閱讀 3565 次 長大公路隧道前饋式智能模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)研究

長大公路隧道前饋式智能模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)研究

丁全衛(wèi)1，何世龍2

1貴州省遵義公路管理局，貴州遵義563000；2．西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉614202)

    西部山區(qū)長大公路隧道在整個(gè)線路中所占比例極大。因汽車在隧道內(nèi)行駛時(shí)排出的廢氣和卷起的塵埃會(huì)妨礙行車安全和對(duì)人體造成危害，同時(shí)由于長大隧道的特殊結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件又極易造成行車堵塞和誘發(fā)重大交通事故。為保證車輛在隧道內(nèi)快速安全行駛和良好的行車環(huán)境，需對(duì)隧道進(jìn)行通風(fēng)，并進(jìn)行以通風(fēng)控制系統(tǒng)為核心的多項(xiàng)系統(tǒng)的運(yùn)營集成中心控制管理。先進(jìn)可靠的運(yùn)營通風(fēng)控制技術(shù)是長大公路隧道運(yùn)營安全、暢通的保障，是實(shí)現(xiàn)高等級(jí)公路“高速、高效、安全、舒適”的關(guān)鍵技術(shù)之一。

    對(duì)于長大公路隧道的運(yùn)營通風(fēng)方式，國外從上世紀(jì)80年代，國內(nèi)從90．年代開始，已基本上從全橫向方式或半橫向方式演變到縱向通風(fēng)方式。國內(nèi)外大量研究及工程實(shí)踐表明，縱向通風(fēng)方式與其它方式相比有利于降低工程造價(jià)，縮短建筑周期，節(jié)約運(yùn)營開支，它目前已成為我國長大公路隧道運(yùn)營通風(fēng)的主流形式。但在通風(fēng)控制方面，橫向式通風(fēng)方式的送排風(fēng)與車輛行走方向呈直角關(guān)系，車輛排出的有害氣體及煙塵在短時(shí)間內(nèi)被排出，通風(fēng)控制中能用單純的體系進(jìn)行模擬。而在縱向式通風(fēng)中，有害氣體及煙塵順行車道流動(dòng)，其濃度分布隨空間、時(shí)間是離散的，與交通量車輛種類和車輛走行速度的不斷變化有關(guān)，所要求的通風(fēng)量也是不斷變化的。與此相適應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及車道內(nèi)的風(fēng)速也是變化的。因而通風(fēng)控制變得十分復(fù)雜。

1.通風(fēng)控制方法

    隧道通風(fēng)控制方法大致可分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩類。自動(dòng)控制方法由設(shè)置于隧道內(nèi)的煙霧透過率傳感器、一氧化碳濃度傳感器、車輛檢測(cè)器、風(fēng)向與風(fēng)速測(cè)試儀所得到的傳感信號(hào)，通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)量控制。手動(dòng)控制方法是靠人工操縱儀器控制風(fēng)量，它分為聯(lián)動(dòng)控制與單獨(dú)控制。至于長大隧道通風(fēng)控制，目前國內(nèi)外主要采用自動(dòng)控制為主，手動(dòng)控制為輔助手段的方式。但控制均以最小的電力消耗來維持隧道內(nèi)良好的視覺環(huán)境、控制空氣污染狀態(tài)在允許的范圍之內(nèi)，以及能及時(shí)有效地處理火災(zāi)等緊急事態(tài)為目的。目前國內(nèi)外在隧道通風(fēng)自動(dòng)控制中采用的主要方法有后饋控制法(也稱FB控制法)、程序控制法、前饋式控制法(也稱r FF控制法)和前饋式智能模糊控制法。

    1.1后饋式控制法

    該方法是通過分布在隧道內(nèi)各點(diǎn)的煙霧透過率傳感器和一氧化碳濃度傳感器，直接檢測(cè)行駛車輛排放出的煙霧濃度和C0濃度值，將隧道內(nèi)當(dāng)前的污染濃度(VI值和C0值)與控制目標(biāo)值進(jìn)行比較，以不超過目標(biāo)值為原則，經(jīng)計(jì)算處理后，給出控制信號(hào)，對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。基于VI、C0濃度信息的后饋式控制法較為簡(jiǎn)單、直接，我國許多隧道目前較普遍采用這種方式。后饋式控制無預(yù)測(cè)功能，與實(shí)態(tài)常產(chǎn)生延遲現(xiàn)象；同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無追蹤性，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長。在交通形態(tài)變化大，不良車輛行走時(shí)，易產(chǎn)生波動(dòng)，不能進(jìn)行風(fēng)量分擔(dān)控制。適用于風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少的中短隧道。后饋式控制法流程圖如圖1。

    1.2程序控制法

    該方法不考慮VI、C0濃度及交通量的變化情況，而是按時(shí)間區(qū)間(如白晝與夜晚，節(jié)假日與平時(shí))預(yù)先編成程序來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

    1.3前饋控制法

    該方法是由進(jìn)入隧道前區(qū)段的交通量信息及洞內(nèi)的車輛檢測(cè)器，實(shí)時(shí)了解隧道內(nèi)交通量、行車速度、車輛構(gòu)成等，通過檢測(cè)交通流狀況；對(duì)以后的交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析交通流特征，用數(shù)值模擬手段計(jì)算出以后一段時(shí)間內(nèi)的污染濃度(隨時(shí)間、空間的分布形態(tài))前饋信號(hào)，并考慮由VI傳感器、C0傳感器測(cè)出來的污染物濃度后饋信號(hào)，由前饋信號(hào)和反饋信號(hào)共同完成對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)等進(jìn)行控制。此法能根據(jù)交通量的變化，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行追蹤控制，不易產(chǎn)生大的波動(dòng)現(xiàn)象，可按預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)模式，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行風(fēng)量分擔(dān)控制。與后饋控制相比，可節(jié)省5％的電耗。適用于風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較多的中長隧道。前饋式控制法流程圖如圖2。

