CN114635735B - 一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，隧道分段纵向通风系统包括全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式，各所述通风模式下均包括隧道内射流风机的控制，根据隧道内的需风量控制通风系统在各所述通风模式之间进行转换，以使通风系统所处模式满足通风需求。本发明通过设置多种通风模式的组合，并控制通风系统在多个通风模式之间进行转换，就并通过需风量根据实时交通状况进行通风系统的转换控制，既可以满足通风需求，又可以大大降低运营能耗，提高控制过程的可靠性和时效性，提高控制效果。

Description

一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法

技术领域

本发明涉及公路隧道通风技术领域，具体涉及一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法。

背景技术

目前纵向通风是我国公路隧道的主流通风方式，长度超过6000m的高速公路隧道几乎均采用了通风井送排分段通风。对于该通风方式，运营通风的机电设计均是按设计年限的最大高峰小时交通量进行设计，而在运营初期交通量远远小于设计高峰小时交通量，若按设计，完全开启隧道内射流和轴流通风系统，势必造成长时间通风能力过剩，能耗过大。即使到设计年限中后期隧道内的交通量接近设计交通量时，也会由于每天仅在上午和下午某2～3小时内达到高峰小时交通量，需要每天根据交通量变化进行通风节能控制。

通风井分段纵向通风风机系统包含隧道内射流风机和通风井轴流风机，根据通风井风机开启模式的不同，通风井分段纵向通风可调节为全射流通风、通风井送风分段纵向通风、通风井送排分段纵向式通风模式；尤其对于通风井与单通道组合的通风方式，通风方式则更为复杂，分为全射流通风、单补通风、单补通风+通风井送风、通风井送排风、单补通风+通风井送排风五种分段纵向通风方式。因此通风井分段纵向通风系统调节尤为复杂，机电设备配置仍然很大，现有的通风井分段纵向通风方式仍然存在投资大、运营能耗高的问题。

对于隧道内通风控制方法方面，杨秀军等人提出了一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法(CN111594253B)，智能通风模块通过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，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，降低通风能耗。但是该专利仅解决了隧道内射流风机的控制，由于隧道内的轴流通风系统在通过过程中也起到重要作用，而该专利对于隧道内射流和轴流通风系统如何结合控制以实现最佳的通风效果、降低运营能耗未进行研究。

付孝康等人针对10km高速公路大纵坡隧道提出了一种斜井送排与单横通道组合的公路隧道通风系统及方法(CN112253206B)，该通风系统风机包括隧道内射流风机、斜井送风和排风轴流风机、单补通道轴流风机，其通风控制不仅有隧道内射流风机的控制，还包括斜井送风和排风轴流风机、单补通道轴流风机的控制。但是该专利中仅提出了该新型通风方式布置及计算方法，并未研究根据需风量的不同组合使用隧道内的不同类型的风机以形成不同的通风模式，也未研究根据不同的需风量，控制通风系统在由不同风机组合方式形成的通风模式下进行转换，以实现在最大化降低运营能耗的情况下达到最佳的通风效果。综上，现有的通风系统控制方法无法根据实际情况及时调整通风方式，也无法使现有的通风井分段纵向通风方式发挥最佳的通风效果，以实现在满足通风需求的情况下，达到运营能耗最大化降低的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的通风系统控制方法无法根据实际情况及时调整通风方式，也无法使现有的通风井分段纵向通风方式发挥最佳的通风效果、降低运营能耗；目的在于提供一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，从而解决以上问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，隧道分段纵向通风系统包括全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式，各所述通风模式下均包括隧道内射流风机的控制，根据隧道内的需风量控制通风系统在各所述通风模式之间进行转换，以使通风系统所处模式满足通风需求。

可选地，其特征在于，所述隧道内的需风量包括当前时段隧道内的需风量、下一时段隧道内的需风量预测值，所述下一时段隧道内的需风量预测值为在通风系统所处的当前时段下对于后续时段隧道内需风量的预测值。

可选地，所述控制方法还包括判断当前时段是否为初始通风时段；

若当前时段是初始通风时段，获取当前时段隧道内的需风量，根据当前时段的需风量控制通风系统进入满足通风需求的通风模式，进入下一时段后，进行后续时段隧道内需风量的预测，根据预测值控制通风系统在各通风模式间的转换，

若当前时段不是初始通风时段，控制通风系统根据当前时段需风量进行下一时段隧道内需风量预测，并根据预测值控制通风系统在各通风模式间的转换。

可选地，根据下一时段隧道内需风量预测值控制通风系统在各所述通风模式之间转换过程为：

根据下一时段隧道内需风量预测值计算需开启的射流风机台数N_t+1，按照全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式的顺序，由全射流通风模式起依序比对各通风模式下需开启的射流风机台数N_t+1与隧道内安装的射流风机的总台数N_Z；

