挑战杯 自然科学类 全国特等奖作品汇编.docx

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挑战杯自然科学类全国特等奖作品汇编

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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Googleearth查找北京市区内的环形交叉口，...（查看更多）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：

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作品专业信息

撰写目的和基本思路：

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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：

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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：

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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...（查看更多），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：

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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（IEEEITSC2011）14thInternationalIEEEAnnualConferenceonIntelligentTransportationSystems

鉴定结果：

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以上内容属实

参考文献：

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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：

RoundaboutCapacitySimulation

同类课题研究水平概述：

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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...（查看更多）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...（查看更多）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

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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。

基本思路：

提出基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。

对于短时信号即可准确计算转子故障特征分量之频率、幅值。

对一台Y100L-2型3kW异步电动机进行转子故障检测实验，结果表明新方法切实可行，适用于干扰严重情况。

科学性、先进性及独特之处：

本文首次将ESPRIT与SAA相结合应用于异步电机转子故障检测，具有良好的频率分辨力和抗噪性能。

相较于传统方法，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、幅值进行准确估计，适用于干扰严重情况下的故障检测。

应用价值和现实意义：

已经根据论文中的新方法制作出异步电动机转子故障检测装置，该转置仅需处理短时信号（1.1s），即可快速、灵敏、准确地进行故障检测；该装置结构简单、操作方便且只需提取单相定子电流，能够快速、灵敏、准确地进行电机故障检测，既体现了新方法仅需针对短时信号即可达到高频率分辨力的特点，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应用前景。

学术论文摘要：

本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT，EstimationofSignalParametersviaRotationalInvarianceTechnique）与模拟退火算法（SAA，SimulatedAnnealingAlgorithm）的异步电动机转子故障检测新方法。

首先以转子故障仿真信号检验ESPRIT性能，结果表明：

ESPRIT对于短时信号具备高...（查看更多）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。

为此，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信号而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。

获奖情况：

1、论文《旋转不变技术及应用》被中文核心期刊（华北电力大学学报）录用2、论文《基于改进ESPRIT算法的异步电动机故障在线检测》被《河北农机》录用3、基于新方法设计制作的异步电动机转子故障检测装置已受理实用新型专利（201120199735.3）4、2011年6月，在第十二届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品荣获“特等奖”

鉴定结果：

教育部科技查新工作站（G03）鉴定为作品的创新点在国内公开发表的中文文献未见报道

参考文献：

[1]许伯强，李和明，孙丽玲，等．笼型异步电动机转子断条故障检测新方法[J]．中国电机工程学报，2004，24（5）：

115-119．XuBoqiang，LiHeming，SunLiling，etal．Anoveldetectionmethodforbrokenrotorbarsininductionmotors[J]．Proceedingsof...（查看更多）theCSEE，2004，24（5）：

115-119（inChinese）．[2]张贤达.现代信号处理[M].清华大学出版社,2002.ZhangXianda.Modernsignalprocessing[M].TsinghuaUniversityPress,2002（inChinese）.[3]方芳,杨士元,侯新国.基于改进多信号分类法的异步电机转子故障特征分量的提取[J]．中国电机工程学报，2007，27（30）：

72-76．FangFang,YangShiyuan,HouXinguo.RotorfaultfeatureextractionofmotorfaultsofinductionmotorbasedonamodifiedMUSICmethod[J]．ProceedingsoftheCSEE，2007，27（30）：

72-76（inChinese）．[4]章勇高，将有缘，方华松，等．基于模拟退火算法的共模电磁干扰抑制技术[J]．电工技术学报，2008，23（6）：

1-6．ZhangYonggao，JiangYouyuan，FangHuasong，etal．CommonmodeEMIsuppressionbasedonsimulateannealingalgorithm[J]．TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2008，23（6）：

