周 進(jìn)

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公路隧道前饋式通風(fēng)系統(tǒng)及隧道機(jī)電智能監(jiān)控技術(shù)研究新進(jìn)展

周 進(jìn)

重慶中信渝黔高速公路有限公司，重慶 401336

主要對(duì)公路隧道前饋式通風(fēng)系統(tǒng)和隧道機(jī)電智能監(jiān)控技術(shù)作了探討分析。首先對(duì)公路隧道通風(fēng)的反饋式控制法、程序控制法、前饋控制法以及前饋式智能模糊控制法這四種控制方法作了簡(jiǎn)單的闡述，然后分析了前饋式智能模糊控制法引入模糊控制的必要性和模糊控制系統(tǒng)的組成，最后以前饋式智能模糊控制系統(tǒng)在工程實(shí)例運(yùn)用作了研究。

公路隧道；前饋式通風(fēng)系統(tǒng)；隧道機(jī)電；智能監(jiān)控；技術(shù)研究

隨著我國(guó)道路交通的不斷建設(shè)發(fā)展，高速公路日益增多并逐漸朝著山區(qū)擴(kuò)展。我國(guó)地形多以山區(qū)、丘陵為主，故而在道路建設(shè)的過(guò)程中需要加強(qiáng)對(duì)于隧道工程的建設(shè)，在此背景之下，道路建設(shè)單位為了確保公路隧道建設(shè)質(zhì)量以及效率的提高，確保通車的安全性，逐漸加強(qiáng)了對(duì)于公路隧道前饋式通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建以及隧道機(jī)電智能監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用。由于隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域，故而汽車在行駛的過(guò)程中所排出的尾氣難以有效的排出，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)部的空氣污染，并由此導(dǎo)致駕駛?cè)藛T的身體健康遭到威脅。目前，相關(guān)部門為了緩解這一問(wèn)題，在進(jìn)行公路隧道建設(shè)的過(guò)程中加強(qiáng)了公路隧道前饋式通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建。[1]

1 公路隧道通風(fēng)控制方法

目前，我國(guó)的道路建設(shè)單位在進(jìn)行公路隧道建設(shè)的過(guò)程中，要確保隧道內(nèi)部空氣流通，加速汽車尾氣等氣體的有效排出?，F(xiàn)階段，最為常用的公路隧道控制方法主要分為兩大類：自動(dòng)控制以及手動(dòng)控制。其自動(dòng)控制主要包括：反饋式控制法（FB）、固定程序控制法、前饋控制法（FF）以及前饋式智能模糊控制法。對(duì)此，筆者進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)，具體如下：

（1）反饋式控制法。該種通風(fēng)控制方法主要借助煙霧透過(guò)率傳感器CO/VI濃度傳感器、TW風(fēng)速檢測(cè)儀的安裝而得以實(shí)現(xiàn)。其具體的控制操作流程是：CO/VI傳感器在運(yùn)行的過(guò)程中直接對(duì)隧道內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到的污染濃度數(shù)值超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)就根據(jù)檢測(cè)值發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，及時(shí)的開啟部分乃至全部隧道射流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)對(duì)隧道廢氣進(jìn)行加速流通更換新鮮空氣；空氣污染濃度降低后自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備從而達(dá)到自動(dòng)控制功能。[2]由于該種方法在運(yùn)用的過(guò)程中具有較強(qiáng)的便利性，故而被廣泛地運(yùn)用在公路隧道通風(fēng)管理的過(guò)程中。

但是，該方法在運(yùn)用的過(guò)程中存在著預(yù)測(cè)延遲、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、能耗消耗較大、通風(fēng)設(shè)備啟動(dòng)頻繁等多種弊端，故而無(wú)法在車流量大的隧道區(qū)域進(jìn)行運(yùn)用。一般情況下，該種技術(shù)主要運(yùn)用在風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少的中短隧道之中。[3]

（2）固定程序控制法。該種方法在運(yùn)用的過(guò)程中主要依據(jù)相應(yīng)時(shí)段車輛類型、車流量產(chǎn)生的車輛廢氣來(lái)編制程序進(jìn)行通風(fēng)的控制，一般情況下，該程序在編訂的過(guò)程中按照時(shí)間、區(qū)間進(jìn)行較為固定的控制，故而缺乏一定的靈活性，無(wú)法對(duì)突發(fā)性的異常情況進(jìn)行及時(shí)處理。

