Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2023 Vol.24 No.3 P.173-298

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Issue on High-Speed Railway Transport Technology

Guest Editor-in-Chief: Youtong FANG; Guest Editor: Jien MA

Editorial

Editorial: High-speed railway transport technology

Youtong FANG, Jien MA

DOI: 10.1631/jzus.A230HSRT Downloaded: 300 Clicked: 521 Cited: 0 Commented: 0(p.173-176) <Full Text>

Chinese summary <368> 高速鐵路傳動技術

作者：方攸同，馬吉恩
機構：浙江大(dà)學，電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027
概要：中(zhōng)國高速鐵路曆經十多年的發展，已經形成了世界上體(tǐ)量最大(dà)、水平最高、體(tǐ)系最完備的高速鐵路科學研究體(tǐ)系和産業鏈。高速鐵路是人工(gōng)智能、電氣工(gōng)程和材料工(gōng)程等相關領域先進技術的綜合，如何把各個領域的最新進展融入高速鐵路發展意義重大(dà)。通過高鐵專刊聚焦高鐵領域近年來最新的研究成果，爲未來高鐵技術的發展提供參考和推動。

關鍵詞組：軌道交通；牽引傳動系統；研究進展

Reviews

Review: Recent advances in traction drive technology for rail transit

Jien MA, Chao LUO, Lin QIU, Xing LIU, Bowen XU, Jiabo SHOU, Youtong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200285 Downloaded: 714 Clicked: 928 Cited: 0 Commented: 0(p.177-188) <Full Text>

Chinese summary <362> 軌道交通牽引傳動技術新進展

作者：馬吉恩，羅超，邱麟，劉星，許博文，壽佳波，方攸同
機構：浙江大(dà)學，電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027
概要：牽引傳動系統是軌道交通車(chē)輛的"心髒"。當代軌道交通綠色、安全、經濟、可靠、高效、舒适的發展方向對牽引傳動系統提出了日益苛刻的要求。永磁電機等先進電機、碳化矽等先進電子器件、有機矽等新一(yī)代絕緣材料、稀土永磁和非晶等先進磁材料和現代控制技術、先進制造技術、人工(gōng)智能等高新技術的快速發展爲新一(yī)代牽引傳動系統提供了重要的條件支撐。本文簡略回顧近年來軌道交通牽引傳動技術的重要進展，并對下(xià)一(yī)代軌道交通牽引傳動技術的發展方向及面臨的主要挑戰進行探讨。

關鍵詞組：軌道交通；牽引傳動系統；研究進展

Review: Impact of extreme climate and train traffic loads on the performance of high-speed railway geotechnical infrastructures

Ying WU, Haoran FU, Xuecheng BIAN, Yunmin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200341 Downloaded: 643 Clicked: 835 Cited: 0 Commented: 0(p.189-205) <Full Text> <PPT> 334

Chinese summary <350> 極端氣候與列車(chē)交通耦合作用對高速鐵路路基長期服役性能的影響

作者：吳盈^1,2，付浩然^1,2，邊學成^1,2，陳雲敏^1,2
機構：¹浙江大(dà)學，軟弱土與環境土工(gōng)教育部重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058；²浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058
概要：作爲全球關鍵交通基礎設施，高速鐵路承擔着大(dà)量的運輸任務。極端氣候和列車(chē)荷載的耦合作用容易誘發各種路基病害，從而導緻高速鐵路事故頻(pín)發，極大(dà)地影響了人們的出行安全。因此，研究極端氣候與列車(chē)交通耦合作用對高鐵路基長期服役性能的影響具有重要意義。本文總結了當前高鐵路基長期服役過程中(zhōng)出現的路基病害類型，針對典型病害的研究現狀、路基短期檢測和長期監測技術以及路基病害的控制修複手段進行回顧，指出目前研究的不足，并爲今後該領域的研究提供了一(yī)定的建議。

關鍵詞組：高速鐵路；長期服役性能；列車(chē)荷載；極端氣候

Review: Progress in research on nanoprecipitates in high-strength conductive copper alloys: a review

Jian YU, Feng ZHAO, Huiya YANG, Jiabin LIU, Jien MA, Youtong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200398 Downloaded: 694 Clicked: 1030 Cited: 0 Commented: 155(p.206-225) <Full Text> <PPT> 226

