專利名稱：：高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種公路隧道通風系統的控制方法，尤其是高速公路路段上多座隧道通風系統的控制方法。技術背景公路隧道通風系統的控制方法目前主要有固定程序控制、反饋控制。固定程序控制方法不考慮煙霧、一氧化碳濃度及交通量的變化情況，而是按時間區間(如白晝與夜晚，節假日與平時)預先編成程序來控制風機運轉，該方法不能適應交通流的變化，主要用于市政公路隧道的通風控制中。反饋式控制法是通過分布在隧道內各點的煙霧透過率傳感器和一氧化碳濃度傳感器，直接檢測行駛車輛排放出的煙霧濃度和C0濃度值，將隧道內當前的污染濃度(VI值和C0值)與控制目標值進行比較，以不超過目標值為原則，經計算處理后，給出控制信號，對風機的運轉臺數進行控制。我國許多隧道目前較普遍采用這種方式進行通風控制。但由于隧道污染物濃度的變化較大，這種控制方法對風機的控制容易產生波動，即開停頻繁，導致其不僅消耗大量的電能，還縮短了風機的使用壽命，同時由于沖企測數據反4貴的時延，難免產生污染物濃度已經超標，風機才增加開啟數量；或者車流已經減少，污染濃度很低，仍未減少風機的開啟數量，浪費能量；使得通風控制效果(隧道運營環境)不理想。
發明內容本發明的目的就是提供一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，該方法能夠提前預測隧道內交通流及煙霧、一氧化碳濃度變化，從而提前控制射流風機的開啟數量；控制效果好，同時又減少能量消耗，提高風機的使用壽命。本發明實現其發明目的，所采用的技術方案是一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，在各隧道內利用車輛檢測儀、煙霧濃度/一氧化碳檢測儀、風速檢測儀分別對各自隧道內的交通流、煙霧和一氧化碳濃度、風速進行檢測，根據檢測結果由數據處理及控制系統對隧道內的射流風機的開啟或關閉狀態進行控制，其特征在于所述根據檢測結果由數據分析及控制系統對隧道內的射流風機的開啟狀態進行控制的做法是Al、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道當前控制周期測出的交通流《k,結合本隧道的上一控制周期的交通流《1(卜1)，按照以下公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《1(Z+1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中A,^為《i"力O-i)的權重系數，滿足^+/，=1;Bl、污染物濃度預測及控制由數據處理及控制系統根據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流gh和風速，以及Al步預測出的下一控制周期本隧道的交通流《1(/+1),得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COe迸行模糊推理，對射流風機開啟數量進行模糊控制；第二、第三及以后隧道A2、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道及前一隧道當前控制周期測出的交通流《m"《(m-l)f,結合本隧道的上一控制周期的交通流《m(/-l)，按照以公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《mO+l):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中"附，A附，;^為《(附-i)f，^w,《附(/-i)的權重系數，滿足"附十Az+^附=1。B2、污染物濃度預測及控制根據本隧道當前周期實測的風速，煙霧、一氧化碳濃度以及A2步預測出的下一控制周期本隧道的交通流，計算得出下一控制周期本隧道的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理運算，對射流風機開啟數量進行模糊控制。與現有技術相比，本發明的有益效果是第一隧道由數據處理及控制系統根據實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流和風速，預測得出下一控制周期的交通流、煙霧、一氧化碳濃度的預測值，并進而根據預測值進行模糊推理，對射流風機開啟數量進行模糊控制；第二及以后隧道將前一隧道車輛檢測儀當前周期實測的交通流數據實時地傳給數據處理及控制系統，由該系統采用^^莫糊預測方法對當前隧道的下一控制周期的交通流進行預測。利用了高速公路交通流通過路段上多座隧道車輛依次通過的連續性特點，使得當前隧道的交通流預測的準確性得以明顯提高；再以該準確的交通流作為依據進一步得出下一周期當前隧道的煙霧、一氧化石友濃度的預測值。并采用智能模糊推理的方式提前對風機進行開啟(關閉)數量進行控制。因此本發明的方法，避免了現有控制方法的控制時延，通風控制效果大大提高，同時也更有效地減少了能量消耗，提高了風機的使用壽命。尤其在第二及以后的隧道中，其預測的值的準確性大大提高，其預測更為準確，通風控制效果更好。上述的第三及以后隧道的交通流預測方法為數據處理及控制系統接收本隧道及前一、前二隧道當前控制周期測出的交通流^W，《(m-l》，《0-2》，結合本隧道的上一控制周期的交通流《m(卜l),按照以公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《w(f+1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中"m、"m、Km分別為前一、前二隧道實測交通流、本隧道實測交通流和本隧道歷史交通流的權重系數，需滿足"1+"1+Km=l，2)、"m^-l)分別為前二、前一隧道實測交通流的權重系數，滿足"附(M-2)+"附(/w-l廣l。