛的应用.自锚式悬索桥与地锚式悬索桥在受力体系和施工方法上有很大的差异,在吊杆张拉过程中,需要对吊杆索力进行精确计算,避免加劲梁出现纵向拉应力过大而引起裂缝.所以,在自锚式悬索桥的施工过程中,关键在于吊杆索力内力控制[1].1 自锚式悬索桥施工控制的力学特性1.1 吊杆张拉对主缆位移的影响自锚式悬索桥在张拉吊杆的过程中,主缆的位移具有如下规律:当所有的吊杆直接锚固或通过接长锚固在加劲梁上以后,在一次张拉吊杆的过程中,张拉点的主缆位移对非张拉点的主缆位移影响相对很小,可以忽略,称之为主缆位移的弱相干性.主缆位移的弱相干性表明:在张拉吊杆的过程中,自锚式悬索桥位于张拉点的主缆发生较大位移,其位移量可人为控制,而其他点的主缆基本上不发生位移,于是大部分的张拉均可以采用位移控制的方法来进行[2].如图1所示,i 点为张拉点,T i 为吊杆张拉力增量,b 为张拉点主缆位移增量.考虑到结构的对称性,每次张拉位于主缆对称位置的两组吊杆,则张拉2组吊杆所作的功为图1 张拉点主缆示意图U t =T i ・b (1) 由张拉吊杆所引起主缆的弹性应变能增量为U s =12∑l k N 2k EA(2)式中:l k 和N k 为各段主缆的长度值和轴力增量;E 和A 为主缆的弹性模量和横截面积.根据能量的转化与守恒定律,张拉吊杆所作的功将引起主缆、加劲梁、吊杆、塔、墩等应变能的增加,其中一部分转化为主缆的应变能,其转化率ρ=U sU t随着悬索桥的尺寸和刚度的不同而有所变化.根据已有文献查阅得出,其转化率一般在0.4~0.8之间.将式(2)的分子和分母乘以cos 2αk 得U s=12∑l k N2k cos2αkEA co s2αk(3) 假定主缆为柔性索,则主缆各节段的水平分力H相等,并且H=N k cosαk总是成立的,又有X k=l k co sαk.式中:X k为吊杆间距.这样式(3)可变为U s=H22EA∑X kcos3αk(4) 由式(2),(4)得到吊杆力增量T i所引起主缆的水平分力增量HH=2EA T i bρ∑X kcos3αk(5) 任意吊杆的力增量可表示为T m=H(tanα+m-tanα-m)(6)式中:α+m,α-m为吊杆两侧的主缆水平角,见图1;αk为主缆与水平线的夹角.为了证明张拉吊杆对张拉点以外的主缆的位移影响很小,可采用如下方法.假设张拉点以外某点主缆位移较大,设影响最大点位移为b max.假设加劲梁没有发生竖向位移,则张拉点以外的所有吊杆锚头位移为0,于是由吊杆的伸长引起吊杆力的增量为T m=b maxl s mE s A s(7)式中:E s和A s为吊杆的弹性模量和截面积;l s m为吊杆的长度.某自锚式悬索桥,吊索间距为6m,主缆截面积为0.1653m2,吊索截面积0.0059m2,弹性模量E=195GPa,假设吊杆张拉力功的转化率为ρ=0.5,张拉的吊杆力为T i=300kN,张拉点主缆竖向位移b=0.49m,cos3αk=0.766,与之相邻的吊杆长度l s m=18.197m,且tanα+m-tanα-m= 0.01.由式(5),(6)得到T m=265kN,由式(7)得到T m=620kN,说明式(7)求出的吊杆力过大,也就是所假定的b max取值太大,实际值应该更小.当取b max=b100时,由式(7)得出T m=310kN,接近式(6)的结果.上述结果证明了主缆位移的弱相干性原理是正确的.自锚式悬索桥施工中张拉吊杆对非张拉点主缆的位移影响很小,可以忽略,因此在前期张拉吊杆时,可以用位移来控制.1.2 吊杆张拉对其他吊杆内力的影响自锚式悬索桥在张拉吊杆的过程中,后张拉的吊杆对已经张拉的吊杆力有影响,这种影响具有如下规律:张拉点吊杆对相邻吊杆的影响较大,而对相邻吊杆以外的吊杆力的影响很小.这个规律被称作吊杆力的相邻影响原理.设i点为张拉点,根据式(6)得到该点吊杆力增量与角度的关系式T i=H(tanα+i-tanα-i)(8) 其相邻吊杆力增量为T i-1=H(tanα+i-1-tanα-i-1)(9)T i+1=H(tanα+i+1-tanα-i+1)(10)由几何关系得α+i=α-i+1(11)α+i-1=α-i(12) 根据上文所述的主缆位移的弱相干性原理,张拉点i的位移较大,而其他点的位移很小,于是得出α+i和α-i的变化较大,而α+i+1和α-i-1的变化很小,将式(11),(12)代入式(9),(10)可以得出,由于α+i和α-i的变化较大,导致T i-1和T i+1的变化较大.同样的公式应用到i的相邻吊杆以外的情况,得到吊杆力变化很小的结论.由此可见,张拉某根吊杆对相邻吊杆内力的影响较大,而对于远处吊杆的内力影响较小,因此在进行索力调整时主要考虑对相邻吊杆的影响,可以忽略对远处吊杆的影响.2 基于影响矩阵的吊杆施工张拉控制自锚式悬索桥的主缆存在着几何非线性的影响,在张拉中主缆的线形变化较大,甚至在施工初期主缆会严重地偏离最终的成桥线形,但是当主缆逐渐承担起全桥的恒载时,缆索线形又会趋于理想线形.吊杆张拉就像在缆索上逐步施加非均匀荷载.以合理成桥状态下吊杆内力为控制目标,当施工中对吊杆进行张拉至目标状态时,主缆的线形也自动趋于理想线形.因此,吊杆在施工控制时仍可以以吊杆的成桥内力为控制目标.图2为一自锚式悬索桥张拉计算图,假定合理的施工张拉顺序,按主跨由主塔往跨中方向进行,锚跨由主塔向锚固点方向进行.首先在靠近主塔处进行吊杆张拉,由于主缆有主塔的支撑,在此附近进行吊杆张拉,能减小对主缆位移的影响;随着越来越多的吊杆张拉完毕,主缆的线形更加接近成桥线形,这样在最后张拉跨中处的吊杆(如果一开始就张拉该处吊杆,由于对主缆位移约束较少,则会使主缆发生很大偏移)对主缆的位移影响就会减至最小.・985・ 第3期杨 俊,等:基于影响矩阵法的自锚式悬索桥施工张拉力确定图2 自锚式悬索桥施工张拉计算图合理的张拉顺序为:吊杆121,1′21′;吊杆22 2,2′22′;吊杆323,3′23′;吊杆424,4′24′;吊杆52 5,5′25′;吊杆626,6′26′;吊杆727.共分7个批次张拉,在恒载作用下的理想状态时的各吊杆合理预张力值为施工控制的总目标,现在利用倒拆法逆向求解各施工阶段内,吊杆的合理张拉力值[3].首先拆除727号吊杆,并把已求得成桥状态合理的该吊杆束力反向作用于吊杆与主缆和加劲梁的结点处,由于自锚式悬索桥吊杆索力影响的相邻性,它只对525,5′25′的吊杆内力产生影响,则吊杆525,5′25′的合理施工内力为合理成桥内力加上拆除727号吊杆对其的影响力,同理拆除525,5′25′吊杆,仅对323,3′23′号吊杆内力产生影响,每拆除一对吊杆,则仅对相邻吊杆的索力有影响,重复此步骤,可求出每一对吊杆的合理施工张拉力.该过程可用影响矩阵D ij×T i=F i来表示,即:D110D130000D220D2400000D330D3500000D440D460 0000D550D57 00000D660 000000D77×T1…T7=F1…F7(13)式中:D ij为索力张拉过程中的影响矩阵,由于自锚式悬索桥吊杆索力的相邻性原理,其中大部分元素都为0,且当i=j,D ij=1,该影响矩阵能采用通用平面杆系有限元程序求出;T i为自锚式悬索桥合理成桥状态下,各吊杆的理想张拉力;F i为自锚式悬索桥在施工时,为了达到合理成桥状态,必须对各吊杆一次施加的合理施工张拉力.