全国交通科技大赛论文集（123等奖）

首届全国大学生交通科技大赛论文集停靠站最佳线路容量研究陆嘉珉,高跃文,赵庆鑫,王文修（同济大学交通运输工程学院，上海，201804）摘要：本文采用随机服务系统的理论，先从公交车的停靠时间分析入手，以公交车的饱和车头时距为研究重点，通过计算同时到站车辆概率，最终确定建立计算停靠站公交线路容量的模型，最后通过仿真模拟的方法对模型进行验证与分析。关键词：停靠站，最佳线路，容量；公交车停靠时间；饱和车头时距；公交车到站概率。1问题提出与问题抽象在世界上许多城市都存在公交车停靠站拥堵的现象，它已经成为影响公交系统服务水平提升的瓶颈，并对整个交通系统产生较大的负面影响。而停靠站拥堵的核心因素是停靠站线路容量不足，本研究将这一问题抽象为停靠站线路最佳容量的确定问题。本研究主要针对港湾式停靠站和路侧式停靠站。2建模与仿真2.1 公交车线路容量计算模型2.1.1公交车停靠时间分析公交车从减速进站到加速出站分为四个阶段 ：分别为减速进站，开关门，乘客上下车，加速离站，对应的四个时间分别是t1，t2，t3，t4。 t1的计算可通运动学的基本公式得到：本次研究根据实际情况，别取车长L=11m，汽车加速度b=1.5m/s2，得到t1=3.8s； t2可以通过翻阅资料查得，一般为3-4s； t3的影响因素众多，它的测定通常用实地测量的方法得到。本次研究的t3是在上海曹杨八村站经过多次实地观测最后得出的。表1 不同车辆数的每客上车时间N123第n辆车每客上车时间t上（s）2.22.93.5 t4的计算可以分为两部分：加速离站基本时间ta、公交车重新汇入车流的延误时间td。ta的计算与他t1类似，td的计算可查阅下表。表2临近车道交通流对td的影响临近车道的交通流（辆时）公交车重新进入交通流的平均延误时间（秒）100120023003400450056006700880010900121000152.1.2饱和车头时距分析饱和车头时距Ts指到达停靠站上下客并驶出停靠站的前后两车的最短车头时距。Ts由减速进站时间t1, 开关门时间t2（一般为34s），乘客上下车时间t3,加速离站时间t4组成。即：Ts=t1+t2+t3+t4下面给出不同泊位情况下饱和车头时距的计算方法：1 一泊位：根据我们的调查（表1），对一个站位的情形，每客平均上车时间为2.2s，平均下车时间为1.3s，由此规定当量上车人数A=Max(每车上车人数，0.6*下车人数)，于是每车上，下时间t3为2.2A。故一个泊位时的饱和车头时距为：Ts=2.2A+ t1+ t2 +t4。2 两泊位：对于多站位站台来说，每车上下客时间与到达停靠站的前后两车车头时距有关。设Tu= t1+t2+t4，如果车头时距短于Tu，则后车在前车驶离之前就完成了上，下客作业（为简化计，假设两车的A值相同），则后车饱和车头时距为Tu+ (2.9-2.2）A=Tu+0.7A，两车平均饱和车头时距为Tu+1.45A；如果车头时距大与Tu+2.2A，则后车到达时前车已驶离，两车平均饱和车头时距为Tu+2.2A；如果车头时距在TuTu+2.2A之间，则后车平均饱和车头时距为上述两后车值的平均值，即为Tu+1.45A，两车平均为Tu+1.825A。同济大学郭冠英老师以及王谦硕士分别通过实际调查数据，同时参考以往研究成果对公交车到达情况做出经验拟合，证实多条线路公交车到达同一地点的车头时距服从负指数分布 ，则我们可以得到两站位情况下饱和车头时距的计算公式：3 三泊位：每车饱和车头时距与第1、2车到站时差t1,2、第2、3车到站时差t2,3的组合分布有关。以B表示事件(t1,2 Tu+2.2A),C表示事件（t1,2 Tu+2.2A），C表示事件（t2,3k)为停靠站驻车数大于k辆的概率，则根据M/M/1系统的性质，可推导出：如果停靠站设置在信号灯交叉口进口道处,饱和车头时距会受到信号灯配时的影响,则上面的公式应改为: 我们利用C语言编写了同时到站车辆概率的计算程序，对2、3站位的情形进行了概率计算。为扩大程序的适用范围，在程序中，用户需输入车站类型、车站泊位数、当量上车人数、高峰小时单条线路的平均发车数以及毗邻车道车流量。2.1.4最佳线路容量确定根据前面三节的成果就可以确定公交车站的最佳线路容量了，下面我们给出两泊位车站的计算试例:根据对上海市各公交公司的调查，上海市区高峰小时一条公交线路的平均发车数为12辆，不妨设某港湾式停靠站的线路为i条，那么该站的公交车流量=12i/3600=0.00333i辆/秒。