挑战杯_自然科学类_全国特等奖作品汇编

`环形交叉口通行能力的微观仿真研究来源：第十二届“挑战杯”作品小类：机械与控制大类：自然科学类学术论文简介：本文提出了一种研究环形交叉口通行能力的微观仿真方法。

利用VISSIM仿真平台分析5个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高的因素来建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差，从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。

详细介绍：针对目前我国环形交叉口通行能力的研究相对滞后，不能客观评价城市交通系统的情况，本文选取北京市方庄环形交叉口作为研究对象，对其进行实地调研和调研数据处理、分析，并以此为基础，重点进行环形交叉口通行能力计算模型的修正。

目前，项目进展顺利，已完成以下工作： 1.完成交通量调查辅助手机软件（android平台）的开发。

2.现状调查利用Google earth查找北京市区内的环形交叉口，并通过实地观察和综合比较，本研究小组选取了方庄环形交叉口，并于2010年8月24日——8月26日（周二至周四）对其几何数据、交通量（机动车、非机动车和行人）、车辆行程时间和地点车速进行调查，了解方庄环形交叉口的交通特性，为VISSIM仿真平台的搭建和验证、通行能力模型的建立以及后续的研究内容提供依据。

3.VISSIM仿真平台的搭建与校准首先利用部分实测数据搭建仿真平台，后利用剩余数据，以仿真画面、平均相对误差及最大相对误差为评价指标，通过调整四个驾驶行为参数来校准仿真平台。

其中，正交试验法的运用，在保证实验准确性的同时，提高了效率。

4.通行能力影响因素的敏感性分析影响环形交叉口通行能力的因素主要有环岛半径等几何方面的因素和交通量等方面的交通因素。

选择大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例和环岛半径作为此次影响因素分析的对象。

针对以上影响因素，利用“每次改变单一因素，仿真计算该条件下的通行能力”的方法，通过非线性曲线拟合分析各个因素对通行能力变化的敏感性。

实验结果显示：东、西进口大车比例、左转比例和右转比例以及主支路流量比例对通行能力变化敏感性较高。

之后，对拟合曲线之间相关性较高的因素进行合并，简化后续实验。

5.修正通行能力理论模型开发在比较各种环形交叉口理论通行能力模型的基础上，选取王炜的双环行车道时通行能力理论模型作为基本通行能力模型。

接着，通过改变上述敏感性较高的4个影响因素，进行了5184次VISSIM仿真实验，利用多元回归法得出通行能力修正系数，并提出修正后的通行能力模型。

最后，对修正后的通行能力模型进行验证。

6.根据本文的研究思路开发环形交叉口通行能力辅助计算软件。

7.着手进行模型的实际运用，其中包括：环形交叉口运行评估和改造建议。

作品图片：•••••作品专业信息撰写目的和基本思路：：通行能力是进行道路交通理论研究的基础参数之一。

本项目根据我国环形交叉口环内多车道、机非混行的特点，利用VISSIM仿真平台和统计模型分析五个影响因素对通行能力的敏感性。

选取敏感性高的因素利用多元回归方法来建立实际通行能力的改进计算公式。

验证结果表明建立的改进模型精度得以较大的提高。

在此基础上开发环形交叉口通行能力分析软件，为环形交叉口规划、设计、管理以及进一步的路网交通诱导提供科学依据。

科学性、先进性及独特之处：：1.考虑了国内典型的环内多车道情况。

2.充分利用计算机模拟可重复性、可延续性、弥补观测数据不足的优势，对不同交通条件下车辆进出环进行细致的模拟分析。

3.仿真平台参数标定中正交试验的运用，提高了效率，保证了结果的准确性。

4.利用经济学中常用的弹性系数对影响因素进行敏感性分析，有效跟踪通行能力在不同条件下的变化规律。

5.根据研究思路开发用户界面友好的环形交叉口通行能力计算辅助软件。

应用价值和现实意义：：本作品针对环形交叉口的实际通行能力进行了研究，分析了大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例等影响因素，建立了实际通行能力的改进模型。

本研究有助于准确地估算环形交叉口通行能力，从而客观地评价城市道路交叉口。

此外，本研究对于分析大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果具有重要的参考价值。

学术论文摘要：：随着交通量的迅猛增长，环形交叉口已经成为城市路网的“瓶颈”，因此对其进行在一定服务水平条件下通行能力的研究刻不容缓。

鉴于计算机模拟可重复性、可延续性的优势，本文针对国内常见的环内多车道环形交叉口，提出了一种研究其通行能力的微观仿真方法。

利用实测数据进行VISSIM仿真平台的搭建和校准；对各进口分别利用“每次改变单一因素，仿真计算该条件下通行能力”并进行曲线拟合、计算弹性系数的方法，分析环道宽度、大车比例、左转比例、右转比例、和主支路流量比例和环道宽度五个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高的因素进行参数回归，建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差。

根据模型开发了环形交叉口通行能力计算辅助软件，有助于便捷准确地估算环形交叉口通行能力。

此外，对于评价大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果也具有重要的参考价值，从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。

获奖情况：：1.第九届“金士宣”杯创新能力竞赛一等奖（校级第一名）2.2011年度“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文一等奖（校级第一名）3.2011年度首都“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文特等奖 4.英文论文已投至(IEEE ITSC 2011)14th International IEEE Annual Conference on Intelligent Transportation Systems鉴定结果：：以上内容属实参考文献：：检索目录：中文关键词：环形交叉口通行能力仿真英文关键词：Roundabout Capacity Simulation同类课题研究水平概述：：环形交叉口通行能力的研究主要基于四类理论基础：交织理论模型；穿插及间隙——接受理论模型，如Tanner公式；反映环内车流量与入口通行能力关系的回归模型；最后一类是线性规划模型。

