（计算机应用技术专业论文）城市公路隧道汽车尾气排放浓度的研究及通风方案的设计.pdf

中文摘要 城市公路隧道是一段相对封闭的环境，汽车排放的尾气短时间内难以流 通，这必然会对人体的健康造成影响。为了保证隧道的营运安全和车辆内人的 健康，研究隧道内汽车尾气浓度的排放限值很有实际意义。 本文主要对汽车尾气中的两大有害气体( c o 和n 0 2 ) 的浓度排放限值进行了 研究，建立了城市公路隧道内c o 浓度设计限值的c f k 方程，在横向通风和纵 向通风方式下，针对不同的车速以及不同的隧道长度，给出了相应的c o 浓度 设计限值。最后还根据n 0 2 的排放量以及稀释隧道内的n 0 2 到容许的范围内所 需的通风量，提出了城市公路隧道内n 0 2 的浓度排放限值。其结果可供城市公 路隧道在通风系统、火灾报警系统以及监控软件的设计开发中参考使用。 由于城市公路隧道通风系统极其复杂，它具有很强的时变性、非线性和大 滞后性等特点，传统的控制方法难以获得精确的数学模型，控制效果不佳，不 仅耗费能源，还提高了隧道运营的费用。所以，寻求一种性能良好的智能通风 控制系统来解决传统控制方法存在的问题，已经成为城市公路隧道建设中急需 解决的问题之一。针对这些问题，本文引入模糊控制技术并将其应用到隧道通 风系统中。 本文建立了隧道通风系统的空气动力学模型、污染模型、交通模型和控制 模型，并给出了它们之间的关系。在m a t l a b 中，以c o 浓度偏差、v i 浓度 偏差、交通量为输入量，风机开启台数为输出量，建立其隶属函数，给出了它 们的隶属函数表。并设定了它们的语言变量以及基本论域，然后将其转换成模 糊控制下的离散论域，根据操作者的控制经验来设计模糊控制规则，采用 m a m d a n i 推理法进行了模糊推理以及重心法进行了解模糊，给出了风机开启台 数的模糊控制表，得出了风机开启台数的精确数目。最后对通风系统进行了仿 真分析，仿真结果表明，与传统控制方法相比，基于模糊控制技术设计的通风 系统，风机的开启次数也更少，c o 浓度和v i 浓度的变化比传统控制更平缓， 而且浓度更低，基本维持在允许最大值的附近，没有出现波动太大的情况。从 而说明，基于模糊控制技术的通风系统控制效果更佳，风机的寿命更长，并且 节能效果显著。 关键词：城市公路隧道，浓度排放限值，智能通风控制，隧道通风系统，模糊 控制技术 a b s t r a c t c i t y h i g h w a yt u n n e li sar e l a t i v e l yc l o s e de n v i r o n m e n t ，i t sd i f f i c u l tf o rv e h i c l e s so f f - g a s e st oe x h a u s ti nas h o r tt i m e ，t h i sw i l lc e r t a i n l ya f f e c tt h eh e a l t ho ft h e h u m a nb o d y 。i no r d e rt op r o t e c tt h et u n n e l sh y g i e n ea n dp e o p l e s sh e a l t hs a f e t y ，i t h a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t u d yt h et u n n e lv e h i c l e s se x h a u s te m i s s i o n c o n c e n t r a t i o n1 1 m i t 。 - t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et w o l a r g e e m i s s i o nl i m i to fv e h i c l e se x h a u s t ，w e h a r m f u lg a s e s s ( c oa n dn 0 2 ) c o n c e n t r a t i o n e s t a b l i s h e dc oc o n c e n t r a t i o nd e s i g nl i m i t s c f k e q u a t i o no fc i t y - h i g h w a yt u n n e l ，f o rh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lv e n t i l a t i o nm o d eo f v e n t i l a t i o n ，d i f f e r e n ts p e e da n dd i f f e r e n t l e n g t h o ft h e t u n n e l ，g i v e nt h e c o r r e s p o n d i n gc oc o n c e n t r a t i o nd e s i g nl i m i t 。