浅析高速公路隧道通风照明节能环保控制
隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道，水工隧道，市政隧道，矿山隧道。下文研究了高速公路隧道通风照明的节能环保控制方案。
摘要：结合我国公路隧道通风照明技术的要求，以先进的控制和优化理论为基础，对公路隧道通风照明技术及动态控制策略进行深入研究，建立隧道通风照明节能综合系统，并提出一些行之有效的节能环保措施。
关键词：公路隧道;通风;照明;节能
0 引言
高速公路隧道的交通安全与节能环保问题是现今我国公路隧道运营管理中的一项重要内容，如何在确保行车安全的前提下，提高隧道运营效率、降低能源消耗，成为隧道科研设计、建设和运营单位急需解决的问题。公路隧道运营过程中能耗巨大，其中包括隧道通风系统和照明系统。本文充分考虑山西省的实际情况，谈谈公路隧道通风照明节能环保综合控制技术，并建立隧道通风照明系统控制方案。
1 隧道通风节能环保控制方案
1.1系统概述
隧道内汽车排放的废气使得行驶时带起路面上的烟气和粉尘不易扩散，对人体非常有害，也影响行车安全，因此隧道内保持良好的空气通风是行车安全的必要条件。隧道的通风监控分三个层次，上层是中央计算机系统(本地控制中心)，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层是风机和各种检测设备(风速风向检测器、车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、亮度检测器等)。
图1 隧道通风监控系统
1.2系统构成
本系统由监控分中心工作站、隧管所管理计算机、隧道本地控制器、通风控制柜、隧道内风机软启动器、CO /VI检测器、连接电缆、电源电缆等组成。CO /VI检测器设在隧道内，由本地控制器 采集数据，监控系统将 检测数据与标准值进行比较，并通过隧道本地控制器和风机电子软启动器控制风机的启停。
通风控制子系统采用在隧道变电站集中控制的方式，现场所有隧道内设置的风机软启动器通过现场设备网络连在一起，然后接入到隧管所及值班室的本地控制器(PLC 设备)，对风机的控制是通过变电站的 PLC完成的。监控系统在隧管所及值班室设有监控管理计算机、本地控制器，在隧道内布设本地控制器设备，并与风机相应控制设备相连，以保证对风机的遥控。
监控系统自动控制风机是将一个断面上的两台风机同时进行控制，由通风系统返回每组风机的状态信号，即风机的正转、反转、停止、故障等信号，输入输出之间应该有相应的电磁隔离措施。
1.3智能拓展
长大隧道的隧道通风控制系统，考虑到其大滞后、强非线性等特点，需要寻找优化的控制方案，以最小的控制动作高效的完成控制目标，实现节能目的'。智能控制以具有高度非线性和不确定性的系统为研究对象，主要用来解决传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。对于中长隧道的通风控制，一方面可以从改善控制对象的建模方法入手，采用具有优秀自学习能力的模型辨识方法，以提高控制器输出的有效性。另一方面可以采用新型的控制结构和先进的优化控制算法来提高控制品质。
隧道的通风系统是一个复杂的、多变量、非线性系统，建立精确、合适的动态模型是对其进行性能分析、控制及优化研究的重要前提和基础。近年来，许多新型的建模方法和建模工具被提出，基于现场数据的神经网路建模方法就是其中之一。隧道监控系统中存储着大量的实时数据，这些数据反映了系统最真实的信息，可以利用这些数据对其进行神经网络建模。建模过程如图所示：
图2 隧道通风系统神经网络建模过程
2 隧道通风节能环保措施
2.1在进行通风方案设计中，考虑采用静电除尘器，滤烟除尘，以取消或减少竖(斜)井，降低土建、设备费用和运营费用。静电除尘器在日本、挪威等公路隧道中已有成熟应用。保持隧道内环境指标在标准范围内。隧道内 CO 正常运营时允许浓度：CO浓度<250ppm，交通阻滞(隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为 10Km/h)时可为 300ppm，经历时间不超过 20min;隧道内烟雾允许浓度为 7.0×10-3(m-1) ;隧道内风速正常运营时推荐为 10m/s。
2.2隧道风机应具有运行时间统计功能;因风机起动瞬间冲击电流很大，故各台风机的启动应有短暂的延时，以减少对变电站供电的冲击。风机启动后不能马上停止，需要运行稳定后再停止。风机在运行中如果需要反转必须先停止后再启动反转;风机的启闭次数不应过频，防止风机出现振荡现象。
2.3在启动风机和停止一个当前工作的风机之前，下列因素需要考虑：①为了在风机启动时防止浪涌功率，控制算法中引入滞后函数;②不能同时启动/停止超过两个以上的风机;③风机启动命令发出之后，风机的反馈状态也将被加以检查.当风机的反馈状态被确认，风机的启动完成。如果风机的反馈状态不能被确认，认为风机控制命令失败。风机命令失败警告功能也将在控制器工作站开始，并且被登录到警报打印机。
3 隧道照明节能环保控制方案
3.1系统构成