采用上述方法对自锚式悬索桥的吊杆进行张拉,可以一次就将吊杆张拉到位,减少了吊杆张拉的次数,节约了时间.但是,对于大跨径的自锚式悬索桥,在施工过程当中,结构的几何非线性和材料非线性的影响,会使以线性方法确定的吊杆施工张拉力失真,为此,必须寻找新的方法.自锚式悬索桥施工张拉过程中,存在着如下的非线性影响:(1)主缆弹性模量的非线性影响.在分析过程中,主缆的弹性模量E需要随着主缆拉力P不断修正;(2)索鞍的顶推滑移.在架设主缆之前,应使鞍座相对于塔顶有一向边跨的预偏量,在随后的吊杆张拉过程中逐步顶推调整偏移量,保证塔底的应力不超过容许值;(3)支架接触非线性.一般有限元程序本身可进行非线性迭代计算,处理接触非线性问题是很容易实现的;(4)锚固区空间主缆的平面简化模型.为了计算方便,有限元分析利用平面模型进行,而计算锚固跨主缆的变形以及固定索鞍和滑动索鞍对主梁的偏心压力作用,则采用主缆换算横截面积的方法将空间主缆简化为平面主缆.以下给出基于几何非线性因素的影响,求解吊杆的施工张拉力,这一过程将采用前进分析法来进行(基于线性问题的合理吊杆施工力确定是采用倒拆法进行的),步骤如下[4].1)按线性理论形成影响矩阵方程T ij T0i=T i,并求解施工张拉力向量T0i.式中:T ij为后张拉索力对前期索力的影响矩阵;T i为合理成桥吊杆索力.2)以T0i为施工张拉力的试探向量,计入上述4个几何非线性影响因素,按照施工步骤进行非线性前进分析,并形成新的广义影响矩阵T′ij,广义索力向量珟T i.此时,广义影响矩阵中已经包含了结构非线性影响因素,可以写出非线性施工张拉力状态的计算方程:T′ij T1i=珟T i,解此方程,可以得到近似的非线性施工张拉力向量T1i;3)以T1i为施工张拉力试探向量,重新按施工步骤进行非线性前进分析,计算相应的成桥索力向量T′i和成桥索力误差向量:ΔT i=T i-T′i4)检验ΔT i的范数‖ΔT i‖是否满足小于指定误差,如果满足,T1i即为要求的非线性结构的施工张拉力向量,迭代结束.如果不满足,则用ΔTi修正珟T i重新计算施工张拉力,于是,Δ珟Ti代替了珟T i,得到T′ijΔT′i=Δ珟T i,解此方程计算拉索施工张拉力的修正向量ΔT1i,并修正施工张拉力试探向量:T j i=T j-1i+ΔT j-1i,重复第三步进行迭代,直至收敛.3 算例分析某自锚式悬索桥跨径布置为35.50m+ 90.00m+35.50m(见图3),吊索间距5m,全桥有29根吊索,跨中矢高14.80m,主缆材料弹性・95・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2009年 第33卷模量为200GPa ,截面面积为0.0493m 2;吊索截面积为0.0059m 2,弹性模量为195GPa.加劲梁的截面积为18.60m 2,混凝土弹性模量为35GPa ,加劲梁及桥面系总换算集度为284kN/m [526].吊杆合理成桥张拉力见表1所列.图3 自锚式悬索桥结构尺寸图(单位:m )表1 吊杆合理成桥张拉力kN吊杆编号N 1N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8内力/kN 12471624168517161598132614081473吊杆编号N 9N 10N 11N 12N 13N 14N 15内力/kN 1496135414361417142214591476 采用本文算法,得到基于几何线性的吊杆张拉施工控制值,见表2,3.由表2和表3计算的结果来看,考虑几何线表2 基于几何线性的吊杆合理施工张拉力kN吊杆编号N 1N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8内力/kN 12661647167317271561133514241462吊杆编号N 9N 10N 11N 12N 13N 14N 15内力/kN 1488135914451434144714231462表3 基于几何非线性的吊杆合理施工张拉力kN吊杆编号N 1N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8内力/kN 12711653168517341569134014321458吊杆编号N 9N 10N 11N 12N 13N 14N 15内力/kN 1493136614571462147914421474性与几何非线性对计算结果影响不是太大,其原因是因为本算例跨度较小,到达成桥状态时,自锚式悬索桥整体刚度大,变形特性趋于线性结构.4 结束语对自锚式悬索桥吊杆的施工张拉力进行研究具有非常重要的意义,本文将影响矩阵法引入到吊杆施工张拉力的控制当中,推导了基于线性、几何非线性的吊杆施工张拉力控制方程,计算过程简单,易于编程,计算结果正确.参考文献[1]谭冬莲.大跨径自锚式悬索桥合理成桥状态的确定方法[J ].中国公路学报,2005,18(2):51255.[2]张 哲.混凝土自锚式悬索桥[M ].北京:人民交通出版社,2005.[3]虞建成,邵容光.系杆拱桥吊杆初始张拉力及施工控制[J ].东南大学学报,1998,28(3):1122116.[4]贾丽君,肖汝诚,孙 斌.确定斜拉桥施工张拉力的影响矩阵法[J ].苏州城建环保学院学报,2000,13(4):21227.[5]王战国,俞亚南.自锚式悬索桥吊杆索力优化的影响矩阵法[J ].中国市政工程,2005(3):68269.[6]张 哲,吴宏业,檀永刚,等.一座新型自锚式悬索桥的索塔施工控制研究[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2009,33(1):21224.Determining Construction Suspender Force of Self 2anchoredSuspension Bridge on t he Base of Influence Mat rixYang Jun Shen Chengwu(S chool of T rans portation ,W uhan U ni versit y of Technolog y ,W uhan 430063)1)(College of Ci vil and H y d roelect ric En gi neeri ng ,Chi na T hree Gorges Uni versit y ,Yichang 443002)2)AbstractWhen const ructing self 2anchored suspension bridge ,cont rolling suspender force is an important p roblem to reach rational bining mechanical character of const ruction procedure of self 2an 2chored suspension bridge ,t his paper p rovides influence mat rix met hod based on linear and non 2linear to determine const ructio n suspender force of self 2anchored suspension bridge.U sing t he met hod ,cal 2culation is easy and t he result is correct.K ey w ords :self 2anchored suspension bridge ;influence mat rix ;suspender force ;・195・ 第3期杨 俊,等:基于影响矩阵法的自锚式悬索桥施工张拉力确定。
