CN113431619A - 一种用于公路隧道通风的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道通风技术领域，具体涉及一种用于公路隧道通风的智能控制系统，包括：通风设备单元，用于在隧道内部产生气流；环境采集单元，用于获取隧道内部的实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量；风量调控单元，用于根据实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量结合设置的通风量阈值计算对应的隧道通风需求量；然后根据所述隧道通风需求量协同控制所述通风设备单元的工作状态，以使得隧道内部的通风量与所述隧道通风需求量相匹配。本发明中的通风控制系统能够有效反映环境因素对隧道内通风量的影响并能够准确调控通风量，从而能够提升隧道通风控制的控制效果并降低通风机电能消耗。

Description

一种用于公路隧道通风的智能控制系统

技术领域

本发明涉及隧道通风技术领域，具体涉及一种用于公路隧道通风的智能控制系统。

背景技术

公路隧道通风的方式按车道空间的空气流动方式，可以分为自然通风和机械通风两种方式。其中，机械通风方式又分为纵向通风方式、半横向通风方式、全横向通风方式和组合通风方式四种。进一步地，纵向通风方式又分为射流式通风、集中送入式通风、竖(斜)井送排风通风方式、竖(斜)井排除式通风以及静电吸尘式通风等方式，半横向通风方式又分为送风半横向和排风半横向式通风。无论是何种通风方式，有效的通风控制都是实现隧道正常运营以及通风系统节能运行的重要措施。

目前，隧道的通风系统的控制方式主要有两种：反馈控制法和固定程序法。其中，反馈控制法是根据传感器直接检测隧道内有关通风的各种指标，将隧道内的实时检测值与控制设定值进行比较，以不超过设定值为原则，经比较处理后，根据比较结果控制射流风机的运行台数，以实现隧道的通风系统的反馈控制。例如，公开号为CN108150211A的中国专利就公开了《一种基于风速的隧道通风控制方法及系统》，其包括：设定隧道内的风速目标值；采集隧道内的实时风速值；根据实时风速值和风速目标值，调节隧道的通风量。

上述现有方案中的隧道通风控制方法通过采集到的隧道内实时风速值来控制射流风机等通风设备，进而实现隧道通风量的调节。但申请人发现，隧道的通风量除了受射流风机等通风设备的影响外，还受到环境因素的影响。例如，隧道内实时车流量大时，大量的车辆会带动气流在隧道内流动，进而增大或者有助于增大通风量，而实时车流量极小时则可忽略交通因素的影响；又例如，夏季隧道外部的温度更高、气压更小，此时隧道内部气流具有朝外流动的趋势，而冬天则相反。因此，如何设计一种能够有效反映环境因素对隧道内通风量的影响并能够准确调控通风量的隧道通风控制系统是急需解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够有效反映环境因素对隧道内通风量的影响并能够准确调控通风量的隧道通风控制系统，从而能够提升隧道通风控制的控制效果并降低通风机电能消耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于公路隧道通风的智能控制系统，包括：

通风设备单元，用于在隧道内部产生气流；

环境采集单元，用于获取隧道内部的实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量；

风量调控单元，用于根据实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量结合设置的通风量阈值计算对应的隧道通风需求量；然后根据所述隧道通风需求量协同控制所述通风设备单元的工作状态，以使得隧道内部的通风量与所述隧道通风需求量相匹配。

优选的，预先沿隧道的通行路径将隧道内部划分成了若干个通风路段，每个通风路段都设置有对应的通风设备单元；所述通风设备单元包括设置于对应通风路段上的通风组件，以及设置于对应通风路段出风通道上的出风组件；所述风量调控单元通过控制通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量来控制所述通风设备单元的工作状态。

优选的，所述风机现有供风量为所述通风组件的气流产生量与所述出风组件的气流排出量之差。

优选的，所述风量调控单元通过如下步骤控制各个通风组件和出风组件：

S1：沿所述通风设备单元的气流产生方向依次计算各个通风路段的路段通风需求量；其中，通过步骤S2的方式计算第一个通风路段的路段通风需求量，通过步骤S3的方式计算剩余其他通风路段的路段通风需求量；

