基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS的綜合管廊通風(fēng)除濕智能控制研究

施有志, 洪嬌莉, 林樹枝, 徐建寧

(1. 廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 福建 廈門 361024； 2. 廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361005； 3. 廈門市建設(shè)局， 福建 廈門 361003； 4. 中鐵一局集團(tuán)廈門建設(shè)工程有限公司, 福建 廈門 361000)

0 引言

近年來隨著地下綜合管廊建設(shè)的不斷推進(jìn)，建設(shè)與管理中存在的問題正逐漸形成新的研究熱潮。地下工程環(huán)境常存在潮濕、高溫、空氣不新鮮等問題。長期處于潮濕環(huán)境下，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)及入廊管線、支架的耐久性都會受到影響。有效地控制潮濕地區(qū)綜合管廊內(nèi)空氣的相對濕度，將會提高其主體結(jié)構(gòu)和入廊管線的耐久性。通風(fēng)作為綜合管廊“附屬設(shè)施”重點(diǎn)項(xiàng)之一，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高濕空氣與室外較干燥空氣的交換，進(jìn)而降低室內(nèi)空氣濕度，但目前國內(nèi)針對綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中在污染物擴(kuò)散控制[1]、電纜艙溫度控制[2]和火災(zāi)煙氣擴(kuò)散控制[3]等方面，而關(guān)于通風(fēng)除濕控制的研究極少，可借鑒地下工程其他領(lǐng)域和其他行業(yè)的相關(guān)研究。

李倫等[4]梳理了溫、濕度對電氣設(shè)備組成材料及其性能的不利影響，為保障電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)不受坑道熱濕環(huán)境的影響，提出了基于時(shí)間和溫、濕度控制模式的自動(dòng)控制系統(tǒng)；李麗峰等[5]基于礦井風(fēng)流熱濕交換理論，建立了適用于通風(fēng)作用下的礦井內(nèi)溫、濕度預(yù)測數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用VB語言編制了相應(yīng)的溫、濕度計(jì)算程序；李慧等[6]則基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)搭建礦井通風(fēng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可對礦井內(nèi)的溫、濕度等參數(shù)進(jìn)行采樣。關(guān)于地下綜合管廊，Seong等[7]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法探究綜合管廊在不同通風(fēng)量作用下的溫、濕度場分布及其變化，并指出對于進(jìn)、排風(fēng)口和中間位置，通風(fēng)量的變化對溫度場的影響不大，但會對濕度場造成影響；童麗閨等[8]針對綜合管廊的溫度、濕度、甲烷含量(甲烷體積分?jǐn)?shù))等監(jiān)測需求，提出了應(yīng)用于地下綜合管廊的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)綜合管廊的環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警，但未從控制的角度切入研究。

物聯(lián)網(wǎng)是利用各種信息傳感器實(shí)時(shí)采集所需連接、互動(dòng)、監(jiān)控物體或過程的各類信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成的一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)。利用互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以搭建任何地點(diǎn)任意物體之間在任何時(shí)刻的智能聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)。GIS(geo-information system，地理信息系統(tǒng))是在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體的地理分布數(shù)據(jù)以及與之相關(guān)的屬性，并回答用戶問題等為主要任務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)[9]。目前將物聯(lián)網(wǎng)或GIS技術(shù)應(yīng)用于綜合管廊的相關(guān)研究成果主要是為了提升日常運(yùn)維及運(yùn)營工作的管控水平[10-11]，未見涉及通風(fēng)除濕的報(bào)道。

GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[12]中規(guī)定，通風(fēng)設(shè)備應(yīng)符合節(jié)能環(huán)保要求。自2018年7月1日起正式實(shí)施的GB/T 51274—2017《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]也要求正常工況下當(dāng)管廊內(nèi)沒有人員進(jìn)出時(shí)，應(yīng)根據(jù)管廊內(nèi)外的溫度和濕度情況以及入廊管線正常運(yùn)行時(shí)所需求的環(huán)境溫度限定范圍進(jìn)行控制。然而，目前國內(nèi)關(guān)于綜合管廊通風(fēng)設(shè)計(jì)的規(guī)范仍不夠完善，如GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[12]中雖然對通風(fēng)系統(tǒng)作了說明，但過于簡略，僅著眼于火災(zāi)通風(fēng)控制與事故后機(jī)械排煙、天然氣管道艙正常情況與事故后的通風(fēng)換氣次數(shù)，未對具體的通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行說明，也沒有對綜合管廊的通風(fēng)除濕問題作出規(guī)定。而對于綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)來說，如果通風(fēng)不足或者進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)不達(dá)標(biāo)，就達(dá)不到除濕效果，而通風(fēng)過量則會造成能源浪費(fèi)。目前，國內(nèi)綜合管廊所采用的通風(fēng)風(fēng)機(jī)一般都是廠家提前設(shè)置好通風(fēng)參數(shù)，缺少在使用過程中隨著廊內(nèi)環(huán)境條件變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整與控制，進(jìn)而導(dǎo)致能源浪費(fèi)或者通風(fēng)不足等，不符合節(jié)能減排的低碳理念。