若在任一通风模式下N_t+1小于等于N_Z，停止比对，并控制通风系统在到达下一时段时处于该通风模式下；

若在任一所述通风模式下N_t+1大于N_Z，继续进行后续各通风模式的对比，直至在某一通风模式下N_t+1小于等于N_Z，停止比对，并控制通风系统在到达下一时段时处于该通风模式下。可选地，所述控制通风系统在各所述通风模式之间转换过程还包括：根据当前时段开启的射流风机的台数N_t及下一时段需开启的射流风机台数N_t+1，计算通风系统进入下一时段相应的通风模式时需要增加开启的射流风机台数ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，控制通风系统到达下一时段时开启相应数量及位置的射流风机；

还包括通风系统在进入下一时段相应的通风模式时，控制开启相应通风模式下的轴流风机；

所述单向补充通风模式下，补风通道内的单补轴流风机开启；

所述单向补充与斜井送风通风模式下，单补轴流风机、斜井送风轴流风机开启；

所述斜井送排通风模式下，斜井送风轴流风机、排风轴流风机开启；

所述单向补充与斜井送排通风模式下，单补轴流风机、斜井送风轴流风机和排风轴流风机开启。

可选地，所述当前时段隧道内的需风量获取方法为：根据包括实测的当前时段交通量、交通流组成、隧道内的污染物浓度、风速、隧道土建纵坡，通过《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式计算得到。

可选地，所述下一时段隧道内需风量预测值的获取方法为：

获取当前时段隧道内需风量Q_COt、Q_VIt；

获取下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1；

根据下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1，以及隧道土建纵坡，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式，计算得到下一时段隧道内需风量Q_CO(t+1)和Q_VI(t+1)；

根据当前时段隧道内一氧化碳浓度监测值δ_COt、烟雾浓度监测值δ_VIt、风速监测值WC_t，计算下一时段隧道内需风量修正量ΔQ_CO(t+1)和ΔQ_VI(t+1)；

计算下一时段隧道内需风量预测值Q_(t+1)＝max(Q_CO(t+1)′，Q_VI(t+1)′)，

其中，Q_CO(t+1)′＝Q_CO(t+1)+ΔQ_CO(t+1)，Q_VI(t+1)′＝Q_VI(t+1)+ΔQ_VI(t+1)。

可选地，所述根据下一时段隧道内需风量预测值计算需开启的射流风机台数N_t+1的方法为：根据各通风模式下隧道内的污染物浓度变化，划分各模式下的隧道为数量为K的不同通风段，各通风段为第K段，K大于等于1且为整数，计算不同通风模式下的各通风段在下一时段的需风量预测值Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、……、Q_K(t+1)′；

根据各通风段下一时段的预测需风量，按照空气流动力学平衡方程，获取不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段所需的射流风机总升压力，以及一台射流风机的升压力ΔP_j(t+1)，则

可选地，获取不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段所需的射流风机的总升压力的方法为：

根据各通风段下一时段的预测需风量，计算得到不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段的自然通风力之和∑ΔP_m、通风阻力之和∑ΔP_r、交通通风力之和∑ΔP_t，以及计算补风通道送风口升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b和/或斜井排风口升压力ΔP_e；

所需射流风机的总升压力为∑ΔP_m、∑ΔP_r之和去除∑ΔP_t以及去除补风通道送风口处升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e。

可选地，∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1+……+ΔP_mK,t+1；

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1+……+ΔP_rK,t+1；

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1+……+ΔP_tK,t+1；

其中，ΔP_mK,t+1为第K通风段在下一时段的自然通风力，ΔP_rK,t+1为第K通风段在下一时段的通风阻力，ΔP_tK,t+1为第K通风段在下一时段的交通通风力。

所述公路隧道分为左线和右线，左线通风系统与右线通风系统按照相同的方法进行通风系统的控制。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过设置多种通风模式的组合，并控制通风系统在多个通风模式之间进行转换，就并通过需风量根据实时交通状况进行通风系统的转换控制，既可以满足通风需求，又可以大大降低运营能耗，提高控制过程的可靠性和时效性，提高控制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明中隧道分段纵向通风系统的布置结构示意图。

图2为本发明控制方法流程图。

图3为全射流通风模式下右线隧道内风向示意图。

图4为全射流通风模式下右线隧道内污染物浓度分布曲线图。

图5为单向补充通风模式下右线隧道内风向示意图。

图6为单向补充通风模式下右线隧道内污染物浓度分布曲线图。

图7为单向补充+斜井送风通风模式下右线隧道内风向示意图。

图8为单向补充+斜井送风通风模式下右线隧道内污染物浓度分布曲线图。

图9为斜井送排通风模式下右线隧道内风向示意图。

图10为斜井送排通风模式下右线隧道内污染物浓度分布曲线图。

图11为单向补充与斜井送排通风模式下右线隧道内风向示意图。

图12为单向补充与斜井送排通风模式下右线隧道内污染物浓度分布曲线图。

其中，以上附图5、7、9、11中的Q₁、Q₂、……、Q_n表示各通风模式下隧道内各通风段的需风量，V₁、V₂、……、V_n表示各通风模式下隧道内各通风段的实测风速。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在一实施例中，一种公路隧道分段纵向通风控制方法，隧道分段纵向通风系统包括全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式，各所述通风模式下均包括隧道内射流风机的控制，根据隧道内的需风量控制通风系统在各所述通风模式之间进行转换，以使通风系统所处模式满足通风需求。

