專利名稱：高速公路毗鄰隧道聯動通風控制方法
技術領域：
本發明涉及一種公路隧道通風的控制方法，尤其涉及一種高速公路路段上毗鄰隧道通風控制方法。
背景技術：
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CO濃度值，將隧道內當前的污染濃度(VI值和CO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。但由于交通流隨時變化，導致隧道內污染物濃度的變化大，因此，這種控制方法對風機的控制容易產生波動，開停頻繁，不僅浪費大量的電能，還縮短了風機的使用壽命。同時由于檢測數據反饋的時延，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，從而形成浪費；導致通風控制效果(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毗鄰隧道聯動通風控制方法，該方法能夠較精確的提前預測毗鄰隧道內的交通流及煙霧、一氧化碳濃度變化，從而提前準確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。
本發明實現其發明目的，所采用的技術方案是 一種高速公路毗鄰隧道聯動通風控制方法，在毗鄰的前后兩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。其中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 前隧道 A1、交通流的預測數據處理及控制系統根據前隧道當前控制周期測出的交通流qft，結合前隧道的上一控制周期的交通流qf(t-1)，按照以下公式計算出前隧道下一控制周期的交通流qf(t+1) qf(t+1)＝βf·qft+γf·qf(t-1) 其中βf，γf為qft，qf(t-1)的權重系數，滿足βf+γf＝1； B1、污染物濃度預測根據前隧道當前交通流qft計算出污染物的理論排放量，再結合前隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIft′、COft′；再由A1步計算出的前隧道下一控制周期交通流的預測值qf(t+1)得出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設前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VIf(t+1)′，COf(t+1)′。即由以下公式計算出前隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIf(t+1)，COf(t+1)VIf(t+1)＝(VIf(t+1)′/VIft′)VIftCOf(t+1)＝(COf(t+1)′/COft′)COft 式中，VIft，COft為當前控制周期實測的煙霧及一氧化碳濃度； C1、風機的控制將B1步得到的下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值VIf(t+)，COf(t+1)，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； 后隧道 A2、交通流預測數據處理及控制系統接收后隧道及前隧道當前控制周期測出的交通流qbt，qFT，結合后隧道的上一控制周期的交通流qb(t-1)，按照以下公式計算出后隧道下一控制周期的交通流qb(t+1)qb(t+1)＝αb·qft+βb·qbt+γb·qb(t-1) 其中αb，βb，γb為qft，qbt，qb(t-1)的權重系數，滿足αb+βb+γb＝1； B2、前隧道污染物擴散的計算由前隧道當前控制周期測出的煙霧及一氧化碳濃度VIf，COf，按以下公式預測出，擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi VIbi＝VIf·e-aL CObi＝COf·e-aL 式中a為污染物濃度沿行車方向的衰減系數，L為毗鄰的前、后隧道洞口間距 C2、污染物濃度預測由后隧道的當前交通流qbt計算出污染物的理論排放量，再結合后隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIbt′、CObt′；再由A2步得到的后隧道的下一控制周期交通流的預測值qb(t+1)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設后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VIb(t+1)′，COb(t+1)′，并結合B2步計算出的擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi，由以下公式計算出后隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIb(t+1)，COb(t+1) VIb(t+1)＝(VIb(t+1)′/VIbt′)VIbt+VIbi COb(t+1)＝(COb(t+1)′/CObt′)CObt+CObi 式中，VIbt，CObt，為后隧道當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度； D2、風機的控制將C2步得到的煙霧/一氧化碳預測值VIb(t+1)，COb(t+1)，與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理，以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 前隧道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，從而提前對射流風機開啟數量進行模糊控制。
后隧道將前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，由該系統采用模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前后隧道車輛依次通過的連續性特點，使得后隧道的交通流預測的準確性高；再以該準確的交通流作為依據進一步得出下一控制周期的后隧道交通流產生的煙霧、一氧化碳濃度的預測值；再加入計算得出的毗鄰前隧道煙霧、一氧化碳污染物在下一周期內將擴散進入后隧道的量，最后計算出下一周期后隧道的預測污染物的預測增量。再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，根據預測值提前對前、后隧道的風機進行控制，避免了現有控制方法的控制時延，通風控制效果大大提高，同時更有效地減少了能量消耗，提高了風機的使用壽命。尤其是后隧道預測值考慮了前隧道的交通流及污染物的擴散，其預測更為準確，通風控制效果更好。
