基于環(huán)境預(yù)測的公路隧道通風(fēng)前饋控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于公路隧道技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于環(huán)境預(yù)測的隧道通風(fēng)前饋控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)外在隧道通風(fēng)自動(dòng)控制中采用的主要方法有程序控制法、直接控制法和 間接控制法。
[0003] 程序控制法不考慮煙塵(VI)、C0濃度及交通流的變化情況，而是按時(shí)間區(qū)間（如白 晝與夜晚，節(jié)假日與平時(shí))預(yù)先編成程序來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其實(shí)質(zhì)是時(shí)序控制，通過統(tǒng)計(jì)歷 史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。此法一定程度上可W節(jié)省檢測單元費(fèi)用，但因不考慮 C0濃度值、VI值W及交通流的變化情況，僅按時(shí)間區(qū)間預(yù)先編制程序來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，缺乏 預(yù)測功能，其時(shí)序一經(jīng)確定，更改比較麻煩。程序控制法需要實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營較長時(shí)間不 斷修正參數(shù)來產(chǎn)生一套成熟的控制策略，但是隧道內(nèi)的交通流和其它參數(shù)不斷變化，造成 控制效率和可靠性低下等問題。
[0004] 直接控制法是通過分布在隧道內(nèi)各點(diǎn)的VI傳感器和C0濃度傳感器，直接檢測行駛 隧道內(nèi)VI和C0濃度值，將隧道內(nèi)當(dāng)前的污染濃度(VI值和C0值)與控制目標(biāo)值進(jìn)行比較，W 不超過目標(biāo)值為原則，經(jīng)計(jì)算處理后，給出控制信號(hào)，對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。該 控制方法的局限在于沒有考慮隧道通風(fēng)過程中交通流、污染物擴(kuò)散等原因造成的隧道通風(fēng) 過程中的不穩(wěn)定性。同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無追蹤性，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長。直接控制法無預(yù)測功能，與 實(shí)態(tài)常產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，對(duì)于城市公路隧道，由于隧道通風(fēng)需求隨時(shí)間變化很快，城市隧道通 風(fēng)實(shí)時(shí)性要求更高，僅采用直接控制法不能完全滿足需要。
[000引間接控制法是將隧道內(nèi)車速、車長、交通流和車型等參數(shù)作為輸入量，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算 后確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。間接控制法是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，在抗擾動(dòng)和抗參數(shù)變動(dòng)方面的性能 不如閉環(huán)反饋式的控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于環(huán)境預(yù)測的公路隧道通風(fēng) 前饋控制方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)，保證行車安全。
[0007] 本發(fā)明提供了一種基于環(huán)境預(yù)測的公路隧道通風(fēng)前饋控制方法，包括W下步驟：
[0008] A.隧道內(nèi)的傳感器采集隧道中C0濃度、VI的濃度和交通流的即時(shí)信息傳遞至監(jiān)控 中屯、計(jì)算機(jī)，并將上述即時(shí)信息作為C0濃度、VI的濃度和交通流的實(shí)測值；
[0009] B.將C0濃度、VI濃度和交通流的即時(shí)信息作為η時(shí)段的狀態(tài)量寫入歷史數(shù)據(jù)庫；
[0010] C.將η時(shí)段的交通流代入隧道交通流數(shù)據(jù)預(yù)測模型預(yù)測出η+1時(shí)段的交通流；
[0011] D.通過空氣動(dòng)力學(xué)模型和污染物模型計(jì)算得到η時(shí)段和η+1時(shí)段C0濃度和VI濃度 的理論值；
[0012] Ε.通過所測得的C0濃度和VI的濃度實(shí)測值、η時(shí)段和η+1時(shí)段C0濃度和VI濃度的理 論值計(jì)算得出CO濃度和VI濃度的預(yù)測增量；
[0013] F.將C0濃度和VI濃度的預(yù)測增量輸入至模糊控制器，模糊控制器的處理計(jì)算得到 風(fēng)機(jī)變化臺(tái)數(shù)，并將其作為控制量輸出至現(xiàn)場區(qū)域控制器；
[0014] G.現(xiàn)場區(qū)域控制器根據(jù)控制量控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)或停止。
[0015] 所述步驟C中的隧道交通流數(shù)據(jù)預(yù)測模型為：
[0016] y化+1) =f (y化），y化-1)，y化-2)，...）
