公路隧道通风优化设计与控制

刘昌敏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国经济的不断发展，高速公路的发展取得了举世瞩目的成就。在众多高速公路的建设过程中，尤其是在山岭地区及丘陵地带，为了达到克服地形与高程障碍、缩短里程、提高时速、减少时间和改善线形等目的，常采用隧道方案来解决问题。高速公路上的隧道与其他路段不同，其是一个相对封闭的路段，故行驶过程中会产生各种废气（CO、CO2、NO等），尤其是长大隧道，仅靠自然通风和交通风难以置换隧道中的废气，故需要对隧道通风进行设计[1]，使得隧道内气体排放浓度控制在允许限度以内；若设计不当，隧道内废气浓度达到一定程度会对司机和工作人员生命造成严重威胁。目前隧道通风运营问题一直是设计的关键问题，传统的隧道通风采取简单的分级式控制[2]，一般设计出的风机数较为保守，造成能源浪费，成本提高；笔者从CO浓度和烟尘浓度排放量和稀释量计算角度出发来控制所需风机数，更较为准确地确定风机数量，同时以CO浓度和烟尘浓度作为模糊输入变量对隧道通风控制系统[3]进行研究，从而达到低碳和节约成本的目的，为改善隧道通风效果和加强通风系统控制提供依据。

1 隧道通风方式

隧道通风系统是保证隧道安全行驶、防止交通事故产生的关键系统，而通风方式是重中之重。根据公路隧道长度、交通流量和车速划分，可将高速公路隧道的通风方式分为以下4种：

a）自然通风 自然通风是利用自然风和汽车在隧道行驶时产生的活塞效应进行空气对流达到通风目的，常用于短隧道中。

b）纵向式通风 纵向式通风包括射流风机纵向式通风和竖井送、排风式纵向式通风两种。前者是利用射流风机在前方采用高速气流推动空气流动，则在风机后方形成负压区从带动空气流动，从而形成隧道内空气定向流动排出污染物，具有造价低的优点；后者中排风式是利用风机将外空气经隧道两端进入隧道并在中央汇入竖井，而废气经竖井风机排出隧道，送风式是将外空气直接经竖井进入隧道，污染空气从隧道两端洞口排出。

c）半横向式通风 半横向式通风风机设置集中，方便运营管理和维修，包括送风半横向式和排风半横向式的风机，主要是设置送风道和排风道。前者是利用风机、风井将外空气送入风道，再经送风孔进入行车道后与废气混合排出；后者直接利用风机将污染废气由排风道排出。

d）横向式通风 横向式通风是利用送风道将外空气送入隧道后横穿隧道断面与废气混合后由排风道排出，其将隧道断面自然分为3部分，即送风道、排风道和行车道。

2 隧道通风设计

由于纵向式通风工程造价低，在隧道中使用较多，尤其是射流风机纵向式通风的方式，依据CO浓度和烟尘浓度需风量和稀释量进行风机数设计，以便达到节省成本，低碳节能的效果。

2.1 判断是否采用机械通风

一般双向隧道是否采用机械通风方式的具体界限值为：

当L·N≥600时采用机械通风，

当L·N＜600时采用自然通风。

式中：L为隧道长度，km；N为高峰时通过隧道的车辆小时交通量，辆/h。

2.2 风机工作原理

采用射流风机纵向式通风时，在隧道内风流稳定情况下，射流风机增加的风压与隧道内的自然风、交通风和隧道阻力相平衡，具体数学表达式见式（1）：

式中：ΔP为射流风机的通风压力；ΔPr为隧道阻力；ΔPn为隧道的自然风力；ΔPt为交通风力。

要最终确定射流风机的台数，必须要将压力参数量化，量化的具体公式如式（2）～式（4）：

式中：ρ为隧道内空气密度，kg/m3；Vr为车道内风速，m/s；ξe为隧道入口局部阻力系数；λr为隧道摩擦阻力系数；L为隧道长度，m；Dr为车道断面当量直径，m。

式中：Ar为隧道内行车空间断面积，m2；Vt为行车速度，m/s；n为隧道中汽车台数；Ae为汽车等价阻力面积，m2，其计算公式为：Ae=Ac×ξc，Ac为汽车当量阻力面积，m2；ξc为汽车在隧道内阻力系数。

式中：Vn为隧道内自然风速，m/s。

2.3 隧道内需风量计算

隧道内通风量计算是确定所需风机台数的重要前提和依据。通风计算即隧道内稀释有害物质所需新鲜空气的计算。

a）CO排放量计算：

式中：Qco为隧道全长CO排放量，m3/s；qco为CO基准排放量，m3/（辆·km），可取0.01 m3/（辆·km）；fa为考虑CO的车况系数；fd车密度系数；fh考虑CO的海拔高度系数；fm为考虑CO的车型系数；fiv为考虑CO的纵坡—车速系数；n为车型类别数；Nm为相应车型的设计交通量，辆/h。

b）稀释CO的需风量：

式中：Qreq(CO)为隧道全长稀释CO的需风量，m3/s；P0为标准大气压，取101.325 kN/m2；P为隧道设计气压，kN/m2；T0为标准气温，取273 K；T为隧道夏季的设计气温，K。

c）烟尘排放量计算：

式中：QVI为烟尘排放量，隧道全长m3/s；q(VI）为烟尘基准排放量，m2/（辆·km），可取2.5m2/（辆·km）；fa(VI)为考虑烟尘车况系数；fh(VI)考虑烟尘的海拔高度系数；fm(VI)为考虑烟尘的车型系数；fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡—车速系数；nD为车型类别数。

