（载运工具运用工程专业论文）公路隧道通风节能技术研究.pdf

摘要 随着2 0 0 4 年1 2 月“7 9 1 8 ”国家高速公路网的实施，目前高速公路路网建设 进入了高峰时期，随之投入运营的公路隧道也将不断增加长大隧道的能源消耗 惊人，一年的电费动辄数千万，运营能耗压力巨大。在通过几千米的隧道过程中， 如何在保证隧道内安全行车的条件下最大限度的节约能耗，已经成为公路交通领 域目前面临的严峻问题。 由于隧道内的环境参数( c o 浓度，烟雾浓度，风速等) 主要受交通流量， 行车种类和气候条件的影响，这些因素都是随机变化的，很难建立准确的数学模 型，一般基于准确数学模型的控制方法很难应用，另一方面高速公路隧道通风控 制只要求c o 浓度和烟雾浓度不超过某一个设定值，对纵向通风的射流风机一般 采用分级控制的方法，也达不到节能的目的。鉴于此，考虑在公路隧道通风中引 入混合式控制的方法。该文选取了同三、京珠国道主干线绕广州公路东环段的龙 头山隧道作为研究对象，探讨混合式控制在隧道通风系统的应用。隧道通风控制 系统的设计需要建立在大量的实验数据上，因此在探讨隧道通风节能控制之前， 基于隧道通风控制系统对龙头山隧道在典型运行条件下( 正常工况，全长阻塞工 况) 不同的车流量对隧道环境参数的影响进行分析，以求解相关的数据。通过分 析得出隧道内的污染物浓度的变化规律，这些规律都将成为设计节能控制器的基 础；并对风机动叶可调与变频通风控制适应性进行了研究，通过理论研究风机方 面节能的途径，经过推算及实验验证发现，本论文提出的方式方法能很好的实现 隧道通风节能的目的。 关键词：公路隧道；交通量预测；通风系统；混合式控制；节能 a b s t r a c t c m 1 t l yt h ec s t a b l i s l a m e n tf o rh i g h w a y i n t e m e ti sc o m i n gt ot h ep e a kp e r i o da s t h e 9 1 8 ”n a l j o nh i g h w a yr o a di n t e r a e th a sc o n d u c t e d 砒2 0 0 4 1 2 a tt h es 蛐ct i m e r o a dt u n n e lw i l li n e r e a 舶c o n t i n u a l l yi nc h i n a t h es u r p r i s e de n e r g yi sc o n s u m e df o r t h el o n ga n dl a r g et u n n e l s m i l l i o l l $ o fd o l l a r sh a sb e e nu s e du p 砒e a c hy e a r 髓e p r e s s u r eo fn m n i n ge n e r g yc o s ti sv e r yl a r g e h o wt om a k e 锄mt h a tt h ee n e r g y c o n s u m p t i o ni s s a v e d8 sm u e l a 勰w ec a nw h c nt h ev e h i c l e sa i eg o i n gt l a r o u g h t h o u s a n d so fm i l e st u n n e ls a f e t y ? i ti st h es e r i o u sp r o b l e mw h i c ht l a er o a d 衄m cf i e l d h a st of a c ea ta l lo f t i m e i t sv c t yh a r dt o 啾u pt h ep r e c i s em a t hm o d e lb e e a u s ct h ec i r c u m s t a n c e c o e f f i c i e n t s ( c 0c o n c e n t r a t i o n ，f o gc o n c e n t r a t i o n ，w i n dv e l o c i t ya n d8 0o n ) i nt u n n e l a l c h a n g e dr a n d o m l yw i t ht r a f f i cs t r e a m v e l a i e l et y p ea n dc i , l l l a t ec o n d i t i o n i t sa l s o d i f f i c u l tf o rc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ee x a c tm a t hm o d e lt ob eu s e d o nt h eo t h e r h a n d 。