Chinese summary <347> 高強度導電銅合金中(zhōng)納米析出相的研究進展

作者：餘健¹，趙峰¹，楊惠雅¹，劉嘉斌¹，馬吉恩²，方攸同²
機構：¹浙江大(dà)學，材料科學與工(gōng)程學院，矽材料國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江大(dà)學，電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027
概要：銅合金是高鐵接觸線的關鍵材料，同時在通信、電氣工(gōng)業等領域也發揮着極其重要的作用。高強度和高導電是提高銅合金綜合性能的兩個關鍵因素，析出強化（沉澱強化）是一(yī)種有效獲得高強高導銅合金的方法。本文旨在探讨近幾年在高強高導銅合金上關于析出相的研究進展，從析出相的角度總結歸納高強高導銅合金的研究現狀，并結合本課題組近幾年的實驗工(gōng)作，提出具備開(kāi)發前景的合金體(tǐ)系，提煉在該方向的研究視角和方法。

關鍵詞組：銅合金；化合物(wù)析出相；強度；導電性

Review: An overview of bearing voltages and currents in rail transportation traction motors

Yao LI, Lin QIU, Yongjian ZHI, Zifan GAO, Jien MA, Jian ZHANG, Youtong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200180 Downloaded: 777 Clicked: 942 Cited: 0 Commented: 0(p.226-242) <Full Text> <PPT> 243

Chinese summary <351> 軌道交通牽引電機軸承電壓和軸承電流的綜述

作者：李堯¹，邱麟¹，支永健²，高子凡²，馬吉恩¹，張健¹，方攸同¹
機構：¹浙江大(dà)學，電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027；²中(zhōng)車(chē)株洲電力機車(chē)研究所有限公司，中(zhōng)國株洲，412001
目的：脈沖寬度調制（PWM）變頻(pín)驅動使軌道交通牽引電機獲得了良好的運行性能，但由于輸出電壓存在共模分(fēn)量，導緻了軸承電壓和軸承電流的産生(shēng)，進而引起軸承早期失效。本文旨在回顧軸承電壓根源、軸承電蝕失效模式、軸承電流形成機理、軸承電流共模等效電路、耦合回路阻抗提取和抑制對策等方面的研究現狀，并重點圍繞軌道交通牽引系統電機及負載接地狀況對軸承電壓的影響展開(kāi)全面研究。
創新點：1.總結PWM變頻(pín)系統軸承電流分(fēn)析與建模方法和抑制對策與效果；2.分(fēn)析軌道交通牽引系統電機接地配置對軸承電壓的影響，并通過共模等效電路模型成功模拟了不同轉速下(xià)的軸承電壓波形，驗證了采用接地環和調整系統接地阻抗可以降低軸承電壓。
方法：1.通過文獻搜索和調研，總結PWM變頻(pín)系統軸承電流的研究方法和思路；2.結合實際軌道交通牽引電機系統接地狀況，得到共模等效電路模型和提取回路阻抗參數，并通過仿真模拟與實際測量軸承電壓波形，驗證模型的正确性；3.通過實際測量，驗證接地環和調整系統接地阻抗是否可以降低軸承電壓。
結論：1.軌道交通牽引系統電機軸承電壓與定轉子接地阻抗有關，可産生(shēng)轉軸接地型軸承電流；2.通過轉軸側接地共模等效電路，可以模拟不同轉速下(xià)的軸承電壓波形；3.通過适當調整系統保護接地回路，降低電機定子側接地阻抗，可以實現降低軸承電壓的目标。

關鍵詞組：軌道交通；軸承電流；共模電壓；軸承電蝕；接地配置

Research Articles

Adaptive cropping shallow attention network for defect detection of bridge girder steel using unmanned aerial vehicle images

Zonghan MU, Yong QIN, Chongchong YU, Yunpeng WU, Zhipeng WANG, Huaizhi YANG, Yonghui HUANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200175 Downloaded: 779 Clicked: 1055 Cited: 0 Commented: 0(p.243-256) <Full Text> <PPT> 235