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水位与航道通航能力的关系研究

水位与航道通航能力的关系研究
郭义浩;刘佳仑;刘明俊
【期刊名称】《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》
【年(卷),期】2010(034)004
【摘要】水位高低与航道通航能力大小息息相关,对大型船舶(队)通过某些典型航段时尤为重要.为保障船舶航行安全,充分发挥航道通航能力,针对长江航道的特点,在总结有关剩余水深规定的基础上,分析典型船舶载重与吃水的关系,对航道通航能力进行研究,提出运用水位(或水深)预报航道通航能力的方案,对于航运管理和规划有较大的参考价值.
【总页数】3页(P842-844)
【作者】郭义浩;刘佳仑;刘明俊
【作者单位】长江航务管理局,武汉,430020;武汉理工大学航运学院,武汉,430063;武汉理工大学航运学院,武汉,430063
【正文语种】中文
【中图分类】U612.32+1
【相关文献】
1.弯曲河段宽度与航道通航能力关系研究 [J], 邓良爱;杨伟;刘明俊
2.急弯河段通航水流条件与航道宽度关系研究 [J], 王常红;何文辉;程小兵;李旺生
3.洙水河航道桥梁改造工程通航净空尺度论证 [J], 马杰;李春良
4.基于航道交汇水域船舶优先权的集装箱港区双向通航"Y"型航道通过能力仿真研究 [J], 郑娟;唐国磊;王文渊
5.沩水对长沙综合枢纽坝下航道通航条件的影响及整治研究 [J], 金辉;普晓刚;李君涛
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武汉理工大学学报(交通科学
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第32卷 第6期2008年12月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Jou rnal of Wuhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering )V o l .32 N o.6D ec .2008物流园区布局优化模型及其求解算法研究3 收稿日期:2008207210 张得志:男,32岁,博士,主要研究领域为物流系统优化 3国家自然科学基金项目(批准号:70671108)和中南大学人文社科基金项目(批准号:CSU 20030126)资助张得志1) 谢如鹤2) 李双艳1) 罗荣武1)(中南大学交通运输工程学院1) 长沙 410075) (广州大学经济管理学院2) 广州 510405)摘要:在分析物流节点配置内涵的基础上,提出了考虑物流园区规模经济以及物流需求不确定情况下的物流园区布局优化模型.针对该模型的特点,提出了基于扩展网络最小费用流的混合遗传算法.为了验证上述模型和算法的有效性,在V isual C ++6.0环境下进行了数值仿真实验.结果表明,该算法是解决考虑规模效应以及需求不确定的物流园区优化布局模型行之有效的算法.关键词:物流园区;布局优化;遗传算法;数值仿真中图法分类号:N 945.15;T P 18 国外在物流网络设计方面进行了大量的研究,主要包括以下几个方面的内容:经典的选址模型[122]、选址结合库存控制网络设计模型[324]、设施选址结合车辆径路问题、枢纽网络设计[5].国内在物流网络设计方面也有一定的研究[628].然而,上述研究在物流网络建模时,很少考虑物流枢纽的规模经济,因此本文在上述研究的基础上,考虑物流园区的集聚效率和规模效应,对一个地区的物流园区和物流配送中心的优化配置问题进行研究,建立相应的数学模型并提出了相应的求解算法.1 数学模型如图1所示,某一地区有n 个物流中心,其运量是一个不确定的随机变量,为了充分利用各级物流节点的优势和能力,提高整个地区的配送效率和效益,欲在m 个候选的物流园区地点拟建P 个物流园区,使得这P 个物流园区成为周边物流配送中心与其他地区的物流转运枢纽,从而使得整个地区的物流配送成本、运作成本以及物流园区建设固定成本的总成本为最小. 参数符号说明:I ={i :i =1,2,3,…,n }为物流配送中心集;H ={j :j =1,2,3,…,m }为候选图1 物流园区网络结构图物流园区集;c ij 为配送中心i 到物流园区j 的单位运输成本;f j 为修建物流园区j 的固定成本;∆j 为物流园区j 的单位处理成本;Ηj 为物流园区的规模经济效应因子;qυi 为物流配送中心i 的模糊需求量;S j 为物流园区j 的模糊物流处理容量.决策变量说明:x ij 为流配送中心和物流园区的物流量;Z j 为物流园区修建的指示变量,如修建其值为1,否则为0.考虑物流园区的规模效益和集聚效应,物流园区中处理成本和物流园区之间运输成本,其费用函数是随着物流量的增加而边际运输成本递减的凹函数,其一阶导数大于零,二阶导数小于零,用数学表达式表示为c j (x )=a (∑ixij)Η式中:a 和Η是待定的常数.一般而言,Η越小集聚效应越大,并且0≤Η≤1. 令x j =∑ixij,则有如下不等式成立d c j (x )d x j >0 d 2(c j (x ))d x 2j<0数学模型1m in Z =∑i ∈I ∑j ∈Hc ijx ij+∑j ∈Hf jZ j+∑j ∈H∆j(∑i ∈Ix ij)Ηj s .t .: ∑j ∈HZ j =p(1)∑j ∈Hx ij=q υi Πi ∈I (2)∑i ∈I≤Z jS j Πj ∈H(3)Z j ={0,1} Πj ∈H (4)x ij ≥0 Πi ∈I ,j ∈H(5) 目标函数由3部分组成:物流配送中心与物流园区之间的运输成本;物流园区建设的固定成本;物流园区的运作成本.式(1)为整个地区共建设的物流园区的数目;式(2)为从物流配送中心流入各物流园区的物流量等于配送中心的需求量;式(3)为由配送中心流入物流园区的物流量不能超过物流园区的最大容量;式(4)为物流园区是否修建,拟修建其值为1,否则为0;式(5)为物流配送中心和物流园区之间的流量为非负.