DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 随着科技的快速发展，电子、医学治疗、生物还有材料等方面都需要更为轻便、高效、小型化、多功能、高品质的激光仪器设备。目前常见的激光器的波长为红外和可见光，传统的激光工具、工艺和技术存在效率低、操作复杂、成本高、范围受限、损耗严重、精确度低等问题。近几十年来紫外激光器被科学家们反复研究突破，是因为其具有相对高的相干性，更加便捷、稳定可靠、成本低、可调谐、小型、效率高、精度高还有实用化等特点。
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user: 2. 紫外激光器 紫外激光器主要分为气体紫外激光器和固体紫外固体激光器。工作介质在泵浦源的作用下通过吸收外界的能量达到激发态，经过粒子数反转增益大于损耗，对光进行放大，部分被放大的光反馈继续激励从而在谐振腔内产生振荡产生激光。气体介质主要是利用脉冲或者电子束放电，通过电子之间的相互碰撞把气体粒子由低能级激发到高能级产生受激跃迁从而得到紫外激光。固体介质是用非线性倍频晶体的方式在经过一次及以上的频率转换产生向外辐射的紫外激光。准分子和全固态紫外激光器常用于激光加工和处理 [ 1 ]。紫外激光器的分类如表1。 2.1. 准分子激光器 气体紫外激光器主要有准分子激光器、氩离子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦镉激光器等。准分子激光器等通常用于激光加工 [ 2 ]。准分子激光器是以准分子为工作物质的气体激光器，它也是一种脉冲激光器，从1971年第一台准分子激光器的诞生 [ 3 ]，就有了巨大的研究意义。准分子是一种不稳定复合的分子，在一定情况下会分解成原子。重复频率和平均功率为评判准分子激光器的依据。一定比例的Ar、Kr、Xe等的稀有气体和F、Cl、Br等的卤族元素相混合是紫外气体激光器的主要工作物质，实现泵浦的方法是用电子束或脉冲放电达到。基态的惰性气体原子和稀有气体原子受激发后，核外电子从而被激发到更高的轨道使最外层电子层被填充满，并与其他原子结合形成准分子，随后跃迁回基态再分解成原来的原子，剩余能量以光子的形式分离出来最后经过谐振腔的放大得到紫外激光如图1所示 [ 1 ]。液态氙为早期的准分激光器的工作物质。现在的准分子激光器还包括193 nm的ArF激光器，248 nm的KrF激光器和308 nm的XeCl激光等。 Table 1 Classification of UV laser 紫外激光器的分类 光斑形状和波长 特性 固态调Q Nd:YAG激光器 波长：353 nm 光斑：圆形(能量从中心到边缘逐渐下降) 聚焦量级为10 μm量级 温度敏感性高，在冷启动一段时间后才达到稳定。重复频率高、聚焦光斑小，适合小尺寸加工 准分子激光器(气体激光器) 波长：取决于气体类型 光斑：矩形 (掩膜技术可产生不同几何形状的光斑) 加工的细节可小到几微米，而聚焦镜与工件之间的距离可大到50到100 mm 金属蒸汽激光器(主要使用铜蒸汽) 波长：通过混频和倍频使波长为511 nm和578 nm的铜蒸汽产生波长为255 nm，271 nm，289 nm的紫外光。光束分为高斯分布。 适用范围同固态紫外激光器，应用范围广 表1. 紫外激光器的分类 图1. 准分子激光产生原理图 2.2. 固态紫外激光器 全固态紫外激光器的突出优点有便捷体积小、可靠性高和工作稳定等。最常用的是LD泵浦惯用的Nd:YAG晶体，再进行倍频如图2所示 [ 4 ]。 产生紫外固体激光器的主要步骤是首先激光器内的泵浦光源照射到增强介质上从而实现粒子数反转 [ 5 ]，基波红光在谐振腔内形成并且振荡，再通过一次或多次非线性晶体腔内倍频，在经过透射、反射最终从谐振腔输出所需的紫外激光。通常采用LD二极管泵浦和灯泵浦的方法得到紫外固体激光器。全固态紫外激光器即LD泵浦的紫外固体激光器，其光路原理如图3所示 [ 1 ]。 图2. 全固体紫外激光器实验装置 图3. 全固态激光器光路原理图 Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)和Nd:YVO4 (掺钕钒酸钇)是两种比较常见的增强介质晶体。常用的增强谐振腔的方法是用波长为808 nm的小型半导体激光二极管LD泵浦Nd:YVO4激光晶体产生1064 nm的近红外光，腔内倍频输出波长为532 nm的绿光，再送入增强谐振腔进行四倍频，输出波长为266nm的深紫外激光，基频绿光输入阈值可低到215 mW [ 6 ]。与Nd:YAG比较，Nd:YVO4激光晶体具有更大的增益截面，是Nd:YAG的4倍；吸收系数大，是Nd:YAG的5倍，有激光阈值低等优点。Nd:YAG晶体的机械强度比较高，光线的透射率高，荧光寿命长，也不需要过为严苛的散热降温系统，可以适应于广泛的工作使用需求，可以得到较高质量的激光，所以现在国内外通常使用紫外固体激光器会选择Nd:YAG晶体来做增益介质。
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user: 3. 紫外激光器的应用 紫外激光加工方面有很多优点，也是目前科技信息发展中的首选技术。首先紫外激光器可以输出超短波长的激光，可以精准处理超小细微的材料；其次紫外激光的“冷处理”不会整体破坏材料本身，只是对其表面就行处理；再者基本无热损伤影响 [ 7 ]；一些材料对可见光和红外激光不能有效吸收导致无法加工，紫外最大的优势是基本所有的材料对紫外光吸收较为广泛 [ 8 ]。紫外激光器尤其是固体紫外激光器的结构紧凑且体积小、简单好维护、易大量生产。紫外激光器在加工处理医用生物材料、刑事案件取证、集成电路板、半导体工业、微光元器件、外科手术 [ 9 ]、通信和雷达、激光加工割方面应用十分广泛。 3.1. 改变生物材料表面特性 在某些治疗中，许多医用材料需要与人体组织相容，甚至是修复，如紫外激光治疗眼内疾病 [ 10 ] 和兔角膜实验 [ 11 ] 有时也需要改变生物蛋白质特性 [ 12 ] 和生物大分子结构 [ 13 ]，调整准分子紫外激光器最佳脉冲参数，实验人员再分别用100 nm、120 nm、200 nm的激光对医用生物材料表面照射后，从而改善材料表面物理化学结构，并不改变材料整体化学结构，通过培养生物细胞对比实验，使处理后的有机生物材料与人体组织相容性和亲水性有显著性提高，在医用生物应用方面有很大的帮助 [ 14 ]。 3.2. 刑侦领域 在刑侦领域，当发现指纹同DNA一样具有独一无二的特性以来，指印便可作为刑事案件犯罪嫌疑人的遗留在犯罪现场的重要生物证。曾经旧的方法会导致样品损伤，难以对证物进行收集和存储。现在的研究针对于非渗透性客体表面指纹，如胶带、照片、玻璃等显现具有突出效果。“紫外发光成像技术”和“紫外激光反射成像技术”即波长为266 nm的紫外激光照射潜在指印，分别透过266 nm和340 nm的带通滤光镜，来观察和记录紫外激光对指印的检测和采纳收集 [ 15 ]。实验中的120个实验样本有百分之七十都可被成功检测。紫外短波技术提高了潜在指印的成功率，而且方便快捷容易控制其光学特性，在法庭科学领域有广大的应用前景。现场唾液斑、脱落细胞、血迹、有毛囊的毛发等常见生物检材探测都可用紫外检测。