首页 如何成为会员 意见反馈
主办 沈阳鼓风机研究所 /《风机技术》杂志社
   新闻  |   技术纵横  |  论坛  |  沈阳鼓风机研究所  |  风机协会  |  质检中心  |  风机标委会  |  风机技术杂志  |  企业商铺  |  供求  |  产品  |  书籍  |  招聘
当前位置:中国风机技术网 → 技术纵横 → 计算机应用

前馈式智能控制隧道通风系统

车红星/中铁十五局集团有限公司    

摘要: 通过对前馈式通风控制3种方式的比选,简述了长大隧道采用前馈式智能通风控制的优点,建立了该系统的交通流基本参数和风压模型以及工程设计原则,通过工程实施隧道污染物 控制在设定值范围。

关键词: 隧道通风;智能控制;建模;工程实践

中图分类号:TP273+.5    文献标识码:B

The Tunnel Ventilation System with Feedforward Intelligent Control

Abstract: By comparing three means of feedforward ventilation system, the virtues of using intellectual prepositive feedback in long and large tunnels are specified. The essential parameters of traffic flow, wind pressure model and the engineering design principles are set up. The contaminations in tunnel can be controlled within designed limit in engineering project.

Key words: tunnel ventilation; intellectual control; modeling; engineering practice

0  引言 

  隧道是个闭塞空间,汽车尾气排放的烟(尘)不易扩散,其浓度较开放空间在短时间内会快速积累,当污染物、烟(尘)量达到一定程度后,能见度就会下降,直接威胁行车安全。这种烟(尘)浓度累积同隧道长度、交通流量、气象、地形及地质条件等紧密相关。

  南京市九华山隧道长2718m,为确保隧道外的新鲜空气进入,降低隧道内有害物质浓度,使空气环境达到卫生标准和满足能见度等方面要求,则建立一种先进、节能、高效的通风自动控制系统是关键。

1  现有技术比选

  近年来发展较快的先进的风机控制技术是前馈(FF)控制。前馈控制通过预测未来的交通流,计算出以后一段时间内烟雾(VI)和一氧化碳的浓度信息(前馈信号),结合传感器测得的当前烟雾,CO浓度信息(反馈信号),共同完成对风机的控制。前馈控制法具有克服时滞效应和节能等优点。前馈控制法可分为前馈式模糊控制系统、神经网络结构在线控制系统和前馈式智能控制系统。

1.1  前馈式模糊控制系统

  系统主要包括交通流预测模型、污染物扩散模型、模糊控制器(FLC)、检测元件、执行元件及控制对象。系统缺点是模型的前馈信号不是精确信息,模型本身精度不够。它是由交通流预测模型、空气动力学模型和污染物扩散模型确定的,而这些模型计算较复杂,不便于使用。

1.2  神经网络结构在线控制系统

  通过采用前馈-反馈复合控制方法,构建神经网络在线控制系统,该系统包括神经网络在线控制器、CO浓度传感器、车流量检测器及控制风机开启的执行器等。利用神经网络自学习、自适应的特性,通过在线学习,及时对外界条件的变化及控制效果作出反应,优化网络结构,保证控制模型处于符合当前控制条件的最佳状态。

  神经网络控制需要大量正确的样本便于学习,而在实际运行中难以产生正确的样本,这使得神经网络控制效率不尽人意。

1.3  前馈式智能控制系统

  将模糊逻辑引入前馈控制法中,以人的控制经验作为控制的知识模型,以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具,避开了复杂数学模型的建立;而神经网络适宜于客观过程规律的提炼,可以学习车流量,车速,风机开启数量与污染物扩散等关系,能较快速、准确地获得正确样本。将模糊逻辑与神经网络两者的优点结合起来,可以形成更为简便有效的控制系统---前馈式智能控制系统。

  前馈式智能控制系统由6个部分组成:交通流预测模型、污染物扩散模型、FLC、检测元件、执行元件和控制对象,见图1。

图1 前馈式智能控制系统

   根据车辆检测计测得的交通流数据,当前运行的风机台数,污染物的当前参数,利用神经网络模型预测下一个控制周期污染物浓度的增量。然后,由污染物的反馈量、预测增量和控制目标量确定FLC的控制偏差e,经过模糊推理,得到风机的变化量。结合风机当前的运行状况,确定风机开启(关闭)的台数和位置,从而得到新的污染物动态,再进入下一个控制周期。

  九华山隧道风机控制采取前馈式智能控制系统。

2  前馈式智能控制系统建模

  通风控制系统中涉及到CO浓度、VI量、交通量(Q)、行车速度(V)、车流组成、隧道内风速情况及射流风机开启台数(Njf)多个变量。但交通量(Q)、行车速度(V)、车流组成属于交通流基本参数,而CO浓度、VI量大小又直接取决于隧道内交通流。

2.1  交通流参数的计算

  交通流的基本参数有交通量、行车速度和车流密度。

  某方向某断面r个车道折算交通量之和为

 (其中常数 1 , 2 , 3 为车辆折算系数)

  根据交通量Q、行车速度V、车流密度K三者之间的关系,则某断面、某车道的密度为

   

  判断隧道的交通流状况(NS为服务水平,K为行车密度):

  若NS≤0.54且K≤23则为自由流(绿色);

  若0.54<NS≤0.93则为饱和流(黄色);

  若NS>0.93且K>23则为阻塞流(红色)。

  根据交通状况(自由流、饱和流、阻塞流)的变化在事件检测中的影响,利用事件发生后相邻两检测断面间车流波动所导致的交通流参数的异常变化,来判断交通事件的发生,在交通事件处理完毕后,本系统可自动恢复至正常状态。