Chinese summary <353> 适用于鐵路橋梁鋼結構無人機圖像缺陷檢測的自适應裁剪淺層注意力網絡

作者：牟宗涵^1,2，秦勇¹，于重重³，吳雲鵬⁴，王志(zhì)鵬¹，楊懷志(zhì)⁵，黃永輝⁵
機構：¹北(běi)京交通大(dà)學，軌道交通控制與安全國家重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京，100091；²北(běi)京交通大(dà)學，交通運輸學院，中(zhōng)國北(běi)京，100091；³北(běi)京工(gōng)商(shāng)大(dà)學，人工(gōng)智能學院，中(zhōng)國北(běi)京，100048；⁴石家莊鐵道大(dà)學，安全工(gōng)程與應急管理學院，中(zhōng)國河北(běi)，050043；⁵京滬高速鐵路股份有限公司，中(zhōng)國北(běi)京，100038
目的：橋梁鋼結構以及鋼結構上的高強度螺栓長期受風雨侵蝕，常常會有鏽蝕或缺失的情況發生(shēng)，而人工(gōng)巡檢的效率低、危險性大(dà)且視覺盲區多。本文期望通過無人機拍攝，對鐵路橋梁鋼結構圖像所包含的檢測目标（螺母正常、螺栓正常、螺栓缺失、螺母缺失、鋼表面鏽蝕和鋼欄杆鏽蝕）進行識别和檢測，以提高鐵路橋梁巡檢工(gōng)作的精度和效率。
創新點：1.提出了一(yī)種自适應圖像裁剪方法，可根據圖像的具體(tǐ)情況，自适應的調整圖像的分(fēn)割尺寸以及裁剪重疊區域面積，可以消除無人機拍攝距離(lí)以及焦距不固定帶來的負面影響，并且提高小(xiǎo)目标的檢測效果；2.基于鐵路橋梁鋼結構待檢測對象的特征，提出了淺層注意力網絡，使模型能夠更加關注待檢測對象的淺層特征，從而使鏽蝕區域更易于檢測；3.将坐标注意力（CA）機制模塊集成到淺層注意力網絡模型當中(zhōng)，幫助網絡在大(dà)範圍的無人機拍攝場景下(xià)找到缺陷區域；4.将阿爾法并交比（α-IOU）損失函數集成到淺層注意力網絡模型當中(zhōng)，提高針對鐵路橋梁鋼結構小(xiǎo)數據集的訓練和測試精度。
方法：1.提出自适應圖像裁剪策略，對無人機大(dà)尺寸圖像進行處理，得到更易于網絡檢測出缺陷目标的小(xiǎo)圖像；2.通過對YOLO網絡進行改進，得到更關注淺層特征的淺注意力網絡，提高對鏽蝕、缺失的檢測精度；3.集成CA注意力機制和α-IOU損失函數到淺注意力網絡中(zhōng)，提高圖像檢測的精度。
結論：1.在小(xiǎo)數據集中(zhōng)，待檢測目标與輸入圖像的比例對最終的檢測結果有明顯影響；在本研究使用的數據集中(zhōng)，圖像與主目标比例在20?1到80?1之間時，以50?1爲界限，大(dà)于50?1時，精度變化較大(dà)，但是訓練時間基本不變，而小(xiǎo)于50?1時，精度基本不變，但是訓練時間變化較大(dà)，因此在訓練過程中(zhōng)，存在一(yī)個臨界點，此時訓練效率和測試結果最佳。2.更深層的網絡會幹擾小(xiǎo)目标、少樣本且簡單特征對象的檢測精度；對比其他策略相同但網絡結構不同的檢測結果，ACSANet相較于ACNet+CA+α-IOU的螺栓缺失精度提高了近10%。3.不同的注意力機制由于注意方向不同，并不一(yī)定會提高檢測精度；合适的注意力機制以及損失函數可以對鐵路橋梁鋼結構無人機圖像目标進行更好的檢測，采用不合适的注意力機制會對檢測産生(shēng)負面效果。

關鍵詞組：鐵路；橋梁；無人機圖像；小(xiǎo)目标檢測；缺陷檢測

Analysis of the breakage parameters of railway ballast based on the discrete element method

Gan-zhong LIU, Jia-cheng DAI, Ping WANG, Rong CHEN, Hao LIU, Xian-kui WEI

DOI: 10.1631/jzus.A2200019 Downloaded: 1072 Clicked: 1059 Cited: 0 Commented: 0(p.257-271) <Full Text> <PPT> 224

