CN117090619A - 适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，包括：采集隧道运营监测数据；所述隧道运营监测数据包括隧道基础数据、隧道环境监测数据以及交通运行监测数据；基于隧道工况数据，构建隧道需风量计算模型；构建隧道压力平衡模型；通过隧道需风量计算模型计算得到实时需风量，以实时需风量为目标，根据隧道压力平衡模型，计算风机开启所需台数。本发明能够对隧道通风进行动态弹性节能调度，在保障运营安全的前提下合理控制通风规模，达到“按需通风”。

Description

适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法

技术领域

本发明涉及公路隧道交通领域，具体涉及一种适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法。

背景技术

随着隧道建造技术的快速发展，为缓解日益紧张的交通压力，在世界范围内越来越多的长隧道甚至特长公路隧道开始修建并投入运营，但随着特长公路隧道数量和里程的不断增加，隧道运营安全和节能问题愈发凸显。以最不利工况确定隧道通风方案符合防灾减灾的设计初衷，而在运营阶段固化的通风方式和不合理的控制方法造成能源消耗严重。如何在保障运营安全的前提下合理控制通风规模、降低通风能耗已成为特长公路隧道全生命周期中亟待解决的控制性技术难题。因此，进行通风系统控制节能低碳研究、降低通风系统整体能耗势在必行。

公路隧道通风控制方式主要有手动控制、时序控制、实时控制和智能模糊控制，目前，隧道采用传统时序控制或人工手动控制方式占据多数。受通风系统具有很强的非线性和滞后性等特点的限制，采用传统控制方法无法精准调节风量，导致隧道出现过度通风或通风不足的问题。尽管有的隧道通风控制方法在进行公路隧道通风设计时，通常根据隧道所在路段项目可行性研究报告中的各设计年平均日交通量来换算出未来年的高峰小时交通量，从而计算隧道开通后正常运营的需风量，确定风机的布设台数以及风机的功率。但是此种方法给出的是隧道开通后风机工作的极限风压以及风量，是一种比较保守的计算方法。在隧道建成之前，此方法对于隧道通风的设计以及风机的布置都是具有一定指导意义，但是当隧道建成并投入运营后，隧道的交通量以及交通组成不可能总保持一成不变，更不可能始终保持在高峰小时交通量，由此存在无法在线动态调节隧道通风的问题。

因此，需要一种适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，能够解决以上问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，能够对隧道通风进行动态弹性节能调度，在满足需风量要求的条件下更有效地降低能耗。

本发明的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，包括：

采集隧道运营监测数据；所述隧道运营监测数据包括隧道基础数据、隧道环境监测数据以及交通运行监测数据；

基于隧道工况数据，构建隧道需风量计算模型；

构建隧道压力平衡模型；

通过隧道需风量计算模型计算得到实时需风量，以实时需风量为目标，根据隧道压力平衡模型，计算风机开启所需台数。

进一步，根据如下公式构建隧道需风量计算模型：

其中，V_pollutant为稀释CO、NO₂和PM所需风量的最大值；ΔM_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物排放预测增量；M_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物实测排放量；C_adm为气体污染物容许浓度；C_amb为气体背景浓度；max(·)为取最大值函数。

进一步，根据如下公式确定污染物排放预测增量ΔM_pollutant：

其中，为分车型单车污染物综合排放率；ΔN_{veh_type}为T时段分车型车辆增加数量；L为隧道长度；veh_type为车辆类型。

进一步，根据如下公式确定污染物综合排放率

其中，为基准年下不同车型在纵坡为i的隧道内以平均车速v行驶时污染物基本排放率；g_non-ex(v)为当计算颗粒物排放率时，需附加的非排放颗粒物排放因子；f_h为海拔高度系数；f_t为目标年排放水平总折减率；f_m为HGV总质量对排放水平的影响系数；f_e为不同地区排放技术标准影响系数。

进一步，构建隧道压力平衡模型，具体包括：

构建隧道内总压力平衡方程：

构建隧道各通风段压力平衡方程：

其中，Δp_r,i为第i通风段通风阻力；Δp_t,i为第i通风段交通通风力；Δp_m,i为第i通风段自然通风力；Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力；Δp_b,h为第h个竖井送风口升压力；Δp_e,h为第h个竖井排风口升压力。