1-6（inChinese）．[5]许伯强，孙丽玲，李和明．笼型异步电动机转子断条数目诊断新判据[J]．中国电机工程学报，2009，29（6）：

105-110．

同类课题研究水平概述：

目前，针对笼型异步电动机转子故障在线检测方法中，最常见的方法为定子电流信号检测。

当笼型异步电动机发生转子时，其定子电流（瞬时输出功率）中均会出现相应的故障特征频率分量。

因此，为了检测故障特征频率分量进而判断电机故障与否，发展出了一系列基于傅立叶频谱分析技术的转子故障检测方法。

下面针对其中两种典型的方法进行介绍：

⑴自适应滤波法自适应滤波法将信号滤波技术与傅立叶频谱分析技术结合...（查看更多），在采集定子电流信号后，首先利用自适应抵消处理方法抵消定子电流中幅值最大的工频分量，再对滤波后的信号进行傅立叶频谱分析，通过对故障特征频率分量的幅值估计实现在线检测电动机转子故障。

优点：

从一定程度上解决了工频分量频谱泄漏对故障特征频率检测的影响。

缺点：

仍需要较长数据采样时间以保证足够的频率分辨力，若电机拖动波动负荷时，在采样时段内定子电流波动以及噪声等因素会对故障检测造成影响；需采集定子电压信号，硬件电路复杂，检测装置的安装较为繁琐。

⑵瞬时输出功率法瞬时输出功率法是通过对电动机瞬时输出功率（定义为异步电动机定子相电压与相电流瞬时值的乘积）进行傅立叶频谱分析，对其中包含的故障特征频率进行估计后实现异步电动机转子故障在线检测。

优点：

避开了定子电流中边频分量的检测，可以更好地突出故障；故障特征信息多、对采样分辨率要求较低。

缺点：

需要同时采集定子电流、电压信号，增大硬、软件开销和复杂程度。

综上所述，基于傅立叶频谱分析技术的异步电机转子故障检测方法由于受限于频率分辨力（采样频率/采样点数），需连续采集足够时长的电机信号方能保证频率分辨力足够高以切实分辨转子故障特征并判断转子故障与否。

而在工程实际中，负荷波动、噪声等干扰是不可避免的，信号采集时间过长往往意味着引入这些干扰而影响傅里叶频谱分析结果，甚至恶化转子故障检测之性能。

这是当前亟待解决的关键问题，本文即致力于此，这具有学术意义与实际应用价值。

地铁列车在站停靠时间的建模及模型应用的研究

来源：

第十一届“挑战杯”国赛作品

小类：

机械与控制

大类：

自然科学类学术论文

简介：

本文通过对地铁列车在站停靠时间相关影响因素的观测和分析，建立停靠时间模型，并利用所建模型，提出一套预测地铁在站停靠时间的方法，以及探究缩短停靠时间的措施，并通过仿真，证明措施的有效性。

详细介绍：

本文在理论分析和实地考察的基础上，对地铁在站停靠时间的影响因素进行分析，抓住主要因素，忽略次要因素，最终确定影响停靠时间的因素为：

上车人数、下车人数、车厢内拥挤程度、上下乘客的相互干扰影响程度、车门数量、乘车时间段。

接着采用类比公交车的方法，对各影响因素的相关性进行分析，得到停靠时间的理论模型。

然后利用地铁站实地调查得到的平峰时段和高峰时段数据，对理论模型进行修正，采用线性回归的...（查看更多）方法，建立地铁在站停靠时间的最终模型。

而后，再次利用实地观察数据，对模型误差进行分析，计算结果显示，平峰时期模型误差为2%，高峰时段误差为5%。

接着项目对模型的应用进行研究。

首先，利用地铁在站停靠时间模型，提出一套预测停靠时间的方法，而预测所得时间可为地铁运营时刻表的编制提供基础数据；其次，对模型中一些参数的取值进行调整，并提出与其相对应的管理措施，缩短地铁在站停靠时间，在此基础上，利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后的地铁停靠情况进行仿真，证明改进措施的有效性及其效果。

