公路隧道群智能聯(lián)動控制技術(shù)研究

公路隧道群智能聯(lián)動控制技術(shù)研究

1隧道群及其鄰隧道的營運控制方法研究近年來，我國在道路建設(shè)方面取得了顯著成就。重慶、云南、四川、浙江等山區(qū)省份和城市出現(xiàn)了大量高速公路隧道。如以重慶市為例,目前在建隧道總數(shù)達(dá)146座,隧道總里程占高速公路總里程的23.5%,個別路段,如渝湘線水江至武隆路段甚至高達(dá)53%。這些路段上隧道間的距離較近,大都以隧道群的方式出現(xiàn)。以渝湘線水江至武隆路段為例,路段全長54km,隧道占28.6km,這些隧道的通風(fēng)、照明及災(zāi)害救援控制相互影響,構(gòu)成了路段上的隧道群及其特殊形式毗鄰隧道。目前國內(nèi)外的公路隧道的營運控制方法研究主要針對單體隧道而言,單體隧道特點是:隧道之間相距很遠(yuǎn),各隧道之間的通風(fēng)、照明及災(zāi)害救援沒有相互影響,獨立進(jìn)行控制。隨著高速公路隧道的增多,隧道群及其特殊形式毗鄰隧道大量出現(xiàn)。隧道群的特點是:隧道間相距較近,隧道間通風(fēng)、照明及災(zāi)害救援相互具有一定影響;毗鄰隧道的特點是:隧道間相距很近,隧道間通風(fēng)、照明及災(zāi)害救援的相互影響嚴(yán)重。故隧道群及毗鄰隧道應(yīng)考慮通風(fēng)、照明及防災(zāi)救援上的聯(lián)動控制。雖然單體公路隧道在通風(fēng)、照明及防災(zāi)救援的控制方法上取得了長足的進(jìn)步,一些已營運的單體公路隧道已采用了智能控制等先進(jìn)的控制方法,而且實現(xiàn)了營運期間單體隧道各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動控制,但是對于公路隧道群的聯(lián)動控制技術(shù)目前尚處于發(fā)展階段,本文在介紹公路隧道群智能聯(lián)動控制技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。2目前，對道路隧道集群智能互聯(lián)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀2.1隧道群通風(fēng)設(shè)計與控制對于隧道群的通風(fēng)系統(tǒng)而言,后方隧道的交通流及其特性將為前方隧道交通流預(yù)測創(chuàng)造條件,故對前方隧道的通風(fēng)控制有較大影響性。而且當(dāng)隧道相距很近時,除隧道間的交通流相互影響外,隧道出口、入口間的污染物擴散也相互影響。為保證隧道通風(fēng)控制的準(zhǔn)確性,還需探明隧道出口、入口間的污染物擴散的相互影響。目前在隧道群中各隧道的通風(fēng)設(shè)計與控制是相互獨立的,沒有考慮到前后隧道在交通流上數(shù)據(jù)上的共享性。由于高速公路行駛的封閉性,隧道群中后面隧道的交通流數(shù)量及其特性在—段時間內(nèi)同樣會再現(xiàn)到前方隧道中,從而為前方隧道交通流預(yù)測創(chuàng)造條件,故對前方隧道通風(fēng)控制有較大影響性。目前對已建成的隧道群進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計與控制時,沒有考慮到隧道群的這種特點,如陜西省西安—漢中高速公路上秦嶺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號特長公路隧道群、319國道長沙—劉陽段蕉溪嶺隧道群、深圳坪西公路雷公山和迭福山隧道群等,在這些隧道群中各個隧道的通風(fēng)設(shè)計與控制是相互對立的。對于隧道群的特殊形式毗鄰隧道,隧道出口、入口間的污染物擴散對通風(fēng)控制的影響也沒有被深入研究。