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VI(t+1)，CO(t+1)，和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度VIt，COt，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量ΔVI、ΔCO，將此預測增量ΔVI、ΔCO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，實現對本隧道射流風機開啟數量的控制
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毗鄰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是本發明實施例的模糊判斷控制方法中的煙霧濃度增量ΔVI的論域及隸屬函數圖。其中，煙霧濃度VI及其增量ΔVI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ΔCO的論域及隸屬函數圖。其中，一氧化碳濃度CO及其增量ΔCO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ΔNJF的論域及隸屬函數圖。
具體實施例方式 實施例 圖1示出，本發明的一種具體實施方式
為 一種高速公路毗鄰隧道聯動通風控制方法，在毗鄰的前后兩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。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 前隧道 A1、交通流的預測數據處理及控制系統根據前隧道當前控制周期測出的交通流qft，結合前隧道的上一控制周期的交通流qf(t-1)，按照以下公式計算出前隧道下一控制周期的交通流qf(t+1) qf(t+1)＝βf·qft+γf·qf(t-1) 其中βf，γf為qft，qf(t-1)的權重系數，滿足βf+γf＝1； B1、污染物濃度預測根據前隧道當前交通流qft計算出污染物的理論排放量，再結合前隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIft′、COft′；再由A1步計算出的前隧道下一控制周期交通流的預測值qf(t+1)得出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設前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VIf(t+1)′，COf(t+1)′。即由以下公式計算出前隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIf(t+1)，COf(t+1) VIf(t+1)＝(VIf(t+1)′/VIft′)VIft COf(t+1)＝(COf(t+1)′/COft′)COft 式中，VIft，COft為當前控制周期實測的煙霧及一氧化碳濃度； C1、風機的控制將B1步得到的下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值VIf(t+1)，COf(t+1)，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； 后隧道 A2、交通流預測數據處理及控制系統接收后隧道及前隧道當前控制周期測出的交通流qbt，qft，結合后隧道的上一控制周期的交通流qb(t-1)，按照以下公式計算出后隧道下一控制周期的交通流qb(t+1) qb(t+1)＝αb·qft+βb·qbt+γb·qb(t-1) 其中αb，βb，γb為qft，qbt，qb(t-1)的權重系數，滿足αb+βb+γb＝1。
B2、前隧道污染物擴散的計算由前隧道當前控制周期測出的煙霧及一氧化碳濃度VIf，COf，按以下公式預測出，擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi VIbi＝VIf·e-aL CObi＝COf·e-aL 式中L為毗鄰隧道洞口間距。a為污染物濃度沿行車方向的衰減系數，與毗鄰隧道間的地形、外界風速、風向等因素有關，可根據現場實測值反分析獲得。
為了使預測更精確，可在毗鄰兩隧道之間安裝風向/風速檢測儀，并根據風向/風速檢測儀及污染物擴散的樣本數據，進行最優化處理，得到與風向/風速的關系，并將該關系記錄在數據處理及控制系統，從而使得本發明的方法所采用的a為實時的動態值，能更準確地預測出污染物擴散值。
C2、污染物濃度預測由后隧道的當前交通流qbt計算出污染物的理論排放量，再結合后隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIbt′、CObt′；再由A2步得到的后隧道的下一控制周期交通流的預測值qb(t+1)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設后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VIb(t+1)′，COb(t+1)′，并結合B步計算出的擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi，由以下公式計算出后隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIb(t+1)，COb(t+1)VIb(t+1)＝(VIb(t+1)′/VIbt′)VIbt+VIbiCOb(t+1)＝(COb(t+1)′/CObt′)CObt+CObi 式中，VIbt，CObt，為后隧道當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度。
D2、風機的控制將C2步得到的煙霧/一氧化碳預測值VIb(t+1)，COb(t+1)，與煙霧/一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理，以對射流風機開啟數量進行模糊控制。
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VI(t+1)，CO(t+1)(本隧道包括前、后隧道，相應的VI(t+1)，CO(t+1)則分別為VIf(t+1)，COf(t+1)，VIb(t+1)，COb(t+1))和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度VIt，COt，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量ΔVI、ΔCO。將此預測增量ΔVI、ΔCO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NJF的模糊量，解模糊后得到后隧道的射流風機的開啟增量ΔNJF，實現對本隧道射流風機開啟數量的控制