数学模型2m in ~f(6)Po s {[∑j ∈HfjZ j +∑i ∈I ∑j ∈Hc ijxij+∑j ∈H∆j×(∑i ∈Ix ij)Ηj]≤~f }≥Α(7)Po s {∑i ∈Ix ij≤Z jS j}≥Β(8)Po s {∑j ∈Hx ij=qυi}≥Χ(9)∑j ∈HZ j=P(10)Z j ={0,1} Πj ∈H (11)x ij ≥0 Πi ∈I ,j ∈H(12)Po s {・}表示{・}中的事件成立的可能性.模型2中的目标机会约束式(7)为所求的目标值~f ,应该是在保证置信水平至少是Α时所取的最少值;机会约束式(8),(9)为约束得到满足的可能性至少应该达到给定的置信水平Β和Χ.假设某一地区中各物流配送中心的需求量q i是一个服从独立同正态分布N (Λq i ,Ρ2q i )的随机变量,那么实际产量q i 落在区间[Λq i -3Ρq i ,Λq i +3Ρq i ]的概率为99.73%.该随机变量等价的模糊三角数为[Λq i -3Ρq i ,Λq i ,Λq i +3Ρq i ];同理,假设每个物流园区的物流处理容量是是服从独立同正态分布N (Λk ,Ρ2k )的随机变量,那么各物流园区的物流处理容量可用如下三角模糊数来表示:[Λk -3Ρk ,Λk ,Λk +3Ρk ](k =1,2,3,…,K ).根据文献[9],给出如下可能性的定义.Po s {r υ≤Z }=sup {Λr υ(x ) x ∈R ,x ≤Z }(13)Po s {r υ≥Z }=sup {Λr υ(x ) x ∈R ,x ≥Z }(14)Po s {r υ=Z }=sup {Λr υ(x )}(15)式中:Z 是模型中的决策变量的函数.由于各物流配送中心的需求量是一个三角模糊数,由模糊数的加法和乘法运算可知,流入各物流园区的的物流量必定也是一个三角模糊数,配送中心i 流入物流园区j 的物流量不妨记作(x 1ij ,x 2ij ,x 3ij ),配送中心i 的物流需求量记为(q 1,q 2,q 3),物流园区j 的容量也是一个三角模糊数,记为(S 1,S 2,S 3).引理1 设三角模糊数r υ为(r 1,r 2,r 3),其隶属函数以Λr υ(x )表示,则对任意给定的置信水平Α(0≤Α≤1),当且仅当Z ≥(1-Α)r 1+Αr 2时,有Po s {r υ≤Z }≥Α成立.引理2 设三角模糊数r υ为(r 1,r 2,r 3),其隶属函数以Λr υ(x )表示,则对任意给定的置信水平Β(0≤Β≤1),当且仅当Z ≤(1-Β)r 3+Αr 2时,有Po s {r υ≥Z }≥Β成立.引理3 设三角模糊数为r υ(r 1,r 2,r 3),其隶属函数以Λr υ(x )表示,则对任意给定的置信水平Χ(0≤Χ≤1),当且仅当Z ≤(1-Χ)r 3+Χr 2且Z ≥(1-Χ)r 1+Χr 2时,有Po s {r υ=Z }≥Χ成立.引理1~3的详细证明过程见参考文献[10].根据引理1~3,可以将式(7)~(9)转化为如下的清晰等价类.∑j ∈HfjZ j +∑i ∈I ∑j ∈Hcij(x 1ij (1-Α)+Ας2ij )+∑j ∈H∆j(∑i ∈I (x 1ij(1-Α)+Ας2ij)Ηi )≤~f (16)∑i ∈Ix ij≤(1-Β)Z jS 3+ΒZ j S 2(17)∑i ∈Ix ij≥(1-Χ)q 1+Χq 2(18)∑j ∈Hx ij≤(1-Χ)q 3+Χq2(19)2 求解算法分析考虑到原问题的目标函数是非线性的,用传统的求解算法无法得到其最优解,本文采用混合・9401・ 第6期张得志,等:物流园区布局优化模型及其求解算法研究遗传算法求解.算法的基本思想是:首先设定一个物流园区的修建方案,基于物流园区初始方案解决物流园区与配送中心之间的流量分配问题得到一个流量的初始解;然后再改变物流园区的选址,分配流量.不断进行迭代求解,在迭代的过程中结合遗传算法来随机搜索最优解.在各节点的流量分配时,通过虚拟一个发点和收点,将原问题转换为一个扩展的最小费用流问题来求解,如图2所示.图2 虚拟物流网络结构图该混合遗传算法的基本基本流程如下.步骤1 设定参数.主要参数有:进化最大代数m ax _gen ,种群大小Pop _size ,交叉概率P c ,变异概率P m .步骤2 初始化.随机产生Pop _size 个染色体作为初始种群.步骤3 以P c 为交叉概率进行交叉运算.步骤4 以P m 为变异概率进行变异运算.步骤5 评估.对于每个染色体求解相应的扩展运输问题,根据求得的目标函数值,利用正规化标定法对每个染色体的适应度值进行计算.步骤6 选择.运用转轮法进行选择.同时为了保证染色体的多样性,每次产生Pop _size 个新的染色体.步骤7 判断是否达到最大代数m ax _gen ,若没有,转步骤3;若到达,则结束计算,输出结果.遗传算法中比较关键的问题是染色体的编码和遗传算子的设计.结合问题的特征设计如下二进制编码[z 1,z 2,z 3,…,z n ],编码的含义如下:z k =1表示在第k 个候选地点建立物流园区,z k =0表示在该候选地不建物流园区.在物流配送中心和物流园区都确定的条件下,原问题转化为网络中边和节点带容量限制的扩展的网络最小费用流问题,用改进的Fo rd -F rank 算法求解,便可求得整个配送网络的流量分配情况,计算其目标函数值,将该目标函数值作为该染色体的适应度值.算法的复杂性分析:首先在内循环中是一个扩展的最小费用流问题,其时间复杂性等价于一个相应最短路问题,因此,其时间复杂度为O (N 3);外循环是用遗传算法寻求最优解,遗传算法在适应度计算时的时间复杂度为O (N 3).所以整个混合遗传算法的时间复杂度为O (N 6).3 算 例假设某地区共有12个物流配送中心,各物流中心的需求量已知,为充分利用物流园区中的规模效应和集聚效应来降低整个区域配送网络的配送成本,在6个候选的物流园区中拟建3个物流园区,以满足该地区12个配送中心的需求.各物流配送中心的需求量,各候选物流园区的设计参数,以及配送中心和物流园区之间的运输成本分别如表1~3所列.表1 各配送中心的物流随机需求量 万t a序 号123456均值174200200254224150方差101010101010序 号789101112均值1503232323236方差101010101010 表2 各候选物流园区的建设成本f j 、处理设计容量S 和单位处理成本∆j序号fj万元S(万t ・a 21)∆j(元・t 21))180005000.9280005000.9360003001.2468003501.1580005000.9675004501.0表3 配送中心与物流园区之间的运输费用C ij12345615822201262662018151031041514201542010671822525151049206212016154871518201974810111622138912713161511101861015201811201716128171218202116107 假设各配送中心的需求量均服从正态分布・0501・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008年 第32卷N 1(Λ1k ,Ρ21k ),其均值如表1所列,方差均为10,各候选物流园区的处理容量服从正态分布N 2(Λ2k ,Ρ22k ),其均值如表2所列,方差均为100,令置信水平Α,Β,Χ分别为1.0,0.9,0.9,根据上述混合遗传算法,在V isual C ++6.0环境下进行仿真实验得到如下结果:(1)目标函数值=17407元;(2)z 2=z 4=z 6=0,z 1=z 3=z 5=1.