具体地，通风系统可以采用如图1中所示的方式进行布置，图1中以大万山隧道运营通风为依托，隧道分为左线和右线，左、右线的通风井分段纵向通风的布置方式相同，均设有通风斜井，通风斜井分送风段、排风段，送风段、排风段内分别设有送风轴流风机、排风轴流风机。在左、右线之间还设有单向补风通道，由左线向右线单向补风，在单向补风通道内设有单补轴流风机。在左线、右线隧道内还设有射流风机。具体地通风井分段纵向通风系统的布置方式可以见专利申请一种斜井送排与单横通道组合的公路隧道通风系统及方法，公开号为CN112253206B中的详述。

实际大万山隧道右线通风需风量远大于左线，所以以右线为例详述各种通风模式的通风方式及模式转换控制。左线通风系统与右线通风系统按照相同的方法进行控制。

在本实施例中，通风系统包括五种模式，在全射流通风模式下，控制系统根据隧道内的交通量、交通流组成以及隧道内的污染物浓度等，得到隧道内的需风量，然后控制右线隧道内的射流风机开启的台数及位置。此种模式适用于交通量较小、隧道内污染物浓度较小时的情况，对于需风量要求较小。

在单向补充通风模式下，单补轴流风机开启并向右线隧道补风，同时控制系统会根据隧道需风量，对射流风机进行控制，控制射流风机开启的台数和位置。相对于全射流通风模式，此种模式适用于更大的需风量要求。当全射流通风模式无法满足需风量要求时，而单向补充通风模式满足需风量要求，控制系统将通风系统切换至单向补充通风模式。

在单向补充与斜井送风通风模式下，单补轴流风机开启，位于右线的斜井送风轴流风机也开启，在这种情况下，控制系统根据隧道需风量，对射流风机进行控制，控制射流风机开启的台数和位置。此模式适用于对需风量要求更高，当单向补充通风模式也无法满足要求时，可将通风系统切换至该模式。

在斜井送排通风模式下，斜井送风轴流风机、排风轴流风机均开启，在斜井轴流风机都开启的情况下，控制系统根据隧道需风量，对射流风机进行控制，控制射流风机开启的台数和位置。

在单向补充与斜井送排通风模式下，单补轴流风机、斜井送风轴流风机、排风轴流风机均开启，此种情况下，控制系统根据隧道需风量，对射流风机进行控制，控制射流风机开启的台数和位置。此种模式适用于需风量要求最高的情况。

通过以上五种通风模式的设置，可以适应于不同时段、不同交通量、污染物浓度等的通风需求，更加符合实际应用需求，同时可以大大降低系统运营能耗。

在上述五种通风模式下，控制系统均对射流风机进行控制，当对隧道进行单向补风或斜井送风或排风并结合隧道内的自然风等的情况下，仍然不能满足需风要求时，控制系统就会控制射流风机开启，以满足通风需求。同时控制系统根据在不同控制阶段计算的需风量的大小，控制通风系统在五种通风模式下进行转换，这样可以使通风系统根据实际交通情况及时作出调整，不但可以满足通风要求，还可以相应地改变隧道内风机的开启及关闭，降低隧道内通风系统的运营能耗。

作为上述实施例的优选，为了更加及时迅速地根据实际情况实现通风系统的模式转换控制，在通风系统的当前控制阶段，就进行下一控制阶段的需风量预测，并根据预测需风量预先判断在下一控制阶段通风系统需要处于哪种模式，并根据下一控制阶段所处的模式，预先计算出需开启的射流风机的台数，从而可以及时有效地进行模式转换控制。

具体地，隧道内的需风量包括当前时段隧道内的需风量、下一时段隧道内的需风量预测值，所述下一时段隧道内的需风量预测值为在通风系统所处的当前时段下对于后续时段隧道内需风量的预测值。

控制系统在进行控制时，按照如图2所示的流程进行：

首先判断当前时段是否为初始通风时段，具体地是控制系统通过当前时段隧道内污染物一氧化碳CO、烟雾VI的浓度实测值以及隧道内交通量的实测值W进行判断；若判断出当前时段是初始通风时段，没有上一时段，控制系统获取当前时段隧道内的需风量，根据当前时段的需风量判断哪种模式满足要求，并控制通风系统进入相应的通风模式，开启相应数量的射流和/或轴流风机(具体地，也是根据需风量计算在各个通风模式下需要开启的射流风机的台数N_t+1，并与隧道内安装的射流风机的总台数N_Z对比，判断哪个通风模式满足需求，并进入相应的模式；更加详细的计算方法与预测阶段的模式转换过程相同，见下面的详细论述)。当前时段结束后，进入下一时段，然后进行下一时段即后续时段需风量的预测，并根据预测值控制通风系统在进入后续时段时保持上一时段的通风模式或者转换至需要的通风模式，如此循环反复；