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。
該模糊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。
本發明交通流預測公式中的權重系數αb，βb，γb及βf，γf，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根據上式計算得到的預測值與實測值的誤差最小。可通過，如Powell法、搜索法等最優化方法獲得。
圖2-5分別給出了本例在進行模糊推理并計算風機開啟增量ΔNJF時，煙霧濃度增量ΔVI，一氧化碳ΔCO，風速WS，風機增量ΔNjf的論域及隸屬函數圖。輸入變量煙霧濃度增量ΔVI，一氧化碳ΔCO，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；輸出變量風機增量ΔNjf采用重心法由圖5的論域及隸屬函數圖進行解模糊。
權利要求
1、一種高速公路毗鄰隧道聯動通風控制方法，在毗鄰的前后兩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
前隧道
A1、交通流的預測數據處理及控制系統根據前隧道當前控制周期測出的交通流qft，結合前隧道的上一控制周期的交通流qf(t-1)，按照以下公式計算出前隧道下一控制周期的交通流qf(t+1)
qf(t+1)＝βf·qft+γf·qf(t-1)
其中βf，γf為qft，qf(t-1)的權重系數，滿足βf+γf＝1；
B1、污染物濃度預測根據前隧道當前交通流qft計算出污染物的理論排放量，再結合前隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIft′、COft′；再由A1步計算出的前隧道下一控制周期交通流的預測值qf(t+1)得出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設前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VIf(t+1)′，COf(t+1)′。即由以下公式計算出前隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIf(t+1)，COf(t+1)
VIf(t+1)＝(VIf(t+1)′/VIft′)VIft
COf(t+1)＝(COf(t+1)′/COft′)COft
式中，VIft，COft為當前控制周期實測的煙霧及一氧化碳濃度；
C1、風機的控制將B1步得到的下一控制周期的煙霧、一氧化碳濃度的預測值VIf(t+1)，COf(t+1)，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；
后隧道
A2、交通流預測數據處理及控制系統接收后隧道及前隧道當前控制周期測出的交通流qbt，qft，結合后隧道的上一控制周期的交通流qb(t-1)，按照以下公式計算出后隧道下一控制周期的交通流qb(t+1)
qb(t+1)＝αb·qft+βb·qbt+γb·qb(t-1)
其中αb，βb，γb為qft，qbt，qb(t-1)的權重系數，滿足αb+βb+γb＝1；
B2、前隧道污染物擴散的計算由前隧道當前控制周期測出的煙霧及一氧化碳濃度VIf，COf，按以下公式預測出，擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi
VIbi＝VIf·e-aL
CObi＝COf·e-aL
式中a為污染物濃度沿行車方向的衰減系數，L為毗鄰的前、后隧道洞口間距；
C2、污染物濃度預測由后隧道的當前交通流qbt計算出污染物的理論排放量，再結合后隧道內當前的風速WS，計算出煙霧及一氧化碳的理論濃度VIbt′、CObt′；再由A2步得到的后隧道的下一控制周期交通流的預測值qb(t+1)計算出下一控制周期的污染物的理論排放量，并假設后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VIb(t+1)′，COb(t+1)′，并結合B2步計算出的擴散進入后行隧道的污染物濃度VIbi，CObi，由以下公式計算出后隧道下一個控制周期煙霧及一氧化碳濃度VIb(t+1)，COb(t+1)
VIb(t+1)＝(VIb(t+1)′/VIbt′)VIbt+VIbi
COb(t+1)＝(COb(t+1)′/CObt′)CObt+CObi
式中，VIbt，CObt，為后隧道當前控制周期實測的污染物濃度煙霧和一氧化碳濃度；
D2、風機的控制將C2步得到的煙霧/一氧化碳預測值VIb(t+1)，COb(t+1)，與煙霧、一氧化碳的控制目標值VIE、COE進行模糊推理，以對射流風機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毗鄰隧道聯動通風控制方法，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VI(t+1)，CO(t+1)，和當前周期本隧道測得的煙霧及一氧化碳濃度VIt，COt，計算出下一控制周期煙霧及一氧化碳濃度的預測增量ΔVI、ΔCO，將此預測增量ΔVI、ΔCO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，實現對本隧道射流風機開啟數量的控制
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。
全文摘要
一種高速公路毗鄰隧道聯動通風控制方法，利用高速公路交通流依次通過毗鄰隧道時的連續性特點，將先行隧道實測的交通流數據實時地傳給數據處理及控制系統，同時計算出前隧道污染物擴散進入后隧道的量。在此基礎之上，數據處理及控制系統計算出后隧道的將來時段的污染物濃度預測值；同時，前隧道也根據實測的交通流及風速預測將來時段的污染物濃度值，再采用模糊推理方法，對前后隧道的風機啟數量進行模糊智能控制。該方法能夠較精確的提前預測毗鄰隧道內的交通流及煙霧、一氧化碳濃度變化，從而提前準確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E21F1/08GK101235724SQ20081004535
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, 王明年, 曾艷華, 勇 方, 楊玉容, 瑞 郭 申請人:西南交通大學