f i n a l l yb a s e do nt h en 0 2 se m i s s i o n l o a da n dd i l u t i o nn 0 2t oat u n n e la l l o wr a n g e sr e q u i r e dv e n t i l a t i o n ，p r o p o s e dc i t y - h i g h w a yt u n n e l sc o n c e n t r a t i o n se m i s s i o nl i m i to fn 0 2 。t h er e s u l t sc a na sa r e f e r e n c ef o rc i t y - h i g h w a yt u n n e l sv e n t i l a t i o ns y s t e m s ，f i r ea l a r ms y s t e m sa n d m o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t 。 a sar e s u l to fc i t y 。h i g h w a yt u n n e l sv e n t i l a t i o ns y s t e mi se x t r e m e l yc o m p l e x ，i t h a sas t r o n gt i m e - v a r y i n g ，n o n l i n e a ra n dh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o di sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o n t r o le f f e c ti s n o tg o o d ，n o to n l yc o s te n e r g y ，a l s oi m p r o v e dt h et u n n e l s o p e r a t i o nc o s t 。 t h e r e f o r e ，t of i n dag o o di n t e l l i g e n tv e n t i l a t i o nc o n t r o l s y s t e m t os o l v et h e t r a d i t i o n a lc o n t r o l lm e t h o d se x i s t e dp r o b l e m s ，h a sb e c o m eo n eo ft h e u r g e n t p r o b l e mt oas o l v eo fc i t y h i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n 。t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i n t h i sp a p e r ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e s da n da p p l yi ti nt h et u n n e l v e n t i l a t i o ns y s t e m 。 i nt h i sp a p e r ，w ee s t a b l i s h e dt h et u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e m sa i r d y n a m i c m o d e l ，p o l l u t i o nm o d e l ，t r a f f i cm o d e la n dc o n t r o lm o d e l ，a n dg i v e st h er e l a t i o n s h i p o ft h e m 。i nm a t l b ，w i t hc oc o n c e n t r a t i o nd e v i a t i o n ，v ic o n c e n t r a t i o n d e v i a t i o n ，t r a f f i ca si n p u tv a l u e s ，f a nn u m b e ra s o u t p u tv a l u e ，e s t a b l i s h e di t s s u b o r d i n a t ef u n c t i o n ，g i v e st h e i r s m e m b e r s h i pf u n c t i o n st a b l e s 。