进一步，根据如下公式确定风机开启所需台数：

其中，n_i为第i通风段射流风机台数；Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力；Δp_j为单台射流风机升压力；n_e,h为第h个竖井排风口轴流风机开启台数；Q_e,h为第h个竖井排风口总排风量；Q_se,h为第h个竖井排风口单台轴流风机额定风量；n_b,h为送风口轴流风机开启台数；Q_b,h为第h个竖井送风口总送风量；Q_sb,h为第h个竖井送风口单台轴流风机额定风量。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，在保障隧道运营安全的同时，实现隧道污染程度的精准调控和通风设施的节能运行，为营造安全、畅通和环保的隧道交通环境提供了关键技术支撑，为今后设计智能化的隧道通风控制方案、优化特长公路隧道智慧管理提供了技术参考。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的公路隧道通风动态调节方法原理示意图；

图2为本发明的隧道运营监测主要数据及来源示意图；

图3为本发明的LSTM模型原理图；

图4为本发明的三竖井分段纵向通风方式示意图；

图5为本发明的隧道剖面图；

图6为本发明的隧道通风方案平面示意图；

图7为本发明的隧道原始车型转换后交通量变化趋势图；

图8为本发明的乘用车车型交通量实际值与预测值对比图；

图9为本发明的轻型车和重载车车型交通量实际值和预测值对比图；

图10为本发明的隧道第一通风段需风量计算结果示意图；

图11为本发明的隧道第二通风段需风量计算结果示意图；

图12为本发明的隧道第三通风段需风量计算结果示意图；

图13为本发明的隧道第四通风段需风量计算结果示意图；

图14为本发明的隧道各通风段需风量示意图；

图15为本发明的隧道总需风量频率直方图；

图16为本发明的隧道总需风量累计频率分布曲线图；

图17为本发明的隧道某日每时段射流风机开启方案；

图18为本发明的隧道某日每时段轴流风机开启方案；

图19为本发明的两种控制方案评价指标对比图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，包括如下步骤：

采集隧道运营监测数据；所述隧道运营监测数据包括隧道基础数据、隧道环境监测数据以及交通运行监测数据。

对隧道交通运行监测数据进行短时分车型交通量预测分析，得到乘用车预测交通量、轻型车预测交通量和重载车预测交通量。

根据隧道预测交通量进行污染物排放测算，分别得到CO浓度预测增量、PM浓度预测增量和NO₂浓度预测增量。

基于污染物浓度预测增量、隧道环境监测数据、污染物浓度设定目标值，进行隧道需风量的计算，构建隧道需风量计算模型，输出风量需求。

基于隧道动态需风量，进行隧道运营状态等级划分，根据不同等级需风量带入隧道压力平衡模型，得出各时段风机开启方案。其中，以风机运行调整后空气质量改善效果作为反馈，定时自动更新通风控制方案。

通过历史数据获得不同运营级别的通风预案后，将采集的实时交通量代入隧道需风量计算模型计算得到实时需风量，以实时需风量为目标，根据隧道压力平衡模型，计算风机开启所需台数，根据运营级别自动匹配风机开启方案。

本发明应用于公路隧道运营通风智能管控，一方面，可以在保障隧道运营安全的同时，实现隧道污染程度的精准调控和通风设施的节能运行，为营造安全、畅通和环保的隧道交通环境提供了关键技术支撑，另一方面为今后设计智能化的隧道通风控制方案、优化特长公路隧道智慧管理提供了技术参考。

本实施例中，如图2所示，隧道基础信息包括运营管理部门存档的竣工资料以及隧道通风设施控制数据；空气质量监测信息由集成开发的公路隧道环境感知系统获取，主要包括隧道内不同监测位置的有害气体(CO、NO₂)浓度、PM、风速/风向以及温度/气压等动态时序数据；隧道交通运行信息由高速公路交通量检测系统获取，主要包括交通组成、分车型交通量和行驶速度等动态时序数据。由于空气质量监测信息均是时间间隔为5min的时序数据，考虑到污染程度变化过程以及风机控制周期的需要，故以时间为主键，将空气质量数据与交通运行数据进行融合并转换成以1h为间隔的时序数据，建立包括分车型交通量、行驶速度、污染物浓度、风速等结果的隧道运营环境指标体系。

