2021年中青杯B题 港珠澳大桥桥梁设计与安全策略思路

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2021年第四届“中青杯” A题 汽车组装车间流水线物料配送问题思路：

背景：已知大桥全程55公里，需要建设两座面积各十万平米的人工岛和一条6.7公里的海底沉管隧道，实现桥梁与隧道的转换。

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问题一：

**考虑各地的习惯和传统（港澳开车靠左行驶而内地靠右行驶），通过转向立交桥实现双方车辆在交通习惯上的自然过渡，请您对汽车（总重量范围：1000kg—3000kg，下同）在转向立交桥弯道处的行驶速度进行建模，并给出在弯道处的汽车最大安全行驶速度。

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思路：

**该问是一个偏物理模型的计算，车辆给了质量范围，也就是普通的轿车重量，通过百度搜索大桥在转向立交桥的简单示意图。（第一问开头一定要开好）

当风向与驾驶方向不完全平行的时候，这种风被称作具有侧风分量，意思是这种风可以分成两个部分，一个侧风，和一个顺风。侧风是指与某一方向或行进方向有正交分量的风，总结就是车辆行驶过程中会产生侧风。所以在做的时候应该先获得弯道角度，半径等参数，若没有查到半径这些参数，可以通过现有文献的物理模型，引入侧风的影响因素，考虑双方能在弯道处自然过渡，不会产生打滑、侧翻和碰撞等一系列事故的边界条件，建立不同半径下车道转弯时的最大安全速度，通过Matlab编程计算在转弯时的最大安全速度。（程序代码已完成https://mianbaoduo.com/o/works/147389）
解题过程：
（1）建立模型（文献资料中的物理模型）
（2）程序实现（代码已完成，根据物理模型建立）
（3）结果分析，程序可算所有弯道半径下的最大安全速度，取这些值中的最小值，是在整条路段行车的安全行驶速度。当然，在论文中应该说明，不同弯道应该有自己的最大安全速度，不能超过，但也不能太低，太低会影响道路通行能力，发生前后追尾等事故。
代码详细使用方法在代码文件的注释中，通俗易懂；
为避免大家雷同，大家应自己设置参数；
最后计算结果应在国家对弯道转弯处的安全速度左右

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问题二

：**假定最大台风不超过16级，汽车最大行驶速度是100km/h。考虑不同风向的台风天气情况下，请您给出在整座大桥主体上汽车最大安全行驶速度和台风级数的关系。（程序代码已完成）

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思路

：**这一道题物理模型参考第一问，模型公式一样的在文献中，多搜索文献，找到你认为最适合的公式（程序中使用的是我找的，模型公式算出的数据相差都不大）要求给出在大桥主体上最大安全行驶速度和台风等级的关系，通过上述物理模型，我在这里使用BP网络拟合出了风速与车速之间的关系。
然后是在模型中引入了台风的影响因素，分别计算不同台风等级下的汽车最大行驶速度，可每一级台风算一次或者每二级台风算一次。结果呈现状态应该是随着台风从0级开始增长，最大行驶速度应缓慢平缓下降，台风到了一定等级时（比如5级小树摇晃），最大行驶速度应该下降较快，到了10级及以上，最大行驶速度应该降为0（禁止通行）。求出最大行驶速度和台风等级的函数关系式，绘制图形。我在这里是建立了神经网络模型，横坐标是台风等级，纵坐标是车辆行驶速度，根据模型得出的结果是随着台风等级，车辆行驶速度下降，但是与现实相违背，故模型结果只是一个对比，一个参考，根据前面模型做的，风速与车速之间的关系，结合车辆情况，静止车辆能承受12级台风，故在12级台风的风速（34m/s左右）之前，车辆行驶速度无限制。但现实 生活中，政府不可能让车辆在那么大的台风下行驶，故通过神经网络做出来的“随台风等级增加，最大安全行驶速度”有一定参考作用，从你认为多少级台风开始，就要禁止通行（比如8级，7级都可以）。总结就是神经网络模型是理想状态，现实生活受政策影响，这道题应该两者相结合来说明，既表明了你模型的准确性，也能给现实中提出一定的参考。

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问题三：

**假定大桥主体工程全线设计通行最大速度为100km/h,考虑汽车安全通行、气候情况、交通事故处理、交通控制等因素，对港珠澳大桥的通行能力进行建模。并在最大通行能力下（不考虑交通事故出现），给出机动车通过大桥的时长。

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思路：

**做第三问的时候最好假设不出现冰雹、大雪天气等自然灾害（想要做得更好也可以参与讨论）；根据以上汽车安全通行、气候情况、交通事故处理、交通控制4各因素，可再引入两三个因素，由于这种因素是无数据可查询的，只能通过一个主观评价方法，层次分析法结合模糊评价是一个不错的结合方法（另外就是重点在一二问，把一二问做好），建立元胞自动机中的NaSch模型，分析出道路通行能力，设定参数（最大速度为多少，我设置的10m/s，你可以自己更改，建议每个同学自己设置），可以得出车流量和密度的关系图，分析出通行能力的区间状态，从而可获得最大通行能力，计算出机动车通过时长；进一步扩展可以加入最小通行能力时候的通过时长。最后计算结果应是一个区间范围。