CN111594253A - 基于etc门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法 - Google Patents
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- CN111594253A CN111594253A CN202010475622.5A CN202010475622A CN111594253A CN 111594253 A CN111594253 A CN 111594253A CN 202010475622 A CN202010475622 A CN 202010475622A CN 111594253 A CN111594253 A CN 111594253A
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Abstract
本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法,包括ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道环境监测系统;ETC门架系统位于隧道入口的前方;ETC门架系统与分中心连接;分中心与服务器连接;隧道环境监测系统的输出端与智能通风控制模块的输入端连接;智能通风控制模块的输出端与各台风机的控制端连接;智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接。优点为:智能通风控制模块通过ETC门架系统实时得到即将通过隧道的车辆通行信息,包括车流量、车型、车速、燃油类型等,再结合隧道环境监测系统监测到的隧道实时环境,实现按需通风的目的,降低隧道运营能耗。
Description
技术领域
本发明属于隧道通风控制技术领域,具体涉及一种基于ETC门架系统的公路 隧道智能通风控制系统及方法。
背景技术
高速公路隧道通风系统通过对隧道内风机开启数量和位置的控制,从而稀 释隧道内污染气体浓度,例如,CO,NOX等,保证隧道内空气质量,从而最终 保障隧道内行车人员的舒适性和安全性。高速公路隧道通风系统会消耗大量的 电能,尤其是特长隧道或超长隧道,通风系统负荷达到隧道运营总用电负荷的 90%以上,运营费用居高不下。如何在保证隧道内空气质量的情况下,有效降低 隧道通风系统的用电量,具有重要意义。
现有技术中,隧道通风系统根据运营时间段,开启特定数量的风机进行通 风,例如,在白天上班高峰时期,开启所有风机,以保证最大通风量;在夜晚 时,则关闭所有风机;在白天非上班高峰时期,开启一半数量的风机等。此种 风机控制方式,具有以下问题:风机开启数量根据运营时间段固定,但是,同 一运营时间段,隧道内通行的车辆数量和类型也会发生变化,因此,当隧道内 通行的车辆数量较少时,会导致开启过多数量的风机,导致电能的浪费;而当 隧道内通行的车辆数量临时较多时,开启的风机数量较小,无法保证隧道通风 质量。
因此,如何有效解决以上风机控制问题,既保证隧道通风质量,又能最大 程度的节约能源消耗,是目前迫切需要解决的事情。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智 能通风控制系统,可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统,包括: ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道 环境监测系统;
ETC门架系统位于隧道入口的前方,ETC门架系统距离隧道入口的距离为 L0km;ETC门架系统配置安装OBU卡;ETC门架系统通过网络与分中心连接; 分中心通过网络安全设备与服务器连接;
在隧道内布置若干台风机以及隧道环境监测系统;隧道环境监测系统的输 出端与智能通风控制模块的输入端连接;智能通风控制模块的输出端与各台风 机的控制端连接;智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接。
本发明还提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方 法,包括以下步骤:
步骤1,ETC门架系统通过OBU卡实时采集通过车辆的车辆通行信息;其 中,所述车辆通行信息包括车辆通过ETC门架系统的时间点t1、车辆行驶信息 以及车辆基本信息;
每隔预定时间间隔△T1,ETC门架系统将△T1时间间隔内采集到的所有车辆通 行信息汇总形成车辆通行数据表,然后,实时将所述车辆通行数据表发送给分 中心;
步骤2,分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传 至服务器;
步骤3,智能通风控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通 行数据表;
步骤4,智能通风控制模块对所述车辆通行数据表进行分析,预测到需要开 启的风机总数量n总;
步骤5,智能通风控制模块预先存储隧道内每台风机的布置位置信息;智能 通风控制模块根据隧道环境监测系统,实时获取隧道不同位置点的实时环境参 数;