1.交织理论模型：交织理论认为车辆运行是通过交织行为来完成的，环形交叉口通行能力为通过交织段的最大通行流量。

这种方法的原理为：计算交叉口通行能力时，各交织段交通量将以同比例增加，当某一交织段交通量增加到其通行能力，认为该交织段已成为环形交叉口的瓶颈，此时的环形交叉口通行能力即为各入口道的交通量之和。

2.穿插间隙——接受理论模型：穿插及间隙——接受理论模型以进口车道能进入环形交叉口的最大流量反映环形交叉口的通行能力。

其基本原理为：假定环形交叉口上仅有一条车道，当引道上的车流进入环形交叉口时，它需要与环道上车流进行穿插，只有当环道上的车辆之间的车头时距超过临界间隙时方能进入交叉口；否则，必须等待。

3.线性规划模型：考虑到环形交叉口疏导的结果是流出交通量，所以线性规划模型将求解整个环形交叉口通行能力的问题转换为多个约束条件下的求极值问题，即求各个出口流量之和的最大值。

4.回归模型：反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型是基于大量观测数据进行的回归分析模型。

5.综述交织理论模型算法简单，参数及数据都相对容易测量，可以解决多岔路环形交叉口通过能力的计算。

但是该方法只适用于引道上无因故停留的车辆，几何布局必须满足Wardrop公式使用条件，并且环道内的车辆不享有优先通行权的情况；穿插间隙——接受理论模型建立在严格的理论基础上，考虑了交通特征，有很强的适应性，适于车辆间隙较小、以穿插为主要通过方式的城市环形交叉口；线性规划模型虽然容易操作，但是只考虑了三个约束条件，而实际的交通环境却很复杂，而且约束条件的选取在一定程度上取决于研究者的主观判断，这样就失去了严谨性和准确性；线性规划模型利用整个环形交叉口的左、右转比例来计算通行能力，忽略了进口的左、右转比例不同对环形交叉口的通行能力的影响，得出不准确的结果；反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型不需要从理论上进行道路条件以及交通特性条件分析，适应性比较差。

不同类型的交叉口回归模型很难统一，如果要使模型具有宽泛的适应性，就必须结合多条道路及多种交通条件进行大量的数据采集，目前我国还不具备这样的试验条件。

异步电动机转子故障在线检测方法及装置来源：第十二届“挑战杯”作品小类：机械与控制大类：自然科学类学术论文简介：项目首次将旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电动机转子断条故障在线检测。

新方法仅需针对短时信号（1.1s），即可达到高频率分辨力，对故障分量的频率、幅值、初相角进行准确估计。

适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况下的异步电动机转子故障在线检测。

克服了传统检测方法因需长时间采样数据而易受负荷波动等因素影响的缺点。

并根据新方法制作了异步电动机转子故障检测装置。

详细介绍：一、论文简介：本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。

首先通过仿真信号验证，指出ESPRIT算法对于短时信号具备高频率分辨力，可以准确计算转子故障特征分量以及其它分量之频率；但对诸频率分量幅值、初相角的计算欠缺准确性、稳定性。

随后，引入SAA确定诸频率分量幅值、初相角，效果理想。

进而，对一台Y100L-2型3kW异步电动机完成了转子故障检测实验。

实验结果表明：基于ESPRIT与SAA的异步电动机转子故障检测方法是切实可行的，并且因仅需处理短时（1.1s）信号即可对故障进行准确、快速检测，而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。

二、制作装置：基于新方法制作出了异步电动机转子故障检测装置，已受理实用新型专利。

检测装置由电流测试钳、信号采集卡和计算机组成。

能够快速、灵敏、准确地对异步电动机转子故障进行在线检测。

既体现了新方法在严重干扰情况下良好的故障检测性能，适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应用前景。

三、创新点：项目首次将现代频谱估计领域中的旋转不变技术（ESPRIT）与优化算法中的模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电动机转子故障在线检测，这具有显著优势： 1、针对短时信号，亦可达到高频率分辨力； 2、在低信噪比等恶劣情况下，提供无偏谱估计； 3、对故障分量的频率、幅值、初相角进行准确估计。

基于以上的特点，本方法可以广泛应用于工程当中，适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况下的异步电动机转子故障在线检测，具有广阔的市场前景。

四、支撑材料： 1、论文录用证明两份，其中一篇为中文核心期刊 2、推荐材料五份：杨奇逊（中国工程院院士、北京四方继保自动化有限公司董事长）黄其励（中国工程院院士、国家电力公司东北公司总工程师）陈欣（河北省电机工程学会副理事长、河北省机械行业协会会长）裴建杰（高级工程师、河北省机械产品质量监督检验总站站长）石新春（华北电力大学教授、博士生导师） 3、实用新型专利受理书一份 4、应用证明一份5、教育部科技工作站查新证明一份.作品图片•作品专业信息撰写目的和基本思路：目的：寻求一种仅需短时信号，即可在负荷波动、噪声等干扰严重情况下对运行中的异步电动机转子故障进行灵敏、可靠检测的新方法，并制作相应装置。