假设临近车道的交通流为200辆时，查表2.5得公交车重新进入交通流的平均延误时间为两秒,那么Tu=t1+t2+t4=3.8+4+(4.7+2)=14.5(s)将以上数据输入C语言程序可得到下面的计算结果：表3 2站位数（A=6.2）的概率P(mk)I34567891011P(m2)0.0200.0470.0890.1500.2330.3400.4740.6390.835P(m3)0.0060.0170.0400.0800.1430.2370.3700.5500.787P(m4)0.0020.0060.0180.0420.0880.1650.2880.4740.741P(m5)0.0000.0020.0080.0220.0540.1150.2250.4080.698P(m6)0.0000.0010.0040.0120.0330.0810.1750.3510.657P(m7)0.0000.0000.0020.0060.0200.0560.1370.3020.619假定同时到站的车辆超过两辆的概率大于10%时为不合理（该阀值可根据实际情况进行调整），则可以发现对两个站位来说，3条线时驻站车数超过2的概率很小，4条线超过2的概率为5%，5条线为10%，6条线为16%。可见5条线是比较合适的，而11条线将造成严重的拥堵。2.2 仿真模拟交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用，是复现交通流时间、空间变化的一种技术手段。本次研究使用VISSIM软件对公交车站的实际情况进行了仿真模拟，把仿真结果与上节中的数学模型计算结果作了对比分析，验证了数学模型的合理性，并对之作出了补充。图1 站台停靠线路为5条时的车辆到站频率上图中的红色线条是由仿真导出的排队长度数据转换为车辆同时到站概率画出的，蓝色线条是用数学模型计算结果画出的。总体上看，两者还是比较接近的。由于在模型计算时没有考虑信号灯与公交站台的距离问题，所以本次研究在仿真中对这个问题进行了补充研究。仿真结果如图2所示：图2 站台离交叉口不同距离时的车辆到站频率从上图可看出，公交站台离交叉口越近，受绿信比影响越显著，排队长度也越长，车站拥堵的概率也越大。总体上看，模型计算结果还是与仿真模拟结果基本符合的。3成果应用3.1 成果应用定位本研究可以运用到整个公交系统的规划的过程中，首先本研究结果在公交系统优化层面上作为公交线网布设及优化调整的一个决策依据，其次在公交系统设计中的停靠站设计，公交运营管理中的发车频率确定，公交优先控制中的信号灯配时等等都可以以本文的研究成果作为设计依据。3.2 应用流程图站台形式、位置及其泊位数线路数合理线路数及其发车频率交叉口信号配时情况对应站台线路容量不合理应对策略YN模型求解实际线路数站台容量上下客流等参数实际标定值4研究创新点【1】 提出了停靠站最佳线路容量确定方法，并通过仿真分析进行了验证 ；【2】 运用随机服务系统理论建立了车辆到达概率模型； 【3】 建立了公交停靠站车辆饱和车头时距计算模型；【4】 编写了排队概率计算软件；【5】 通过大量实际调查数据标定了模型参数；【6】 提出了停靠站容量不足的改善方法体系5结束语通过这次科技大赛，我们不仅学到了大量的专业知识，更重要的是培养了动手能力和实际应用能力，增强了团队合作意识，而这些东西对于我们以后的学习和工作是大有裨益的。参考文献【1】 周商吾等著.交通工程学.上海：同济大学出版社，1987【2】 王炜，过秀成著. 交通工程学.南京：东南大学出版社 ，2000【3】 Transit Capacity and Quality of Service Manual2nd Edition.TRB.Washington DC. 2003【4】 李娜，陈学武.公交车中途停靠站停靠能力及设计站长设计初探.南京：东南大学，2003【5】 朱祎，陈学武.多线路公交停靠站点车辆延误分析与对策.南京.东南大学，2002【6】 郭冠英.中途停靠站公交线路数上限的确定及驻站时间计算模型.上海.同济大学【7】 伍拾煤.公交停靠站设置问题研究.哈尔滨.哈尔滨工业大学，2002【8】 王兰兰.公交专用车道设置条件研究. 哈尔滨.哈尔滨工业大学，2004【9】 王谦.城市道路公交中途停靠站站台线路容量研究.上海.同济大学,2006城市轨道交通系统故障处置预案的研究与仿真常力元，柴永，何晶赟，孙炜庆（同济大学交通运输工程学院，上海，201804）摘要：分析了轨道交通的安全形势，世界各国轨道交通的故障处置以及轨道交通故障处置系统，在此基础上提出并开发了城市轨道交通系统故障处置预案的虚拟现实仿真系统。