若当前时段不是初始通风时段，控制通风系统根据当前时段需风量进行下一时段隧道内需风量预测，按照上述同样的方法，根据预测值控制通风系统在进入下一时段时保持上一时段的通风模式或者转换至需要的通风模式，然后在处于下一阶段时，再进行下一阶段即后续阶段的需风量的预测，如此循环反复。

其中，上述过程中，当前时段隧道内需风量的获取是根据ETC门架系统测得当前时段的交通量、交通流组成，并结合隧道内污染物浓度监测值(包括一氧化碳浓度值δ_CO、烟雾浓度值δ_VI、)和风速监测值WC，以及隧道土建纵坡等，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/TD70/2-02-2014公式计算出当前时段隧道内需风量。

以上方法中，根据隧道内的需风量即可控制通风模式的转换，过程简单；且在通风系统的各个控制周期内即进行下一控制周期的预测，大大节省控制响应时间、缩短通风模式转换时间，更有利于实际控制。

作为以上实施例的优选，根据下一时段隧道内需风量预测值控制通风系统在各所述通风模式之间转换按照以下方法进行：

根据下一时段隧道内需风量预测值，计算需开启的射流风机台数N_t+1，按照全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式的顺序，由全射流通风模式起，依序比对各通风模式下需开启的射流风机台数N_t+1与隧道内安装的射流风机的总台数N_Z。

若在全射流通风模式下，需开启的射流风机台数N_t+1小于或等于隧道内设置的射流风机的总台数N_Z，说明全射流通风模式下满足通风需求，停止比对，并计算通风系统下一时段进入全射流通风模式时需要增加开启的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，N_t为当前时段开启的射流风机的台数，这样在下一时段进入到全射流通风模式时，系统根据计算自动调节射流风机开启台数以及开启位置。若在全射流通风模式下，需开启的射流风机台数N_t+1大于隧道内设置的射流风机的总台数N_Z，说明全射流通风模式下无法满足通风需求，则计算在单向补充通风模式下需开启的射流风机台数N_t+1，并与射流风机的总台数N_Z进行比对，若N_t+1小于等于N_Z，说明单向补充通风模式可以满足要求，停止比对，按照同样的方法计算ΔN_t+1，控制通风系统下一时段时进入单向补充通风模式，自动开启单补轴流风机，并根据计算自动调节射流风机开启台上以及开启位置；若N_t+1大于N_Z，说明单向补充通风模式无法满足要求，则计算在斜井送排通风模式下需开启的射流风机台数N_t+1，并与总台数N_Z比对，若N_t+1小于等于N_Z，说明斜井送排通风模式满足通风需求，停止比对，计算ΔN_t+1，并控制通风系统下一时段进入斜井送排通风模式，开启斜井送风轴流风机，并根据计算调整射流风机开启台数以及开启位置；以此类推，直至可以满足通风要求，控制系统就控制通风系统在后续时段进入相应的通风模式。

作为以上实施例的优选，所述下一时段隧道内需风量预测值的获取方法为：

获取当前时段隧道内需风量Q_COt、Q_VIt；Q_COt、Q_VIt分别为使当前时段隧道内的一氧化碳、烟雾浓度降低到所需浓度需要的通风量；

获取下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1；

根据下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1，以及隧道土建纵坡，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式，计算得到下一时段隧道内需风量Q_CO(t+1)和Q_VI(t+1)；Q_CO(t+1)和Q_VI(t+1)分别代表为使下一时段隧道内的一氧化碳、烟雾浓度降低到所需浓度需要的通风量；

根据当前时段隧道内一氧化碳浓度监测值δ_COt、烟雾浓度检测值δ_VIt、风速监测值WC_t，计算下一时段隧道内需风量修正量ΔQ_CO(t+1)和ΔQ_VI(t+1)；ΔQ_CO(t+1)和ΔQ_VI(t+1)分别代表下一时段隧道内一氧化碳需风量修正量、烟雾需风量修正量；

计算下一时段隧道内需风量预测值Q_(t+1)＝max(Q_CO(t+1)′，Q_VI(t+1)′)，

其中，Q_CO(t+1)′＝Q_CO(t+1)+ΔQ_CO(t+1)，Q_VI(t+1)′＝Q_VI(t+1)+ΔQ_VI(t+1)。Q_CO(t+1)′、Q_VI(t+1)′分别为下一时段隧道内一氧化碳需风量预测值、烟雾需风量预测值。

