火災(zāi)工況下隧道通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制技術(shù)研究

代東林

摘要 文章圍繞公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制所需的斷面風(fēng)速測試和臨界風(fēng)速計算兩方面關(guān)鍵技術(shù)，詳細介紹其基本原理和現(xiàn)有技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上提出一種多斷面風(fēng)速監(jiān)測新思路并深入分析風(fēng)速傳感器選型及其無線組網(wǎng)方式。此外，提出一種火災(zāi)工況下臨界風(fēng)速快速預(yù)測新思路，重點闡述基于FDS模擬試驗的臨界風(fēng)速樣本獲取要點，以及基于機器學(xué)習(xí)算法的多因素，即臨界風(fēng)速預(yù)測模型構(gòu)建要點。

關(guān)鍵詞 隧道通風(fēng)；火災(zāi)工況；風(fēng)速監(jiān)測；臨界風(fēng)速；FDS

中圖分類號 U453.5文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）07-0001-04

0 引言

近年來，公路隧道建設(shè)蓬勃發(fā)展，隧道數(shù)量和里程不斷增加，單座隧道長度不斷突破，在給公路交通創(chuàng)造有利條件的同時，隧道內(nèi)各類事故隱患也不斷增多，其中隧道火災(zāi)事故更是時有發(fā)生。隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)的溫度和煙氣對人員安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，稍有不慎將導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2020—2021年全國公路隧道養(yǎng)護運行管理現(xiàn)狀調(diào)研期間，關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)急控制策略的調(diào)研，共收到495份問卷，其中245家管理單位明確表示沒有制定突發(fā)事件的通風(fēng)控制策略，占比接近50%。在隧道火災(zāi)突發(fā)時，通風(fēng)系統(tǒng)不能盡快發(fā)揮控?zé)?、排煙作用，有時甚至?xí)鸱醋饔谩?/p>

事先通過現(xiàn)場試驗探明隧道通風(fēng)資源特征及利用價值，是編制通風(fēng)系統(tǒng)控制策略的必要前提條件。對于典型的公路隧道，分別在單組風(fēng)機獨立運行、多組風(fēng)機不同組合運行條件下，分析得出：斷面風(fēng)速隨時間及縱向位置變化曲線，是揭示通風(fēng)資源特征的一種重要途徑。因此，通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制中，斷面風(fēng)速的可靠監(jiān)測是通風(fēng)供應(yīng)側(cè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

從需求側(cè)來看，預(yù)測隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速需求是編制通風(fēng)系統(tǒng)控制策略的重要客觀依據(jù)。分別分析隧道海拔高度、火源功率、斷面阻塞比以及不同區(qū)段路面坡度等因素對臨界風(fēng)速的影響程度，從而提出：綜合考慮多因素影響、普遍適用且及時性好的臨界風(fēng)速快速預(yù)測算法，是通風(fēng)需求側(cè)應(yīng)當(dāng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

該文針對通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制所需的斷面風(fēng)速測試、臨界風(fēng)速計算兩方面關(guān)鍵技術(shù)，詳細介紹其基本原理和現(xiàn)有方案。在此基礎(chǔ)上，分別提出多斷面風(fēng)速監(jiān)測和臨界風(fēng)速快速預(yù)測的新技術(shù)總體思路，并對其中的傳感器選型與組網(wǎng)、臨界風(fēng)速樣本獲取與預(yù)測模型構(gòu)建進行重點分析。

1 斷面風(fēng)速測試原理與多斷面監(jiān)測新技術(shù)

1.1 常用測試方案介紹

關(guān)于隧道斷面風(fēng)速測試，多采用傳統(tǒng)風(fēng)速儀在斷面內(nèi)逐點進行測量。交通運輸部公路科學(xué)研究院李俊峰等將公路隧道斷面劃分為16個測量區(qū)域[1]，開發(fā)了斷面風(fēng)速多通道檢測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)各區(qū)域中心點風(fēng)速同步測量；公安部天津消防研究所研發(fā)的隧道防排煙多點風(fēng)速測量裝置[2]，將隧道全斷面細分成32個區(qū)域，基于多通道熱線風(fēng)速傳感技術(shù)來測量斷面風(fēng)速，且測量裝置適用于不同尺寸、不同形狀的各類隧道。