這樣，本發明方法對公路路段上的第三及以后隧道的交通流預測，在考慮了前一隧道交通流影響的基礎上，還同時考慮了前二隧道的交通流，其下一周期第三及以后隧道的交通流預測更加準確、可靠。從而控制更準確，更節能。上述的數據處理及控制系統根據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流和風速，得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值的具體方法為由本隧道的當前交通流^^計算出污染物的理論排放量，再結合本隧道內當前的風速WS,計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度W;、CO;;再由本隧道的下一控制周期交通流的預測值^/^+/)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設本隧道下一控制周期的風速與當前風速ws相同，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳的理論濃度Ww,COw,再由以下公式計算出下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中，k，為當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度。以上這種根據交通流預測煙霧濃度及一氧化碳濃度的方法，方法成熟、簡單有效，符合z厶路隧道交通污染物擴散的實際情況。上述的對射流風機開啟數量進行模糊控制的做法為由預測得到的本隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度W,+/,CO,+;，和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度A，cq，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量AVI、ACO，將此預測增量AV、ACO及當前周期實測的風速WS,模糊化后作為模糊推理的輸入量，根據下表的模糊推理規則，得出射流風機開啟增量的模糊量，解模糊后得到后隧道的射流風機的開啟增量，實現對射流風機開啟數量的控制<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表中模糊語言變量的含義為NB-負大，NM-負中，NS-負小，Z-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大；S-小，M-中，BS-中大，BB-大。通過以上模糊控制的方法，使本發明控制模型的建立與運算簡單，同時也能對隧道的通風進行適當、有效的控制通過智能模糊控制，可減少風機開停頻度，延長風機壽命，并節省電力消耗，也可防止不良車輛行走時引起的波動，獲得更加安定的通風效果。下面結合附圖及具體實施方式對本發明進行進一步詳細的說明。圖1是本發明實施例控制方法的多隧道及其中布置的三種檢測儀及射流風機的示意圖。圖中箭頭方向為車輛行駛方向。圖2是本發明實施例的才莫糊判斷控制方法中的煙霧濃度增量AVI的論域及隸屬函數圖。其中，煙霧濃度VI及其增量AVI的單位為1/m(透光率)。圖3是本發明實施例的模糊判斷控制方法中的一氧化碳ACO的論域及隸屬函數圖。其中，一氧化碳濃度CO及其增量AC0的單位為ppm。圖4是本發明實施例的模糊判斷控制方法中的風速WS的論域及隸屬函數圖。其中風速WS的單位為m/s。圖5是本發明實施例的模糊判斷控制方法中的風機增量ANjf的論域及隸屬函數圖。具體實施方式實施例圖1示出，本發明的一種具體實施方式為一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，在各隧道內利用車輛檢測儀CT、煙霧濃度/一氧化碳檢測儀VI/C0T、風速檢測儀WST分別對各自隧道內的交通流、煙霧和一氧化碳濃度、風速進行檢測，根據檢測結果由數據處理及控制系統對隧道內的射流風機JF的開啟或關閉狀態進行控制。根據檢測結果由數據分析及控制系統對隧道內的射流風機JF的開啟狀態進行控制的做法是第一隧道Al、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道當前控制周期測出的交通流gi/,結合本隧道的上一控制周期的交通流A(/-1),按照以下公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《l(f+l):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中A,r，為《k，l)的權重系數，滿足A+K";Bl、污染物濃度預測及控制由數據處理及控制系統才艮據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流力,和風速，以及A1步預測出的下一控制周期本隧道的交通流《1(/+1)，得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COe迸行模糊推理，對射流風機開啟數量進行模糊控制；第二隧道A2、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道及前一隧道當前控制周期測出的交通流《2b《k,結合本隧道的上一控制周期的交通流《2(卜1)，按照以公<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>)其中"2,"2，/2為《k《2"《2(卜1)的權重系數，滿足"2+02+2=1。B2、污染物濃度預測根據本隧道當前周期實測的風速，煙霧、一氧化碳濃度以及A2步預測出的下一控制周期本隧道的交通流，計算得出下一控制周期本隧道的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理運算，對射流風機開啟數量進行才莫糊控制。