淺談高速公路隧道通風(fēng)照明節(jié)能環(huán)保控制方案

王少山

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

高速公路隧道的交通安全與節(jié)能環(huán)保問題是目前我國公路隧道運(yùn)管方面的重要內(nèi)容。怎樣在確保安全行車的前提下，提高隧道運(yùn)營(yíng)效率、節(jié)能減耗，成為科研設(shè)計(jì)院所和建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位亟待解決的問題。高速公路隧道運(yùn)營(yíng)中能耗非常大，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多山多溝、地形復(fù)雜的省情，談?wù)劰匪淼乐型L(fēng)照明節(jié)能環(huán)保綜合控制技術(shù)，并做建立隧道通風(fēng)照明系統(tǒng)控制方案的嘗試。

1 隧道通風(fēng)節(jié)能環(huán)保控制方案

1.1 系統(tǒng)綜述

保持隧道中空氣良好是駕駛員安全行車的必要條件。隧道內(nèi)的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)總體上可分以下幾層：第一層是計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；第二層是PLC控制應(yīng)用系統(tǒng)；第三層是風(fēng)機(jī)和諸多檢測(cè)設(shè)備（如：CO/VI檢測(cè)儀、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、亮度檢測(cè)儀、車檢器等）。

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)包括：區(qū)域中心工作站、隧管所監(jiān)管計(jì)算機(jī)、隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC、CO/VI檢測(cè)儀、開關(guān)設(shè)備、隧道現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)器、相關(guān)電纜等。隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC接收到CO/VI檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)，再上傳至隧管所，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，然后反饋至隧道現(xiàn)場(chǎng)本地控制器和電子軟啟動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。通風(fēng)控制子系統(tǒng)選用變電站集中控制模式。隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧管所設(shè)有監(jiān)管計(jì)算機(jī)，在隧道里設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)PLC，二者實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)將風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)器連接起來接入到隧管所。

1.3 智能拓展

對(duì)于長(zhǎng)大隧道的通風(fēng)控制系統(tǒng)，需著眼于其滯后性和非線性等顯著因素來研究?jī)?yōu)化的控制措施，用最簡(jiǎn)單操作高效地完成系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。人工智能系統(tǒng)主要考慮解決傳統(tǒng)控制方法不易處理的復(fù)雜系統(tǒng)控制難題。中長(zhǎng)隧道的通風(fēng)控制，既可以先進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，改良系統(tǒng)控制的對(duì)象，并選擇自學(xué)能力強(qiáng)的模型辨識(shí)法[1]，從而提高輸出指令的有效性；也可以通過創(chuàng)新控制結(jié)構(gòu)并選用優(yōu)化的算法來提高控制效率。隨著科技的不斷進(jìn)步，智能領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量新型建模方法，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型便是其中的杰出代表。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)表征著系統(tǒng)最真實(shí)的面貌，故而可利用這些數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。

2 隧道通風(fēng)節(jié)能環(huán)保措施

通風(fēng)方案中建議采用靜電除塵器，可濾煙除塵，進(jìn)而減少豎井或斜井的數(shù)量，降低設(shè)備和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。靜電除塵器在挪威、日本等國家的公路隧道中已有成熟應(yīng)用，可有效將隧道中環(huán)境指標(biāo)保持在所要求范圍內(nèi)。例如，隧道里CO濃度，正常營(yíng)運(yùn)時(shí)的允許值不高于250×10-6，交通阻滯（隧道里每個(gè)車道都以怠速前進(jìn)，平均速度是 10 km/h）時(shí)不高于300×10-6；隧道里煙霧允許濃度 7.0×10-3m-1。

3 隧道照明節(jié)能環(huán)保控制方案

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、隧管所及值班室控制工作站、變電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)儀、照明控制柜、隧道里照明燈具、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，在隧道至隧管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)。

