基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制方法

摘 要：為優(yōu)化隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制效果，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、建設(shè)綠色交通的目標(biāo)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制方法。首先，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化；其次，根據(jù)隧道環(huán)境的實(shí)時(shí)工況，計(jì)算隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量，為自適應(yīng)節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)支持；然后，建立隧道風(fēng)機(jī)工作特性分析模型，全面分析風(fēng)機(jī)的工作特性；在此基礎(chǔ)上，采用風(fēng)機(jī)群分段自適應(yīng)節(jié)能控制策略，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)節(jié)能控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法在能源消耗方面表現(xiàn)出了良好的性能優(yōu)勢(shì)，可以有效降低能源消耗，避免了不必要的能源浪費(fèi)，具有較好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；隧道風(fēng)機(jī)；環(huán)境自適應(yīng)；節(jié)能控制；環(huán)境參數(shù)；需風(fēng)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

在交通工程領(lǐng)域，隧道的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理對(duì)保障交通安全、提高運(yùn)輸效率具有重要意義。隧道風(fēng)機(jī)作為隧道通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和行車(chē)安全[1]。隧道風(fēng)機(jī)是一種用于隧道等地下工程的大型軸流通風(fēng)機(jī)，主要負(fù)責(zé)為隧道內(nèi)部提供新鮮空氣，排出有害氣體，改善隧道內(nèi)的空氣環(huán)境，保障隧道內(nèi)人員的正常工作和設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。為保證隧道安全可靠地運(yùn)營(yíng)，良好可靠的風(fēng)機(jī)環(huán)境至關(guān)重要。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的隧道風(fēng)機(jī)控制方法多依賴(lài)于人工設(shè)定和定時(shí)開(kāi)關(guān)，缺乏實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持和智能化的控制策略，不僅無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)隧道內(nèi)的環(huán)境變化，還導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際需求不匹配，降低了其運(yùn)行效率，并因過(guò)度運(yùn)行而造成能源浪費(fèi)[3]。因此，如何實(shí)現(xiàn)隧道風(fēng)機(jī)的智能化、自適應(yīng)控制，以提高能效和保障環(huán)境質(zhì)量，成為了亟待解決的問(wèn)題。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并利用這些數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[4]。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方式，不僅能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)環(huán)境變化，提高隧道的空氣質(zhì)量，還能有效降低能源消耗，為隧道的運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)極大的便利[5]?；诖?，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制方法。

1 隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制方法

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)隧道環(huán)境參數(shù)

隧道環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)對(duì)后續(xù)風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制起著至關(guān)重要的作用。首先，選擇高精度的傳感器設(shè)備，確保設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確反映隧道內(nèi)的環(huán)境狀況。根據(jù)隧道的實(shí)際工況及特征，包括隧道長(zhǎng)度、寬度以及車(chē)流量等，合理規(guī)劃傳感器的部署位置，確保傳感器設(shè)備能夠全面覆蓋隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)[6]。將傳感器牢固安裝在隧道頂部或側(cè)壁等位置，為每個(gè)傳感器配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備[7]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將部署的傳感器設(shè)備與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連接，確保傳感器數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至控制中心[8]。根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的隧道環(huán)境參數(shù)，對(duì)隧道的CO體積分?jǐn)?shù)、煙霧體積分?jǐn)?shù)占比進(jìn)行計(jì)算，公式分別如下所示：

（1）

（2）

式中：Qc表示隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)占比；Rl表示傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的CO體積分?jǐn)?shù)值；Rc表示規(guī)范規(guī)定的CO體積分?jǐn)?shù)安全閾值；Qy表示隧道內(nèi)煙霧體積分?jǐn)?shù)占比；Rs表示傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的煙霧體積分?jǐn)?shù)值；Ry表示規(guī)范規(guī)定的煙霧體積分?jǐn)?shù)安全閾值。

1.2 隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量計(jì)算

采用上述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方法采集完隧道環(huán)境參數(shù)后，根據(jù)隧道環(huán)境的實(shí)時(shí)工況，計(jì)算隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量，為后續(xù)風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)支持。從廣義程度上來(lái)說(shuō)，需風(fēng)量指的是通過(guò)機(jī)械通風(fēng)的方式，向隧道內(nèi)提供能夠稀釋各類(lèi)污染物的最大風(fēng)量[9]。隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量計(jì)算公式如下所示：