S2：根据实时交通流风量、自然风压风量和风机当前供风量结合通风量阈值计算第一个通风路段对应的路段通风需求量；

S3：根据上一通风路段的路段通风需求量结合其通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量计算当前通风路段对应的路段通风需求量；

S4：根据各个通风路段的路段通风需求量依次控制对应通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量，以使得各个通风路段的通风量均与对应的路段通风需求量相匹配。

优选的，步骤S2中，通过如下公式计算第一个通风路段的路段通风需求量：

ΔP_x1＝P_Y-(ΔP_t+ΔP_z)；式中：ΔP_x1表示第一个通风路段的路段通风需求量；P_Y表示设置的通风量阈值；ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_t取负值，反之，ΔP_t取正值；ΔP_z表示自然风压风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_z取负值，反之，ΔP_z取正值。

优选的，步骤S2中，通过如下公式计算当前通风路段的路段通风需求量：

ΔP_xd＝ΔP_xs+ΔP_c-ΔP_p；式中：ΔP_xd表示当前通风路段的路段通风需求量；ΔP_xs表示上一个通风路段的路段通风需求量；ΔP_c表示上一个通风路段通风组件的气流产生量；ΔP_p表示上一个通风路段的出风组件的气流排出量。

优选的，所述环境采集单元包括用于采集隧道内部的实时车流量、车流方向和车流速度的交通因素采集组件；

所述风量调控单元根据实时车流量、车流方向和车流速度计算对应的实时交通流风量。

优选的，通过如下公式计算实时交通流风量：

式中：ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与车流方向一致；ρ表示隧道内部空气密度，取1.20kg/m³；A_m表示车辆等效阻抗面积；A_r表示车辆摩阻损失系数；n表示实时车流量；v_t表示车流速度；v_r表示隧道内部的设计风速；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径。

优选的，所述环境采集单元包括用于采集温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度的自然因素采集组件；

所述风量调控单元根据温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度计算对应的自然风压风量。

优选的，通过如下公式计算自然风压风量：

式中：ΔP_h表示自然风压风量，当隧道内部的压力大于外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相反，当隧道内部的压力小于或外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相同；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径；F表示压力差；v_n表示自然风作用引起的洞内风速，取2m/s；T表示温度；R表示湿度；a₁和a₂分别表示有害气体浓度和粉尘浓度；δ表示有害气体浓度和粉尘浓度的权重系数，设置为0.02。

本发明中的通风控制系统与现有技术比，具有如下有益效果：

在本发明中，通过实时交通流风量能够反映交通因素对隧道通风量的影响，通过自然风压风量能够有效自然因素对隧道通风量的影响，因此基于实时交通流风量和自然风压风量能够有效反映环境因素对隧道通风量的影响；同时，本发明根据实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量结合通风量阈值计算隧道通风需求量，并通过隧道通风需求量控制通风设备单元的工作状态，能够准确的调控隧道内部的通风量。因此，本发明能够有效反映环境因素对隧道内通风量的影响并能够准确调控通风量，从而能够提升隧道通风控制的控制效果并降低通风机电能消耗。

同时，本发明能够有效量化交通因素和自然因素对隧道各个通风路段通风量的影响，能够量化环境因素对隧道内部通风量的影响，从而能够进一步提升隧道通风控制的控制效果。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中通风控制系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

申请人发现，隧道的通风量除了受射流风机等通风设备的影响外，还受到环境因素的影响，其中交通因素和自然因素对隧道通风量的影响尤为严重。例如，隧道内实时车流量大时，大量的车辆会带动气流在隧道内流动，进而增大或者有助于增大通风量，而实时车流量极小时则可忽略交通因素的影响；又例如，夏季隧道外部的温度更高、气压更小，此时隧道内部气流具有朝外流动的趋势，而冬天则相反。同时，交通因素和自然状态对隧道内部通风量的影响并不是实时的，因此难以通过测量通风流量的方式反映交通因素产生的影响，并且交通因素对隧道内各个位置的通风量影响是不同的，使得现有的隧道通风控制系统难以基于交通因素的影响来控制通风设备，导致隧道通风控制的控制效率和调控确性均不好。