目的是为了优化轨道交通故障处置预案和预案管理系统，从而降低故障损失，提高运营安全。关键词：故障处置预案 故障处置系统 虚拟现实系统仿真 寻路算法引言目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期。然而，作为高密度、大流量的公共交通方式，轨道交通在解决城市交通拥堵问题的同时，将同时带来人流的聚集，其运营过程中的安全问题也突显出来。城市轨道交通安全涉及因素众多，无论在设计、施工还是运营阶段，都隐含着触发事故的潜在条件。在解决的过程中，故障预防和故障处置是两个基本部分。无论是预防还是处置，预案都是核心的组成。目前，我国的城市轨道交通故障处置预案的表现形式还较为单一，直观性较低，直接影响了可执行性。因此,有必要对现有的城市轨道交通系统故障处置预案及其管理系统进行分析并加以优化，以提高地铁的运营安全。1城市轨道交通故障处置系统城市轨道交通故障处置系统是整个轨道交通信息系统中的一个部分。涉及到包括乘客、轨道交通工作人员、外部救援人员的人员机制；包括故障处置、乘客转移和疏散、乘客救援、网络运营的线路调整的应急机制；还包括了信息采集、信息发布的公共机制等诸多方面。1.1 城市轨道交通故障处置预案的基本内容（1）预案准备。预测任何可能出现的故障类型及其影响程度；制定发生故障后的反应行动；保证人员进行培训和演习，定期更新应急预案和重新评价其有效性。（2）救援系统。由应急指挥中心、故障现场指挥中心、支持保障中心、媒体中心和信息管理中心等5个运作中心组成。要做到快速、有序、高效地处理故障。（3）救援预案。救援预案包括应急资源的组织和利用；故障的评估；指挥、协调的组织结构；通报和通讯联络的程序；应急反应行动；培训和演习及救援预案的维护。（4）培训演习。目的是测试救援预案的充分程度；测试应急培训的有效性和队员的熟练性；测试现有应急装置和设备供应的充分性；通过训练来识别和改正救援预案缺陷。（5）救援行动。故障发生时及时调动并合理利用应急资源投入救援现场，针对故障的具体情况，选择适当的对策和行动方案，及时有效地进行应援行动，在最短时间内控制故障。（6）系统恢复与善后。包括事故现场清理、恢复期间的管理、事故调查、现场的警戒与安全、安全和应急系统的恢复、人员的救助、法律问题的解决、相关数据收集等。1.2 城市轨道交通故障处置预案的基本形式纵览世界各国的城市轨道交通故障处置预案，其形式主要有以下几种：（1）文本形式。文本形式是最为普及的形式。在文本中，编制目的和各种具体故障的处置预案是其主要内容。涉及各种设备的使用、乘客的疏散和转移、外部救援行动的展开等。给出了发生故障时每一任务的实施细节。近年来，随着计算机的普及和应用，文本更多情况下是以电子版的形式储存在计算机中，供轨道交通工作人员学习、培训。（2）多媒体形式。多媒体形式是近年来各个国家和轨道运营公司日益重视，正在或已经开发并逐步应用的一种形式。运用文字、音像、图片等形式集中存储各种法规规章、运营管理规程、故障处置预案，这种形式在查询检索、修改更新、资源共享、学习培训方面相对传统形式有着绝对的优越性。2系统仿真与虚拟现实2.1 系统仿真系统仿真是一种实验技术，以系统理论、形式化理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以计算机为工具，为一些具有不确定性因素的现实系统或未来系统创造一种计算机实验环境。使系统的未来性能测度和长期动态特性能在相对短的时间内在计算机上实现。由于系统仿真具有面向过程的特点，仿真模型与所研究系统的运行过程的运行过程在形式上和逻辑上存在对应性，避免了建立抽象数学模型的困难，显著简化了建模过程。更避免了真实实验大量人力、物力资源的付出与较大的风险。同时具有直观性，可实时更改，增强了对现实系统模拟的真实性。2.2 虚拟现实虚拟现实技术又称灵境技术，通过技术或设备模拟出一个可交互的、虚幻的三维空间场景。这种技术的特点在于通过计算机图形构成的三维数字模型，编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”。虚拟现实系统通常具有沉浸感、交互性、想象的特征。系统仿真侧重于真实复杂世界的科学抽象，真正反映出现实世界的运动形式。虚拟现实则侧重表现形式，主要以表现和参与为目的。二者的结合即虚拟现实仿真系统使用户在获得必要的数据的基础上直观地了解到系统运行过程的场景，增强仿真效果。