韓運動，姚松，陳大偉，梁習鋒

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基于實車試驗的高速列車隧道壓力波影響因素

韓運動1, 2，姚松1，陳大偉2，梁習鋒1

(1. 中南大學交通運輸工程學院軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司國家高速動車組總成工程技術(shù)研究中心，山東青島，266111)

搭建列車空氣動力學在線實車高精測試平臺，對列車通過隧道及隧道交會工況下的壓力波特性進行實車測試；探究運行速度、隧道長度、阻塞比、編組長度、交會位置等因素對隧道壓力波的影響規(guī)律；根據(jù)隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波在隧道內(nèi)傳播、反射、疊加的原理，推導出隧道通過及隧道交會工況下，最不利單線隧道長度、最不利雙線隧道長度、最不利交會位置、最不利編組長度等計算公式。研究結(jié)果表明：車體表面壓力變化幅值與列車速度的平方成正比；車內(nèi)壓力幅值與列車速度的次方成正比，的范圍為1.3~1.8，隨著隧道長度的變化而變化；研究結(jié)果可為高速列車在隧道內(nèi)運行時的安全性指標提供了壓力波評判依據(jù)。

高速列車；隧道交會；隧道；壓力波

列車高速通過隧道引起的空氣動力效應(壓力波、附加阻力、列車風、微氣壓波等)對列車運行的安全性和經(jīng)濟性、旅客乘坐的舒適性和隧道斷面設計參數(shù)、洞口周圍環(huán)境均有較大影響，是高速鐵路隧道設計中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[1?5]。自20世紀60年代日本新干線投入運行后，日本和西歐一些國家相繼圍繞列車高速通過隧道問題開展了一系列研究[6?7]，建立了一維、三維計算模型，并進行了大量的現(xiàn)場試驗。研究結(jié)果表明，影響隧道空氣動力效應的因素主要如下：1) 列車方面，有運行速度、橫截面積、車頭和車尾形狀、編組長度及車輛的氣密性等。2) 隧道方面，有隧道有效凈空面積、隧道斷面形狀、隧道長度、復線間距、隧道坡度、線路曲線半徑、隧道壁面粗糙度及輔助結(jié)構(gòu)物形式(隧道口緩沖結(jié)構(gòu)、通風通道、隔墻、道床類型)等。3) 其他方面，有列車在復線隧道中交會及相對運行列車各自進入隧道口的時間差等。多種因素交織在一起，使隧道空氣動力效應的研究遠比明線空氣動力問題復雜[8?10]。我國鐵路自“八五”期間開始重視隧道空氣動力方面的問題。運用理論分析、模型試驗、現(xiàn)場測試等手段，開展了一系列研究工作。參考國外相關(guān)標準，結(jié)合研究成果，陸續(xù)確定了我國車輛結(jié)構(gòu)強度、客運專線的單線和雙線隧道的斷面尺寸、客運專線隧道旅客舒適度標準等。目前，雖然我國高速軌道列車研發(fā)使用已走在世界前沿，然而考慮到投入成本以及其他現(xiàn)實問題，軌道高速列車運行相關(guān)的基礎(chǔ)試驗仍舊大量停留在數(shù)值模擬計算與模型試驗方面。BARON等[11?12]對于列車隧道壓力波的研究主要集中于數(shù)值模擬計算和模型試驗相結(jié)合的方式，與列車實際線路運行狀況還有一定的差距。何德華 等[13]同樣是基于實車試驗的隧道壓力波影響特性研究，但研究內(nèi)容主要是針對隧道壓力波影響因素的理論分析，對于隧道壓力波的量化即計算方法的研究并未涉及，工程指導意義不足。鑒于我國國土廣闊，東西經(jīng)度所跨范圍極大，我國高速列車實際運行所面臨的問題，主要是因國土遼闊導致的路網(wǎng)規(guī)模大，覆蓋地域廣，地理結(jié)構(gòu)復雜，地質(zhì)情況因地而異，氣候，尤其是特殊地區(qū)的氣候詭譎多變。由于高速軌道列車的平穩(wěn)運行受外界環(huán)境影響十分顯著，因此，在我國對復雜環(huán)境下高速運行的軌道列車進行空氣動力學分析和實車運行測試試驗尤為重要。列車空氣動力學在線實車試驗是在實際線路上對實際運行列車進行空氣動力特性測試的試驗。實車試驗能反映實際列車在線路上運行的情況，獲得真實環(huán)境下列車空氣動力特性規(guī)律，是研究空氣動力效應的重要手段，其結(jié)果能真實反映列車運行時的空氣動力性能，可為檢驗其他模擬實驗和數(shù)值模擬計算的準確性提供依據(jù)，實車測試試驗所獲得的結(jié)果可靠度與真實性是數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果無法比擬的。世界高速鐵路發(fā)達國家均非常重視列車空氣動力學實車試驗，我國作為高速列車技術(shù)迅速發(fā)展的國家，考慮到復雜多變的環(huán)境的影響和巨大的客流量需求，系統(tǒng)地進行列車空氣動力學實車測試試驗迫在眉睫。但是，實車試驗現(xiàn)場環(huán)境復雜，可利用空間受到限制，干擾源多且不確定，測點多且相對分散，測試難度大，要求實車測試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、抗干擾能力強、可擴展性強以及參數(shù)調(diào)整方便靈活等特點[14?16]。本文作者通過集成實車測試所需的硬件設施和配套的軟件評估系統(tǒng)，搭建列車空氣動力學實車測試平臺，對列車通過隧道及隧道內(nèi)交會時的隧道空氣動力學效應進行實車測試研究，探究運行速度、隧道長度、阻塞比、交會位置、編組長度等因素對列車隧道壓力波的影響規(guī)律，隧道通過及隧道交會工況下，最不利單線、雙線隧道長度、最不利交會位置、最不利編組長度等計算公式，以便為計算考核高速列車隧道壓力波提供指導。

