淺析高速公路隧道通風照明節能環保控制
隧道是埋置于地層內的工程建筑物，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能環保控制方案。
摘要：結合我國公路隧道通風照明技術的要求，以先進的控制和優化理論為基礎，對公路隧道通風照明技術及動態控制策略進行深入研究，建立隧道通風照明節能綜合系統，并提出一些行之有效的節能環保措施。
關鍵詞：公路隧道;通風;照明;節能
0 引言
高速公路隧道的交通安全與節能環保問題是現今我國公路隧道運營管理中的一項重要內容，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和照明系統。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能環保綜合控制技術，并建立隧道通風照明系統控制方案。
1 隧道通風節能環保控制方案
1.1系統概述
隧道內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。隧道的通風監控分三個層次，上層是中央計算機系統(本地控制中心)，中間是由各區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 隧道通風監控系統
1.2系統構成
本系統由監控分中心工作站、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，由本地控制器 采集數據，監控系統將 檢測數據與標準值進行比較，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。
通風控制子系統采用在隧道變電站集中控制的方式，現場所有隧道內設置的風機軟啟動器通過現場設備網絡連在一起，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。監控系統在隧管所及值班室設有監控管理計算機、本地控制器，在隧道內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。
監控系統自動控制風機是將一個斷面上的兩臺風機同時進行控制，由通風系統返回每組風機的狀態信號，即風機的正轉、反轉、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，考慮到其大滯后、強非線性等特點，需要尋找優化的控制方案，以最小的控制動作高效的完成控制目標，實現節能目的'。智能控制以具有高度非線性和不確定性的系統為研究對象，主要用來解決傳統控制方法難以解決的復雜系統的控制問題。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構和先進的優化控制算法來提高控制品質。
隧道的通風系統是一個復雜的、多變量、非線性系統，建立精確、合適的動態模型是對其進行性能分析、控制及優化研究的重要前提和基礎。近年來，許多新型的建模方法和建模工具被提出，基于現場數據的神經網路建模方法就是其中之一。隧道監控系統中存儲著大量的實時數據，這些數據反映了系統最真實的信息，可以利用這些數據對其進行神經網絡建模。建模過程如圖所示：
圖2 隧道通風系統神經網絡建模過程
2 隧道通風節能環保措施
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。保持隧道內環境指標在標準范圍內。隧道內 CO 正常運營時允許濃度：CO濃度<250ppm，交通阻滯(隧道內各車道均以怠速行駛，平均車速為 10Km/h)時可為 300ppm，經歷時間不超過 20min;隧道內煙霧允許濃度為 7.0×10-3(m-1) ;隧道內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，需要運行穩定后再停止。風機在運行中如果需要反轉必須先停止后再啟動反轉;風機的啟閉次數不應過頻，防止風機出現振蕩現象。
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;②不能同時啟動/停止超過兩個以上的風機;③風機啟動命令發出之后，風機的反饋狀態也將被加以檢查.當風機的反饋狀態被確認，風機的啟動完成。如果風機的反饋狀態不能被確認，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 隧道照明節能環保控制方案
3.1系統構成
隧道照明控制系統由監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、箱式變電站內本地控制器、光強檢測器、照明控制柜、隧道內燈具、連接電纜等組成。監控分中心計算機、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，并且預留監控裝置遙控、遙信的條件，提供控制通信接口，監控系統在隧道管理所及值班室設有工作站、本地控制器等設備。
照明系統應具有洞內燈泡亮度不足的報警功能，即能夠通過洞內光強儀采集數據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據采集，通過以太網(EtherNetIP)連接及軟件的IOServer與計算機通訊，采集工作狀態，并上傳到中心控制系統，由中心控制系統根據光強控制參數進行隧道照明控制，達到對隧道的實時監視。
通常，車行橫洞內的照明燈處于熄滅狀態，以便節約能源。當發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狀態，狀態信息和控制命令經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。隧道照明節能控制主要包含兩方面：最優化計算照明需求;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。
照明節能控制算法具有靈活健壯的結構，不同的應用情況調用不同的算法構件，每個算法構件都有自己獨立響應及觸發條件。
表1 照明控制算法結構表
序號 構件 功能及響應條件 優先級 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外的亮度參數，由計算機系統或照明控制器自動控制各個照明回路的開關。
4 隧道照明安全節能措施
目前大多數隧道均考慮了照明系統的設計，多采用傳統照明方式，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、實行集中調光控制等方法，雖有一定的節能效果，但在實際運行中還是存在著電能的浪費、新技術應用率較低等問題。主要表現在照明燈具能耗高、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展潛力的節能環保技術，具有響應快速、高光效、高顯色性、結構牢固、不怕震動、工作電壓低、電流小、方向性好、運行成本低等優點。尤其是其使用壽命可以長達十萬小時，傳統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
若隧道無常規供配電電網系統，特別是偏遠山區的短隧道，可采用太陽能光伏發電技術進行供電，這樣也可大大節約常規供配電電網建設費用。采用太陽能光伏發電系統作隧道交通安全誘導系統的供電來源，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。風力發電作為一種環保、經濟且可持續發展的新能源生產方式，應用前景十分廣闊，對其合理利用也可給隧道供電。若將兩者結合起來，使隧道的照明采用太陽能和風能發電互補離網供電系統，不僅節省電能，還可相對提高照明燈的使用壽命。
5 結束語
安全、環保、經濟、節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的推動下，各種新穎智能優化策略被相繼提出，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、穩定且有效的優化技術相結合已經成為智能控制系統的一個重要發展方向。
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[M].北京:機械工業出版社,2008
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