实现对地铁各种事件的全面模仿，并藉由模拟结果研究地铁设施设置，紧急事件处理等，从而得出事件处理的最优预案，大大降低了对地铁研究的时间及经济成本。3系统开发基于以上的分析，可以看出故障处置预案对于轨道交通安全运营有着极为重要的意义和作用，而其表现形式又直接关系到工作人员对预案的掌握程度。目前在国内尚没有一套完整的利用虚拟现实仿真技术实现预案表达的系统。由于地铁（“地下铁”的简称，下同）的特殊性、事故后果的严重性、对管理的依赖性、受环境影响大且难于预测和控制成为轨道交通安全工作的重点。而站内比隧道内又更具有代表性，因此我们选择地铁车站建立仿真系统。3.1 地铁车站模型概述地铁车站分站厅和站台两层。站厅包括控制室（车控室、环控室）、进出通道、售票系统和闸机。实现车站及附近隧道的安全监控管理和乘客进出站、售检票和乘降功能。站台提供列车停靠、乘客候车和上下车功能。另外，在站厅和站台均设有导向标志、消防、防洪等安全设施，有些还在站厅设有小型的商业区。车站的空间可以看作一个功能层面，不同区域对应不同功能。对不同的地铁车站而言，其具体的设施布置、区域分布各有不同，但都遵循了有关规章和条例，都保证了在发生故障的情况下设施的易操作性。因此，仿真的要点在于设施的表现，而不是设施的详尽位置。3.2 上海市轨道交通中山公园站中山公园站目前是上海轨道交通2号、3号和4号线的一站式换乘站。目前有8个出入口、5个通道、3个进站闸机、3个出站闸机。两个售票区域分别位于站厅两端。4个楼梯及自动扶梯供乘客升降。日均客流量约11万人次。在2号线中，中山公园站暂时是始发站。在3号线和4号线中属中间站。由于其周边城市功能的原因（主要为居民区），客流呈现出较强的规律性。由于换乘线路的类型不同，其通道、售票系统、闸机系统、升降系统、安全设施、商业区域的布置及乘客路径选择等诸多方面在上海市各轨道交通车站中均具有代表性。因此，我们选择中山公园站作为模型进行仿真。3.3 开发过程3.3.1 仿真方案的比较和选择目前，国内外虚拟现实仿真的制作有以下几种常见方案：（1）完全通过底层开发，采用c/c+编程，使用open GL通用接口，这样做的工作量大，资金需求量大，需要完全从底层编写建模，渲染，运动模拟等，但最灵活，应用范围最广。（2）使用各种图形，音像，物理状态模拟等库，使用这些库可以大大减少开发工作量，且大多遵循GPL/LGPL/BSD许可证，无版权顾虑，但工作量依旧很大，不适用学生开发。（3）使用各种虚拟现实或游戏引擎，如vega，3dvrii，OpenGVS，EON Studio， OpenGL Performer等。使用这些软件能大大减少开发周期，且效果卓越，但均属商业软件，不公开源代码，灵活性差，且价格昂贵。（4）我们选用的Blender引擎，能够良好的模拟碰撞检测和动力学模型，具有高级逻辑，且可以与Python语言进行深度交互，灵活性非常高。在国外Python多被用于游戏开发，很适合编写仿真模拟的人工智能部分。另外Blender与Python都具有良好的跨平台性，非常适合跨平台软件的开发。而且，源代码可自由使用，为软件的进一步扩展打下了基础。3.3.2 具体开发（1）前期建模我们采用Wings3D配合Blender按照地铁站内设施的实际尺寸制作，部分模型用Python编写，考虑到系统运行速度，我们尽可能简化了部分模型，模型材质均用UV贴图表示，考虑到部分效果美观，我们采用了glsl语言进行辅助渲染。为了更好地模拟地铁客流，我们为地铁乘客加入了简单的人工智能（AI），可以使对地铁客流的模拟性大大增强。（2）开发的重点和难点是地铁中人物的路径选择问题。寻路问题是游戏开发、虚拟现实编程中经常遇到的一个问题，它可以被归为组合式问题一类。 目前，最常用的寻路算法是A*方式，原理是通过不断搜索逼近目的地的路点来获得。简单的A*算法为非启发式。非启发式的寻路算法实际上是一种穷举法，通过固定顺序依次搜索人物周围的路点，直到找到目的地，搜索点在图像上的表现为一个不断扩大的矩形。非启发式A*算法穷举导致搜索速度过慢，而且不是很符合逻辑，人物随机性运动的随机性小，路径相似性大，为了克服这种缺点，有人发明了启发式A*算法。启发式的A*寻路算法，一般通过 已经走过的路程 + 到达目的地的直线距离 代价值作为搜索时的启发条件，每个点建立一个代价值，每次搜索时就从代价低的最先搜索。以上的搜索是一种矩阵式的不断逼近终点的搜索做法。优点是比较直观，缺点在于距离越远搜索时间越长（A*算法示意见图1）。 