雖然對公路隧道洞口處污染物擴散的研究較多,研究手法多以數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測為主,如長安大學(xué)課題組采用有限元法對秦嶺終南山特長公路隧道(18020m)洞口外污染物濃度的分布及兩洞口之間污染物的回流進(jìn)行了數(shù)值分析研究,為該特長公路隧道通風(fēng)和洞口的環(huán)保設(shè)計提供了參考依據(jù);西南交通大學(xué)課題組對重慶市渝合高速公路北碚隧道在單向行車、雙向行車等情況下洞口處的污染物擴散形態(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場實測,獲得了很有意義的結(jié)論。但這些研究一方面僅局限于單體隧道洞口處的污染物擴散研究,并沒有涉及到毗鄰隧道洞口處的污染物擴散研究,實際上后者由于有兩個出口和兩個進(jìn)口,因而變得更為復(fù)雜;另一方面,隧道洞口處污染物擴散的影響并沒有體現(xiàn)到通風(fēng)的控制中去。2.2本隧道照明控制方法確定目前國內(nèi)外對隧道群及毗鄰隧道的照明控制技術(shù)研究較少。當(dāng)隧道群中兩隧道間的距離很近時,后方隧道的出口照明與前方隧道的入口照明之間有明顯的相關(guān)關(guān)系。駕駛?cè)藛T在駛出后方隧道的時候經(jīng)歷了“明適應(yīng)(lightadaptation)”過程,不到30s的時間內(nèi)又要經(jīng)歷前方隧道接近入口處的“暗適應(yīng)(darkadaptation)過程,給駕駛?cè)藛T帶來很大的心理壓力,是引發(fā)交通事故的主要因素。當(dāng)隧道群中各隧道間相距較遠(yuǎn)時,前后隧道出入口照明幾乎沒有影響,因而其照明控制方法就是單座隧道照明的控制方法,如廣東汕梅高速公路豐順至梅縣路段隧道群,就是分別針對每座隧道獨立設(shè)計控制方法,各隧道的照明控制互不影響。對于毗鄰隧道的照明控制而言,由于沒有對前后隧道出入口照明的相互影響進(jìn)行深入而系統(tǒng)地研究,缺乏控制的理論依據(jù),目前國內(nèi)外并沒有提出專門針對毗鄰隧道的照明控制方法。從已建隧道的實際的營運狀況來看,出入口相距較近的兩座隧道的照明控制仍然是獨立進(jìn)行的,并沒有考慮到兩座隧道照明控制的聯(lián)動性。關(guān)于毗鄰隧道之間照明相關(guān)關(guān)系的研究,國內(nèi)外進(jìn)行得相對較少,研究資料與成果也很匱乏,僅日本有關(guān)研究人員對此進(jìn)行了研究,他們根據(jù)兩隧道間的行車時間長短對前方隧道入口段的照明亮度進(jìn)行折減;我國現(xiàn)行的《公路隧道隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中也是采用該方法對毗鄰隧道中前方隧道的照明設(shè)計進(jìn)行規(guī)定,如表1所示。從表1可以看出,前方隧道入口段亮度的折減率是根據(jù)人眼的適應(yīng)性來確定的,且認(rèn)為只有當(dāng)隧道間行車時間小于30s時才考慮亮度的折減。兩隧道間行車時間越短,前方隧道入口段的亮度折減就越大。實際上僅僅由隧道間行車時間這單一因素來決定前方隧道入口段照明亮度折減率是不全面的,往往會產(chǎn)生很大的誤差,甚至影響行車安全。前方隧道入口的亮度折減有必要綜合考慮行車間隔、天氣情況、周圍植被、出入口建筑形式、道路路面鋪裝以及人眼對明暗環(huán)境交替的適應(yīng)等因素的影響。但從調(diào)研的資料來看,目前國內(nèi)還沒有系統(tǒng)地開展對毗鄰隧道照明的研究。2.3各子系統(tǒng)控制預(yù)案目前公路隧道群的防災(zāi)救援控制仍然是針對各個隧道獨立進(jìn)行的,沒有考慮到隧道間的相互影響。