但是通过短波266 nm的紫外激光在固定距离通过不同时长照射生物检材再提取DNA进行分析，结果发现短波266 nm的紫外激光对指印、血迹、唾液斑、脱落细胞、有毛囊的毛发5种常见生物物证的DNA检验结果产生严重影响，但是针对毛发包括毛囊、体液唾液和血液斑痕等的生物DAN的检测仅有少部分的影响。短波紫外激光会对部分DNA生物检材产生影响，所以在刑侦调查取证时要依据证据作用来慎重选择提取方法 [ 16 ]。 3.3. 紫外激光在集成电路板上的应用 在工业领域中多种电路板的生产制作过程，从最开始的布线到生产成需要高级工艺的微小精密的嵌入式芯片，集成电路板内的柔性电路、聚合物和铜的层布式电路都需要钻微孔和切割 [ 17 ]，也包括电路板上材料的修复和检测，常需要用到等微细加工和处理。电路板加工中激光微加工技术显然成为最佳选择。激光在加工过程中，工作机器不与被加工产品接触，有效避免机械作用力，加工迅速，灵活性高，并且对工作场合无需特殊要求，通过对激光参数的精准设置和研究设计，可以达到微米以下量级 [ 18 ]。电路板上用的比较传统的钻孔方式是利用紫外激光器和CO 2 激光器用于非金属打标(波长为10.6 μm的CO 2 激光器用于非金属材料打标；波长1064 nm或者532 nm一般用于金属材料打标 [ 19 ] )。目前还是主要采用紫外 图4. 飞秒激光微加工系统结构示意图 激光加工技术，可以达到微米级的加工，精确度高，可以制作超细微零器件，可以应用于小于1 μm光斑的激光束的微孔加工。但是CO 2 激光器主要打75~150 mm的孔，且小孔易错位，而紫外激光器可以打25 mm以下的孔，精度高且不会错位 [ 20 ]。例如在用紫外飞秒激光“冷”加工覆铜线路板中利用综合平衡法得到最优工艺参数，再用选择性刻蚀的特性达到高质量、高效率线宽50 μm、线间距20 μm的覆铜板表面微细线路刻蚀加工 [ 21 ] 如图4和图5所示。 图5. 飞秒激光直接扫描刻蚀覆铜板示意图 3.4. 微光元器件的加工和制备 在科学技术和现代工业的快速发展的信息化时代，要达到在更小空间内搭建更多的实验系统并实现更多的功能，就要加快信息技术的发展更重要的是要制作加工出更小型化、微型化并且仅对材料表面化学键进行处理 [ 22 ] 的功能齐全的器件。在军事雷达通讯 [ 23 ]、医学治疗、航空航天和生物化学等领域具有重要的应用和研究价值。可以在纳米尺度的微光学元件上进行更加深入的切割和优化并研究和开发应用， 图6. 激光切割0.6 mm、0.38 mm、0.18 mm厚单晶硅 转变传统的光学元器件功能和特性。微光学元件具有容易批量生产和易于实现阵列化还有简小轻便灵活等优点，但是它的主要材料是石英玻璃。石英玻璃在应用和处理过程中很容易产生裂纹和凹坑，是一种硬脆性材料，这就使其光学性能大大减弱。因此，紫外激光的直写“冷”加工技术 [ 24 ] 大大提高了微光学器件的效率，迅速完成高精度微细结构的微光元器件加工且不伤材料，可以灵活完成大小批量的不同需求的加工。国外科研机构对紫外紫外加工硅片的研究比较早 [ 25 ]，国内起步较晚随后才对硅片切割技术及切面进行研究 [ 26 ]。十几年前，张菲等人利用自己研发的紫外全固态激光对微加工系统进行了研究，对相同材质的三种(0.18 mm、0.38 mm、0.6 mm)的硅片进行优化切割，最小孔径45 μm，加工精度20 μm，结果表明材料没有出现裂痕，激光的热影响较小，飞溅物较少 [ 27 ] 如图6所示。 3.5. 紫外激光在半导体产业中的应用 近几年来，紫外激光对半导体材料的微加工受到了越来越多的关注。成千上万的密集电路元件在集成电路中非常常见，所以就需要一些高精密的处理和加工方法 [ 28 ]，还有一些高精仪器和器件的硅和蓝宝石等半导体材料等半导体薄膜的精密微加工靠紫外激光且研究薄膜的光谱特性 [ 29 ]，同时紫外激光还可以加大硅材料对光能的利用率，也可以使得硅表面的微结构发生改变，有利于太阳能电池板的研发，如二维微光栅等。 2018年李奇思等人使用355 nm全固态紫外激光器对硼硅玻璃表面和雕刻深度、底面光滑度、通道垂直情况进行研究，实验分析优化加工参数，得到了材料表面损伤小、裂纹少、雕刻深度大、切面垂直且平整的硼硅玻璃微通道 [ 30 ] 如图7所示。 图7. 不同重复频率下紫外激光刻蚀硼硅玻璃微通道的表面形貌和微通道深度。(a) 40 KHZ；(b) 30 KHZ；(c) 25 KHZ；(d) 微通道深度随激光重复频率的变化
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user: 4. 结束语 通过这几十年的发展和研究，紫外激光器的技术和应用越来越广泛和成熟，它最有特点的精细的“冷”加工技术在不改变物体物理性质的同时对表面进行微加工和处理，广泛应用于通讯、光学、军事、刑侦、医疗等各个行业和领域。例如，5G时代，催生了FPC加工市场需求。随着5G产业的进一步发展，以及各大电子产品制造商对柔性OLED显示屏的追逐，催生了市场对FPC柔性线路板的需求迅猛增长，随之而来对紫外激光器的需求也将得到快速增长。这个发展趋势将有望快速促进紫外技术自身的发展，以在功率和脉宽方面实现更大的突破，同时拓展出更多新的应用领域。紫外激光机的应用，让FPC等材料的精密冷加工成为可能，而FPC的逐步增加，推动了5G部署，5G的低延迟特性，给诸如云技术、物联网、无人驾驶、VR等新一波的技术发展提供了无限生机。当然这是个相辅相成的概念，新技术新应用也最终会拉动紫外激光的进一步发展。 随着越来越多的新型的倍频晶体和增益介质的出现，越短波长功率越高的紫外激光器将在未来应用于更多的行业，促进各行各业的发展，紫外激光在加工领域更加智能、高效精准、高重复率、高稳定性是未来发展的趋势。
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user: 摘要 当代苏格兰作家伊恩·班克斯作为科幻小说界的巨匠之一，其作品荒诞离奇，想象力丰富，氛围神秘恐怖，具有极强的哥特小说特征。《捕蜂器》作为班克斯的第一部小说，凭借其独特的哥特文学魅力受到大量读者的关注与欣赏。这部作品在继承古典哥特小说特征的同时，对其做了一定超越，赋予哥特新的内涵与意义。本文将从这两个方面剖析《捕蜂器》在延用传统的基础上做出超越古典哥特文学的特别之处。
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user: 1. 引言 伊恩·班克斯(Iain Banks， 1954~2013)是当代苏格兰最富想象力的小说家之一，他曾入选1993年《格兰塔》杂志二十位英国青年小说家榜单，2008年又被《泰晤士报》评为1945年以来英国最优秀的五十位作家之一 [ 1 ]。1984年，班克斯的处女作《捕蜂器》问世，其诡异哥特的文笔和惊悚阴暗的情节让他在西方文坛上一举成名，广为读者称赞，随后发表的一系列科幻小说更是掀起了不小的波澜。 《捕蜂器》以16岁少年弗兰克的视角叙述了一个怪诞扭曲的可怕故事。主人公弗兰克和他的父亲两人独自居住在苏格兰的一座小岛上，和附近的小镇通过一座索桥连接。父亲长年过于专制古怪的教育方式造成了弗兰克残暴无情的性格，经常杀害岛上的小动物，还制作了一个满是陷阱的捕蜂器来占卜祭祀，甚至还用高妙的手段夺取了三个小孩的生命。弗兰克的哥哥埃里克则因为一次意外精神失常，这使得原本亲密无间的兄弟二人被迫分开。但后来埃里克设法从医院逃跑，并一路往家赶。随着故事情节的不断展开，主人公身上的悲剧事件也慢慢浮出水面，小说的末尾更是让人毛骨悚然。全篇始终笼罩着一种神秘恐怖的气氛，班克斯融入了人物孤立无援的生活环境与寓意死亡的捕蜂器意象这些典型的哥特小说元素，同时对主人公残暴与善良兼具的二元性格，和传统既定的情节结局作了修正与创新，营造了全文浓重的哥特氛围。