其中，所述隧道基础数据包括隧道长度、隧道断面、隧道海拔、隧道通风阻力；所述隧道环境监测数据包括CO浓度、NO₂浓度、温度、气压、亮度、风速、风向；所述交通运行监测数据包括交通组成、分车型交通量、行驶速度。

本实施例中，短时间内未来隧道内的污染物排放总量不可知，且变化规律不易直接获取，由于隧道污染物是由车辆排放尾气引起，因此，预测需风量需要通过预测交通量的变化来计算隧道内污染物总量的变化，进一步得出短时间内隧道内需风量。

采用基于LSTM-RNN神经网络模型作为短时交通量预测设计模型，对乘用车、轻型货车和重载车的流量进行预测。LSTM模型原理如图3所示，一个基本的LSTM记忆单元主要包含遗忘门、输入门和输出门，其中，遗忘门通过计算上一个时间步的单元状态和当前时间步的输入，得到每个状态的重要程度，进而控制着保留至此刻单元状态的信息量；输入门控制着此刻输入中保留至此刻单元状态的信息量；输出门根据当前时间步的输入和单元状态，计算出每个状态的重要程度，过滤掉不必要的信息，并将重要的信息输出给下一时间步。

本实施例中，隧道内各污染物排放增量等于不同车型单车污染物综合排放率与分车型预测交通量增量、行驶距离的乘积之和，即根据如下公式确定污染物排放预测增量：

其中，ΔM_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或PM中某种污染物排放预测增量；为分车型单车污染物综合排放率[g/(km·veh)]；ΔN_{veh_type}为T时段分车型车辆增加数量(veh)；L为隧道长度(km)。

对不能提供污染物排放率真实数据的隧道，污染物综合排放率可由下式计算污染物综合排放率：

其中，veh_type表示乘用车、轻型车和重载车等车型；为各车型CO、NO₂或PM等污染物在隧道内的综合排放率[g/(km·veh)]或[m²/(h·veh)]；

为基准年下不同车型在纵坡为i的隧道内以平均车速v行驶时污染物基本排放率[g/(km·veh)]或[m²/(h·veh)]，其中，基准年是在分析和比较数据时使用的特定年份，基准年的选择取决于具体的分析目的和背景；g_non-ex(v)为当计算颗粒物排放率时，需附加的非排放颗粒物排放因子[m²/(h·veh)]；f_h为海拔高度系数；f_t为目标年排放水平总折减率；f_m为重载车总质量对排放水平的影响系数；f_e为不同地区或国家排放技术标准影响系数。

本实施例中，常规的公路隧道通风设计细则只考虑通过每小时的换气满足稀释异味中氮氧化物的影响，在需风量计算中未将NO₂纳入考虑，且通风设计细则中的烟尘与通风环境监控系统所监测的PM2.5有很大的区别，故需风量的计算方法，计算稀释各类污染物的空气体积流率，取最大值作为隧道需风量，即：

其中，V_pollutant为稀释CO，NO₂和PM所需风量的最大值(m³/s)；ΔM_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物排放预测增量；M_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物实测排放量；C_adm为气体污染物容许浓度(g/m³)；C_amb为气体背景浓度(g/m³)，当计算稀释PM需风量时，利用隧道能见度限值K_adm替换C_adm-C_amb。

本实施例中，针对采用多斜竖井送排式和射流风机组合分段纵向通风的特长公路隧道进行分析，其通风系统的设置方式是开凿一定数量的斜、竖向风井，在风道上方安置风机，单个斜、竖井将特长隧道通风系统分为前后两部分，前半段的污染空气由排风井排出，后半段所需空气由送风井送入；因此多个斜、竖井可将特长隧道通风系统划分为多个通风区段，每个通风区段具有完整的送风排风过程，可进行完整的压力平衡计算。

以三竖井分段纵向通风方式为例(如图4所示)，该通风方式沿着隧道行车方向由三个通风竖井划分为四个通风段，即隧道行车入口至1#竖井为第一通风段；1#竖井至2#竖井为第二通风段；2#竖井至3#竖井为第三通风段；3#竖井至隧道行车出口为第四通风段，各个通风段之间是相互联系的。在保障隧道运营安全的前提下，充分利用自然风和交通风等无动力通风方式，应用流体力学的基本理论，构建适应隧道自然通风力、交通通风力和通风阻力动态变化的风机升压力自动调节机制，通风井送排式纵向通风与射流风机组合，隧道内总压力平衡应满足式(4)，隧道各通风段压力平衡应分别满足式(5)-(8)：