單個公路隧道的救援控制預(yù)案在不同的營運工況下是不同的,故制定控制預(yù)案時需盡可能地考慮到公路隧道營運過程中所能遇到的所有工況,而且控制預(yù)案包含了隧道機電與監(jiān)控系統(tǒng)中的通風(fēng)、照明、交通、火災(zāi)報警、閉路電視和有線廣播系統(tǒng)等子系統(tǒng)的控制。針對單個公路隧道防災(zāi)救援的控制流程及方案,目前已取得了一些成果,這些控制流程及方案綜合考慮了隧道營運的正常情況、火災(zāi)情況、隧道堵塞、隧道事故、隧道維修以及污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)等情況,對各種情況的控制預(yù)案制定原則、基本功能、控制原理、控制基準(zhǔn)和控制順序進(jìn)行了研究,編制分別適應(yīng)不同營運工況下的控制預(yù)案,并將預(yù)案以動態(tài)數(shù)據(jù)庫的形式與智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)結(jié)合起來,應(yīng)用于隧道的實際營運中,如渝合高速公路北碚隧道和西山坪隧道,這些隧道在災(zāi)害情況下實現(xiàn)了隧道內(nèi)各子系統(tǒng)的的聯(lián)動,從而保證了防災(zāi)救援的及時性。3高速公路隧道組的智能連接和快速解決要解決的問題3.1道路隧道組的智能通風(fēng)控制方法具體內(nèi)容主要包括以下幾個方面:(1)交通流形態(tài)及預(yù)測模型在隧道群及其特殊形式毗鄰隧道中,由于高速公路的封閉性,后方隧道測得的交通流可為前方隧道的交通流預(yù)測創(chuàng)造條件。隧道群中各隧道間距離相對較遠(yuǎn),車輛在隧道間的路段上行駛一段時間才達(dá)到下一座隧道,交通流形態(tài)已發(fā)生顯著改變,研究交通流在隧道內(nèi)和隧道間的特征,并根據(jù)隧道間距建立相應(yīng)的交通流預(yù)測模型。毗鄰隧道中,各隧道間距離非常近,車輛在后方隧道內(nèi)的行駛狀態(tài)來不及改變就駛?cè)胂乱蛔淼?交通流形態(tài)沒有發(fā)生顯著改變,研究車輛在毗鄰隧道內(nèi)的行駛特征,建立毗鄰隧道的交通流預(yù)測模型。(2)對高速公路隧道組污染物的擴散形式的研究建立高速公路隧道群和毗鄰隧道通風(fēng)系統(tǒng)的空氣動力學(xué)模型和污染物擴散模型,進(jìn)行隧道內(nèi)和洞口間的污染物擴散形態(tài)研究,具體內(nèi)容包括:局部污染物擴散對隧道內(nèi)典型的局部污染物擴散形態(tài)進(jìn)行研究,包括射流風(fēng)機處、橫斷面突然變化處等,探明局部污染物擴散對縱向污染物濃度分布的影響;結(jié)合交通流仿真技術(shù),采用數(shù)值計算方法研究隧道內(nèi)空氣污染物在縱向上的動態(tài)分布情況和變化規(guī)律。影響左右管道污染物擴散的因素研究隧道洞口處污染物在橫向上的擴散形態(tài)和擴散規(guī)律,探明地形條件、洞口間距、隧道風(fēng)速、外界風(fēng)速風(fēng)向等因素對左右洞口污染物擴散形態(tài)的影響。隧道入口空氣溫度在毗鄰型隧道中,前后隧道的洞口相距較近,此時后方隧道出口處的污染物在縱向上的擴散會對前方隧道入口處的空氣質(zhì)量造成影響。研究后方隧道出口處污染物在縱向上的擴散形態(tài)和擴散規(guī)律,探明地形條件、前后隧道洞口間距、隧道出口風(fēng)速、外界風(fēng)速和風(fēng)向等因素對隧道間污染物擴散形態(tài)的影響。(3)高速公路隧道組智能通風(fēng)裝置研究針對高速公路隧道群及毗鄰隧道的具體特點,進(jìn)行以前饋式智能控制為核心的通風(fēng)控制器研究,研究內(nèi)容包括:根據(jù)6單雙環(huán)管結(jié)構(gòu)控制通風(fēng)在隧道群和毗鄰隧道中,最先駛?cè)氲乃淼澜煌骱臀廴疚锊皇芷渌淼赖挠绊?故按單體隧道的通風(fēng)控制方法進(jìn)行控制。