  突发交通状态检测判断模型与算法:

  对应于交通流变量(V0Q0K0),V0是指最大流量时的速度,Q0是指最大流量,K0是指临界占有率。流量公式为Q1Q0-1.5(K-K0)2/3 。

  以此作为最小非拥挤流量。当KK0时,如果流量低于Q1时,认为交通运行状态处于拥挤状态,当QQ1时,该交通状态居于非拥挤状态。

2.2  通风量及机组台数计算

  CO浓度由低到高、透过率检测值由好到坏分为几个级别,投入的风机数量和运转时间在隧道正常营运时间由此确定。计算原理如下。

2.2.1 隧道内需要的新鲜风量

  根据我国《公路隧道设计规范》及世界银行专家建议的公式进行计算。

  (1)按稀释CO计算新鲜风量(m3/h)

  汽车行驶时产生的CO量与汽车的行驶速度、汽车行驶路段所在的海平面高度及路段的纵坡等有关。隧道内需要的新鲜风量,根据稀释隧道内空气中CO浓度达到允许浓度来确定,根据《公路隧道设计规范》提供的公式进行计算:

  QcoK·fv·fi·fh·q co·N·G·L×106/δco

  (2)按稀释烟尘计算新鲜风量 (m3/h)

  柴油车在隧道内行驶时产生的烟尘量与行驶速度、柴油车密度、路段所在的海平面高度、路段的纵坡等有关。隧道内需要的稀释烟尘的新鲜风量系与洞内烟尘允许浓度有关,根据《公路隧道设计规范》提供的公式进行计算:

  QF =K·fL·fi·qt·G·D·L/k

  (3)按稀释NOx计算新鲜风量(m3/h)

  汽车行驶时产生的NOx与车型、车速、道路坡度等有关,采用以下公式计算:

  QZNOx=qNOx·(Ml+kt·MtKS·L×106/CNOx

  根据以上3种稀释有害气体所需的新鲜风量,取其中最大者为控制设计新鲜风量(Qs)。

2.2.2  风机组数及台数计算

  在隧道内设置射流风机进行纵向通风,在同一横截面上风机台数(即一组风机的台数)应由风机尺寸、隧道内轮廓尺寸、风机重量及通风量等来确定。

  根据隧道通风所需要的全风压以及单组风机所产生的风压,即可进行隧道风机组数的计算:

  风机组数=(1.1~1.2)H/pj(组)

  H为通风所需要的全风压(mmH2O )换算成Pa;pj为单组风机所产生的风压(mmH2O)换算成Pa。

  射流风机台数=风机组数×单组风机台数(台)

3  工程设计

  根据以上模型和理论分析与计算,工程设计时确定以下设计原则。

  (1)隧道内CO正常运营时允许浓度:200~250ppm,交通阻滞(隧道内各车道均以怠速行驶,平均车速为10km/h )时可为300ppm,经历时间不超过20min。

  (2)隧道内烟雾允许浓度为7.0×10-3(m-1

  (3)隧道内风速正常运营时为10m/s。

  (4)根据隧道营运过程中的交通状况,适时调整通风量,在保证交通安全的前提下,以最经济的动力给隧道提供满足营运条件的通风量。

  (5)隧道内某一位置的CO或透过率值达到风机启动值,则最靠近此检测器的风机应首先启动。

  (6)累计运行时间最短风机应首先启动,以便平衡各台风机的劳逸程度,延长风机使用寿命。

  (7)风机启动瞬间冲击电流很大,故各风机的启动有短暂延时,以减少对变电站供电的冲击。

4  运行效果

  南京九华山隧道通风系统采用前馈式智能控制, 数据检测表明,该隧道内的污染物水平控制在设定值附近(CO浓度 150ppm),未出现过度控制和欠缺控制的情况。实践表明其优点主要体现在以下4个方面。

  (1)引入前馈式控制法,对下一个周期的交通流和污染物浓度进行预测,将信号提前传给控制程序,做到“要来多少车就送多少风”,从根本上解决了传统控制法不能解决的时滞性问题。

  (2)引入模糊推理方法,采用人的经验对风机进行控制,在一定程度上提高了抵抗噪声干扰的能力,缓解了传统控制法风机频繁开停问题,可大幅度地降低风机的开停频度,显著节约能耗,并获得更好的行车环境。

  (3)前馈式智能控制将模糊逻辑与神经网络两者的优点结合起来,避免了模糊控制和神经在线控制中模型计算困难和需要正确样本难题。

  (4)该控制策略和算法的合理性好且鲁棒性高

新闻评论评论内容只代表网友观点,与本站立场无关!

  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-9 14:17:31
· br315Fhttp://www.FyLitCl7Pf7kjQdDUOLQOuaxTXbj5iNG.com 
  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-29 5:33:35
· 好文章,内容无懈可击.禁止此消息:nolinkok@163.com[url=http://www.xmten.com/]...
  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-19 10:15:06
· 不错的文章,内容文风幽默.禁止此消息:nolinkok@163.com[url=http://www.xmten.com...
  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-6 0:01:07
· 不错的文章,内容气吞山河.禁止此消息:nolinkok@163.com[url=http://www.xmten.com...
  评论人:pvvvfoigml   打分:85 分  发表时间:2015-2-19 0:06:13
· 86qJyt<ahref="http://tamspjhiszex.com/">tamspjhiszex</a>,[ur...