Δp_r,1-Δp_t,1+Δp_m,1＝Δp_e,1+Δp_j,1 (5)

Δp_r,2-Δp_t,2+Δp_m,2＝Δp_b,1+Δp_e,2+Δp_j,2 (6)

Δp_r,3-Δp_t,3+Δp_m,3＝Δp_b,2+Δp_e,3+Δp_j,3 (7)

Δp_r,4-Δp_t,4+Δp_m,4＝Δp_b,3+Δp_j,4 (8)

其中，Δp_r,i为第i通风段通风阻力(N/m²)；Δp_t,i为第i通风段交通通风力(N/m²)；Δp_m,i为第i通风段自然通风力(N/m²)；Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力(N/m²)；Δp_b,h为第h个竖井送风口升压力(N/m²)；Δp_e,h为第h个竖井排风口升压力(N/m²)。

对采用多竖井送排式纵向通风的隧道可以视为多个通风段隔离体的组合，则单竖井送排式通风方式的压力模式和设计判定均可适用，通风计算中需假定第一通风段的设计风速v_r,1和排风量Q_e,1进行试算，利用各设计判定条件检验假定风量的合理性。如果送风量大于排风量，则前一通风段的污染空气会大量进入下一段，各段累加势必引起隧道内风速增大；如果送风量小于排风量，则隧道进洞口风量和风速会加大，也会导致前一通风段的污染空气大量进入下一段，因此，各通风段的送风量宜略大于该段需风量。第一段排风量应略小于隧道口进风量，以保证第一个竖井短道内空气不回流；往后各通风段的排风量宜与前一段送入的风量相等，以保证污染空气不至于过多进入隧道下一通风段而引起风速增加。

只要分别计算出各通风段需风量，按照送排风的判断准则，试算确定Q_e,1，便可依次确定其余送排风量。这些风量也应符合判断准则的基本要求。在其他条件一定的情况下，第一通风段的排风量越大，其他通风段送排风量也越大，因此，送排风量必须进行大量综合试算方可确定。

在满足隧道内总压力平衡方程以及隧道各通风段压力平衡方程的条件下，对隧道各通风段进行压力平衡试算：

第一通风段计算：

假定隧道第一通风段风速v_r，1,计算第一通风段设计风量Q_r,1：

Q_r,1＝v_r,1·A_r (9)

其中，v_r,1为隧道第一通风段风速(m/s)；A_r为隧道净空断面积(m²)。

计算第一通风段通风阻力Δp_r,1：

其中，ξ_入口为隧道入口局部阻力系数；ξ_分岔为隧道分岔损失系数；λ_r为隧道沿程阻力系数；L₁为第一通风段长度(m)；D_r为隧道断面当量直径(m)。

计算第一通风段交通通风力Δp_t,1：

其中，A_m为汽车等效阻抗面积(m²)；N为设计小时交通量(veh/h)；v_t为车辆行驶速度(m/s)。

计算第一通风段自然通风力Δp_m,1：

其中，v_n为自然风作用引起的洞内风速(m/s)，可取2.0～3.0m/s。

假定第一通风段排风量(1#竖井排风量)Q_e,1,计算第一通风段排风口(1#竖井排风口)升压力ΔP_e,1：

其中，v_e,1为与Q_e，1相应的排风口风速(m/s)；K_e为排风口的升压动力系数；ρ为通风计算点的空气密度(kg/m³)。

计算流入1#竖井送排风口间短道内风量Q_s，1:

Q_s，1＝Q_r，1-Q_e，1 (14)

计算1#竖井送排风口间短道内风速v_s，1，应满足v_s，1＞0：

计算第一通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,1，应满足Q_sf,1＞0：

其中，Q_req,1为第一通风段需风量(m³/s)。

第二通风段计算：

根据推断关系，计算第二通风段送风量(1#竖井送风量)Q_b,1和第二通风段排风量(2#竖井排风量)Q_e,2：

其中，Q_req,2为第二通风段需风量(m³/s)。

计算第二通风段设计风量和设计风速v_r,2：

Q_r，2＝Q_b,1+Q_sf,1 (19)

