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科学研究

Scientific Research

董德存教授课题组
主要成员:董德存教授、张雷教授、欧冬秀教授、黄世泽副教授、施莉娟副研究员
研究方向:轨道交通控制与调度、轨道交通运维与安全、可信计算与智能网联
研究内容:研究团队以信息物理融合系统(CPS)、空间信息技术、人工智能以及智能网联交通为理论基础和技术手段,围绕“交通强国”发展战略,针对轨道交通为核心的城市多模交通应用研究,注重创新理论发现、关键技术体系构建和应用解决方案设计,实现智能网联与高可信应用为导向的交通工程实践。团队在“人工智能+交通”构架下,支撑建设交通运输工程一流学科基地,打造省部级重点实验室,形成在高速铁路、磁悬浮、城市轨道、有轨电车等领域的产学研合作模式,协同发展国家应用工程示范。
主要成员简介

 

董德存教授

董德存,教授、博士生导师,加州大学伯克利分校访问学者,上海铁道学会会员、IEEE会员、中国通信学会高级会员、上海通信学会理事、上海市物流协会理事、曾任教育部轨道运输与工程教学指导分委员会副主任、铁道部青年科技拔尖人才、享受政府特殊津贴。研究方向:轨道交通信号与控制。主持和参加国家863、科技支撑计划、上海市科技攻关课题和重点课题,发表论文100余篇,其中SCI、EI论文20余篇,获发明专利3项,获宝钢奖、教育部科技进步二等奖1项、上海市科技进步一等奖1项、三等奖2项。

张雷教授

张雷,教授,博士生导师,上海市铁路智能调度指挥系统工程研究中心副主任,上海自主智能无人系统科学中心可信人工智能研究所副所长。中国人工智能学会高级会员、中国计算机学会高级会员、IEEE会员。曾在香港中文大学、圣彼得堡彼得大帝理工大学学术访问。主持或参与国家和地方各类研究与应用项目20余项,发表学术论文近80篇,授权发明专利近20项,出版著作4部,获省部级奖项3项。目前正主持或参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科委项目、金砖国家科技和创新框架计划(BRICS STI Framework Programme)俄罗斯项目中方课题等多项。

欧冬秀教授

欧冬秀,教授、博士生导师,综合交通信息与控制工程系副主任,上海市铁路智能调度指挥系统工程研究中心技术委员,自动化类及轨道交通运输与工程教学指导分委会轨道交通信号与控制教学指导组委员。2002年香港城市大学/2007年苏黎世联邦工业大学访问学者,研究方向为轨道交通控制与安全。正主持完成十三五先进轨道交通重大专项“轨道交通系统安全保障技术”子任务及上海市科委项目1项,参与完成多项。曾主持国家自然基金1项,参与国家863及支撑计划、省部级课题20余项,获“上海市优秀青年教师”。主编教材4本,其中国家规划教材1本。获上海市科技进步一等奖1项,二等奖1项,三等奖2项。

黄世泽副教授

黄世泽,男,1983年6月生,工学博士,副教授,博士生导师(交通信息工程及控制)。中共浙江省乐清市政协委员,同济大学交通运输工程学院教学中心副主任,同济大学交通科学与技术研究院院长助理,教工第五支部(综合交通信息与控制工程系)支部书记。兼任上海市公路学会科普工作委员会秘书长,上海市公路学会青年专家委员会委员,中国土木工程学会轨道交通分会青年专家委员会委员,同济大学名课优师。先后获得同济大学青年教师讲课竞赛二等奖(2018)、第二届卓越大学联盟高校青年教师教学创新大赛二等奖(2018)、中国路桥奖励金(2018)、同济大学优秀班主任(2018)、同济大学教师教学创新大赛一等奖(2020);指导学生获得13届全国大学生交通科技大赛一等奖,第二届中国城市轨道交通创新创业大赛全国总决赛三等奖;所主讲课程先后获得上海市课程思政领航课程(2019)、上海市重点课程(2020)、智慧树双一流高校在线课程TOP100(2020)、同济大学名课优师课程(2019)。主要研究方向为交通信息可信感知:研究基于深度学习的轨道交通装备状态感知方法、研究对抗样本攻击与防御方法及其在交通信息可信感知中的应用、研究区块链技术在交通领域的应用。目前正主持国家自然科学基金、国家重点研发计划以及四川省科技重大专项。科学出版社出版专著3本,授权发明专利26项,发表SCI论文16篇,EI论文30余篇。

