公路隧道前馈式通风系统及隧道机电智能监控技术研究新进展

周 进



公路隧道前馈式通风系统及隧道机电智能监控技术研究新进展

周 进

重庆中信渝黔高速公路有限公司，重庆 401336

主要对公路隧道前馈式通风系统和隧道机电智能监控技术作了探讨分析。首先对公路隧道通风的反馈式控制法、程序控制法、前馈控制法以及前馈式智能模糊控制法这四种控制方法作了简单的阐述，然后分析了前馈式智能模糊控制法引入模糊控制的必要性和模糊控制系统的组成，最后以前馈式智能模糊控制系统在工程实例运用作了研究。

公路隧道；前馈式通风系统；隧道机电；智能监控；技术研究

随着我国道路交通的不断建设发展，高速公路日益增多并逐渐朝着山区扩展。我国地形多以山区、丘陵为主，故而在道路建设的过程中需要加强对于隧道工程的建设，在此背景之下，道路建设单位为了确保公路隧道建设质量以及效率的提高，确保通车的安全性，逐渐加强了对于公路隧道前馈式通风系统的构建以及隧道机电智能监控技术的运用。由于隧道是一个相对封闭的区域，故而汽车在行驶的过程中所排出的尾气难以有效的排出，会导致隧道内部的空气污染，并由此导致驾驶人员的身体健康遭到威胁。目前，相关部门为了缓解这一问题，在进行公路隧道建设的过程中加强了公路隧道前馈式通风系统的构建。[1]

1 公路隧道通风控制方法

目前，我国的道路建设单位在进行公路隧道建设的过程中，要确保隧道内部空气流通，加速汽车尾气等气体的有效排出。现阶段，最为常用的公路隧道控制方法主要分为两大类：自动控制以及手动控制。其自动控制主要包括：反馈式控制法（FB）、固定程序控制法、前馈控制法（FF）以及前馈式智能模糊控制法。对此，笔者进行了相关总结，具体如下：

（1）反馈式控制法。该种通风控制方法主要借助烟雾透过率传感器CO/VI浓度传感器、TW风速检测仪的安装而得以实现。其具体的控制操作流程是：CO/VI传感器在运行的过程中直接对隧道内气体进行检测，当检测到的污染浓度数值超过相关标准，计算机就根据检测值发出相应的控制信号，及时的开启部分乃至全部隧道射流风机、轴流风机对隧道废气进行加速流通更换新鲜空气；空气污染浓度降低后自动关闭通风设备从而达到自动控制功能。[2]由于该种方法在运用的过程中具有较强的便利性，故而被广泛地运用在公路隧道通风管理的过程中。

但是，该方法在运用的过程中存在着预测延迟、风机运转时间较长、能耗消耗较大、通风设备启动频繁等多种弊端，故而无法在车流量大的隧道区域进行运用。一般情况下，该种技术主要运用在风机台数较少的中短隧道之中。[3]

（2）固定程序控制法。该种方法在运用的过程中主要依据相应时段车辆类型、车流量产生的车辆废气来编制程序进行通风的控制，一般情况下，该程序在编订的过程中按照时间、区间进行较为固定的控制，故而缺乏一定的灵活性，无法对突发性的异常情况进行及时处理。

（3）前馈控制法。前馈控制法在运行的过程中主要是借助隧道前区段的交通量信息（交通量、行车速度、车辆构成等）的采集以及分析，继而计算出隧道一段时间内的污染浓度，并由此实现对于风机风量以及运转台数进行控制，实现灵活的控制隧道通风状况。

这种技术在实际的运用过程中，能够实现对于风机的追踪控制，故而规避了较大波动现象的出现，促进通风控制作业效率以及质量的提高、不仅如此，该方法在运用的过程中还能够对电力消耗进行有效的节省，一般可节省5%的电力。基于此，前馈控制法被广泛的运用在风机台数较多的中长隧道的通风管理作业之中。[4]

（4）前馈式智能模糊控制法。该方法在基本构成方面与前馈式控制法相同，但是在实际的操作过程总却存在着一定的差异。一般而言，前馈式智能模糊控制法在运用的过程中，需要将前馈、后馈的信号逐步输入到AI模糊控制器之中，并在此基础之上进行模糊理论的推演，并对何种模拟方案进行评价，最后选出最优方案。

相关的实践现实，该方法在运用的过程中能够确保通风效果的平稳，并实现了对于风量分级控制，减少了风机的频繁启动。

2 前馈式智能模糊控制法概述

（1）前馈通风系统引入模糊控制的必要性。通过前文的分析不难看出，虽然前馈式智能模糊控制法与前馈控制法在基本构成方面相同，但是在实际的操作过程中，前馈式智能模糊控制法的使用效果更佳。基于此，就需要相关的技术人员在前馈通风系统引入模糊控制。[5]