计算第二通风段送风口(1#竖井送风口)升压力ΔP_b,1：

其中，v_b，1为与Q_b,1相应的送风口风速(m/s)；β₁为第一通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角(°)。

计算第二通风段通风阻力Δp_r,2：

其中，ξ_合流为隧道合流损失系数；ξ_分岔为隧道分岔损失系数；L₂为第二通风段长度(m)。

计算第二通风段交通通风力Δp_t,2：

计算第二通风段自然通风力Δp_m,2：

计算第二通风段排风口(2#竖井排风口)升压力ΔP_e,2：

其中，v_e,2为与Q_e,2相应的排风口风速(m/s)。

计算流入2#竖井送排风口间短道内风量Q_s，2，计算2#竖井送排风口间短道内风速v_s,2，应满足v_s，2＞0：

Q_s,2＝Q_r,2-Q_e,2 (26)

计算第二通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,2，应满足Q_sf,2＞0：

第三通风段计算：

根据推断关系，计算第三通风段送风量(2#竖井送风量)Q_b,2和第三通风段排风量(3#竖井排风量)Q_e，3：

其中，Q_req,3为第三通风段需风量(m³/s)。

计算第三通风段设计风量Q_r,3和设计风速v_r,3：

Q_r,3＝Q_b,2+Q_sf,2 (31)

计算第三通风段送风口(2#竖井送风口)升压力ΔP_b,2：

其中，v_b,2为与Q_b,2相应的送风口风速(m/s)；β₂为第二通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角(°)。

计算第三通风段通风阻力Δp_r,3：

其中，L₃为第三通风段长度(m³/s)。

计算第三通风段交通通风力Δp_t,3：

计算第三通风段自然通风力Δp_m,3：

计算第三通风段排风口(3#竖井排风口)升压力ΔP_e,3：

其中，v_e,3为与Q_e,3相应的排风口风速(m/s)。

计算流入3#竖井送排风口间短道内风量Q_s，3，计算3#竖井送排风口间短道内风速v_s,3，应满足v_s，3＞0：

Q_s,3＝Q_r,3-Q_e,3 (38)

计算第三通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,3，应满足Q_sf,3＞0：

第四通风段计算：

根据推断关系，计算第四通风段送风量(3#竖井送风量)Q_b,3：

其中，Q_req,4为第四通风段需风量(m³/s)。

计算第四通风段设计风量Q_r,4和设计风速v_r,4：

Q_r,4＝Q_b,3+Q_sf,3 (42)

计算第四通风段送风口(3#竖井送风口)升压力ΔP_b,3：

其中，v_b,3为与Q_b,3相应的送风口风速(m/s)；β₃为第三通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角(°)。

计算第四通风段通风阻力Δp_r,4：

其中，ξ_出口为隧道出口局部阻力系数；L₄为第四通风段长度(m)。

计算第四通风段交通通风力Δp_t,4：

计算第四通风段自然通风力Δp_m,4：

本实施例中，在满足隧道所需风速的条件下，根据上述压力平衡计算方法，第i通风段射流风机台数n_i、第h个竖井排风口轴流风机开启台数n_e,h、送风口轴流风机开启台数n_b,h分别由式(48)-(50)计算得到：

其中，Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力(N/m²)；Δp_j为单台射流风机升压力(N/m²)；Q_e,h为第h个竖井排风口总排风量(m³/s)；Q_se,h为第h个竖井排风口单台轴流风机额定风量(m³/s)；Q_b,h为第h个竖井上送风口总送风量(m³/s)；Q_sb,h为第h个竖井送风口单台轴流风机额定风量(m³/s)。

具体地，为避免风机启停过于频繁，可以计算出总需风量频率直方图和累计频率分布曲线图对需风量进行统计分析，按照五分位数将其余数据划分为5种运营状态级别，将各运营状态级别需风量代入压力平衡模型，再根据上述压力平衡计算方法计算风机开启所需台数，进而得到每个时段的风机开启方案，最后为对系统节能效果和控制精度进行验证，建立包括风机耗电量和启停频度指标的评价体系。

