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淺析高速公路隧道通風(fēng)照明節(jié)能環(huán)保控制
隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。隧道可分為交通隧道，水工隧道，市政隧道，礦山隧道。下文研究了高速公路隧道通風(fēng)照明的節(jié)能環(huán)�？刂品桨�。
摘要：結(jié)合我國(guó)公路隧道通風(fēng)照明技術(shù)的要求，以先進(jìn)的控制和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，對(duì)公路隧道通風(fēng)照明技術(shù)及動(dòng)態(tài)控制策略進(jìn)行深入研究，建立隧道通風(fēng)照明節(jié)能綜合系統(tǒng)，并提出一些行之有效的節(jié)能環(huán)保措施。
關(guān)鍵詞：公路隧道;通風(fēng);照明;節(jié)能
0 引言
高速公路隧道的交通安全與節(jié)能環(huán)保問題是現(xiàn)今我國(guó)公路隧道運(yùn)營(yíng)管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，如何在確保行車安全的前提下，提高隧道運(yùn)營(yíng)效率、降低能源消耗，成為隧道科研設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位急需解決的問題。公路隧道運(yùn)營(yíng)過程中能耗巨大，其中包括隧道通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。本文充分考慮山西省的實(shí)際情況，談?wù)劰匪淼劳L(fēng)照明節(jié)能環(huán)保綜合控制技術(shù)，并建立隧道通風(fēng)照明系統(tǒng)控制方案。
1 隧道通風(fēng)節(jié)能環(huán)�？刂品桨�
1.1系統(tǒng)概述
隧道內(nèi)汽車排放的廢氣使得行駛時(shí)帶起路面上的煙氣和粉塵不易擴(kuò)散，對(duì)人體非常有害，也影響行車安全，因此隧道內(nèi)保持良好的空氣通風(fēng)是行車安全的必要條件。隧道的通風(fēng)監(jiān)控分三個(gè)層次，上層是中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(本地控制中心)，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層是風(fēng)機(jī)和各種檢測(cè)設(shè)備(風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器、能見度檢測(cè)器、CO濃度檢測(cè)器、亮度檢測(cè)器等)。
圖1 隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)
1.2系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)由監(jiān)控分中心工作站、隧管所管理計(jì)算機(jī)、隧道本地控制器、通風(fēng)控制柜、隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)器、CO /VI檢測(cè)器、連接電纜、電源電纜等組成。CO /VI檢測(cè)器設(shè)在隧道內(nèi)，由本地控制器 采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)將 檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并通過隧道本地控制器和風(fēng)機(jī)電子軟啟動(dòng)器控制風(fēng)機(jī)的啟停。
通風(fēng)控制子系統(tǒng)采用在隧道變電站集中控制的方式，現(xiàn)場(chǎng)所有隧道內(nèi)設(shè)置的風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)器通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連在一起，然后接入到隧管所及值班室的本地控制器(PLC 設(shè)備)，對(duì)風(fēng)機(jī)的控制是通過變電站的 PLC完成的。監(jiān)控系統(tǒng)在隧管所及值班室設(shè)有監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、本地控制器，在隧道內(nèi)布設(shè)本地控制器設(shè)備，并與風(fēng)機(jī)相應(yīng)控制設(shè)備相連，以保證對(duì)風(fēng)機(jī)的遙控。
監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)是將一個(gè)斷面上的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行控制，由通風(fēng)系統(tǒng)返回每組風(fēng)機(jī)的狀態(tài)信號(hào)，即風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、故障等信號(hào)，輸入輸出之間應(yīng)該有相應(yīng)的電磁隔離措施。
1.3智能拓展
長(zhǎng)大隧道的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)，考慮到其大滯后、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，需要尋找優(yōu)化的控制方案，以最小的控制動(dòng)作高效的完成控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。智能控制以具有高度非線性和不確定性的系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要用來解決傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。對(duì)于中長(zhǎng)隧道的通風(fēng)控制，一方面可以從改善控制對(duì)象的建模方法入手，采用具有優(yōu)秀自學(xué)習(xí)能力的模型辨識(shí)方法，以提高控制器輸出的有效性。另一方面可以采用新型的控制結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的優(yōu)化控制算法來提高控制品質(zhì)。