（3）前饋控制法。前饋控制法在運(yùn)行的過(guò)程中主要是借助隧道前區(qū)段的交通量信息（交通量、行車速度、車輛構(gòu)成等）的采集以及分析，繼而計(jì)算出隧道一段時(shí)間內(nèi)的污染濃度，并由此實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)靈活的控制隧道通風(fēng)狀況。

這種技術(shù)在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于風(fēng)機(jī)的追蹤控制，故而規(guī)避了較大波動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，促進(jìn)通風(fēng)控制作業(yè)效率以及質(zhì)量的提高、不僅如此，該方法在運(yùn)用的過(guò)程中還能夠?qū)﹄娏ο倪M(jìn)行有效的節(jié)省，一般可節(jié)省5%的電力。基于此，前饋控制法被廣泛的運(yùn)用在風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較多的中長(zhǎng)隧道的通風(fēng)管理作業(yè)之中。[4]

（4）前饋式智能模糊控制法。該方法在基本構(gòu)成方面與前饋式控制法相同，但是在實(shí)際的操作過(guò)程總卻存在著一定的差異。一般而言，前饋式智能模糊控制法在運(yùn)用的過(guò)程中，需要將前饋、后饋的信號(hào)逐步輸入到AI模糊控制器之中，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行模糊理論的推演，并對(duì)何種模擬方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后選出最優(yōu)方案。

相關(guān)的實(shí)踐現(xiàn)實(shí)，該方法在運(yùn)用的過(guò)程中能夠確保通風(fēng)效果的平穩(wěn)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)于風(fēng)量分級(jí)控制，減少了風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)。

2 前饋式智能模糊控制法概述

（1）前饋通風(fēng)系統(tǒng)引入模糊控制的必要性。通過(guò)前文的分析不難看出，雖然前饋式智能模糊控制法與前饋控制法在基本構(gòu)成方面相同，但是在實(shí)際的操作過(guò)程中，前饋式智能模糊控制法的使用效果更佳。基于此，就需要相關(guān)的技術(shù)人員在前饋通風(fēng)系統(tǒng)引入模糊控制。[5]

之所以采取這樣的措施，主要是因?yàn)樵谇梆伩刂品ㄖ?，其接受的前饋信?hào)的精確度不高。一般而言，前饋信號(hào)是由交通流預(yù)測(cè)模型、空氣動(dòng)力學(xué)模型以及污染物擴(kuò)散模型綜合計(jì)算確定的，由于相同車型測(cè)速排除的尾氣具有較大的差異性，從而產(chǎn)生一定的誤差。這種誤差的出現(xiàn)主要是由于在計(jì)算的過(guò)程中，計(jì)算人員無(wú)法對(duì)車型、自然風(fēng)壓、射流風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)等因素進(jìn)行有效的確定，故而使得計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的誤差。

但是，隨著智能模糊控制器的運(yùn)用，使得相關(guān)人員能夠建立起被控對(duì)象與控制器輸入量之間的數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)通風(fēng)控制效率的提高。[6]

（2）模糊控制系統(tǒng)的組成。與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)類似，模糊控制系統(tǒng)在構(gòu)建、設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要依托于計(jì)算機(jī)而得以實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)中主要含有模數(shù)（AID）、數(shù)模（DIA）轉(zhuǎn)換接口等模塊。關(guān)于模糊控制系統(tǒng)的具體構(gòu)成圖，筆者進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)，具體內(nèi)容見圖1。

圖1 模糊控制系統(tǒng)的組成圖

3 前饋式智能模糊控制系統(tǒng)的運(yùn)用

（1）工程概況。在進(jìn)行前饋式智能模糊控制系統(tǒng)的運(yùn)用的過(guò)程中，筆者借助位于渝合高速公路的北碚隧道的通風(fēng)控制為例展開相關(guān)的敘述。該隧道全長(zhǎng)為4025 m，隧道的凈空面積為63 m2，限定車速60 km/h，而單向的交通量則是為1610輛/小時(shí)。[7]

（2）控制目標(biāo)。為了確保北碚隧道的正常運(yùn)行，在工程建設(shè)的過(guò)程中，對(duì)隧道內(nèi)的空氣污染進(jìn)行了一系列的目標(biāo)控制。隧道的煙塵VI允許濃度為k=0.007 m-1，一氧化碳CO的允許濃度則是250 ppm，隧道內(nèi)部的TW風(fēng)速則需要控制在10 m/s以下。

