铁道工程学报

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罗锋, 杜世回, 孟祥连, 张志亮, 董庆, 郝利娜, 张文忠, 黄勇, 张晓宇, 王永

铁道工程学报. 2021, 38(11): 1-7.

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研究目的:为提高复杂艰险山区铁路等工程勘察的有效覆盖范围、效率及精度,在以川藏铁路为代表的复杂艰险山区铁路,开展“天空地”一体化遥感工程地质勘察技术研究与工程应用。
研究结论:(1)基于川藏铁路“天空地”一体化遥感工程地质解译技术体系,系统查明了廊道内影响线路的主控地质因素的分布特征,通过三维多源遥感集成与综合分析平台,可辅助完成线路规划方案决策;(2)提出了国产高分辨率热红外卫星地表温度异常区遥感定量反演方法,识别和划分了川藏铁路沿线4处地热异常区带,规避和降低了线路通过高温热害潜在风险;(3)建立了基于机载倾斜摄影和LiDAR的高位隐蔽性地质灾害早期识别方法,实现了隐蔽性滑坡等地质灾害的解译识别和高陡斜坡岩体结构信息的定量提取;(4)开展了川藏铁路多源、多尺度遥感岩性识别应用研究,实现了依据高精度图像纹理特征及多、高光谱图像光谱特征分别划分沉积岩地层及侵入岩界线及期次,完善了区域基础地质信息;(5)本研究成果可推广应用于复杂艰险山区交通、水电、能源等工程勘察领域。

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基于多源遥感数据的山区铁路滑坡危险性评价

徐乔, 余飞, 余绍淮

铁道工程学报. 2021, 38(11): 8-14.

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研究目的:针对复杂艰险山区地质条件复杂、地质资料匮乏的现状,提出一种基于多源遥感数据的铁路滑坡危险性评价方法。结合中吉乌铁路勘察设计,研究综合利用高分辨率遥感、多光谱遥感及数字高程模型等多源数据,基于XGBoost算法开展研究区范围内的滑坡危险性评价分区工作,以完善艰险山区铁路工程地质勘察工作,并为后续的铁路设计选线提供数据支撑。
研究结论:(1)基于多源遥感数据可提取线路区域的地质条件、水文条件、地形地貌及地表覆盖四类滑坡灾害因子,为后续滑坡危险性评价模型提供数据;(2)XGBoost算法可有效对众多滑坡灾害因子进行特征选择并计算其权重;(3)该方法可得到客观有效的滑坡危险性评价分区图,为后续铁路的设计选线提供资料;(4)利用该方法获取的中吉乌铁路滑坡危险性评价分区图,可判断该项目的北线方案优于南线方案,宜作为推荐方案,方案比选结果与项目地质勘察结果一致。

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基于环形等效的长板-短桩复合层固结理论

黄生根, 向黎亮, 殷鑫

铁道工程学报. 2021, 38(11): 15-21.

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研究目的:长板-短桩组合型复合地基处理技术在深厚软土层中具有很好的应用价值,但对其固结理论的研究还很少,且固结理论的研究存在假定与实际不符或者分析过于简化等不足。本文针对长板-短桩复合地基的特点,在已有成果基础上给出基于环形等效的长板-短桩复合地基固结理论解析模型及解答。
研究结论:(1)通过引入环形等效原理,采用修正后的流量相等假设,同时考虑扰动作用,对长板-短桩复合层固结理论进行了推导,得到了任意荷载下的解析解,计算得到的固结度和现场实测值吻合较好,具有较高的计算精度;(2)分析结果表明:由于考虑了转换系数对固结的影响,计算得到的固结速度相对已有解较慢,但更符合实际;(3)环形等效方法计算得到的固结度接近于按照不利于排水的等效方法计算得到的固结度,更加合理;(4)本文研究方法与结论可为类似复合地基的设计与分析提供理论借鉴。

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新型大调整量板式无砟轨道结构受力特性

任娟娟, 杨轲昕, 陈应东, 刘伟

铁道工程学报. 2021, 38(11): 22-27.

