公路隧道通風優化設計與控制

劉昌敏

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經濟的不斷發展，高速公路的發展取得了舉世矚目的成就。在眾多高速公路的建設過程中，尤其是在山嶺地區及丘陵地帶，為了達到克服地形與高程障礙、縮短里程、提高時速、減少時間和改善線形等目的，常采用隧道方案來解決問題。高速公路上的隧道與其他路段不同，其是一個相對封閉的路段，故行駛過程中會產生各種廢氣（CO、CO2、NO等），尤其是長大隧道，僅靠自然通風和交通風難以置換隧道中的廢氣，故需要對隧道通風進行設計[1]，使得隧道內氣體排放濃度控制在允許限度以內；若設計不當，隧道內廢氣濃度達到一定程度會對司機和工作人員生命造成嚴重威脅。目前隧道通風運營問題一直是設計的關鍵問題，傳統的隧道通風采取簡單的分級式控制[2]，一般設計出的風機數較為保守，造成能源浪費，成本提高；筆者從CO濃度和煙塵濃度排放量和稀釋量計算角度出發來控制所需風機數，更較為準確地確定風機數量，同時以CO濃度和煙塵濃度作為模糊輸入變量對隧道通風控制系統[3]進行研究，從而達到低碳和節約成本的目的，為改善隧道通風效果和加強通風系統控制提供依據。

1 隧道通風方式

隧道通風系統是保證隧道安全行駛、防止交通事故產生的關鍵系統，而通風方式是重中之重。根據公路隧道長度、交通流量和車速劃分，可將高速公路隧道的通風方式分為以下4種：

a）自然通風 自然通風是利用自然風和汽車在隧道行駛時產生的活塞效應進行空氣對流達到通風目的，常用于短隧道中。

b）縱向式通風 縱向式通風包括射流風機縱向式通風和豎井送、排風式縱向式通風兩種。前者是利用射流風機在前方采用高速氣流推動空氣流動，則在風機后方形成負壓區從帶動空氣流動，從而形成隧道內空氣定向流動排出污染物，具有造價低的優點；后者中排風式是利用風機將外空氣經隧道兩端進入隧道并在中央匯入豎井，而廢氣經豎井風機排出隧道，送風式是將外空氣直接經豎井進入隧道，污染空氣從隧道兩端洞口排出。

c）半橫向式通風 半橫向式通風風機設置集中，方便運營管理和維修，包括送風半橫向式和排風半橫向式的風機，主要是設置送風道和排風道。前者是利用風機、風井將外空氣送入風道，再經送風孔進入行車道后與廢氣混合排出；后者直接利用風機將污染廢氣由排風道排出。

d）橫向式通風 橫向式通風是利用送風道將外空氣送入隧道后橫穿隧道斷面與廢氣混合后由排風道排出，其將隧道斷面自然分為3部分，即送風道、排風道和行車道。

2 隧道通風設計

由于縱向式通風工程造價低，在隧道中使用較多，尤其是射流風機縱向式通風的方式，依據CO濃度和煙塵濃度需風量和稀釋量進行風機數設計，以便達到節省成本，低碳節能的效果。

2.1 判斷是否采用機械通風

一般雙向隧道是否采用機械通風方式的具體界限值為：

當L·N≥600時采用機械通風，

當L·N＜600時采用自然通風。

式中：L為隧道長度，km；N為高峰時通過隧道的車輛小時交通量，輛/h。

2.2 風機工作原理

采用射流風機縱向式通風時，在隧道內風流穩定情況下，射流風機增加的風壓與隧道內的自然風、交通風和隧道阻力相平衡，具體數學表達式見式（1）：

式中：ΔP為射流風機的通風壓力；ΔPr為隧道阻力；ΔPn為隧道的自然風力；ΔPt為交通風力。

要最終確定射流風機的臺數，必須要將壓力參數量化，量化的具體公式如式（2）～式（4）：

式中：ρ為隧道內空氣密度，kg/m3；Vr為車道內風速，m/s；ξe為隧道入口局部阻力系數；λr為隧道摩擦阻力系數；L為隧道長度，m；Dr為車道斷面當量直徑，m。

式中：Ar為隧道內行車空間斷面積，m2；Vt為行車速度，m/s；n為隧道中汽車臺數；Ae為汽車等價阻力面積，m2，其計算公式為：Ae=Ac×ξc，Ac為汽車當量阻力面積，m2；ξc為汽車在隧道內阻力系數。

式中：Vn為隧道內自然風速，m/s。

2.3 隧道內需風量計算

隧道內通風量計算是確定所需風機臺數的重要前提和依據。通風計算即隧道內稀釋有害物質所需新鮮空氣的計算。

a）CO排放量計算：

式中：Qco為隧道全長CO排放量，m3/s；qco為CO基準排放量，m3/（輛·km），可取0.01 m3/（輛·km）；fa為考慮CO的車況系數；fd車密度系數；fh考慮CO的海拔高度系數；fm為考慮CO的車型系數；fiv為考慮CO的縱坡—車速系數；n為車型類別數；Nm為相應車型的設計交通量，輛/h。

b）稀釋CO的需風量：

式中：Qreq(CO)為隧道全長稀釋CO的需風量，m3/s；P0為標準大氣壓，取101.325 kN/m2；P為隧道設計氣壓，kN/m2；T0為標準氣溫，取273 K；T為隧道夏季的設計氣溫，K。

c）煙塵排放量計算：

式中：QVI為煙塵排放量，隧道全長m3/s；q(VI）為煙塵基準排放量，m2/（輛·km），可取2.5m2/（輛·km）；fa(VI)為考慮煙塵車況系數；fh(VI)考慮煙塵的海拔高度系數；fm(VI)為考慮煙塵的車型系數；fiv(VI)為考慮煙塵的縱坡—車速系數；nD為車型類別數。