施莉娟副研究员

施莉娟,女,副研究员,同济大学交通运输规划与管理专业博士,轨道交通运输自动化与控制专业硕士,硕士生导师。研究方向为轨道交通信号与控制、安全与可靠性理论、智能运维及安全运营保障、智慧交通。2008年美国威斯康辛大学麦迪逊分校土木学院访问学者。2019年度合作主持上海市“科技创新行动计划”-“面向全生命周期的有轨电车运营调度管理系统的研发”,2018年主持科技部十三五先进轨道交通专项“铁路网运营综合保障技术”二级课题的路网运营风险分析与动态调控理论研究,2017年主持完成了交通运输部重点项目长三角“区域交通信息资源一体化服务”子课题。曾全面参与并部分主持了上海市智能交通系统信息化规划及标准的编制,如制定上海市ETC标准,上海市综合交通信息平台的设计、浙江省综合交通信息化标准体系、嘉兴智慧交通标准等相关研究。曾获上海市科技进步一等奖1项,授权发明专利2项,软著3项,发表SCI、EI等学术论文20多篇,待出版专著1本。

 

学术指导:何积丰院士,薛永琪院士

何积丰院士

何积丰,中国计算机专家,中国科学院院士。2019年聘为同济大学特聘教授。2020年5月,依托同济大学领衔的“智能科学与技术”上海市高峰学科,创建“可信人工智能研究所”,聚焦可信人工智能基础理论、共性技术与算法应用,特别是针对人工智能系统与算法的可信安全关键问题,研究人工智能与机器学习的鲁棒性、不确定性、可解释性、公平性等关键理论,研究多智能体协同智能算法与系统关键技术,研究可信智能算法、软件、芯片以及分布式联邦可信计算平台,研究以智能网联车为落地场景的可信人工智能技术应用,推进人工智能在智慧交通、智慧医疗、金融科技等领域的应用,促进基础研究与创新创业深度融合,助力最新智能技术的成果转化。

薛永祺院士

薛永祺,中国光电信息专家,中国科学院院士。2015年12月被聘为同济大学信控系兼职教授。从事多光谱和成像光谱技术研究,为我国建立机载实用遥感系统提供了多种先进的遥感手段,并推动了我国遥感技术的应用。先后研制成功多光谱扫描仪、成像光谱仪、超光谱成像仪。在航空遥感器应用于水文、地质、考古、环境污染监测等方面取得显著效果。开拓三维成像遥感新技术,提出将扫描光谱成像和激光扫描测距一体化,实现无地面控制点快速生成数字地面高程模型和地学编码图像,特别适用于滩涂、沙漠、草原、岛屿等交通困难地域。

代表性成果

1)轨道交通网络化关键设备互联及嵌入式系统

轨道交通的快速发展,从“单线”运营变为“网络”运营,一条线甚至一个站的故障都可能影响其他线路的正常运营,催生了关键设备网络化互联交互信息的需求。轨道交通网络化运营和整体管理可以提高运营效率和安全,但是面临设备技术多种制式并存、线路间设备和子系统信息不能互联共享、标准多样、技术壁垒等难题。本成果面向我国城市轨道交通网络化关键设备所存在的主要问题,结合现场实际需求和理论研究,研发了轨道交通网络化关键设备互联及嵌入式系统,主要科技成果包括:(1) 轨道交通多线路跨域的层叠式网络架构设计、(2) 轨道交通专用的高安全实时操作系统、 (3) 微秒级高精度信息采集传输相关设备、(4) 基于自主实时嵌入式操作系统的安全计算机平台、(5) 轨道交通信息内容安全保证机制技术、(6) 多项国家标准与企业标准的制定工作。成果在大铁、城市轨道交通、有轨电车中得到广泛应用,累计产生经济效益超10亿元,获2014年度上海市科技进步一等奖。

图1

2)轨道交通关键设备状态监测与故障诊断

当前我们轨道交通领域正在由大规模的建设转向超大规模轨道交通网络的运营维护。轨道交通关键设备的安全是确保整个交通网络安全的前提。在国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助下,针对轨道交通的道岔等关键的信号设备、弓网系统等关键的供电设备,围绕着设备的状态监测与故障诊断,开展了深入研究,取得了一系列创新成果:

1)提出了基于相似度的道岔诊断方法:充分利用道岔微机检测系统获得的道岔动作曲线,深入分析道岔的故障机理,建立了道岔典型故障的曲线模板。提出了基于相似度的道岔故障诊断方法,大幅度提高了诊断的准确性和效率。方法进一步运用到了电源屏、信号机等其他信号设备的故障诊断上,取得了良好的效果。

2)研发了基于可见光的弓网电弧识别方法:针对和谐号动车组的弓网电弧识别问题,充分利用和谐号装在的弓网视频系统,创造性的提出了基于深度学习视频的列车运行环境的方法然后基于每一环境段,基于卷积神经网络实现了对每一帧图像的分类,并构建了基于分类的弓网视频连续时间序列,从而实现了对弓网电弧的精准识别,大幅度提升了弓网电弧的诊断准确性。

3)研发了基于可见光和红外视频融合的弓网电弧识别方法:针对复兴号动车组的弓网电弧识别问题,充分利用复兴号装载的可见光视频和红外视频,分别提取可见光图像特征和红外图像特征,基于特征级的信息融合,实现了对弓网电弧的精准辨识。

4)提出了道岔故障全生命周期预测方法:充分利用道岔微机检测系统的历史数据,通过对每一次道岔曲线的特征提取。基于大数据自学习的特征的预测,提出了基于特征的曲线重构方法。运用道岔曲线的故障诊断技术,实现了对道岔全生命周期的预测。

图2

本成果有效提升了轨道交通关键设备的安全性及可靠性。以上述成果为依托,累计申请/授权发明专利10项;发表SCI论文7篇;获国家自然科学基金项目资助1项;获国家重点研发计划2项。项目成果已经通过部分企业的微监控系统产品,在京沪高铁等轨道交通领域取得了应用。

3)轨道交通安全保障与风险防控

针对关键信号设备这一轨道交通基础设施,研究复杂恶劣运营环境下基础设施与设备服役性能演变规律、故障诊断、状态估计、风险评估等共性基础问题,建立关键信号设备安全服役状态模型,形成信号设备服役状态综合感知和安全分析理论,为保障复杂恶劣环境中服役的轨道交通系统安全提供理论支撑与基础。

从人、设备、环境、管理等方面建立路网运行全局安全风险点集,研究路网风险因素关联模糊测度方法,建立基于路网运行安全的网络模型,提出路网运营风险因素、测量指标及其辨识方法,实现对路网安全状态动态预测、评价与控制。研究列车运行与维修一体化优化模型构建与智能求解算法,形成基于风险预警的列车运行与运维协同优化方法,为路网运营状态与系统风险分析、预测、评估和管控及主动安全保障提供理论与方法基础。

(4) 有轨电车车路协同控制及智能调度

通过对实际有轨电车线路运行问题研究,以现有系统技术方案为背景,构建了有轨电车车速引导控制模型,并在有轨电车网络中多线路交汇情况下,构建一种面向复杂交叉口有轨电车优先冲突的协调控制方法。同时对行车组织优化及智能调度问题开展了深入研究,取得了一系列创新成果:

1构建有轨电车车速引导控制模型,提出对应实现方法。在车载信息系统内增加车速引导模块,通过提供建议车速以提高有轨电车在交叉口通过率。成果应用于半独立路权的有轨电车线路,减少有轨电车在交叉口区域的停车延误,提高有轨电车全线运行效率。

2在有轨电车网络多线路交汇情况下,以交叉口有轨电车效益最大化为目标,构建一种面向复杂交叉口有轨电车优先冲突的协调控制方法。在路口信号控制系统内增加申请决策模块,对有轨电车的进路申请和优先申请进行协调优化。项目可应用于多条线路交汇的有轨电车交通网路,解决多线路有轨电车在交汇的交叉口优先请求冲突、联锁安全问题,保证多线路有轨电车交通网络的安全和高效。

图3

 

以上述成果为依托,申请/授权发明专利2项;指导硕士学位论文6篇;发表SCI/EI论文10篇;获上海市科技委员会项目资助1项;获得城市轨道交通创新创业大赛二等奖。项目成果已经通过深圳龙华有轨电车有限公司和卡斯柯信号有限公司等企业技术研发深圳市龙华区、成都有轨电车领域取得了应用。


 

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