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研究目的:为解决高速铁路无砟轨道沉降问题,本文提出一种新型大调整量单元板式无砟轨道,该新型轨道可重复使用,单次最大可向上调整176 mm。基于有限元法,本文建立新型轨道结构静力学模型和车辆-轨道垂向耦合动力学模型,分析该轨道在不同支撑条件下结构内部受力情况、临时支撑条件下车辆限速值、调高后轨道的动力响应和温度作用下结构内部受力情况。
研究结论:(1)临时支撑条件下,垫块数量由4块增至12块,轨道拉压应力逐渐变小,且最大钢轨垂向加速度随速度的提升而增加,建议临时支撑时选用12块垫块,列车通行速度不超过120 km/h;(2)在调高高度0~15 cm且整体升降温50 ℃条件下,自密实混凝土、轨道板、底座板最大拉应力分别为0.45 MPa、1.72 MPa、0.97 MPa;(3)轨道运营时,较正常轨道,轨道调高15 cm,动力响应无明显变化;(4)针对过渡段、复杂艰险山区等大沉降地区,本文研究可为无砟轨道的设计和施工提供指导。

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煤炭颗粒浸入的有砟道床离散元多尺度分析

陈宪麦, 陈楠, 王日吉, 李赛, 董春敏

铁道工程学报. 2021, 38(11): 28-33.

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研究目的:运煤列车掉落的煤炭颗粒浸入有砟道床,改变道床的组成成分和工作性能,给铁路部门带来极大的困扰。为研究煤炭颗粒浸入量对道床工作性能的影响,本文通过对道砟颗粒进行大型三轴试验和大型直剪试验的离散元模拟,以验证模型所选参数和模拟方法的可行性;并在此基础上用更精确的方法进行大秦铁路有砟轨道结构的离散元多尺度研究,模拟和分析清洁与脏污道床在初始及加载情况下的工作性能。
研究结论:(1)随着道床污染程度增加,道砟颗粒间抵抗外力的能力降低,而承受的荷载相对增大,加大了道床性能失效的风险;(2)沿横向位置道床在轨下处的受力最大;(3)模拟过程与结论证明了该模拟方法的可行性,该方法可以用于有砟轨道离散元的研究。

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提速线路钢轨轨面短波不平顺实测分析

房建, 郑稳稳, 雷晓燕, 练松良

铁道工程学报. 2021, 38(11): 34-40.

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研究目的:随着列车速度的提高,线路诱发的振动噪声问题越来越明显,其根源之一在于轨面短波不平顺。由于车辆轨道类型、运营和养护方式等因素的差异,相应的轨面短波不平顺分布状况与特性也不同,在开展减振降噪研究时,对提速线路短波不平顺的分布规律和平顺度进行调查分析也是十分必要的。本文基于沪昆线跨区间无缝线路轨面不平顺现场实测,通过最大幅值统计分析和1/3倍频分析等方法对测试数据进行分析处理。
研究结论:(1)钢轨焊接接头的轨面平顺度普遍较差,即使是接触焊焊接接头,其轨面平顺度也远差于非接头区,在一般情况下,焊接接头的轨面不平顺达0.5 mm/m以上;(2)非接头区的轨面平顺度一般较好,大多数测点的轨面不平顺小于0.15 mm/m,个别达到0.2 mm/m左右;(3)根据1/3倍频程分析,钢轨焊接接头的轨面不平顺在各波段都大于ISO 3095:2005标准值,最大轨面不平顺水平超过标准值15 dB,一般情况下为5 dB;(4)非接头区的轨面平顺性都较好,轨面不平顺值都小于标准值,一般较标准值小5 dB,最大的要小于10 dB;(5)通过对提速线路轨面短波不平顺的幅值分布特性及平顺度评价,可为提速线路的减振降噪研究提供数据支持和参考。

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基于轨道振动特征的地铁钢轨波磨成因研究

彭华, 汤雪扬, 蔡小培, 孙天驰

铁道工程学报. 2021, 38(11): 41-46.