为了更好地理解本发明的公路隧道通风动态调节方法，下面结合具体的公路隧道场景进行说明：

如图5所示，隧道采用三竖井分段纵向通风方式，隧道长度、纵坡、高程等隧道通风设计相关参数取值见表1(隧道设计参数取值表)，通风区段化为三井四区，将隧道全程划分为3390m、4316m、4949m和4825m总共四个区段，坡度分别为3％、0.3％、1.1％和-0.3％。

表1

隧道通风方案示意如图6所示，三座竖井风机房位置不同，但布置形式基本一致，竖井采用两分隔形式，底部对于送风或排风分别设置不同高度的分隔导流板，同时利用联络风道将隧道主洞与竖井风机房进行连通，实现排出污染空气送入新鲜空气的功能。每个竖井安装有两台PLC综合控制柜，送排风机采用6KV供电，软启动器一对一启动，隧道主洞及竖井通风设备具体配置参数见表2(隧道通风设备配置参数表)，其配有70台(35组)射流风机、9台轴流风机(送风)和8台轴流风机(送风)。

表2

短时分车型交通量预测：

为保证数据获取的准确性，隧道交通运行信息可以由高速公路交通量检测系统中的交通量数据自动转换获取。隧道交通量数据按车辆外观轮廓和轴数对车型进行分类，包含小货车、中货车、大货车、特大货车、中小客车以及大客车六个系列，PIARC报告中将车型组成划分为乘用车、轻型车和重载车三类。根据表3(不同车型分类对应关系)，将隧道连续一周交通量各车型(不考虑专项作业车)转换为PIARC分类车型，以1h为统计间隔，对交通量数据取累计值，得到包含监测时间、分车型交通量和分车型车速的隧道交通运行数据集。车型转换后交通量监测时序结果如图7所示，隧道日交通量呈现明显周期特性且变化显著，交通组成中乘用车和重载车的比例分别为53.90％和39.09％，乘用车在交通组成中占绝对比例，轻型车车辆占比仅为7.01％。

表3

在Keras中使用LSTM模型对乘用车、轻型车和重载车三种车型交通量进行预测，采用Adam优化器进行优化求解。首先，将时序数据转换为回归数据并对数据集进行标准化，分为训练集和测试集，以前一周交通量数据作为测试集训练模型；其次，设置步阶为24的时序数据滑窗，即根据前一天交通量数据(24条)预测下一时刻情况，依次类推；最后，将测试集代入已训练好的模型，各车型交通量预测值和实际值对比如图8和图9所示，除了在有些高峰时段交通量连续呈微锯齿状变化时，模型不能较好适应，其余预测结果与实际交通量较为相符。选取均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)和平均绝对百分比误差(MeanAbsolute Percentage Error,MAPE)分别对乘用车、轻型车和重载车车型预测结果进行评价(见表4：LSTM预测模型评价指标)，相比于乘用车和轻型车交通量，重载车交通量因连续齿状出现次数更多导致预测误差更高，但各指标数值均在合理范围内，证明基于LSTM-RNN神经网络模型对交通量的预测具有较高精度。

表4

实时需风量计算：

根据隧道连续一周分车型交通量监测结果，预测交通量变化，计算隧道内各污染物排放增量，再利用排放预测增量以及实测排放量计算稀释各类污染物所需风量，取其较大者作为需风量。各通风段所需风量如图10、图11、图12、图13、图14所示，四个通风段在交通量高峰时段稀释NO₂所需风量最大，在交通量低峰时段稀释PM所需风量最大，表明隧道主要稀释污染物是NO₂和PM。四个通风段稀释污染物需风量从大到小依次排序为第三通风段、第四通风段、第二通风段和第一通风段，根据污染物排放率计算的隧道运营需风量随交通量变化而动态调整，反映了交通运行对隧道通风的动态需求。

压力平衡试算：

根据所得需风量，利用压力平衡模型对各通风段各通风力进行试算，试算所需阻力系数见表5(计算各区段通风阻力和自然通风力对应阻力系数取值表)经试算，选取第一通风段合理风速为5.5m/s，1#竖井排风量为380m³、送风量为185m³，2#竖井排风量为185m³、送风量为286.66m³，3#竖井排风量为286.66m³、送风量为172.67m³，得到隧道洞内风速分布见表6(隧道各通风段内风速分布)。