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user: 2. 对传统哥特的继承 哥特式小说中的“哥特”一词原指一个日耳曼人的分支，哥特人。因为哥特人彪悍善战，击溃过罗马帝国，他们在欧洲的文化想象中被定格为古典文明的颠覆者，是“原始”、“野蛮”、“血腥”、“粗鄙”的 [ 2 ]。随后诞生于12世纪法国的全新建筑范式也因其对罗马建筑风格的反叛被称为哥特式建筑。恐怖惊悚的哥特小说就在这样充满阴郁气氛的哥特式古堡与教堂里应运而生，其开山鼻祖是英国作家霍勒斯·沃波尔(Horace Walpole)于1764年出版的小说《奥特朗托城堡》(The Castle of Otranto)。 2.1. 阴森可怖的哥特式环境 较为典型的哥特小说背景通常设立在闹鬼破旧的古堡，荒原或是昏暗的地下室与长廊，如此方可将小说的主人公置于一种孤立无援的状态。 1) 荒僻封闭的小岛 许多出身工人阶级的苏格兰作家都倾向于将其小说中的故事背景设定在格拉斯哥，这座苏格兰工业大城市，向它倾吐抒情式的礼赞。创新当然不限于格拉斯哥 [ 3 ]。《捕蜂器》中的故事情节则均发生在英格兰的一座荒凉偏僻的小岛上，岛上的居民仅有两位——主人公弗兰克和他的父亲。岛的面积极小，大部分被森林和海滩覆盖，长满青草的小山坡上居住着野兔老鼠各类生灵。一座窄小的吊索桥连接着小岛和附近的城镇，波特尼尔镇。小说的主人公基本过着无人打扰、与世隔绝的清静生活，来访的客人极少，吊桥旁竖立的“止步——私人场所”牌子更是将小岛的居民封闭在了岛上。故事唯二的两个主要人物单独居住在人烟稀少的岛屿上，活动于空旷破旧的大宅子，这也直接导致了弗兰克的一举一动皆在其父亲的监视与掌控之下，无法逃离。清冷幽静的环境令读者在整个阅读过程中汗毛倒立，同时深深地体味出主人公在父亲和命运面前的渺小无助以及他极力抗争的毫无意义。 2) 藏匿秘密的处所 除去小说情节发生的大环境之外，作者还在书中创设了两个极具哥特风格的故事场所，即主人公家中上锁的二楼书房与昏暗的阁楼，门背后的内容的骇人程度不亚于西方俗语中的“柜中骷髅”。“家”(heimlich)在多数人的理念里本应是安全且温馨的，但“家”也可能会转变成陌生的“非家”(unheimlich)，充满危险与恐惧。暗恐正是对这种熟悉情景中的陌生性，以及陌生情境中诡异的熟悉感的探索，读者在环境的熟悉与陌生感交错之际，总能更好地领悟出哥特的艺术。班克斯在《捕蜂器》中沿用了弗洛伊德的暗恐美学基础，将本该熟悉美好的家塑造成了一个秘密蛰伏的场所。这也令读者切身感受到哥特小说所创造出的暗恐情绪，人物在这种情愫中随着环境的双重变化而发生相应的改变(这也是恐怖故事的关键所在) [ 4 ]。 位于二楼的书房属于主人公弗兰克的父亲，始终散发着一些奇怪的化学药品气味，书房内的存放的物品不为人知：他每次离开时都会把门细心地锁好。弗兰克自出生起就从未踏进去过一步，他对书房里秘密的好奇贯穿了整本小说，每当父亲出门或是回房间睡觉时，他都会锲而不舍地去检查书房的门锁，盼望着有一天那个“老家伙”会忘记上锁，“但今天没有。” [ 5 ] 直到全书的最后几页，作者才终于揭露了书房内隐藏的可怕秘密——父亲在那里存放了多年来偷偷给弗兰克服用的雄性激素和以防实验失败准备的卫生棉条，主人公其实是一名少女，是父亲力图铲除家中女性势力的牺牲品，而他曾将埃里克打扮成女孩的行为只是对弗兰克未来的预演。摆满化学仪器的房间杂乱拥挤，浸泡在酒精里的父亲伪造的弗兰克的“生殖器”，抽屉里的卫生棉条与一盒盒的激素，无不让小说的哥特氛围达到了高潮。 放置捕蜂器的阁楼则是另一个可怖的哥特式场景。它是弗兰克的秘密基地，那里存放着无数被弗兰克杀害的小动物的脑袋与头骨，“它们干瘪地挂在黑色短绳结成的环上，一根长绳绑在墙的两角，每个环都悬在这根绳子上，动物脑袋昏暗的影子慢慢出现在后面的墙上。” [ 5 ] 弗兰克在那里点燃“老索尔”头盖骨里的蜡烛，坐在摇曳的烛光中，在四周环绕的泛黄的头骨们的注视下思考捕蜂器发出的警告是何寓意。他常常独自一人在阁楼里回想岛上那些被杀死的生灵，用磁带录音机录下自己最真实最绝望的忏悔与反思。阴郁悚然的氛围和坐在一堆头骨中坦白内心最黑暗秘密的少年使得房顶右上方的阁楼成为了继书房外第二个带有浓重恐怖气息的地点。 小说中创设的哥特式环境还远不止这些：钉着动物脑袋的祭祀柱，散落着兔子尸体碎片的“野兔墓地”，保罗惨死时留下的“炸弹圈”礁石……都充斥着一种压抑阴森与死亡的暗黑色调，让人读来不禁内心颤抖。 2.2. 死亡萦绕的恐怖意象 除去荒僻阴森的环境，哥特小说中往往还充斥着种种寓意死亡的意象来烘托故事氛围，例如心理式哥特的集大成者爱伦·坡在他的代表作《黑猫》里所塑造的那只象征不幸与厄运的独眼黑猫。班克斯则在他的作品《捕蜂器》中把古典哥特中的恐怖具象所营造的氛围集中通过一个小小的捕蜂器表现出来，并将其意象化，用黄蜂的悲惨结局来预示主人公的最终毁灭。第一人称的故事视角将读者与弗兰克的五感相通，恐惧效果得到充分内化，无论是实体的黄蜂墓场还是象征意义上的捕蜂器，都令人不寒而栗。 主人公弗兰克的“捕蜂器”主体是他从垃圾场捡回的一个旧时钟的钟面，他将其内部通往表盘上罗马数字的十二个通道改造成了不同的陷阱，黄蜂从正中间的洞眼钻入后，献祭的命运就已注定。它们或是被气枪击中，或是被蜘蛛捕食，亦或在“死亡重量”里压得脑浆涂地，在“剑廊”内遭受万剑穿身，在“火焰湖”接受火刑……多数黄蜂甚至最后尸骨无存或仅剩一副空壳，残忍至极。弗兰克给每个致命的小房间都起了一个具有象征意义的名字，其中，他用十二点的火刑来祭奠弟弟保罗的死亡方式与时间，四点的“蜘蛛营业室”则代表布莱思被毒蛇咬死的事件，八点的“男厕”(被淹死)寓示表妹埃斯梅拉达。夺取别人的生命在弗兰克看来不过是一场有趣又刺激的游戏。 此外，读者在通读全书的过程中会发现，弗兰克还命名了他居住的小岛上的各个重要场所：野草覆盖的兔子巢穴是“野兔墓地”，堂哥的惨剧发生在“蛇园”，保罗炸死后留下的“炸弹圈”，以及“头盖骨墓地”、“碉堡”这些对弗兰克意义深厚，他经常光临的地点。由此可见，主人公已经在不知不觉之间将整个小岛都变成了一个巨大的、捕猎他自己的“捕蜂器”。当弗兰克以上帝视角轻蔑地俯视进入他设计的捕蜂器的黄蜂时，其实他也步入了父亲为他精心准备的“捕蜂器”。故事开篇父亲的那句“我猜你应该知道，迪格斯刚来过” [ 5 ]。就是其时刻监视主人公的最好的证明：作者表面上让读者感觉无所不知的一方是主人公，实则暗示了父亲才是对弗兰克的日常生活了如指掌的那个人。 与外界断绝联系的弗兰克始终生活在父亲的绝对控制之下，毫不知情地服用了数十年的雄性激素和溴化物镇定剂，对其编造的谎言坚定不移，正如同那些黄蜂，在阴暗狭小的走廊间迷失了方向，无论如何挣扎，也无法摆脱毁灭的命运，只能沦为“祭祀”的牺牲品。“捕蜂器”既是权力控制的象征，又是受害者眼中的死亡意象。弗兰克通过“捕蜂器”来无情玩弄岛上的生灵，父亲也通过“捕蜂器”来彻底铲除身边的女性势力。而生杀予夺的黄蜂则在布满陷阱的“捕蜂器”内无路可逃，主人公亦在父亲的“捕蜂器”里绝望地走向毁灭。死亡萦绕的意象贯穿全文，令读者无时无刻不体会到刺骨的心寒。
