淺析高速公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保控制
隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。隧道可分為交通隧道，水工隧道，市政隧道，礦山隧道。下文研究了高速公路隧道通風照明的節(jié)能環(huán)�？刂品桨浮�
摘要：結(jié)合我國公路隧道通風照明技術(shù)的要求，以先進的控制和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，對公路隧道通風照明技術(shù)及動態(tài)控制策略進行深入研究，建立隧道通風照明節(jié)能綜合系統(tǒng)，并提出一些行之有效的節(jié)能環(huán)保措施。
關(guān)鍵詞：公路隧道;通風;照明;節(jié)能
0 引言
高速公路隧道的交通安全與節(jié)能環(huán)保問題是現(xiàn)今我國公路隧道運營管理中的一項重要內(nèi)容，如何在確保行車安全的前提下，提高隧道運營效率、降低能源消耗，成為隧道科研設計、建設和運營單位急需解決的問題。公路隧道運營過程中能耗巨大，其中包括隧道通風系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。本文充分考慮山西省的實際情況，談談公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保綜合控制技術(shù)，并建立隧道通風照明系統(tǒng)控制方案。
1 隧道通風節(jié)能環(huán)�？刂品桨�
1.1系統(tǒng)概述
隧道內(nèi)汽車排放的廢氣使得行駛時帶起路面上的煙氣和粉塵不易擴散，對人體非常有害，也影響行車安全，因此隧道內(nèi)保持良好的空氣通風是行車安全的必要條件。隧道的通風監(jiān)控分三個層次，上層是中央計算機系統(tǒng)(本地控制中心)，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層是風機和各種檢測設備(風速風向檢測器、車輛檢測器、能見度檢測器、CO濃度檢測器、亮度檢測器等)。
圖1 隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)
1.2系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)由監(jiān)控分中心工作站、隧管所管理計算機、隧道本地控制器、通風控制柜、隧道內(nèi)風機軟啟動器、CO /VI檢測器、連接電纜、電源電纜等組成。CO /VI檢測器設在隧道內(nèi)，由本地控制器 采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)將 檢測數(shù)據(jù)與標準值進行比較，并通過隧道本地控制器和風機電子軟啟動器控制風機的啟停。
通風控制子系統(tǒng)采用在隧道變電站集中控制的方式，現(xiàn)場所有隧道內(nèi)設置的風機軟啟動器通過現(xiàn)場設備網(wǎng)絡連在一起，然后接入到隧管所及值班室的本地控制器(PLC 設備)，對風機的控制是通過變電站的 PLC完成的。監(jiān)控系統(tǒng)在隧管所及值班室設有監(jiān)控管理計算機、本地控制器，在隧道內(nèi)布設本地控制器設備，并與風機相應控制設備相連，以保證對風機的遙控。
監(jiān)控系統(tǒng)自動控制風機是將一個斷面上的兩臺風機同時進行控制，由通風系統(tǒng)返回每組風機的狀態(tài)信號，即風機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、故障等信號，輸入輸出之間應該有相應的電磁隔離措施。
1.3智能拓展
長大隧道的隧道通風控制系統(tǒng)，考慮到其大滯后、強非線性等特點，需要尋找優(yōu)化的控制方案，以最小的控制動作高效的完成控制目標，實現(xiàn)節(jié)能目的'。智能控制以具有高度非線性和不確定性的系統(tǒng)為研究對象，主要用來解決傳統(tǒng)控制方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題。對于中長隧道的通風控制，一方面可以從改善控制對象的建模方法入手，采用具有優(yōu)秀自學習能力的模型辨識方法，以提高控制器輸出的有效性。另一方面可以采用新型的控制結(jié)構(gòu)和先進的優(yōu)化控制算法來提高控制品質(zhì)。