智能通风控制模块对所述实时环境参数和风机的布置位置信息进行分析, 得到每台风机布置位置的污染气体浓度值;然后,按污染气体浓度值从高到低 的顺序,对各台风机进行排序;智能通风控制模块再获得各台风机到当前时刻 的连续运行时间,以污染气体浓度值尽量高、同时连续运行时间尽量短的筛选 原则,筛选出步骤4确定的n总台风机;
步骤6,智能通风控制模块实时开启筛选出的n总台风机;经过设定时间段 △T2,其中,△T2<△T1,智能通风控制模块通过隧道环境监测系统得到隧道实时 环境参数,判断隧道实时环境参数是否达到标准值,如果达到,则不动作;如 果未达到,根据隧道实时环境参数与标准值的差值,确定需要进一步开启的风 机数量,并开启对应的风机;
步骤7,然后,返回步骤1,进入下一周期的循环检测与控制过程。
优选的,步骤1中,车辆行驶信息包括:车辆通过ETC门架系统的车速; 车辆基本信息包括:车辆燃油类型以及车型信息;其中,所述车辆燃油类型包 括隧道内考虑CO的车辆以及隧道内考虑烟尘的车辆;所述车型信息包括大型 车、中型车和小型车。
优选的,隧道内考虑CO的车辆包括汽油车类型和柴油车类型;隧道内考虑 烟尘的车辆包括柴油车类型。
优选的,步骤4具体为:
步骤4.1,ETC门架系统距离隧道入口的距离为L0km;
智能通风控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析,得到车辆通 过ETC门架系统的时间点t1以及车辆通过ETC门架系统的车速V1,假设车辆从 ETC门架系统到隧道入口以车速V1匀速行驶,因此,通过下式得到车辆到达隧 道入口的时间点t2:
t2=t1+L0/V1
假设车辆通过隧道时,仍然以车速V1匀速行驶,因此,通过对所述车辆通行 数据表中各台车辆进行分析,可得到每台车辆进入隧道入口的时间,以及离开 隧道出口的时间,再根据每台车辆的车型类别,进而可统计得到本次采集控制 周期中,隧道内车辆以下信息:
隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数fa(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车密度 系数fd(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数fiv(VI)、隧道内考虑烟尘的车 辆的交通量Nm(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数fm(VI)、隧道内考虑烟尘的 车辆的车型类别数nVI、隧道内考虑CO的车辆的车况系数fa(CO)、隧道内考虑CO 的车辆的车密度系数fa(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车密度系数fd(CO)、隧道内 考虑CO的车辆的纵坡-车速系数fiv(CO)、隧道内考虑CO的车辆的交通量Nm(CO)、 隧道内考虑CO的车辆的车型系数fm(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型类别数 nco、隧道内所有车辆的总数量nc、隧道中所有车辆平均车速vt、隧道内小型车正 面投影面积Acs、隧道内大型车正面投影面积Acl、隧道内大型车比例rl、隧道内 小型车在隧道行车空间的占积率x1以及隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.2,根据下式得到烟尘排放预测量:
式中:
QVI:隧道烟尘排放预测量,单位m2/s;
qVI:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
fa(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数;
fd(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数;
fh(VI):考虑烟尘的海拔高度系数,按式fh(VI)=0.0003h+0.88计算,其中,h为 隧道设计海拔高度,单位为米;
fiv(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数;
L:隧道长度,单位米;
Nm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数;
nVI:隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数;
步骤4.3,根据下式得到隧道稀释烟尘的需风量:
式中:
Qreq(VI):隧道稀释烟尘的需风量,单位m3/s;
K:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
步骤4.4,根据下式计算得到CO排放预测量:
式中:
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
qCO:隧道CO基准排放量,单位m3/(veh·km);
fa(CO):隧道内考虑CO的车辆的车况系数;
fd(CO):隧道内考虑CO的车辆的车密度系数;
fh(CO):考虑CO的海拔高度系数,按式fh(CO)=0.78+h/1800计算;
fiv(CO):隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数;