其中，所述根据下一时段隧道内需风量预测值计算需开启的射流风机台数N_t+1的方法为：根据各通风模式下隧道内的污染物浓度变化，划分各模式下的隧道为数量为K的不同通风段，各通风段为第K段，K为1、2、3等的整数，计算不同通风模式下的各通风段在下一时段的需风量预测值Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、……、Q_K(t+1)′；Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、……、Q_K(t+1)′分别代表各个通风模式下第1个、第2个、……、第K个通风段在下一时段的需风量预测值。

根据各通风段下一时段的需风量预测值，并根据空气流动力学平衡方程，获取不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段所需的射流风机总升压力，以及一台射流风机的升压力ΔP_j(t+1)，则

其中上述的总升压力的计算方法为：

根据各通风段下一时段的需风量预测值Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、……、Q_K(t+1)′，计算得到不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段的自然通风力之和∑ΔP_m、通风阻力之和∑ΔP_r、交通通风力之和∑ΔP_t；

∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1+……+ΔP_mK,t+1；

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1+……+ΔP_rK,t+1；

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1+……+ΔP_tK,t+1；

其中，ΔP_m1,t+1、ΔP_m2,t+1、ΔP_mK,t+1分别为第1、第2、第K通风段在下一时段的自然通风力；ΔP_r1,t+1、ΔP_r2,t+1、ΔP_rK,t+1分别为第1、第2、第K通风段在下一时段的通风阻力，ΔP_t1,t+1、ΔP_t2,t+1、ΔP_tK,t+1分别为第1、第2、第K通风段在下一时段的交通通风力；

补风通道送风口升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b和/或斜井排风口升压力ΔP_e；其中，补风通道送风口处升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e等根据需要进行计算，在不涉及单向补风或斜井送风、排风的模式中，不需要进行计算。

所需射流风机的总升压力为∑ΔP_m、∑ΔP_r之和去除∑ΔP_t以及去除补风通道送风口处升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e，在不涉及单向补风或斜井送风、排风的模式中，补风通道送风口处升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e即为0。

通过以上过程，就可以通过需风量根据实时交通状况进行通风系统的转换控制，既可以达到通风需求，又可以大大降低运营能耗，提高控制过程的可靠性和时效性，提高控制效果。

以下，大万山隧道运营通风为依托，对本发明的控制方法进行更加详细的说明。

1、根据当前时段前方路段的交通量及交通组成、隧道内交通量及组成、隧道内污染物浓度及风速，预测下一阶段隧道内的需风量。

(1)根据当前时段前方路段ETC门架系统的交通量、交通流组成监测，得到当前时段前方路段的交通量增量

及交通流组成增量/>

其中交通流组成增量为矢量，为各种车型的组成构成。结合当前时段隧道的交通量n_t及组成m_t监测值，预测得到下一时段隧道内的交通量及交通流组成：

下一时段隧道内交通量n_t+1＝n_t+Δn_tETC

下一时段隧道内交通流组成m_t+1＝m_t+Δm_tETC

(2)根据当前时段隧道内的交通量n_t及交通流组成m_t、隧道的土建纵坡，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式计算当前时段隧道内需风量Q_COt、Q_VIt，并结合当前时段隧道内污染物浓度监测值δ_COt、δ_VIt、风速监测值WC_t，计算下一时段隧道内需风量修正量ΔQ_CO(t+1)和ΔQ_VI(t+1)。

(3)根据下一时段隧道内交通量及交通流组成预测值n_t+1、m_t+1、隧道的土建纵坡，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式计算隧道内下一时段需风量Q_CO(t+1)和Q_VI(t+1)，结合下一时段隧道内需风量修正量ΔQ_CO(t+1)和ΔQ_VI(t+1)，得到下一时段隧道内需风量预测值Q_t+1：

Q_CO(t+1)′＝Q_CO(t+1)+ΔQ_CO(t+1)

Q_VI(t+1)′＝Q_VI(t+1)+ΔQ_VI(t+1)

Q_(t+1)＝max(Q_CO(t+1)′，Q_VI(t+1)′)

2、不同通风模式的转换控制

(1)全射流通风模式

全射流通风模式示意图如图3，污染物浓度分布曲线如图4，对应隧道出口处污染物浓度达到最大值。

①根据下一时段隧道内需风量预测值Q_t+1，根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2-02-2014)公式计算隧道内下一时段自然通风力ΔP_m(t+1)、通风阻力ΔP_r(t+1)、交通通风力ΔP_t(t+1)、射流风机升压力ΔP_j(t+1)，计算下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数为：

②判定下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数N_t+1是否大于射流风机的安装总台数N_z；

若N_t+1≤N_z，则全射流通风模式能满足下一时刻通风要求。则根据当前时段射流风机开启数量N_t，计算需要增加的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，进行射流风机控制。