1 實車測試方法

1.1 測試系統(tǒng)

車載測試系統(tǒng)主要是測量列車通過隧道時車內(nèi)、外空氣壓力變化。實車動態(tài)壓力測試系統(tǒng)由動態(tài)壓力傳感器、多通道放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機及相應的分析軟件組成，如圖1所示。該系統(tǒng)以計算機為中心，在軟件的支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對多個測點、多種隨時間變化的參量(主要是瞬態(tài)壓力信號)進行動態(tài)在線實時測量，并能快速進行信號分析處理，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)測量結(jié)果的高準確度和具有對被測信號的高分辨能力。

圖1 實車試驗動態(tài)壓力測試系統(tǒng)

考慮到高速列車空氣動力學實車測試的特點和環(huán)境要求等，IMC提供了CRONOS?SL4堅固型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。IMC CRONOS?SL4是一款高度緊湊、堅固結(jié)實的機動測量系統(tǒng)，符合溫度、振動、環(huán)境指標最為苛刻的美軍標MIL?STD810F，如酷熱、嚴寒、水霧、強振等惡劣的環(huán)境下，可長時間地執(zhí)行外場測試或車載試驗測試。

傳感器的選擇應以測量精度高、對流場影響小為原則。本試驗選擇美國Kulite LL?250壓阻式傳感器。傳感器的技術(shù)參數(shù)見圖2。該傳感器安裝方便，可以用雙面膠布直接貼附于列車表面，周圍用膠帶加固。

圖2 Kulite LL-250壓力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 測點布置

試驗中各動車組測點布置基本相同，均布置在前4節(jié)車上，車體表面共布置20個測點；車內(nèi)共布置12個測點。測點示意圖如圖3所示。

圖3 動車組測點布置圖

1.3 試驗重復性分析

為分析系統(tǒng)的可靠性，對同一個速度級下車外13號測點的多次測試結(jié)果進行重復性分析。下面以動車組250 km/h通過南小坪隧道為例，對動車組車內(nèi)外的數(shù)據(jù)進行分析，表1所示為其測試結(jié)果，圖4所示為測試波形。從測試結(jié)果可知：重復性誤差在2%以下。對其他測試結(jié)果進行分析，重復性誤差也在2%以下，可以認為本次試驗采用的測試系統(tǒng)具有較高的可靠性，測試結(jié)果重復性較好，后面不再進行重復性分析。

