本發(fā)明涉及隧道施工通風控制，尤其是涉及一種三段式隧道施工通風控制方法。

背景技術：

隧道施工過程中，炸藥爆破和機械運轉(zhuǎn)等會對隧道內(nèi)的空氣產(chǎn)生污染，引起作業(yè)環(huán)境惡劣、影響施工人員健康、降低施工效率等一系列問題。傳統(tǒng)的隧道通風控制由人工完成。通風工根據(jù)隧道內(nèi)工作環(huán)境狀況，給隧道(斜井、橫洞)入口處的風機司機發(fā)送指令，設定風機相應的工作頻率?，F(xiàn)有的隧道施工通風自動控制系統(tǒng)采用傳感器采集工作空間范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，然后采用PID類(包括PID、模糊PID等)算法實現(xiàn)參數(shù)設定值的閉環(huán)控制。其中，傳感器的安裝位置根據(jù)計算流體力學模擬軟件(例如FLUENT、PHOENICS、STAR-CD、CFX等)給出的隧道內(nèi)的流場分布情況確定。然而，模擬軟件的計算結果受參數(shù)影響較大。而且，模擬出的最佳位置未必適合現(xiàn)場的安裝。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術不足，提出了一種三段式隧道施工通風控制方法。第一階段為全速通風階段，可以迅速改善掌子面環(huán)境狀況，縮短工人進場時間。

本發(fā)明所采用的技術方案：

一種三段式隧道施工通風控制方法，采用階段式通風控制實現(xiàn)隧道施工通風的自動化控制，其中，第一階段為全速通風階段：在爆破結束后，風機進入全速通風階段，即工作于最大運行頻率，盡快將爆破產(chǎn)生的粉塵和有毒氣體吹出人員集中的工作區(qū)域；第二階段為自動調(diào)節(jié)階段：當粉塵和有毒氣體峰值越過防水板臺架后，風機進入自動調(diào)節(jié)階段，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法逐漸將風機運行頻率調(diào)節(jié)至滿足現(xiàn)場需風量的最低風速；第三階段為最低風速運行階段，風機工作于最小運行頻率(根據(jù)相關規(guī)范和標準計算)，直至下一次爆破的到來。

所述的三段式隧道施工通風控制方法，全速運行階段由安裝于防水板臺架上的沖擊波傳感器激發(fā)；在沖擊波傳感器探測到爆破完成后，即在一定時間的延遲后，進入全速運行階段；全速運行階段一直持續(xù)到有害氣體濃度峰值通過防水板臺架為止。

所述的三段式隧道施工通風控制方法，自動調(diào)節(jié)階段，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型，該模型針對采集的傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場通風工人得出的風機運行頻率數(shù)值進行學習，得到現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的控制規(guī)律；所述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型包括學習階段和正常工作階段：在學習階段，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型對樣本輸入(經(jīng)過預處理后的傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù))和學習目標(通風工給出的通風機運行頻率)進行學習后，將學習得到的連接權值保存起來，用于計算；在工作階段，現(xiàn)場實時采集的隧道施工環(huán)境參數(shù)經(jīng)過預處理后輸入學習好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡根據(jù)學習好的經(jīng)驗，計算得到相應的風機運行頻率值。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明三段式隧道施工通風控制方法，第一階段為全速通風階段，迅速改善掌子面環(huán)境狀況，縮短工人進場時間；第二階段為自動調(diào)節(jié)階段，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法實現(xiàn)風機頻率的自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)風機調(diào)節(jié)的自動化；第三階段為最小風速恒速運行，通過理論計算給出當前掘進長度的最小給風量，保持空氣流通。

2、本發(fā)明三段式隧道施工通風控制方法，自動調(diào)節(jié)功能由一個模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型完成，該模型針對采集的傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場通風工人得出的風機運行頻率數(shù)值進行學習，得到現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的控制規(guī)律。這種基于機器學習的控制算法解決了傳感器位置選擇的難題和傳感器數(shù)值定量分析的困難?？朔爽F(xiàn)有技術計算流體動力學模擬軟件運算結果敏感于設定參數(shù)、隧道施工通風環(huán)境參數(shù)難以定理準確檢測等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三段式隧道施工通風控制方法原理圖；

圖2為通過模擬分析得到的離掌子面100米(防水板臺架所處位置)處，各垂直高度的CO濃度分布曲線。

具體實施方式

下面通過具體實施方式，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

實施例1

參見圖1，本發(fā)明提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法的三段式隧道施工通風控制方法，其原理如圖1所示。

其中，控制系統(tǒng)由位于控制室的監(jiān)控柜、位于襯砌臺車的現(xiàn)場控制柜、防水板臺架的無線端和防水板臺架前端的傳感器網(wǎng)絡構成。三段式隧道施工通風控制算法運行于監(jiān)控柜中。

本發(fā)明三段式隧道施工通風控制方法，采用階段式通風控制實現(xiàn)隧道施工通風的自動化控制，第一階段：爆破結束后，風機進入全速通風階段，在最大運行頻率(通常為50Hz)下盡快將爆破產(chǎn)生的粉塵和有毒氣體吹出隧道；第二階段：當粉塵和有毒氣體峰值越過防水板臺架后，風機進入自動調(diào)節(jié)階段，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法的計算下逐漸將風機運行頻率調(diào)節(jié)至最低風速；第三階段：風機保持在最小運行頻率運行，直至下一次爆破的到來。