d）稀释烟尘的需风量：

式中：Qreq(VI)为隧道全长稀释烟尘的需风量，m3/s；K为烟尘设计浓度。

2.4 计算需要风机台数及布置方式

a）每处风机产生的压力计算：

式中：Vj为射流风机吹出风速，m/s；φ为断面积比Aj/Ar；Aj为射流风机封口面积，m2；ψ 为流速比 Vr/Vj；i为每一处设置风机的台数。

b）设置风机的处数：

c）风机总台数：

2.5 射流风机布置方式

由于射流风机纵向式通风方式为洞外空气从入口进入并从出口排出，风机产生诱导风，保持着隧道进口流入隧道的风量和风速是不变的，而隧道内有害物质浓度是不断增大的，到出口达到最大值，故射流风机沿隧道纵向可根据浓度变化布置。

3 基于模糊控制理论的隧道通风控制

集散通风控制是我国目前在隧道通风控制方面较常采用的方式。其基本控制原理为CO和VI（烟尘）检测器将检测信号传至通风控制器，进而传至交通监控计算机，交通监控计算机依据检测数值来判定需要开启风机的台数，最终由通风控制器执行开启命令并开启相应风机。采用控制CO和烟尘浓度的方法可以提高控制器对隧道内污染气体的敏感性，进而达到低碳节能控制，

模糊控制[4]本质上是基于语言规则的仿人智能控制，笔者提出将模糊控制理论应用于隧道通风控制系统中，为产生通风控制程序设计模糊控制规则表提供思路。

3.1 隧道通风控制模糊输入、输出变量确定

这里采用风机个数作为模糊控制器的输出变量，CO浓度和烟尘浓度作为模糊控制系统输入变量，并假设风机要求20台，且规定CO和烟尘允许浓度为下列值：

a）CO允许浓度 正常行车时，最大允许浓度δ=150 ppm；交通堵塞时，为δ=250 ppm（15 min以内）。

b）烟尘允许浓度 正常行车时，K=0.007 5 m-1；阻塞情况下，K=0.009 0 m-1。

3.2 变量的模糊化

a）论域变换 论域变化目的是将输入变量的真实论域变化为模糊控制器内部用到的论域，其变化即令真实论域乘以比例因子即可。若内部论域是离散的，需将连续的论域离散化，表示为0，±整｛｝数，常用离散论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

确定CO和烟尘浓度变化范围：当CO浓度大于150 ppm时开启风机；当浓度大于250 ppm超过15 min时关闭隧道。以150为中心值，250为最大值，为满足对称，取最小值为50，则真实论域[50，250]，离散论域取为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，则比例因子R1=[6-（-6）]/（250-50）=0.06，故最终内部论域为：m1=R1×[k1-(250+50)/2]，其中 m1为内部论域值，k1为真实论域中某一精确值；同理可得烟尘浓度对应内部论域为：取0.007 5作为烟尘浓度中心值，0.009 0作为最大值，为满足对称性，取最小值为0.006，即烟尘浓度的真实论域为[0.006，0.009]，仍取离散论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，则比例因子 R2=[6-（-6）]/（0.009-0.006）=4 000，内 部 论 域 为 ：m2=R2×[k2-(0.006+0.009)/2]，其中m2为内部论域值，k2为真实论域中某一精确值，R2为比例因子。

b）模糊化 变量模糊化即选取变量语言值分档，语言分档越多，则描述越准确，控制效果越好。CO和烟尘浓度模糊语言选取均可表示为 {负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

c）模糊语言变量值隶属函数的表示方法。隶属函数的形状在到达控制要求方面相差很小，仅幅宽对性能影响较大，故常采用三角形、梯形作为模糊子集的隶属函数，其在输入变化值后具有更大的灵敏性，在存在偏差时很快会产生一个相应的调整量输出。其表示方法有图形表示法、表格表示法及公式表示法。

3.3 模糊控制系统的控制规则

控制系统规则是通过经验总结后用自然语言形容描述规则并利用模糊数学的工具处理，将形成模糊关系贮存起来构成规则库。规则库中所有的规则都是并列关系，其表示形式为：“If…then…”。If后面的为条件句，then后为结果句，每一条模糊条件语句只代表了一种控制策略。

3.4 模糊推理

模糊推理主要目的是根据每一条模糊条件语句的描述形成输入与输出之间的模糊关系，最终由每一条具体的模糊关系构成总的模糊关系，记为矩阵R。利用MATLAB软件[5]计算出模糊关系R后，即可得到语言变量fengji的模糊子集fengjiij：

fengjiij=(COi×VIj)·R， （12）式中：COi和VIj分别为CO和烟尘浓度的元素。

3.5 模糊判决

模糊判决包括解模糊和论域反变换两个过程。前者即利用最大隶属度法、面积法、加权平均法或重力法在决策值模糊集合中找到确切清晰的量作为最终结果；后者即将解模糊后得到确切值对应的内部论域再次变换到真实论域上，方便实施直接控制操作。

4 结语

通过介绍通风系统，重点阐述了以CO浓度和烟尘浓度需风量和稀释量控制所需风机数量，达到低碳且节约成本的目的。同时提出了以CO浓度和烟尘浓度作为模糊输入变量，进而对隧道通风控制系统进行模糊控制的研究，为进一步制定通风控制程序设计模糊控制提供思路，并为改善隧道通风效果和加强通风控制提供依据。在针对具体隧道工程通风设计及通风控制时要结合各自的特点进行设计，以便达到效率的最优化和效益的最大化。