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user: 3. 对古典哥特的超越 3.1. 二重性的小说人物 二重性，即二元人格，是传统哥特文学中一个重要的元素，主要表现为善良与邪恶两个极端又矛盾的人格会同时存在于同一个人物中。人格分裂和二重性身份是19世纪苏格兰文学中居于主导地位的主题，尤其是詹姆斯·霍格小说《忏悔》和罗伯特·路易斯·史蒂文森小说《化身博士》…… [ 6 ]。《捕蜂器》中的弗兰克也是这样一个性格矛盾的共同体。但与之不同的是，传统哥特小说中的二元人物通常用伪善的面具来隐藏内心的肮脏丑陋，班克斯却在这一基础上反其道而行之，以弗兰克罪恶残暴的行为来包裹其掩埋在心灵深处的那一份不曾泯灭的善念，极大地丰富了人物形象。不仅如此，他更是在小说中开创了“双性同体”的先河，将主人公身上存在的矛盾因子无限放大。 弗兰克暴戾孤僻的性格来源于父亲长期专制偏执的管控，后者为了巩固自己在家里不可撼动的地位，不容许主人公对其权威做出丝毫挑战，因而不惜扭曲异化弗兰克的人格，间接导致了他喜欢杀害岛上的各种生灵，甚至砍下它们的头颅钉在所谓的祭祀柱上，收集头骨并以此为乐的行为。他将一个废弃的时钟改造成了一个巨大的“捕蜂器”，内部设有十二个不同的陷阱，让献祭的黄蜂自行选择死法，由此来占卜预示即将发生的事情。此外，弗兰克还残忍巧妙地杀死了三个和自己年龄相仿的小孩，只为证明自己虽生理上“被阉割”，骨子里依旧存有那份男子气概——对战场的向往和杀戮的本性，以及获得“统计学上的平衡” [ 5 ]。 但弗兰克却不仅仅是这样一个生性残暴的扁形人物。扁形人物只有一个特征，通常是某个观念的化身，一句话就可以概括 [ 7 ]。当他在面对自己的哥哥埃里克时，往往会展露出性格中少见的善良的一面。他爱埃里克，怀念对方还未离开小岛前的快乐时光，并为哥哥遭遇的不幸而深感悲痛。即使埃里克变得精神失常，面目可憎，他们之间的亲情纽带也不曾断开。在埃里克逃出医院往家赶的期间，弗兰克在每次和他的通话中都表现出了极大的耐心，容忍着对方的疯言疯语，努力安抚他的情绪，劝说他放弃发火烧狗的念头。弗兰克还会关心哥哥在逃亡途中的食宿问题，衷心地期望他不要被别人抓到。 除去心理上的双重人格，弗兰克在生理上亦是一个双性共同体，兼具了男性与女性的特质，这是与二元对立观念相矛盾的。我们的社会结构建立在男性与女性牢不可破的对立基础之上：二元对立中一方的定义是另一方的反面 [ 8 ]。因此，父亲残忍的行径造成了弗兰克生理性别与社会性别的矛盾，阴茎的缺失让他极为痛苦：他认为自己只是“半个男人”，讨厌蹲着上厕所，身体的残疾使他无时无刻不活在自卑与焦虑中。弗兰克认为自己是一个异类，杀死那三个小孩就是他对男性生殖器强烈渴望的最好体现。弗兰克认为“较年幼的孩子，尤其是还未接触社会阴暗面、并且可能还未受父母影响的孩子，一般没有性别意识” [ 5 ]。然而随着时间的推移，孩童终究会成长成器官性别完善的成年人，这让“被阉割”的弗兰克非常嫉妒，所以他通过杀害对方来阻止他们的成长。哥特式的恐惧在这里指的是对一个完全未知的、不可控制的与奇异的他者的恐惧 [ 9 ]。小说的主人公就是令读者感到惊惧的对象。 班克斯在《捕蜂器》中塑造了这样一位具有两面性和二元对立人格的主人公，其冷漠阴郁的外表下隐藏着一颗暴虐的心，而他冷酷无情的背后又不时流露出一丝人性的善良和温暖，如此善与恶、美与丑的交织为整部小说增色不少，也引起读者对于自己内心深处是否也同样存在着和弗兰克一样黑暗的另一半的反思。矛盾的性格设定既丰富了人物形象，又起到了发人深省的作用，哥特风十足。如此幻想与现实的交融构成了班克斯独特的创作风格。 3.2. 独特的情节与结局的设置 早期哥特小说通常将时间设定在黑暗的中世纪或文艺复兴时期，描绘一个有关宗教迫害、篡夺和复仇的善恶对立故事，期间着力描写各种恐怖与怪诞的场景。美丽柔弱的女主角通常被恶棍追逐迫害，但最终反派会受到应有的惩罚，她在被英勇的男主解救之后，两人有情人终成眷属，社会秩序再度得到恢复。班克斯的《捕蜂器》在情节设置这方面超脱出了传统哥特的既定套路，不受其约束，放任自己的想象力创造出了一个诡异的、独具一格的哥特式故事。他打破了古典哥特小说时间与空间设定的距离感，将其聚焦于现代社会的一个小家庭内部，使读者更加真切、感同身受地体味着弗兰克的悲剧。 古典哥特小说往往召唤来鬼魂与恐怖，但会对此超自然现象加以解释来减轻读者的恐惧，或是将其划分到一个无法阐释的精神领域 [ 10 ]。鬼怪可以说是传统哥特文学必不可少的元素，它们的出现反衬出那些同魔鬼交易出卖灵魂，只为满足自身欲望的人的丑陋与邪恶，它们给恶人带来惩罚，为读者提供感官刺激。而班克斯的作品中却没有任何的鬼怪与灵异事件，一切的罪恶与杀戮均是由人造成，真正令读者畏惧的是那无法触摸的人心。爱情与因果报应这两大经典主题亦未在故事中出现。小说以主人公弗兰克的口吻零零碎碎地为读者讲述了他在岛上的日常生活，期间过去与现在不断交错，不时穿插一些弗兰克的回忆，通过倒叙的形式再现了他杀死那三个同龄小孩的过程，以及发生在哥哥埃里克身上的悲惨事件。错乱的时间顺序极大地引发了读者的好奇心，同时也加强了故事的可读性和情节的曲折与复杂性。 小说中虽然塑造了双重性格的主人公，暴君式的父亲，疯癫的大哥等人物形象，结尾却不是传统哥特小说价值观念意义上的喜剧——因为恶人依旧逍遥法外，主人公则陷入了心灵的牢笼与深渊，他在得知真相后痛苦地回忆着自己过去的杀戮，所有的一切顿时失去了意义。弗兰克虽然还活着，但“爸爸透露的事实已经将我杀死了” [ 5 ]。班克斯创作的高妙之处在结尾体现得淋漓尽致：他一反传统哥特小说邪不压正的美好结局，采用了开放式的方法收篇，给人留下了充足的想象空间。他并没有直接写明主人公今后会何去何从，也没有将惩罚降临在罪魁祸首身上——这是一场没有结果的无声战争。 由此可见，《捕蜂器》在谋篇布局上为哥特小说增添了新的定义，破除了传统哥特文学在创作故事背景，设计情节与主题，展现因果轮回的结局方面的成规，可谓是别出心裁，将哥特的恐怖美学渗透进了读者阅读的方方面面。
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user: 4. 结语 伊恩•班克斯的处女作《捕蜂器》可谓是一部经典的哥特式恐怖小说，无论是荒僻冷落的环境，还是充斥全书的死亡意象，都高度浓缩了哥特文学创作的内涵。小说全篇萦绕着怪异阴森的氛围，第一人称视角极大地激发了读者的好奇心与同理心，堪称哥特小说中的佳作。此外，班克斯还在传统哥特文学的基础上注入了新的元素，使得这些精彩异常的故事情节既惊心动魄，又发人深省。作者透过一个悚人的哥特悲剧，让人们在对弗兰克的故事扼腕叹息的同时，不由得究其根源感慨扭曲缺爱的家庭对一个人所产生的毁灭性影响。如若每个生命都能在成长的过程中得到尊重与关爱，弗兰克的事件将不再重演。