a n ds e tt h e i r i l l i n g u i s t i cv a r i a b l e sa n db a s i cd o m a i n ，t h e nc o n v e r tt h e mt of u z z yc o n t r o l sd i s c r e t e d o m a i n ，a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t o r sc o n t r o le x p e r i e n c et od e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l r u l e s ，u s em a m d a n ii n f e r e n c em e t h o dt o r e a s o n i n ga n dg r a v i t ym e t h o d t o d e f u z z i f i c a t i o n ，g i v e nt h ef a no p e na m o u n t sf u z z yc o n t r o lt a b l e ，g e tt h ep r e c i s e n u m b e ro ff a no p e ns e t s 。f i n a l l y ，w es i m u l a t i o n e da n da n a l y s i s e dt h ev e n t i l a t i o n s y s t e m ，t h er e s u l t ss h o w e d ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，t h e v e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g n e db yf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，f a no p e nn u m b e ra r ea l s o l e s s ，c oc o n c e n t r a t i o na n dv ic o n c e n t r a t i o nc h a n g e dm o r eg e n t l et h a nu n d e r t r a d i t i o n a lc o n t r o l ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o nw a sl o w e r ， b a s i ck e e pu pt h em a x i m u m a l l o w e dn e a r b y ，w i t h o u ta p p e a rb i gf l u c t u a t i o n sc a s e 。s ot h a t ，b a s e do nt h ef u z z y c o n t r o lt e c h n i q u e sv e n t i l a t i o nc o n t r o ls y s t e mc o n t r o le f f e c ti sb e t t e r ，f a n sl i v ei s l o n g e r ，a n di th a sr e m a r k a b l ee n e r g y s a v i n ge f f e c t 。 t h e r e f o r e ，f u z z yc o n t r o lv e n t i l a t i o ns y s t e mh a ss t r o n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e ，t h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rc i t y h i g h w a yt u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e ma n do t h e ri n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s 。 k e yw o r d s ：c i t y 。h i g h w a yt u n n e l ，e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o nl i m i t s ，i n t e l l i g e n t v e n t i l a t i o nc o n t r o l ，t u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e m ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：街性日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 缉胁掣 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在城市公路隧道中存在着大量的汽车尾气，这些尾气当中含有大量的有害 气体，比如c o ，n 0 2 等。它们的危害性极大，当隧道内发生严重堵车的情 况，这些尾气浓度将快速升高，当其浓度高到一定程度的时候会导致人昏迷， 甚至死亡。