（3）

式中：Qp表示隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量；ΔMp表示隧道內(nèi)某類(lèi)污染物排放預(yù)測(cè)增量；Mp表示隧道內(nèi)某類(lèi)污染物實(shí)測(cè)排放量；Cad表示隧道內(nèi)氣體污染物的容許體積分?jǐn)?shù)；Cam表示隧道內(nèi)氣體的背景體積分?jǐn)?shù)。通過(guò)上述公式，取稀釋隧道各類(lèi)污染物的空氣體積流率最大值作為隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量。

1.3 建立隧道風(fēng)機(jī)工作特性分析模型

隧道運(yùn)營(yíng)需風(fēng)量計(jì)算完畢后，建立隧道風(fēng)機(jī)工作特性分析模型[10]。建立了風(fēng)機(jī)特性與運(yùn)行參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，模型表達(dá)式如下所示：

（4）

式中：Q表示風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；k表示風(fēng)機(jī)運(yùn)行比例系數(shù)；n為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。將收集到的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。通過(guò)對(duì)比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果，得出隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，進(jìn)而獲取隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。

1.4 隧道風(fēng)機(jī)群分段自適應(yīng)節(jié)能控制

隧道風(fēng)機(jī)工作特性分析完畢后，在此基礎(chǔ)上，對(duì)隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)節(jié)能控制。大多數(shù)隧道環(huán)境相對(duì)封閉，且通風(fēng)分段過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重降低了隧道內(nèi)污染物的排出速度，增加能耗的同時(shí)影響了隧道內(nèi)的行車(chē)安全。為了更加合理地控制隧道風(fēng)機(jī)的啟閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能的隧道通風(fēng)環(huán)境，本文采用風(fēng)機(jī)群分段自適應(yīng)節(jié)能控制策略。隧道縱向風(fēng)機(jī)平面布設(shè)，如圖1所示。

如圖1所示，采用中間風(fēng)塔和隧道射流風(fēng)機(jī)相組合的方式，構(gòu)建隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境。將隧道劃分成兩個(gè)區(qū)域：I段和II段。I段由隧道排風(fēng)井和排風(fēng)路段吊設(shè)的l組射流風(fēng)機(jī)組成，II段由隧道送風(fēng)井和送風(fēng)路段吊設(shè)的m組射流風(fēng)機(jī)組成。隧道風(fēng)機(jī)群環(huán)境由風(fēng)塔內(nèi)i臺(tái)軸流排風(fēng)機(jī)、i'臺(tái)軸流送風(fēng)機(jī)、吊設(shè)在排風(fēng)路段的j組射流風(fēng)機(jī)、吊設(shè)在送風(fēng)路段的j'組射流風(fēng)機(jī)共同組成。計(jì)算此時(shí)隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境的送風(fēng)量，公式如下所示：

（5）

式中：Qr1表示隧道I段設(shè)計(jì)風(fēng)量；Qe表示風(fēng)機(jī)提供風(fēng)量；Qreq1表示隧道I段的需風(fēng)量。結(jié)合上述基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的隧道環(huán)境參數(shù)變化，按照一定的閾值，將隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境劃分為不同的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)區(qū)間劃分的結(jié)果與風(fēng)機(jī)環(huán)境送風(fēng)量的實(shí)際情況，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)節(jié)能控制。具體控制方式如下所示：

（1）當(dāng)隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)處于低體積分?jǐn)?shù)區(qū)間時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，自適應(yīng)降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，進(jìn)而降低能源消耗。同時(shí)，保持隧道內(nèi)的通風(fēng)效果，確?？諝赓|(zhì)量良好。若發(fā)現(xiàn)關(guān)閉風(fēng)機(jī)后隧道環(huán)境參數(shù)超標(biāo)，則可能需要適當(dāng)延遲關(guān)閉時(shí)間。

（2）當(dāng)隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)處于中體積分?jǐn)?shù)區(qū)間時(shí)，保持風(fēng)機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，以滿(mǎn)足隧道內(nèi)的通風(fēng)需求。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可以適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以達(dá)到節(jié)能目的。