为此，本实施例中公开了一种用于公路隧道通风的智能控制系统。

如图1所示，一种用于公路隧道通风的智能控制系统，包括：

通风设备单元，用于在隧道内部产生气流；

环境采集单元，用于获取隧道内部的实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量；

风量调控单元，用于根据实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量结合设置的通风量阈值计算对应的隧道通风需求量；然后根据隧道通风需求量协同控制通风设备单元的工作状态，以使得隧道内部的通风量与隧道通风需求量相匹配。具体的，风量调控单元为上位机，可选用现有的服务器；通风设备单元包括用于产生气流的射流风机；风量调控单元通过有线或无线网络与射流风机电信号连接。具体的，可以设计风量调控单元具有一个用于计算输出射流风机最佳功率的神经网络模型，预先通过预先标定好的历史数据(包括若干组隧道通风需求量以及对应的射流风机最优功率)对该神经网络模型进行训练；实际应用时，计算得到隧道通风需求量后，将隧道通风需求量输入该训练所得的神经网络模型中以输出对应的最佳功率，风量调控单元基于该最佳功率控制射流风机工作，以使得隧道内部的通风量与隧道通风需求量相匹配。

在本发明中，通过实时交通流风量能够反映交通因素对隧道通风量的影响，通过自然风压风量能够有效自然因素对隧道通风量的影响，因此基于实时交通流风量和自然风压风量能够有效反映环境因素对隧道通风量的影响；同时，本发明根据实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量结合通风量阈值计算隧道通风需求量，并通过隧道通风需求量控制通风设备单元的工作状态，能够准确的调控隧道内部的通风量。因此，本发明能够有效反映环境因素对隧道内通风量的影响并能够准确调控通风量，从而能够提升隧道通风控制的控制效果并降低通风机电能消耗。

具体实施过程中，预先沿隧道的通行路径将隧道内部划分成了若干个通风路段，每个通风路段都设置有对应的通风设备单元；通风设备单元包括设置于对应通风路段上的通风组件，以及设置于对应通风路段出风通道上的出风组件；风量调控单元通过控制通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量来控制通风设备单元的工作状态。具体的，风机现有供风量为通风组件的气流产生量与出风组件的气流排出量之差。通风路段的数量可根据隧道的长度合理设置；通风组件包括一个或多个射流风机，通过调控射流风机功率的方式控制通风组件的气流产生量；出风组件包括设置于出风通道出风口位置的风门控制器，通过调控风门控制器开度的方式控制出风组件的气流排出量。

风量调控单元通过有线或无线网络与射流风机和风门控制器电信号连接。具体的，可以设计风量调控单元具有一个用于计算输出射流风机最佳功率和风门控制器最佳开度的神经网络模型，预先通过预先标定好的历史数据(包括若干组隧道通风需求量以及对应的射流风机最优功率和风门控制器最佳开度)对该神经网络模型进行训练；实际应用时，计算得到隧道通风需求量后，将隧道通风需求量输入该训练所得的神经网络模型中以输出对应的最佳功率和最佳开度，风量调控单元基于该最佳功率和最佳开度对应的控制射流风机和风门控制器工作，以使得隧道内部的通风量与隧道通风需求量相匹配。

在本发明中，预先对隧道内部进行了分段，并在每个通风路段及其出风通道上设置了通风组件和出风组件，使得能够在有效反映环境因素对隧道通风量影响的前提下，进一步对隧道进行分段的精确通风量调控，从而能够更好的提升隧道通风控制的控制效果。同时，本发明中通过通风组件和出风组件实现了气流产生量和气流排出量的双向控制，不仅能够提升隧道通气量调控的准确性，还能够有效保证隧道内部的有毒有害气体快速排出。

具体实施过程中，风量调控单元通过如下步骤控制各个通风组件和出风组件：

S1：沿通风设备单元的气流产生方向依次计算各个通风路段的路段通风需求量；其中，通过步骤S2的方式计算第一个通风路段的路段通风需求量，通过步骤S3的方式计算剩余其他通风路段的路段通风需求量。具体的，通风设备单元各个通风组件的气流产生方向一致。