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研究目的:钢轨波磨是地铁线路中常见的钢轨伤损形式,本文以某地铁线路短枕式整体道床地段出现的钢轨波磨为研究对象,现场测试钢轨波磨特征和轨道动力响应,基于轨道振动理论和有限元方法,建立轨道结构频域分析模型,研究波磨地段的钢轨位移导纳特性和轨道结构模态振型,从轨道振动角度揭示钢轨波磨的形成原因,为地铁线路的设计及养护维修提供借鉴与参考。
研究结论:(1)钢轨波磨主波长在40~80 mm之间,其通过频率为278~556 Hz,60 mm左右波长最为显著,其通过频率为370 Hz;(2)实测的轨道系统垂横向动力响应在主波长通过频率278~556 Hz范围内均有峰值,钢轨波磨的产生可能与轨道系统的垂向和横向振动有内在联系;(3)导致40~80 mm波长波磨的轨道振动,在垂向上主要表现为310 Hz、408 Hz频率处钢轨和轨道板的扭转共振以及两者在341 Hz处的同向弯曲共振和449 Hz处的反向弯曲共振,横向上主要表现为钢轨相对于轨道板在304 Hz、370 Hz、439 Hz、522 Hz处的弯曲振动,其中370 Hz频率处钢轨相对于轨道板的横向振动是导致该地段60 mm显著波长出现的主要原因;(4)本研究成果可为地铁钢轨波磨形成机理的研究提供理论依据。

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通苏嘉甬铁路与公路共建跨海大桥分析与论证

张建

铁道工程学报. 2021, 38(11): 47-51.

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研究目的:通苏嘉甬铁路跨越杭州湾,海域及其两岸建设条件复杂,通道资源紧张,非常有必要统筹考虑公路与铁路共用通道。本文根据公路网规划布局,采用“四阶段法”“有无对比法”和用户均衡法开展不同情境下交通需求预测、分配及分析,对比单独建设铁路桥梁与公铁共建桥梁方案,研究论证公铁共建桥梁的必要性,为项目决策提供依据。
研究结论:(1)通苏嘉甬铁路跨杭州湾通道内公路交通需求量小,公路与铁路共建跨海大桥的需求不旺盛,建议通苏嘉甬铁路通道单独建设铁路跨海大桥;(2)通苏嘉甬跨杭州湾通道公铁共建的经济效益不佳;(3)杭州湾金山公路通道对杭州湾公路跨海大桥的分流作用更显著,建议2035年之前建成杭州湾金山公路通道,以缓解跨湾公路通道交通压力;(4)建议尽快启动杭州湾金山公路通道前期研究工作;(5)本研究方法和成果可供跨越大江、大河或共通道项目参考借鉴。

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5 000 m级琼州海峡空间混合缆索悬索桥的抗风研讨

徐文平, 秦韬睿

铁道工程学报. 2021, 38(11): 52-58.

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研究目的:以5 000 m级琼州海峡超大跨径悬索桥为工程背景,在平行钢丝缆索悬索桥的基础上,增加双曲抛物面碳纤维缆索网,形成超大跨径双曲抛物面空间混合缆索悬索桥的新结构体系,建立Midas有限元分析模型,进行动力模态特性分析研究,验证双曲抛物面空间混合缆索悬索桥是否具有良好的抗风稳定性。
研究结论:(1)平行钢丝缆索承担竖向荷载,双曲抛物面碳纤维空间缆索提高超大跨径海峡悬索桥的空间刚度,两组缆索混合使用,优势互补;(2)双曲抛物面空间混合缆索悬索桥的扭转频率和扭弯频率比显著提高,平行钢丝缆索悬索桥的颤振临界风速为23.35 m/s,双曲抛物面空间混合缆索悬索桥的颤振临界风速为78.34 m/s;(3)设置临时性附加抗风缆索后,其颤振临界风速可以达到104.6 m/s;(4)双曲抛物面空间混合缆索体系和临时性附加抗风缆索两种技术措施,可从根本上解决5 000 m级琼州海峡超大跨径悬索桥的抗风稳定性问题。

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基于最大熵模型的斜拉桥拉索温度极值研究

戴公连, 王芬, 葛浩, 饶惠明

铁道工程学报. 2021, 38(11): 59-66.