Nm(CO):隧道内考虑CO的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(CO):隧道内考虑CO的车辆的车型系数;
nco:隧道内考虑CO的车辆的车型类别数;
步骤4.5,根据下式计算得到隧道全长稀释CO的需风量:
式中:
Qreq(CO):隧道全长稀释CO的需风量,单位m3/s;
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
δ:CO设计浓度,单位PPm;
P0:标准大气压,取101.325kN/m2;
P:隧址设计气压,单位kN/m2;
T:隧道夏季的设计气温,单位K;
T0:标准气温,取273K;
步骤4.6,根据下式计算隧道第一换气需风量:
式中:
Qreq(ac1):隧道第一换气需风量,单位m3/s;
Ar:隧道计算面积,单位m2;
ns:隧道每小时换气次数,取3次/h;
步骤4.7,根据下式计算隧道第二换气需风量:
Qreq(ac2)=vac·Ar (6)
式中:
Qreq(ac2):隧道第二换气需风量,单位m3/s;
vac:隧道换气风速,取1.5m/s;
步骤4.8,取隧道第一换气需风量Qreq(ac1)和隧道第二换气需风量Qreq(ac2)的最大值,作为最终得到的隧道换气需风量Qreq(ac);
步骤4.9,取隧道稀释烟尘的需风量Qreq(VI)、隧道全长稀释CO的需风量 Qreq(CO)和隧道换气需风量Qreq(ac)中的最大值,作为隧道内所需的通风量Qr,即:
Qr=max(Qreq(VI),Qreq(CO),Qreq(ac)) (7)
步骤4.10,根据下式计算隧道内自然通风力:
式中:
△Pm:隧道内自然通风力,单位N/m2;
ζe:隧道入口局部阻力系数;
λr:隧道沿程阻力系数;
Ar:隧道净空断面积,单位m2;
Cr:隧道断面周长,单位m;
ρ:空气密度;
Vn:自然风速,单位m/s;
步骤4.11,根据下式计算隧道交通通风力:
式中:
△Pt:隧道交通通风力,单位N/m2;
nc:隧道内所有车辆的总数量;
vt:隧道中所有车辆平均车速,单位m/s;
Am:汽车等效阻抗面积;通过下式计算得到:
Am=(1-rl)·Acs·ξc1+rl·Acl·ξc2 (10)
式中:
Acs:隧道内小型车正面投影面积,取2.13m2;
Acl:隧道内大型车正面投影面积,取5.37m2;
rl:隧道内大型车比例;
ξc1:隧道内小型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc1=0.0768x1+0.35,其 中,x1为隧道内小型车在隧道行车空间的占积率;
ξc2:隧道内大型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc2=0.0768x2+0.35,其 中,x2为隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.12,根据下式计算隧道通风阻力:
式中:
△Pr:隧道内通风阻力,单位N/m2;
ζi:隧道局部阻力系数;
步骤4.13,根据下式计算单台射流风机升压力:
式中:
△Pj:单台射流风机的升压力,单位N/m2;
vj:射流风机的出口风速,单位m/s;
Aj:射流风机的出口面积,单位m2;
η:射流风机位置摩阻损失折减系数;
步骤4.14,根据下式得到需要开启的风机总数量n总:
式中:
n总:需要开启的风机总数量。
本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法具有 以下优点:
(1)智能通风控制模块通过ETC门架系统实时得到即将通过隧道的车辆通 信信息,包括车流量、车型、车速、燃油类型等,再结合隧道环境监测系统监 测到的隧道实时环境,实现按需通风的目的,降低了隧道运营能耗;
(2)利用既有的ETC门架系统对车辆通行信息进行采集,车辆通行信息的 采集更加准确,信息采集更加全面,拓展了高速公路数字的应用范围;
(3)降低了隧道运营管理人员的管理难度及运营管理的工作量,提高了隧 道内的运营环境。
附图说明
图1为本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制方法的流程 示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以 下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述 的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统,本发明 通过在隧道入口前设置的ETC门架系统进行车流量、车型、车速等车辆通行信 息的采集,将采集到的车辆通行信息传输到智能通风控制模块,智能通风控制 模块根据未来一段时间的车辆通行信息对隧道内污染气体排放进行实时精准预 测,再结合隧道内污染气体的浓度,对隧道内风机进行精确控制,达到按需通 风的目的,因此,本发明在满足隧道内运营环境的通风要求的前提下,有效降 低隧道运营能耗。因此,本发明针对公路隧道通风系统,解决了通风系统风机 与车流量、车型、污染气体浓度的智能匹配关系,达到了按需通风的目的,降低了隧道运营能耗。