隧道的通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、多變量、非線性系統(tǒng)，建立精確、合適的動(dòng)態(tài)模型是對(duì)其進(jìn)行性能分析、控制及優(yōu)化研究的重要前提和基礎(chǔ)。近年來，許多新型的建模方法和建模工具被提出，基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)路建模方法就是其中之一。隧道監(jiān)控系統(tǒng)中存儲(chǔ)著大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)最真實(shí)的信息，可以利用這些數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。建模過程如圖所示：
圖2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模過程
2 隧道通風(fēng)節(jié)能環(huán)保措施
2.1在進(jìn)行通風(fēng)方案設(shè)計(jì)中，考慮采用靜電除塵器，濾煙除塵，以取消或減少豎(斜)井，降低土建、設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。靜電除塵器在日本、挪威等公路隧道中已有成熟應(yīng)用。保持隧道內(nèi)環(huán)境指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。隧道內(nèi) CO 正常運(yùn)營(yíng)時(shí)允許濃度：CO濃度<250ppm，交通阻滯(隧道內(nèi)各車道均以怠速行駛，平均車速為 10Km/h)時(shí)可為 300ppm，經(jīng)歷時(shí)間不超過 20min;隧道內(nèi)煙霧允許濃度為 7.0×10-3(m-1) ;隧道內(nèi)風(fēng)速正常運(yùn)營(yíng)時(shí)推薦為 10m/s。
2.2隧道風(fēng)機(jī)應(yīng)具有運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)功能;因風(fēng)機(jī)起動(dòng)瞬間沖擊電流很大，故各臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)應(yīng)有短暫的延時(shí)，以減少對(duì)變電站供電的沖擊。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后不能馬上停止，需要運(yùn)行穩(wěn)定后再停止。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中如果需要反轉(zhuǎn)必須先停止后再啟動(dòng)反轉(zhuǎn);風(fēng)機(jī)的啟閉次數(shù)不應(yīng)過頻，防止風(fēng)機(jī)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。
2.3在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和停止一個(gè)當(dāng)前工作的風(fēng)機(jī)之前，下列因素需要考慮：①為了在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)防止浪涌功率，控制算法中引入滯后函數(shù);②不能同時(shí)啟動(dòng)/停止超過兩個(gè)以上的風(fēng)機(jī);③風(fēng)機(jī)啟動(dòng)命令發(fā)出之后，風(fēng)機(jī)的反饋狀態(tài)也將被加以檢查.當(dāng)風(fēng)機(jī)的反饋狀態(tài)被確認(rèn)，風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)完成。如果風(fēng)機(jī)的反饋狀態(tài)不能被確認(rèn)，認(rèn)為風(fēng)機(jī)控制命令失敗。風(fēng)機(jī)命令失敗警告功能也將在控制器工作站開始，并且被登錄到警報(bào)打印機(jī)。
3 隧道照明節(jié)能環(huán)�？刂品桨�
3.1系統(tǒng)構(gòu)成
隧道照明控制系統(tǒng)由監(jiān)控分中心控制工作站、隧道管理所及值班室控制工作站、隧道管理所及值班室本地控制器、箱式變電站內(nèi)本地控制器、光強(qiáng)檢測(cè)器、照明控制柜、隧道內(nèi)燈具、連接電纜等組成。監(jiān)控分中心計(jì)算機(jī)、隧道本地控制器都可進(jìn)行照明控制，在隧道至隧道管理所及值班室的通信出現(xiàn)故障時(shí)，可直接在本地控制器上操作，以保證隧道正常運(yùn)營(yíng)。
照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)將在隧道變電站設(shè)照明控制柜等設(shè)備，能完成本地的人工控制，并且預(yù)留監(jiān)控裝置遙控、遙信的條件，提供控制通信接口，監(jiān)控系統(tǒng)在隧道管理所及值班室設(shè)有工作站、本地控制器等設(shè)備。
照明系統(tǒng)應(yīng)具有洞內(nèi)燈泡亮度不足的報(bào)警功能，即能夠通過洞內(nèi)光強(qiáng)儀采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較后提示維護(hù)部門更換燈具。對(duì)于中長(zhǎng)隧道可設(shè)置光強(qiáng)檢測(cè)器，分別安裝在左右線隧道進(jìn)口外的門架上，檢測(cè)器鏡頭朝向洞口安裝，模擬司乘人員的視角，檢測(cè)洞口外亮度值，光強(qiáng)檢測(cè)器的輸出通過 PLC 的模擬量輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過以太網(wǎng)(EtherNetIP)連接及軟件的IOServer與計(jì)算機(jī)通訊，采集工作狀態(tài)，并上傳到中心控制系統(tǒng)，由中心控制系統(tǒng)根據(jù)光強(qiáng)控制參數(shù)進(jìn)行隧道照明控制，達(dá)到對(duì)隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)視。