考虑到如果是一条折线，那么其每一个拐弯点一定发生在障碍物的突出边角，而不会在还没有碰到障碍物就拐弯的情况，综合启发式A*算法与几种格子网络算法，我们改进了A*算法，描述如下：为了便于计算，我们考虑将地铁站划分为若干不重合的矩形区域块，且每个区域块中记录着与其他区域块间的连接信息，形成树状结构，人物被限制在各个区域块中移动，从所处区域向下一连接区域移动的选择方法是：先计算所用能够回溯到树根的区域路径及距离，再依照所得距离数据结合相邻区域内人数计算出权重，并依此选择移向临近区域。如此设计的原因是，通常人们在地铁中的运动路径不是最短的，而是带有一定随机性，且因距出口距离，路径上的人员数目等有关。这样编写，能够保证绝大多数人物选择较近路径，部分人物因周围人员数目而改变路径及少部分人物因特殊原因选择较远路径（系统算法示意见图2）。图1 A*算法示意图2 系统算法示意图3 中山公园站闸机系统图4 仿真模拟闸机系统图5 中山公园站站台层及升降系统图6 仿真模拟站台及升降系统为了增强人物移动自由性的模拟并考虑到今后扩展方便，人物在区域内移动的横向位置具有很大随机性。同时，横向的自由度可以方便今后加入对相向移动的人物间躲避模拟，对考虑扩展人物的智能排队等问题也预留了空间。（3）图3图6为中山公园站实体与仿真模拟对比。3.4 系统扩展由于时间有限，我们的很多想法还没能来得及实现，未来可实现的功能有：1进一步完善火灾的模拟，研究火势、浓烟及救援人员对地铁乘客逃离路径的影响。2加入更多特殊事件的控制。例如大客流、停电等。3提高人员运动的智能化，优化代码。4简明易用的GUI界面。3.5 功能描述1系统直观而详尽地描绘出车站基础设施、安全设备、建筑结构以及周边建筑情况的立体化图形和详细说明，降低文字内容,代之以流程式图形程序说明。这就在发生故障时，显著降低应急反应时间，让管理者更准确、及时地知道故障情况，极大地促进了信息传递，引导乘客通过安全疏散通道。一旦发现故障，车站监控系统显示故障具体情况，包括故障类型、严重程度、周围工作人员和乘客分布等。系统立刻提供对应预案处理。根据预案，包括列车司机在内的车站工作人员迅速得到指令进行相关救援，并在第一时间掌握相关设备位置和当前使用状况。当管理人员选择逃生路线，系统提供俯瞰一切的退路并结合实际情况提供最优路径。这条路线也会迅速告知工作人员和乘客。同时，结合系统给出的周边建筑情况，外部救援行动也可以有条不紊的进行。而这些若要同时实现，仅利用文本预案是不可能的。图7模拟火灾发生。火灾发生在站台右端（图中火色区域），且火势较大，仅依靠车站工作人员不能消除。此时，站台监控系统显示火势、烟雾、车辆、乘客等情况。值班站长根据预案内容，组织工作人员对乘客疏散，启动相应机电消防设施进行扑救，停止售票、并立即向上级汇报。此时，D升降系统已经处于火灾现场，C升降系统接近火灾现场。根据乘客逃生心理一般会选择最近升降系统逃往站厅层，而消防人员则要选择较接近于扑灭火灾地点进行扑救。因此在D、C升降系统极易造成混乱。且根据站台通风送风系统，A、B升降系统逃生机会远大于C、D。因此，可根据仿真系统的指示，工作人员将乘客尽可能疏散至A、B升降系统逃生，同时方便消防人员的消防执行。1、2、3、4显示为进出站通道，其中4通道较不安全，因此，站厅层督导员应根据此情况，并结合救援人员的通道使用安排疏散乘客。图中以蓝色带状区域表示逃生路径，由站台层通往站厅层并最后指向出站口，并用箭头表示逃生方向。此外，系统同时显示了火灾周边消防设备分布（灭火箱及灭火器材用红色显示，在系统中以闪烁形式表示），消防及救援人员可据此使用，这一点在火灾导致站内通信发生故障时有着积极的现实意义。有了这样直观的指导，可以最大限度减小乘客恐慌而导致的混乱；减小乘客与救援人员之间的交叉矛盾；协助救援行动展开，最终减小火灾损失。2系统是可更改的，可以实现车站转化。即通过改变相关参数改变建筑结构、基础设施、安全设备、功能区域从而转化到任意地铁车站，保证了系统应用的广泛性。同时，预案内容可以增加或删减，也可以增加多媒体影像、声音、3D模型、文字、图形等不同来源的资料，实现系统的更新，保证了系统的实用性。在系统进一步扩展后，这点将有着更为广泛而现实的意义。3相对文本预案不容易培训和学习的弊端进行了革命性的改进。如果加入各种故障及处置办法，动画的形式直观而生动地演示出各岗位人员的行动，准确、简明易懂地说明紧急程序。据以进行演习，可提高工作人员的反应，降低错误。从而最大可能消除故障隐患。4事实上，在发生故障时很多伤亡和损失是由于混乱造成的。因此系统还可作为普及性教育视频播放给市民观看，从而使乘客在发生故障时尽可能减少混乱、服从指挥，更有效地选择正确路径和通道进行自救逃生避难，减少故障损失。