基于大數據的隧道通風智能控制系統

王堅 劉曉娜 孟引鵬

摘要：隧道具有改善路線狀況、減少運行里程、節省土地資源等優勢條件，是山區路線工程的重要組成部分，對于我國交通事業的發展而言具有至關重要的作用。由于隧道呈現的是一種管狀半封閉結構，其本身也存在諸多劣勢條件，比如：空間受限嚴重、內部視線較差、空氣不易流動、污染物排出困難等等，致使隧道中有害氣體的濃度逐漸增加，車輛的持續通行，尾氣的不斷排放都會是造成隧道內空氣質量低的主要原因，且以長隧道尤為明顯。針對上述問題，本文結合大數據處理技術，設計了一種基于大數據的隧道通風智能控制系統，根據采集到的隧道內風速、風向、CO、VI的數據信息對隧道風機的開啟、停止等工作狀態進行控制，保證隧道通風系統各硬件設備協同工作。由本文提出的隧道風機自動控制系統解決了隧道通風設備滯后隧道環境變化工作機制，能夠在節省人力資源的同時，實時、靈活地處理隧道中各種突發情況，從而改善隧道空氣質量，提高隧道通行服務質量。

關鍵詞：大數據；智能控制；風機系統

近年來，隨著我國交通運輸行業的不斷發展，隧道監控系統對隧道安全運行的作用越來越凸顯。監控系統主要包括計算機控制系統、通風系統、照明系統、火災報警及緊急電話系統、交通控制系統、可變情報板系統等部分，而隧道通風控制系統是隧道監控系統的重點和難點，它直接決定隧道行車安全性和舒適性，起到稀釋有害氣體和污染物濃度的作用。而目前的隧道通風系統，在CO濃度比較高和煙霧透過率較低的通風口和隧道口附近，設置COVI檢測器來測定數據，但需要操作人員人工控制。為改善環境，隧道通風控制設備通常需要全功率的工作，不僅造成能源消耗過大，還降低了大型通風設備的使用壽命。所以，如何實現對隧道中的通風系統自適應啟停，是我國相關單位及其負責人們在當前所需要重點思考的問題。由此可見，筆者通過本文積極地探討并合理地提出基于大數據的隧道通風智能控制系統，具有頗為重要的現實意義。

1 隧道通風智能控制系統結構概述

1.1 環境數據采集模塊

環境數據采集模塊是隧道通風系統之中的基礎組成部分，該系統主要是對隧道內的有害氣體、能見度、風速風向等因素進行采集及監測，可以使系統及時掌控隧道內的綜合環境狀況，當發現隧道內有害氣體過量時自動進行啟動風機系統。

本方案提供的隧道環境通風控制系統，其環境數據采集模塊如下：

環境數據采集模塊包括：隧道CO傳感器，其作用為檢測隧道內CO濃度；VI傳感器，其作用為檢測隧道內VI濃度；風向傳感器，其作用為檢測隧道風向的方向；風速傳感器，其作用為檢測隧道風速；車流量傳感器，其作用為檢測隧道車流量。采集的數據信息會進行實時動態地反映，隧道環境采集傳感器最終會將采集到的數據發送給嵌入式程序，這樣便可以根據檢測結果的變化調整隧道之內的通風工作。

1.2 嵌入式程序單元

本文提供的隧道通風智能控制系統中，嵌入式程序主要對環境采集數據進行分析，并輸出給云端服務系統，即將采集到隧道的CO、VI、風速、風向、車流量數據、設備運行的監測數據、管理數據等進行處理，然后推送到云端服務系統。

1.3 云端服務系統

基于大數據的特點及系統需求，本隧道智能通風控制系統的數據分析、處理平臺選擇搭建在大數據云平臺上。

大數據云平臺的總體技術框架包括數據層、邏輯層、業務層。

數據層：作為數據進入云端服務系統的入口，針對不同類型的數據開發相應的數據接入接口，進行數據的轉換、分析、優化、儲存等，數據來源為嵌入式控制單元的數據輸出。

邏輯層：主要包括基于大數據平臺提供的hadoop服務建立、通風設備動作命令生成、歷史報表邏輯處理、spark環境數據實時處理。

業務層：依據不同的應用類型，提供相應的服務，本系統主要包括環境數據的歷史報表、通風設備動作命令、故障短信、維護記錄等服務。

云端服務系統會通過嵌入式控制單元推送來的CO、VI、風速、風向、車流量數據，利用大數據智能處理平臺進行數據處理并實現狀態分析，采用歷史數據對比分析和等差等位算法計算獲得隧道內射流風機開啟方向和軸流風機開啟頻率及開啟方式。

