公路隧道通风优化设计与控制

郑 方

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

0 前 言

隧道是高速公路建设中常使用的一种结构形式。但公路隧道因为封闭性的关系，内部聚集较多有害气体，需要做好通风换气，以免对内部环境及驾驶员构成威胁。本文从一氧化碳浓度、烟尘浓度排放量、稀释量等计算角度出发，优化隧道通风设计方案，并给出合理的管控措施。

1 隧道通风方式

当前，从隧道长度、通车辆、车速等方面展开综合分析，可将公路隧道通风方式划分为以下几种。

1)自然通风。利用自然风及汽车隧道行驶中的活塞效应达到隧道内部气流流通的目的。不过该方法对于短线路隧道有显著效果，较长隧道并不适合。

2)纵向通风。纵向通风分为两种，射流风机纵向通风和竖井送排风纵向通风。前者借助射流风机的高速运转实现隧道内部空气流动，利用风压的变化加快空气流动速度，将隧道内部有害气体及时排出；后者会在中心区域内建设竖井，利用风机作用将隧道两端空气集中到中心竖井区域内，利用竖井内部的排风机达到促进空气流通和转换的目的。

3)半横向通风。该通风模式以送风半横向和排风半横向这两种为主，设计中会集中将风机设置在送风或排风通道内，借助风机和风井的作用实现隧道内空气的流通，排出污染气体。该方式具有维修效率高、运营管理难度低的特征。

4)横向通风。横向通风直接将外界空气通过送风道送入隧道内部，使其与隧道内部的污染气体融合，再经过排风道排出。在该模式设计中，要对空气穿过截面及风道加以科学设置，以保证通风效果。

2 隧道通风设计

本文重点论述纵向通风设计。纵向通风设计具有造价成本低、使用范围广的特征，射流风机的操作能够稀释隧道内一氧化碳和烟尘的浓度，且不会产生较大的能源损耗。

2.1 机械通风应用的判断

对于双向隧道工程来说，是否采用机械通风方式需要对界限值加以科学分析，界限值在600 km·辆·h-1以上时可采用机械通风。如果界限值在600 km·辆·h-1以内，则要采用自然通风。为计算界限值，需要掌握隧道长度及高峰期平均车流量。

2.2 风机作业原理

在射流风机纵向通风模式下，保障风流稳定性的同时，射流风机产生的风压与隧道内自然风、阻力之间应保持平衡关系，关系表达式为：

ΔPr+ΔPn=ΔP+ΔPt

(1)

式中，ΔPr为隧道阻力；ΔPn为自然风；ΔP为射流风机风压；ΔPt为交通风。明确其关系后要根据隧道实际情况设计射流风机，确定风机使用数量。首先，实施风机压力参数的量化处理，公式为：

(2)

式中，P为每立方米的空气密度；Vr为风速；ξe为入口处阻力；λr为摩擦阻力系数；L为隧道总长度；Dr为通行道路截面中当量直径。

(3)

(4)

式中，Ar指的是行车空间断面积；Vt为车速；n代表汽车台数；Ae为汽车等价阻力面积；Ac为汽车当量阻力面积。其中汽车等价阻力面积的计算以Ae=Ac×ξc实现，ξc为隧道内阻力系数。

(5)

式中，Vn为自然风速。

2.3 需风量计算

需风量的计算可准确了解隧道内需要稀释的有害气体含量，并计算出需要的新鲜空气量。掌握需风量数值，对于风机最终数量的确定也有一定作用。计算中，先要了解隧道中一氧化碳排放量Qco。通常情况下，每辆车每千米排放量设定在0.01 m3左右；获取车况系数fa、车密度系数fd、车型系数fm；同时考虑到纵坡上的车速系数fiv及车型类别n，以及不同车型的设计交通量Nm。利用下式完成计算，得出准确数值。

(6)

另外，计算稀释一氧化碳的需风量Qreq(CO)。结合标准大气压强P0、设计气压参数P、气温系数T0及夏季气温参数K。通常情况下，大气压每平方米在101.325 kN、标准气温为273 K。利用式(7)计算最终数值。

(7)

之后获取烟尘排放量参数，利用以下公式计算得出：

(8)