图7 3D模型结 语伴随着城市轨道交通在世界范围内的普及，其安全问题日显突出，故障处置也越来越受到关注。在我国，故障处置预案正日益完善，但在仿真表现上仍属空白。我们在对轨道交通故障处置分析的基础上利用虚拟现实仿真技术开发了这套基于3D虚拟现实的地铁仿真系统。开发的过程中，因为相关仿真软件的缺乏，我们结合国内外各种虚拟现实仿真方案选择Blender引擎以及Python语言进行了自主开发。在解决人物寻路算法这一难点上，我们总结了A*算法与几种格子网络算法并加以改进，提出了我们自己的人物寻路算法。实现了轨道交通故障处置预案3D虚拟现实的仿真，简化了文本预案，实现准确、简明易懂地说明紧急程序。系统可以通过修改参数实现车站之间的转化，最终使每个地铁车站都有一套可以实时更新的针对故障处置的虚拟现实仿真系统，实现整个轨道交通网的虚拟仿真。从根本上改善、优化文本预案的瓶颈，实现包括预案执行、员工培训等在内的功能；优化故障处置管理系统；提高轨道交通运营安全。参考文献【1】 刘茂，吴宗之应急救援概论北京：化学工业出版社，2004【2】 崔艳萍，唐祯敏，武旭城市轨道交通行车安全保障信息系统的研究中国安全科学学报，2004，14（5）【3】 王德兴中国土木工程学会隧道及地下工程学会地下铁道专业委员会第十四届学术交流会论文集北京:中国科学技术出版社，2001：484486【4】 张庆贺，朱合华，庄荣等地铁与轻轨北京：人民交通出版社，2002【5】 Wendy StahlerBeginning Math and Physics for Game ProgrammersNew Riders Publishing，2004：504【6】 David M. Bourg，Glenn SeemanAI for Game DevelopersOReilly，2004：400废旧混凝土的再生利用研究丁俊峰，朱彬彬，唐川杰，杜红劲（东南大学，南京，210096）摘要：大量地拆除建筑物会产生大量的废旧混凝土块，既带来环境污染 ，又造成资源浪费。利用废旧混凝土生产再生集料，然后采用再生粗集料和天然砂组合， 制成再生混凝土。随着旧集料的替换率的增加，再生混凝土的抗压强度下降并不明显。其他条件相同，抗压强度随水灰比的提高而降低，而且降低幅度很大。关键词：废旧混凝土；再生混凝土；水灰比；替换率 1. 前言随着人口的快速增长和经济的飞速发展，我国正进行大规模基础建设。我国每年拆除建筑垃圾34 %是混凝土块，除此之外还有新建工程所产生的废旧弃混凝土，预计今后混凝土碎块的产生量将继续增多。从这些旧路，旧建筑物上拆下来的废旧混凝土，严重污染环境，浪费耕地，成为城市建设的一大公害。由此引发的环境问题十分突出。目前处理这些废旧弃混凝土块的方法有两种:一是作为回填材料简单地使用; 二是直接运往郊区垃圾场堆放。前者在一定程度上未能做到合理、有效地利用、回收资源，后者则占用大量农田并导致更为严重的二次污染。若能将废旧弃混凝土块就地回收 ，经破碎、清洗、分级后作为集料再利用， 生产再生混凝土，则不仅能降低成本，节省天然集料资源，缓解集料供求矛盾，还能减轻对城市环境的污染。就能从根本上解决废旧混凝土的处置问题，也必将带来显著的社会效益、经济效益和环保效益，对城市的可持续发展具有战略意义。在国外，比如美国，据美国联邦公路局统计，美国现在已有超过20个州在公路建设中采用 (Recycled Concrete Aggregate再生水泥混凝土集料)，26个州允许将作为基层材料;4个州允许将作为底基层材料;将应用于基层和底基层的28个州级机构中，有15个制定了关于的规范。密歇根州交通厅在20世纪80年代初利用重建了几条州际高速公路。有两个原因使用:尽管天然集料被认为质量更高，而且价格也不比高多少，但天然集料有时候备料困难，运距很远;如果不重复利用旧的路面材料，只能用来填地，这显然是浪费资源。那么，要开发再生混凝土，就要首先研究废旧混凝土集料和再生混凝土的基本性能，并进行级配设计。对此，本研究小组进行了深入探讨和广泛研究，以寻求各种因素对最终强度的影响及影响程度。废旧混凝土集料(Waste Concrete Aggregate ) ，就是用旧建筑物拆弃的废旧混凝土破碎而成的不同粒径的混凝土碎块。 在拌制混凝土时，就用这些混凝土碎块代替砂石料作集料。因此要求废旧混凝土集料性能接近或基本接近普通砂石料。本文试验使用的废旧混凝土集料，是用废旧混凝土试块经人工破碎而成，强度分为两种分别是C30和C50。2. 