本例中第三及以后隧道的交通流預測方法為數據處理及控制系統接收本隧道及前一、前二隧道當前控制周期測出的交通流《附〃《0-1)/，《(附-2),，結合本隧道的上一控制周期的交通流《附0-1)，按照以公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《m(f+l):+Aw.fe+,附.《附o-1)式中"m，Aw，;^分別為前一、前二隧道實測交通流、本隧道實測交通流和本隧道歷史交通流的權重系數，需滿足"1+"1+Km=l;"w(w-2),"m(w-l)分別為前二、前一隧道實測交通流的權重系數，滿足2)=1。m=3，4，5……M，分別表示第三、第四、第五……第M個隧道。第三及以后隧道的污染物濃度預測及控制方法，則與第一、第二隧道完全相同，只是其中的下一周期交通流預測值的計算方法采用以上方式而與第一、第二隧道不同。本例交通流預測公式中的權重系數如"w，A，yw，,"wo-2)及"2，"2，n，A，r,，可根據實測的樣本數據進行確定，即選取一組權重系數使得公式計算得到的預測值與實測值的誤差最小。可通過Powell法、搜索法等最優化方法獲4尋。本例中數據處理及控制系統根據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流和風速，得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值的具體方法為由本隧道的當前交通流^^計算出污染物的理論排放量，再結合本隧道內當前的風速WS,計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度W;、C";再由本隧道的下一控制周期交通流的預測值《m0+7)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設本隧道下一控制周期的風速與當前風速WS相同，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳的理論濃度W二,COw,再由以下公式計算出下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度Ww，09^，式中，，co,,為當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度。本例中假定隧道內下一控制周期的風速與當前實測的風速相同。而煙霧和一氧化碳濃度的理論排放量^/;、c"，wj，c"+/，，由交通流數值根據《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999)計算得出。本例中對射流風機開啟數量進行模糊控制的做法為由預測得到的本隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度Ww,COw,和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度w,,CO,，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量AVI、ACO，將此預測增量AV、ACO及當前周期實測的風速WS,模糊化后作為模糊推理的輸入量，根據下表的模糊推理規則，得出射流風機開啟增量ANJF的模糊量，解模糊后得到后隧道的射流風機的開啟增量ANJF，實現對射流風機開啟數量的控制。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>PMPSPSPSPSPSPSPSPSPSPS，PS，PMPS,PM,PMPBPSPSPSPSPSPMPS，，PMPMPMPMPBPMPBPB表中模糊語言變量的含義為NB-負大，NM-負中，NS-負小，Z-零，PS-正小，PM-正中,PB-正大；S-小,M-中，BS-中大,BB-大。上表共有105個判定規則，如表中第一行、第一列的規則為Rl:IF△VIisPBandWSisBBand△COisPBTHEN△NJFisPB;即當煙霧濃度增量為正大，風速為大，一氧化碳濃度為正大時，風機開啟的增量為正大。該模糊推理規則表適合于長度在3000m-6000m的高速公路隧道，對于其它長度范圍內的高速隧道通風系統的模糊控制規則可在其基礎之上適當修改并經測試實驗即可。圖2-5分別給出了本例在進行模糊判定并計算風機開啟增量ANJF時，煙霧濃度增量AVI,—氧化碳ACO,風速WS,風機增量ANjf的論域及隸屬函數圖。輸入變量煙霧濃度增量AVI,—氧化碳AC0，風速WS的模糊化采用單點模糊化方法由圖2—4的論域及隸屬函數圖得出；輸出變量風4幾增量ANJF采用重心法由圖5論域及隸屬函數圖進行解模糊。實施例二本例與實施例一基本相同，所不同的僅僅是，第三及以后隧道的交通流的預測方法與第二隧道的預測方法相同。即第二、第三及以后隧道均按以下公式計算《+1)二"附.i)f+Aw.+z附.其中,Aw,為，《附"1)的權重系數，滿足am+Pm+Ym=l。m=2,3,4......M,分別表示第二、第三、第四......第M個隧道。也即本例的第三、第四及以后隧道的交通流預測，只考慮其前面一個隧道的影響，而不考慮再前面一個(前二)隧道的影響，其預測計算更筒單，<旦精確度更低。