（3）控制周期以及設(shè)備。一般而言，控制周期的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)隧道的通風(fēng)效果以及風(fēng)機(jī)的使用壽命都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。從理論上來(lái)說(shuō)，控制周期越小，其精度就越高。基于此，相關(guān)的工作人員在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，將前饋式通風(fēng)系統(tǒng)中的控制周期設(shè)定為10 min。

在進(jìn)行通風(fēng)控制的過(guò)程中，主要采用了：CO/VI檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器以及射流風(fēng)機(jī)等設(shè)備，從而以此為基礎(chǔ)確?？刂谱鳂I(yè)質(zhì)量的提高。此外，在實(shí)際的控制作業(yè)過(guò)程中，技術(shù)人員依照相關(guān)的流程進(jìn)行通風(fēng)的控制作業(yè)，具體內(nèi)容見圖2。

圖2 前饋式智能模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

（4）前饋式智能模糊控制系統(tǒng)使用效果。在進(jìn)行前饋式智能模糊控制系統(tǒng)使用效果分析的過(guò)程中，筆者采用MATLAB模糊邏輯工具對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并繪制了ΔCO在50 ppm時(shí)的控制輸出曲面。通過(guò)對(duì)于圖3進(jìn)行分析可以得知，該系統(tǒng)在運(yùn)用的過(guò)程中能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)公路隧道通風(fēng)控制，促進(jìn)隧道煙塵的有效排放。

圖3 ΔCO在50ppm時(shí)的控制輸出曲面

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)相關(guān)的分析，我們了解到了公路隧道通風(fēng)自動(dòng)控制的四種方法（固定程序控制法、反饋控制法（FB）、前饋控制法（FF）以及前饋式智能模糊控制法），并借助渝合高速公路的北碚隧道的通風(fēng)控制了解到了前饋式智能模糊控制系統(tǒng)的具體操作。筆者認(rèn)為，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及措施的落實(shí)到位，我國(guó)的公路隧道前饋式通風(fēng)系統(tǒng)必將獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并由此促進(jìn)相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益的雙豐收。

[1]何川，李祖?zhèn)?，方勇，王明?公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的前饋式智能模糊控制[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：575-579.

[2]何川，王明年，方勇，李祖?zhèn)ィ詈ｚ?，張?zhí)?，彭建?公路隧道群智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015（S1）：62-66.

[3]金朝輝，方勇，張玉春，何川.鷓鴣山隧道工程機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控及維護(hù)管理一體化軟件研制[J].隧道建設(shè)，2013（2）：140-142.

[4]陳雪平，胡剛，曾盛，邵于寧，傅惠.公路隧道前饋式模糊通風(fēng)控制系統(tǒng)及仿真[J].交通與計(jì)算機(jī)，2015（4）：78-83.

[5]何川，李祖?zhèn)?，王明年，方勇，金朝輝.公路隧道群及毗鄰隧道智能通風(fēng)照明與災(zāi)害救援聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)研究[J].公路隧道，2014（3）：53-56.

[6]丁全衛(wèi)，何世龍.長(zhǎng)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[J].四川建筑，2013（5）：67-68，70.

[7]He Chun.Domestic and foreign research status of the intelligent ventilation control method of the expressway tunnel group and the adjacent tunnel[J].Academic dynamic，2014（4）：14-17.

New Advances in Research on Feed - forward Ventilation System and Intelligent Electromechanical Monitoring Technology for Tunnels in Highway Tunnels

Zhou Jin

Chongqing CITIC Yuqian Expressway Co.，Ltd.，Chongqing 401336

In this paper，we mainly discuss the analysis of highway tunnel feed-forward ventilation system and tunnel electromechanical intelligent monitoring technology. In this paper，the feedback control method，program control method，feedforward control method and feedforward intelligent fuzzy control method of highway tunnel ventilation Then，the necessity of introducing fuzzy control and the composition of fuzzy control system are analyzed. At last，the feedforward intelligent fuzzy control system is used in the engineering case study to do the research.Finally，the fuzzy control system of the feedforward intelligent fuzzy control is introduced.

highway tunnel；feed-forward ventilation system；tunnel electromechanical；intelligent monitoring；technical research

U453.5

A

1009-6434（2016）11-0042-03