本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统,包括:ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道 环境监测系统;
ETC门架系统位于隧道入口的前方,ETC门架系统距离隧道入口的距离为 L0km;ETC门架系统配置安装OBU卡;ETC门架系统通过网络与分中心连接; 分中心通过网络安全设备与服务器连接;
在隧道内布置若干台风机以及隧道环境监测系统;隧道环境监测系统的输 出端与智能通风控制模块的输入端连接;智能通风控制模块的输出端与各台风 机的控制端连接;智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接。
因此,ETC门架系统用于实时采集车辆通行信息,并将车辆通行信息通过分 中心上传给服务器。
智能通风控制模块预先存储隧道长度、坡度、风机设置位置等隧道基本数 据,通过从服务器实时读取车辆通行信息,可提前根据车辆通行信息对隧道内 污染气体排放进行实时精准预测,再结合隧道环境监测系统监测到的隧道内污 染气体的当前浓度,对隧道内风机进行精确控制,包括:风机的开启数量及需 要开启的风机位置,满足车辆进入隧道后,隧道内满足通风舒适性、安全性的 通风要求,并可进一步通过隧道内设置的隧道环境监测系统的反馈数据对其进 行调整。
本发明还提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法, 适应于隧道前方一定距离设置有ETC门架系统,设置有完善的环境检测系统的隧 道。通过开发相应的智能通风控制模块,将实时交通量数据、环境监测数据以 及风机开启之间进行智能耦合计算,从而实现隧道智能通风的目的。
本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法,包 括以下步骤:
步骤1,ETC门架系统通过OBU卡实时采集通过车辆的车辆通行信息;其 中,所述车辆通行信息包括车辆通过ETC门架系统的时间点t1、车辆行驶信息 以及车辆基本信息;
其中,步骤1中,车辆行驶信息包括:车辆通过ETC门架系统的车速;车 辆基本信息包括:车辆燃油类型以及车型信息;其中,所述车辆燃油类型包括 隧道内考虑CO的车辆以及隧道内考虑烟尘的车辆;所述车型信息包括大型车、 中型车和小型车。其中,隧道内考虑CO的车辆包括汽油车类型和柴油车类型; 隧道内考虑烟尘的车辆包括柴油车类型。
具体实现上,ETC门架系统通过车载OBU卡,例如车牌抓拍摄像机等,完 成车辆通行信息的采集,作为隧道通风系统控制的关键参数。
实际应用中,车牌抓拍摄像机完成对车速的采集计算后,作为车辆到达隧 道前的平均车速,沿途其他设备可以完成对车速的校正。
每隔预定时间间隔△T1,ETC门架系统将△T1时间间隔内采集到的所有车辆通 行信息汇总形成车辆通行数据表,然后,实时将所述车辆通行数据表发送给分 中心;
步骤2,分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传 至服务器;
步骤3,智能通风控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通 行数据表;
步骤4,智能通风控制模块对所述车辆通行数据表进行分析,预测到需要开 启的风机总数量n总;
具体的,智能通风控制模块根据预先存储的隧道长度、坡度、风机设置数 量及设置位置等基础数据,通过实时采集的相关数据,包括车流量、燃油类型、 车速、自然风风速、隧道内污染气体浓度等,得出需要开启的风机数量和风机 位置,实现对风机的精准控制。
步骤4具体为:
步骤4.1,ETC门架系统距离隧道入口的距离为L0km;
智能通风控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析,得到车辆通 过ETC门架系统的时间点t1以及车辆通过ETC门架系统的车速V1,假设车辆从 ETC门架系统到隧道入口以车速V1匀速行驶,因此,通过下式得到车辆到达隧 道入口的时间点t2:
t2=t1+L0/V1
假设车辆通过隧道时,仍然以车速V1匀速行驶,因此,通过对所述车辆通行 数据表中各台车辆进行分析,可得到每台车辆进入隧道入口的时间,以及离开 隧道出口的时间,再根据每台车辆的车型类别,进而可统计得到本次采集控制 周期中,隧道内车辆以下信息:
隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数fa(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车密度 系数fd(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数fiv(VI)、隧道内考虑烟尘的车 辆的交通量Nm(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数fm(VI)、隧道内考虑烟尘的 车辆的车型类别数nVI、隧道内考虑CO的车辆的车况系数fa(CO)、隧道内考虑CO 的车辆的车密度系数fa(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车密度系数fd(CO)、隧道内 考虑CO的车辆的纵坡-车速系数fiv(CO)、隧道内考虑CO的车辆的交通量Nm(CO)、 隧道内考虑CO的车辆的车型系数fm(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型类别数 nco、隧道内所有车辆的总数量nc、隧道中所有车辆平均车速vt、隧道内小型车正 面投影面积Acs、隧道内大型车正面投影面积Acl、隧道内大型车比例rl、隧道内 小型车在隧道行车空间的占积率x1以及隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.2,根据下式得到烟尘排放预测量:
式中:
QVI:隧道烟尘排放预测量,单位m2/s;
qVI:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
fa(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数;
fd(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数;
fh(VI):考虑烟尘的海拔高度系数,按式fh(VI)=0.0003h+0.88计算,其中,h为 隧道设计海拔高度,单位为米;
fiv(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数;
L:隧道长度,单位米;
Nm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数;
nVI:隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数;
步骤4.3,根据下式得到隧道稀释烟尘的需风量:
式中:
Qreq(VI):隧道稀释烟尘的需风量,单位m3/s;
K:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
步骤4.4,根据下式计算得到CO排放预测量:
式中:
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
qCO:隧道CO基准排放量,单位m3/(veh·km);
fa(CO):隧道内考虑CO的车辆的车况系数;
fd(CO):隧道内考虑CO的车辆的车密度系数;
fh(CO):考虑CO的海拔高度系数,按式fh(CO)=0.78+h/1800计算; fiv(CO):隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数;
Nm(CO):隧道内考虑CO的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(CO):隧道内考虑CO的车辆的车型系数;
nco:隧道内考虑CO的车辆的车型类别数;
步骤4.5,根据下式计算得到隧道全长稀释CO的需风量:
式中:
Qreq(CO):隧道全长稀释CO的需风量,单位m3/s;
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
δ:CO设计浓度,单位PPm;
P0:标准大气压,取101.325kN/m2;
P:隧址设计气压,单位kN/m2;
T:隧道夏季的设计气温,单位K;
T0:标准气温,取273K;
步骤4.6,根据下式计算隧道第一换气需风量:
式中:
Qreq(ac1):隧道第一换气需风量,单位m3/s;
Ar:隧道计算面积,单位m2;
ns:隧道每小时换气次数,取3次/h;
步骤4.7,根据下式计算隧道第二换气需风量:
Qreq(ac2)=vac·Ar (6)
式中:
Qreq(ac2):隧道第二换气需风量,单位m3/s;
vac:隧道换气风速,取1.5m/s;
步骤4.8,取隧道第一换气需风量Qreq(ac1)和隧道第二换气需风量Qreq(ac2)的最大值,作为最终得到的隧道换气需风量Qreq(ac);
步骤4.9,取隧道稀释烟尘的需风量Qreq(VI)、隧道全长稀释CO的需风量 Qreq(CO)和隧道换气需风量Qreq(ac)中的最大值,作为隧道内所需的通风量Qr,即:
Qr=max(Qreq(VI),Qreq(CO),Qreq(ac)) (7)
步骤4.10,由设置在洞内的风速和风向仪器,采集隧道内自然风风速和风 向,经过2年时间的软件模块的智能学习,得到隧道内常年自然风的风速和风 向规律,以此作为隧道自然通风力的计算依据。当常年自然风和隧道通风方向 一致时,式(8)取“-”,否则取“﹢”,隧道内自然通风力按下式计算:
式中:
△Pm:隧道内自然通风力,单位N/m2;
ζe:隧道入口局部阻力系数;
λr:隧道沿程阻力系数;
Ar:隧道净空断面积,单位m2;
Cr:隧道断面周长,单位m;
ρ:空气密度;
Vn:自然风速,单位m/s;
步骤4.11,隧道内车辆交通流可产生气流活塞作用,由此引起的交通通风 力按下式计算:
式中:
△Pt:隧道交通通风力,单位N/m2;
nc:隧道内所有车辆的总数量;
vt:隧道中所有车辆平均车速,单位m/s;
Am:汽车等效阻抗面积;通过下式计算得到:
Am=(1-rl)·Acs·ξc1+rl·Acl·ξc2 (10)
式中:
Acs:隧道内小型车正面投影面积,取2.13m2;
Acl:隧道内大型车正面投影面积,取5.37m2;