這些斷面風(fēng)速測量方法以隧道全斷面為對象，近似等面積劃分區(qū)域測量風(fēng)速，對于隧道火災(zāi)工況下排煙來說，隧道斷面上部或者上中部煙氣集中位置才是通風(fēng)關(guān)鍵區(qū)域，因此有必要在斷面內(nèi)進一步劃分關(guān)鍵區(qū)域并監(jiān)測其平均風(fēng)速。另外，鐵道部科學(xué)研究院進行了鐵路隧道斷面平均風(fēng)速位置搜索，獲得了斷面內(nèi)平均風(fēng)速特征點分布曲線，對研究公路隧道斷面關(guān)鍵區(qū)域平均風(fēng)速特征位置分布特點具有一定的參考意義。

1.2 風(fēng)速傳感器分析

在隧道斷面風(fēng)速多通道同步測量方面，風(fēng)速傳感器共有葉片式、風(fēng)杯式、超聲波式和熱敏式四種類型，其測量范圍都能覆蓋1～25 m/s且示值誤差在5%以內(nèi)。從起動風(fēng)速大小、現(xiàn)場安裝難易程度以及是否有利于組網(wǎng)出發(fā)，分析各類風(fēng)速傳感器特點并匯總?cè)绫?所示?？傮w來說，熱敏式風(fēng)速傳感器對于隧道斷面風(fēng)速測量需求來說具有明顯優(yōu)勢。

1.3 無線組網(wǎng)方式分析

針對多熱敏風(fēng)速傳感器無線組網(wǎng)，重點考慮數(shù)據(jù)傳輸實時性、通信距離長短和外部服務(wù)依賴度等因素，常用無線組網(wǎng)技術(shù)優(yōu)缺點如表2所示。

LoRa基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗遠距離通信。雖然數(shù)據(jù)速率較低，但網(wǎng)絡(luò)終端容量大、通信距離遠、信號穿透力強且功耗低。既可以小范密集部署終端，也可以長距離分散通信部署終端，與斷面風(fēng)速監(jiān)測中數(shù)據(jù)通信量低、通信終端多、使用電池供電以及終端既要密集部署又要分散部署等需求最為匹配。

1.4 多斷面監(jiān)測新技術(shù)總體思路

基于以上分析，提出一種隧道風(fēng)速多斷面監(jiān)測新技術(shù)，其總體技術(shù)路線如下：

（1）分析隧道火災(zāi)工況下煙氣高度對人員逃生的影響，以此確定斷面通風(fēng)關(guān)鍵區(qū)域。

（2）在斷面關(guān)鍵區(qū)域使用重型伸縮牛頭架和龍門架等設(shè)置數(shù)根等間距立柱，每根立柱上等間距布設(shè)若干風(fēng)速計，如圖1所示。

（3）在各風(fēng)速計旁設(shè)置LoRa無線傳輸節(jié)點，用于將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，并由LoRa網(wǎng)關(guān)以有線局域網(wǎng)傳輸方式將風(fēng)速數(shù)據(jù)發(fā)送到風(fēng)速監(jiān)測軟件平臺，如圖2所示。

（4）在各斷面關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)分別確定代表該關(guān)鍵區(qū)域平均風(fēng)速的特征位置。

（5）對全隧道多斷面特征位置風(fēng)速同步測量，擬在隧道內(nèi)每間隔100 m布設(shè)一個三腳架伸縮桿，伸縮桿頂端布設(shè)風(fēng)速傳感器和LoRa無線傳輸節(jié)點；風(fēng)速數(shù)據(jù)首先通過LoRa無線傳輸至附近數(shù)百米遠的LoRa網(wǎng)關(guān)，再經(jīng)無線網(wǎng)橋連接的局域網(wǎng)傳輸至風(fēng)速監(jiān)測軟件平臺。

2 臨界風(fēng)速計算原理及快速預(yù)測新技術(shù)