d）稀釋煙塵的需風量：

式中：Qreq(VI)為隧道全長稀釋煙塵的需風量，m3/s；K為煙塵設計濃度。

2.4 計算需要風機臺數及布置方式

a）每處風機產生的壓力計算：

式中：Vj為射流風機吹出風速，m/s；φ為斷面積比Aj/Ar；Aj為射流風機封口面積，m2；ψ 為流速比 Vr/Vj；i為每一處設置風機的臺數。

b）設置風機的處數：

c）風機總臺數：

2.5 射流風機布置方式

由于射流風機縱向式通風方式為洞外空氣從入口進入并從出口排出，風機產生誘導風，保持著隧道進口流入隧道的風量和風速是不變的，而隧道內有害物質濃度是不斷增大的，到出口達到最大值，故射流風機沿隧道縱向可根據濃度變化布置。

3 基于模糊控制理論的隧道通風控制

集散通風控制是我國目前在隧道通風控制方面較常采用的方式。其基本控制原理為CO和VI（煙塵）檢測器將檢測信號傳至通風控制器，進而傳至交通監控計算機，交通監控計算機依據檢測數值來判定需要開啟風機的臺數，最終由通風控制器執行開啟命令并開啟相應風機。采用控制CO和煙塵濃度的方法可以提高控制器對隧道內污染氣體的敏感性，進而達到低碳節能控制，

模糊控制[4]本質上是基于語言規則的仿人智能控制，筆者提出將模糊控制理論應用于隧道通風控制系統中，為產生通風控制程序設計模糊控制規則表提供思路。

3.1 隧道通風控制模糊輸入、輸出變量確定

這里采用風機個數作為模糊控制器的輸出變量，CO濃度和煙塵濃度作為模糊控制系統輸入變量，并假設風機要求20臺，且規定CO和煙塵允許濃度為下列值：

a）CO允許濃度 正常行車時，最大允許濃度δ=150 ppm；交通堵塞時，為δ=250 ppm（15 min以內）。

b）煙塵允許濃度 正常行車時，K=0.007 5 m-1；阻塞情況下，K=0.009 0 m-1。

3.2 變量的模糊化

a）論域變換 論域變化目的是將輸入變量的真實論域變化為模糊控制器內部用到的論域，其變化即令真實論域乘以比例因子即可。若內部論域是離散的，需將連續的論域離散化，表示為0，±整｛｝數，常用離散論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

確定CO和煙塵濃度變化范圍：當CO濃度大于150 ppm時開啟風機；當濃度大于250 ppm超過15 min時關閉隧道。以150為中心值，250為最大值，為滿足對稱，取最小值為50，則真實論域[50，250]，離散論域取為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，則比例因子R1=[6-（-6）]/（250-50）=0.06，故最終內部論域為：m1=R1×[k1-(250+50)/2]，其中 m1為內部論域值，k1為真實論域中某一精確值；同理可得煙塵濃度對應內部論域為：取0.007 5作為煙塵濃度中心值，0.009 0作為最大值，為滿足對稱性，取最小值為0.006，即煙塵濃度的真實論域為[0.006，0.009]，仍取離散論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，則比例因子 R2=[6-（-6）]/（0.009-0.006）=4 000，內 部 論 域 為 ：m2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2為內部論域值，k2為真實論域中某一精確值，R2為比例因子。

b）模糊化 變量模糊化即選取變量語言值分檔，語言分檔越多，則描述越準確，控制效果越好。CO和煙塵濃度模糊語言選取均可表示為 {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。

c）模糊語言變量值隸屬函數的表示方法。隸屬函數的形狀在到達控制要求方面相差很小，僅幅寬對性能影響較大，故常采用三角形、梯形作為模糊子集的隸屬函數，其在輸入變化值后具有更大的靈敏性，在存在偏差時很快會產生一個相應的調整量輸出。其表示方法有圖形表示法、表格表示法及公式表示法。

3.3 模糊控制系統的控制規則

控制系統規則是通過經驗總結后用自然語言形容描述規則并利用模糊數學的工具處理，將形成模糊關系貯存起來構成規則庫。規則庫中所有的規則都是并列關系，其表示形式為：“If…then…”。If后面的為條件句，then后為結果句，每一條模糊條件語句只代表了一種控制策略。

3.4 模糊推理

模糊推理主要目的是根據每一條模糊條件語句的描述形成輸入與輸出之間的模糊關系，最終由每一條具體的模糊關系構成總的模糊關系，記為矩陣R。利用MATLAB軟件[5]計算出模糊關系R后，即可得到語言變量fengji的模糊子集fengjiij：

fengjiij=(COi×VIj)·R， （12）式中：COi和VIj分別為CO和煙塵濃度的元素。

3.5 模糊判決

模糊判決包括解模糊和論域反變換兩個過程。前者即利用最大隸屬度法、面積法、加權平均法或重力法在決策值模糊集合中找到確切清晰的量作為最終結果；后者即將解模糊后得到確切值對應的內部論域再次變換到真實論域上，方便實施直接控制操作。

4 結語

通過介紹通風系統，重點闡述了以CO濃度和煙塵濃度需風量和稀釋量控制所需風機數量，達到低碳且節約成本的目的。同時提出了以CO濃度和煙塵濃度作為模糊輸入變量，進而對隧道通風控制系統進行模糊控制的研究，為進一步制定通風控制程序設計模糊控制提供思路，并為改善隧道通風效果和加強通風控制提供依據。在針對具體隧道工程通風設計及通風控制時要結合各自的特點進行設計，以便達到效率的最優化和效益的最大化。