研究建立單體公路隧道的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等,并采用仿真測試等手段對其修正和完善。方差分析進(jìn)行隧道群前饋式智能通風(fēng)控制器研究時,需考慮到:后方隧道的當(dāng)前交通流就是前方隧道將來某一時段的交通流,但根據(jù)隧道間的距離的大小,通過隧道的交通流形態(tài)改變程度也不一樣。某時段內(nèi)交通流形態(tài)改變毗鄰隧道的最重要特點在于:后方隧道的當(dāng)前交通流就是前方隧道將來某一時段的交通流,而且交通流形態(tài)的改變也較小;其次由于兩隧道間洞口較近,后方隧道出口污染物擴散還會對前方隧道入口的空氣造成污染。進(jìn)行毗鄰隧道前饋智能通風(fēng)控制器研究時需綜合考慮這兩方面的影響。(4)控制單因素的最優(yōu)效果實際應(yīng)用表明,單純地依靠智能控制器的設(shè)計還不能達(dá)到智能控制的最優(yōu)效果。為了更進(jìn)一步節(jié)約能源消耗、延長風(fēng)機使用壽命和降低對環(huán)境檢測儀器的依賴性,需進(jìn)行控制策略研究,主要包括風(fēng)量分擔(dān)、風(fēng)機保護(hù)以及降低設(shè)備依賴性等策略。3.2基于游戲的隧道照明控制以往的隧道照明系統(tǒng)的控制有人工控制、時序自動控制、光強自動控制、時序光強結(jié)合自動控制等幾類,這些控制僅僅考慮洞外光強的變化,而沒有考慮洞外環(huán)境、天氣狀況、路面情況等客體因素,也沒有考慮交通量大小、交通組成情況及司乘人員等主體因素,因而控制效果通常達(dá)不到節(jié)約電力消耗和交通環(huán)境優(yōu)好等目標(biāo)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高速公路隧道群照明的研究中,可以更好地了解高速公路隧道群的照明特性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合了人機工程學(xué)、計算機、圖形圖像學(xué)、隧道工程學(xué)等多領(lǐng)域的知識,針對在現(xiàn)實中對洞外亮度、洞口建筑形式、路面類型與照明質(zhì)量之間的關(guān)系難以考察的問題,構(gòu)建復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實平臺。基于該虛擬現(xiàn)實平臺,對行車速度、交通流量、交通組成、天氣情況、周圍環(huán)境、洞口建筑形式、路面鋪裝等客觀因素對隧道照明效果的影響進(jìn)行了主觀評價研究?；谡彰髟u價研究結(jié)果,根據(jù)交通流和洞外光強的實時檢測值對隧道照明進(jìn)行控制,高速公路隧道群照明控制的基本流程如圖1所示。這種照明控制方法既考慮了隧道所處的各種外部環(huán)境因素,也考慮了司乘人員的主觀因素,同時又充分利用了現(xiàn)場實測的洞外光強和交通流數(shù)據(jù),因而無論從安全性、舒適性還是節(jié)能上都能達(dá)到較好效果。3.3道路隧道組的防災(zāi)準(zhǔn)備和控制具體內(nèi)容主要包括下面幾個方面:(1)對于第四四通道交通流量的影響,各有側(cè)重,分一方面隧道發(fā)生火災(zāi)后,由于火災(zāi)點上游橫通道被打開,兩隧道通風(fēng)系統(tǒng)不再單一,而變?yōu)橐粋€相互影響、相互作用的連通的復(fù)雜多變的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),此時,隧道內(nèi)失去交通風(fēng)力,但火風(fēng)壓、火焰節(jié)流效應(yīng)對隧道通風(fēng)影響巨大。在這種情況下,常規(guī)通風(fēng)計算理論已不能解決實際問題,必須采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論進(jìn)行設(shè)計。