1.4 可編程控制器

可編程控制器是操作控制元件的控制核心，它本身存儲著可使操作控制元件執行一系列動作的程序，當云端服務系統發送給可編程控制器一個使能信號后，可編程控制器激活其本身自有的程序來控制操作控制元件工作（如控制送風機開啟，向隧道輸送新鮮空氣），使操作控制元件執行相應的動作來改善隧道空氣狀態。

1.5 操作控制元件

操作控制元件作為本系統的輸出端，主要包括射流風機、排風機、送風機和風門。操作控制元件接收可編程控制器的命令執行以下操作，射流風機用于增加隧道通風量和風速控制；排風軸流風機用于隧道污濁空氣排除；送風機用于向隧道輸送新鮮空間。

2 隧道自動啟停風機控制系統

2.1 方案設計

綜合以上內容，本方案涉及的隧道風機智能控制系統架構如下：

如圖3所示，隧道風機智能控制系統主要由云端服務系統、嵌入式程序、可編程控制器、操作控制元件等組成。

2.2 控制流程

通風控制系統是綜合監控系統中的重要組成部分，所述通風控制系統輸入端設有CO、VI、風速、風向、車流量傳感器，用于檢測隧道內的一氧化碳濃度、粉塵顆粒濃度等信息；所述隧道智能通風控制系統的嵌入式單元根據檢測到的一氧化碳濃度、粉塵濃度、風速、風向、車流量等數據，進行分析處理并推送給云端服務系統；云端服務器將嵌入式控制單元傳送來的數據進行多源融合后得到隧道空氣控制決策，并根據控制決策的內容給可編程控制器發送相應的控制指令；可編程控制器接收云端服務系統發送過來的指令，根據指令設定風機控制參數，并觸發風機控制程序，從而控制隧道內的風機以特定轉速開啟或者關閉。

在此過程中，云端服務系統通過4G無線信道接收環境和車流數據，采用等差等位和機器學習算法分析計算生成指令，對隧道通風風機進行監控和發送指令。多類檢測空氣質量的傳感器數值直接通過4G信號上傳到云端服務平臺，在系統故障或者設備故障時，本方案能夠自動生成故障信息發送給相關維護維修人員并且儲存相關故障信息。

3 本方案的作用和效果

本方案所涉及的隧道風機智能控制系統，為隧道安全運營提供了決策體系。通過寫入云端服務，隧道空氣質量達到觸發控制條件，系統自動開啟或者關閉隧道通風風機，避免隧道內空氣污濁影響隧道行車安全。與傳統方案相比，本方案具有以下優點：

（1）實現隧道環境因素和通風設備自動運行。

（2）降低了隧道通風控制設備由于全功率工作造成的能源浪費。

（3）基于多源大數據分析技術突出了隧道智能控制系統的預警監測，實現隧道空氣質量的實時精準控制。

（4）加強了隧道通風控制設備的維護及時性，提高大型通風設備使用壽命。

4 結語

公路隧道通風智能控制系統是整個監控與安全預防系統中的關鍵一環，通風方案的優劣及通風運營效果的好壞，將直接影響到隧道的工程造價、運營環境、運營效益、防災與救災功能。長久以來，隧道內的通風問題一直是一個難題，因為隧道內部的氣體排出更為不易，積聚程度更高。排放污染物超過標準的車輛頻繁通過隧道，隧道內沉積下的有害氣體造成的危害不僅是作用于駕駛人身上，也會影響到隧道內的設備。因此，在現階段努力完善我國的隧道通風系統，進而促進隧道的安全運行，是有利于維護人民出行安全和貨物運輸安全的重要舉措。

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