作品专业信息

撰写目的和基本思路：

作品以介绍地铁在站停靠时间模型及其运用为目的，首先对作品的研究背景、现状及意义进行阐述，接着分析地铁在站停靠的影响因素并结合实地调查，建立最终停靠时间模型。

最后利用所建模型对其应用进行研究。

科学性、先进性及独特之处：

地铁在站停靠时间模型是在理论分析与实地调查两大基础上建立的，它具有科学性。

除此之外，在国内外，对地铁的停靠时间研究较少，本项目就利用与公交车相类比的方法进行研究，从而体现了作品的先进性与独特性。

应用价值和现实意义：

作品有两大应用价值：

首先，它可以预测地铁的在站停靠时间，从而为列车运营时刻表的编制提供基础数据；其次，通过对模型参数的分析，可提出缩短地铁在站停靠时间的措施。

学术论文摘要：

本文通过对地铁列车在站停靠时间影响因素的分析，并结合列车在站停靠情况的实地调查，运用线性回归方法，建立地铁列车在站停靠时间的模型。

并利用该模型计算列车在站停靠时间以及探究缩短列车在站停靠时间的措施，同时利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后的地铁列车停靠情况进行仿真，证明改进措施的有效性。

获奖情况：

本作品于2009年4月8日被《都市快轨交通》录用，并在近期发表；2009年4月本校第七届“金士宣”杯一等奖；2009年5月第四届全国交通科技大赛二等奖；2009年6月北京市第五届“挑战杯”比赛一等奖。

鉴定结果：

作品内容属实，且具有实际运用意义，符合课外学术作品要求。

参考文献：

[1]韩宇，韩宝明，李得伟．地铁站乘客上下车效率因素影响分析．城市轨道交通研究[J]．2007,10（7）：

43—46．[2]彭庆艳，杨东援．公共汽车停靠时间研究．城市公交规划与管理[J]．2002,1（3）：

27—29．[3]吴叶，徐大刚．公交停靠站停靠时间特征分析．交通与运输[J]．2007,23（12）：

78—80．[4]郭四玲，韦艳芳，时伟等．公交车停...（查看更多）靠时间的统计分析．广西师范大学学报[J].2006,24

（2）：

5—9．[5]MartinezI,VitorianoB,FernandezA,etal.Statisticaldwelltimemodelformetrolines.UrbanTransportXIII:

UrbanTransportandtheEnvironmentinthe21stCentury[C].Southampton,UnitedKingdom:

WITPress,2007,223-232.

同类课题研究水平概述：

从总体上看，国内外在“地铁在站在站停靠时间”方面的研究并不多见，但与之相关的内容有所涉及。

在国内，对地铁在站停靠时的影响因素有所分析，如韩宇等人撰写的《地铁站乘客上下车效率因素影响分析》，它从自然因素、社会因素、设备因素、个人因素对乘客的上、下车情况进行分析，但是未对各因素的主次关系以及相互之间的关系进行深入探究。

除此之外，国内对地铁站的研究主要集中在地铁站的疏散水平评价与乘客...（查看更多）进出站的仿真模拟分析，很少涉及到地铁在站停靠时间这一关键点。

相反，与地铁有着很多相似性的另一种公共交通工具——公交车，对它的在站停靠时间的研究较为多见。

国外的情况与国内较为相似，对“地铁在站停靠时间”的研究也不多，在对地铁站的研究中，主要针对地铁的运营管理组织以及对地铁站的运营仿真，如提出一些提高地铁整体运营效率的方法，加强地铁行车的安全的措施。

而对公交车的在站停靠时间研究也有涉及。

磁性铜离子印迹聚合物的合成与性能研究

来源：

第十二届“挑战杯”作品

小类：

能源化工

大类：

自然科学类学术论文

简介：

随着废水污染日益严重和资源日益短缺，目前治理废水不仅要求“尽量去除各种污染物”逐渐转变为“尽量从废水中回收各种有用之物”。

针对上述技术需求，采用表面离子印迹