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user: 摘要 随着新型技术的迅速发展，基于视频的车辆速度识别引起了研究人员的广泛关注。然而，在速度采集过程中仍然存在许多挑战，包括车辆识别精度低、跟踪效果差、镜头抖动等。本文提出了一种车辆速度检测方法。首先，构建了一个基于无人机特定飞行高度下的数据集，并通过深度学习网络训练获得权重文件。然后利用YOLO检测算法、Deep-sort跟踪算法获得车辆的运动轨迹。在此基础上提出了一种基于线性回归思想的车辆速度计算方法。试验表明，本方法具有较高的精度和抗干扰能力。
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user: 1. 引言 车辆速度检测是交通系统中至关重要的部分，常见的车辆速度检测方法有超声波检测技术、激光检测技术、雷达检测技术以及地埋式感应线圈检测技术等 [ 1 ]。然而超声波检测技术容易受到环境影响且在反应时间、检测距离方面存在一定的缺陷；激光检测技术只能在静止状态下使用且激光检测装置可能会对人体产生一定的伤害，存在一定的风险；雷达检测技术受自身技术特点的影响无法同时对多个目标车辆进行测速且抵抗无线电波的干扰能力较差；地埋式感应线圈检测技术使用过程中存在线圈使用寿命短、可靠性差、安装维修困难等问题。分析发现已有的车辆速度检测方法成本较高难以同时对多个目标车辆测速且精度得不到保障。 随着新型技术的发展，基于计算机视觉的交通信息采集技术为车辆速度检测提供了强大的技术保障，轻便、高效、智能的无人机在交通数据采集中得到了越来越广泛的应用。与传统的视频摄像相比，航拍视频覆盖范围更广、获取信息更丰富、图像分辨率更高、坐标系转换造成的误差更小，同时克服了传统摄像拍摄角度固定导致车辆遮挡等问题。然而现有研究中基于视频进行车辆速度检测的文献相对较少，现有研究通过计算位移与时间的比值获得速度，主要分为两类：利用经过固定位移的时间实现车辆速度的检测和计算固定时间内的位移实现车辆速度的检测。固定位移的方法主要是虚拟线圈法 [ 2 ]，镜头发生转动时该方法检测精度会受到极大的影响；固定时间的方法主要包括帧差法 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]、运动矢量法 [ 6 ] 等。 分析相关文献可知，已有多种车速检测方法普遍存在可靠性不足的问题，有如下难点仍需解决： 1) 城市道路中车辆数目较大，需避免车辆之间的相互影响提高车辆的检测与追踪的精度； 2) 镜头抖动等问题对车速的检测带来了一定的影响。 基于上述分析，本文主要利用计算机视觉技术提升多目标车辆的检测精度同时结合车辆瞬时速度与相邻轨迹点之间的关系，基于线性回归的思想，提出了车辆速度检测的方法，最后通过试验证明方法的有效性。
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user: 2. 基于航拍视频的车速检测 为降低坐标转换过程中造成的误差，本文采用无人机垂直拍摄的视频进行车辆的识别与追踪并输出车辆的轨迹数据，根据实际距离与像素距离之间的比值完成像素坐标到实际坐标的转换，最后考虑车辆瞬时速度与相邻轨迹点之间的关系利用线性回归的方法获得单个车辆某时刻的瞬时速度。车辆速度检测流程如图1所示。 图1. 车辆速度检测 2.1. 目标车辆检测 YOLO目标检测算法是端到端的算法，基本实现思路如下： 1) 将图像分为S S个网格，当某个检测目标中心落在所述网格中，则该网格负责预测该目标。 2) 在每个网格中预测B个边界框及对应的置信度。边界框包含5个参数中心点坐标，宽度，高度及置信度。 3) 在每个网格中预测C个目标类别的概率。 4) 最后在测试阶段将目标类别概率与置信度相乘，计算出每个目标框的特定类别的可能性，并通过阈值筛选去除多余检测框。 通过上述流程，YOLO从整个训练图像中学习目标的特征，在测试阶段利用训练模型进行目标检测。基于YOLO原理，借助开源标注软件制作数据集，并分为训练和测试数据集，使用YOLO深度学习框架训练模型，然后将保存的模型用于车辆检测。 2.2. 目标车辆追踪 在目标车辆检测的基础上，需要对目标车辆进行跟踪预测，从而获得车辆的运动轨迹。 2016年Bewley A等提出了Deep-sort [ 7 ] 多目标跟踪算法，该算法利用深度学习的思想，主要通过卷积神经网络提取特征，在跟踪过程中使用递归卡尔曼滤波预测的状态与新到达的状态之间的马氏距离和余弦距离这两个组合指标与阈值之间的关系进行关联度量，确保目标被遮挡后再次出现时仍然能匹配正确的ID，减少了ID的切换，达到了持续跟踪的目的。本文将YOLO的检测结果作为输入传给Deep-sort算法，实现目标车辆的追踪并输出车辆轨迹数据。 2.3. 车速计算 2.3.1. 坐标转换 本文采用的航拍视频均由大疆MAVICAIR2在距离地面120米的空中拍摄所得，此时镜头畸变很小，可以忽略不计，像素坐标 ( x ′ ， y ′ ) 到实际坐标 ( x ， y ) 的变换如式1所示。 { x = N x x ′ y = N y y ′ (1) 其中， N x 表示x方向上实际距离与像素距离的比值； N y 表示y方向上实际距离与像素距离的比值。 2.3.2. 速度的计算 以往研究大多通过确定目标车辆在相邻视频帧中移动的像素距离进而对车速进行求解，然而在目标检测与追踪的过程中受到镜头抖动的影响，目标车辆的位置信息会不可避免的出现误差。以无人机在120米飞行高度下拍摄的帧率为30 fps的视频为例，若目标车辆的位置出现1像素的误差(在此飞行高度下11像素约等于1米)，则对应的瞬时速度的误差为1 pixel/frame (9.8 Km/h)，由此可见，传统方法测量下即使很小的测量误差也会对速度的求解产生显著的影响。 考虑到某点的瞬时速度与相邻轨迹点的相关性，本文引入线性回归的思想，旨在消除测量误差对速度计算的影响，提高车辆速度的检测精度。为方便瞬时速度的求解，将单个车辆的瞬时速度沿道路纵断面(x方向)、横断面(y方向)分解为 v x 、 t − c ≤ t ≤ t + c 。以t时刻x方向速度的求解为例，在时间间隔 t − c ≤ t ≤ t + c 内(本文中c取15)，确定一条直线使区间内所有的点到该直线的距离最小，该直线的斜率即为车辆在t时刻沿x方向的瞬时速度，取值区间及速度求解如图2所示。 图2. 取值区间示意 t时刻车辆的瞬时速度求解公式见式2~4。 v x = ∑ i = 1 m ( x i − x ¯ ) ( t i − t ¯ ) ∑ i = 1 m ( t i − t ¯ ) 2 (2) v y = ∑ i = 1 m ( y i − y ¯ ) ( t i − t ¯ ) ∑ i = 1 m ( t i − t ¯ ) 2 (3) v t = v x 2 + v y 2 (4) 其中， v t 为目标车辆t时刻的瞬时速度； v x 为目标车辆t时刻x方向上的瞬时速度； v y 为目标车辆t时刻y方向上的瞬时速度；m为取值区间内点的总数。