S2：根据实时交通流风量、自然风压风量和风机当前供风量结合通风量阈值计算第一个通风路段对应的路段通风需求量；

S3：根据上一通风路段的路段通风需求量结合其通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量计算当前通风路段对应的路段通风需求量；

S4：根据各个通风路段的路段通风需求量依次控制对应通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量，以使得各个通风路段的通风量均与对应的路段通风需求量相匹配。

在本发明中，依次计算了各个通风路段的路段通风需求量，并能够根据各个通风路段的路段通风需求量依次控制对应通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量，使得能够有效对隧道进行分段的精确通风量调控，从而能够更好的提升隧道通风控制的控制效果。同时，由于“交通因素和自然因素对隧道内各个位置的通风量的影响是不同的”，因此本发明除第一个通风路段外，选择根据上一通风路段的路段通风需求量结合其通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量计算当前通风路段的路段通风需求量，这种计算方式能够有效量化环境因素对隧道各个通风路段通风量的影响，从而能够提升隧道通风控制的控制效果。

具体实施过程中，通过如下公式计算第一个通风路段的路段通风需求量：

ΔP_x1＝P_Y-(ΔP_t+ΔP_z)；式中：ΔP_x1表示第一个通风路段的路段通风需求量；P_Y表示设置的通风量阈值；ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_t取负值，反之，ΔP_t取正值；ΔP_z表示自然风压风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_z取负值，反之，ΔP_z取正值。

通过如下公式计算当前通风路段的路段通风需求量：

ΔP_xd＝ΔP_xs+ΔP_c-ΔP_p；式中：ΔP_xd表示当前通风路段的路段通风需求量；ΔP_xs表示上一个通风路段的路段通风需求量；ΔP_c表示上一个通风路段通风组件的气流产生量；ΔP_p表示上一个通风路段的出风组件的气流排出量。

具体实施过程中，环境采集单元包括用于采集隧道内部的实时车流量、车流方向和车流速度的交通因素采集组件；风量调控单元根据实时车流量、车流方向和车流速度计算对应的实时交通流风量。具体的，通过设置于隧道入口处的红外传感设备获取车辆数量，并以分钟为单位计算实时车流量；车流方向根据隧道的通行方向确定；车流速度可以为各个车辆实测速度的平均值，也可以选择隧道的最高限速作为车流速度。

通过如下公式计算实时交通流风量：

式中：ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与车流方向一致；ρ表示隧道内部空气密度，取1.20kg/m³；A_m表示车辆等效阻抗面积；A_r表示车辆摩阻损失系数；n表示实时车流量；v_t表示车流速度；v_r表示隧道内部的设计风速；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径。

在本发明中，通过上述公式能够准确的计算各个通风路段的路段通风需求量以及对应的实时交通流风量；同时，申请人发现基于实时车流量、车流方向和车流速度三种因素能够有效的计算交通流风量，进而能够有效量化交通因素对隧道各个通风路段通风量的影响，即有效反映环境因素对隧道通风量的影响，从而能够进一步提升隧道通风控制的控制效果。

具体实施过程中，环境采集单元包括用于采集温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度的自然因素采集组件；风量调控单元根据温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度计算对应的自然风压风量。

具体的，通过如下公式计算自然风压风量：

式中：ΔP_h表示自然风压风量，当隧道内部的压力大于外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相反，当隧道内部的压力小于或外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相同；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径；F表示压力差；v_n表示自然风作用引起的洞内风速，取2m/s；T表示温度；R表示湿度；a₁和a₂分别表示有害气体浓度和粉尘浓度；δ表示有害气体浓度和粉尘浓度的权重系数，设置为0.02。

在本发明中，申请人发现基于隧道内部的温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度能够有效的计算自然风压风量，进而能够有效量化自然因素对隧道各个通风路段通风量的影响，即有效反映环境因素对隧道通风量的影响，从而能够进一步提升隧道通风控制的控制效果。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。同时，实施例中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。最后，本发明要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，包括：