2.1 現(xiàn)有計算原理分析

關(guān)于隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作。臨界風(fēng)速是指隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，能有效地將煙氣控制于火源下風(fēng)方向而不發(fā)生逆流的最小縱向通風(fēng)風(fēng)速，最早由英國的Thomas于1968年提出。根據(jù)不同火源功率及火源至出口距離對臨界風(fēng)速的影響研究，結(jié)果顯示：臨界風(fēng)速隨著火源功率的增大而增大，與火源功率的1/3次方成正比，且隨著火源與隧道出口距離的增大呈現(xiàn)出線性增長趨勢；部分學(xué)者研究了隧道坡度對射流風(fēng)機臨界風(fēng)速的影響，結(jié)果顯示上坡時坡度越大臨界風(fēng)速越小，下坡時坡度（絕對值）越大臨界風(fēng)速越大，并對現(xiàn)有Kennedy臨界風(fēng)速模型中的坡度修正系數(shù)進行了優(yōu)化[3]；武漢科技大學(xué)等單位研究了縱向通風(fēng)下隧道長度對臨界風(fēng)速的影響，結(jié)果顯示：臨界風(fēng)速隨著隧道長度的增加呈上升趨勢但增速逐步變緩趨于0，并采用量綱分析法構(gòu)建出臨界風(fēng)速與隧道長度關(guān)系公式[4]；西南交通大學(xué)研究了隧道海拔高度對臨界風(fēng)速的影響，結(jié)果顯示：臨界風(fēng)速隨著海拔高度的增加而增大，當(dāng)火災(zāi)熱釋放率大于30 MW時海拔高度對臨界風(fēng)速影響較小，火災(zāi)熱釋放率小于30 MW時海拔高度對臨界風(fēng)速的影響顯著增強，且隨著熱釋放率的減小影響不斷增大[5]。

長安大學(xué)王永東等人系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于火源熱釋放率、燃料類型、火源尺寸、火源位置、縱向風(fēng)溫度、隧道阻塞比、縱向坡度、斷面形狀、線形曲率、海拔高度、排煙模式等不同因素對臨界風(fēng)速影響的研究成果[6]，這些成果大部分都是基于FDS模擬試驗得到。當(dāng)采用FDS來模擬多因素變化下臨界風(fēng)速變化規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)明顯存在時間成本過高的問題，如在構(gòu)建好的50 m長隧道內(nèi)完成單次5 s燃燒試驗的運行時間長達2 h，且單次運行時間會隨著隧道長度、模擬燃燒時間以及影響因素個數(shù)的增長顯著增加至數(shù)天。對此，有學(xué)者利用FDS軟件就其中五個影響因素分別進行了研究，得到臨界風(fēng)速隨各影響因素的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究多種影響因素下臨界風(fēng)速的預(yù)測建模，為發(fā)展預(yù)測臨界風(fēng)速的工程計算模型提供了一種新思路[7]。值得注意的是，該預(yù)測模型選取的因素中火源寬度、火源橫向位置對臨界風(fēng)速的影響小到可以忽略不計，而其他研究證明對臨界風(fēng)速影響較大的海拔高度、斷面尺寸（緊急停車帶）等因素未在模型中得以體現(xiàn)。因此，研究一種適用于火災(zāi)工況下隧道通風(fēng)系統(tǒng)控制策略、無需FSD建模分析、充分考慮主要影響因素的臨界風(fēng)速快速預(yù)測技術(shù)十分必要。

2.2 快速預(yù)測新技術(shù)總體思路

該文提出一種臨界風(fēng)速快速預(yù)測新思路，其總體技術(shù)路線如圖3所示。

主要步驟：

（1）在FDS中構(gòu)建典型隧道模型，將一組火源功率、縱向坡度、隧道阻塞比等臨界風(fēng)速影響因素量化后作為試驗參數(shù)進行配置，并在模型中給定一個通風(fēng)初始風(fēng)速（約0.5 m/s），如圖4（a）所示。

（2）運行FDS模擬試驗，重點觀察試驗過程中火源附近是否存在煙氣逆流現(xiàn)象，如果有煙氣逆流則增大通風(fēng)風(fēng)速后再次運行FDS模擬試驗，直至風(fēng)速增大到恰好不存在煙氣逆流為止，如圖4（b）所示。