為此，本文從通風(fēng)除濕智能控制問題入手，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、GIS等現(xiàn)代化信息技術(shù)，通過預(yù)測模型、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器及其反饋修正機(jī)制，搭建綜合管廊通風(fēng)除濕智能化、自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)路徑，推動(dòng)符合節(jié)能減排理念的綜合艙通風(fēng)除濕智能控制系統(tǒng)的研發(fā)，同時(shí)對于其他艙室以及其他地下工程的多目標(biāo)優(yōu)化通風(fēng)控制(如溫度、相對濕度、污染物濃度等)也具有借鑒意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組合而成的架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)比較常用的架構(gòu)形式[14]。感知層是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要采用RFID、智能傳感器、智能終端等信息傳感工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的智能感知和獲??；網(wǎng)絡(luò)層作為中間層，其作用為利用各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建傳輸平臺，實(shí)現(xiàn)將感知層獲取的數(shù)據(jù)信息向應(yīng)用層傳輸；應(yīng)用層分為服務(wù)平臺和支撐平臺，對于不同的應(yīng)用服務(wù)需求，會有對應(yīng)的軟件平臺、數(shù)據(jù)分析工具、優(yōu)化算法等予以支撐。服務(wù)平臺將實(shí)際感知需求向感知平臺逐級傳遞，感知平臺獲取了需求的數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)信息向應(yīng)用層方向逐級傳遞并啟動(dòng)對應(yīng)任務(wù)的執(zhí)行。

要實(shí)現(xiàn)綜合管廊通風(fēng)除濕的智能化、自動(dòng)化控制，首先要實(shí)現(xiàn)廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的智能感知。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到綜合管廊通風(fēng)除濕智能控制中，利用相應(yīng)的信息傳感工具采集、獲取并傳遞空氣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得對廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的智能感知具備可行性，再實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及到數(shù)據(jù)中心的傳輸，進(jìn)而用于執(zhí)行對進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制的決策中。

1.2 GIS技術(shù)

GIS主要由軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用人員和應(yīng)用模型等組成，可以滿足海量地理空間數(shù)據(jù)信息采集、存儲、計(jì)算、分析、處理和挖掘的需求。其中，硬件系統(tǒng)用以存儲、處理、傳輸和顯示所需要的地理空間數(shù)據(jù)信息；軟件系統(tǒng)是GIS中的核心環(huán)節(jié)，用來執(zhí)行相關(guān)功能操作，如數(shù)據(jù)的輸入與處理、空間數(shù)據(jù)庫的管理等；空間數(shù)據(jù)庫中則存儲著空間信息和屬性信息[15]，二者均為GIS的操作對象。

實(shí)現(xiàn)綜合管廊通風(fēng)除濕智能化、自動(dòng)化控制的第2步，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對需要進(jìn)行控制的通風(fēng)區(qū)間所處位置的自動(dòng)判斷，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。而GIS技術(shù)的應(yīng)用，可以將綜合管廊結(jié)構(gòu)信息和溫、濕度傳感器的坐標(biāo)信息標(biāo)識在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)定位，在溫、濕度傳感器獲取空氣狀態(tài)參數(shù)的同時(shí)，同步獲取地理位置信息，以便于實(shí)現(xiàn)對綜合管廊通風(fēng)除濕控制對象的智能識別。

2 綜合艙通風(fēng)除濕智能控制框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)，搭建溫、濕度數(shù)據(jù)與空間位置信息的一體化模型，智能、自動(dòng)地獲取空氣狀態(tài)參數(shù)和地理信息參數(shù)，精準(zhǔn)定位控制對象，進(jìn)而執(zhí)行對控制需求的決策，實(shí)現(xiàn)綜合艙通風(fēng)除濕問題的智能精準(zhǔn)控制，其實(shí)施路徑如圖 1所示。

圖1 綜合艙通風(fēng)除濕智能控制框架

2.1 感知平臺

感知平臺可視為綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的末梢節(jié)點(diǎn)，由各類信息化感知工具組成，是實(shí)現(xiàn)各個(gè)需求數(shù)據(jù)信息自動(dòng)獲取、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)智能控制的首要環(huán)節(jié)。

