公路隧道通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制

劉昌敏

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路的發(fā)展取得了舉世矚目的成就。在眾多高速公路的建設(shè)過程中，尤其是在山嶺地區(qū)及丘陵地帶，為了達(dá)到克服地形與高程障礙、縮短里程、提高時(shí)速、減少時(shí)間和改善線形等目的，常采用隧道方案來解決問題。高速公路上的隧道與其他路段不同，其是一個(gè)相對(duì)封閉的路段，故行駛過程中會(huì)產(chǎn)生各種廢氣（CO、CO2、NO等），尤其是長大隧道，僅靠自然通風(fēng)和交通風(fēng)難以置換隧道中的廢氣，故需要對(duì)隧道通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，使得隧道內(nèi)氣體排放濃度控制在允許限度以內(nèi)；若設(shè)計(jì)不當(dāng)，隧道內(nèi)廢氣濃度達(dá)到一定程度會(huì)對(duì)司機(jī)和工作人員生命造成嚴(yán)重威脅。目前隧道通風(fēng)運(yùn)營問題一直是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)的隧道通風(fēng)采取簡(jiǎn)單的分級(jí)式控制[2]，一般設(shè)計(jì)出的風(fēng)機(jī)數(shù)較為保守，造成能源浪費(fèi)，成本提高；筆者從CO濃度和煙塵濃度排放量和稀釋量計(jì)算角度出發(fā)來控制所需風(fēng)機(jī)數(shù)，更較為準(zhǔn)確地確定風(fēng)機(jī)數(shù)量，同時(shí)以CO濃度和煙塵濃度作為模糊輸入變量對(duì)隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)[3]進(jìn)行研究，從而達(dá)到低碳和節(jié)約成本的目的，為改善隧道通風(fēng)效果和加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)控制提供依據(jù)。

1 隧道通風(fēng)方式

隧道通風(fēng)系統(tǒng)是保證隧道安全行駛、防止交通事故產(chǎn)生的關(guān)鍵系統(tǒng)，而通風(fēng)方式是重中之重。根據(jù)公路隧道長度、交通流量和車速劃分，可將高速公路隧道的通風(fēng)方式分為以下4種：

a）自然通風(fēng) 自然通風(fēng)是利用自然風(fēng)和汽車在隧道行駛時(shí)產(chǎn)生的活塞效應(yīng)進(jìn)行空氣對(duì)流達(dá)到通風(fēng)目的，常用于短隧道中。

b）縱向式通風(fēng) 縱向式通風(fēng)包括射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)和豎井送、排風(fēng)式縱向式通風(fēng)兩種。前者是利用射流風(fēng)機(jī)在前方采用高速氣流推動(dòng)空氣流動(dòng)，則在風(fēng)機(jī)后方形成負(fù)壓區(qū)從帶動(dòng)空氣流動(dòng)，從而形成隧道內(nèi)空氣定向流動(dòng)排出污染物，具有造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)；后者中排風(fēng)式是利用風(fēng)機(jī)將外空氣經(jīng)隧道兩端進(jìn)入隧道并在中央?yún)R入豎井，而廢氣經(jīng)豎井風(fēng)機(jī)排出隧道，送風(fēng)式是將外空氣直接經(jīng)豎井進(jìn)入隧道，污染空氣從隧道兩端洞口排出。

c）半橫向式通風(fēng) 半橫向式通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)置集中，方便運(yùn)營管理和維修，包括送風(fēng)半橫向式和排風(fēng)半橫向式的風(fēng)機(jī)，主要是設(shè)置送風(fēng)道和排風(fēng)道。前者是利用風(fēng)機(jī)、風(fēng)井將外空氣送入風(fēng)道，再經(jīng)送風(fēng)孔進(jìn)入行車道后與廢氣混合排出；后者直接利用風(fēng)機(jī)將污染廢氣由排風(fēng)道排出。

d）橫向式通風(fēng) 橫向式通風(fēng)是利用送風(fēng)道將外空氣送入隧道后橫穿隧道斷面與廢氣混合后由排風(fēng)道排出，其將隧道斷面自然分為3部分，即送風(fēng)道、排風(fēng)道和行車道。

2 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

由于縱向式通風(fēng)工程造價(jià)低，在隧道中使用較多，尤其是射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)的方式，依據(jù)CO濃度和煙塵濃度需風(fēng)量和稀釋量進(jìn)行風(fēng)機(jī)數(shù)設(shè)計(jì)，以便達(dá)到節(jié)省成本，低碳節(jié)能的效果。

2.1 判斷是否采用機(jī)械通風(fēng)

一般雙向隧道是否采用機(jī)械通風(fēng)方式的具體界限值為：

當(dāng)L·N≥600時(shí)采用機(jī)械通風(fēng)，

當(dāng)L·N＜600時(shí)采用自然通風(fēng)。

式中：L為隧道長度，km；N為高峰時(shí)通過隧道的車輛小時(shí)交通量，輛/h。

2.2 風(fēng)機(jī)工作原理

采用射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)時(shí)，在隧道內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定情況下，射流風(fēng)機(jī)增加的風(fēng)壓與隧道內(nèi)的自然風(fēng)、交通風(fēng)和隧道阻力相平衡，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（1）：

