公路隧道通風優化設計與控制

鄭 方

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

0 前 言

隧道是高速公路建設中常使用的一種結構形式。但公路隧道因為封閉性的關系，內部聚集較多有害氣體，需要做好通風換氣，以免對內部環境及駕駛員構成威脅。本文從一氧化碳濃度、煙塵濃度排放量、稀釋量等計算角度出發，優化隧道通風設計方案，并給出合理的管控措施。

1 隧道通風方式

當前，從隧道長度、通車輛、車速等方面展開綜合分析，可將公路隧道通風方式劃分為以下幾種。

1)自然通風。利用自然風及汽車隧道行駛中的活塞效應達到隧道內部氣流流通的目的。不過該方法對于短線路隧道有顯著效果，較長隧道并不適合。

2)縱向通風。縱向通風分為兩種，射流風機縱向通風和豎井送排風縱向通風。前者借助射流風機的高速運轉實現隧道內部空氣流動，利用風壓的變化加快空氣流動速度，將隧道內部有害氣體及時排出；后者會在中心區域內建設豎井，利用風機作用將隧道兩端空氣集中到中心豎井區域內，利用豎井內部的排風機達到促進空氣流通和轉換的目的。

3)半橫向通風。該通風模式以送風半橫向和排風半橫向這兩種為主，設計中會集中將風機設置在送風或排風通道內，借助風機和風井的作用實現隧道內空氣的流通，排出污染氣體。該方式具有維修效率高、運營管理難度低的特征。

4)橫向通風。橫向通風直接將外界空氣通過送風道送入隧道內部，使其與隧道內部的污染氣體融合，再經過排風道排出。在該模式設計中，要對空氣穿過截面及風道加以科學設置，以保證通風效果。

2 隧道通風設計

本文重點論述縱向通風設計。縱向通風設計具有造價成本低、使用范圍廣的特征，射流風機的操作能夠稀釋隧道內一氧化碳和煙塵的濃度，且不會產生較大的能源損耗。

2.1 機械通風應用的判斷

對于雙向隧道工程來說，是否采用機械通風方式需要對界限值加以科學分析，界限值在600 km·輛·h-1以上時可采用機械通風。如果界限值在600 km·輛·h-1以內，則要采用自然通風。為計算界限值，需要掌握隧道長度及高峰期平均車流量。

2.2 風機作業原理

在射流風機縱向通風模式下，保障風流穩定性的同時，射流風機產生的風壓與隧道內自然風、阻力之間應保持平衡關系，關系表達式為：

ΔPr+ΔPn=ΔP+ΔPt

(1)

式中，ΔPr為隧道阻力；ΔPn為自然風；ΔP為射流風機風壓；ΔPt為交通風。明確其關系后要根據隧道實際情況設計射流風機，確定風機使用數量。首先，實施風機壓力參數的量化處理，公式為：

(2)

式中，P為每立方米的空氣密度；Vr為風速；ξe為入口處阻力；λr為摩擦阻力系數；L為隧道總長度；Dr為通行道路截面中當量直徑。

(3)

(4)

式中，Ar指的是行車空間斷面積；Vt為車速；n代表汽車臺數；Ae為汽車等價阻力面積；Ac為汽車當量阻力面積。其中汽車等價阻力面積的計算以Ae=Ac×ξc實現，ξc為隧道內阻力系數。

(5)

式中，Vn為自然風速。

2.3 需風量計算

需風量的計算可準確了解隧道內需要稀釋的有害氣體含量，并計算出需要的新鮮空氣量。掌握需風量數值，對于風機最終數量的確定也有一定作用。計算中，先要了解隧道中一氧化碳排放量Qco。通常情況下，每輛車每千米排放量設定在0.01 m3左右；獲取車況系數fa、車密度系數fd、車型系數fm；同時考慮到縱坡上的車速系數fiv及車型類別n，以及不同車型的設計交通量Nm。利用下式完成計算，得出準確數值。

(6)

另外，計算稀釋一氧化碳的需風量Qreq(CO)。結合標準大氣壓強P0、設計氣壓參數P、氣溫系數T0及夏季氣溫參數K。通常情況下，大氣壓每平方米在101.325 kN、標準氣溫為273 K。利用式(7)計算最終數值。

(7)