通常，車行橫洞內(nèi)的照明燈處于熄滅狀態(tài)，以便節(jié)約能源。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或者檢修隧道時(shí)，可由隧道管理站遠(yuǎn)程控制開啟或者本地手動(dòng)開啟。其與車行橫洞卷簾門處于互聯(lián)狀態(tài)，狀態(tài)信息和控制命令經(jīng)本地控制器傳至隧道管理站。
3.2控制算法
隧道照明最根本目的是滿足司機(jī)視覺要求。隧道照明節(jié)能控制主要包含兩方面：最優(yōu)化計(jì)算照明需求;實(shí)時(shí)精確的輸出照明控制。影響照明控制的輸入因素復(fù)雜，主要有：交通量、洞外亮度、時(shí)間因素、外部事件等。交通量越大，照明需求越大;洞外亮度越大，造成洞內(nèi)洞外亮度比越大，照明需求越大。外部事件主要包含交通事故、隧道維護(hù)、人工外部指令等。
照明節(jié)能控制算法具有靈活健壯的結(jié)構(gòu)，不同的應(yīng)用情況調(diào)用不同的算法構(gòu)件，每個(gè)算法構(gòu)件都有自己獨(dú)立響應(yīng)及觸發(fā)條件。
表1 照明控制算法結(jié)構(gòu)表
序號(hào) 構(gòu)件 功能及響應(yīng)條件 優(yōu)先級(jí) 備注
1 手動(dòng)控制 手動(dòng)功能 3 最高
2 事件響應(yīng) 事故等緊急照明預(yù)案輸出 2
3 自動(dòng)控制 依據(jù)洞外照度及交通量等 1
4 時(shí)序控制 傳感器信號(hào)故障 0
一般地，手動(dòng)控制方式主要用于公路等級(jí)低、隧道長(zhǎng)度短的隧道，由人工開關(guān)不同的照明回路。時(shí)序控制方式采用時(shí)序控制器控制隧道照明的各個(gè)回路，多見于照明回路較少的短隧道。自動(dòng)控制方式是利用光照度計(jì)分別采集隧道內(nèi)外的亮度參數(shù)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或照明控制器自動(dòng)控制各個(gè)照明回路的開關(guān)。
4 隧道照明安全節(jié)能措施
目前大多數(shù)隧道均考慮了照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，多采用傳統(tǒng)照明方式，偏于保守。迫于運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本過高，不少隧道僅開啟其中的1/2到1/4左右的燈具，造成隧道內(nèi)光線較暗、亮暗交錯(cuò)不均勻，使行車者的視覺極不舒服。另外，一些隧道通過改變布燈方式、實(shí)行集中調(diào)光控制等方法，雖有一定的節(jié)能效果，但在實(shí)際運(yùn)行中還是存在著電能的浪費(fèi)、新技術(shù)應(yīng)用率較低等問題。主要表現(xiàn)在照明燈具能耗高、控制方式智能化水平低、忽視照明顯色性與照度之間的關(guān)系、未定量考慮隧道照明的全壽命周期成本[1]等方面。
4.1隧道照明光源的選擇
照明光源一般分為白熾燈、氣體放電燈和其他電光源三大類。目前較為環(huán)保的照明光源主要有高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、高壓汞燈、電磁感應(yīng)燈和LED燈等。LED燈作為一種新型的半導(dǎo)體光源，是公認(rèn)的當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能環(huán)保技術(shù)，具有響應(yīng)快速、高光效、高顯色性、結(jié)構(gòu)牢固、不怕震動(dòng)、工作電壓低、電流小、方向性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。尤其是其使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)十萬小時(shí)，傳統(tǒng)的光源在這方面無法與之相比，因此，在一些維護(hù)和換燈困難的場(chǎng)合，使用LED作為光源，可大大降低人工費(fèi)用。
4.2新能源供電方式的使用
若隧道無常規(guī)供配電電網(wǎng)系統(tǒng)，特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)的短隧道，可采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行供電，這樣也可大大節(jié)約常規(guī)供配電電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作隧道交通安全誘導(dǎo)系統(tǒng)的供電來源，其輸電投資成本主要包括太陽能電池組、儲(chǔ)能裝置(蓄電池組)、直流—交流逆變器、控制裝置、連接裝置和輸電隧道誘導(dǎo)設(shè)施等的購(gòu)置與安裝費(fèi)用。風(fēng)力發(fā)電作為一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)發(fā)展的新能源生產(chǎn)方式，應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)其合理利用也可給隧道供電。若將兩者結(jié)合起來，使隧道的照明采用太陽能和風(fēng)能發(fā)電互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不僅節(jié)省電能，還可相對(duì)提高照明燈的使用壽命。
5 結(jié)束語
安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能是當(dāng)前公路建設(shè)追求的目標(biāo)，在公路隧道運(yùn)營(yíng)管理中尤顯突出。近年來，在計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)的推動(dòng)下，各種新穎智能優(yōu)化策略被相繼提出，為解決復(fù)雜問題提供了新的思路和手段。將先進(jìn)的智能控制方法與快速、穩(wěn)定且有效的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為智能控制系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙忠杰.公路隧道機(jī)電工程[M].北京:人民交通出版社,2007
[2]劉木清,周小麗.照明自動(dòng)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008
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