f o rt h eh i g h w a yt u n n e lv e n t i l a t i o nc o n t r o l , i t sr e q u e s t e dt h a tt h ec oa n df o g c o n c e n t r a t i o ns h o u l dn o te x c e e dac , l e l t a i nt a r g e t c l a s s i f i c a t i o nc o n t r o lm e t h o da l w a y s i st a k e nf o rl o n g i t u d ev e n t i l a t i o nj e tf a n s b a 鲥o nt h a t t h eh y b r i dc o n t r o lm e t h o d w h i c hi si n t r o d u c e dt or o a dt u n n e lv e n t i l a d i sc o n s i d e r e d l o n g t o um o u n t a i n t u n n e la tt h et o n g s a na n dj i n z h un a t i o n h i g l a w a ym a i n l y s t r e a ma r o u n d g u a n g z h o ur o a dc a s tc i r c l es e c t i o ni sc h o s e n 雒t h es t u d yo b j e c t i v ea n dt h em e t h o d t h a th y b r i dc o n t r o la p p l i e st ot h et u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r 皿e t u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g ns h o u l db ee s t a b l i s h e do na m o u n to ft e s td a t a s o ， b e f o r es t u d y i n go nt l a et u n n e lv e n t i l a t i o na n de n e r g ys a v i n gc o n t r o l , t h ee f f e c tf o r d i f f e r e n tt l p a 街cf l o wo nl o n g t o um o u n t a i nt u n n c la tt h et _ e p r e s e n t a t i v ec o n d i t i o n ( n o r m a lc o n d i t i o n , f u l lt r a f f i cj a mc o n d i t i o na n df i r ei n e i d e l l e ec o n d i t i o n ) b a s e do nt l a e t u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e mi s 锄l a l y z c di n 优d 盯t og e tt l a ec o r r e s p o n d i n gd a t ai nt h i s p a p e r t h ca d j u s t a b l ep e r f o r m a n c ef o rt h ed y n a m i cl e a v e so ft l a e f a na n dt l a e a d a p t a b i l i t yf o rc h a n g e a b l ef r e q u e n c yv e n t i l a t i o nc o n t r o lh a v eb e e ns t u d i e di nt l a i s p a p e r b ys t u a y i n gt h ee n e r g ys a v i n gw a yi nt h e o r y aw a yt ov e n ta n d 戳1 wt l a e e n e r g yh a sb e e nr a i s e db yt h ea u t h o r w ef i n dt h ev e n d l a t i o na n de n e r g ys a v i n gt a r g e t f o rt h et u n n e lc a l lb ea e l a i e v e ds u c c e s s f u l l yb yt h i sw a ya f t e ft h ec a l c u l a t i o na n dt l a c t e s tv e r i f i e a d o n k e yw o r d s ：r o a dt u n n e l ；t r a f f i cs t r e a mf o r e c a s t ；v e n t i l a t i o n ；h y b r i dc o n t r o l ；e n e r g y s a v i n g 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：厉童乞、 日期： 矿7 年j 月妒日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 指导教师签 日期： 驴7 蓐 序谚 日 砖 名堑 ； 者 年 作 7 文 口 论 ： 位 期 学 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出及选题意义 随着我国高速公路的迅猛发展以及在高等级公路建设中取得了巨大的成就， 截止目前已建成的公路隧道超过2 5 0 0 座，由我国自行设计施工的高速公路特长隧 道秦岭终南山公路隧道单洞延长达到1 8 0 2 k m ，里程居世界第二，这些隧道工 程的建设实践表明，我国公路隧道建设已经进入了快速发展的新时期。但与此同 时，如何充分发挥高等级公路“安全、高效、节能”的优势则给我们带来了新的 课题和压力长大隧道的能源消耗惊人，一年的电费动辄数千万，运营能耗压力 巨大。因汽车在隧道内行驶时排出的废气和卷起的尘埃会妨碍行车安全和对人体 造成危害，同时由于长大隧道的特殊结构和环境条件又极易造成行车堵塞和诱发 重大交通事故。为保证车辆在隧道内快速安全行驶和良好的行车环境，需对隧道 进行运营通风。公路长隧道采用何种通风方式主要考虑隧道的长度和交通条件， 同时考虑气候、环境、地形和地质条件，选择既有效又经济的通风方式。 对于长大公路隧道的运营通风方式，国外从上世纪年代，国内从9 0 年代 己基本从全横向方式或半横向方式演变到纵向通风方式，它目前己成为我国长大 公路隧道运营通风的主流形式。但在通风控制方面，与横向式通风方式相比纵向 通风控制变得十分复杂。 长大公路隧道纵向通风控制方法的选择，直接影响行车安全性、舒适度及营 运电力耗费。在选取最优通风控制方式确保通风需求后，如何做到尽可能地降低 建设及运营费用已成为一大严峻问题，而目前国内外对这方面的研究甚少。对于 我国能源不足的情况，这已成为亟待研究和解决的问题。 本论文“公路隧道通风节能技术研究”就是围绕 国家中长期科学和技术发 展规划纲要的要求，通过对通风控制参数、通风工况、通风系统等进行研究， 提出通风节能方法。这对于提高经济效益及我国公路隧道高新技术应用水平具有 重要的意义。 1 2 研究背景 对于我国人口众多，资源有限，能源日益紧张的局面，国家提出了全民共同 节约的号召，节能已成为我国当今鲜明的时代主题。本论文研究的背景也正是在 这样的情景下产生的。主要体现如下： ( 1 ) 能源危机成为制约发展的一大严峻问题； ( 2 ) 中国高速公路隧道建设迅猛发展的需求 第1 章绪 论 ( 3 ) 落实国家的能源规划，响应建设节约型社会的需要； ( 4 ) 提高隧道安全运营效益的重大举措。 安全、环保、高效、节能作为公路工程建设追求的目标，在公路隧道运营管 理中尤显突出。公路隧道作为道路的特殊构造物，运营费用高。为了保证行车环 境条件，通风与照明成为长大公路隧道运营必不可缺的基本设施。对隧道较多的 广东、福建、浙江、重庆等地隧道管理部门的调查表明，通风与照明费用已成为 公路隧道运营中的一笔沉重负担。 开展公路隧道通风节能技术的研究，是形式的需要。本文的研究可以优化高 速公路隧道机电工程建设的实施方案，有效的提高道路运营安全、降低高速公路 隧道运营成本，具有重大的社会效益和经济效益。 1 3 国内外研究现状及存在的不足 1 3 1 公路隧道通风方式的发展 1 ) 国外发展状况 目前国外n 1 采用的公路隧道通风设计方案有纵向通风、横向通风、半横向通风 和混合型通风。在上世纪8 0 年代前，欧洲以横向通风为主，日本以纵向通风为主。 8 0 年代后，纵向通风成为公路隧道的主要通风方式。在通风标准方面，各国不一， 美国仍以4 0 0p p m1 5 分钟和3 0 0p p m2 0 分钟作为卫生标准。 公路隧道发展的初蝌习，多是依靠自然通风或交通风进行通风的，这就是最早 形成的纵向通风系统，这也是由当时的社会经济、技术条件所决定的。例如，英 国的罗瑟利瑟( r o t h e r i t e h ) 公路隧道虽然己长达1 9 1 3m ，但当时通过的汽车数量 较少，因而无需设置正规通风，单纯的自然通风就已经足够了，但当隧道超过一 定长度后，仅仅依靠自然通风或交通风就不够了，需要安装机械通风设备，以稀 释或排出汽车排放的废气，这样，在2 0 世纪2 0 年代以后修建的隧道中，大都采 用机械通风方式。1 9 2 7 年通车的美国纽约霍兰( h o l l a n d ) 隧道，就是世界上第一 条设置机械通风系统的公路隧道。 在公路隧道机械通风方式中，最初采用的是全横向通风方式，最早成功应用 这种通风方式的是荷兰隧道，采用盾构法施工，圆形横断面，把行车道下部弓形 空间作为送风道，上部加设吊顶板，其弓形空间作为排风道，设计了将气流从下 部空间流经隧道后送入上部的排风道的全横向通风方式，显然这种通风方式要求 隧道横断面较大，容易获得管道空间才能采用。