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)口外的規(guī)定位置，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，由PLC的模擬量輸入端采集光強(qiáng)檢測(cè)器的輸出，通過工業(yè)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)參數(shù)進(jìn)行隧道照明控制，達(dá)到對(duì)隧道的高效照明。

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 算法描述

隧道照明系統(tǒng)最根本的目的是滿足駕乘人員的視覺需求。由此在隧道照明節(jié)能控制方面主要考察兩個(gè)問題：分析找出照明需求參數(shù)的最優(yōu)解；依照合理時(shí)序精確輸出照明控制指令。隧道照明控制函數(shù)分析過程涉及到的數(shù)值參數(shù)主要有：洞外洞內(nèi)光照亮度比值、隧道實(shí)時(shí)交通量值、突發(fā)狀況等。洞外洞內(nèi)光照亮度比值越大，對(duì)照明質(zhì)量要求越高；隧道實(shí)時(shí)交通量值越大，照明需求越大。突發(fā)狀況則是包含有交通事故、不定期設(shè)施維護(hù)、隧道火災(zāi)等。算法具有靈活健壯的結(jié)構(gòu)，工況不同，選擇的算法選項(xiàng)也不同，進(jìn)而由觸發(fā)條件調(diào)用對(duì)應(yīng)的輸出方式，優(yōu)化地完成照明控制任務(wù)。

人工操作方式通常應(yīng)用于中短隧道，各個(gè)照明回路的切換調(diào)控由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)具體環(huán)境來完成。照明控制系統(tǒng)常態(tài)工作采用自動(dòng)模式，這個(gè)過程利用了光照度計(jì)采集到隧道內(nèi)外的光強(qiáng)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生控制指令，由隧道變電所相應(yīng)低壓柜中照明控制器實(shí)現(xiàn)各個(gè)照明回路的自動(dòng)開關(guān)控制。

表1 算法結(jié)構(gòu)表

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)，多采用偏于保守的傳統(tǒng)照明方式。鑒于運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本過高，不少隧道僅開啟其中的大約1/2～1/4的燈具，使得隧道內(nèi)光線偏暗、亮暗交錯(cuò)不勻，駕駛員短時(shí)間難以適應(yīng)。另外，一些隧道采用集中調(diào)光控制、改變布燈方式等方法，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)用程度偏低等問題，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[2]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)10萬h，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

若隧道附近沒有常規(guī)的電網(wǎng)系統(tǒng)，尤其偏遠(yuǎn)地區(qū)短隧道，可考慮選擇太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，這樣不僅大大降低了常規(guī)電網(wǎng)的建設(shè)投入，而且很環(huán)保。隧道交通安全誘導(dǎo)系統(tǒng)也可以采用太陽能供電，供電系統(tǒng)除了包含太陽能電池組外，還有直/交流逆變器、蓄電池組、控制和連接裝置、隧道誘導(dǎo)設(shè)施等。風(fēng)力發(fā)電作為一種環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的新能源生產(chǎn)方式，應(yīng)用前景亦十分廣闊，可合理利用風(fēng)電給隧道供電。需要指出的是，若將光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電結(jié)合起來，使隧道的照明采用太陽能和風(fēng)能互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不僅節(jié)省電能，而且該系統(tǒng)一旦建成其運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較低。

5 結(jié)束語

山西省高速公路隧道數(shù)量較多，其中不乏長(zhǎng)大隧道，若洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，則隧道監(jiān)控系統(tǒng)必須馬上觸發(fā)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)程序，根據(jù)需要開啟若干主洞風(fēng)機(jī)，控制住煙氣的流動(dòng)方向，選擇靠近火災(zāi)點(diǎn)的洞口進(jìn)行排煙。隧道供配電系統(tǒng)也是隧道照明優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要方面，本文限于篇幅難以贅述。另外，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，大量智能優(yōu)化策略相繼涌現(xiàn)，這就為解決隧道通風(fēng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題提供了新的思路。安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能是公路隧道建設(shè)一貫追求的目標(biāo)，各級(jí)政府應(yīng)加大政策扶持和資金投入。