（3）保存此時的各影響因素量化值和對應(yīng)的通風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)，生成一個多因素—臨界風(fēng)速樣本。

（4）如果還需生成更多的樣本數(shù)據(jù)，則修改影響因素量化值及試驗參數(shù)，繼續(xù)執(zhí)行步驟（3）和（4）。

（5）在生成足夠多數(shù)量的多因素—臨界風(fēng)速樣本后，歸集形成樣本庫。

（6）采用機器學(xué)習(xí)算法來訓(xùn)練樣本庫，建立基于多特征分析的火災(zāi)臨界風(fēng)速快速預(yù)測模型。

（7）在臨界風(fēng)速預(yù)測時，將火源功率、縱向坡度等各影響因素值輸入預(yù)測模型，即可獲得臨界風(fēng)速預(yù)測輸出結(jié)果。

2.3 基于機器學(xué)習(xí)的模型構(gòu)建

快速預(yù)測技術(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立多影響因素作用的臨界風(fēng)速映射模型，以火源功率、縱向坡度、隧道阻塞比等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入計算及預(yù)測臨界風(fēng)速值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種比較典型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是基于誤差反向傳播算法（Back-Propagation）的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其主要結(jié)構(gòu)由一個輸入層、一個或多個隱含層和一個輸出層組成，各層由若干個神經(jīng)元構(gòu)成，每一個節(jié)點的輸出值由輸入值、激發(fā)函數(shù)和閾值決定。

用于臨界風(fēng)速預(yù)測建模的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其輸入層設(shè)計為8個節(jié)點，分別對應(yīng)于樣本中的各輸入指標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)的隱含層沒有明確的物理意義，其節(jié)點個數(shù)根據(jù)經(jīng)驗選取為輸入節(jié)點數(shù)的2倍左右，激發(fā)函數(shù)采用雙曲函數(shù)；網(wǎng)絡(luò)的輸出層僅包含1個節(jié)點，對應(yīng)于樣本中的臨界風(fēng)速值，由于該輸出不能取負值，其激發(fā)函數(shù)選取非負的Sigmoid函數(shù)。同時，選取性能指標(biāo)函數(shù)并按照梯度下降學(xué)習(xí)法逐步調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部參數(shù)，獲得滿足精度要求的臨界風(fēng)速預(yù)測模型。

在以上預(yù)測模型中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解臨界風(fēng)速y的步驟如下：

由輸入層第i個節(jié)點的輸出ai、輸入層第i個節(jié)點到隱含層第j個節(jié)點的權(quán)值wij、隱含層第j個節(jié)點的閾值θj計算隱含層第j個節(jié)點的輸入：

由隱含層激發(fā)函數(shù)bj計算隱含層第j個節(jié)點的輸出：

由隱含層第j個節(jié)點的輸出bi、隱含層第j個節(jié)點到輸出層節(jié)點的權(quán)值wj、輸出層節(jié)點的閾值θ計算輸出層節(jié)點的輸入net：

由輸出層激發(fā)函數(shù)f（·）計算輸出層節(jié)點的輸出及臨界風(fēng)速值：

3 結(jié)語

該文針對火災(zāi)工況下公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的控制策略編制，一方面，在介紹斷面風(fēng)速測試現(xiàn)有方案后，分析了各類風(fēng)速傳感器用于斷面風(fēng)速測量的優(yōu)缺點以及多傳感器常用的無線組網(wǎng)技術(shù)，進而提出適用于長大隧道多斷面關(guān)鍵區(qū)域風(fēng)速監(jiān)測的新技術(shù)。另一方面，介紹了火災(zāi)工況下臨界風(fēng)速計算的現(xiàn)有方法及其存在的不足，提出臨界風(fēng)速快速預(yù)測新技術(shù)，并對臨界風(fēng)速樣本獲取要點和多因素作用的臨界風(fēng)速預(yù)測模型構(gòu)建要點進行了重點闡述，為通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制提供了強有力的理論支撐。圍繞火災(zāi)工況下通風(fēng)系統(tǒng)控制策略編制這一主題，開展其他內(nèi)涵關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，是后續(xù)工作的重點。

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