为了减少隧道横断面积，节省工 程投资，因而出现了采用一条风道和隧道相组合的折中通风方式，即所谓的半横 向式通风。1 9 3 4 年，英国的默而西隧道( 3 2 2 6m ) 首先采用了半横向式通风，随 2 第1 章绪论 后在许多长度不太长的公路隧道中，都采用了这种通风方式。还有当时已建的短 小隧道，最初依靠自然风就可以满足要求，但随着交通量的显著增加，需增设通 风设备，在不可能设置专用的管道的情况下，于是就采用了纵向通风方式。 在日本，公路隧道通风的研究较晚，但通风方式发展情况类似。1 9 5 8 年关门 隧道( 3 4 6 1m ) 成功采用全横向通风方式是日本在公路隧道通风研究的新起点， 之后，在天王山隧道( 1 4 3 5m ) ，采用了半横向通风方式。因为单向行驶可利用 汽车交通风，纵向通风方式就出现在高速公路的隧道中。自关门隧道通车以来的 2 0 年内，通风方式由全横向式，向纵向式和更经济的简单方式发展，但在长大隧 道中采用纵向通风方式，将引起车道内气流速度增加等问题，这些问题没有及时 解决，因而一些隧道还不得不采用全横向式，如惠那山一线隧道( 8 4 8 9m ) ，屉 子隧道( 4 4 1 7m ) 等。2 0 世纪7 0 年代，就在这两座隧道施工过程中，出现了石油 危机，无论是通过车辆数还是长度不断增加的拟建隧道，都需要重新评价新的通 风方式，于是开始讨论长大隧道能否采用以节能为重点的纵向通风方式。例如， 1 9 8 4 年已建成通车的关越一线隧道( 1 0 8 8 5m ) 就采用了静电吸尘、竖井送排风式 通风方式，随后，纵向通风方式的研究在日本得到飞速发展，其中，坂梨隧道( 4 2 6 5 m ) 和各务原隧道( 3 0 5 0m ) 采用了全射流的纵向通风；1 9 8 8 年通车的福知山隧 道( 上行3 5 9 0 m ，下行3 5 9 7 m ) 和予不知隧道( 4 5 5 7 m ) 采用了静电吸尘的纵向 通风方式；1 9 8 9 年、1 9 9 1 年分别通车的米山隧道( 3 1 5 4 m ) 、关越二线隧划习( 1 0 9 2 6 m ) 采用了静电吸尘、竖井送排风式的纵向通风，等等。由于纵向通风显著的经济 效益，据不完全统计，8 0 年代起，日本修建的隧道几乎都采用各种类型的纵向式 通风系统。 2 ) 国内发展状况 我国对公路隧道通风的研究起步较晚 4 1 ，也经历了最初的全横向、半横向向分 段纵向通风逐渐过渡的过程。 大溪湖雾岭隧道首次在我过采用竖井送排式纵向通风，通过对它的实验研 究，填补了国内在该领域的空白。 黄浦江隧道( 2 7 6 1 m ) 和梧桐山上行隧道( 2 2 6 0 7 m ) 采用了全横向式通风； 梧桐山下行隧道( 2 2 7 0 4 1m ) 采用了全射流纵向通风；木鱼槽隧道( 3 6 0 0m ) 采 用了轴流风机竖井排出与射流风机相结合的纵向通风方式；成渝高速【5 】公路上的 两座特长隧道一中梁山隧道( 左线3 1 6 5m ，右线3 1 0 3m ) 和绪云山隧道( 左线2 5 2 8 m ，右线2 4 7 8m ) 大胆变更半横向通风为射流纵向通风，取得了显著的经济效益， 继而在国内得以迅速而大规模的推广。目前己建和在建的公路隧道，如华莹山隧 道( 4 7 0 6m ) ，尖山子隧道( 4 0 2 0m ) ，牛朗河隧道( 3 9 2 2m ) ，潭峪沟隧道( 3 4 0 0 m ) 等均采用了射流纵向通风方式。目前国内在建的最长公路隧道一秦岭终南山隧 3 第1 章绪论 道( 1 8 0 0 4 m ) 也拟采用竖井分段式纵向通风。 此外，一些省围绕隧道通风，开展了课题研究，这些成果 6 1 主要包括： 规范方面：根据交通部公路( 9 4 ) 1 2 6 5 号文通知，由重庆公路科学研究所为 主编单位，重庆交通学院为参编单位，并邀请有关技术专家，组成公路隧道通 风照明技术标准编制组，在我国现有的经验基础上，借鉴国外公路隧道的成功 经验和先进技术，于2 咖年1 月编制并颁布了公路隧道通风照明设计规范 ( j t j 0 2 6 1 - 1 9 9 9 ) r 7 】公路隧道通风照明设计规范的颁布，结束了我国( 2 0 0 0 年以前) 主要遵照公路隧道设计规范( ，u 0 2 6 - 9 0 ) 来设计隧道通风的阶段， 使得隧道通风设计有了更新的参考依据。国家、交通部、公安部己颁布实施了与 公路隧道机电系统相关除公路隧道通风照明设计规范以外，还有高速公路 隧道监控系统模式、火灾自动报警系统设计规范、火灾自动报警系统施 工及验收规范、公路通讯技术要求及设备配置总则、 高等级公路紧急电 话和技术要求等，近年交通部公路司、科技司进一步加强了标准与规范的编制 和修订工作，公路隧道交通工程设计规范、 公路隧道环境检测设施技术条 件、公路隧道照明设施技术条件、公路隧道火灾报警系统技术条件、 公路隧道区域控制器技术条件等标准与规范也即将实施，隧道机电系统标准 与规范正在逐步完善。 秦岭终南山特长公路隧道控制系统的构思和模型实现旧，首次实现采用前馈式 模糊通风控制法进行隧道通风控制，该控制法将大大提高风机的有效开启，减少 风机的无用作为，通过仿真计算可以降低3 0 - 4 0 的运营电费。