rl:隧道内大型车比例;
ξc1:隧道内小型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc1=0.0768x1+0.35,其 中,x1为隧道内小型车在隧道行车空间的占积率;
ξc2:隧道内大型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc2=0.0768x2+0.35,其 中,x2为隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.12,根据下式计算隧道通风阻力:
式中:
△Pr:隧道内通风阻力,单位N/m2;
ζi:隧道局部阻力系数;
步骤4.13,根据下式计算单台射流风机升压力:
式中:
△Pj:单台射流风机的升压力,单位N/m2;
vj:射流风机的出口风速,单位m/s;
Aj:射流风机的出口面积,单位m2;
η:射流风机位置摩阻损失折减系数;
步骤4.14,根据下式得到需要开启的风机总数量n总:
式中:
n总:需要开启的风机总数量。
步骤5,智能通风控制模块预先存储隧道内每台风机的布置位置信息;智能 通风控制模块根据隧道环境监测系统,实时获取隧道不同位置点的实时环境参 数;
智能通风控制模块对所述实时环境参数和风机的布置位置信息进行分析, 得到每台风机布置位置的污染气体浓度值;然后,按污染气体浓度值从高到低 的顺序,对各台风机进行排序;智能通风控制模块再获得各台风机到当前时刻 的连续运行时间,以污染气体浓度值尽量高、同时连续运行时间尽量短的筛选 原则,筛选出步骤4确定的n总台风机;
步骤6,智能通风控制模块实时开启筛选出的n总台风机;经过设定时间段 △T2,其中,△T2<△T1,智能通风控制模块通过隧道环境监测系统得到隧道实时 环境参数,判断隧道实时环境参数是否达到标准值,如果达到,则不动作;如 果未达到,根据隧道实时环境参数与标准值的差值,确定需要进一步开启的风 机数量,并开启对应的风机;
步骤7,然后,返回步骤1,进入下一周期的循环检测与控制过程。
在上述进行公路隧道智能通风控制的过程中,智能通风控制模块根据隧道 入口前特定距离的ETC门架系统,获得将来一小段时间内通过隧道的车流量和 车类型等车辆通行信息,从而实现对隧道内风机的精准控制。实际应用中,还 可以采用距离隧道入口更远位置的另一个ETC门架系统,对智能通风控制模块 的控制策略进行修正。具体的,假设距离隧道入口更远位置的另一个ETC门架 系统为ETC门架系统M;ETC门架系统M同样实时采集通过车辆的第一车辆 通行信息,并传输给智能通风控制模块。智能通风控制模块根据第一车辆通行 信息,如果预测到△T时间内(具体时间根据运营管理需求确定)进入隧道的车 辆呈下降趋势,且隧道内污染气体浓度达到且一直成下降趋势达T1(5min,可 根据运营管理需求进行调整),可次序关闭隧道内风机,直至污染气体浓度达标。
因此,可通过不同位置的多个门架系统进行组合使用,作为数据预测,对 风机的运行状态是否延续进行判断。
本发明通过利用高速公路设置的ETC门架系统对进入隧道的车辆进行精准 数据采集,并结合前期输入的隧道基本参数和隧道内环境检测系统的反馈数据, 通过智能通风控制模块实现对隧道内风机开启位置及数量的智能化控制,达到 按需通风的目的,实现隧道通风系统的节能减排。
本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法具有 以下优点:
(1)智能通风控制模块通过ETC门架系统实时得到即将通过隧道的车辆通 信信息,包括车流量、车型、车速、燃油类型等,再结合隧道环境监测系统监 测到的隧道实时环境,实现按需通风的目的,降低了隧道运营能耗;
(2)利用既有的ETC门架系统对车辆通行信息进行采集,车辆通行信息的 采集更加准确,信息采集更加全面,拓展了高速公路数字的应用范围;
(3)降低了隧道运营管理人员的管理难度及运营管理的工作量,提高了隧 道内的运营环境。
本发明是一种隧道内污染气体排放精准预测及对风机耦合控制的智能通风 控制系统及方法,对隧道运营具有重要意义。本发明为公路隧道通风系统节能 设计提供了一种新的设计思路和方案,工程造价更低、后期维护量更小、系统 可靠性更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通 技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰, 这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统,其特征在于,包括:ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道环境监测系统;
ETC门架系统位于隧道入口的前方,ETC门架系统距离隧道入口的距离为L0km;ETC门架系统配置安装OBU卡;ETC门架系统通过网络与分中心连接;分中心通过网络安全设备与服务器连接;
在隧道内布置若干台风机以及隧道环境监测系统;隧道环境监测系统的输出端与智能通风控制模块的输入端连接;智能通风控制模块的输出端与各台风机的控制端连接;智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接。