即候选地1,3,5将修建物流园区;(3)配送中心2,3,9,10由物流园区1提供服务;配送中心4,5,11由物流园区3提供服务;配送中心1,6,7,8,12由物流园区5提供服务;(4)每年流入物流园区1的流量是456万t ,流入物流园区3的流量是503万t ,流入物流园区5的流量是531万t .4 结束语本文针对区域物流系统中的物流园区的布局优化进行了研究,并结合物流园区的规模经济和集聚经济效应以及配送中心需求不确定等特点,构建了带随机需求的物流园区布局的优化模型,提出了基于扩展网络最小费用流问题的混合遗传算法,并对该算法在V isual C ++6.0环境下进行数值仿真,从仿真的结果来看,该算法是解决考虑规模效应以及需求不确定的物流园区优化布局模型行之有效的算法.本文只是考虑物流中心和配送中心两级物流节点的合理匹配问题,对于多级物流节点之间数量与规模匹配以及整个物流网络可靠性等问题,是下一步着手研究的问题.参考文献[1]M elko te S .A n integrated model of facility locati onand transpo rtati on netw o rk design [J ].T ranspo rta 2ti on R esearch Part A ,Po licy and P ractice ,2001,35(6):5152538.[2]N ozick L K .T he fixed charge facility locati on p rob 2lem w ith coverage restricti on [J ].T ranspo rtati onR esearch ,2001,37(4):2812296.[3]M iranda P A .Inco rpo rating invento ry contro l deci 2si ons into a strategic distributi on netw o rk design model w ith stochastic dem and [J ].T ranspo rtati on R esearch Part E ,2004,40:1832207.[4]E ttl M .A supp ly netw o rk model w ith base 2stockcontro l and service requirem ent [J ].Operati ons R e 2search ,2000,48(2):2162232.[5]Illia R acunica ,L aura W ynter .Op ti m al locati on ofinter modal freigh t hubs [J ].T ranspo rtati on R e 2search Part B ,2005,39:4532477.[6]李春海,缪立新.区域物流系统及物流园区规划方法体系[J ].清华大学学报:自然科学版,2004,44(3):3982401.[7]谢如鹤,邱祝强.遗传算法在逆向物流网络规划设计中的应用[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2007,31(5):9022905.[8]张晓东.物流园区布局规划理论与实践问题研究[D ].北京:北京交通大学交通运输学院,2003.[9]方述诚,汪定伟.模糊数学和模糊优化[M ].北京:科学出版社,1997.[10]赵晓煜,汪定伟.供应链中二级分销网络优化设计的模糊机会约束规划模型[J ].控制理论与应用,2002,19(2):2492252.R esearch on Op ti m izati on M odel of L ogisticsPark L ayou t and its A lgo rithmZhang D ezh i 1) X ie Ruhe 2) L i Shuangyan 1) L uo Rongwu1)(S chool of T ransp orta tion E ng ineering ,Cen tra l S ou th U n iversity ,Chang sha 410075)1)(S chool of E cono m ics and M anag e m en t ,Guang Z hou U n iversity ,GuoZ hou ,510405)2)AbstractB ased on the analysis of the conno tati on and cu rren t research abou t the logistics nodes configu ra 2ti on ,an op ti m izati on m odel of the logistics p ark layou t is given acco rding to the characteristic of eco 2nom ics of scale on L ogistics Park and the uncertain ty of logistics dem and .A t last ,a num erical exam 2p le is p rovided to validate the m odel and algo rithm under the V isualC ++6.0developm en t environ 2m en t .F rom the resu lt of si m u lati on ,the p ropo sed m odel and algo rithm p rovides a u sefu l too l to su 2p ervise the w o rk of regi onal logistics system p lann ing .Key words :logistics park ;op ti m izati on layou t ;genetic algo rithm ;si m u lati on analysis・1501・ 第6期张得志,等:物流园区布局优化模型及其求解算法研究。
《武汉理工大学学报》论文格式要求

《武汉理工大学学报》论文格式要求《武汉理工大学学报》是由武汉理工大学主办的自然科学综合性学术期刊,重点刊登材料科学与工程、土木工程与建筑、资源与环境工程、船舶与海洋工程、能源与动力工程、汽车工程等学科的最新研究成果,同时刊登机械、电子、通信与信息、计算机、控制与自动化、力学、化学、物理等学科的基础研究与工程应用论文。