圖2示出了感知平臺采集的主要數(shù)據(jù)及其采集方式，包括以下2個(gè)部分：

1)空氣狀態(tài)參數(shù)。主要包括廊內(nèi)空氣的溫度初始值、相對濕度初始值和外界新風(fēng)的溫度值、相對濕度值(均可以通過溫、濕度傳感器獲取)，是判斷通風(fēng)除濕需求和確定進(jìn)風(fēng)狀態(tài)需求的基礎(chǔ)。溫、濕度監(jiān)測技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，可以滿足綜合管廊的實(shí)際監(jiān)測需求[16]。

在春季的“大麥黃”和秋季的白露前一星期，使用1次殺纖毛蟲的藥物，隔日再用1次消毒藥物，以預(yù)防寄生蟲病的發(fā)生。

2)地理空間信息。主要包括監(jiān)測點(diǎn)和通風(fēng)區(qū)間的位置信息，利用GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對需求的地理空間信息的采集和存儲。將所有通風(fēng)區(qū)間的位置信息存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，在利用溫、濕度傳感器感知空氣狀態(tài)參數(shù)的同時(shí)，同步獲取相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的位置信息，建立空氣狀態(tài)參數(shù)與空間位置之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)溫、濕度數(shù)據(jù)與地理位置信息的一體化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地圖式的監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化管理。

圖2 感知平臺采集的主要數(shù)據(jù)及其采集方式

2.2 傳輸平臺

傳輸平臺可視為綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)，是將感知平臺實(shí)時(shí)感知的空氣狀態(tài)參數(shù)、地理空間信息等接入并傳輸至支撐平臺的紐帶。由接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)組成，其中，接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)信息的功能，而傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)信息的功能。傳輸平臺中涉及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用中以無線網(wǎng)絡(luò)為主。

2.3 支撐平臺

支撐平臺是綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺，主要執(zhí)行對工況性質(zhì)和基礎(chǔ)控制需求的分析判斷、對進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制的決策，其決策路徑如圖3所示。

圖3 支撐平臺決策路徑

1)支撐平臺在集成感知平臺和傳輸平臺的基礎(chǔ)上，獲取感知的地理空間信息和空氣狀態(tài)參數(shù)(包括廊內(nèi)空氣溫度初始值、相對濕度初始值和外界新風(fēng)的溫度值、相對濕度值)。

2)通過對地理空間信息的處理，實(shí)現(xiàn)控制對象與所在區(qū)間段位置信息的匹配，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，智能識別控制對象。

3)同步執(zhí)行進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制流程，依次利用需求判斷模型(包括工況性質(zhì)分析和基礎(chǔ)需求判斷2個(gè)步驟)、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器，結(jié)合支撐平臺對艙室?guī)缀螀?shù)信息、目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)的初始化設(shè)置，自動(dòng)完成綜合艙通風(fēng)除濕控制指令的實(shí)時(shí)分析與決策。

4)在支撐平臺中，將分析、決策的結(jié)果與識別的控制對象進(jìn)行匹配，確定針對某具體控制對象的控制指令，并傳輸至服務(wù)平臺。

2.4 服務(wù)平臺

服務(wù)平臺是綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的最終服務(wù)對象，如圖4所示，主要由執(zhí)行子平臺和反饋?zhàn)悠脚_2個(gè)部分組成。

執(zhí)行子平臺主要依據(jù)支撐平臺輸出的決策結(jié)果實(shí)施控制指令，并實(shí)現(xiàn)過程信息的存儲。存儲的過程信息主要包括：

1)感知信息。通過智能溫、濕度傳感器自動(dòng)對廊內(nèi)外的溫、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過GIS系統(tǒng)感知所處通風(fēng)區(qū)間，進(jìn)而自動(dòng)獲取區(qū)間艙室?guī)缀螀?shù)信息(即通風(fēng)分區(qū)長度、斷面寬高比)。

圖4 服務(wù)平臺構(gòu)成

2)過程控制信息。控制過程中，自動(dòng)記錄基礎(chǔ)通風(fēng)需求(即通風(fēng)換氣次數(shù))、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)控制目標(biāo)參數(shù)(即進(jìn)風(fēng)溫、濕度數(shù)據(jù))。

3)控制結(jié)果信息。通過記錄控制初始時(shí)刻信息和控制完成時(shí)刻信息得到實(shí)際的換氣時(shí)間。

通過相應(yīng)的設(shè)備對過程信息進(jìn)行感知、采集與處理后，可以自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的記錄，并寫進(jìn)Excel表格中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過程信息的自動(dòng)化存儲。