表5

表6

通风控制方案：

为避免风机启停过于频繁，根据隧道总需风量频率直方图(如图15所示)和累计频率分布曲线图(如图16所示)对需风量进行统计分析，将分布在[1300,1700)区间的2个离群数据单独分为一级，按照五分位数将其余数据划分为5种运营状态级别，将各运营状态级别需风量代入压力平衡模型，计算风机开启所需台数，得到各级运营状态在畅行工况(客车平均车速为80km/h，货车平均车速为70km/h)下的通风控制方案，见表7所示，进而得到每个时段的风机开启方案。图17和图18分别是隧道某日分时段射流风机和轴流风机开启方案，累计启停风机台次为344次。

表7

通风能耗与节能分析：

现实运营中，隧道通风设备开启方案见表8(隧道通风设备开启数量和耗电量)，每天在6:00-9:00、13:30-16:30和19:00-21:00三个时间段内开启全线射流风机，全线3个竖井轴流风机各开启一排一送，风机采用6KV供电，软启动器一对一启动，累计启停风机台次为432次，为对系统节能效果和控制精度进行验证，建立包括风机耗电量和启停频度指标的评价体系。与现行通风控制方案相比，如图19所示，隧道采用运营通风动态调节与节能控制方法可节约能耗9.31％，降低风机启停频度51.82％，且可以获得更好的通风效果。

表8

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：包括：

采集隧道运营监测数据；所述隧道运营监测数据包括隧道基础数据、隧道环境监测数据以及交通运行监测数据；

基于隧道工况数据，构建隧道需风量计算模型；

构建隧道压力平衡模型；

通过隧道需风量计算模型计算得到实时需风量，以实时需风量为目标，根据隧道压力平衡模型，计算风机开启所需台数。

2.根据权利要求1所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：根据如下公式构建隧道需风量计算模型：

其中，V_pollutant为稀释CO、NO₂和PM所需风量的最大值；ΔM_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物排放预测增量；M_pollutant为T时段内隧道CO、NO₂或颗粒物中某种污染物实测排放量；C_adm为气体污染物容许浓度；C_amb为气体背景浓度；max(·)为取最大值函数。

3.根据权利要求2所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：根据如下公式确定污染物排放预测增量ΔM_pollutant：

其中，为分车型单车污染物综合排放率；ΔN_{veh_type}为T时段分车型车辆增加数量；L为隧道长度；veh_type为车辆类型。

4.根据权利要求3所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：根据如下公式确定污染物综合排放率

其中，为基准年下不同车型在纵坡为i的隧道内以平均车速v行驶时污染物基本排放率；g_non-ex(v)为当计算颗粒物排放率时，需附加的非排放颗粒物排放因子；f_h为海拔高度系数；f_t为目标年排放水平总折减率；f_m为HGV总质量对排放水平的影响系数；f_e为不同地区排放技术标准影响系数。

5.根据权利要求1所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：构建隧道压力平衡模型，具体包括：

构建隧道内总压力平衡方程：

构建隧道各通风段压力平衡方程：

其中，Δp_r,i为第i通风段通风阻力；Δp_t,i为第i通风段交通通风力；Δp_m,i为第i通风段自然通风力；Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力；Δp_b,h为第h个竖井送风口升压力；Δp_e,h为第h个竖井排风口升压力。

6.根据权利要求5所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：在满足隧道内总压力平衡方程以及隧道各通风段压力平衡方程的条件下，对隧道各通风段进行压力平衡计算：