针对秦岭终南山特 长公路隧道提出了一整套控制方案，并以模型的形式模拟演示实现，为国内公路 行业公司全面承建和实施这样特长隧道的控制系统提供理论和实验上的有利支 持。隧道模型虽然不能完全模拟实际隧道的全部情况，但对于秦岭终南山这样的 公路特长隧道，国内尚没有实际的控制经验，国际上也仅有为数不多的几条，因 此，搭建这样的模型，对隧道的控制方式作一些模拟控制和研究，尤其是像前馈 模糊控制等国际、国内的先进控制算法获得大量的实验数据，有非常积极的作用。 山西新原高速公路建设有限责任公司和山西四和交通工程有限责任公司共同 完成的“大运高速公路雁门关隧道监控系统”。在充分考虑实际运营中交通运输 的车辆特征及通行时段特征，进行了小样本事件灰色理论预测试验，实现了模糊 控制算法的多模态通风控制。在隧道险情定位上首次应用了视频监测识别技术自 动定位险情故障，提高了系统对紧急状态的反应速度。应用先进的o p c 技术将控 制系统中的各种设备互联，提高了控制系统的可靠性。 长大公路隧道前馈式通风系统及隧道机电智能监控技术研究。在国内首次长 大高等级公路隧道内的机电设备控制智能化、组态化、综合化和网络化技术，是 4 第1 章绪论 部分领域国际领先、总体具有国际先进水平的高水平研究；以智能通风控制为主 体，可解决大幅度降低隧道营运通风的电力耗费与车辆在隧道内安全行驶及预防 重大火灾发生的一系列技术难题；以具体工程为依托，研究成果直接在依托研究 工程的设计施工中应用，进行工程示范后可在大范围推广。 大宝山隧道设计为双洞三车道单向行车隧道，隧道内净空宽1 4 0m ，净高8 9 m ，净空断面积为1 0 8 9m l 。左洞全行长1 5 8 5m ，右洞全行长1 5 6 5m 。隧道通风 系统采用射流纵向式通风，左右洞各安装3 组( 6 台) s 堋1 2 4 3 0 射流风机( 风 机直径为1 1 2 0m m ) 。通过实测大宝山隧道射流风机启动后通风量的变化过程及 稳态值，进行数值仿真，并借鉴了一些运营隧道通风控制的经验，认为单向交通 隧道纵向通风控制应采用下述模式：( 1 ) 按设计行车速度正常运营时，对中、长 隧道，一般可不开风机，由汽车行驶产生的交通通风力( 活塞风) 将隧道内的一 氧化碳及烟尘排出隧道。( 2 ) 隧道内交通出现阻滞时，根据隧道内一氧化碳浓度 和烟尘浓度，分级开启风机将隧道内一氧化碳浓度及烟尘浓度控制在标准值内。 当阻滞段( 长度不宜大于1l a n ) 的平均c o 浓度达到3 0 0p p m 、且经历时间达2 0m i n 或烟雾浓度达到0 0 1 2m 1 时，应采取交通管制等措施，甚至关闭隧道。( 3 ) 隧道 内发生火灾时，关闭隧道，禁止车辆驶入，并开启风机，以2 3 m s 的风速，按 车行方向将烟雾排出隧道。 总之，先进的工程技术t 9 j 和管理手段推动了节能的纵向通风方式的采用，隧道 运营通风方式逐步向纵向通风方式发展，而现阶段在节能方面的研究尚不足将造 成能源的浪费。 1 3 2 公路隧道通风控制的发展 1 ) 控制方式【1 明 隧道通风控制方式可分为手动控制、自动控制( 实时控制) 和基本控制( 时 序控制) 三种。 手动控制方式的特点是简单、操作灵活，操作员可根据采集的检测数据( c o ， 检测仪、线圈等) 和控制系统的相关提示，单独控制风机的启停。但手动控制 需要耗费大量人力，而且不能实现最优控制，因此手动控制主要作为特殊情况下 的应急控制。在某些检测设备发生误报的情况下，手动控制比自动控制更准确、 更有效。手动控制可分别在中控室和隧道区域控制器上完成，隧道区域控制器上 的手动功能主要用于维护。 自动控制方式的原理是系统把采集的检测数据传送到中控计算机上，中控计 算机根据预先设定的控制模型进行滤波、预测、计算，得到通风系统的状态值， 进而计算出相应的控制动作。自动控制的关键是应用准确的控制模型，一般情况 5 第i 章绪论 下，隧道不同控制模型也不同，控制模型要根据隧道的实际参数，包括隧道的形 状、长度、交通流量和组成、气候等来制定，并需要在现场进行检测来不断的调 整完善。 基本控制方式是系统运行一段时间后，根据积累的经验，得出系统状态依时 间变化丽变化的规律而得到的控制方式此控制方式只能在以往经验的基础上控 制，存在控制滞后的问题，对变化的应激性差，不能作为系统正常情况下的主要 控制方式。 这三种控制方式互为补充，各自应用于不同的场合。在系统故障或进行维修 期间可采用基本控制方式，若无基本控制方式时，也可采用手动控制方式，在系 统检测设备误报频率比较高或检测数据不准确时，采用手动控制方式。正常情况 下，则采用自动控制方式，减少人力、物力，节约能源。 2 ) 控制方法 根据采用的设备：可分为变频控制与动力可调控制。 根据采用的控制参数，可分为直接控制法、间接控制法及混合型控制法三种 方式。 通风控制和通风方案有关。就通风方案而言，主要有纵向、横向、半横向及 混合型等多种通风形式；而通风控制方案按系统控制概念讲，有集中控制和独立 控制( 分散型) 等形式。由于通风控制涉及到异常确认，所以，一般采用集中控 制。