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研究目的:现行规范尚无斜拉桥拉索温度模式及温度极值计算的相关建议与规定。根据短期温度监测数据统计分析拉索温度随机分布特征并估计拉索极值温度,依托芜湖裕溪河大桥工程实例,通过现场拉索节段试验获得拉索短期实测温度数据,在此基础上结合最大熵分布函数与Bootstrap法估算出拉索不同超越概率下的温度极值。
研究结论:(1)由于拉索实测温度数据样本量较小,基于拉索温度短期监测数据难以获得其极值概率模型和特征,而结合气象数据资料以及极值约束条件可获得拉索结构的年温度极值样本;(2)基于拉索年温度极值样本,采用Bootstrap法可获得拉索年温度极值“理想”扩充样本并用于最大熵极值模型的参数估计;(3)采用最大熵极值模型及Bootstrap法获得的拉索年温度极值“理想”扩充样本建立了基于短期监测数据的温度极值概率模型,并通过数值模拟试验进行了准确性验证,结果表明该模型的计算精度高,拟合效果好,可应用于实际工程结构的极值温度估算;(4)采用裕溪河大桥短期实测拉索结构温度数据建立了最大熵极值模型,计算得到超越概率为0.02(50年重现期)及0.01(100年重现期)时的拉索结构温度代表值分别为44.87 ℃、45.55 ℃;(5)本文所提方法可为拉索等桥梁结构极端温度估算提供参考。

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基于深度置信网络的工字钢梁损伤识别方法

程海根, 胡钧剑, 胡晨

铁道工程学报. 2021, 38(11): 67-73.

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研究目的:工字钢梁作为一种重要的受力结构,在建筑结构、桥梁支架、轨道交通、仓储厂房等领域应用广泛。由于其在服役期间极易受到外部荷载、自然环境、材料性质等影响而发生严重的损伤,危害结构的耐久性和安全性,因此有必要采取相应的措施及时发现工字钢梁的损伤状况。基于深度置信网络的工字钢梁损伤识别方法,提取结构发生振动时的竖向加速度响应值作为损伤指标,通过深度置信网络对损伤指标的特征分析,识别结构的损伤位置和损伤程度。
研究结论:(1)该方法在损伤位置和损伤程度方面的识别准确率均在90%以上,且随着噪声程度不断提高,识别准确率能够保持稳定的水平,抗噪性能好;(2)SVM支持向量机在损伤位置的识别准确率低于20%,BP神经网络在损伤程度的识别准确率低于70%,随着噪声程度不断提高,两种传统的方法识别准确率不能保持稳定的水平,识别能力差;(3)本文所提出的基于深度置信网络的损伤识别方法具有一定的可行性,在实际工程应用中可研究性较强,具有一定的研究前景。

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叶片式导风屏障的高度优化研究

谢海清, 吕娜, 徐建华, 张鹤, 董扬

铁道工程学报. 2021, 38(11): 74-78.

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研究目的:在混凝土桥上安装叶片式导风屏障时,通常需要在桥面设置一定高度的基础,基础高度和导风叶片高度共同参与挡风;基础过高,会增加桥梁自身荷载;导风叶片过高,则会增大导风屏障自身受力,制造成本也会增高。因此,本文旨在通过风洞试验,研究叶片式导风屏障总高度、导风叶片高度以及基础高度对列车气动力系数、列车周围的风压系数以及轨道中心线处风速的影响规律,旨在得到叶片式导风屏障各高度对列车运行安全及桥梁受力的影响,为工程应用时各高度的选取提供依据。
研究结论:(1)桥面安装导风屏障后,列车周围风压系数、列车三分力系数以及轨道中心处风速均有所降低,对提高桥梁的安全行车有积极作用;(2)能够兼顾挡风性能和经济性的叶片式导风屏障最佳总高度在3~3.5 m之间; (3)导风屏障基础高度的增加对挡风效果的贡献不明显,在满足列车安全舒适运行需求的同时,应尽可能降低基础高度;(4)实际工程导风屏障高度还应结合车速、风速,通过风-车-桥耦合振动分析进一步验证;(5)本研究成果可为叶片式导风屏障高度的选取提供初步依据。

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基于应力场反演和弹性应变能积聚的岩爆预测

轩俊杰, 严松宏

铁道工程学报. 2021, 38(11): 79-85.