隧道的通風系統(tǒng)是一個復雜的、多變量、非線性系統(tǒng)，建立精確、合適的動態(tài)模型是對其進行性能分析、控制及優(yōu)化研究的重要前提和基礎(chǔ)。近年來，許多新型的建模方法和建模工具被提出，基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)路建模方法就是其中之一。隧道監(jiān)控系統(tǒng)中存儲著大量的實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)最真實的信息，可以利用這些數(shù)據(jù)對其進行神經(jīng)網(wǎng)絡建模。建模過程如圖所示：
圖2 隧道通風系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡建模過程
2 隧道通風節(jié)能環(huán)保措施
2.1在進行通風方案設計中，考慮采用靜電除塵器，濾煙除塵，以取消或減少豎(斜)井，降低土建、設備費用和運營費用。靜電除塵器在日本、挪威等公路隧道中已有成熟應用。保持隧道內(nèi)環(huán)境指標在標準范圍內(nèi)。隧道內(nèi) CO 正常運營時允許濃度：CO濃度<250ppm，交通阻滯(隧道內(nèi)各車道均以怠速行駛，平均車速為 10Km/h)時可為 300ppm，經(jīng)歷時間不超過 20min;隧道內(nèi)煙霧允許濃度為 7.0×10-3(m-1) ;隧道內(nèi)風速正常運營時推薦為 10m/s。
2.2隧道風機應具有運行時間統(tǒng)計功能;因風機起動瞬間沖擊電流很大，故各臺風機的啟動應有短暫的延時，以減少對變電站供電的沖擊。風機啟動后不能馬上停止，需要運行穩(wěn)定后再停止。風機在運行中如果需要反轉(zhuǎn)必須先停止后再啟動反轉(zhuǎn);風機的啟閉次數(shù)不應過頻，防止風機出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。
2.3在啟動風機和停止一個當前工作的風機之前，下列因素需要考慮：①為了在風機啟動時防止浪涌功率，控制算法中引入滯后函數(shù);②不能同時啟動/停止超過兩個以上的風機;③風機啟動命令發(fā)出之后，風機的反饋狀態(tài)也將被加以檢查.當風機的反饋狀態(tài)被確認，風機的啟動完成。如果風機的反饋狀態(tài)不能被確認，認為風機控制命令失敗。風機命令失敗警告功能也將在控制器工作站開始，并且被登錄到警報打印機。
3 隧道照明節(jié)能環(huán)保控制方案
3.1系統(tǒng)構(gòu)成
隧道照明控制系統(tǒng)由監(jiān)控分中心控制工作站、隧道管理所及值班室控制工作站、隧道管理所及值班室本地控制器、箱式變電站內(nèi)本地控制器、光強檢測器、照明控制柜、隧道內(nèi)燈具、連接電纜等組成。監(jiān)控分中心計算機、隧道本地控制器都可進行照明控制，在隧道至隧道管理所及值班室的通信出現(xiàn)故障時，可直接在本地控制器上操作，以保證隧道正常運營。
照明系統(tǒng)設計將在隧道變電站設照明控制柜等設備，能完成本地的人工控制，并且預留監(jiān)控裝置遙控、遙信的條件，提供控制通信接口，監(jiān)控系統(tǒng)在隧道管理所及值班室設有工作站、本地控制器等設備。
照明系統(tǒng)應具有洞內(nèi)燈泡亮度不足的報警功能，即能夠通過洞內(nèi)光強儀采集數(shù)據(jù)與設定值比較后提示維護部門更換燈具。對于中長隧道可設置光強檢測器，分別安裝在左右線隧道進口外的門架上，檢測器鏡頭朝向洞口安裝，模擬司乘人員的視角，檢測洞口外亮度值，光強檢測器的輸出通過 PLC 的模擬量輸入通道進行數(shù)據(jù)采集，通過以太網(wǎng)(EtherNetIP)連接及軟件的IOServer與計算機通訊，采集工作狀態(tài)，并上傳到中心控制系統(tǒng)，由中心控制系統(tǒng)根據(jù)光強控制參數(shù)進行隧道照明控制，達到對隧道的實時監(jiān)視。
通常，車行橫洞內(nèi)的照明燈處于熄滅狀態(tài)，以便節(jié)約能源。當發(fā)生火災或者檢修隧道時，可由隧道管理站遠程控制開啟或者本地手動開啟。其與車行橫洞卷簾門處于互聯(lián)狀態(tài)，狀態(tài)信息和控制命令經(jīng)本地控制器傳至隧道管理站。
3.2控制算法
隧道照明最根本目的是滿足司機視覺要求。隧道照明節(jié)能控制主要包含兩方面：最優(yōu)化計算照明需求;實時精確的輸出照明控制。影響照明控制的輸入因素復雜，主要有：交通量、洞外亮度、時間因素、外部事件等。交通量越大，照明需求越大;洞外亮度越大，造成洞內(nèi)洞外亮度比越大，照明需求越大。外部事件主要包含交通事故、隧道維護、人工外部指令等。