这时主要有 ( 1 ) 直接控制法 所谓直接控制法，就是通过分布在隧道内各点的c o 检测仪和能见度检测仪直 接检测行驶车辆在洞内排放出的烟雾浓度和c o 浓度值，通过计算处理后，给出控 制信号，启动控制分布在隧道内相应点的风机，供给新鲜空气量，达到稀释c o 和 烟雾浓度的目的，并将有害物质引出洞外，以达到隧道规范所要求的环保标准。 a 控制流程 日区丑叫 匡丑咽 图1 1 控制流程图 从图1 1 可以看出，风机的控制直接与( 2 0 、v i 值有关，控制软件编程也较简 单。 例如，七十年代，德国新易北河隧道采用的就是直接控制法，它一方面根据 设计交通量得出一天内需要通风量的营运图，确定初始运行的风机台数，另一方 面以c o 和煤烟透过率监测的实时测量值来实现运营时通风的调节。 6 第1 章绪 论 b 控制方案 本方案的主要设备是由控制中心计算机系统、区域控制器、c o 检测器、能见 度检测器、风机控制柜及风机构成。控制方案如图1 2 所示。图中计算机系统是一 个与其它系统共用的系统，如交通控制子系统、照明控制子系统、c c t v 系统等。 而下端设备在隧道内布设的数量视隧道长度而定，其中区域控制器亦是与其它系 统共用的设备。而隧道内的c o 和检测器一般按照3 0 0 5 0 0 m 间距布设，由于 c o 和烟雾在隧道内各点分布不均，一般随车辆行驶方向随着距离的增加呈上升趋 势。因此，c o 和检测器布设应是不均匀的，隧道愈长布设的数量就愈多。 图1 2 控制方案图 目前，这类设备尚需从国外进口，价格较贵，投资大。但该方案由于直接检 测c o 和烟雾信息，控制方式简单、直接。因此，国内许多隧道较普遍采用这种方 案。 ( 2 ) 间接控制法 由于c o 和烟雾主要是行驶在隧道内的车辆所致，与交通流量、车辆速度、车 辆构成密切相关。因此，试图通过检测交通参数分析和计算出c o 和烟雾的排放值， 而取代昂贵的c o 和检测器，降低投资和维护成本。这种用交通参数控制通风 的方法，我们称间接控制法。间接控制法可分两类：一类为宏观间接控制法，一 类为微观间接控制法。 宏观间接控制法 所谓宏观间接控制法就是交通量和速度检测加主观经验交通预测( 包括车辆 构成比例) ，根据检测和预测的参数进行计算处理，粗略地计算出c o 、v i 值， 再与设定的标准值进行比较，确定实施通风控制。 7 第1 章绪论 a 控制流程 从图i 3 中可以看出，交通量预测可分为短期和长期两种方式，预测精度与主 观经验及预测模型有关。但车辆的排污计算不仅与车速、交通量有关，而且与车 辆构成极其相关。本方案并不检测车辆的分类，这就是方案的宏观概念所在。 图1 3 控制流程图 b 控制方案 本方案的主要设备是由控制中心计算机系统、区域控制器、交通检测器、风 机控制柜及风机构成。控制方案如图1 4 所示。 从图中可以看出，该控制方案建立在交通参数检测基础上，再加上预测分析 及计算机处理，因此，控制精度比直接控制方案差，但方案中的车辆检测器又是 隧道控制系统中的交通控制子系统必备的设备，又为通风控制系统所用，是一举 两得的事情。方案具有投资省，经济性好等优点。 微观间接控制法 宏观间接控制法虽然有它自身的优点，但由于方案中的车辆构成是基于经验 预测，并不是直接通过车辆检测器获得。微观间接控制法的核心就是通过车辆分 类检测装置，在检测交通量和车速的基础上，同时把各种车辆分成不同的类型检 测出来，目的在于减少c o 和的计算误差，提高通风控制精度。 8 第1 章绪 论 图1 4 控制方案图 a 控制流程 本方案的控制流程基本与图i 3 所示相同，只要在图1 3 中的“车速、交通量” 框中加上“车型”检测即可。从控制流程中可以看到，间接控制法的控制软件要 比直接控制法复杂一些。 b 控制方案 方案的控制框图与图1 4 所示基本相同，其设备配置只要将图1 4 中的车辆检 测器框换成“车辆分类检测装置”即可，其它硬件设备完全相同。这里需要说明 的是，微观间接控制法控制精度虽然高，有它科学合理的一面，但由于我国的车 辆构成比较复杂，车况差，车辆的排放存在较大差异。车辆分型检测技术目前在 我国尚不成熟，在高速公路收费系统中也是一个有待解决的问题。因此，该方案 的实际应用将受到极大的限制。随着科技的发展，这一问题将会得到解决。 混合型控制方案 本方案是上述两种方案的组合形式。在一个要求高的完整隧道控制系统中， 不仅包括通风控制子系统，而且还包括交通控制子系统、照明控制子系统、c c t v 子系统等。这些子系统相辅相成，可互相配合使用，极大限度地发挥各子系统的 功能。如在交通控制子系统中，必需使用的车辆检测器就可以应用在通风控制子 系统中，c c r v 屏幕上清晰度也可起帮助通风控制辅助决策的作用。这是混合型控 制方案的一个重要特点。 a 控制流程 从控制流程图1 5 中可以看出，它是控制流程图1 1 和图1 3 的组合形式，控 制程序相对比前两种方案复杂得多。 9 第1 章绪论 图1 5 控制流程图 b 控制方案 上面已提到混合型控制方案是前面两种方案的组合，就主控制设备而言，这 三个方案都是共有的，所不同的是在检测手段上。因此，混合型控制方案也可以 说是前面两种检测手段的组合，如控制方案图1 6 所示。 图1 6 控制方案图 通风与隧道长度、交通量、车速及交通状态息息相关，隧道越长、车速越低， 道路使用者吸收的有害气体就越多。