为了避免发生这样的危害，就有必要对汽车尾气中主要气体的浓度 提出相应的排放限值。只有当其浓度低于这个安全限值时，才不会对人造成很 大的伤害。通过有效的数据分析，得出c o 和n 0 2 浓度控制标准有着很重要的 意义，其结果可用来供隧道监控系统开发人员作为开发监控软件的参考值。目 前我国这方面还没有权威的标准，大多数文献都对c o 的排放限值进行了研 究，而很少涉及到n 0 2 的研究。在对别人研究成果的基础上，本文对隧道内 c o 和n 0 2 尾气的排放限值进行了研究，并提出了城市公路隧道c o 和n 0 2 排 放浓度限值。事实证明，当c o 和n 0 2 的排放浓度控制在此标准下，对人体不 会造成任何危害。 在当今社会高速发展下，城市居民拥有的私家车越来越多，这就造成了交 通的拥挤堵塞。特别是在城市公路隧道中，这种情况就显得尤其严重。当车流 堵塞或者车流缓慢时，这时候地下通道聚集了大量的有害气体，选择一种合理 的通风方案就成了很重要的问题。城市公路隧道不同于城市的其它道路，它是 一个相对封闭的区段，汽车排放的尾气很容易聚集在一起，不容易扩散。当 然，对于一些较短的城市公路隧道，汽车在隧道中行驶时产生各种废气，也会 随着自然风以及汽车流动带来的风扩散到空气中，对司机和工作人员不会构成 威胁。但对于那些长度很长的城市公路隧道，自然风和交通风对隧道内空气的 置换作用相对较小，必须采取适当的机械通风将隧道内的气体排放物浓度控制 在容许限度之内【，这就是很多隧道都有着严格的通风系统的原因。城市公路 隧道的通风运营是保证行车安全的必要措施，然而通风设备的造价以及高昂的 运营费用在一定程度上制约了城市公路隧道的建设，降低了运营水平，解决这 武汉理工大学硕士学位论文 一问题的关键途径在于合理地选择通风方式和高效的控制方法。因此，如何在 满足卫生标准的前提下，如何改进现有的控制方法，使隧道通风系统实时节能 的运行己成为当前城市公路隧道通风十分紧迫的课题【2 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道汽车尾气浓度研究现状 汽车尾气排放现状随着汽车工业的迅猛发展，以及各国汽车保有量的迅速 增加，汽车在带给人们生活快捷和方便的同时，也给人类带来了许多严重的问 题。据资料显示，我国汽车尾气污染以每年逾1 0 以上的幅度上升，主城区氮 氧化合物浓度的分担率高达8 0 以上。由于城市公路隧道相对封闭，这样就造 成了汽车排放的尾气不易稀释扩散，造成局部地区汽车排放物浓度过高。有资 料表明，我国各大中型城市汽车尾气排放物造成空气污染占到5 0 左右，汽车 尾气排放立法势在必行，世界各国早在六、七十年代就对汽车尾气排放建立了 相应的法规制度，通过严格的法规推动了汽车排放控制技术的进步，而随着汽 车排放控制技术的不断提高，又使更高标准的制订成为可能。与国外先进国家 相比，我国汽车尾气排放法规起步较晚、水平较低，在国内，对城市公路隧道 内汽车尾气浓度的研究起步比较晚，以前很少受到国人的重视。即使在现在， 对城市公路隧道内二氧化氮浓度的研究，国内几乎仍然是一片空白。从2 0 0 3 年1 月1 日起，北京对机动车的尾气排放标准由现在的欧洲i 号改为欧洲i i 号，2 0 0 8 年前正式实施欧洲i i i 号标准。但是，也有少量的文献对c o 的浓度 进行了科学的分析和研究。而国外有多文献对城市公路隧道一氧化碳和二氧化 氮的浓度排放标准都有涉及，并且提出了很多科学高效的方法。 1 2 2 隧道通风系统研究现状 隧道内行驶的汽车排出的废气、产生的烟雾及其扬起的灰尘等是造成隧道 内产生有害气体和能见度降低的主要原因，这些气体、粉尘与风机排出的风流 以及多变的气象环境构成一个复杂的系统【3 1 。通风系统是解决这类问题的主要 方法，城市公路隧道通风系统是一个离散型、多变量、大时滞的系统，目前很 多文献对通风系统的研究，主要是针对隧道局部进行详细模拟，而没有从空气 2 武汉理工大学硕士学位论文 动力学模型、污染物模型和交通模型等方面进行全面和综合地模拟。要获得良 好的通风效果和达到节约能源的目的，其控制理论的确立和控制方式的选择是 十分重要的。 国外公路隧道通风控制主要经历了直接控制、间接控制和模糊控制三个发 展阶段。直接控制法通过各类传感器检测隧道内环境条件，直接对通风设备的 运行进行控制。这种方式受环境条件的多变性、传感器安装位置的局限性、检 测时间的滞后性等因素的影响，不能达到有效控制和节省能源的目的。间接控 制法是在采用车辆分类检测装置检测交通量、车速和车型的基础上，通过空气 动力学模型的预测分析计算，得出最佳通风量，据此对风机进行控制4 】【8 】【9 】【i o 】。 实践证明该方法比直接控制法效果好，降低了能耗。目前，发达的国家采用这 种方法较多。但是该方式需要建立空气动力学等模型，模型精确与否直接影响 控制效果和能否达到节能的目的。随着智能控制理论和技术的发展，九十年代 开始，日本首次采用不需要精确数学模型的模糊控制，用模糊控制技术实现风 速和煤烟通过率i ) 的多输入通风反馈控制系统。随后，日本日立公司又运用 信息管理和模糊控制理论，获得了更加稳定的v i 值，在改善风机运行状态的 同时，进一步降低了电能消耗。