表1 動車組250 km/h通過南小坪隧道重復性測量結(jié)果

1—第1次測試結(jié)果；2—第2次測試結(jié)果。

2 隧道通過壓力波影響分析

2.1 運行速度的影響

對2列動車組以不同速度通過石太客運專線沿線隧道時進行了實車測試。其中太行山隧道為雙洞單線隧道，而其他隧道都是單洞雙線隧道，由于太行山隧道海拔高度差較大(394 m)，實車測試中車內(nèi)、外壓力變化幅值除了由于列車通過隧道引起的空氣壓力變化之外，還包含了因海拔高度差而引起的壓力變化。0為數(shù)據(jù)加密的固定常數(shù)。

圖5所示為動車組以不同速度通過隧道時，車體表面壓力幅值與列車運行速度的關(guān)系曲線。由圖6可以看出：動車組通過合武鐵路、石太客運專線雙線隧道時，車體表面壓力變化幅值與列車速度的平方成正比，可以表示為

圖6所示為本次試驗時動車組通過隧道時的條件系數(shù)與隧道長度的關(guān)系曲線。其條件系數(shù)可以表示為

式中：TU為隧道長度。

2.2 隧道長度的影響

為研究隧道長度對車內(nèi)外壓力變化的影響，對動車組以250 km/h過隧道長度為72~13 256 m的單洞雙線隧道進行分析。圖7所示為動車組以250 km/h通過不同長度單洞雙線隧道時，車體表面及車內(nèi)部測點壓力變化幅值與隧道長度的關(guān)系曲線。由圖7可知：當動車組以250 km/h通過不同長度、截面積為92.09 m2的隧道時，車體表面壓力變化幅值在列車過松陽寨隧道(長度為3 478 m)時達到最大；小于該隧道長度時，隨著隧道長度增加，壓力變化幅值迅速增大；超過該隧道長度后，隨著隧道長度增加，壓力變化幅值下降，下降趨勢較為平緩。

對于車廂內(nèi)部壓力測點，最大壓力變化幅值在列車通過紅石埂隧道(長度為5 111 m)時達到最大。當列車通過的隧道長度小于棋堂坳隧道(長度為17 03 m)時，隨著隧道長度增加，車內(nèi)壓力變化幅值迅速增加；當列車通過的隧道長度介于棋堂坳與紅石埂隧道之間(1 703~5 111 m)時，隨著隧道長度增加，車內(nèi)壓力變化幅值緩慢增加；當列車通過的隧道長度大于紅石埂隧道時，隨著隧道長度增加，車內(nèi)壓力變化幅值緩慢減小。

(a) 紅石埂隧道(隧道長度5 111 m)；(b) 松陽寨隧道(隧道長度3 478 m)；(c) 棋堂坳隧道(隧道長度1 703 m)；(d)鷹嘴石隧道(隧道長度1 080 m)；(e) 尹灣隧道(隧道長度471 m)；(f) 碧綠河隧道(隧道長度212 m)

圖6 動車組通過合武、石太隧道時，條件系數(shù)與隧道長度的關(guān)系

(a) 車外壓力；(b) 車內(nèi)壓力

由于大別山、金寨、太行山等特長隧道縱斷面不在1個水平面內(nèi)，海拔高差較大，實車測試中車內(nèi)、外壓力變化幅值包含了因海拔高度差而引起的壓力變化，為消除海拔高度引起的壓力變化，選取某一短時間段內(nèi)的壓力變化來分析列車通過不同長度隧道引起的隧道空氣動力效應更合適。根據(jù)列車通過隧道時的人體舒適性評價標準，選取3 s時間段的車內(nèi)壓力變化進行分析。