但目前大多数隧道都是，仅以c o 浓度和能 见度作为通风控制指标，这显然是不科学的，而且，从实际使用来看，环境检测 设备在很多隧道应用都不是很好，设备容易坏，不稳定，这可能因为隧道的应用 1 0 第1 章绪论 环境太差的原因。根据公路隧道通风照明设计规范，通风控制有四个指标， c o 浓度、能见度、车辆隧道内的持续时间和交通拥挤时的排队长度，因此，通 风控制除过对控制方法研究外，还应考虑控制指标对系统的影响，即系统可靠性 和稳定性问题。 1 3 3 存在的不足 截止目前，隧道通风存在的主要问题表现在： ( 1 ) 国内外对于隧道通风节能研究甚少； 现行的控制方法大多数都是采用最大浓度法，即只要环境参数达到临界值就 增开风机，小于临界值就减开风机，这种方法达不到节能的目的。 ( 2 ) 通风控制系统可靠性低； 在环境检测设施( c o 浓度检测器、能见度检测器及风速计) 出现故障时无法 进行控制。 ( 3 ) 控制模型精确度不够： 在通风设计时，沿程阻力系数等都是假定的，不同的隧道，由于墙壁光滑程 度不同，通风损失不同。不按照实际情况进行通风控制，必然造成通风浪费或通 风不足。 1 4 本文所研究的内容 为达到研究的目的，在通风方式确定的前提下，为确保营运通风系统的安全、 经济、合理，最终确定本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 交通量预测； ( 2 ) 通风控制模型； ( 3 ) 动力可调与变频通风控制适应性； ( 4 ) 隧道通风节能控制。 研究方法采用理论分析以及数值分析。首先从系统的角度对动力可调与变频 通风控制适应性进行研究；在技术设计阶段采用理论分析的方法确定通风设备运 转时间的控制模式，通过数值计算来验证全射流风机纵向通风方式在各种工况下 的适应能力，之后，用此控制模型替代最优风机开启台数选择模型建立基于混合 式控制的隧道通风系统，从而避免能源的浪费。 第1 章绪论 1 4 1 本文主要成果 本论文在广泛检索收集、整理分析相关资料的基础上，完成了通风节能的研 究工作。主要成果归纳如下： ( 1 ) 提出了通风节能的主要途径； ( 2 ) 提出了将模糊实时预测方法作为通风控制中的交通流预测方法； ( 3 ) 提出并分析了对风机变频节能调速及控制的适应性； ( 4 ) 提出了采用交通量预测与反馈控制的方法进行通风控制。 1 2 第2 章交通量预测 第2 章交通量预测 2 1 交通量预测期限 交通量预测1 1 1 就是根据交通系统及其外部系统的过去与现在交通信息预测未 来的交通信息，根据历史经验、客观资料和逻辑判断，寻求交通系统的发展规律 和未来趋势的过程。由此可见，短期交通量预测是对未来的一种预见，既要探索 和掌握未来交通需求的发展规律，更要基于现状有限资料条件下正确引导和合理 控制未来的交通需求。 根据本章的实际情况，交通组织的调整对交通量的重新分布具有及时性和后 效性，考虑到如果能够根据实时交通流量监测的数据预测将来时刻的交通量，无 疑对隧道通风控制节能有重要的意义，交通量预测期限确定为1 0 分钟。 2 2 预测原则 科学的预测原则在很大程度上保障了预测方法的科学性、实用性和可操作性， 以及预测结果的客观和准确。交通量预测主要应遵循如下原则： 1 ) 理论与实际相结合 交通量预测是一项实际操作性很强的工作，将预测理论和实践工作进行结合， 灵活运用预测理论，是得出科学预测结果的基本保障。 2 ) 系统化的思想 城市交通系统作为交通系统的一个子系统，既有其内在的运行机制又受外部 环境条件的制约。因此，研究时要将包含在城市交通系统的客观环境因素进行系 统分析，寻求与城市总体规划相平衡，与整个交通系统与外部系统相协调的系统 化预测思想。 2 3 预测内容 根据本论文的实际情况，考虑到隧道通风控制需要的参数，交预测内容为实 时交通量。 2 4 预测方法 预测是根据经验、历史资料和逻辑判断，寻求预测对象的发展规律和未来趋 势的过程，常用的短期预测方法有基于交通流特征的预测法、灰色预测法、神经 网络法以及模糊预测法，本章中交通流量是一个随机数据，受许多因素的影响， 以下是上述几种预测法的介绍及比较分析。 1 3 第2 章交通量预测 2 4 1 基于交通流特征的预测法 高速公路交通流量有两个基本特征：周期相似性和空间连续性。由空间上的 连续性可知，隧道下一时段的交通流就是其前方路段当前时刻的交通流，故可以 在隧道前方路段某处放置车辆检测计，并将它测得的数据直接作为预测值，不过 该方法的预测误差较大，很少采用，下面建立的模型主要是基于其周期相似特性 【埘。 车辆检测计放置在隧道入口处，用于统计一段时间内的交通流量和车辆组成。 在采集数据时，首先应确定一段时间t 作为数据采集的采样周期，该周期应与风机 的控制周期一致，然后根据采样周期将一天划分为前后连续的一系列时间段，在 进行数据选取和预测时，首先应保证它们处于相同时间段。因为时间是影响交通 量的首要因素，为了确保前后数据的可比性，按年、月、目将数据记录的时间类 别分为三类：工作日、休息日和节假日。在以往数据记录中搜索相似记录时，它 们必需和当前数据具有相同的时间类别。