照明節(jié)能控制算法具有靈活健壯的結(jié)構(gòu)，不同的應用情況調(diào)用不同的算法構(gòu)件，每個算法構(gòu)件都有自己獨立響應及觸發(fā)條件。
表1 照明控制算法結(jié)構(gòu)表
序號 構(gòu)件 功能及響應條件 優(yōu)先級 備注
1 手動控制 手動功能 3 最高
2 事件響應 事故等緊急照明預案輸出 2
3 自動控制 依據(jù)洞外照度及交通量等 1
4 時序控制 傳感器信號故障 0
一般地，手動控制方式主要用于公路等級低、隧道長度短的隧道，由人工開關(guān)不同的照明回路。時序控制方式采用時序控制器控制隧道照明的各個回路，多見于照明回路較少的短隧道。自動控制方式是利用光照度計分別采集隧道內(nèi)外的亮度參數(shù)，由計算機系統(tǒng)或照明控制器自動控制各個照明回路的開關(guān)。
4 隧道照明安全節(jié)能措施
目前大多數(shù)隧道均考慮了照明系統(tǒng)的設計，多采用傳統(tǒng)照明方式，偏于保守。迫于運營和維護成本過高，不少隧道僅開啟其中的1/2到1/4左右的燈具，造成隧道內(nèi)光線較暗、亮暗交錯不均勻，使行車者的視覺極不舒服。另外，一些隧道通過改變布燈方式、實行集中調(diào)光控制等方法，雖有一定的節(jié)能效果，但在實際運行中還是存在著電能的浪費、新技術(shù)應用率較低等問題。主要表現(xiàn)在照明燈具能耗高、控制方式智能化水平低、忽視照明顯色性與照度之間的關(guān)系、未定量考慮隧道照明的全壽命周期成本[1]等方面。
4.1隧道照明光源的選擇
照明光源一般分為白熾燈、氣體放電燈和其他電光源三大類。目前較為環(huán)保的照明光源主要有高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、高壓汞燈、電磁感應燈和LED燈等。LED燈作為一種新型的半導體光源，是公認的當今最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能環(huán)保技術(shù)，具有響應快速、高光效、高顯色性、結(jié)構(gòu)牢固、不怕震動、工作電壓低、電流小、方向性好、運行成本低等優(yōu)點。尤其是其使用壽命可以長達十萬小時，傳統(tǒng)的光源在這方面無法與之相比，因此，在一些維護和換燈困難的場合，使用LED作為光源，可大大降低人工費用。
4.2新能源供電方式的使用
若隧道無常規(guī)供配電電網(wǎng)系統(tǒng)，特別是偏遠山區(qū)的短隧道，可采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進行供電，這樣也可大大節(jié)約常規(guī)供配電電網(wǎng)建設費用。采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作隧道交通安全誘導系統(tǒng)的供電來源，其輸電投資成本主要包括太陽能電池組、儲能裝置(蓄電池組)、直流—交流逆變器、控制裝置、連接裝置和輸電隧道誘導設施等的購置與安裝費用。風力發(fā)電作為一種環(huán)保、經(jīng)濟且可持續(xù)發(fā)展的新能源生產(chǎn)方式，應用前景十分廣闊，對其合理利用也可給隧道供電。若將兩者結(jié)合起來，使隧道的照明采用太陽能和風能發(fā)電互補離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不僅節(jié)省電能，還可相對提高照明燈的使用壽命。
5 結(jié)束語
安全、環(huán)保、經(jīng)濟、節(jié)能是當前公路建設追求的目標，在公路隧道運營管理中尤顯突出。近年來，在計算機和人工智能等技術(shù)的推動下，各種新穎智能優(yōu)化策略被相繼提出，為解決復雜問題提供了新的思路和手段。將先進的智能控制方法與快速、穩(wěn)定且有效的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為智能控制系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。
參考文獻：
[1]趙忠杰.公路隧道機電工程[M].北京:人民交通出版社,2007
[2]劉木清,周小麗.照明自動控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008
【淺析高速公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保控制】相關(guān)文章：
3.淺析工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的研究與節(jié)能應用