隧道照明控制系统由监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、箱式变电站内本地控制器、光强检测器、照明控制柜、隧道内灯具、连接电缆等组成。监控分中心计算机、隧道本地控制器都可进行照明控制，在隧道至隧道管理所及值班室的通信出现故障时，可直接在本地控制器上操作，以保证隧道正常运营。
照明系统设计将在隧道变电站设照明控制柜等设备，能完成本地的人工控制，并且预留监控装置遥控、遥信的条件，提供控制通信接口，监控系统在隧道管理所及值班室设有工作站、本地控制器等设备。
照明系统应具有洞内灯泡亮度不足的报警功能，即能够通过洞内光强仪采集数据与设定值比较后提示维护部门更换灯具。对于中长隧道可设置光强检测器，分别安装在左右线隧道进口外的门架上，检测器镜头朝向洞口安装，模拟司乘人员的视角，检测洞口外亮度值，光强检测器的输出通过 PLC 的模拟量输入通道进行数据采集，通过以太网(EtherNetIP)连接及软件的IOServer与计算机通讯，采集工作状态，并上传到中心控制系统，由中心控制系统根据光强控制参数进行隧道照明控制，达到对隧道的实时监视。
通常，车行横洞内的照明灯处于熄灭状态，以便节约能源。当发生火灾或者检修隧道时，可由隧道管理站远程控制开启或者本地手动开启。其与车行横洞卷帘门处于互联状态，状态信息和控制命令经本地控制器传至隧道管理站。
3.2控制算法
隧道照明最根本目的是满足司机视觉要求。隧道照明节能控制主要包含两方面：最优化计算照明需求;实时精确的输出照明控制。影响照明控制的输入因素复杂，主要有：交通量、洞外亮度、时间因素、外部事件等。交通量越大，照明需求越大;洞外亮度越大，造成洞内洞外亮度比越大，照明需求越大。外部事件主要包含交通事故、隧道维护、人工外部指令等。
照明节能控制算法具有灵活健壮的结构，不同的应用情况调用不同的算法构件，每个算法构件都有自己独立响应及触发条件。
表1 照明控制算法结构表
序号 构件 功能及响应条件 优先级 备注
1 手动控制 手动功能 3 最高
2 事件响应 事故等紧急照明预案输出 2
3 自动控制 依据洞外照度及交通量等 1
4 时序控制 传感器信号故障 0
一般地，手动控制方式主要用于公路等级低、隧道长度短的隧道，由人工开关不同的照明回路。时序控制方式采用时序控制器控制隧道照明的各个回路，多见于照明回路较少的短隧道。自动控制方式是利用光照度计分别采集隧道内外的亮度参数，由计算机系统或照明控制器自动控制各个照明回路的开关。
4 隧道照明安全节能措施
目前大多数隧道均考虑了照明系统的设计，多采用传统照明方式，偏于保守。迫于运营和维护成本过高，不少隧道仅开启其中的1/2到1/4左右的灯具，造成隧道内光线较暗、亮暗交错不均匀，使行车者的视觉极不舒服。另外，一些隧道通过改变布灯方式、实行集中调光控制等方法，虽有一定的节能效果，但在实际运行中还是存在着电能的浪费、新技术应用率较低等问题。主要表现在照明灯具能耗高、控制方式智能化水平低、忽视照明显色性与照度之间的关系、未定量考虑隧道照明的全寿命周期成本[1]等方面。
4.1隧道照明光源的选择
照明光源一般分为白炽灯、气体放电灯和其他电光源三大类。目前较为环保的照明光源主要有高压钠灯、金属卤化物灯、高压汞灯、电磁感应灯和LED灯等。LED灯作为一种新型的半导体光源，是公认的当今最具发展潜力的节能环保技术，具有响应快速、高光效、高显色性、结构牢固、不怕震动、工作电压低、电流小、方向性好、运行成本低等优点。尤其是其使用寿命可以长达十万小时，传统的光源在这方面无法与之相比，因此，在一些维护和换灯困难的场合，使用LED作为光源，可大大降低人工费用。
4.2新能源供电方式的使用
若隧道无常规供配电电网系统，特别是偏远山区的短隧道，可采用太阳能光伏发电技术进行供电，这样也可大大节约常规供配电电网建设费用。采用太阳能光伏发电系统作隧道交通安全诱导系统的供电来源，其输电投资成本主要包括太阳能电池组、储能装置(蓄电池组)、直流—交流逆变器、控制装置、连接装置和输电隧道诱导设施等的购置与安装费用。风力发电作为一种环保、经济且可持续发展的新能源生产方式，应用前景十分广阔，对其合理利用也可给隧道供电。若将两者结合起来，使隧道的照明采用太阳能和风能发电互补离网供电系统，不仅节省电能，还可相对提高照明灯的使用寿命。
5 结束语
安全、环保、经济、节能是当前公路建设追求的目标，在公路隧道运营管理中尤显突出。近年来，在计算机和人工智能等技术的推动下，各种新颖智能优化策略被相继提出，为解决复杂问题提供了新的思路和手段。将先进的智能控制方法与快速、稳定且有效的优化技术相结合已经成为智能控制系统的一个重要发展方向。
参考文献：
[1]赵忠杰.公路隧道机电工程[M].北京:人民交通出版社,2007
[2]刘木清,周小丽.照明自动控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008
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