数据采集仪采集到的数据有很多，对于 本文中预测模型有用的为：交通流量，大车、中车小车所占的比例和该时刻的时 间记录。 1 ) 插值法预测 设当前时段为f 。，当前交通量数据为g 。，选取以前面n 个数据来计算相关系 数，当前交通量为g 。，q 。，预测f 。时段的交通量口。 为确保数据之间的可比性和减少筛选次数，所选数据记录的时间类别应和当 前时段数据记录的时间类别相同，设选取的n 个连续时段也为f 。- ，t 。， 交通量为口。，a o l o a9 口。两组数据间的相关系数为： p 。2 ( 2 1 ) 其中：e ( g ) 、e ( q 。) 、e ( q q ) 、d 0 ) 、d ( q ) 分别为两组交通量的数学期望 和方差，按离散型随机变量分别计算它们。 设第i 组数据与当前数据的相关系数最大，选取该组数据中时间段为 f 。，f 。+ 。的交通量g 。，q 。+ _ + ，共m 个数据作为后来数据 对数据g 。，q 。，q 。，g 。+ _ + 。进行样条插值，从而计算出，。+ 1 4 第2 章交通量预测 时段的交通量口。，并以此作为交通量预测值q ， 2 ) 基于数据相关性的预测 在插值法中，若预测值为峰值时，会产生一定误差，为了克服插值法中极大 或极小数据的丢失，可以在以往数据记录中，选取与当天数据相关性最大的那一 天中相同时段的数据，选取方法与插值法相同，将它作为预测的基准数据。具体 做法如下：设第i 组数据中f 。，f 。时段的交通量g 。- ，q 。与当前 数据的g 。，q 。的相关系数最大，为户一以该组数据中的，。时段的交 通量留。+ 为基准数据，用当前测得数据吼和以往数据吼来修正留。，用修正结果 作为预测值。计算公式如下： q ，= g ：。+ p 一( ；一石) 其中： ；= 丢，扣 一1 七一 q2 i 。皇g 。 2 4 2 灰色预测法 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 灰色预测法m 1 是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。灰色预测通 过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，即进行关联分析，并对原始数据进行 生成处理来寻找系统变动的规律，生成有较强规律性的数据序列，然后建立相应 的微分方程模型，从而预测事物未来发展趋势的状况。其用等时距观测到的反应 预测对象特征的一系列数量值构造灰色预测模型，预测未来某一时刻的特征量， 或达到某一特征量的时间。灰色时间序列预测；即用观察到的反映预测对象特征 的时间序列来构造灰色预测模型，预测未来某一时刻的特征量，或达到某一特征 量的时间。 1 ) 关联度 ( 1 ) 关联系数 设启0 ) = p ( 1 x j ( 2 l ，j o ，x 岱) = 口( 1 ) ，x ( 2 t ，x 蚋0 ) j m i n m i n 防( o ) 一x ( 0 0 1 + p m a x m a x l 岩( o ) ( k ) 一x ( 0 ) ( 七1 稚卜 斌两而磊珥瓯两丽j 厂泣， 式中：p o ) 一x 伍1 为第k 个点x 与雪的绝对误差； m i n m i n l 叠伍) 一x l 为两级最小差； m a x m a x 2 0 ) 一x j 为两级最大差； p 称为分辨率，o p 1 。一般取p = o 5 。 对单位不一，初值不同的序列，在计算相关系数前应首先进行初始 化，即将该序列所有数据分别除以第一个数据 ( 2 ) 关联度 ，2 吉荟叩称为x 哪 ) 与刘 ) 的关联度 2 ) g m ( 1 ，1 ) 模型的建立 灰色预测模型，一般均指g m ( 1 ，1 ) 模型 ( 1 ) 设时间序列x ( 0 ) 有n 个观察值， x ( o ) = x ( 0 ( 1 l z ( 0 ( 2 l ，x o 0 ) j ， 通过累加生成新序列 x o ) = 口o ( 1 l x o ( 2 l ，x o ) j ， x o ( 1 ) = x ( 1 ) x o ( 1 ) = x ( 0 ( 肼) 则g m ( 1 ，i ) 模型相应的微分方程为： 掣d t + 删= ( 2 6 )l z o j 其中：a 称为发展灰数；u 称为内生控制灰数。 1 6 第2 章交通量预测 。2 ，设舀为待估参数向量，舀= 曙 ，可利用最小二乘法求解。解得： 舀= 国7 曰) _ 1 8 7 求解微分方程，即可得预测模型： 2 0 ) ) = p ( 1 ) - 钟。+ 詈， 晓， ( 3 ) 模型检验，灰色预测检验一般有残差检验、关联度检验和后验差检验。 2 4 3 神经网络法 人工神经网纠1 4 】【1 5 1 是一种模拟人脑结构和功能的信息处理系统。具有学习、 记忆和容错等特点。它虽起步于2 0 世纪5 0 年代初，但几经周折，到2 0 世纪8 0 年代后期国内外又兴起了第二次神经网络热潮并成功地运用于各领域。当前，人 工神经网络主要用于函数逼近、模式识别和数据压缩等方面。 神经网络具有很强的自组织和自适应能力，能很好地克服普通线性回归模型 不能反映出交通流量变化的非线性和不确定性缺点。本