[0017] 式中的f是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，f中的變量為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，預(yù)測值為對(duì)應(yīng) 的輸出。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型中，輸入數(shù)據(jù)共4組：當(dāng)前數(shù)據(jù)3組，即隧道入口處檢測計(jì)測 得的n、n-l、n-2時(shí)刻交通量數(shù)據(jù)；W及歷史數(shù)據(jù)1組，即n+1時(shí)刻的歷史平均值;其輸出數(shù)據(jù)1 組，即n+1時(shí)刻的預(yù)測值。
[0018] 所述步驟D中包括W下步驟：
[0019] a.根據(jù)下列公式計(jì)算出C0的排放強(qiáng)度Qc。和VI的排放強(qiáng)度斯1:
[0020]
[0021] 其中，Q。。為隧道全長C0排放量(m3/s);q。。為設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的C0基準(zhǔn)排放量(m3/ veh · km);fa為考慮CO的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);f功考慮CO的海拔高度系數(shù);fm為考慮 C0的車型系數(shù);fiv為考慮C0的縱坡一車速系數(shù);η為車型類別數(shù);Nm為相應(yīng)車型的交通量 (veh/h)；
[0022]
[002引其中，Qvi為隧道VI排放量(m2/s);qv功設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的VI基準(zhǔn)排放量[mV(veh· km)]; fa仍)為考慮VI的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);fh(vi)為考慮VI的海拔高度系數(shù);fiv仍)為 考慮VI的縱坡一車速系數(shù);L為隧道長度(m);fmrn)為考慮VI的柴油車車型系數(shù);郵為柴油車 車型類別數(shù);Nd為相應(yīng)車行的交通量(veh/h);
[0024] b.通過下列公式計(jì)算出稀釋CO的需風(fēng)量和VI的需風(fēng)量；
[0025]
[0026] 其中，Qreq(co)為隧道稀釋C0的需風(fēng)量(mVs);Qc。為隧道C0排放量(mVs);S為C0濃 度;P。為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓化N/m2)，取101.325kN/m2; P為隧址大氣壓化N/m2); T。為標(biāo)準(zhǔn)氣溫化），取 273Κ;Τ為隧址夏季氣溫化）；
[0027]
[0028] 其中，Qreq仍歷隧道全長稀釋VI的需風(fēng)量(mVs) ;Κ為VI設(shè)計(jì)濃度(nfi);
[0029] C.將稀釋CO的需風(fēng)量和VI的需風(fēng)量代入空氣動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出風(fēng)速vr:
[0030] d.通過下列的污染物模型計(jì)算出C0濃度和VI濃度的理論值
[0031]
[003引其中C0為隧道入口處C0或VI的初始濃度，vr為風(fēng)速，q為C0或VI的排放強(qiáng)度。
[0033] 所述步驟E分為W下步驟：
[0034] (1)將由空氣動(dòng)力學(xué)模型和污染物模型計(jì)算得到C0和VI的η時(shí)段理論濃度A1和n+1 時(shí)段理論濃度為B1分別代入公式(a),計(jì)算出CO和VI的預(yù)測增量，
[0035] 預(yù)測增量=A2X(B1-A1)/A1 (a);
[0036] (2)將計(jì)算出的預(yù)測增量代入公式(b)和(c)，計(jì)算出CO和VI的濃度控制偏差Δ CO 和 Δ VI，
[0037] Δ CO = CO測量值-CO目標(biāo)值+C0預(yù)測增量（b);
[003引 ΔVI=VI測量值-VI目標(biāo)值+VI預(yù)測增量 （c);
[0039] 其中，CO、VI測量值是由CO/VI傳感器測得的隧道內(nèi)CO、VI的實(shí)測值，CO、VI目標(biāo)值 是隧道內(nèi)C0和VI濃度的控制目標(biāo)，C0、VI預(yù)測增量即為前饋信號(hào)。
[0040] 所述步驟F中模糊控制器的計(jì)算步驟如下：
[0041] a.將C0、VI的濃度控制偏差、投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)變化臺(tái)數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬度 函數(shù)，所述隸屬度函數(shù)為下表所示：
[0042]
[0043] b.根據(jù)所述隸屬度函數(shù)，結(jié)合隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)實(shí)際情況，在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建 立如下模糊規(guī)則：
[0044]
[004引C.所述模糊規(guī)則根據(jù)每個(gè)采樣時(shí)刻的C0和VI控制變差的模糊量輸入，依據(jù)模糊關(guān) 系進(jìn)行模糊推理得到控制作用，輸出投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)變化臺(tái)數(shù)的模糊量；
[0046] d.將所述模糊量進(jìn)行去模糊化后確定系統(tǒng)輸出的投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)變化臺(tái)數(shù)。
[0047] 所述隸屬度函數(shù)對(duì)于輸入變量選用Ξ角形隸屬函數(shù)，對(duì)于輸出變量選用正態(tài)隸屬 函數(shù)。
[004引所述步驟C的模糊推理過程采用Mandani法。
[0049] 所述去模糊化采用重屯、法來進(jìn)行解模糊運(yùn)算，其計(jì)算公式如下：
[0050] 其中WcXci)為Ci的權(quán)系數(shù)。
