四面山特長隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

李 阿 蒙， 陳 小 銳

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

重慶江習(xí)高速公路起于重慶江津，止于貴州習(xí)水，支線為四面山旅游景區(qū)專線，其中支線所屬的四面山特長隧道全長4 880 m，為雙向四車道分離式隧道，設(shè)計時速為80 km/h。因地形限制，四面山特長隧道采用雙向開挖掘進(jìn)方式，最大單向掘進(jìn)深度達(dá)2 880 m。施工過程中，其通風(fēng)是極大的難題，隨著隧道的不斷掘進(jìn)，“一風(fēng)吹”的通風(fēng)方式導(dǎo)致隧道內(nèi)的通風(fēng)效果越來越差；且隨著通風(fēng)時間的增加，通風(fēng)能耗增大。為解決這一問題，項目部技術(shù)人員對四面山特長隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與設(shè)計并予以應(yīng)用。實踐證明：采用隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)，極大地提高了隧道的通風(fēng)效果。

2 隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隧道通風(fēng)的基本思路

隧道施工通風(fēng)的作用主要有三個：(1)為隧道內(nèi)的工作人員供給足夠的新鮮空氣；(2)置換有毒有害氣體及爆破粉塵；(3)提供適宜的洞內(nèi)施工環(huán)境。故隧道施工通風(fēng)的風(fēng)量應(yīng)與隧道中的大氣環(huán)境、通風(fēng)阻力等因素存在一定的內(nèi)部聯(lián)系。例如，當(dāng)隧道中大氣環(huán)境較好、有毒有害氣體均處于安全范圍時，隧道施工的風(fēng)量僅需根據(jù)施工時最多的人數(shù)計算即可；而根據(jù)隧道通風(fēng)難度最大時選擇的大功率風(fēng)機，其前期提供的風(fēng)量大大超出了隧道需求，浪費亦在此時產(chǎn)生；當(dāng)有毒有害氣體不在規(guī)范要求的范圍內(nèi)(如瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%)時，此時的風(fēng)量除了滿足施工人員需要外，還需要滿足稀釋瓦斯的需求，因此，此時的風(fēng)量往往大于沒有瓦斯出現(xiàn)的情況，但其仍然達(dá)不到通風(fēng)難度最大時的需風(fēng)量，浪費仍然存在。然而，風(fēng)機是否可以提供不同時段的需求風(fēng)量？是否可以動態(tài)調(diào)整隧道軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而降低能耗？風(fēng)量與有毒有害氣體濃度之間又存在什么樣的關(guān)系？而這些復(fù)雜的非線性關(guān)系無法采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法建立連接。因此，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋求它們之間的關(guān)系就成為一種選擇。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種較為新型的數(shù)學(xué)建模方法，利用原記錄的數(shù)據(jù)可以找到輸入與輸出之間的各種關(guān)系[1]。而其隱射關(guān)系宛如一個“黑匣子 ”將輸入層 與輸出層連接起來。經(jīng)過優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)，任何滿足輸入層范圍的數(shù)據(jù)都可以通過“黑匣子”中的隱射關(guān)系計算出輸出值。影響其計算精確度的因素主要有兩點：(1)數(shù)據(jù)是否足夠多并具有代表性；(2)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點亦影響精度。因此，在選取網(wǎng)絡(luò)時必需十分注意。

RBF網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意非線性函數(shù)，可以處理難以解析的規(guī)律并具有良好的泛化能力，學(xué)習(xí)收斂速度比較快。基于其具有的這些特點，可以采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬隧道施工通風(fēng)運行頻率與隧道大氣環(huán)境以及隧道進(jìn)尺之間的關(guān)系。

2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1985年，Powen提出了一種多變量插值的徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)方法，該方法為多層次前向型網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)提供了一種有效而新穎的手段[2]。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與多層次前向型網(wǎng)絡(luò)類似，是一種三層次前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)隱含層神經(jīng)元數(shù)目上的不同，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法在總體上可以分為兩大類：(1)隱含層神經(jīng)元數(shù)目逐漸增加，經(jīng)過其不斷的循環(huán)和迭代，調(diào)整與修正其權(quán)值和閾值；(2)隱含層神經(jīng)元數(shù)目的確定，權(quán)值和閾值由線性方程組接觸[3]。

2.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系由輸入、隱含和輸出層三部分組成，而確定相應(yīng)層的數(shù)目對于網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建較為重要。根據(jù)所進(jìn)行的研究得知：在四面山特長隧道內(nèi)部共布置有監(jiān)控傳感器四類，即甲烷濃度傳感器、硫化氫濃度傳感器、一氧化碳傳感器和風(fēng)速傳感器，因此，輸入層的節(jié)點數(shù)為4。對于輸出層來說，由于輸出層輸出的結(jié)果是風(fēng)機的運行頻率，因此，輸出層的節(jié)點數(shù)為1。由于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為非線性，故其初始值的選取很重要。初始值太大，加權(quán)后的輸入容易處于激活函數(shù)飽和區(qū)以內(nèi)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)停頓。因此，最好使神經(jīng)元的輸出值接近零，故權(quán)值的初始值常取-1與1之間的隨機數(shù)。