圖8所示為3 s壓力變化隨著隧道長度的變化曲線。從圖8可知：車內(nèi)3 s壓力變化在列車通過鷹嘴石隧道(長度為1 080 m)時達到最大；小于該長度時，隨著隧道長度增加，3 s壓力變化迅速增大；超過該長度后，隨著隧道長度增加，3 s壓力變化逐漸下降。

圖8 車內(nèi)3 s壓力變化與隧道的關(guān)系

動車組以250 km/h通過不同長度隧道的壓力變化走勢說明，在隧道入口形成的壓縮波、膨脹波，在隧道內(nèi)以音速傳播和來回反射的周期，與隧道長度密切相關(guān)。對于短隧道，由于壓縮波在隧道內(nèi)生成的壓力還未達到最大值時即受到了返回的膨脹波影響而使壓力下降；當隧道長度超過壓力轉(zhuǎn)折點后，隨著隧道長度的增加，壓縮波、膨脹波傳播及來回反射的周期隨之增長，由于波在傳播及反射過程中的能量會衰減，隧道愈長，能量衰減愈多，從而導致長隧道的空氣壓力變化幅值減小。

國內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，列車高速通過隧道存在一個最不利隧道長度。圖9分別為動車組(車長201.4 m)以200 km/h和250 km/h通過不同長度、斷面積為92.09 m2的雙線隧道，車體表面測點壓力變化幅值隨隧道長度變化曲線。

從圖9可以看出：列車以不同速度通過隧道的壓力變化走勢基本相同，這一現(xiàn)象說明，在隧道入口形成的壓縮波、膨脹波，在隧道內(nèi)以音速傳播和來回反射的周期，與隧道長度直接相關(guān)。對于短隧道，由于壓縮波在隧道內(nèi)生成的壓力還未達到最大值時即受到了返回的膨脹波影響而使壓力下降；當隧道長度超過壓力轉(zhuǎn)折點后，隨著隧道長度增加，壓縮波、膨脹波傳播及來回反射的周期隨之增長，由于波在傳播及反射過程中的能量會衰減，隧道愈長，能量衰減愈多，從而導致長隧道的空氣壓力變化幅值減小。

根據(jù)隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波在隧道內(nèi)傳播、反射、疊加的原理，推導出單列車高速通過隧道時最不利隧道長度的計算公式：

式中：TR為列車編組長度，a為馬赫數(shù)(，為音速)。

2.3 阻塞比的影響

隧道橫截面積主要以阻塞比的形式表現(xiàn)出對隧道內(nèi)壓力變化的影響[17]。隧道阻塞比為通過隧道的列車橫截面積與隧道橫截面積之比，即。國內(nèi)外大量研究表明[18?22]，阻塞比對隧道內(nèi)壓力變化有顯著影響。為分析阻塞比對單列車通過隧道車體表面壓力變化幅值的影響，下面將遂渝線測試結(jié)果與合武鐵路及石太客運專線測試結(jié)果進行比較分析。

列車速度/(km?h?1)：(a) 200; (b) 250

遂渝線單線隧道阻塞比為

遂渝線雙線隧道阻塞比為

合武鐵路、石太客運專線雙線隧道阻塞比為

式中：tr為列車截面積，m2；tu為隧道截面積，m2。

表2給出了動車組以不同速度通過遂渝線單線隧道和合武鐵路、石太客運專線雙線隧道時，車外壓力變化幅值情況。由表2可以看出：在隧道長度相差不大的情況下，動車組以200 km/h通過鷹嘴石或觀音堂隧道，車體表面壓力變化幅值在0.5290左右；而動車組以相同速度通過松林堡隧道，車體表面壓力變化幅值達到1.1030，車體表面壓力幅值增大了近1倍。對測試結(jié)果擬合可以得到：動車組同一速度等級通過不同斷面隧道所產(chǎn)生的車外壓力變化幅值近似與隧道阻塞比呈線性關(guān)系。