[0051 ]本發(fā)明綜合了間接控制法與直接控制法的優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用了智能模糊控制技術(shù)，該 控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一種超前的閉環(huán)控制系統(tǒng)。隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)及多個(gè)變量的、 時(shí)變的、復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)，具有高度的不確定性，本發(fā)明W隧道的交通流預(yù)測模型為 關(guān)鍵，結(jié)合了隧道空氣動(dòng)力學(xué)模型、污染物擴(kuò)散模型、智能模糊控制算法與一體，通過對(duì)隧 道內(nèi)污染物濃度情況進(jìn)行超前預(yù)判，根據(jù)隧道內(nèi)污染物濃度實(shí)測結(jié)果，計(jì)算出系統(tǒng)的實(shí)際 輸出與期望輸出值的偏差來確定風(fēng)機(jī)的開啟數(shù)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行的隧道通風(fēng)控制系 統(tǒng)，保證行車安全，較之現(xiàn)有技術(shù)精確度更高。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行策略，通過風(fēng) 機(jī)的提前動(dòng)作，保證了隧道內(nèi)行車舒適性、提高了設(shè)備使用壽命、實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大程度的節(jié) 能。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053] 圖2是測試比較圖；
[0054] 圖3是考慮C0的海拔高度系數(shù)fh(CO)示意圖；
[0055] 圖4是考慮VI的海拔高度系數(shù)fh(VI)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，便于清楚地了解本發(fā) 明，但它們不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限定。
[0057] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于環(huán)境預(yù)測的公路隧道通風(fēng)前饋控制方法，包括 W下步驟：
[0058] A.隧道內(nèi)的傳感器采集隧道中C0濃度、VI的濃度和交通流(指在單位時(shí)間內(nèi)通過 道路指定斷面的車輛數(shù)量，單位是輛/小時(shí)或輛/日）的即時(shí)信息傳遞至監(jiān)控中屯、計(jì)算機(jī)，并 將上述即時(shí)信息作為C0濃度、VI的濃度和交通流的實(shí)測值；
[0059] B.將C0濃度、VI濃度和交通流的即時(shí)信息作為η時(shí)段的狀態(tài)量寫入歷史數(shù)據(jù)庫；
[0060] C.將η時(shí)段的交通流代入隧道交通流數(shù)據(jù)預(yù)測模型預(yù)測出η+1時(shí)段的交通流，所述 隧道交通流數(shù)據(jù)預(yù)測模型為：
[0061 ] y化+1) =f (y化），y化-1)，y化-2)，...）
[0062] 其中，f是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，f中的變量為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，預(yù)測值為對(duì)應(yīng)的 輸出。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型中，輸入數(shù)據(jù)共4組：當(dāng)前數(shù)據(jù)3組，即隧道入口處檢測計(jì)測得 的n、n-l、n-2時(shí)刻交通量數(shù)據(jù)；W及歷史數(shù)據(jù)1組，即η+1時(shí)刻的歷史平均值;其輸出數(shù)據(jù)1 組，即η+1時(shí)刻的預(yù)測值；
[0063] D.通過空氣動(dòng)力學(xué)模型和污染物模型分別計(jì)算得到η時(shí)段和η+1時(shí)段C0濃度和VI 濃度的理論值，其中CO濃度和VI濃度的理論值分別經(jīng)下列步驟計(jì)算得到：
[0064] a.根據(jù)下列公式計(jì)算出C0的排放強(qiáng)度Qc。和VI的排放強(qiáng)度斯1:
[0065]
[0066] 其中，Q。。為隧道全長C0排放量(m3/s);q。。為設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的C0基準(zhǔn)排放量(m3/ veh · km);fa為考慮CO的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);f功考慮CO的海拔高度系數(shù);fm為考慮 C0的車型系數(shù);fiv為考慮C0的縱坡一車速系數(shù);η為車型類別數(shù);Nm為相應(yīng)車型的交通量 (veh/h)，上述參數(shù)取值見下表和圖3:
[0067] 表1考慮C0的車況系數(shù)fa(vi)
[006 引
[0073] 表4考慮C0的縱坡--車速系數(shù)fiv
[0074]
[0077]其中，Qvi為隧道V巧敞量(mVs);qv功設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的VI基準(zhǔn)排放量[1112/(巾6}1· km)] ;fa(vi)為考慮VI的車況系數(shù);fd為車密度系數(shù);fh(vi)為考慮VI的海拔高度系數(shù);fiv(vi)為 考慮VI的縱坡一車速系數(shù);L為隧道長度(m); fmrn)為考慮VI的柴油車車型系數(shù);郵為柴油車 車型類別數(shù);Nd為相應(yīng)車行的交通量(veh/h)，上述參數(shù)取值見下表和圖4:
[007引表5考慮VI的車況系數(shù)fa(VI)
[0079]
[0080] 表6考慮V