公式中，qVI为烟尘基准排放量；fa(VI)为考虑烟尘车况系数；fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数；fm(VI)为考虑烟尘的车型系数；fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡—车速系数；nD为车型类别数。最后计算烟尘稀释的需风量。公式为：

(9)

式中，K为烟尘浓度。

2.4 风机数量及布置

(10)

公路隧道通风优化设计中，为发挥射流风机纵向通风方式的作用，及时将隧道内的有害气体集中到风口位置排出，一般会沿着隧道纵向位置，根据有害气体浓度科学设置射流风机。

3 基于模糊控制理论的隧道通风控制

公路隧道通风控制最常使用的方式为集散通风控制，利用检测器对隧道内CO和烟尘含量加以测定，将测定内容以信号形式传输到控制器内，借助计算机的管控，了解隧道内部空气质量，确定是否开启通风装置，之后利用通风控制装置开启相关设备，采用控制CO和烟尘浓度的方法，提高控制器对隧道内污染气体的敏感性。模糊控制本质上是基于语言规则的仿人智能控制。笔者提出将模糊控制理论应用在隧道通风控制系统中，为产生通风控制程序设计模糊控制规则表提供思路。

3.1 模糊输入与输出变量控制

输出变量可等同于风机数量，架设风机数量为20。按照规定要求，CO及烟尘的允许浓度分别为：正常通车情况下，CO浓度控制在150 ppm，高峰时段内浓度为250 ppm；烟尘正常情况下在0.007 5 m-1，高峰时段在0.009 m-1。

3.2 变量模糊化

1)论域变换。论域变换是将输出变量的论域转变成模糊控制器能够识别的论域。如果在变换中发现论域较为零散，这时可利用{0,±整数}表示论域离散化，以{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}代表离散论域。当一氧化碳浓度值在150 ppm以上时，要求控制系统开启风机，进行空气流通。当浓度在250 ppm以上，且已经持续15 min以上，则需关闭隧道，全面清理后再开启。

以150为核心值，250作为不可超过的最大值，按照对称性，最小值设定在50，这时论域范围为[50,250]，再结合离散论域的取值，计算比例因子：R1=[6-(-6)]/(250-50)=0.06。故最终内部论域为：m1=R1×[k1-(250+50)/2]。其中m1为内部论域值，k1为真实论域中某一精确值；烟尘浓度的真实论域也可采用上述方式计算，最终的比例因子为R2=[6-(-6)]/(0.009-0.006)=4 000。内部论域为：m2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2为内部论域值，k2为真实论域中某一精确值，R2为比例因子。

2)模糊变量。模糊变量是对选取的变量进行语言分档，增加语言分档数量，加强控制效果。目前常见的语言分档有{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。

3)隶属函数。模糊语言变量中的隶属函数一般以三角形梯形等模糊子集为主，目的是提高输入变量识别的灵敏度，减少偏差。在数值表示中，会采用图形、表格或公式的表示方式。

3.3 模糊系统控制要求

要求以自然语言形象实行准确描绘，通过模糊数学处理工具建立关系模型，形成完善的规则库。规则库内所有规则均采用并列关系表达，且每一个模糊条件均能控制一种情况。

3.4 模糊推理

模糊推理是对模糊条件下描绘的输入和输出关系作相应说明，并构建完善的模糊关系，结合这些关系条件，利用专业软件，计算和判定模糊关系，之后录入到模糊子集中来，为后续工作提供依据。采用的计算公式为：

fengjiij=(COi×VIj)·R

(11)

公式中的COi和VIj分别为一氧化碳和烟尘浓度。

3.5 模糊判决

模糊判决分为两种情况：一是解模糊，是利用面积法、隶属度法、重力法、加权平均法在模糊集合中找出清晰量值作为最终判决标准；二是论域反变换，是解模糊得出的相关数值以内部论域的方式加以转换，并直接影响到系统控制的一种方式。

4 结 语

希望本文论述对相关人员有所帮助，进而全面了解模糊控制理论的隧道通风控制，提高公路隧道通风设计和控制水平，保证公路隧道的正常使用，维护行车安全。

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