表2 動車組通過不同阻塞比隧道時車外壓力變化幅值

3 隧道交會壓力波影響因素分析

兩相對運行列車在隧道內(nèi)交會時，由于列車周圍空氣受到隧道壁面制約，不像在明線交會時空氣沖擊波能及時擴散開，故隧道內(nèi)列車交會產(chǎn)生的壓力變化幅值比明線交會的大。列車在隧道內(nèi)交會時產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對行車安全、旅客舒適性、隧道內(nèi)輔助設施均產(chǎn)生嚴重影響。隨著列車速度的提高，因列車在隧道內(nèi)交會引起的空氣動力學問題更為突出。

兩動車組隧道內(nèi)交會時的情況非常復雜，影響因素較多，壓力波傳播和相互疊加不僅與隧道長度、列車編組長度有關(guān)，而且與兩列車進入隧道的速度和時間差(即交會位置)以及車頭的形狀等因素有關(guān)。隧道內(nèi)交會的波形與明線交會有明顯不同，隧道內(nèi)交會時的壓力波波形有時在列車交會瞬間出現(xiàn)1個明顯的波形，有時則不會出現(xiàn)，這主要與列車進入隧道時產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)的傳播情況有關(guān)。對于不同長度的隧道，列車進入隧道的時間不同，波系的傳播情況不同。

3.1 隧道長度的影響

圖10所示為動車組(車長201.4 m)以200和250 km/h在不同長度、斷面積為92.09 m2的雙線隧道內(nèi)交會，且交會位置位于隧道中部時，車體表面測點壓力變化幅值隨隧道長度的變化曲線。

由圖10可以看出：列車在隧道內(nèi)交會，車體表面壓力并非單調(diào)地隨隧道長度增加而加劇，其變化存在幾個拐點，經(jīng)過最后1個變化拐點后，趨于平穩(wěn)。這是由于隧道長度的改變影響對面車進隧道所形成的壓縮波和膨脹波到達測點的時間及列車進入隧道形成的初始壓縮波傳播至隧道出口，并以膨脹波反射回來的時間，從而影響隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波彼此疊加的情況。通過分析可知，車體表面壓力變化幅值隨隧道長度的變化存在3個拐點，分別對應于為0.21，0.34和0.88，這與國外研究結(jié)論基本一致。

根據(jù)隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波及交會壓力波在隧道內(nèi)傳播、反射、疊加的原理[23?24]，推導出兩列車在隧道內(nèi)交會時，最不利雙線隧道長度的計算公式為

將由經(jīng)驗公式得到的列車通過隧道及在隧道內(nèi)交會最不利隧道長度(列車速度分別為200和250 km/h，列車編組長度分別為200和400 m)見表3。從表3可以看出：經(jīng)驗公式和實車測試結(jié)果得到的最大壓力變化幅值對應的隧道長度基本一致。

3.2 列車編組長度的影響

由于列車編組長度不同影響了列車尾部進入隧道形成膨脹波的時間，還影響列車在隧道內(nèi)交會時間的長短，從而影響隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波彼此疊加的情況，因此，列車的編組長度對隧道內(nèi)壓力變化影響也較顯著。圖11所示為不同編組長度列車以250 km/h在斷面積為92.09 m2、長為1 km的雙線隧道內(nèi)交會 時，車體表面測點壓力變化幅值與列車編組長度的關(guān)系曲線。

表3 最不利雙線隧道長度

從圖11可以看出：當列車編組長度在一定范圍內(nèi)，隧道內(nèi)及車上最大壓力變化幅值隨列車編組長度的增加而單調(diào)的增大，說明列車編組長度對隧道內(nèi)壓力變化影響顯著。根據(jù)隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波及交會壓力波在隧道內(nèi)傳播、反射、疊加的原理，推導出2列列車在隧道內(nèi)交會，最危險的列車編組長度公式為

3.3 交會位置的影響

大量研究結(jié)果表明，對于列車在隧道內(nèi)交會的情況，壓力波傳播和相互疊加所產(chǎn)生的最不利情況不僅同隧道長度、列車編組長度有關(guān)，而且同兩列車進入隧道的時間差(即交會位置)有關(guān)。圖12所示為動車組以250 km/h在斷面積為92.09 m2、長為1 000 m的雙線隧道內(nèi)交會時，車體表面測點壓力變化幅值與交會位置的關(guān)系曲線。從圖12可以看出：由于列車交會位置不同，即對面車進入隧道的時間不同，將影響對面車進隧道產(chǎn)生的壓縮波與隧道內(nèi)原有的馬赫波疊加情況，交會位置在0.40時列車交會壓力波變化幅值最小，這是2列列車在隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓縮波與膨脹波壓力波疊加抵消所致。