式中：ΔP為射流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)壓力；ΔPr為隧道阻力；ΔPn為隧道的自然風(fēng)力；ΔPt為交通風(fēng)力。

要最終確定射流風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)，必須要將壓力參數(shù)量化，量化的具體公式如式（2）～式（4）：

式中：ρ為隧道內(nèi)空氣密度，kg/m3；Vr為車道內(nèi)風(fēng)速，m/s；ξe為隧道入口局部阻力系數(shù)；λr為隧道摩擦阻力系數(shù)；L為隧道長度，m；Dr為車道斷面當(dāng)量直徑，m。

式中：Ar為隧道內(nèi)行車空間斷面積，m2；Vt為行車速度，m/s；n為隧道中汽車臺(tái)數(shù)；Ae為汽車等價(jià)阻力面積，m2，其計(jì)算公式為：Ae=Ac×ξc，Ac為汽車當(dāng)量阻力面積，m2；ξc為汽車在隧道內(nèi)阻力系數(shù)。

式中：Vn為隧道內(nèi)自然風(fēng)速，m/s。

2.3 隧道內(nèi)需風(fēng)量計(jì)算

隧道內(nèi)通風(fēng)量計(jì)算是確定所需風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的重要前提和依據(jù)。通風(fēng)計(jì)算即隧道內(nèi)稀釋有害物質(zhì)所需新鮮空氣的計(jì)算。

a）CO排放量計(jì)算：

式中：Qco為隧道全長CO排放量，m3/s；qco為CO基準(zhǔn)排放量，m3/（輛·km），可取0.01 m3/（輛·km）；fa為考慮CO的車況系數(shù)；fd車密度系數(shù)；fh考慮CO的海拔高度系數(shù)；fm為考慮CO的車型系數(shù)；fiv為考慮CO的縱坡—車速系數(shù)；n為車型類別數(shù)；Nm為相應(yīng)車型的設(shè)計(jì)交通量，輛/h。

b）稀釋CO的需風(fēng)量：

式中：Qreq(CO)為隧道全長稀釋CO的需風(fēng)量，m3/s；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧道設(shè)計(jì)氣壓，kN/m2；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，取273 K；T為隧道夏季的設(shè)計(jì)氣溫，K。

c）煙塵排放量計(jì)算：

式中：QVI為煙塵排放量，隧道全長m3/s；q(VI）為煙塵基準(zhǔn)排放量，m2/（輛·km），可取2.5m2/（輛·km）；fa(VI)為考慮煙塵車況系數(shù)；fh(VI)考慮煙塵的海拔高度系數(shù)；fm(VI)為考慮煙塵的車型系數(shù)；fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車速系數(shù)；nD為車型類別數(shù)。

d）稀釋煙塵的需風(fēng)量：

式中：Qreq(VI)為隧道全長稀釋煙塵的需風(fēng)量，m3/s；K為煙塵設(shè)計(jì)濃度。

2.4 計(jì)算需要風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)及布置方式

a）每處風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力計(jì)算：

式中：Vj為射流風(fēng)機(jī)吹出風(fēng)速，m/s；φ為斷面積比Aj/Ar；Aj為射流風(fēng)機(jī)封口面積，m2；ψ 為流速比 Vr/Vj；i為每一處設(shè)置風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。

b）設(shè)置風(fēng)機(jī)的處數(shù)：

c）風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)：

2.5 射流風(fēng)機(jī)布置方式

由于射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng)方式為洞外空氣從入口進(jìn)入并從出口排出，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生誘導(dǎo)風(fēng)，保持著隧道進(jìn)口流入隧道的風(fēng)量和風(fēng)速是不變的，而隧道內(nèi)有害物質(zhì)濃度是不斷增大的，到出口達(dá)到最大值，故射流風(fēng)機(jī)沿隧道縱向可根據(jù)濃度變化布置。

3 基于模糊控制理論的隧道通風(fēng)控制

集散通風(fēng)控制是我國目前在隧道通風(fēng)控制方面較常采用的方式。其基本控制原理為CO和VI（煙塵）檢測(cè)器將檢測(cè)信號(hào)傳至通風(fēng)控制器，進(jìn)而傳至交通監(jiān)控計(jì)算機(jī)，交通監(jiān)控計(jì)算機(jī)依據(jù)檢測(cè)數(shù)值來判定需要開啟風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)，最終由通風(fēng)控制器執(zhí)行開啟命令并開啟相應(yīng)風(fēng)機(jī)。采用控制CO和煙塵濃度的方法可以提高控制器對(duì)隧道內(nèi)污染氣體的敏感性，進(jìn)而達(dá)到低碳節(jié)能控制，

模糊控制[4]本質(zhì)上是基于語言規(guī)則的仿人智能控制，筆者提出將模糊控制理論應(yīng)用于隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)中，為產(chǎn)生通風(fēng)控制程序設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則表提供思路。