權利要求1、一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，在各隧道內利用車輛檢測儀(CT)、煙霧濃度/一氧化碳檢測儀(VI/COT)、風速檢測儀(WST)分別對各自隧道內的交通流、煙霧和一氧化碳濃度、風速進行檢測，根據檢測結果由數據處理及控制系統對隧道內的射流風機(JF)的開啟或關閉狀態進行控制，其特征在于所述根據檢測結果由數據分析及控制系統對隧道內的射流風機(JF)的開啟狀態進行控制的做法是第一隧道A1、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道當前控制周期測出的交通流q1t，結合本隧道的上一控制周期的交通流q1(t-1)，按照以下公式計算出本隧道下一控制周期的交通流q1(t+1)q1(t+1)＝β1·q1t+γ1·q1(t-1)其中β1，γ1為q1t，q1(t-1)的權重系數，滿足β1+γ1＝1；B1、污染物濃度預測及控制由數據處理及控制系統根據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流q1t和風速，以及A1步預測出的下一控制周期本隧道的交通流q1(t+1)，得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理，對射流風機開啟數量進行模糊控制；第二、第三及以后隧道A2、交通流預測數據處理及控制系統接收本隧道及前一隧道當前控制周期測出的交通流qmt，q(m-1)t，結合本隧道的上一控制周期的交通流qm(t-1)，按照以公式計算出本隧道下一控制周期的交通流qm(t+1)qm(t+1)＝αm·q(m-1)t+βm·qmt+γm·qm(t-1)其中αm，βm，γm為q(m-1)t，qmt，qm(t-1)的權重系數，滿足αm+βm+γm＝1；B2、污染物濃度預測及控制根據本隧道當前周期實測的風速，煙霧、一氧化碳濃度以及A2步預測出的下一控制周期本隧道的交通流，計算得出下一控制周期本隧道的煙霧、一氧化碳濃度的預測值，將預測值與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理運算，對射流風機(JF)開啟數量進行模糊控制。2、根據權利要求1所述的一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，其特征在于，所述第三及以后隧道的交通流預測方法為數據處理及控制系統接收本隧道及前一、前二隧道當前控制周期測出的交通流《mf,《(m-1)"《(w-2)f,結合本隧道的上一控制周期的交通流《m(f-l),按照以公式計算出本隧道下一控制周期的交通流《mG+l):="m'("m(m-!2)《(w-2》+l)^(m—1)》+An《wf+/附.《m(")式中"m、^m、Km分別為前一、前二隧道實測交通流、本隧道實測交通流和本隧道歷史交通流的權重系H需滿足"111+/^1+Km=l,2)、"m(;n-l)分別為前二、前一隧道實測交通流的權重系數，滿足"一附—2)+"w(w-i)=lo3、根據權利要求1或2所述的一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，其特征在于，所述的數據處理及控制系統根據當前控制周期實測的煙霧和一氧化碳濃度值及交通流和風速，得出下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值的具體方法為由本隧道的當前交通流^^計算出污染物的理論排放量，再結合本隧道內當前的風速WS,計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度W;、再由本隧道的下一控制周期交通流的預測值《m(&7)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設本隧道下一控制周期的風速與當前風速WS相同，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳的理論濃度W^，C"+;，再由以下公式計算出下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度Ww，COw:式中，^,CQ，為當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度。4、根據權利要求1所述的一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，其特征在于，所述的對射流風機開啟數量進行模糊控制的做法為由預測得到的本隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度w^,co,w，和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度A,co,,計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量AVI、ACO，將此預測增量AV、ACO及當前周期實測的風速WS，模糊化后作為模糊推理的輸入量，根據下表的模糊推理規則，得出射流風機開啟增量的模糊量，解模糊后得到后隧道的射流風機的開啟增量，實現對射流風機開啟數量的控制<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>表中模糊語言變量的舍義為NB-負大，NM-負中，NS-負小，Z-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大；S-小，M-中，BS-中大，BB-大。全文摘要一種高速公路路段多隧道集合式智能通風控制方法，利用高速公路交通流依次通過路段上多座隧道時的連續性特點，先行隧道根據實測的交通流、污染物濃度數據，預測出下一控制周期的交通流數據及污染物濃度；后行隧道根據先行隧道當前控制周期的交通流及本隧道實測的交通流、污染物濃度，對后行隧道下一控制周期的交通流、污染物濃度進行預測；各隧道再根據污染物預測值采用智能模糊推理的方式，對風機的開啟數量進行控制。該方法能夠更精確地提前預測隧道內交通流及煙霧、一氧化碳濃度變化，從而提前控制射流風機的開啟數量；通風控制效果好，同時又減少能量消耗，提高風機的使用壽命。文檔編號E21F1/00GK101235723SQ20081004535公開日2008年8月6日申請日期2008年2月2日優先權日2008年2月2日發明者川何,張玉春,勇方,曾艷華,王明年,春郭申請人:西南交通大學