若N_t+1>N_z，则全射流通风模式不能满足下一时刻的通风要求，转换为单向补充通风模式控制判别。

(2)单向补充通风模式

单向补充通风模式示意图如图5，污染物浓度分布曲线如图6，对应图6中1-1截面以及隧道出口处污染物浓度达到最大值。

①单向补充通风模式将隧道通风分为两个通风段进行计算：隧道入口至1-1截面、2-2截面至隧道出口。根据下一时段隧道内需风量预测值Q_t+1、纵坡及两段隧道的长度，计算出两段隧道下一阶段第1段、第2段的需风量预测值Q_1(t+1)、Q_2(t+1)。

②计算隧道采用单向补充通风模式下一时段两段隧道中的预测需风量：

Q_1(t+1)′＝Q_1(t+1)

Q_2(t+1)′＝Q_1(t+1)′+Q_sup

其中Q_sup为单补轴流风机的工作风量。

③根据两段隧道下一阶段的预测需风量Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′，按照《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)公式计算第1段隧道和第2段隧道的自然通风力(ΔP_m1,t+1、ΔP_m2,t+1)、通风阻力(ΔP_r1,t+1、ΔP_r2,t+1)、交通通风力(ΔP_t1,t+1、ΔP_t2,t+1)、射流风机升压力(ΔP_j1,t+1、ΔP_j2,t+1)、补风通道送风口升压力ΔP。

∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1

计算下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数为：

其中(ΔP_j1,t+1+ΔP_j2,t+1)/2代表射流风机升压力平均值，作为一台射流风机的升压力。

④判定下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数(N_t+1)是否大于射流风机的安装总台数(N_z)。

若N_t+1≤N_z，则单向补充通风模式能满足下一时刻的通风要求。则根据当前时段的射流风机开启数量N_t，计算需要增加的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，对射流风机和轴流风机进行控制。

若N_t+1>N_z，则单向补充通风模式不能满足下一时刻的通风要求，转换为单向补充+斜井送风通风模式控制判别。

(3)单向补充+斜井送风通风模式

单向补充+斜井送风通风模式示意图如图7，污染物浓度分布曲线如图8，对应斜井送风口左侧(1-1截面)、补风通道风口左侧(3-3截面)及隧道出口处污染物浓度达到最大值。

①单向补充+斜井送风通风模式将隧道分为三段计算：隧道入口至送风井左侧、送风井右侧至单向补风通道左侧及补风通道右侧至隧道出口处。根据下一时段隧道内预测需风量Q_t+1、纵坡及三段隧道的长度，计算出三段隧道下一阶段的预测需风量Q_1(t+1)、Q_2(t+1)、Q_3(t+1)。

②计算隧道采用单向补充+斜井送风通风模式下一时段三段隧道中的风量：

Q_1(t+1)′＝Q_1(t+1)

Q_2(t+1)′＝Q_1(t+1)′+Q_YFb

Q_3(t+1)′＝Q_2(t+1)′+Q_sup

其中Q_sup、Q_YFb分别为单补轴流风机、斜井送风轴流风机的工作风量。

③同理根据三段隧道下一阶段的预测需风量Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、Q_3(t+1)′，分别计算三段隧道的自然通风力(ΔP_m1,t+1、ΔP_m2,t+1、ΔP_m3,t+1)、通风阻力(ΔP_r1,t+1、ΔP_r2,t+1、ΔP_r3,t+1)、交通通风力(ΔP_t1,t+1、ΔP_t2,t+1、ΔP_t3,t+1)、射流风机升压力(ΔP_j1,t+1、ΔP_j2,t+1、ΔP_j3,t+1)、斜井送风口升压力ΔP_b、补风通道送风口处升压力ΔP。

∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1+ΔP_m3,t+1

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1+ΔP_r3,t+1

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1+ΔP_t3,t+1

计算下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数为：

其中(ΔP_j1,t+1+ΔP_j2,t+1+ΔP_j3,t+1)/3代表射流风机升压力平均值，作为一台射流风机的升压力。

④判定下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数(N_t+1)是否大于射流风机的安装总台数(N_z)。

若N_t+1≤N_z，则单向补充+斜井送风通风模式能满足下一时刻的通风要求。则计算需要增加的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，对射流风机和轴流风机进行控制。

若N_t+1>N_z，则单向补充+斜井送风通风模式不能满足下一时刻的通风要求，转换为斜井送排通风模式控制判别。

(4)斜井送排通风模式

斜井送排通风模式示意图如图9，污染物浓度分布曲线如图10，对应短道末端(3-3截面)以及隧道出口处污染物浓度达到最大值。

①斜井送排通风模式分为两段计算：排风段(隧道入口到短道末端3-3截面)及送风段(斜井送风口4-4截面到隧道出口)。根据下一时段隧道内预测需风量Q_t+1、纵坡及两段隧道的长度，计算出两段隧道下一时段的预测需风量Q_1(t+1)、Q_2(t+1)。

②计算隧道采用斜井送排通风模式下一时段两段隧道中的风量：

Q_1(t+1)′＝Q_1(t+1)