另一方面對于隧道群而言,災(zāi)害隧道引起的交通流間斷必然會對另一座隧道的交通流產(chǎn)生影響。因而隧道群發(fā)生災(zāi)害時,不僅包括對產(chǎn)生災(zāi)害的隧道進(jìn)行救援和控制,還包括對隧道群中的其它隧道進(jìn)行控制,防止災(zāi)害的蔓延及次生災(zāi)害的產(chǎn)生。在隧道群中某座隧道發(fā)生災(zāi)害時,控制系統(tǒng)及時地做出反映,對其它隧道的相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行控制,即在災(zāi)害情況下對隧道群進(jìn)行聯(lián)動控制。對于災(zāi)害情況下隧道群中非災(zāi)害隧道的控制是以交通的誘導(dǎo)和控制為主。對于毗鄰隧道而言,由于后方隧道的出口與前方隧道的進(jìn)口相距較近,災(zāi)害情況下隧道間的相互影響更為巨大。當(dāng)前方隧道發(fā)生災(zāi)害時,控制系統(tǒng)必需迅速地做出反應(yīng),一是保障災(zāi)害隧道中人員的逃生和防止煙流的反竄,同時還需及時地對后方隧道進(jìn)行控制,防止后方隧道的車輛駛?cè)肭胺剿淼?。?dāng)后方隧道發(fā)生災(zāi)害時,一是保障后方隧道中人員的逃生和防止煙流的反竄,同時還需對前方隧道的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,防止后方隧道的煙霧擴散至前方隧道。(2)災(zāi)點上游向非火災(zāi)隧道過渡由于縱向通風(fēng)隧道阻止火災(zāi)蔓延和煙霧擴散非常困難,故只能根據(jù)火災(zāi)時人員疏散組織進(jìn)行隧道火災(zāi)區(qū)段劃分。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)點下游人員自行駕車由隧道出口快速撤離隧道,火災(zāi)點上游人員棄車通過橫通道進(jìn)入非火災(zāi)隧道撤離。由于隧道火災(zāi)點是隨機的,因此火災(zāi)區(qū)段的劃分應(yīng)根據(jù)人員疏散和人員救助的可能性進(jìn)行劃分。在單體公路隧道中,通常將兩條橫通道之間的隧道長度作為一個火災(zāi)控制區(qū)段。在隧道群中不僅包含了隧道本身,也包含了隧道間的普通路段,而且為了便于行駛車輛的分流,還根據(jù)需要在隧道外路段上設(shè)置了互通。故在隧道群聯(lián)動控制系統(tǒng)中,除了在隧道內(nèi)劃分控制區(qū)段外,還需從路段的角度將高速公路劃分為控制區(qū)、影響區(qū)和無影響區(qū),并在一個控制區(qū)內(nèi)將隧道、隧道間路段劃分若干個控制單元,如圖2所示。(3)不同單元的執(zhí)行順序一旦發(fā)生交通事件,應(yīng)首先對控制區(qū)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)施進(jìn)行控制,然后進(jìn)行影響區(qū)內(nèi)的安全交通提醒。其中控制區(qū)和影響區(qū)有若干個單元(路段單元和隧道單元),單元的執(zhí)行順序為:首先,執(zhí)行交通事件發(fā)生單元及對面線路單元的交通控制設(shè)施;其次,執(zhí)行交通事件發(fā)生地點控制區(qū)內(nèi)上游單元的交通控制設(shè)施;再次,執(zhí)行交通事件發(fā)生地、非交通事件線路控制區(qū)內(nèi)上游單元的交通控制設(shè)施。最后,執(zhí)行影響區(qū)。根據(jù)圖3,當(dāng)隧道內(nèi)(單元3)發(fā)生交通事件時,路段及隧道的交通控制設(shè)施執(zhí)行順序為:①控制區(qū)單元③→單元④→單元⑤→單元⑥;②影響區(qū)影響1