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研究目的:诸多高地应力、大埋深隧道存在岩爆的工程风险,前人对其研究主要集中在岩爆的发生机理、破坏机制、等级划分及防控措施等方面,而从地应力场反演并结合能量积聚理论的角度出发进行的研究则很少。本文结合拉林铁路贡多顶隧道工程实践,在分析区域地质构造和地应力测试成果的基础上,采用数值模拟手段,对区域的地应力场进行反演,获得地应力分布特征,选取典型开挖断面进行平面应变分析,获取围岩开挖后的二次应力特征,获得由开挖扰动引起的弹性应变能积聚特性,并采用基于应变能的岩爆判据预测该隧道的岩爆风险等级,对类似工程具有一定借鉴意义。
研究结论:(1)川藏铁路贡多顶隧道深部地应力场以水平构造应力为主,总体上为σ_H>σ_V>σ_h,三个主应力大小随埋深呈近似线性增长关系,侧压力系数λ随埋深的增加呈先上升后下降并逐渐接近于1的趋势;(2)采用基于弹性应变能密度理论的能量释放率的岩爆判据预测该隧道的岩爆风险等级,研究表明随着埋深和扰动范围的增加,导致开挖后的应变能急剧增加,所引起岩爆的等级也随之上升;(3)基于弹性应变能PES的岩爆等级分级标准,对该隧道开挖过程中的岩爆等级进行了预测,结果与勘察设计中预测的岩爆风险结果基本一致,可为类似隧道工程建设提供参考和借鉴。

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基于PCA-IRBF模型的铁路隧道围岩安全性预测评价

贡力, 魏晓悦, 祁英弟, 靳春玲, 田洁

铁道工程学报. 2021, 38(11): 86-91.

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研究目的:围岩的安全性状况决定了铁路隧道施工过程中围岩变形及塌方事故的发生率,而现有铁路隧道围岩安全性等级预测方法普遍存在准确率低、速度慢等问题。为了对围岩安全性作出可靠预测,提出基于PCA-IRBF模型(Improved Radial Basis Function Neural Network,IRBF)的铁路隧道围岩安全性预测评价新方法,并以天秀山隧道工程为依托,对该方法的准确性和适用性进行验证。
研究结论:(1)综合考虑围岩完整性程度、岩石物理力学性质和围岩构造发育状况三个方面,遴选12个重要影响因素,构建铁路隧道围岩安全性评价指标体系;(2)通过主成分分析法对原始数据进行预处理后作为神经网络训练样本,利用粒子群算法优化RBF神经网络训练过程,建立PCA-IRBF铁路隧道围岩安全性预测评价模型,与传统RBF神经网络和PSO-RBF神经网络模型相比,该模型收敛速度更快、误差更小;(3)将 PCA-IRBF模型应用在工程实例天秀山隧道围岩安全性等级预测评价中,结果与现场工程地质勘查结果完全相符,验证了该模型的准确性和适用性;(4)本研究成果可为川藏铁路等重大工程沿线隧道围岩安全性等级预测评价提供一种新的途径和借鉴。

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隧道内全封闭屏蔽门风压荷载特征研究

彭斌, 殷文华, 李立

铁道工程学报. 2021, 38(11): 92-96.