实验设计思想旧集料采用实验室废旧标注立方体试块经人工破碎后得到，这样旧集料的强度相对稳定便于得到较可靠的对比数据。采用现实中应用较广泛的C30和C50废旧立方体试块。考虑到过细的旧集料吸水性过大，放弃使用旧集料代替实验用砂，而采用普通的砂做细集料。实验的目的是：采用不同的旧集料替换率与水灰比的组合，制作标准抗压试块，在制作过程中观察它们的工作性，经标准养护后测试它们各自的抗压强度，最后通过纵横比较分析得出结论。材料及制备水泥：采用425号普通硅酸盐水泥。粗集料：用两种强度的旧集料，即C30和C50废旧立方体试块。将两种试块分别人工破碎，用直径25mm2.5mm的标准圆孔筛进行筛分。取等量的各粒径颗粒（粒径范围25mm2.5mm）组成连续级配的粗集料。 细集料：天然细砂。实测含水率3.5。3. 试验数据及分析表一 ：试验内容，配合比及相关内容水灰比替换率旧集料来源水kg水泥kg砂kg集料kg塌落度cm新旧总0.420C30混凝土0.371.000.931.680.422.104.5501.051.052.101.510002.102.102.00.51000.451.001.3702.682.683.50.6200.531.001.962.690.673.3614501.681.683.361110003.363.369.70.50C50混凝土0.451.001.372.6802.687.510002.682.683表二：试验结果序号水灰比替换率%旧集料来源实测强度MPa强度MPa10.420C30混凝土45.545.543.644.925044.443.544.944.3310041.334.244.041.340.510035.536.431.134.350.62024.226.425.525.465024.422.22022.2710023.526.223.124.380.50C50混凝土39.140.443.541910037.34043.540.3下面我们分别从几个分角度来分析这张试验记录表，首先拆分，纵横比较一下3.1 相同水灰比下不同替换率对强度的影响图1 水灰比0.4时不同替换率对强度的影响图2 水灰比0.5时不同替换率对强度的影响图3 水灰比0.6时不同替换率对强度的影响在图三中100替换率对应的抗压强度偏大，可以考虑认为是实验误差。由图一，图二，图三，发现这样一个规律：旧集料的替换率越大，抗压强度越低，但降低幅度并不是很大。原因在于再生集料的含水率、吸水率都远远高于天然集料，且吸收速率很大。造成这一现象的原因是再生集料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中包含相当数量的硬化水泥砂浆，再加上水泥石本身孔隙比较大，且在破碎过程中，其内部往往会产生大量的微裂缝， 这又会在一定程度上增大其吸水率，也导致了再生集料混凝土比天然集料混凝土需要更多的拌和水，影响砼混合料的和易性和成型性，最终降低了混凝土试块的抗压强度。替换率的变化造成的强度降低并非十分急剧，相反是比较缓和，工程上比较容易承受的。既如此，再生混凝土的研究就有了意义，有了可行的现实的依据，这是本次试验的一大收获。这样，再生混凝土的质量就有了保证，工程应用范围与领域就可以比预先的扩展的更大。但是，本试验和工程操作还无法等同，在实际工程中旧集料吸水率很大，工人拌和时为了施工的和易性往往加大量的水，水的增多导致水灰比增大，进而导致抗压强度的大幅下降。3.2 相同替换率下不同水灰比对强度的影响图4 替换率100时不同水灰比对强度的影响图5 替换率为50%的时候不同水灰比对强度的影响图6 替换率为20%的时候不同水灰比对强度的影响由图四，图五，图六，无一例外地可以看出这样的规律：抗压强度随水灰比的提高而降低，而且降低幅度很大。之所以出现这样的现象，我们认为是水泥和集料的粘结强度在其中起了决定作用。集料，哪怕是旧集料的抗压强度也要远远大于混凝土块的抗压强度，原因是集料没有完全发挥出材料强度，在压力作用下，较低的粘结强度使得水泥与集料间首先出现破裂面而破坏，此时集料远未达到抗压强度。而且，水灰比越大，粘结强度越小，试块破坏地越早。观察破坏后的试块，证实了这一点：试块中的集料基本完好，裂缝沿着水泥与集料间的粘结面严重开展。要提高再生混凝土强度，考虑采用高标号的水泥并适当增大水泥用量以提高水泥浆的胶结作用。3.3 采用不同旧集料对强度的影响图7 水灰比0.5时100替换率采用不同旧集料对强度的影响由图七可以明显地看出，所采用的旧集料来源的废旧混凝土的原强度越高，这样的旧集料制作的再生混凝土强度越高，而且增长幅度比较可观。