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user: 3. 实验结果 3.1. 数据采集 为了验证方法的可行性，本文基于大疆MAVICAIR2无人机进行数据采集。根据不同路段的需求，无人机的到飞行高度控制在100~130之间，拍摄角度为垂直拍摄，视频清晰度为1080 P，视频帧率为30 f/s。为了验证检测方法的精确度，拍摄过程中驾车在拍摄路段内行驶并记录仪表盘车速作为车辆的参考速度。 3.2. 数据集制作 考虑到本文航拍视频中的车辆均为俯视视角，而且所占像素面积远远小于地面拍摄车辆的面积，因此不能采用地面或者较低飞行高度下拍摄的照片作为数据集训练模型。现有的航拍车辆数据集大多是在地面或无人机在较低的飞行高度下拍摄所得，无法满足本文实验的需要，为了提高模型的检测精度需要针对性的构建航拍车辆数据集。 本文利用无人机在110~130米飞行高度下垂直拍摄获得的照片，为保证所获得的样本照片的质量，对于存在不完整的车辆的图片进行剔除，同时尽可能多的挑选多样化的车辆样本。借助开源软件LabelImg通过手动标注的方式对目标车辆进行标记，标签包含五个参数分别是车辆类别、目标位置、边界框的宽以及高。在实验中，本文对小汽车、卡车、公交车三类机动车共3000辆车进行了手动标记。 3.3. 目标检测 本文的YOLO模型训练在配置有GTX1080Ti的计算机上进行，为了提升模型训练速度，训练过程中使用了预训练模型权重文件作为基础模型，采用了迁移训练的方案。为了适配GPU显存，训练参数设置如下：批尺寸为16，学习率为0.001，训练次数为3000次。保证训练结果满足收敛条件，并保存训练模型的权重文件。 加载训练模型，对航拍车辆进行检测，将检测结果中的置信度调整为0.3，检测结果如图3所示。 图3. 目标车辆检测结果 3.4. 车辆跟踪 试验中使用Deep-sort算法对目标车辆跟踪，并进行了实验，以其中一组为例，运动轨迹如图4所示，观察发现跟踪目标车辆大多出于直线行驶的状态与实际情况一致，其中编号为40的车辆被交通标志牌遮挡后编号并未改变，证明该算法对目标车辆具有较好的跟踪效果，保证了轨迹数据的完整性。 3.5. 车辆速度计算 实验通过对目标车辆进行跟踪直至车辆驶出画面，然后基于车辆的轨迹数据进行车辆速度的估算，具体如式2~4所示。图5是某一车辆不同时刻的瞬时速度图，从图中可以看出车辆速度变化较为平缓符合车辆实际的运动过程。 图4. 跟踪结果 图5. 车辆速度估算 将使用本文提出的方法检测的车速与汽车仪表盘显示的速度进行对比，并进行误差率评价，计算本方法测速的误差率，具体计算公式如式5~6所示。 ε = | v 估 − v 真 v 真 | × 100 % (5) Φ = ∑ i = 1 n ε i n × 100 % (6) 其中， ε 表示误差值； v 估 表示本文方法计算的车辆速度； v 真 表示仪表盘上记录的速度； Φ 表示实验的平均误差率；n表示测试的总数。 利用线性回归的方法估算车速，并计算车辆速度检测的误差率，结果如表1所示。 由表1可以得知，该方法提取车速与真实速度的平均误差率为2.95%，可见本文提出的车辆速度检测方法具有较高的精度，可以应用到车辆速度提取的研究中。 Table 1 The result of vehicle speed estimatio 车型 编号 真实车速(Km/h) 估算速度(Km/h) 误差率 小汽车 1 37.1 36.5 1.6% 2 34.7 35.2 1.4% 3 19.2 19.9 3.6% 4 28.7 29.5 2.8% 5 11.4 10.8 5.3% 卡车 6 23.3 22.8 2.1% 7 24.5 23.8 2.9% 8 22.1 23.1 4.5% 9 16.4 15.7 4.2% 10 18.2 18.6 2.2% 公交车 11 22.5 23.4 4.0% 12 19.4 18.9 2.6% 13 27.5 27.9 1.5% 14 25.2 25.8 2.4% 15 18.6 19.2 3.2% 平均值 2.95% 表1. 车辆速度计算结果
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user: 4. 结论 本文研究的是基于航拍视频的车辆速度检测方法，将YOLO算法与Deep-sort算法相结合，同时基于构建的针对特定飞行高速下的航拍车辆数据集，在一定程度上提升了目标车辆的检测与追踪精度，在目标车辆的轨迹数据的基础上提出了线性回归求解车辆速度的方法。试验证明本方法可以有效的避免镜头抖动等因素对速度检测的影响，具有较高的精度和抗干扰能力。
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user: 摘要 2万t重载组合列车担负着重载运输主力军的作用，但在列车运行过程中跳钩、脱轨事故时有发生，对列车的行车安全构成了极大威胁。近期，某重载线路上发生了一起2万t重载列车缓解后跳钩事故，使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统对此次跳钩事故列车的运行过程进行了重现，分析了列车在缓解后发生跳钩的原因，并提出了针对性的改善方案，为重载组合列车提供了安全操纵方式借鉴。
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user: 1. 引言 得益于效率高、运量大、污染小与成本低的特点，重载运输已经成为了世界铁路货运的发展方向，也成为了我国铁路发展的长期战略目标之一，根据国家铁路局发布的《2019年铁道统计公报》，我国铁路货运在2019年总发送量完成43.89亿t，货运量逐年持续增长，2万t重载组合列车在其中发挥了重要的作用，为我国铁路货运任务的完成提供了保障。 虽然我国已有多年开行2万t重载组合列车的经验，但由于重载列车长度较长、载重量较大，同时车钩力较大，加上线路与机辆设备老化的影响，导致列车在运行过程中安全性相对较差，特别是跳钩、脱轨等事故，严重威胁着列车的运行安全，因此，为保障行车安全，对列车发生事故的原因进行分析以避免事故的再次发生具有重要的现实意义。一般在列车事故发生后，多是通过现场勘察对事故发生的原因进行定性分析，对于定量与准确的判断列车发生事故的原因与过程十分困难，而通过仿真系统可以重现列车发生事故过程并对各种要素进行定量分析，再配合现场勘察的定性分析将可以更准确的分析重载列车发生事故的原因。其中，Belforte等开发了重载列车纵向动力学软件TSDyn，其计算结果可以输入至多体动力学软件MoNSTram中仿真分析列车的纵向冲击与脱轨系数等参数 [ 1 ]；Dmitry等通过UM软件开发了列车三维与一维耦合动力学模型train3d，用以分析与评估列车运行中的安全性能 [ 2 ]；魏伟等探究了在制动工况下列车纵向冲动的作用机理，发现列车的纵向冲动是由冲击和挤压作用共同形成 [ 3 ]；耿玮平针对可能导致重载列车13A型车钩分离的因素做出了分析，从车钩结构方面分析了事故原因并提出了防范措施 [ 4 ]；伏远昱针对近期大秦线上2.1万t列车中部机车与车辆车钩分离的问题做了分析，判断车钩分离原因为机车车钩从车辆车钩上方受拉跳出，并给出了普查整治措施与检修建议 [ 5 ]；刘爽等在列车空气制动与纵向动力学联合仿真模型的基础上，建立了列车曲线、坡道安全运行模型，探究了车钩力与离心力、列车重量、线路等因素对列车安全因素的影响 [ 6 ]；岳刚针对货车提速后列车车钩分离事故进行了调查统计，指出车钩分离的原因大多是由钩缓配件断裂或车钩防跳作用不稳定引起，并提出在检修时应杜绝车钩水平中心线高度差超限 [ 7 ]；丁国斌对大秦线发生的几起列车分离事件做出了调查，指出分离车钩的特点都具有发生在列车中后部、钩缓磨耗严重与钩提杆横向窜动量超限过多的特点，并针对这些特点提出了预防措施 [ 8 ]。 目前对重载列车脱轨与跳钩等事故的原因分析大多以车钩结构方面为切入点，对发生事故时列车的纵向动力学状态关注较少，而列车在发生事故时的车钩力状态又与事故的原因息息相关，所以，本文通过列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统，以某线路上一起2万t重载组合列车缓解后跳钩事故为例，通过仿真平台对跳钩事故进行重现，分析了此次事故列车在跳钩时刻的车钩力特点与列车在缓解后发生跳钩的机理，提出了针对性的操纵改善方案，为重载组合列车的安全运行操控方式提供参考。