沿着隧道行车方向将隧道通风段依次划分为第一通风段、第二通风段、第三通风段、第四通风段；

S31.计算第一通风段设计风量Q_r,1：

Q_r,1＝v_r,1·A_r；

其中，v_r,1为隧道第一通风段风速；A_r为隧道净空断面积；

计算第一通风段通风阻力Δp_r,1：

其中，ξ_入口为隧道入口局部阻力系数；ξ_分岔为隧道分岔损失系数；λ_r为隧道沿程阻力系数；L₁为第一通风段长度；D_r为隧道断面当量直径；

计算第一通风段交通通风力Δp_t,1：

其中，A_m为汽车等效阻抗面积；N为设计小时交通量；v_t为车辆行驶速度；

计算第一通风段自然通风力Δp_m,1：

其中，v_n为自然风作用引起的洞内风速；

计算第一通风段排风口升压力ΔP_e,1：

其中，Q_e,1为第一通风段排风量；v_e,1为与Q_e，1相应的排风口风速；K_e为排风口的升压动力系数；ρ为通风计算点的空气密度；

计算流入第一竖井送排风口间短道内风量Q_s，1：

Q_s，1＝Q_r，1-Q_e，1；

其中，第一竖井为沿着隧道行车方向设置于隧道的第一个竖井；

计算第一竖井送排风口间短道内风速v_s，1，应满足v_s，1＞0：

计算第一通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,1，应满足Q_sf,1＞0：

其中，Q_req,1为第一通风段需风量；

S32.计算第二通风段送风量Q_b,1和第二通风段排风量Q_e,2：

其中，Q_req,2为第二通风段需风量；

计算第二通风段设计风量Q_r，2和设计风速v_r,2：

Q_r，2＝Q_b,1+Q_sf,1；

计算第二通风段送风口升压力ΔP_b,1：

其中，v_b，1为与Q_b,1相应的送风口风速；β₁为第一通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角；

计算第二通风段通风阻力Δp_r,2：

其中，ξ_合流为隧道合流损失系数；ξ_分岔为隧道分岔损失系数；L₂为第二通风段长度；

计算第二通风段交通通风力Δp_t,2：

计算第二通风段自然通风力Δp_m,2：

计算第二通风段排风口升压力ΔP_e,2：

其中，v_e,2为与Q_e,2相应的排风口风速；

计算流入第二竖井送排风口间短道内风量Q_s，2，计算第二竖井送排风口间短道内风速v_s,2，应满足v_s，2＞0：

Q_s,2＝Q_r,2-Q_e,2；

其中，第二竖井为沿着隧道行车方向设置于隧道的第二个竖井；

计算第二通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,2，应满足Q_sf,2＞0：

S33.计算第三通风段送风量Q_b,2和第三通风段排风量Q_e，3；

其中，Q_req,3为第三通风段需风量；

计算第三通风段设计风量Q_r,3和设计风速v_r,3：

Q_r,3＝Q_b,2+Q_sf,2；

计算第三通风段送风口升压力ΔP_b,2：

其中，v_b,2为与Q_b,2相应的送风口风速；β₂为第二通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角；

计算第三通风段通风阻力Δp_r,3：

其中，L₃为第三通风段长度；

计算第三通风段交通通风力Δp_t,3：

计算第三通风段自然通风力Δp_m,3：

其中，v_n为自然风作用引起的洞内风速；

计算第三通风段排风口升压力ΔP_e,3：

其中，v_e,3为与Q_e,3相应的排风口风速；

计算流入第三竖井送排风口间短道内风量Q_s，3，计算第三竖井送排风口间短道内风速v_s,3，应满足v_s，3＞0：

Q_s,3＝Q_r,3-Q_e,3；

其中，第三竖井为沿着隧道行车方向设置于隧道的第三个竖井；

计算第三通风段流入短道内的剩余新鲜风量Q_sf,3，应满足Q_sf,3＞0：

S34.计算第四通风段送风量Q_b,3：

其中，Q_req,4为第四通风段需风量；

计算第四通风段设计风量Q_r,4和设计风速v_r,4：

Q_r,4＝Q_b,3+Q_sf,3；

计算第四通风段送风口升压力ΔP_b,3：

其中，v_b,3为与Q_b,3相应的送风口风速；β₃为第三通风段送风口喷流方向与隧道轴向的夹角；

计算第四通风段通风阻力Δp_r,4：

其中，ξ_出口为隧道出口局部阻力系数；L₄为第四通风段长度；

计算第四通风段交通通风力Δp_t,4：

计算第四通风段自然通风力Δp_m,4：

7.根据权利要求1所述的适应交通运行态势的公路隧道运营通风动态调节方法，其特征在于：根据如下公式确定风机开启所需台数：

其中，n_i为第i通风段射流风机台数；Δp_j,i为第i通风段射流风机群升压力；Δp_j为单台射流风机升压力；n_e,h为第h个竖井排风口轴流风机开启台数；Q_e,h为第h个竖井排风口总排风量；Q_se,h为第h个竖井排风口单台轴流风机额定风量；n_b,h为送风口轴流风机开启台数；Q_b,h为第h个竖井送风口总送风量；Q_sb,h为第h个竖井送风口单台轴流风机额定风量。