3.1 隧道通風(fēng)控制模糊輸入、輸出變量確定

這里采用風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)作為模糊控制器的輸出變量，CO濃度和煙塵濃度作為模糊控制系統(tǒng)輸入變量，并假設(shè)風(fēng)機(jī)要求20臺(tái)，且規(guī)定CO和煙塵允許濃度為下列值：

a）CO允許濃度 正常行車時(shí)，最大允許濃度δ=150 ppm；交通堵塞時(shí)，為δ=250 ppm（15 min以內(nèi)）。

b）煙塵允許濃度 正常行車時(shí)，K=0.007 5 m-1；阻塞情況下，K=0.009 0 m-1。

3.2 變量的模糊化

a）論域變換 論域變化目的是將輸入變量的真實(shí)論域變化為模糊控制器內(nèi)部用到的論域，其變化即令真實(shí)論域乘以比例因子即可。若內(nèi)部論域是離散的，需將連續(xù)的論域離散化，表示為0，±整｛｝數(shù)，常用離散論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

確定CO和煙塵濃度變化范圍：當(dāng)CO濃度大于150 ppm時(shí)開啟風(fēng)機(jī)；當(dāng)濃度大于250 ppm超過15 min時(shí)關(guān)閉隧道。以150為中心值，250為最大值，為滿足對(duì)稱，取最小值為50，則真實(shí)論域[50，250]，離散論域取為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，則比例因子R1=[6-（-6）]/（250-50）=0.06，故最終內(nèi)部論域?yàn)椋簃1=R1×[k1-(250+50)/2]，其中 m1為內(nèi)部論域值，k1為真實(shí)論域中某一精確值；同理可得煙塵濃度對(duì)應(yīng)內(nèi)部論域?yàn)椋喝?.007 5作為煙塵濃度中心值，0.009 0作為最大值，為滿足對(duì)稱性，取最小值為0.006，即煙塵濃度的真實(shí)論域?yàn)閇0.006，0.009]，仍取離散論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，則比例因子 R2=[6-（-6）]/（0.009-0.006）=4 000，內(nèi) 部 論 域 為 ：m2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2為內(nèi)部論域值，k2為真實(shí)論域中某一精確值，R2為比例因子。

b）模糊化 變量模糊化即選取變量語言值分檔，語言分檔越多，則描述越準(zhǔn)確，控制效果越好。CO和煙塵濃度模糊語言選取均可表示為 {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

c）模糊語言變量值隸屬函數(shù)的表示方法。隸屬函數(shù)的形狀在到達(dá)控制要求方面相差很小，僅幅寬對(duì)性能影響較大，故常采用三角形、梯形作為模糊子集的隸屬函數(shù)，其在輸入變化值后具有更大的靈敏性，在存在偏差時(shí)很快會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的調(diào)整量輸出。其表示方法有圖形表示法、表格表示法及公式表示法。

3.3 模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則

控制系統(tǒng)規(guī)則是通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后用自然語言形容描述規(guī)則并利用模糊數(shù)學(xué)的工具處理，將形成模糊關(guān)系貯存起來構(gòu)成規(guī)則庫。規(guī)則庫中所有的規(guī)則都是并列關(guān)系，其表示形式為：“If…then…”。If后面的為條件句，then后為結(jié)果句，每一條模糊條件語句只代表了一種控制策略。

3.4 模糊推理

模糊推理主要目的是根據(jù)每一條模糊條件語句的描述形成輸入與輸出之間的模糊關(guān)系，最終由每一條具體的模糊關(guān)系構(gòu)成總的模糊關(guān)系，記為矩陣R。利用MATLAB軟件[5]計(jì)算出模糊關(guān)系R后，即可得到語言變量fengji的模糊子集fengjiij：

fengjiij=(COi×VIj)·R， （12）式中：COi和VIj分別為CO和煙塵濃度的元素。

3.5 模糊判決

模糊判決包括解模糊和論域反變換兩個(gè)過程。前者即利用最大隸屬度法、面積法、加權(quán)平均法或重力法在決策值模糊集合中找到確切清晰的量作為最終結(jié)果；后者即將解模糊后得到確切值對(duì)應(yīng)的內(nèi)部論域再次變換到真實(shí)論域上，方便實(shí)施直接控制操作。

4 結(jié)語

通過介紹通風(fēng)系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了以CO濃度和煙塵濃度需風(fēng)量和稀釋量控制所需風(fēng)機(jī)數(shù)量，達(dá)到低碳且節(jié)約成本的目的。同時(shí)提出了以CO濃度和煙塵濃度作為模糊輸入變量，進(jìn)而對(duì)隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制的研究，為進(jìn)一步制定通風(fēng)控制程序設(shè)計(jì)模糊控制提供思路，并為改善隧道通風(fēng)效果和加強(qiáng)通風(fēng)控制提供依據(jù)。在針對(duì)具體隧道工程通風(fēng)設(shè)計(jì)及通風(fēng)控制時(shí)要結(jié)合各自的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便達(dá)到效率的最優(yōu)化和效益的最大化。