Q_2(t+1)′＝Q_1(t+1)′+Q_YFb-Q_YFe

其中Q_YFb、Q_YFe分别为送风斜井、排风斜井内轴流风机的工作风量。

③根据两段隧道下一时段的预测需风量Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′，计算两段隧道的自然通风力(ΔP_m1,t+1、ΔP_m2,t+1)、通风阻力(ΔP_r1,t+1、ΔP_r2,t+1)、交通通风力(ΔP_t1,t+1、ΔP_t2,t+1)、射流风机升压力(ΔP_j1,t+1、ΔP_j2,t+1)、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e。

∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1

计算下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数为：

④判定下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数(N_t+1)是否大于射流风机的安装总台数(N_z)。

若N_t+1≤N_z，则斜井送排通风模式能满足下一时刻的通风要求。则根据当前时段的射流风机开启数量N_t，计算需要增加的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，对射流风机和轴流风机进行控制。

若N_t+1>N_z，则斜井送排通风模式不能满足下一时刻的通风要求，转换为单向补充与斜井送排通风模式控制判别。

(5)单向补充与斜井送排通风模式

单向补充与斜井送排通风模式示意图如图11，污染物浓度分布曲线如图12，对应短道末端(3-3截面)、补风通道送风口左侧(5-5截面)以及隧道出口处污染物浓度达到最大值。

①单向补充与斜井送排通风模式分为三段计算：隧道入口至送风井左侧3-3截面、送风井右侧4-4截面至单向补风通道左侧5-5截面及单向补风通道右侧6-6截面至隧道出口处。根据下一时段隧道内预测需风量Q_t+1、纵坡及三段隧道的长度，计算出三段隧道下一阶段的预测需风量Q_1(t+1)、Q_2(t+1)、Q_3(t+1)。

②计算隧道采用单补+斜井送风模式下一时段三段隧道中的风量：

Q_1(t+1)′＝Q_1(t+1)

Q_2(t+1)′＝Q_1(t+1)′+Q_YFb-Q_YFe

Q_3(t+1)′＝Q_2(t+1)′+Q_sup

其中Q_sup、Q_YFb、Q_YFe分别为单补轴流风机、斜井送风轴流风机及斜井排风轴流风机的工作风量。

③同理根据三段隧道下一阶段的预测需风量Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、Q_3(t+1)′，分别计算三段隧道的自然通风力(ΔP_m1,t+1、ΔP_m2,t+1、ΔP_m3,t+1)、通风阻力(ΔP_r1,t+1、ΔP_r2,t+1、ΔP_r3,t+1)、交通通风力(ΔP_t1,t+1、ΔP_t2,t+1、ΔP_t3,t+1)、射流风机升压力(ΔP_j1,t+1、ΔP_j2,t+1、ΔP_j3,t+1)、补风通道送风口升压力ΔP、斜井送风口升压力ΔP_b、斜井排风口升压力ΔP_e。

∑ΔP_m＝ΔP_m1,t+1+ΔP_m2,t+1+ΔP_m3,t+1

∑ΔP_r＝ΔP_r1,t+1+ΔP_r2,t+1+ΔP_r3,t+1

∑ΔP_t＝ΔP_t1,t+1+ΔP_t2,t+1+ΔP_t3,t+1

计算下一时刻隧道内需要开启的射流风机的台数为：

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可知N_t+1≤N_z，单向补充与斜井送排通风模式满足通风要求。则需要增加的射流风机量ΔN_t+1＝N_t+1-N_t，对射流风机和轴流风机进行控制。

对于左线，在各通风模式的转换控制中采用与右线相同的方法进行，在此不进行赘述。

另外，本专利申请中未提及的过程及方法均为采用现有技术进行，在此不进行详述。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述控制方法基于隧道分段纵向通风系统实现，所述隧道分段纵向通风系统具有包括全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式，各所述通风模式下均包括隧道内射流风机的控制，根据隧道内的需风量控制通风系统在各所述通风模式之间进行转换，以使通风系统所处模式满足通风需求；所述隧道内的需风量包括当前时段隧道内的需风量、下一时段隧道内的需风量预测值，所述下一时段隧道内需风量预测值为在通风系统所处的当前时段下对于后续时段隧道内需风量的预测值；

根据下一时段隧道内需风量预测值控制通风系统在各所述通风模式之间转换过程为：

根据下一时段隧道内需风量预测值计算需开启的射流风机台数N_t+1，按照全射流通风模式、单向补充通风模式、单向补充与斜井送风通风模式、斜井送排通风模式、单向补充与斜井送排通风模式的顺序，由全射流通风模式起依序比对各通风模式下需开启的射流风机台数N_t+1与隧道内安装的射流风机的总台数N_Z；