2.4.2 反饋?zhàn)悠脚_

反饋?zhàn)悠脚_通過分析執(zhí)行子平臺存儲的過程信息，對控制結(jié)果(如廊內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)等)進(jìn)行反饋，同時(shí)根據(jù)通風(fēng)除濕有效時(shí)長預(yù)測模型的誤差指標(biāo)，判斷是否存在對預(yù)測模型進(jìn)行更新修正的需求(如圖5所示)。當(dāng)某時(shí)刻控制下的換氣時(shí)間誤差超過5%時(shí)，利用該時(shí)刻的過程信息對預(yù)測模型的變量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，進(jìn)而修正預(yù)測模型以提高進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的優(yōu)化精度。

圖5 反饋?zhàn)悠脚_控制原理

3 服務(wù)平臺仿真案例分析

以表1中某通風(fēng)控制工況為研究對象，結(jié)合本文2.4中服務(wù)平臺的執(zhí)行子平臺和反饋?zhàn)悠脚_的工作原理以及數(shù)值模擬方法[17]，就服務(wù)平臺的工作路徑進(jìn)行案例仿真分析，對其通風(fēng)除濕有效時(shí)長進(jìn)行預(yù)測、仿真控制與分析反饋。

表1 某通風(fēng)控制工況信息

3.1 執(zhí)行子平臺仿真分析

如2.4中所述，執(zhí)行子平臺主要負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行和過程信息的存儲，而控制指令的執(zhí)行過程則可以通過數(shù)值仿真分析進(jìn)行。因此，就執(zhí)行子平臺的控制過程，利用ANSYS FLUENT軟件對上述工況的通風(fēng)除濕過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，得到該工況下的通風(fēng)除濕有效時(shí)長為1 000 s。將該工況信息同通風(fēng)除濕有效時(shí)長信息進(jìn)行存儲并傳輸至反饋?zhàn)悠脚_。

3.2 反饋?zhàn)悠脚_控制流程

(1)

(2)

步驟1，讀取Excel文件中更新的預(yù)測模型變量數(shù)據(jù)(即新增工況信息)；

步驟2，調(diào)用MATLAB中的Regress函數(shù)，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元多項(xiàng)式回歸分析；

步驟3，更新通風(fēng)除濕有效時(shí)長預(yù)測模型；

步驟4，更新進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的適應(yīng)值計(jì)算模型。

本案例利用數(shù)值仿真方式，對實(shí)際工程中的通風(fēng)除濕控制指令執(zhí)行過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而應(yīng)用于控制反饋中。結(jié)果表明： 1)當(dāng)通風(fēng)除濕有效時(shí)長預(yù)測模型不能對新增工況進(jìn)行有效擬合時(shí)，可以通過對預(yù)測模型系數(shù)項(xiàng)的更新來優(yōu)化擬合效果，同時(shí)進(jìn)一步修正進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的優(yōu)化指令。2)可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)除濕控制過程的反饋修正，該反饋修正方案在實(shí)際工程的通風(fēng)除濕控制中具有可行性。

4 結(jié)論與建議

本文在前期研究所建立的綜合艙通風(fēng)除濕有效時(shí)長預(yù)測模型、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的基礎(chǔ)上，對綜合艙通風(fēng)除濕問題的智能控制實(shí)現(xiàn)路徑展開研究，搭建了綜合艙通風(fēng)除濕智能控制網(wǎng)絡(luò)。該控制網(wǎng)絡(luò)主要由4部分構(gòu)成： 1)感知平臺負(fù)責(zé)感知空氣狀態(tài)參數(shù)、地理空間信息等數(shù)據(jù)信息； 2)傳輸平臺用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入與傳輸； 3)支撐平臺在感知信息的基礎(chǔ)上，以上述預(yù)測模型和控制器作為支撐，對運(yùn)營中的綜合艙通風(fēng)除濕工況進(jìn)行分析、預(yù)判和決策； 4)服務(wù)平臺負(fù)責(zé)執(zhí)行支撐平臺決策后發(fā)出的控制指令，同步記錄過程信息并進(jìn)行反饋修正。文章主要針對地下綜合管廊的特點(diǎn)，將上述系統(tǒng)應(yīng)用于管廊工程中，重點(diǎn)進(jìn)行濕度的控制，研究成果可為后續(xù)學(xué)者進(jìn)一步研究綜合管廊通風(fēng)除濕智能控制系統(tǒng)提供參考。

本文針對綜合艙通風(fēng)除濕智能控制問題的探究尚處于控制框架設(shè)計(jì)階段，為使該系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，后續(xù)還需結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)進(jìn)一步研究。另外，要體系化地解決綜合管廊的通風(fēng)控制問題，就要針對電纜艙、燃?xì)馀摰绕渌撌业耐L(fēng)除濕問題，以及各艙室的其他通風(fēng)問題繼續(xù)深入研究。