Chinese summary <350> 基于離(lí)散元法的鐵路道砟破碎參數研究

作者：劉淦中(zhōng)^1,2，戴佳程³，王平^1,2，陳嵘^1,2，劉浩⁴，魏賢奎⁵
機構：¹西南(nán)交通大(dà)學，高速鐵路線路工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國成都，610031；²西南(nán)交通大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國成都，610031；³廈門地鐵，中(zhōng)國廈門，361000；⁴中(zhōng)國鐵道科學研究院集團有限公司，鐵道建築研究所，中(zhōng)國北(běi)京，100081；⁵四川省鐵路産業投資(zī)集團有限責任公司，中(zhōng)國成都，610031
目的：有砟軌道在長期服役下(xià)頻(pín)繁出現道砟顆粒掉角、破碎等劣化現象，降低了有砟軌道的穩定性。而道砟的破碎與其形狀、大(dà)小(xiǎo)、應力狀态等有較大(dà)的關系，因此合理确定道砟的破碎參數是研究和解決這一(yī)問題的關鍵。本文旨在探索基于Hertz-Mindlin本構模型的道砟破碎參數，研究道砟的破碎性能，以期爲實際服役的鐵路有砟軌道提供參考。
創新點：1.采用統計學方法分(fēn)析了道砟破碎的主要影響因素及其臨界壓碎強度和臨界剪碎強度；2.采用響應面法确定了離(lí)散元道砟的最優破碎參數組合；3.通過直剪試驗分(fēn)析了道砟的抗剪性能和破碎狀況，爲實際服役的有砟軌道提供參考。
方法：1.通過單軸壓縮破碎和單軸剪切破碎實測試驗，确定簡單應力狀态下(xià)道砟破碎的主要影響因素及其臨界壓碎強度和臨界剪碎強度（圖1和2，表3）；2.建立可破碎道砟的精細化離(lí)散元模型，采用Box-Behnken法進行仿真試驗的工(gōng)況設計，并對仿真試驗結果進行響應曲面分(fēn)析以獲取最優破碎參數（圖9，表7）；3.通過對比實測與仿真的直剪試驗結果，驗證離(lí)散元道砟破碎參數的正确性，并探明道砟堆積體(tǐ)的抗剪性能（圖12和13）。
結論：1.對于粒徑範圍爲22.4~63.0mm的道砟，其壓碎特征應力和剪碎特征應力受道砟粒徑的影響不大(dà)，而受道砟形狀的影響較大(dà)；2.針狀道砟更容易破碎；3.直剪試驗中(zhōng)，道砟的累積破碎率逐漸增大(dà)，最終達到13.97%；4.道砟的最優破碎參數可參考本研究的結論進行取值，且具有較高的應用價值。

關鍵詞組：有砟軌道；破碎；離(lí)散元；響應面；參數

Adaptive fault-tolerant control of high-speed maglev train suspension system with partial actuator failure: design and experiments

Yougang SUN, Fengxing LI, Guobin LIN, Junqi XU, Zhenyu HE

DOI: 10.1631/jzus.A2200189 Downloaded: 745 Clicked: 856 Cited: 0 Commented: 0(p.272-283) <Full Text> <PPT> 206