1 9 9 6 年我国台湾学者在日本研究和实践的基础 上，将交通量和污染物浓度的预测值输入至模糊控制器，改进了控制算法，取 得了较好的控制性能和更高的节能效果【5 】【1 7 。 最近我国公路隧道建设虽然有了很大的发展，但与国外的公路隧道建设相 比，还有很大的差距，比如，没有采用最新的技术，隧道的建设费用、维修费 用以及运营费用相当高，节能效果不好，控制方式不先进，大部分公路隧道的 通风系统仍采用直接控制法。不少隧道在实际运营中，由于采用该方式能耗 大，运营成本高，通常通风系统不能够正常运行，隧道内的卫生达不到标准要 求，行车安全也难以保障。近些年来，我国很多的学者开始将模糊控制技术应 用于隧道通风系统中，研究成果显著【6 】【3 4 1 。不过，大部分文献都对此进行了理 论上的研究，而且在研究过程中做了很多假设和简化，比如，只检测一个点的 一氧化碳，据此进行判断、推理和控制；或者，虽然加入了烟雾浓度，但控制 的仿真只是简单地假设两个浓度值是已知的序列，没有进行公路隧道环境模 拟，没有实现反馈控制p j 。 武汉理工人学硕十学位论文 1 3 本文主要研究内容 由于城市公路隧道通风系统是一个非线性、大时滞、多目标的复杂系统， 其数学模型难于精确获得1 1 】【1 2 】【1 3 l ，而模糊控制更符合人的控制思想，其优点正 是解决这些问题的良好方法。因此，城市公路隧道通风系统非常适合于用模糊 控制方法来设计【1 4 1 【1 5 】m 】【4 5 】，即使系统结构不是很清楚或难以求得，在设计中， 只要我们掌握操作人员或领域专家的实际经验知识，即可对复杂的通风系统做 出正确无误的判断，在p c 上实现快速和全自动调节，更为高效的控制整个系 统和取得良好的控制效果。模糊控制是近年来受到关注的一种新型控制方法， 是一种模拟人的思维、推理和判断的智能控制技术，是模糊逻辑在控制领域中 的应用。模糊控制并非指被控对象是模糊的，也不是指控制器是不确定的，而 是指在表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述 的，但它所完成的却是一项完全确定的工作。它的最大特征是：能将专家和操 作人员的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去 控制系统【1 6 】【1 7 【1 8 】。 城市公路隧道内的环境十分复杂，隧道内车辆排放的污染物在隧道风流中 的运动十分复杂。它不仅决定于污染物和空气的物理力学性质，而且与隧道内空 气流动状态、车辆运行速度、车辆数量等密切相关，该运动包括分子扩散、对 流运移、紊流扩散、衰减转化四种形式【i 明；另外，通风系统将污染物排出隧道 与传感器检测隧道内污染物浓度之间存在一个较长时间的滞后。正是由于存在 的这些问题，实际上要想十分精确地建立城市公路隧道内的空气动力学模型和 污染物模型是十分困难的，因此该系统的物理特性适合应用模糊控制。另一方 面，对公路长隧道通风系统的要求实际上是多目标的，通过通风使隧道内达到 有足够高的烟雾透过率，保证汽车的行车安全；有害气体的浓度足够低，保证 车内人员的健康不受损害；在达到上述目标的基础上，使通风系统具有最低的 电能消耗，同时保障设备安全及耐用性等。这些目标是相互关联的，同时它们 之间存在不可公度性和矛盾性，很难获得最优控制意义上的最优解【3 l 。 本课题通过对隧道内汽车尾气中c o 和n 0 2 浓度的排放限值进行了详细的 分析，得出了城市公路隧道内这两种气体的排放标准。当隧道内车流堵塞的情 况下，还可以启动风机进行稀释隧道里面的有害气体。由此，本课题通过对公 路隧道环境进行了全面的计算机模拟，建立了其相关模型，包括空气动力学模 4 武汉理工大学硕士学位论文 型、污染模型、交通模型以及控制模型，并论述了它们之间的关系。将模糊控 制技术应用于隧道通风系统中，使通风系统控制效果更加并获得了良好的节能 效果。以c o 浓度偏差、v i 浓度偏差和交通量为输入量，风机开启台数为输出 量，建立了模糊控制器，对隶属函数和模糊控制规则进行了设计，并采用 m a m d a n i 推理法进行模糊推理，重心法进行清晰化。然后对建立后的通风系统 进行仿真并给予了分析，仿真结果表明，基于模糊控制技术的隧道通风系统节 能效果显著，并且控制效果更好，c o 浓度和v i 浓度维持在更低的浓度而且变 化比在传统控制下更加平缓。 1 4 本文的组织形式 第1 章介绍了本课题研究的背景和意义，以及国内外研究现状，并且详细 介绍了本课题的研究内容。 第2 章对城市公路隧道内c o 和n 0 2 的排放限值进行了深入细致的研究， 结果证明，这种限值符合车辆内人体的安全，研究后的结果可以供系统操作人 员对隧道内不同的c o 和n 0 2 浓度采取相应的措施。当然，也可以供开发人员 开发隧道监控系统的程序参考值。 第3 章对模糊控制的理论基础进行了介绍，包括模糊控制的发展，以及模 糊控制的特点和存在的问题进行了阐述，还对模糊集合、隶属函数、模糊关系 进行了分析，最后简单地介绍了模糊控制器设计要求和基本功能，为下一步的 通风系统设计奠定基础a 第4 章以中山路隧道通风系统为研究对象，对其通风控制系统模型进行了 理论上的分析，介绍了隧道通风系统的结构、相关参数以及控制方式和控制方 法，还对隧道通风系统涉及到的数学模型( 空气动力学模型、交通模型和污染模 型) 进行了详细的研究。 