2.4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與仿真

在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的前提下，利用已獲得的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行訓(xùn)練并待訓(xùn)練結(jié)束后對剩余的樣本進(jìn)行仿真，將剩余樣本的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后，選取比對結(jié)果最好的一組作為最終訓(xùn)練結(jié)果。

2.4.1 基礎(chǔ)頻率的確定

根據(jù)對隧道風(fēng)流結(jié)構(gòu)的研究以及對隧道中有毒有害氣體擴散特征的探究，在現(xiàn)場試驗時確定了當(dāng)時隧道施工的大氣環(huán)境下所需要的最低頻率。初期，首先需要確定風(fēng)機運行的基礎(chǔ)頻率。所謂基礎(chǔ)頻率是指隧道在施工環(huán)境良好的情況下仍需滿足的最小風(fēng)量時對應(yīng)的頻率。工程中一般根據(jù)軸流風(fēng)機運行的曲線進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)運算，稱為風(fēng)機的相似論。

隧道中的基本風(fēng)量根據(jù)同時工作的最多人數(shù)計算：

Q=4N

式中Q為隧道的基本風(fēng)量，m3/s;N為隧道施工時同時工作的人數(shù)，個。

首先計算所需的風(fēng)量。當(dāng)風(fēng)機在不同的隧道進(jìn)尺中提供相同的風(fēng)量時，風(fēng)機運行頻率的平方與隧道進(jìn)尺成正比，因此，風(fēng)機在不同隧道進(jìn)尺時的基礎(chǔ)頻率可以計算。根據(jù)以上公式，記錄風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)的最小頻率，在該運行頻率下，其風(fēng)量為滿足工作人員所需的最小風(fēng)量。現(xiàn)場記錄的基礎(chǔ)頻率見表1，該記錄結(jié)果基本符合計算規(guī)律。由此可以計算出不同隧道進(jìn)尺對應(yīng)的基礎(chǔ)頻率。

所謂的數(shù)字簽名，也稱之為電子簽名，指的是指附加在發(fā)送文件中的一組特殊的符號，通過對原文本進(jìn)行一系列的混合運算，可以被接受者驗證該文件是否被篡改或者偽造。

表1 基礎(chǔ)頻率表

2.4.2 運行頻率的確定

在基礎(chǔ)頻率確定后，還需要確定變頻器在不同環(huán)境下的輸出頻率。智能控制系統(tǒng)未使用時其通過模擬量VI值進(jìn)行控制以改變變頻器的輸出頻率。模擬量VI值由輸出的電壓信號控制其變頻器的運行頻率，電壓的輸入信號0～10 V與變頻器的輸出頻率0～50 Hz對應(yīng)，頻率可連續(xù)變化，電壓亦可連續(xù)變化。因此，試驗期間，變頻器運行頻率的改變均采用該方法。

在確定不同有毒有害氣體中的濃度情況下風(fēng)機需要運行的最小頻率時，此次研究采用了以下方法：《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》TB10120-2019要求：當(dāng)隧道中的濃度在0.3%以下時，可以停止隧道通風(fēng)且瓦斯最高允許濃度為0.5%。因此，所制定的甲烷濃度與運行頻率對應(yīng)情況見表2。

表2 甲烷濃度與運行頻率對應(yīng)表

《煤礦安全規(guī)程》2002年新版規(guī)定：隧道內(nèi)硫化氫的最大濃度不能大于0.000 66%，即6.6 ppm。因此，所制定的硫化氫濃度與運行頻率的對應(yīng)情況見表3。

表3 硫化氫濃度與運行頻率對應(yīng)表

通常，在非高原地區(qū)，一氧化碳短時間接觸的最高濃度為 30 mg/m3，即24 ppm。同樣，在《煤礦安全規(guī)程》2002年新版中要求的一氧化碳的最大濃度為24 ppm[4]。所制定的一氧化碳濃度與運行頻率的對應(yīng)情況見表4。

綜上所述，采用上述方法測得最小運行頻率并選取同一時刻所計算的最大值。例如，在同一時刻計算得到的甲烷頻率為32 Hz，一氧化碳頻率為35 Hz，硫化氫頻率為34 Hz，則選取最大值35 Hz 作為此刻的頻率。