若在任一通风模式下N_t+1小于等于N_Z，停止比对，并控制通风系统在到达下一时段时处于该通风模式下；

若在任一所述通风模式下N_t+1大于N_Z，继续进行后续各通风模式的对比，直至在某一通风模式下N_t+1小于等于N_Z，停止比对，并控制通风系统在到达下一时段时处于该通风模式下。

2.根据权利要求1所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括判断当前时段是否为初始通风时段；

若当前时段是初始通风时段，获取当前时段隧道内的需风量，根据当前时段的需风量控制通风系统进入满足通风需求的通风模式，进入下一时段后，进行后续时段隧道内需风量的预测，根据预测值控制通风系统在各通风模式间的转换，

若当前时段不是初始通风时段，控制通风系统根据当前时段需风量进行下一时段隧道内需风量预测，并根据预测值控制通风系统在各通风模式间的转换。

3.根据权利要求1所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述控制通风系统在各所述通风模式之间转换过程还包括：根据当前时段开启的射流风机的台数N_t及下一时段需开启的射流风机台数N_t+1，计算通风系统进入下一时段相应的通风模式时需要增加开启的射流风机台数△N_t+1＝N_t+1-N_t，控制通风系统到达下一时段时开启相应数量及位置的射流风机；

还包括通风系统在进入下一时段相应的通风模式时，控制开启相应通风模式下的轴流风机；

所述单向补充通风模式下，补风通道内的单补轴流风机开启；

所述单向补充与斜井送风通风模式下，单补轴流风机、斜井送风轴流风机开启；

所述斜井送排通风模式下，斜井送风轴流风机、排风轴流风机开启；

所述单向补充与斜井送排通风模式下，单补轴流风机、斜井送风轴流风机和排风轴流风机开启。

4.根据权利要求1所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述当前时段隧道内的需风量获取方法为：根据包括实测的当前时段交通量、交通流组成、隧道内的污染物浓度、风速、隧道土建纵坡，通过《公路隧道通风设计细则》JTG/TD70/2-02-2014公式计算得到。

5.根据权利要求1所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述下一时段隧道内需风量预测值的获取方法为：

获取当前时段隧道内需风量Q_COt、Q_VIt；

获取下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1；

根据下一时段隧道内的交通量预测值n_t+1、交通流组成预测值m_t+1，以及隧道土建纵坡，按照《公路隧道通风设计细则》JTG/T D70/2-02-2014公式，计算得到下一时段隧道内需风量Q_CO(t+1)和Q_VI(t+1)；

根据当前时段隧道内一氧化碳浓度监测值δ_COt、烟雾浓度监测值δ_VIt、风速监测值WC_t，计算下一时段隧道内需风量修正量△Q_CO(t+1)和△Q_VI(t+1)；

计算下一时段隧道内需风量预测值Q_(t+1)＝max(Q_CO(t+1)′，Q_VI(t+1)′)，

其中，Q_CO(t+1)′＝Q_CO(t+1)+△Q_CO(t+1)，Q_VI(t+1)′＝Q_VI(t+1)+△Q_VI(t+1)。

6.根据权利要求1所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，所述根据下一时段隧道内需风量预测值计算需开启的射流风机台数N_t+1的方法为：根据各通风模式下隧道内的污染物浓度变化，划分各模式下的隧道为数量为K的不同通风段，各通风段为第K段，K大于等于1且为整数，计算不同通风模式下的各通风段在下一时段的需风量预测值Q_1(t+1)′、Q_2(t+1)′、……、Q_K(t+1)′；

根据各通风段下一时段的预测需风量，按照空气流动力学平衡方程，获取不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段所需的射流风机总升压力，以及一台射流风机的升压力△P_j(t+1)，则

7.根据权利要求6所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，获取不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段所需的射流风机的总升压力的方法为：

根据各通风段下一时段的预测需风量，计算得到不同通风模式下对应的所有通风段在下一时段的自然通风力之和∑△P_m、通风阻力之和∑△P_r、交通通风力之和∑△P_t，以及计算补风通道送风口升压力△P、斜井送风口升压力△P_b和/或斜井排风口升压力△P_e；

所需射流风机的总升压力为∑△P_m、∑△P_r之和去除∑△P_t以及去除补风通道送风口处升压力△P、斜井送风口升压力△P_b、斜井排风口升压力△P_e。

8.根据权利要求7所述的一种送排与单补组合的隧道分段纵向通风控制方法，其特征在于，

∑△P_m＝△P_m1,t+1+△P_m2,t+1+……+△P_mK,t+1；

∑△P_r＝△P_r1,t+1+△P_r2,t+1+……+△P_rK,t+1；

∑△P_t＝△P_t1,t+1+△P_t2,t+1+……+△P_tK,t+1；

其中，△P_mK,t+1为第K通风段在下一时段的自然通风力，△P_rK,t+1为第K通风段在下一时段的通风阻力，△P_tK,t+1为第K通风段在下一时段的交通通风力；

所述公路隧道分为左线和右线，对左线通风系统与右线通风系统按照相同的方法进行控制。

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