第5 章简单介绍了m a t l a b 仿真工具的模糊控制工具箱和各个图形界 面。在m a t l a b 环境下，对基于模糊控制下的通风系统进行了设计和实现。 对模糊控制通风系统实现的步骤进行了详细的分析，包括模糊规则的确定、模 糊推理、解模糊等。最后还对通风系统进行了仿真和结果分析，简单介绍了实 现后的通风控制系统，并给出了实现后的通风系统控制图。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章对本文所做的工作进行了总结，对系统存在哪方面的不足进行了分 析，并介绍了下一步要做的工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市公路隧道汽车尾气浓度限值的研究 2 1 引言 在城市公路隧道中，交通量很大，隧道内会产生大量的有害气体，由于这 些气体对人体的身心健康有着重要的影响，所以能够把其控制在一个限值以内 是很有必要的。这些有害气体中，其中以c o 和氮氧化物的危害性最大，氮氧 化物中主要包括n o 和n 0 2 ，而n o 在空气中会氧化为 4 0 2 ，故在氮氧化物 中，本文只对n 0 2 浓度的排放限值进行研究。 2 2c o 浓度设计限值 2 2 1c o 对人体健康的影响 c o 是一种无色，无臭，无味，无刺激性的窒息性有毒气体，对空气的相 对密度为0 9 6 7 0 ，它的溶解度很小。c o 由呼吸道进入人体的血液后，会和血 液早的红血蛋白( h b ) 结合，形成碳氧血红蛋t 刍( c o h b ) ，导致携氧能力下降，使 人体出现反应，如听力会因为耳内的耳蜗神经细胞缺氧而受损害等。当空气中 c o 浓度为0 0 0 7 时，连续接触8 小时，c o h b 饱和度可达1 l 以上，就会出 现中毒症状，表现为头痛、头晕、失眠、视物模糊、耳鸣、恶心、呕吐、全身 乏力、心动过速、短暂昏厥；当空气中c 0 浓度达o 5 时，只要2 0 分钟， c o h b 的饱和度就可达7 0 左右甚至更高时，患者就有可能迅速进入昏迷状 态，初期四肢肌张力增加，或有阵发性强直性痉挛；晚期肌张力显著降低，患 者面色苍白或青紫，血压下降，瞳孑l 散大，最后因呼吸麻痹而死亡，经抢救存 活者可有严重合并症及后遗症。当c o 的浓度为0 - - 6 0m g m 3 时，接触者就可以 出现视觉障碍、心理运动障碍及头部不适。志愿者在3 5m g m 3 的c o 浓度下， 持续暴露7 2h 后，即观察到对比视力下降。在城市公路隧道中，气体不易于流 7 武汉理工大学硕士学位论文 通，严重的堵车将导致尾气浓度迅速升高，这都对人体的健康存在潜在的威 胁。 2 2 2c o 浓度设计限值的理论与方法 在文献 2 0 】公路隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) 中，对隧道c o 浓度限值的排放标准有了规定。在隧道车辆正常行驶的情况下，并且采取全横 向或半横向通风方式，隧道长度若在1 0 0 0 米以内，c o 浓度限值取2 5 0 p p m ， 大于3 0 0 0 米则取值2 0 0 p p m ；在纵向通风方式下，各值则分别提高5 0 p p m 。 如果隧道内发生堵塞，平均车速为1 0 k m h 时，c o 浓度限值将更高。显然， 这样的浓度取值比较模糊，如果能针对不同长度的隧道，在各种不同平均车速 的情况下，找到一个更合理的c o 浓度限值，将对隧道监控软件的设计更有指 导意义。 城市公路隧道是一个相对封闭的环境，隧道内的气体分布并不均匀，很明 显，人体吸入的c o 量的多少，与隧道内c o 浓度分布和人在隧道内经历的时 间t 有着重大的联系，它随着t 的变化而变化。公路隧道通风照明设计规 范( j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) q u 建议的c o 浓度排放限值可能并不合理，故有必要在保 证车辆安全行驶，隧道安全运营的情况下，对c o 浓度的排放限值进行合理的 取值。在文献 2 1 】【2 2 】中，对人体吸入的c o 速率d c c o d t 与人体血液中碳氧血 红蛋白浓度c c o h b 的关系可用下面的c o b u m f o r s t e r k a n e 方程( 2 1 ) 描述： 坠：多。一鱼辱_ + 生_(2-1)d t c 0 2 舶ml i d , + ( 名一：。) 多一1 d t + ( p b 一易：。) 多月 、 式( 2 1 ) 中，竺产为人体吸入c o 的净速率( m l m i n ) i 矿。为人体产生的 c o 速率( m l m i n ) ；c c 蝴为血液中碳氧血红蛋白的体积百分比( ) ：c o 为人 体含氧血红蛋白含量( ) ；吃为肺部的氧气分压( m m h g ) ；m 为h a l d a n e 常数， 表示血液对c o 的亲合力与血液对0 2 的亲合力的比值，为2 1 8 ；d ，为c o 在人 体肺部的质量转换系数为3 0 m l ( m i n m m h g ) i 弓为大气压力( m m h g ) i 昂，d 为 水蒸汽压力( m m h g ) iy 一为大气与肺的活性区( 肺泡) 之间空气的交换率( m l m i n ) ； 为呼吸空气中c o 分压。 