1 来稿要求主题明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼。
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2 题名应恰当简明地反映论文内容,不宜使用非公知的缩略词、首字母缩写字符、代号等。
3 摘要包括研究的目的、方法、结果和结论,应具有独立性和自明性,并具有与文献同等量的主要信息。
中文摘要以200—300字为宜,英文摘要以100—150 words 为宜。
引言应以简短的篇幅介绍论文的写作背景和目的,以及相关领域内前人所做的工作和研究概况,说明本研究与前人工作的关系,目前研究的热点、存在的问题及作者工作的意义。
引言最好不要分段论述,不要出现插图、表格和数学公式的推导。
4 文章标题层次的划分如下:1,1.1,1.1.1,,一律左顶格书写,引言不排序号。
5 文中外文字母、符号必须注意区分文种、大小写、上下角标、正斜体,易混淆的字母用铅笔作出标注。
6 图、表应有自明性,且随文出现。
应顺序给出图名、表名(表用三线表)。
凡表头的项目及图上的坐标由物理量及符号和单位组成时,应用斜线分开,例如体积V/m3,波长 l /nm ,文中公式请按顺序编号,编号居右。
7 参考文献按文中引用的先后顺序编号。
①期刊:作者.题名[J ].刊名,出版年份,卷(期):起止页码.②专著:作者.书名[M ].版本(第1版不标注).出版地:出版者,出版年.页码.③专著中的析出文献:析出文献作者.题名[文献类型标志]//专著作者.专著题名.出版地:出版者,出版年. 析出文献页码.④学位论文:作者.题名[D ].保存地点:保存单位,年份.⑤专利文献:专利申请者.专利题名.国别:专利号[文献类型标志],公告日期. ⑥技术标准:主要责任者.标准代号.标准名称[S ].出版地:出版者,出版年. ⑦电子文献:主要责任者.题名[文献类型标志/文献载体标志].出版地:出版者,出版年.获取和访问路径. 文献作者3名以上只列前3名,后加“,等”或“, et al ”;外文作者姓前名后,名用缩写,不加缩写点。
《交通科技》投稿须知
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2019年第3期籍延青:不同试验因素获得强度参数对黄土边坡稳定性的影响147The Influence of Strength Parameters Obtained by DifferentExperimental Factors on The Stability of Loess SlopeJ I Yanqing(Shanxi Academy of Communications Sciences, Taiyuan 030032, China)Abstract:Slope stability analysis must provide strength parameters.In order to study the influence factors of strength parameter values from the angle of indoor experiment,a concrete analysis is made from the aspects of experimental methods,experimental operation details and data bined with the actual loess slope,the stability coefficients obtained by different software,different strength envelope,different failure criteria,and different number of samples are compared,respectively,and the stability coefficients of loess slope are compared with each other by using different software,different strength envelope,different failure criterion and different sample number.It is concluded that the order of factors affecting slope stability in loess areas is stress-strain curve experimental method >strain value >strength envelope >parameter treatment model.Key words:stress-strain curve;strength envelope;strain value;strength criterion《交通科技》投稿须知《交通科技》杂志(双月刊)是综合报道交通全行业的科学技术期刊,由中华人民共和国教育部主管,武汉理工大学主办。
基于航次串理论的深港珠澳航线客船调度优化

第44卷第5期2020年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science&Engineering)Vol.44No.5Oct.2020基于航次串理论的深港珠澳航线客船调度优化丁涛王钮)王帆勿(武汉理工大学交通学院"武汉430063)(长江航运发展研究中心"武汉430014)摘要:为提高船公司的市场竞争力,加强对班期的科学规划和对船舶的调度管理,推动深港珠澳水上客运的发展,对深港珠澳水上客运航线进行班期安排和船舶调度的优化研究.以高速客运船公司每日变动成本最小和经营利润最大为目标函数,构建班期优化模型和航次串指派整数规划模型,借助LINGO求解器利用分支定界法对模型进行求解,并以X公司实际经营航线和船舶进行模拟计算和结果分析.结果表明:优化模型可在完成运输任务、保证盈利水平的情况下提高船舶运用效率,减少船舶使用量.关键词:水上客运;船舶调度;班期优化;航次串;整数规划中图法分类号:U695.10引言水上客运是粤港澳大湾区综合交通体系的重要组成部分,深港珠澳水上客运航线凭借其班次密集、通关简便的优势E,成为粤港澳大湾区水上客运众多航线中客流最多、盈利状况较好的航线.但同时,面对珠三角高度发达的公路和铁路运输的竞争,深港珠澳水上客运必须在运营上不断优化班期安排,合理调度船舶,才能保持其竞争优势赢得良好的发展前景,助力港珠澳大湾区综合交通体系的发展.