W-SPSA in practice: Approximation of weight matrices and calibration of traffic simulation models

The development and calibration of complex traffic models demands parsimonious techniques, because such models often involve hundreds of thousands of unknown parameters. The Weighted Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation (W-SPSA) algorithm has been proven more efficient than its predecessor SPSA (Spall, 1998), particularly in situations where the correlation structure of the variables is not homogeneous. This is crucial in traffic simulation models where effectively some variables (e.g. readings from certain sensors) are strongly correlated, both in time and space, with some other variables (e.g. certain OD flows). In situations with reasonably sized traffic networks, the difference is relevant considering computational constraints. However, W-SPSA relies on determining a proper weight matrix (W) that represents those correlations, and such a process has been so far an open problem, and only heuristic approaches to obtain it have been considered.This paper presents W-SPSA in a formally comprehensive way, where effectively SPSA becomes an instance of W-SPSA, and explores alternative approaches for determining the matrix W. We demonstrate that, relying on a few simplifications that marginally affect the final solution, we can obtain W matrices that considerably outperform SPSA. We analyse the performance of our proposed algorithm in two applications in motorway networks in Singapore and Portugal, using a dynamic traffic assignment model and a microscopic traffic simulator, respectively.     

水中悬浮隧道交通荷载模拟方法研究

为研究水中悬浮隧道交通荷载的合理模拟方法以及交通荷载对隧道结构的影响,借鉴铁路、公路交通荷载的模拟方法,综合考虑车辆轮载、路面不平度、行车速度以及外部激励荷载等影响因素的共同作用,提出水中悬浮隧道交通荷载的模拟表达式。通过数值模拟计算,分析悬浮隧道交通荷载的变化特征,并研究不同交通荷载模拟方法对悬浮隧道结构振动位移响应的影响。结果表明:文章提出的交通荷载模拟方法计算结果符合移动振动荷载的波动性和周期性特征。在对结构振动位移响应影响方面,固定均布荷载相当于静载,移动集中荷载和移动振动荷载时的位移变化幅值相对固定均布荷载时的大且影响相似,但移动振动荷载时的振幅稍大,体现了交通荷载中动荷载部分对结构振动位移响应的影响,更适合用来模拟悬浮隧道中的交通荷载。     

基于响应面和遗传算法的柴油机瞬态过程喷油参数优化

基于台架试验数据,利用响应面法建立了某工程机械用柴油机瞬态过程喷油参数与性能的近似高精度模型,基于此模型采用遗传算法对瞬态过程喷油参数分别进行离线优化研究。结果表明:采用单目标优化确定的燃油消耗率(BSFC)、NO_x比排放量和颗粒质量(PM)比排放量的优化极限分别可达180.23g/(kW·h),8.92g/(kW·h)和0.011 8g/(kW·h),相对原机可降低多达4.5%,34.0%和37.3%。双目标优化的Pareto解集表明,相比于同时优化BSFC和NO_x比排放量,BSFC和PM比排放量更容易同时得到优化。采用权重因子适应度函数的三目标优化结果对应的BSFC,NO_x比排放量及PM比排放量分别为184.70g/(kW·h),12.62g/(kW·h)和0.012 2g/(kW·h),较原机分别降低2.1%,6.6%和35.3%。改进优化模型后,性能优化Pareto解集对应的BSFC和PM比排放量水平都非常接近其优化极限,但NO_x比排放量相对其优化极限仍然较高。     

高速公路中收费和清分的动态解决方案

在高速公路收费和清分过程中,由于新增的高速公路和收费站点特别是环型路段的增加使得原有的静态算法已经不适宜于现实情况。本文提出了高速公路中基于最短路径和环型路段的动态收费和清分解决方案,并给出了详细的基于环型路段的动态算法。环型路段问题解决后,可以判知车辆实际行车路线,从而大幅提高收费及清分的准确性和效率。     

立交线形动态拖动设计的关键技术

对立交线形动态拖动设计的几个关键技术进行论述.分析了缓和曲线计算精度,提出了动态拖动模式设计模型,以及约束满足条件下的非线性方程组的数值解算法.     

地震作用下钢筋混凝土桥墩抗倒塌性能研究

为研究混凝土桥墩的结构抗震性能,进行了单墩多自由度体系非线性静力推倒分析、非线性动力分析、增量动力分析。分别采用纤维模型中分布塑性铰和集中塑性铰两种建模方法,建立单墩有限元模型,利用Open Sees软件中的Hysteretic滞回模型考虑各种累积损伤的影响。     

飞机防冰腔结构参数的重要性测度

分析了常见的3种飞机防冰腔结构,应用Gambit软件建立了双蒙皮防冰腔结构网格模型。采用Spalart-Allmaras湍流模型模拟热气在防冰腔内的流动状况,采用Fluent软件进行传热效率分析,建立了防冰腔结构参数对传热效率的重要性测度模型。通过随机响应面法建立防冰腔结构参数与传热效率的函数关系,采用低分散性抽样法求解防冰腔结构参数的重要性测度,建立了防冰腔结构参数的重要性测度分析流程。分析结果表明:当笛形管中心到外蒙皮的距离从35.15mm增加到38.85mm时,传热系数由0.505减小到0.463;当双蒙皮通道高度从2.85mm增加到3.15mm时,传热系数由0.495减小到0.476;当射流孔孔径从1.90mm增加到2.10mm时,传热系数从0.505减小到0.494;当射流孔角度从14.25°增加到15.75°时,传热系数从0.476增加到0.494。防冰腔结构参数的重要性排序依次为射流孔角度、笛形管中心到外蒙皮距离、射流孔孔径、双蒙皮通道高度,在防冰腔结构加工与装配过程中,需要重点考虑射流孔角度与笛形管中心到外蒙皮距离这2个参数。     

自升式钻井平台动态响应研究

综合考虑风浪流等环境载荷、桩靴与土壤之间的相互作用行为及静水压力和波浪动压力所引起的浮力效应的影响,运用有限元软件模拟了自升式钻井平台的动态响应过程,获得了0°环境载荷作用下自升式钻井平台的船体位移、桩腿危险处应力、桩靴载荷的变化规律。研究结果表明:自升式钻井平台的动态响应周期约为38s,是波浪周期的2.8倍,且在环境载荷作用角度为30°时,船体位移峰值最大,而位移均值在45°时最大。     

响应谱法与时程法在管道水锤分析中的对比研究

水锤是输流管道中经常发生的现象,由于阀门操作不当或设备突然停车引起的水锤极易引起管道的振动,造成设备及支架的破坏,严重影响管道系统的正常运行。文章运用CAESAERⅡ软件,对管道中的水锤现象分别采用响应谱法和时程分析法进行分析。结果表明:响应谱法有利于对振动响应过大模态的精确控制,时程法能精确求解时间历程内各时刻系统的整体响应。为全面分析水锤对管道应力的影响提供了一个研究思路。     

复合筒型基础周围土体在波浪作用下的动力响应

利用OpenFOAM模拟数值波浪水槽,将复合筒型基础周围海床受到的波压力作为初始条件输入有限元软件ABAQUS,建立波浪作用下海床动力响应模型。数值模拟结果与实验结果及解析解吻合较好。运用此模型进行了复合筒型基础周围海床在行进波作用下动力响应研究和土体特性对波浪作用下海床动力响应的影响分析,结果表明,海床孔隙水压衰减速度随着海床渗透系数和弹性模量的增加而增大。