    1.4前饋式智能模糊控制法

    該方法基本構(gòu)成與前饋式控制法相同，是將前饋信號(hào)與后饋信號(hào)輸入AI模糊控制器，采用模糊理論進(jìn)行推演，提出多種模擬通風(fēng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后用AI模糊控制器演算出最優(yōu)方案。與前饋法相比，能獲得更加穩(wěn)定的通風(fēng)效果。能從細(xì)微處出發(fā)，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化組合，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量分擔(dān)控制，最大限度地減少風(fēng)機(jī)的開停頻度。與后饋式控制法相比，最大可節(jié)省25％的電力消耗，并延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。適用于風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)多，通風(fēng)方式復(fù)雜的長及特長隧道。前饋式智能模糊控制法流程圖如圖3。

2.各種控制方法應(yīng)用現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

    目前世界各國均投入力量研究開發(fā)能適應(yīng)長大隧道和復(fù)雜交通情況下的前饋式智能模糊控制系統(tǒng)。近年日本在九州公路的金剛山隧道和福知山隧道、能生隧道等處的通風(fēng)控制中進(jìn)行了該控制方式的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，收到了極好的效果。在新開通的東京灣橫斷公路海底隧道中(雙孔各長9.6 km，單向交通，豎井送排縱向通風(fēng))即全面采用了該控制法，并計(jì)劃在近期對(duì)運(yùn)營中的關(guān)越隧道等長大隧道(這些隧道目前主要采用后饋控制)的通風(fēng)控制進(jìn)行全面更新改造。國內(nèi)目前在已建成的長大公路隧道中主要采用以程序控制法和后饋式控制法為主的通風(fēng)控制方法，尚未進(jìn)行前饋式控制法和前饋式智能模糊控制法的研究開發(fā)。基于前饋式控制法或前饋式模糊控制法的通風(fēng)控制系統(tǒng)除能明顯改善通風(fēng)效果，增加行車舒適度，提高行車安全性及預(yù)防重大火災(zāi)和其它重大交通事故的發(fā)生，增加車輛通行能力，還可節(jié)約電力消耗。開發(fā)研究適應(yīng)我國國情的長大公路前饋式智能模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)，能完善我國現(xiàn)有縱向通風(fēng)技術(shù)，提高通風(fēng)設(shè)備的有效利用率，節(jié)省電力消耗，增加行車安全舒適度，有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。前饋式智能模糊控制系統(tǒng)已成為今后長大公路隧道運(yùn)營通風(fēng)控制技術(shù)的前沿領(lǐng)域和發(fā)展的主要方向。

3.前饋式智能模糊控制系統(tǒng)原型的提出

    經(jīng)過對(duì)幾種控制方法的特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析，筆者提出了可適用于長及特長公路隧道的前饋式智能模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)的基本原型。該原型主要包括四部分內(nèi)容：交通流預(yù)測(cè)模型、空氣動(dòng)力學(xué)模型、污染模型及前饋式智能模糊推理控制器。

    3.1交通流預(yù)測(cè)模型

    模擬隧道內(nèi)車輛的行駛狀態(tài)和特征，在對(duì)車輛的種類進(jìn)行判別的同時(shí)，并對(duì)未來的交通流量，車速和行車位置(包括不同規(guī)模的交通阻塞、火災(zāi)、交通事故等緊急狀況引起的突變)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬。以此作為空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算和污染物濃度計(jì)算的基礎(chǔ)。

    3.2空氣動(dòng)力學(xué)模型

    用于模擬隧道內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速。綜合考慮交通流通風(fēng)能力，機(jī)械升壓力，隧道流體損失力，自然通風(fēng)力，流體慣性力等因素的影響。

    3.3污染模型

    用于模擬隧道內(nèi)的污染狀態(tài)即C0、VI的時(shí)間和空間分布形態(tài)。根據(jù)每臺(tái)車輛排出的煤煙量和一氧化碳的累積量及風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、自然風(fēng)等的影響進(jìn)行模擬。

    3.4智能模糊推理控制器

    控制器在對(duì)交通量、風(fēng)速，當(dāng)前污染狀況 (隨時(shí)間、空間的分布形態(tài))等定量模擬的基礎(chǔ)上，并考慮當(dāng)前的VI、C0實(shí)測(cè)值，采用模糊理論進(jìn)行推演，演算出最優(yōu)方案。控制器還同時(shí)推定與火災(zāi)、交通事故等緊急狀況引起突變時(shí)的救災(zāi)通風(fēng)方案。系統(tǒng)原型的總體構(gòu)成如圖4。

4.結(jié)束語

    該長大公路隧道前饋式智能模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)研究，僅僅是長大公路隧道智能前饋式通風(fēng)控制系統(tǒng)開發(fā)的第一步，筆者目前已經(jīng)完成了基于該原型的靜態(tài)(將隧道內(nèi)的空氣流、交通流作為不隨時(shí)間變化的恒定流處理)程序編制。選擇渝合高速公路在建中的北碚隧道(單洞長4026 m為特長隧道)和西山坪隧道(單洞長2500 m，為長隧道)為研究的依托工程，完成整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Japan Highway Public Corporation Research Institu-te. Highway Technology, No 9,1997,12.

[2]JTJ 026．1—1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)