针对船舶调度和班期优化,国内外多位学者已进行了卓有成效的研究•高秋颖⑵在计算班轮航线配船时通过人为调整往返航次时间使其成为发船间隔的整数倍•许欢等闪从低碳经济的角度进行研究,将总的航行时间在各个航行区段进行有效分配,寻求船舶在各相邻挂靠港之间的最优航速,使得船舶在航线上各运输区段的燃油消耗量和碳排放量最少•陈梦⑷采用线性规划模型对班轮航线配船进行优化,以船公司在规划期内的总利润为目标函数,航运市场处于上行期时,在模doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2020.05.008型中增加租船费用,航运市场处于下行期时,相应地增加船舶闲置费用•司羽⑸研究了集装箱内支线船舶配置和调度问题,将干线大船甩货造成的损失计入内支线船舶营运成本,以总成本最小为目标函数构建了非线性规划模型,并为模型设计了和声退火算法.Wang冏在研究船舶调度问题时,除了选取船舶可达性、航次密度、船舶装载量等约束条件外,还考虑了了支付延迟、空箱送回和船舶回驶等条件.Maxim等囚采用非线性规划模型研究了易腐货物班轮运输船期表安排问题,特别考虑了货物腐烂因素对船期表安排的影响. Christiansen囚将给燃料供应船舶安排船期表看作是带时间窗的车辆路径问题,并讨论了有新的船舶插队或有船舶不能严格执行计划时的情况.1问题描述1.1航线概况深、港、珠、澳四城七客运码头间共有14条水上客运航线,见图1,可分为交通航线和机场航线两类,航线网络上每日运行超过200个客运班次.收稿日期=2020-08-10丁涛(1964—):男,硕士,副教授,主要研究领域为港航与综合物流*科技部国家重点研发计划项目资助(2016YFC0402005)第5期丁涛,等:基于航次串理论的深港珠澳航线客船调度优化・809・1.2客运航线班期与营运成本关联度班期与成本的关系主要体现在:①合理的班期安排可以带来紧凑的船舶运用计划,有效提高船舶利用率,降低航线单船成本,减少船舶使用艘数,降低航线投资;②合理的班期安排照顾到乘客出行需求待点,提高上座率,增加营运收入;③科学的班期安排降低了营运风险,减少了营运风险带来的不必要支出.以深圳蛇口一澳门外港航线为例说明班次安排对每日运营成本的影响.根据历年班次安排和客流量数据,计算得不同班次安排下单位成本,二者之间关系见图2.图2单位成本与每日班次数关系由图2可知,随着班次数增加,船公司单位营运成本先下降再增加.每日班次数在8〜11班时,单位成本随班次数增加而下降,说明在这一区间内,班次增加对客流的吸引作用更显著.而当班次超过11班,随着班次数增加,单位成本也增加,说明班次超过11班时,继续增大班次密度对客流的吸引作用不大,增加的客流带来的收入将不能弥补班次增加带来的营运成本增加.因此,对于班次数和船务公司经营成本、收入之间的关系不能简单地来看待,决定班次数的依据也不能单纯从成本或收入角度进行考虑.1.3航次串概念“航次串”即按照一定顺序排列的航次少-m,对于客运网络航线上的船舶来说,船舶要执行的不只是一个航次,而是一系列能够衔接的航次运输任务,见图3.航线网络上A,E,C三个港口间的六个航次可以首尾相连,成为一条航次串,所包含的六个航次只需指派给一艘船舶执行.引入航次串的概念后,航次分配给船舶的过程便转化为把航次串分配给船舶的过程,问题复杂性大大降低.1.4问题考虑因素完整的船舶调度问题包括航线网络确定、班期安排、船型配置、航次指派等问题.本文主要研究的是在既定航线网络和船型下的班期安排和航次指派问题.从企业经营的角度来看,影响客运航线班期安排的因素可分为外部因素和内部因素两类.外部因素包括地区经济发展现状及航线客流预期、航道自然条件、港口环境、竞争对手等;内部因素则是企业内部经营相关因素,如船队规模、企业发展经营战略、企业其他配套服务能力等.两类因素都是船舶调度问题所需考虑的.2模型建立2.1基本假设为了便于问题研究,做出以下基本假设.1)假设航线网络不变,使用船型已知.2)假设航线每次往返航行时间相同.3)假设船舶均返回始发港过夜.2.2班期优化模型构建2.2.1变量和参数定义定义以下集合运营时段集合T,<1d划分为若干个运营时段时段ZWT;航线集合R,航线疋R.参数Q为航线『上每日最大客流量;Q”为时段£内航线r上的平均客流量;E为船舶载客量;G为船舶在r航线上平均单航次营运成本, Z为t时段内航线网络上的最大发班数;少为时段Z的长度;站为航线『上每位乘客等待时间转换为损失的乘客等待费用;入]为船公司船舶运用成本费用加权系数以2为乘客等待损失成本费用加权系数,且A1+入2=1.决策变量如为时段上航线『上的班次数. 2.2.2模型构建航线网络上开行的班次越多,变动成本就越大,班期进行优化的目标就是尽可能地减小每日•810•武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2020年第44卷营运的变动成本.minF|F=Ai工艺gg+入2艺工®QtrG/2r€R T r^R t"(1)S.t.y^t q tI B A Qdr(2)terq tI B>Qtr(3)〉:q tr Q t max(4)rSRq t r e N*(5)式(1)为目标函数,表示船公司每日经营变动成本最小;式(2)为运量约束,航线上的每日客运任务必须完成;式(3)也为运量约束,不仅要完成各航线上每日客运任务,航线上分时段客运任务也必须完成;式(4)为运力约束,t时段内的发班数不能超过航线网络上允许的最大发班数;式(5)为整数约束:各时段内各航线上的发班数量为整数. 2.3航次指派模型构建2.3.1变量和参数定义定义以下集合航线集合R,航线rER;航次集合V,航次航次串集合几航次串ZW1;种子航次集合E,种子航次e€E;船舶集合S,船舶s€S.决策变量为航次串i是否被选中,若选中,则1=1,否则为0;%为航次串0是否包含航次若包含,则%=否则为0;九为船舶s是否执行航次串d,若执行,则忑=1,否则为0.2.3.2航次数据格式化根据班期安排得到航次数据之后,首先进行航次数据格式化,见表1.表1航次数据格式化航次编号~出发时间~出发港口~抵达时间~抵达港口同一个航次串中相邻的两个航次要满足两个方面的要求:时间上不允许任何重合,前一个航次的到达时间和后一个航次的出发时间之间的间隔要大于船舶在港的最短停靠时间;在空间上相互衔接,前一个航次的到达港口和后一个航次的出发港口必须相同.2.3.3航次串生成航次数据格式化之后,按照以下步骤进行航次串的生成:1)从所有航次集合V中选取种子航次集合E,种子航次即船舶执行的第一个航次,一般在各航线上出发时间较早的航次中进行选择•开始时航次串集合P=0.2)将第z•个种子航次e,放入集合P中,记为只(0),并在V中搜索能够与P;(0)相连接的航次,放入P中并记为P;(l),输出P(l),再在V 中继续搜索能与P;(l)相连接的航次.3)循环搜索,直至在V中找不到能与Pdk)相连接的航次.4)在p中删掉p;a),继续在V中搜索能与Pdk-1)相连接的航次,重复3)直到^=0,令i= 0+1,搜索下一个种子航次.5)当0=〔时,搜索完毕,生成所有航次串. 2.3.4航次串筛选经过上述过程,生成了所有的可能的航次串.在运营中,船务公司希望用最少的航次串去覆盖所有的航次,也就是所运营的航线网络需要的船舶数量最少.采用如下模型对航次串进行筛选.nminZ Z=(6)nt・〉:a窈无匚=1i=i(7)Vz e n*(8)式(6)为目标函数,表示所选用的航次串最少;式(7)保证了选中的航次串覆盖了所有航次. 2.3.5航次串分配经过航次串的筛选,已经得到了航次串的最优组合形式,接下来要为每一个航次串分配一艘具体的船舶去执行,于是构建航次串的分配模型.本文将固定成本中占比最大的船舶折旧纳入模型主要考虑因素,并以船公司每日经营利润最大为目标函数.构建数学模型如下.maxR|R=—工丫"口—r^:R sg S Ip p无应_F\(1一0)it ii365L(9)S.t・工如<1(10)s€S.<1(11)式中:Z为所需的航次串数量;C”为航线z■上执行票价;P为船舶s的造价;“为船舶s执行航次串。