8 武汉理工人学硕十学位论文 文献【2 2 】中说明，g 2 m 并不是一个常数，它是随着人体血液中c c 棚的含 量变化而变化的，c o , 肋和c ( 枷两者之间成反比，即c & 册随着c ( ：蝴的增加而 减小。文献 2 2 1 中给出了含氧血红蛋白与碳氧血红蛋白的关系，见式( 2 2 ) ，以 及空气与人肺泡之间空气的交换率的关系，见式( 2 3 ) ： 肋( f ) = 曝一( ，) ( 2 2 ) 空气与人肺泡之间空气的交换率多_ ： y 彳= 一几( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，为总交换率( m l m i n ) ：f 为呼吸率( r a i n 1 ) ；为死空间( m l 瓜g ) 。 2 2 3c o 浓度设计限值的确定与分析 c o 对人体健康的影响指标是c ( 枷，上一小节已经说明，c 乙肿与隧道内 c o 浓度分布和人在隧道内经历的时间t 有关系，它随着t 的变化而变化。人在 隧道内经历的时间t 又与隧道长度l 和车流速度v 有关系，针对横向和纵向通 风方式，并取c c o 肿= 3 时，得出了在横向和纵向通风方式下的c o 浓度设计限 值。分别如表2 1 和表2 2 所示： 表2 1 横向通风方式下的c o 浓度设计限值 车速 隧道长度l ( k m ) v ( k m h ) 3 0 1 0 01 9 11 6 41 3 51 2 41 1 7 横向通风是指通风方向与隧道的走向相垂直，从表2 1 中看出，在隧道长 度l 保持不变的情况下，c o 浓度设计限值随着车速v 的增加而相应的增加； 同样，在车速v 保持不变的情况下，c o 浓度设计限值随着隧道长度l 的增加 而相应的减小。这说明，长隧道比短隧道所允许的c o 浓度更严格。c o 浓度 变化的曲线如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 纵向通风方式下的c o 浓度设计限值 车速 隧道长度l ( k m ) v ( k m h ) 3 0 1 0 02 8 6 2 4 6 2 0 2 18 61 7 5 纵向通风是指通风方向与隧道的走向相一致，在纵向通风方式下，c o 浓 度设计限值的变化与隧道长度和车速也有同样的关系。 v 图2 1l 不变下的c o 浓度曲线和v 不变下的c o 浓度曲线如上图左右所示 2 3n 0 2 浓度设计限值 2 3 1n 0 2 浓度的国家排放标准 n o z 危害很大，但在j t gd 7 0 2 0 0 4 公路隧道设计规澍2 3 】中，却没有对二 氧化氮浓度排放标准进行规定。表2 3 是中华人民共和国国家标准环境空气 质量标准( g b3 0 9 5 1 9 9 6 ) t 2 4 】中n 0 2 的排放标准。l 级标准为自然保护区、风 景名胜区和其它需要特殊保护的地区空气标准，2 级标准为城镇规划中确定的 居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区的地区空气标 准，3 级标准为特定工业区的地区空气标准。城市公路隧道一般都属于2 级标 准，所以汽车尾气中n 0 2 的排放可以以标准的2 级标准为参考值。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 环境空气质量标准中n 0 2 的排放标准 污染物名称取值时间浓度限值 一级标准二级标准 三级标准 二氧化氮( n 0 2 ) 一小时平均 0 1 2o 2 40 2 4 显然，在城市公路隧道中，由于气体的流通性，汽车排放的尾气只是局 部的浓度偏高，因此提出的标准可以比环境空气质量标准中n 0 2 的2 级排 放标准高一些。 2 3 2n 0 2 浓度限值公式的提出 通过分布在隧道内各点的嘲能见度) 检测器和n 0 2 检测器与现场控制器连 接，而现场控制器与主控可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 连 接后采集数据传给计算机，得到玎和n 0 2 浓度值，经计算处理后，在隧道智 能监控系统上显示其浓度值。用户可以实时看到隧道内n 0 2 的浓度，当其超标 后可以采取相应的措施。在整个隧道中，汽车尾气中二氧化氮的排放量可由以 下公式确定： 9 0 2 2 赤g 加z 无力以五上萎 r 卅厶) ( 2 4 ) 式中，q u 0 2 是隧道全长n 0 2 排放量，m 3 s ；q n o 基准排放量， 3 z ；是n 0 2 m 辆k m ，取0 0 1 ；无为考虑n 0 2 的车况系数，取1 o ；厶是车密度系数，与车速 有关；以是考虑n 0 2 的海拔高度系数，取1 5 6 ；厶为考虑n 0 2 的纵坡车速系 数；为隧道长度；，为相应车型的设计交通量，辆l l ；厶为考虑n 0 2 的车型 系数；刀为车型类别数。 