这个再生混凝土试验，所再生的就是废旧集料，旧集料的质量越好，自然再生的效果越好，这是试验前早就一致预见的。在试验中，我们用混合再生粗集料取代原生粗集料。在实际工程中，相关单位应该选择原强度比较高的混凝土集料回收利用。3.4 塌落度从表一中截取塌落度部分作为表三进行分析。表三水灰比替换率旧集料来源塌落度/cm0.420C30混凝土4.5501.510020.51003.50.6201450111009.70.50C50混凝土7.51003塌落度总体来说呈现这样的规律：（1） 当水灰比一定时，塌落度随着替换率的增加而变小。（2） 当替换率一定时，塌落度随着水灰比的增加而变大。水灰比的加大，主要是水的增多，自然要引起塌落度的增加；而水灰比一定时，替换率的增加则意味着旧集料的增多，而再生集料混凝土比天然集料混凝土需要更多的拌和水，导致了需要更多的拌和水，才带来了塌落度变大的结果4. 结论通过本次试验，可以得出以下几点：(1)其他条件相同，抗压强度随水灰比的增加而降低，而且降低幅度很大。(2)旧集料的替换率越大，抗压强度越低，但降低幅度并不是很大。(3)所采用的旧集料来源的废旧混凝土的原强度越高，则这样的旧集料制作的再生混凝土强度越高，增长幅度比较可观。对于这样的试验结果，主要原因是：(1)再生集料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中包含相当数量的硬化水泥砂浆，再加上水泥石本身孔隙比较大，且在破碎过程中，其内部往往会产生大量的微裂缝， 这又会在一定程度上增大其吸水率，也导致了再生集料混凝土比天然集料混凝土需要更多的拌和水，影响砼混合料的和易性和成型性，最终降低了混凝土试块的抗压强度。(2)水泥和集料的粘结强度在其中起了决定作用。旧集料的抗压强度也要远远大于混凝土块的抗压强度，在压力作用下，较低的粘结强度使得水泥与集料间首先出现破裂面而破坏，此时集料没有完全发挥出材料强度。而且，水灰比越大，粘结强度越小，试块破坏的越早。结果显示：替换率的变化造成的强度降低并不如水灰比变化那么快，如此，再生混凝土的质量就有了保证，工程应用范围与领域就可以比预先的扩展的更大。需要努力的地方就是：选择最优化的水灰比（比较小的，但考虑施工难度与混凝土和易性又不宜太小）；选择原强度比较高的混凝土集料回收利用。但是，本试验和工程具体操作还无法等同，在实际工程中，旧集料吸水率很大，工人拌和时为了施工的和易性往往加大量的水，而水的增多导致水灰比增大，进而导致抗压强度的大幅下降。另外，再生混凝土的耐久性并未得到确切的试验证实，所以不能与原生混凝土等同。因此，再生混凝土的实际应用，还要根据工程项目等级和安全需要，并考虑当地实际旧集料的来源与质量，施工单位与工人的技术操作水平，有目的有范围的应用与推广。5. 建议（1）由于废混凝土块表面粗糙用浆量多需水量大致使再生混凝土强度低， 要提高再生混凝土强度，考虑采用高效减水剂降低水灰比提高再生混凝土强度（2）采用高标号水泥并适当增大水泥用量提高水泥浆胶结作用（3）在实际工程中，拆除混凝土来源复杂， 应该选择原强度比较高的混凝土集料回收利用。再生粗集料再生集料混凝土的配合比设计的性能难以保证均匀，应用时应该适当乘以一个折减系数。（4）根据工程项目等级和安全需要，并考虑当地实际旧集料的来源与质量，采用合理经济的废旧集料替换率。（5）当用再生骨料配制非承重结构的低强度混凝土时， 混凝土的设计强度等级不宜过高。若需配制较高强度等级的混凝土，则应该通过试验以证明其不会影响新拌混凝土的质量。 参考文献【1】 T1C1 汉森 1 利用再生水泥混凝土集料和粉煤灰生产无水泥混凝土J。 Cement and Concrete Research ， VOL120 ， pg355 356 ，1990【2】 水泥混凝土的循环利用J。工程设计CAD与智能建筑，2001(8)【3】 王武祥。 再生水泥混凝土集料的研究J。 水泥混凝土与水泥制品，2001(8)【4】 屈志中。 钢筋水泥混凝土破坏及其利用技术的新动向J。建筑技术，2001(2)【5】 吴中伟，廉慧珍。高性能水泥混凝土M。北京:中国铁道出版社【6】 陈肇元。高强水泥混凝土及其应用M。北京:清华大学出版社【7】 高桥泰一 ，阿部道彦。 废混凝土骨料适用现状与未来J。混凝土工程(日) ，1995 ，33(2) 。【8】 I1B1Topcu and N1F. 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