之后獲取煙塵排放量參數，利用以下公式計算得出：

(8)

公式中，qVI為煙塵基準排放量；fa(VI)為考慮煙塵車況系數；fh(VI)為考慮煙塵的海拔高度系數；fm(VI)為考慮煙塵的車型系數；fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車速系數；nD為車型類別數。最后計算煙塵稀釋的需風量。公式為：

(9)

式中，K為煙塵濃度。

2.4 風機數量及布置

(10)

公路隧道通風優化設計中，為發揮射流風機縱向通風方式的作用，及時將隧道內的有害氣體集中到風口位置排出，一般會沿著隧道縱向位置，根據有害氣體濃度科學設置射流風機。

3 基于模糊控制理論的隧道通風控制

公路隧道通風控制最常使用的方式為集散通風控制，利用檢測器對隧道內CO和煙塵含量加以測定，將測定內容以信號形式傳輸到控制器內，借助計算機的管控，了解隧道內部空氣質量，確定是否開啟通風裝置，之后利用通風控制裝置開啟相關設備，采用控制CO和煙塵濃度的方法，提高控制器對隧道內污染氣體的敏感性。模糊控制本質上是基于語言規則的仿人智能控制。筆者提出將模糊控制理論應用在隧道通風控制系統中，為產生通風控制程序設計模糊控制規則表提供思路。

3.1 模糊輸入與輸出變量控制

輸出變量可等同于風機數量，架設風機數量為20。按照規定要求，CO及煙塵的允許濃度分別為：正常通車情況下，CO濃度控制在150 ppm，高峰時段內濃度為250 ppm；煙塵正常情況下在0.007 5 m-1，高峰時段在0.009 m-1。

3.2 變量模糊化

1)論域變換。論域變換是將輸出變量的論域轉變成模糊控制器能夠識別的論域。如果在變換中發現論域較為零散，這時可利用{0,±整數}表示論域離散化，以{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}代表離散論域。當一氧化碳濃度值在150 ppm以上時，要求控制系統開啟風機，進行空氣流通。當濃度在250 ppm以上，且已經持續15 min以上，則需關閉隧道，全面清理后再開啟。

以150為核心值，250作為不可超過的最大值，按照對稱性，最小值設定在50，這時論域范圍為[50,250]，再結合離散論域的取值，計算比例因子：R1=[6-(-6)]/(250-50)=0.06。故最終內部論域為：m1=R1×[k1-(250+50)/2]。其中m1為內部論域值，k1為真實論域中某一精確值；煙塵濃度的真實論域也可采用上述方式計算，最終的比例因子為R2=[6-(-6)]/(0.009-0.006)=4 000。內部論域為：m2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2為內部論域值，k2為真實論域中某一精確值，R2為比例因子。

2)模糊變量。模糊變量是對選取的變量進行語言分檔，增加語言分檔數量，加強控制效果。目前常見的語言分檔有{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大}。

3)隸屬函數。模糊語言變量中的隸屬函數一般以三角形梯形等模糊子集為主，目的是提高輸入變量識別的靈敏度，減少偏差。在數值表示中，會采用圖形、表格或公式的表示方式。

3.3 模糊系統控制要求

要求以自然語言形象實行準確描繪，通過模糊數學處理工具建立關系模型，形成完善的規則庫。規則庫內所有規則均采用并列關系表達，且每一個模糊條件均能控制一種情況。

3.4 模糊推理

模糊推理是對模糊條件下描繪的輸入和輸出關系作相應說明，并構建完善的模糊關系，結合這些關系條件，利用專業軟件，計算和判定模糊關系，之后錄入到模糊子集中來，為后續工作提供依據。采用的計算公式為：

fengjiij=(COi×VIj)·R

(11)

公式中的COi和VIj分別為一氧化碳和煙塵濃度。

3.5 模糊判決

模糊判決分為兩種情況：一是解模糊，是利用面積法、隸屬度法、重力法、加權平均法在模糊集合中找出清晰量值作為最終判決標準；二是論域反變換，是解模糊得出的相關數值以內部論域的方式加以轉換，并直接影響到系統控制的一種方式。

4 結 語

希望本文論述對相關人員有所幫助，進而全面了解模糊控制理論的隧道通風控制，提高公路隧道通風設計和控制水平，保證公路隧道的正常使用，維護行車安全。

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