通风设备单元，用于在隧道内部产生气流；

环境采集单元，用于获取隧道内部的实时交通流风量、自然风压风量和风机现有供风量；

风量调控单元，用于根据实时交通流风量和风机现有供风量结合设置的通风量阈值计算对应的隧道通风需求量；然后根据所述隧道通风需求量协同控制所述通风设备单元的工作状态，以使得隧道内部的通风量与所述隧道通风需求量相匹配。

2.如权利要求1所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于：预先沿隧道的通行路径将隧道内部划分成了若干个通风路段，每个通风路段都设置有对应的通风设备单元；所述通风设备单元包括设置于对应通风路段上的通风组件，以及设置于对应通风路段出风通道上的出风组件；所述风量调控单元通过控制通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量来控制所述通风设备单元的工作状态。

3.如权利要求2所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，所述风机现有供风量为所述通风组件的气流产生量与所述出风组件的气流排出量之差。

4.如权利要求2所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，所述风量调控单元通过如下步骤控制各个通风组件和出风组件：

S1：沿所述通风设备单元的气流产生方向依次计算各个通风路段的路段通风需求量；其中，通过步骤S2的方式计算第一个通风路段的路段通风需求量，通过步骤S3的方式计算剩余其他通风路段的路段通风需求量；

S2：根据实时交通流风量、自然风压风量和风机当前供风量结合通风量阈值计算第一个通风路段对应的路段通风需求量；

S3：根据上一通风路段的路段通风需求量结合其通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量计算当前通风路段对应的路段通风需求量；

S4：根据各个通风路段的路段通风需求量依次控制对应通风组件的气流产生量和出风组件的气流排出量，以使得各个通风路段的通风量均与对应的路段通风需求量相匹配。

5.如权利要求4所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，步骤S2中，通过如下公式计算第一个通风路段的路段通风需求量：

ΔP_x1＝P_Y-(ΔP_t+ΔP_z)；式中：ΔP_x1表示第一个通风路段的路段通风需求量；P_Y表示设置的通风量阈值；ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_t取负值，反之，ΔP_t取正值；ΔP_z表示自然风压风量，其流向与通风设备单元的气流产生方向相反时，ΔP_z取负值，反之，ΔP_z取正值。

6.如权利要求5所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，步骤S2中，通过如下公式计算当前通风路段的路段通风需求量：

ΔP_xd＝ΔP_xs+ΔP_c-ΔP_p；式中：ΔP_xd表示当前通风路段的路段通风需求量；ΔP_xs表示上一个通风路段的路段通风需求量；ΔP_c表示上一个通风路段通风组件的气流产生量；ΔP_p表示上一个通风路段的出风组件的气流排出量。

7.如权利要求1所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于：所述环境采集单元包括用于采集隧道内部的实时车流量、车流方向和车流速度的交通因素采集组件；

所述风量调控单元根据实时车流量、车流方向和车流速度计算对应的实时交通流风量。

8.如权利要求7所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，通过如下公式计算实时交通流风量：

式中：ΔP_t表示实时交通流风量，其流向与车流方向一致；ρ表示隧道内部空气密度，取1.20kg/m³；A_m表示车辆等效阻抗面积；A_r表示车辆摩阻损失系数；n表示实时车流量；v_t表示车流速度；v_r表示隧道内部的设计风速；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径。

9.如权利要求1所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于：所述环境采集单元包括用于采集温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度的自然因素采集组件；

所述风量调控单元根据温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度计算对应的自然风压风量。

10.如权利要求9所述的用于公路隧道通风的智能控制系统，其特征在于，通过如下公式计算自然风压风量：

式中：ΔP_h表示自然风压风量，当隧道内部的压力大于外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相反，当隧道内部的压力小于或外部时，自然风压风量的流向与通风设备单元的气流产生方向相同；

表示隧道内部的如空损失系数；λ_r表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度；D_r表示隧道的断面当量直径；F表示压力差；v_n表示自然风作用引起的洞内风速，取2m/s；T表示温度；R表示湿度；a₁和a₂分别表示有害气体浓度和粉尘浓度；δ表示有害气体浓度和粉尘浓度的权重系数，设置为0.02。

Images