Chinese summary <194> 高速磁懸浮列車(chē)部分(fēn)執行器故障自适應容錯控制的設計與實驗

作者：孫友剛^1,2，李豐荥¹，林國斌²，徐俊起²，賀祯宇¹
機構：¹同濟大(dà)學，鐵道與城市軌道交通研究院，中(zhōng)國上海，201804；²同濟大(dà)學，國家磁浮交通工(gōng)程研發中(zhōng)心，中(zhōng)國上海，201804
目的：在強磁場持續運行下(xià)，高速磁懸浮列車(chē)懸浮系統的執行器容易發生(shēng)部分(fēn)故障，使得懸浮控制問題具有挑戰性。爲了降低容錯的成本和能耗，提升高速磁懸浮列車(chē)懸浮系統對執行器故障的容忍度，本文從實用的角度出發，提出一(yī)種新型的高速磁浮列車(chē)懸浮系統自适應補償非線性容錯控制策略。
創新點：1.無需知(zhī)道執行器的故障信息，自适應補償控制律随系統故障的發生(shēng)而變化，并自适應地進行重構，降低系統的保守性；2.在沒有任何線性化近似的情況下(xià)，證明控制器的設計和穩定性。
方法：1.通過數學推導，建立基于連接結構的懸浮系統的動力學模型（圖2和公式(12)）；2.通過理論分(fēn)析，描述執行器故障的類型（公式(14)）；3.通過數學分(fēn)析，設計一(yī)種具有自适應更新律的非線性容錯懸浮控制律，以實現針對部分(fēn)執行器故障的穩定懸浮（公式(19)和(20)）。利用Lyapunov理論和擴展的Barbalat引理來嚴格證明閉環漸近穩定性（公式(23)）；4.通過在高速磁懸浮車(chē)輛-軌道磁耦合實驗平台進行硬件實驗，驗證所提方法的可行性和有效性（圖4~17）。
結論：1.提出的具有自适應補償的非線性容錯控制策略在無故障診斷和隔離(lí)的情況下(xià)，實現了部分(fēn)執行器故障時優越的懸浮控制性能；推導出的容錯控制律結構簡單，可以随着故障的發生(shēng)而自适應變化，從而提高了系統的可靠性和暫态性能；通過嚴格的數學分(fēn)析，證明了整個閉環系統是全局漸近穩定的。2.通過硬件實驗，實現了常規懸浮控制或跟蹤懸浮控制，同時也補償了實際中(zhōng)的部分(fēn)執行器故障，證明所提方法具有良好的魯棒性。

關鍵詞組：高速磁浮交通；懸浮控制系統；自适應容錯控制；部分(fēn)執行器故障；機電一(yī)體(tǐ)化

Effect of low operating temperature on the aerodynamic characteristics of a high-speed train

Xiujuan MIAO, Guangjun GAO, Jiabin WANG, Yan ZHANG, Wenfei SHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200166 Downloaded: 676 Clicked: 868 Cited: 0 Commented: 0(p.284-298) <Full Text> <PPT> 239

Chinese summary <188> 運行低溫對高速列車(chē)氣動特性的影響

作者：苗秀娟¹，高廣軍^2,3,4，王家斌^2,3,4，張琰^2,3,4，商(shāng)雯斐^2,3,4
機構：¹長沙理工(gōng)大(dà)學，汽車(chē)與機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國長沙，410076；²中(zhōng)南(nán)大(dà)學，交通運輸工(gōng)程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，中(zhōng)國長沙，410075；³中(zhōng)南(nán)大(dà)學，軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室，中(zhōng)國長沙，410075；⁴軌道交通列車(chē)安全保障技術國家地方聯合工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國長沙，410075
目的：受空氣物(wù)理參數變化影響，低溫下(xià)列車(chē)周圍的流場特性與常溫時存在差異。本文旨在對高速列車(chē)在低運行溫度下(xià)的空氣動力學性能及流場特性變化研究予以補充，探究低溫對列車(chē)周圍流場、列車(chē)風及列車(chē)尾流等方面的影響，以提高高速列車(chē)的抗高寒性能。
創新點：1.将氣體(tǐ)參數設置爲低溫環境，探究列車(chē)相比常溫下(xià)的氣動性能及周圍流場的變化。2.對比不同低溫環境，探究不同程度低溫對列車(chē)氣動特性的影響。
方法：1.通過基于SSTk-ω湍流模型的IDDES數值計算方法對高速列車(chē)在雷諾數約爲1.85×10⁶的條件下(xià)低溫運行的流動特性進行仿真。2.依托後處理軟件對不同溫度下(xià)列車(chē)氣動阻力、表面壓力分(fēn)布、車(chē)身周圍流動及尾流等進行分(fēn)析。3.将結果進行比對，得出不同程度低溫對列車(chē)氣動特性的影響。
結論：1.低溫顯著增加列車(chē)氣動阻力；相比常溫環境，0 °C、?15 °C及?30 °C時的氣動阻力分(fēn)别增加了5.3%、11.0%和17.4%。2.低溫會增強車(chē)體(tǐ)周圍的正負壓力場，進而提高沖擊流及流速快速變化區域的正負壓力峰值。3.低溫時，列車(chē)風的作用範圍縮小(xiǎo)，渦量分(fēn)布區域後移，而轉向架艙内的氣流流速增加。4.低溫時，列車(chē)的尾流速度降低。

關鍵詞組：高速列車(chē)；低溫；氣動特性；寒區