稀释隧道内n 0 2 到容许的浓度所需通风量可由下式确定： t 崛，= 等告考圳6 ( 2 5 ) 式中，( n 0 2 ) 为隧道全长稀释n 0 2 的需风量，m 3 s ；p o 标准大气压，取 1 0 1 3 2 5k n m 2 ；p 为隧址设计气压，取8 4 5k n m 2 ；瓦为标准气温，取2 7 3 ：t 为隧道夏季的设计气温，取2 9 3 ；万是n 0 2 设计浓度。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3n 0 2 设计浓度和需风量的确定 根据公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) ，可以得到n 0 2 设计浓度的表达式： 生 q d 2q , , o ：p o r l l l f , ，上( 虬厶) 万= e l 一 r 2 6 、 3 6 p t o q , f q ( n 0 2 、 、7 式中，级，( n o z ) 可以根据v 检测器和n 0 2 检测器检测出来的结果，视情况 酌情考虑。 根据上述公式，在武昌中山路地下通道中，计算出的n 0 2 设计浓度约为 0 。4 5m g m 3 左右，但考虑到城市公路隧道内车流所带来的风的影响，汽车尾气 浓度只是暂时偏高，故可以将n 0 2 浓度控制在o 5 m g m 3 以内。当其浓度超过 0 5m g m 3 时，驾驶员可以感觉到n 0 2 的存在，甚至出现一些不适。在堵车的 情况下，随着时间延长，n 0 2 的浓度随之升高，故建议开启风机以稀释隧道内 的汽车尾气。中山路隧道是双向4 车道，隧道全长4 0 0 米，计算出该隧道的需 风量如表2 4 ： 表2 4 中山路隧道需风量控制 设计 需风量( m 3 i s ) 设计 需风量( m 3 s ) 年限 左线右线年限左线右线 2 0 1 5 5 8 6 26 7 5 62 0 2 57 2 4 78 6 4 1 2 4 本章小结 本章对汽车尾气中c o 和n 0 2 的浓度设计限值进行了研究，首先阐述了 c o 的危害性，然后研究了国内外文献中关于c o 浓度设计限值的相关理论方 法，然后在此基础上，确定了横向通风和纵向通风方式下，以及不同的隧道长 度和不同的车速下，c o 的浓度设计限值。然后阐述了n 0 2 的国家排放标准， 提出了n 0 2 浓度设计限值公式，最后根据中山路隧道的数据检测结果，确定了 n 0 2 的浓度排放限值，并给出了中山路隧道2 0 1 5 年和2 0 2 5 年所需的通风量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章模糊控制理论以及模糊控制器的设计 3 1 引言 自动控制理论中一个重要的研究领域就是新的控制策略的研究与探索。为 了解决控制应用中的非线性问题，人们不断引入新的控制策略，从而使得控制 系统更加具有智能性及抗干扰的鲁棒性，更加集成化，更加智能化，更加具有 可靠性和灵活性，也更加具有广泛的实际应用价值。 模糊控制最合适运用于那些非线性系统和在其输入或者对其操作描述存在 着不确定的系统，它应用于多个领域，比如天气、海洋系统，或者经济、股票 市场和国家选举等。一般而言，在控制应用中，模糊逻辑可以应用于非线性、 时变和无法定义的系统，最实用的还是以下三类系统： ( 1 ) 由于太复杂而无法精确建立模型的系统； ( 2 ) 具有明显非线性操作的系统i ( 3 ) 其输入或者其定义具有结构不确定性的系统。 3 2 模糊控制理论 3 2 1 模糊控制的发展 2 0 世纪7 0 年代初，z a d e h 在模糊映射、模糊推理和模糊控制原理等方面 进行了一系列的研究工作，特别是模糊知识表示、语义变量、模糊规n ( i f - t h e n ) 和模糊图等概念的提出和完善，开创了模糊控制新历程，也为模糊建模和模糊 控制的发展奠定了理论基础。模糊控制理论研究大概有以下几个方面【2 5 】【2 6 】： ( 1 ) 自学习、自适应模糊控制理论研究 模糊控制的实质是将相关领域的专家知识和熟练操作人员的经验，转换成 模糊化后的语言规则，通过模糊推理和模糊策略，实现对复杂系统的控制。由 于复杂系统往往具有非线性、大时滞、不确定性和时变性，单纯依靠人为信息 武汉理工大学硕士学位论文 的有限多条模糊规则，很难完善地描述和适应复杂受控对象的多变性。如何在 控制过程中自动地修改、调整和完善模糊控制规则，来提高模糊控制系统的控 制性能，逐步达到良好的控制效果，成为自学习、自适应模糊控制理论研究的 主要内容。 ( 2 ) 模糊推理策略研究 模糊推理策略对模糊控制器设计和模糊控制系统的性能有着重要的影响作 用。现在的模糊推理策略的模糊性都取决于模糊规则的前提条件和结论部分的 语言描述，但其模糊模型与推理合成算子的选择不尽相同。模糊推理策略主要 有四种：m a m d a m i 推理、t s u k a m o t o 推理、l a r s e n 推理和t a k a g i 推理方法。 ( 3 ) 模糊模型的辨识研究 模糊模型的辨识在控制、规划、决策、统计和分析等领域中有着重大的应 用。所谓模糊模型就是指描述受控系统性能的组模糊规则，尽管它可以有多 种表示形式，但都属于非线性模型，宜于用来表达非线性时变系统。模糊模型 的辨识方法有：h i r o t a 和p e d r y c z 提出的采用参考模糊集的概念进行模