2列列車在隧道內(nèi)等速交會時，存在2個最不利的交會位置，可以由下式表示：

式中：max為最不利隧道長度TU為隧道長度。

圖12 車體表面壓力變化幅值與交會位置的關(guān)系

Fig. 12 Relationship between pressure amplitude and position of intersection

盡管列車在隧道中最不利位置處交會的情況發(fā)生概率較低，但從醫(yī)學角度出發(fā)，為保證旅客和司乘人員的健康，在計算壓力波動最大幅值時仍然要考慮這種小概率的情況，同時應該考慮這種極端情況下壓力波動對列車車體的結(jié)構(gòu)和車廂內(nèi)部環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)及照明燈具等附屬設施帶來的不利影響。

根據(jù)合武鐵路、石太客運專線隧道空氣動力效應測試結(jié)果及經(jīng)驗式(2)和(4)，可以得到列車在隧道內(nèi)交會最不利隧道長度及最不利交會位置距隧道口的距離，見表4。表中結(jié)果與測試結(jié)果也基本一致。

表4 兩列動車組交會時最不利雙線隧道長度及交會位置

4 結(jié)論

1) 車體表面壓力變化幅值與列車速度的平方成正比；車內(nèi)壓力幅值與列車速度的次方成正比，的范圍為1.3~1.8，隨著隧道長度的變化而變化。在已知列車運行速度、阻塞比和隧道長度的條件下，可以通過如下公式求得車體表面壓力變化幅值：。

2) 列車在隧道內(nèi)等速交會，存在2個最不利的交會位置，分別位于0.5TU處(即隧道中部)和0.33TU(隧道1/3)處。

3) 隧道內(nèi)及車上最大壓力變化幅值隨著列車編組長度的增加而單調(diào)的增大。根據(jù)隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波在隧道內(nèi)傳播、反射、疊加的原理，可推導出單列車通過隧道以及2列列車在隧道內(nèi)交會時，最不利單、雙線隧道長度以及最危險的列車編組長度的計算公式，隧道壓力波的量化對于列車運行安全評估、車輛和隧道設計等都有非常重要的意義。

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(編輯 陳愛華)

Influential factors of tunnel pressure wave on high-speed train by real vehicle test

HAN Yundong1, 2, YAO Song1, CHEN Dawei2, LIANG Xifeng1

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Research Center for High-speed EMU, CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

A real train online high-precision test platform for the train aerodynamics was built and real train tests on pressure waves generated by a train passing through a tunnel and by two trains meeting in the tunnel were performed. The influence of the running speed, tunnel length, blockage ratio, train marshalling, meeting location and other factors on the tunnel pressure wave was explored. According to the compression wave inside the tunnel, the expansion wave propagation in tunnel, reflection, the principle of superposition, formulas to calculate the most unfavorable single-track and double-track tunnel length, the most unfavorable meeting locations, the most unfavorable train marshalling length etc., were derived. The results show that the car body surface pressure amplitude is proportional to the square of the train speed. Interior pressure amplitude and train speed are in the direct ratio of, andis the range of 1.3?1.8, andvaries as the tunnel length. It provides a guidance to calculate and assess of the high-speed train tunnel pressure waves. The research results can provide the pressure wave evaluation basis for the safety of high-speed train running in the tunnel.

high-speed train; tunnel intersection; tunnel; pressure wave

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.037

U270.14

A

1672?7207(2017)05?1404?09

2016?07?19；

2016?09?01

國家自然科學基金資助項目(U1134250, 51405517) (Projects(U1134250, 51405517) supported by the National Natural Science Foundation of China)

姚松，博士，副教授，從事軌道交通安全研究；E-mail: 283191143@qq.com