2.一种基于权利要求1所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,ETC门架系统通过OBU卡实时采集通过车辆的车辆通行信息;其中,所述车辆通行信息包括车辆通过ETC门架系统的时间点t1、车辆行驶信息以及车辆基本信息;
每隔预定时间间隔△T1,ETC门架系统将△T1时间间隔内采集到的所有车辆通行信息汇总形成车辆通行数据表,然后,实时将所述车辆通行数据表发送给分中心;
步骤2,分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传至服务器;
步骤3,智能通风控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通行数据表;
步骤4,智能通风控制模块对所述车辆通行数据表进行分析,预测到需要开启的风机总数量n总;
步骤5,智能通风控制模块预先存储隧道内每台风机的布置位置信息;智能通风控制模块根据隧道环境监测系统,实时获取隧道不同位置点的实时环境参数;
智能通风控制模块对所述实时环境参数和风机的布置位置信息进行分析,得到每台风机布置位置的污染气体浓度值;然后,按污染气体浓度值从高到低的顺序,对各台风机进行排序;智能通风控制模块再获得各台风机到当前时刻的连续运行时间,以污染气体浓度值尽量高、同时连续运行时间尽量短的筛选原则,筛选出步骤4确定的n总台风机;
步骤6,智能通风控制模块实时开启筛选出的n总台风机;经过设定时间段△T2,其中,△T2<△T1,智能通风控制模块通过隧道环境监测系统得到隧道实时环境参数,判断隧道实时环境参数是否达到标准值,如果达到,则不动作;如果未达到,根据隧道实时环境参数与标准值的差值,确定需要进一步开启的风机数量,并开启对应的风机;
步骤7,然后,返回步骤1,进入下一周期的循环检测与控制过程。
3.根据权利要求2所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法,其特征在于,步骤1中,车辆行驶信息包括:车辆通过ETC门架系统的车速;车辆基本信息包括:车辆燃油类型以及车型信息;其中,所述车辆燃油类型包括隧道内考虑CO的车辆以及隧道内考虑烟尘的车辆;所述车型信息包括大型车、中型车和小型车。
4.根据权利要求3所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法,其特征在于,隧道内考虑CO的车辆包括汽油车类型和柴油车类型;隧道内考虑烟尘的车辆包括柴油车类型。
5.根据权利要求4所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法,其特征在于,步骤4具体为:
步骤4.1,ETC门架系统距离隧道入口的距离为L0 km;
智能通风控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析,得到车辆通过ETC门架系统的时间点t1以及车辆通过ETC门架系统的车速V1,假设车辆从ETC门架系统到隧道入口以车速V1匀速行驶,因此,通过下式得到车辆到达隧道入口的时间点t2:
t2=t1+L0/V1
假设车辆通过隧道时,仍然以车速V1匀速行驶,因此,通过对所述车辆通行数据表中各台车辆进行分析,可得到每台车辆进入隧道入口的时间,以及离开隧道出口的时间,再根据每台车辆的车型类别,进而可统计得到本次采集控制周期中,隧道内车辆以下信息:
隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数fa(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数fd(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数fiv(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的交通量Nm(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数fm(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数nVI、隧道内考虑CO的车辆的车况系数fa(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车密度系数fa(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车密度系数fd(CO)、隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数fiv(CO)、隧道内考虑CO的车辆的交通量Nm(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型系数fm(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型类别数nco、隧道内所有车辆的总数量nc、隧道中所有车辆平均车速vt、隧道内小型车正面投影面积Acs、隧道内大型车正面投影面积Acl、隧道内大型车比例rl、隧道内小型车在隧道行车空间的占积率x1以及隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.2,根据下式得到烟尘排放预测量:
式中:
QVI:隧道烟尘排放预测量,单位m2/s;
qVI:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
fa(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数;
fd(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数;
fh(VI):考虑烟尘的海拔高度系数,按式fh(VI)=0.0003h+0.88计算,其中,h为隧道设计海拔高度,单位为米;
fiv(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数;
L:隧道长度,单位米;
Nm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(VI):隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数;
nVI:隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数;
步骤4.3,根据下式得到隧道稀释烟尘的需风量:
式中:
Qreq(VI):隧道稀释烟尘的需风量,单位m3/s;
K:隧道烟尘基准排放量,单位m2/(veh·km);
步骤4.4,根据下式计算得到CO排放预测量:
式中:
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
qCO:隧道CO基准排放量,单位m3/(veh·km);
fa(CO):隧道内考虑CO的车辆的车况系数;
fd(CO):隧道内考虑CO的车辆的车密度系数;
fh(CO):考虑CO的海拔高度系数,按式fh(CO)=0.78+h/1800计算;fiv(CO):隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数;
Nm(CO):隧道内考虑CO的车辆的交通量,单位veh/h;
fm(CO):隧道内考虑CO的车辆的车型系数;
nco:隧道内考虑CO的车辆的车型类别数;
步骤4.5,根据下式计算得到隧道全长稀释CO的需风量:
式中:
Qreq(CO):隧道全长稀释CO的需风量,单位m3/s;
QCO:隧道CO排放预测量,单位m3/s;
δ:CO设计浓度,单位PPm;
P0:标准大气压,取101.325kN/m2;
P:隧址设计气压,单位kN/m2;
T:隧道夏季的设计气温,单位K;
T0:标准气温,取273K;
步骤4.6,根据下式计算隧道第一换气需风量:
式中:
Qreq(ac1):隧道第一换气需风量,单位m3/s;
Ar:隧道计算面积,单位m2;
ns:隧道每小时换气次数,取3次/h;
步骤4.7,根据下式计算隧道第二换气需风量:
Qreq(ac2)=vac·Ar (6)
式中:
Qreq(ac2):隧道第二换气需风量,单位m3/s;
vac:隧道换气风速,取1.5m/s;
步骤4.8,取隧道第一换气需风量Qreq(ac1)和隧道第二换气需风量Qreq(ac2)的最大值,作为最终得到的隧道换气需风量Qreq(ac);
步骤4.9,取隧道稀释烟尘的需风量Qreq(VI)、隧道全长稀释CO的需风量Qreq(CO)和隧道换气需风量Qreq(ac)中的最大值,作为隧道内所需的通风量Qr,即:
Qr=max(Qreq(VI),Qreq(CO),Qreq(ac)) (7)
步骤4.10,根据下式计算隧道内自然通风力:
式中:
△Pm:隧道内自然通风力,单位N/m2;
ζe:隧道入口局部阻力系数;
λr:隧道沿程阻力系数;
Ar:隧道净空断面积,单位m2;
Cr:隧道断面周长,单位m;
ρ:空气密度;
Vn:自然风速,单位m/s;
步骤4.11,根据下式计算隧道交通通风力:
式中:
△Pt:隧道交通通风力,单位N/m2;
nc:隧道内所有车辆的总数量;
vt:隧道中所有车辆平均车速,单位m/s;
Am:汽车等效阻抗面积;通过下式计算得到:
Am=(1-rl)·Acs·ξc1+rl·Acl·ξc2 (10)
式中:
Acs:隧道内小型车正面投影面积,取2.13m2;
Acl:隧道内大型车正面投影面积,取5.37m2;
rl:隧道内大型车比例;
ξc1:隧道内小型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc1=0.0768x1+0.35,其中,x1为隧道内小型车在隧道行车空间的占积率;
ξc2:隧道内大型车的空气阻力系数,通过以下计算:ξc2=0.0768x2+0.35,其中,x2为隧道内大型车在隧道行车空间的占积率;
步骤4.12,根据下式计算隧道通风阻力:
式中:
△Pr:隧道内通风阻力,单位N/m2;
ζi:隧道局部阻力系数;
步骤4.13,根据下式计算单台射流风机升压力:
式中:
△Pj:单台射流风机的升压力,单位N/m2;
vj:射流风机的出口风速,单位m/s;
Aj:射流风机的出口面积,单位m2;
η:射流风机位置摩阻损失折减系数;
步骤4.14,根据下式得到需要开启的风机总数量n总:
式中:
n总:需要开启的风机总数量。
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