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研究目的:列车在隧道内运行时产生的风压会对屏蔽门造成冲击,为研究隧道内全封闭屏蔽门在列车通过时所受风压荷载的变化特征,本文基于计算流体力学方法,采用动滑移网格处理运动列车,对高速列车通过屏蔽门时的非定常气动效应进行研究,分析列车在不同速度下通过不同轨行区净过风面积时封闭式屏蔽门所受的风压荷载响应规律。
研究结论:(1)动车组在隧道内以恒定速度运行时,封闭式屏蔽门上各监测点受到的压缩波和气动风压荷载呈现的规律一致;(2)动车组以不同速度运行时,屏蔽门所受初始压缩波最大值随车速增加呈线性增加;动车组以不同速度通过封闭式屏蔽门时,在屏蔽门上产生的气动荷载随速度的增加而增加,与车速平方呈正比;(3)动车组以相同速度通过封闭式屏蔽门时,屏蔽门受到的风压荷载水平受轨行区净过风面积影响,该面积越大,屏蔽门所受压缩波极值和风压荷载极值越小,反之则越大;轨行区净过风面积相同时,断面高宽比变化的影响微弱;(4)本研究成果可为隧道内屏蔽门设计提供理论依据。

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铁路建设对黄土高原景观生态格局的干扰研究

张秦英, 雷泽鑫, 曹磊

铁道工程学报. 2021, 38(11): 97-103.

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研究目的:对于经济发展落后、生态环境脆弱的黄土高原地区,铁路建设在驱动区域快速发展的同时,给生态环境带来较大压力。通过对太中银铁路(离石-柳林段)建成前后沿线不同缓冲范围的景观指数与土地利用类型进行对照分析,揭示铁道工程对沿线景观格局的干扰尺度以及干扰范围内的景观生态影响。
研究结论:(1)沿线1.5 km范围内是铁路建设的景观生态强干扰区,沿线4 km范围外的区域景观生态格局基本不受铁路建设影响;(2)铁路建设干扰范围内草地和林地类型的景观生态格局会受到强烈破坏,但后期能够得到良好修复;(3)铁路建设是沿线城镇发展的强驱动力,建设用地沿铁道方向扩张聚集,形成干扰范围内的优势斑块,这一过程中建设用地对耕地、水体的侵占会进一步引发耕地对草地的侵占,对区域生态平衡造成一定影响;(4)本研究结论可为黄土高原地区铁路规划与建设过程中的生态环境保护提供科学依据和实践指导。

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交通基础设施、环保投入与经济高质量发展

李素英, 孙华男, 吴永立

铁道工程学报. 2021, 38(11): 104-108.

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研究目的:交通基础设施作为支持国民经济发展的重要载体,在我国经济社会发展过程中发挥着不可替代的作用。在我国经济转型升级以及国民对环保要求不断提高的背景下,本文基于2007—2019年30个省份的面板数据,采用广义最小二乘法对相关地区的交通基础设施建设、环保投入与经济发展间的内在联系进行分析,进一步量化三者间的关系,以期为国家政策的制定提供参考,最终促进三者和谐稳定发展。
研究结论:(1)研究发现交通基础设施及环保投入对经济高质量发展具有正向促进作用,国家应进一步完善区域交通网,提升区域交通集群,实现规模效应;(2)交通基础设施与环保投入的交互作用对经济高质量发展的影响为负,这也为进一步研究二者的内在关系指明了方向;(3)本研究成果可为国家相关部门政策的制定提供理论和实践依据,以推动我国产业结构转型升级,促进我国经济高质量发展。

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地铁工程建设投资智能估算方法研究

段晓晨, 陈雨欣, 施振东, 黄凯丽

铁道工程学报. 2021, 38(11): 109-114.

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研究目的:中国地铁正处于蓬勃发展时期,在可行性研究阶段快速准确地估算其投资十分关键。鉴于此,本文以北京地铁为例,通过构建地铁工程特征体系,基于Rough Set理论建立特征数据库,基于BP神经网络提出地铁投资智能估算模型,分别研究量化工程特征并将其写入数据库的方法和投资估算的途径。
研究结论:(1)用PBS方法分解项目,得到对投资估算产生影响的工程特征19个;(2)利用Rough Set理论对量化调整后的工程特征进行属性约简,得到重要性大的工程特征;(3)将工程特征写入数据库可提升投资估算的速度;(4)利用BP神经网络构建的投资估算模型可提升投资估算的精确度;(5)本文研究可为地铁可行性研究阶段的投资估算提供依据和指导。

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2021年, 第38卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-15

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