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user: 2. 列车纵向动力学及空气制动系统 2.1. 列车纵向动力学模型 列车由一系列机车及车辆组成，车辆(或机车)间由车钩和缓冲器连接。建立模型时将每个车辆(或机车)视为一个集中质量，车辆间由弹簧阻尼单元连接。其中任意一个车辆(或机车) i的受力如图1所示。其中 x i 、 v i 、 W i 为第i辆车瞬时位置、速度和重力； m i x ¨ i 、 F G i 、 F L i 、 F A i 、 F B i 、 F C i 、 F W i 分别为第i辆车的瞬时惯性力、车钩力、牵引力或动力制动力、运行阻力、空气制动力、曲线阻力、坡道阻力。 图1. 单个车辆受力图 考虑到列车空气制动力、运行阻力(包含隧道阻力)等是被动受力，仅在列车有速度或者有运动趋势时才起作用，这些力不会使机车车辆发生运动，仅是阻碍车辆运动，机车车辆运动方程如(3)所示。 F 1 i = F G i − F G i + 1 + F L i − F W i (1) F 2 i = { − v i | v i | ( F A i + F B i + F C i ) v i > 0 − ( F A i + F B i + F C i ) v i = 0 a n d F 1 i ≥ ( F A i + F B i + F C i ) − F 1 i v i = 0 a n d F 1 i < ( F A i + F B i + F C i ) 0 v i = 0 a n d F 1 i = 0 (2) m i x ¨ i = F 1 i + F 2 i (3) 通过对每时刻方程(3)形成的方程组进行求解便可得到整列车中每个机车车辆的物理状态。 2.2. 列车空气制动系统模型 在纵向动力学分析中，空气制动系统产生的制动力是纵向动力学分析难点，特别是制动与缓解转换过程中制动力产生与消失的非稳态过程会对列车循环制动产生非常大的影响。本仿真系统在列车空气制动部分使用基于气体流动理论的空气制动系统模型，在列车的空气制动系统中，气体在列车管内流动，假设管路内壁是刚性的，管路内为一维、非等熵不定常的气体流动，根据气体流动的连续性、动量守恒定律和能量守恒定律建立描述气体状态的方程组如下： { ∂ ρ ∂ t + ρ ∂ u ∂ x + u ∂ ρ ∂ x + ρ u F d F d x = 0 ∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + 1 ρ ∂ p ∂ x + 4 f D u 2 2 u | u | = 0 ∂ p ∂ t + u ∂ p ∂ x − a 2 ∂ ρ ∂ t − a 2 u ∂ ρ ∂ x − ( k − 1 ) ρ ( q + u 4 f D u 2 2 u | u | ) = 0 (4) 式中： ρ ，u，p，a，k，D，F，f，q，x，t分别为气体密度、流速、压力、音速、比热比、管路直径、管截面积、管内壁摩擦系数、传热率、距离和时间 [ 9 ]。 根据上述原理开发了列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统(TABLDSS)，该仿真系统可以实现列车空气制动系统与纵向动力学的同步仿真，通过不断地与列车试验结果对比，证明了该系统具备较高的准确性 [ 10 ]，该系统具有良好的制动特性、车钩力、加速度等参数的同步计算、数值显示及图形显示等功能，为分析列车纵向冲动机理，优化制动、缓冲器系统提供了基本理论和实用工具 [ 11 ]。该仿真系统于2017年国际纵向动力学评测中在计算精度和计算速度上获得优异成绩 [ 12 ]。
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user: 3. 列车跳钩事故重现 3.1. 事故列车运行情况 某重载路线全长650 km左右，相对海拔高度差达1000 m以上，处于山区的区段较多，并且隧道多、坡道大，2万t列车在线路上的操纵困难区段较多，运行工况较为恶劣，操纵不当易使列车被迫停车，甚至发生脱轨、跳钩事故。其中，某次2万t重载组合列车在该线路上运行时发生了一起跳钩事故，事故主要信息如下：列车编组为1HXD2机车 + 105C80车辆 + 1HXD1机车 + 105C80车辆 + 可控列尾，总重2.1万t，发生跳钩时的工况为制动后缓解工况，线路为长大下坡，列车跳钩位置为从控机车与机后第一位车辆，据事后检查发现，车钩分离处的机车与车辆车钩均处于闭锁位，风管连接器脱开，风管良好，列车随后分解运行。列车发生跳钩事故的线路情况如图2所示。 图2. 跳钩区段相对海拔高度图 3.2. 列车操纵仿真结果 图3为此次跳钩列车的实际运行速度与仿真速度对比及对应的操控指令图，从图中可知，列车于k142+672开始施加空气制动，列车增速减缓，至k142+930处列车速度开始下降，将机车再生力调整至230 kN并保持至缓解，列车于时速38 km/h实施缓解，缓解后再生力保持280 kN，在列车缓解过程中，列车出现跳钩事故，从控机车与机后第一辆车车钩分离，列车发生紧急制动停车。从图中可看出仿真速度与实际速度吻合较好，说明仿真准确重现了事故列车的运行过程。图4与图5分别给出了列车运行过程中的最大车钩力沿车长分布图与发生跳钩的车位(从控机车后钩)车钩力时域图。 图3. 车钩分离列车速度及操控指令图 图4. 最大车钩力沿车长分布图 图5. 从控机车后钩车钩力时域图 列车在缓解时，前部车辆先发生缓解作用，后部车辆滞后缓解，前部车辆由于惯性前涌，列车产生拉钩力，等到拉伸达到最大状态后列车又开始回缩产生压钩力，从图4中可知，从控机车后钩缓解后最大拉钩力为1443.1 kN，接着观察列车发生跳钩处的车钩力时域曲线，如图5所示，从控机车在列车缓解前一直受到压钩力(负值为压钩力)，随着列车开始缓解，压钩力逐渐减小并开始出现拉钩力，观察到此次拉钩力形成的过程中出现了两个明显的瞬时突变现象，在列车发出缓解指令的15.1 s，拉钩力由0 kN瞬间增大至602.4 kN，增大值为602.4 kN，然后在缓解后17.3 s又从742.9 kN瞬间增大至1332.5 kN，增大值为589.6 kN，接着拉钩力逐渐增至最大1443.1 kN。由于跳钩发生在从控机车与车辆之间，所以拉钩力为导致跳钩的因素之一，从控机车的点头运动对后钩产生的影响加上两个拉钩力瞬时突变的现象极有可能是导致列车产生跳钩的主要原因。 