（3）當(dāng)隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)處于高體積分?jǐn)?shù)區(qū)間時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)，根據(jù)隧道通風(fēng)情況及空氣質(zhì)量，提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以加強(qiáng)隧道內(nèi)的通風(fēng)效果，降低污染物體積分?jǐn)?shù)。同時(shí)，注意避免能源浪費(fèi)，合理控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

在實(shí)施隧道風(fēng)機(jī)群分段自適應(yīng)節(jié)能控制策略的過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)變化。當(dāng)環(huán)境參數(shù)跨越體積分?jǐn)?shù)區(qū)間邊界時(shí)，控制中心會(huì)自適應(yīng)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以適應(yīng)新的環(huán)境參數(shù)區(qū)間。通過(guò)不斷地進(jìn)行自適應(yīng)控制，確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)始終與隧道環(huán)境相匹配，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇某高速公路的隧道通風(fēng)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)樣本。該隧道全長(zhǎng)約5 km，主要用于連接城市與郊區(qū)，車(chē)流量較大，特別是在早晚高峰時(shí)段，車(chē)流量非常密集，因此對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的要求較高。在隧道內(nèi)，裝有3臺(tái)大型軸流通風(fēng)機(jī)，標(biāo)號(hào)為T(mén)FJ-01#、TFJ-02#、TFJ-03#，分別位于隧道的入口、中部和出口處。這些風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下所示：

（1）隧道入口處風(fēng)機(jī)：型號(hào)為T(mén)30-11 No.4.5，額定功率為220 kW，風(fēng)量為240 000 m3/h，電機(jī)型號(hào)為Y2-315L1-4，轉(zhuǎn)速比為1∶1.88。

（2）隧道中部風(fēng)機(jī)：型號(hào)為T(mén)35-11 No.6.3，額定功率為370 kW，風(fēng)量為450 000 m3/h，電機(jī)型號(hào)為Y3-450SE-4，轉(zhuǎn)速比為1∶1.88。

（3）隧道出口處風(fēng)機(jī)：型號(hào)為T(mén)40-11 No.7.1，額定功率為550 kW，風(fēng)量為660 000 m3/h，電機(jī)型號(hào)為Y4-450E-4，轉(zhuǎn)速比為1∶1.88。

為了更好地監(jiān)測(cè)和控制隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)環(huán)境的狀況，選用了表1中的傳感器設(shè)備。

在隧道內(nèi)共部署了10個(gè)傳感器設(shè)備。其中，在每個(gè)隧道風(fēng)機(jī)附近位置安裝2個(gè)傳感器，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)該區(qū)域內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧體積分?jǐn)?shù)；在隧道中部和出口處各安裝1個(gè)風(fēng)速傳感器，以監(jiān)測(cè)整個(gè)隧道內(nèi)的風(fēng)速變化狀況。

2.2 節(jié)能控制效果分析

實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸至控制中心?？刂浦行膶?duì)接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。選擇能源消耗EC作為節(jié)能控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下所示：

（6）

式中：P表示風(fēng)機(jī)設(shè)備輸入功率；T表示風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。分別監(jiān)測(cè)并記錄基于本文方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[5]方法下的EC值，見(jiàn)表2。

通過(guò)表2得知，本文方法在能源消耗方面表現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)，隧道風(fēng)機(jī)的能源消耗始終低于另外兩種節(jié)能控制方法。這說(shuō)明該方法能夠根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，有效降低能源消耗，避免了不必要的能源浪費(fèi)，具有較好的節(jié)能效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道風(fēng)機(jī)環(huán)境自適應(yīng)節(jié)能控制方法是為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、建設(shè)綠色交通這一目標(biāo)而提出的。該方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制，能夠有效降低隧道風(fēng)機(jī)的能源消耗，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，為交通工程設(shè)備的智能化控制提供了新的思路和方法，對(duì)于提高能效、保障環(huán)境質(zhì)量和降低運(yùn)營(yíng)成本均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：蔣義鑫（1986—），男，甘肅蘭州人，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電工程與維護(hù)。

收稿日期：2024-01-26 修回日期：2024-03-07