之所以采取这样的措施，主要是因为在前馈控制法中，其接受的前馈信号的精确度不高。一般而言，前馈信号是由交通流预测模型、空气动力学模型以及污染物扩散模型综合计算确定的，由于相同车型测速排除的尾气具有较大的差异性，从而产生一定的误差。这种误差的出现主要是由于在计算的过程中，计算人员无法对车型、自然风压、射流风机的启动等因素进行有效的确定，故而使得计算过程中出现不同程度的误差。

但是，随着智能模糊控制器的运用，使得相关人员能够建立起被控对象与控制器输入量之间的数学模型，促进通风控制效率的提高。[6]

（2）模糊控制系统的组成。与一般的数字控制系统类似，模糊控制系统在构建、设计的过程中主要依托于计算机而得以实现。作为一个计算机数字控制系统，模糊控制系统中主要含有模数（AID）、数模（DIA）转换接口等模块。关于模糊控制系统的具体构成图，笔者进行了相关总结，具体内容见图1。

图1 模糊控制系统的组成图

3 前馈式智能模糊控制系统的运用

（1）工程概况。在进行前馈式智能模糊控制系统的运用的过程中，笔者借助位于渝合高速公路的北碚隧道的通风控制为例展开相关的叙述。该隧道全长为4025 m，隧道的净空面积为63 m2，限定车速60 km/h，而单向的交通量则是为1610辆/小时。[7]

（2）控制目标。为了确保北碚隧道的正常运行，在工程建设的过程中，对隧道内的空气污染进行了一系列的目标控制。隧道的烟尘VI允许浓度为k=0.007 m-1，一氧化碳CO的允许浓度则是250 ppm，隧道内部的TW风速则需要控制在10 m/s以下。

（3）控制周期以及设备。一般而言，控制周期的长短会对隧道的通风效果以及风机的使用寿命都会产生不同程度的影响。从理论上来说，控制周期越小，其精度就越高。基于此，相关的工作人员在实际的作业过程中，将前馈式通风系统中的控制周期设定为10 min。

在进行通风控制的过程中，主要采用了：CO/VI检测器、车辆检测器以及射流风机等设备，从而以此为基础确保控制作业质量的提高。此外，在实际的控制作业过程中，技术人员依照相关的流程进行通风的控制作业，具体内容见图2。

图2 前馈式智能模糊控制系统构成

（4）前馈式智能模糊控制系统使用效果。在进行前馈式智能模糊控制系统使用效果分析的过程中，笔者采用MATLAB模糊逻辑工具对相关设计进行了分析，并绘制了ΔCO在50 ppm时的控制输出曲面。通过对于图3进行分析可以得知，该系统在运用的过程中能够有效的实现对公路隧道通风控制，促进隧道烟尘的有效排放。

图3 ΔCO在50ppm时的控制输出曲面

4 结语

通过相关的分析，我们了解到了公路隧道通风自动控制的四种方法（固定程序控制法、反馈控制法（FB）、前馈控制法（FF）以及前馈式智能模糊控制法），并借助渝合高速公路的北碚隧道的通风控制了解到了前馈式智能模糊控制系统的具体操作。笔者认为，随着相关技术的发展以及措施的落实到位，我国的公路隧道前馈式通风系统必将获得了长足的发展，并由此促进相关经济效益以及社会效益的双丰收。

[1]何川，李祖伟，方勇，王明年.公路隧道通风系统的前馈式智能模糊控制[J].西南交通大学学报，2015（5）：575-579.

[2]何川，王明年，方勇，李祖伟，李海鹰，张太雄，彭建康.公路隧道群智能联动控制技术的现状与展望[J].现代隧道技术，2015（S1）：62-66.

[3]金朝辉，方勇，张玉春，何川.鹧鸪山隧道工程机电设备智能监控及维护管理一体化软件研制[J].隧道建设，2013（2）：140-142.

[4]陈雪平，胡刚，曾盛，邵于宁，傅惠.公路隧道前馈式模糊通风控制系统及仿真[J].交通与计算机，2015（4）：78-83.

[5]何川，李祖伟，王明年，方勇，金朝辉.公路隧道群及毗邻隧道智能通风照明与灾害救援联动控制技术研究[J].公路隧道，2014（3）：53-56.

[6]丁全卫，何世龙.长大公路隧道前馈式智能模糊通风控制系统原型设计研究[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