根据列车缓解后从控机车后钩车钩力的特点分析，判断此次列车车钩分离的原因是在列车缓解后，在从控机车处由压钩力向拉钩力转换的过程，当此过程中车钩力为0 kN时，车钩间并不存在力的作用，此时机车存在着点头或浮沉运动，使车钩发生上下蹿动，从图4中可知当车钩力达0 kN之后瞬时会增大至602.4 kN，拉钩力经一段时间继续增大后又会瞬时增大至1332.5 kN，再结合此突变力发生于k145+095，而列车紧急制动发生于k145+132，所以判定列车跳钩的原因是在列车缓解过程中，从控机车后钩处车钩力为0 kN时机车存在着点头运动，后钩发生上下蹿动，接着第二个较大的瞬时拉力使从控机车和机后第一辆车车钩快速拉伸变化产生跳钩事故，从而导致车钩分离。 下面对这两个突变力形成原因进行说明，观察这两个突变力形成的过程，发现是由于列车在缓解后，列车后半部分会产生一个从后半列中前部向前后传递的拉钩力，此拉钩力逐渐由列车后半部传递至从控机车后钩产生了第一个突变力。如图6所示，随着列车缓解的进行，列车后半部产生的拉钩力逐渐向列车中部传递，至15.1 s列车后半部的拉钩力向前传递至从控机车后钩，拉钩力瞬时增大至602.4 kN，此为第一个突变力形成的原因。随着列车缓解的进行，在列车后半部在已经拉伸的基础上又会产生了一个向前传递的拉钩力，传递至从控机车后钩时形成第二个突变力，如图7所示。在列车缓解后17.3 s，列车后半部的拉钩力又传递至从控机车后钩，拉钩力瞬时增大至1332.5 kN，此为第二个突变力形成的原因。 图6. 第一个突变力形成过程 图7. 第二个突变力形成过程
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user: 5. 结论 本文使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统，仿真了某重载线路一起2万t重载组合列车缓解后的跳钩事故，得到以下结论： 1) 在此次列车的跳钩事故中，列车缓解后在从控机车后钩处产生的两个突变拉钩力是导致列车跳钩的重要原因，这两个突变力由列车缓解后列车后部拉钩力传递至从控机车后钩处产生。 2) 在列车缓解时，通过同步减小机车再生力的操纵方式可使从控机车后钩不会产生第二个突变力，但此操纵方式会使列车缓解后最大拉钩力增大。 3) 在列车缓解时降低机车再生力，配合合适的时间增大机车再生力，可使列车突变拉钩力消失的同时降低列车最大拉钩力，降低列车发生跳钩的可能性。
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user: 摘要 时速400 km的高铁仍处于设计阶段，通过列车运行仿真对给定线路和信号设计方案下的通过能力及其他技术经济指标进行准确评价，有助于提高设计方案的合理性。本文分析了既有高速铁路列车运行仿真软件的功能不足，结合高铁设计对列车运行仿真的要求，设计出一款时速400 km高铁线路信号布局能力检算仿真系统。最后，基于既有高铁线路，利用该仿真系统对比分析了400 km/h动车组与350 km/h动车组在区间运行时分、牵引能耗和通过能力等方面的差异。
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user: 1. 引言 目前，我国高铁里程占世界2/3以上，动车组运行速度从200 km/h提高到350 km/h。然而，客流高峰期仍然会出现供给不足的情况，乘客对高铁旅行速度需求也仍在提高，故而需要研制400 km/h高速铁路。但时速400 km/h高速铁路列车仍处于试验阶段，无法进行实物试验分析，需结合列车仿真分析进行高铁线路与信号机布局等设计。 国内外学者对列车运行仿真做了大量的研究工作。P Howlett [ 1 ] 发现平直道路上的列车运行节能方案为依次采用最大牵引、巡航、惰行和最大制动，这种方法被称为“标准四阶段法”。钟世富 [ 2 ] 等和何桥 [ 3 ] 对动车组操纵策略等问题进行了探讨。毛保华 [ 4 ] [ 5 ] 等开发了一款通用列车运行模拟软件，并实现了列车运行的节能优化。王月仙 [ 6 ] 等基于高速动车组的自动运行控制模式，建立了高速动车组自动运行的ATP数学模型。何桥 [ 7 ] 等和马少坡 [ 8 ] 等设计了CRH动车组牵引计算仿真系统框架，对系统开发的技术难点进行了探讨。唐金金 [ 9 ] 等根据高速铁路线路特性，构建线路3层节点网络模型，并提出了绳体模型与预制动推演算法，唐金金 [ 10 ] 等后续考虑绳体模型与质点模型结合，并采用预制动推演算法开发出高速列车运行仿真系统，平衡了列车运行仿真的计算速度和精度要求。吕希奎 [ 11 ] 等采用动车组特性曲线CAD矢量化方法开发了一套可以便捷获得牵引计算力数据的高速列车运行仿真软件。 当前，国内外主流的列车运行仿真软件有RailSys、北京交通大学开发的列车运行仿真软件GTMSS、中国铁道科学研究院研发的牵引计算软件等。然而，目前仿真软件均集中于对既有高速铁路列车运行过程进行仿真，存在参数固化如最高列车运行速度不超过350 km/h、列车运行控制方案不合理、通过能力反向检算功能不完善等不足。这导致在研究更高速度制式时，仿真分析结果会与列车实际运行结果存在偏差。因此，本文在既有高速铁路列车运行仿真软件的基础上，结合时速400 km高速铁路列车特征及线路设计对列车运行仿真的要求，设计出时速400 km高铁线路能力检算仿真系统。
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user: 2. 系统设计 2.1. 系统功能需求 时速400 km高铁线路能力检算仿真系统主要目的是通过输入列车和线路等数据，实现400 km/h速度等级层面的列车仿真运行计算，检算线路通过能力并得到能耗与时分等技术经济指标。具体来说，系统功能需求主要包括运行仿真与通过能力检算两方面。 1) 400 km/h速度等级单列车运行仿真及运行指标计算 系统可基于设定的节时、定时节能等操纵模式，仿真400 km/h速度等级列车在给定线路条件和停站方案下的运行过程，动态绘制并显示列车仿真运行过程中的速度–位移、时间–位移以及手柄位–位移等曲线，计算牵引能耗与区间运行时分等指标。 2) 400 km/h速度等级高速铁路线路通过能力检算 系统在给定线路信号布点方案情况下，对400 km/h速度等级列车进行牵引计算，得到牵引计算数据来实现间隔检算、制动检算以及电分相检算等功能。 2.2. 系统结构设计 系统主要是基于运行相关基础数据来实现列车运行仿真和通过能力检算，最后输出结果。因此将系统划分为输入模块、初始化计算模块、仿真运行模块以及结果输出模块四部分，系统的框架结构如图1所示。 图1. 系统框架结构 输入模块的作用是对线路信息、列车数据进行归类并集中管理，形成可供用户扩充、完善的数据库。初始化计算模块承接输入模块和仿真运行模块，主要作用是进行相关仿真参数设置、限速计算、列车数据处理和仿真界面绘制等。仿真运行模块是系统核心，主要实现列车运行仿真和通过能力检算两大功能，并预留信号布点自动优化和更高速度等级牵引仿真计算功能接口，为后续铁路研究设计做技术基础。结果输出模块可采用文件和图形两种形式输出仿真结果。