《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事佚名
【期刊名称】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》
【年(卷),期】2017(039)005
【总页数】1页(P封3)
【正文语种】中文
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集装箱船船型要素数学建模研究
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集装箱船船型要素数学建模研究
王运龙;金朝光;林焰;申陶
【期刊名称】《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》
【年(卷),期】2011(035)005
【摘要】分析了集装箱船船队发展现状和今后集装箱船的发展趋势,在对现有的船型数据资料进行整理分析的基础上,利用逐步回归计算机程序建立了集装箱船主要船型要素的数学模型,经实船验证该模型是适用和可靠的.该模型的建立有利于掌握现代集装箱船主尺度要素变化规律,可用于船型的报价设计和初步设计.
【总页数】4页(P914-917)
【作者】王运龙;金朝光;林焰;申陶
【作者单位】大连理工大学船舶CAD工程中心大连 116024;大连理工大学船舶CAD工程中心大连 116024;大连理工大学船舶CAD工程中心大连 116024;大连理工大学船舶CAD工程中心大连 116024
【正文语种】中文
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
佚名
【期刊名称】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》
【年(卷),期】2024(46)2
【摘要】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》,由武汉理工大学主办,国家-级学会“公共安全科学技术学会”将作为联合主办单位,面向国内外公开发行。
本刊为中国科技核心期刊,曾荣获教育部优秀科技期刊二等奖、全国机械行业优秀期刊三等奖和湖北省优秀科技期刊称号。
为促进交叉学科的发展和学术繁荣,将重点征收安全科学和管理科学的最新研究成果,为此设立公共安全与应急管理、安全科学技术与管理、管理科学与系统工程、商务与组织管理、信息技术、交叉科学等栏目,欢迎广大师生和相关科研人员踊跃投稿。
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
佚名
【期刊名称】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》
【年(卷),期】2013(035)001
【摘要】武汉理工大学是教育部直属的全国重点大学。
《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》是由武汉理工大学主办的自然科学学术期刊,重点刊登电子与电工、通信与信息、计算机、控制与自动化以及经济、管理科学与工程、物流工程等学科的最新研究成果,同时刊登机械工程、车辆与交通工程、能源与动力工程、资源与环境工程、土木工程与建筑、船舶与海洋工程以及力学、数学、物理学等基础学科的研究与工程应用论文。
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《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》征稿启事
佚名
【期刊名称】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》
【年(卷),期】2013(035)006
【摘要】武汉理工大学是教育部直属的全国重点大学。
《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》是由武汉理工大学主办的自然科学学术期刊,重点刊登电子与电工、通信与信息、计算机、控制与自动化以及经济、管理科学与工程、物流工程等学科的最新研究成果,同时刊登机械工程、车辆与交通工程、能源与动力工程、资源与
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《交通科技》投须知稿
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《交通科技》投须知稿
佚名
【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2017(000)001
【摘要】《交通科技》是经中华人民共和国科技部、新闻出版署批准创办,由中华人民共和国交通部主管、武汉理工大学主办的科学技术期刊。
本刊为双月刊,大16开本,内页160页,国内外公开发行。
国际标准刊号为:ISSN1671-7570,国内统一
刊号为:CN42-1611/U。
本刊被"万方数据数字化期刊群《中国核心期刊(遴选)数据库》"、《中国科技期刊引证报告》(扩刊版)、"中国学术期刊(光盘版)"、
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佚名
【期刊名称】《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》
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【摘要】武汉理工大学是教育部直属的全国重点大学。
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《 武 汉 理 工大 学 学 报 ( 交通 科 学 与 工 程 版 ) 》 征 稿 简 则
《 武汉理T 大学学报( 交 通 科 学 与工 程 版 ) 》 , ( I S S N 2 0 9 5 — 3 8 4 4 , C N 4 2 1 8 2 4 / U) , 刊期为双月刊 , 创 刊于 1 9 5 9年
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