表4 一氧化碳濃度與運行頻率對應(yīng)表

試驗期間，四面山特長隧道(進(jìn)口)向前掘進(jìn)了178 m，歷時近 2個月，隧道穿過高瓦斯段和低斯段兩種瓦斯地質(zhì)條件洞段，期間，硫化氫均未出現(xiàn)超限的情況。但是，由于隧道內(nèi)作業(yè)機車尾氣排放的原因，一氧化碳出現(xiàn)過超限的情況。為保證結(jié)果的合理性并遵循所選取的數(shù)據(jù)盡可能地分布在較廣泛范圍內(nèi)的原則，以及所選數(shù)據(jù)的量應(yīng)盡可能的大的原則，從記錄的所有數(shù)據(jù)中選取了70 個具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為樣本，同時，在樣本中人為加入了超限情況。超限數(shù)據(jù)錄入情況見表5。

表5 超限數(shù)據(jù)錄入表

利用上述70組數(shù)據(jù)和 6組超限數(shù)據(jù)，先后訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

首先構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隨機選取上述76組數(shù)據(jù)中的68組對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練采用梯度下降動量法和自適應(yīng)的梯度下降法。訓(xùn)練結(jié)束后，將利用網(wǎng)絡(luò)計算的剩余8組數(shù)據(jù)的值與真實情況進(jìn)行比對，BP網(wǎng)絡(luò)計算的預(yù)測值與真實值的對比情況見表6。

其次，從表6可以看出：擬合度達(dá)到了0.965 51，其最大誤差為11.28%,不符合預(yù)測要求。鑒于風(fēng)機的運行頻率是由甲烷濃度、一氧化碳濃度、硫化氫濃度和風(fēng)速4個變量共同決定的，因此，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層節(jié)點數(shù)為4和1。隱含層傳遞函數(shù)選擇高斯核函數(shù)，輸出層傳遞函數(shù)選擇線性函數(shù)，所用的樣本仍然是上述76個樣本、從中隨機選取68組進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后，將剩余的8組數(shù)據(jù)用網(wǎng)絡(luò)計算的值與真實的值進(jìn)行對比，RBF網(wǎng)絡(luò)計算預(yù)測值與真實值的對比情況見表7。

表6 BP網(wǎng)絡(luò)計算的預(yù)測值與真實值對比表

表7 RBF網(wǎng)絡(luò)計算預(yù)測值與真實值對比表

從表7可以看出：擬合度已經(jīng)達(dá)到0.991 3，同時其最大的誤差也僅為6.41%，符合預(yù)測要求。值得注意的是：誤差的最大值是在50 Hz時出現(xiàn)，也就是說其是在有氣體超限的情況下產(chǎn)生的。

2.4.4 分析與討論

根據(jù)以上訓(xùn)練結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)相較于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出的結(jié)果更加實際，誤差更小、擬合度更高，因此，將最終的控制方法選用了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果；

(2)通過隨機對比結(jié)果可以看出：RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的擬合度，從而證明利用 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找隧道大氣環(huán)境與風(fēng)機運行參數(shù)之間的關(guān)系是可行的[5]，且其效果良好；

(3)從現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果看，瓦斯、硫化氫的濃度始終處于相對較低的水平，而一氧化碳的濃度波動范圍較大，因此可以認(rèn)為：瓦斯與硫化氫選取的關(guān)鍵點不夠，控制系統(tǒng)在計算分析瓦斯與硫化氫與運行頻率之間的關(guān)系時其準(zhǔn)確率可能會有所降低；

(4)選取每個參數(shù)的極限值作為訓(xùn)練參數(shù)是正確的選擇。因此，在最終設(shè)計控制程序時設(shè)計了一條高于所有計算法則的法則：一旦有任何一種氣體超限，可以不經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算，直接控制變頻器以最高頻率運行；

(5)基礎(chǔ)頻率是隧道環(huán)境的最低保障，因此，對其進(jìn)行設(shè)定時一定要慎重；

(6)如果風(fēng)機的運行頻率頻繁改變，可能會降低風(fēng)機的使用壽命，增加風(fēng)機運行的故障率。因此，必須控制程序設(shè)計，將風(fēng)機頻率的改變值控制在±3 Hz范圍內(nèi)，以降低對風(fēng)機的損害。

3 結(jié) 語

在數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場試驗結(jié)果的指導(dǎo)下，通過利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，設(shè)計出了一種能夠兼顧安全與節(jié)能的隧道施工通風(fēng)自適應(yīng)變頻控制系統(tǒng)，為隧道施工的通風(fēng)提供了一種新的思路和方法。自適應(yīng)變頻控制系統(tǒng)使風(fēng)機的運行頻率可以根據(jù)隧道需求給予，從而克服了隧道風(fēng)機在通電狀態(tài)下始終以一個狀態(tài)運行而造成電量浪費的問題，也解決了風(fēng)機自適應(yīng)能力低、無法根據(jù)隧道安全需求改變的不足。