實施例2

參見圖1、圖2，本實施例的三段式隧道施工通風控制方法，與實施例1的不同之處在于：進一步的，全速運行階段由安裝于防水板臺架上的沖擊波傳感器激發(fā)。在沖擊波傳感器探測到爆破完成后，即在一定時間的延遲后，進入全速運行階段。

如圖2所示為通過模擬分析得到的離掌子面100米(防水板臺架所處位置)處，各垂直高度的CO濃度分布曲線。從圖2中可以得到如下結論：1)在通風條件下，氣體濃度在軸向呈高斯分布；2)當氣體濃度峰值通過防水板臺架后，掌子面與防水板之間(主要的作業(yè)區(qū)間)的空氣質(zhì)量將轉(zhuǎn)好。因此全速運行階段一直持續(xù)到有害氣體濃度峰值通過防水板臺架為止。

實施例3

參見圖1、圖2，本實施例的三段式隧道施工通風控制方法，與實施例1或?qū)嵤├?的不同之處在于：自動調(diào)節(jié)階段，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型，自動調(diào)節(jié)功能由圖1中所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型完成。該模型針對采集的傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場通風工人得出的風機運行頻率數(shù)值進行學習，得到現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的控制規(guī)律；所述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型包括學習階段和正常工作階段：在學習階段，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型對樣本輸入(經(jīng)過預處理后的傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù))和學習目標(通風工給出的通風機運行頻率)進行學習后，將學習得到的連接權值保存起來，用于計算；在工作階段，現(xiàn)場實時采集的隧道施工環(huán)境參數(shù)經(jīng)過預處理后輸入學習好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡根據(jù)學習好的經(jīng)驗，計算得到相應的風機運行頻率值。

通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型對采集的傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場通風工人得出的風機運行頻率數(shù)值進行學習，得到現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的控制規(guī)律。這種基于機器學習的控制算法解決了傳感器位置選擇的難題和傳感器數(shù)值定量分析的困難。

實施例4

參見圖1、圖2，本實施例的三段式隧道施工通風控制方法，與實施例3的不同之處在于：傳感器網(wǎng)絡布局如圖1右下角所示。五個傳感器通過modbus總線與無線端相連。每個傳感器同時采集所在位置的CO濃度、NO₂濃度、O₂含量、溫度和濕度。所有傳感器的數(shù)據(jù)構成一個25行t(時間采樣點)列的矩陣S_25×t。同時現(xiàn)場通風工人根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實際情況，發(fā)出風機運行頻率指令，并記錄該頻率值B_1×t。采用PCA方法對矩陣S_25×t進行預處理，得到降維矩陣矩陣與S_25×t的關系如式(1)所示。

$S_{n\×t}^{*}=P\×S_{25\×t}---\left(1\right)$

其中，n<<25；矩陣P為變換矩陣。將矩陣作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的學習輸入，將頻率值B_1×t作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的學習目標，對該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，得到學習收斂網(wǎng)絡模型。設傳感器網(wǎng)絡新采集一組數(shù)據(jù)位d_25×1，則根據(jù)公式(1)，可以計算得到

$d_{n\&times;1}^{*}=P\&times;d_{25\&times;1}---\left(2\right)$

將輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，即可得到相對應的風機運行頻率b。

實施例5

參見圖1、圖2，本實施例的三段式隧道施工通風控制方法，與實施例4的不同之處在于：根據(jù)隧道施工通風規(guī)程要求，隧道內(nèi)最小通風速率應該達到0.15m/s。因此，最低風速運行階段的恒定風速計算如下：

1)首先根據(jù)式(3)計算隧道施工通風的最小需風量Q₀

Q₀＝q×m×k (3)

其中，q為每人每分鐘呼吸所需新鮮空氣量；m為洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)；k為風量備用系數(shù)(取1.15)。

2)根據(jù)式(4)計算風機出風口風量Q_f

$Q_f=\frac{Q_0}{{(1-\mathrm{\&beta;})}^{L/100}}---\left(4\right)$

其中，β為百米漏風率(0.01-0.02)；L為通風距離。

3)根據(jù)式(5)計算風機功率h

$\frac{Q_{f1}}{Q_f}=\frac{p_1}{p_2}=\frac{\sqrt{h_1}}{\sqrt{h}}---\left(5\right)$

其中，Q_f1為風機最大風量；p₁為最大風量對應的功率；h₁為最大風量對應的頻率；p₂為實際風量對應的功率；h為當前風量對應的頻率。

隧道施工過程中，洞內(nèi)人員數(shù)量相對穩(wěn)定，可以設定一個大于1的系數(shù)，保證隧道施工過程中的需風量。隧道風機的最低運行頻率與隧道通風距離L成正比。根據(jù)公式(3)-(5)，計算當前工況下所需的最小通風量。

在最低風速運行階段，如果模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的計算值低于該最低頻率值時，就按照最低頻率值進行通風；否則，采用實際計算值進行通風。