[发明专利]基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法，其特征在于，基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统，其特征在于，包括：ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道环境监测系统；

ETC门架系统位于隧道入口的前方，ETC门架系统距离隧道入口的距离为L₀km；ETC门架系统配置安装OBU卡；ETC门架系统通过网络与分中心连接；分中心通过网络安全设备与服务器连接；

在隧道内布置若干台风机以及隧道环境监测系统；隧道环境监测系统的输出端与智能通风控制模块的输入端连接；智能通风控制模块的输出端与各台风机的控制端连接；智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接；

基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法包括以下步骤：

步骤1，ETC门架系统通过OBU卡实时采集通过车辆的车辆通行信息；其中，所述车辆通行信息包括车辆通过ETC门架系统的时间点t₁、车辆行驶信息以及车辆基本信息；

每隔预定时间间隔△T₁，ETC门架系统将△T₁时间间隔内采集到的所有车辆通行信息汇总形成车辆通行数据表，然后，实时将所述车辆通行数据表发送给分中心；

步骤2，分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传至服务器；

步骤3，智能通风控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通行数据表；

步骤4，智能通风控制模块对所述车辆通行数据表进行分析，预测到需要开启的风机总数量n_总；

步骤5，智能通风控制模块预先存储隧道内每台风机的布置位置信息；智能通风控制模块根据隧道环境监测系统，实时获取隧道不同位置点的实时环境参数；

智能通风控制模块对所述实时环境参数和风机的布置位置信息进行分析，得到每台风机布置位置的污染气体浓度值；然后，按污染气体浓度值从高到低的顺序，对各台风机进行排序；智能通风控制模块再获得各台风机到当前时刻的连续运行时间，以污染气体浓度值尽量高、同时连续运行时间尽量短的筛选原则，筛选出步骤4确定的n_总台风机；

步骤6，智能通风控制模块实时开启筛选出的n_总台风机；经过设定时间段△T₂，其中，△T₂△T₁，智能通风控制模块通过隧道环境监测系统得到隧道实时环境参数，判断隧道实时环境参数是否达到标准值，如果达到，则不动作；如果未达到，根据隧道实时环境参数与标准值的差值，确定需要进一步开启的风机数量，并开启对应的风机；

步骤7，然后，返回步骤1，进入下一周期的循环检测与控制过程。

2.根据权利要求1所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法，其特征在于，步骤1中，车辆行驶信息包括：车辆通过ETC门架系统的车速；车辆基本信息包括：车辆燃油类型以及车型信息；其中，所述车辆燃油类型包括隧道内考虑CO的车辆以及隧道内考虑烟尘的车辆；所述车型信息包括大型车、中型车和小型车。

3.根据权利要求2所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法，其特征在于，隧道内考虑CO的车辆包括汽油车类型和柴油车类型；隧道内考虑烟尘的车辆包括柴油车类型。

4.根据权利要求3所述的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方法，其特征在于，步骤4具体为：

步骤4.1，ETC门架系统距离隧道入口的距离为L₀km；

智能通风控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析，得到车辆通过ETC门架系统的时间点t₁以及车辆通过ETC门架系统的车速V₁，假设车辆从ETC门架系统到隧道入口以车速V₁匀速行驶，因此，通过下式得到车辆到达隧道入口的时间点t₂：

t₂＝t₁+L₀/V₁

假设车辆通过隧道时，仍然以车速V₁匀速行驶，因此，通过对所述车辆通行数据表中各台车辆进行分析，可得到每台车辆进入隧道入口的时间，以及离开隧道出口的时间，再根据每台车辆的车型类别，进而可统计得到本次采集控制周期中，隧道内车辆以下信息：

隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数f_a(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数f_d(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数f_iv(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的交通量N_m(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数f_m(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数n_VI、隧道内考虑CO的车辆的车况系数f_a(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车密度系数f_d(CO)、隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数f_iv(CO)、隧道内考虑CO的车辆的交通量N_m(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型系数f_m(CO)、隧道内考虑CO的车辆的车型类别数n_co、隧道内所有车辆的总数量n_c、隧道中所有车辆平均车速v_t、隧道内小型车正面投影面积A_cs、隧道内大型车正面投影面积A_cl、隧道内大型车比例r_l、隧道内小型车在隧道行车空间的占积率x₁以及隧道内大型车在隧道行车空间的占积率x₂；

步骤4.2，根据下式得到烟尘排放预测量：

式中：

Q_VI：隧道烟尘排放预测量，单位m²/s；

q_VI：隧道烟尘基准排放量，单位m²/(veh·km)；

f_a(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数；

f_d(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数；

f_h(VI)：考虑烟尘的海拔高度系数，按式f_h(VI)＝0.0003h+0.88计算，其中，h为隧道设计海拔高度，单位为米；

f_iv(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数；

L：隧道长度，单位米；

N_m(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的交通量，单位veh/h；

f_m(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数；

n_VI：隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数；

步骤4.3，根据下式得到隧道稀释烟尘的需风量：

式中：

Q_req(VI)：隧道稀释烟尘的需风量，单位m³/s；

K：烟尘设计浓度，单位1/m；

步骤4.4，根据下式计算得到CO排放预测量：

式中：

Q_CO：隧道CO排放预测量，单位m³/s；

q_CO：隧道CO基准排放量，单位m³/(veh·km)；

f_a(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车况系数；

f_d(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车密度系数；

f_h(CO)：考虑CO的海拔高度系数，按式f_h(CO)＝0.78+h/1800计算；f_iv(CO)：隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数；

N_m(CO)：隧道内考虑CO的车辆的交通量，单位veh/h；

f_m(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车型系数；

n_co：隧道内考虑CO的车辆的车型类别数；

步骤4.5，根据下式计算得到隧道全长稀释CO的需风量：

式中：

Q_req(CO)：隧道全长稀释CO的需风量，单位m³/s；

Q_CO：隧道CO排放预测量，单位m³/s；

δ：CO设计浓度，单位PPm；

P₀：标准大气压，取101.325kN/m²；

P：隧址设计气压，单位kN/m²；

T：隧道夏季的设计气温，单位K；

T₀：标准气温，取273K；

步骤4.6，根据下式计算隧道第一换气需风量：

式中：

Q_req(ac1)：隧道第一换气需风量，单位m³/s；

A_r：隧道计算面积，单位m²；

n_s：隧道每小时换气次数，取3次/h；

步骤4.7，根据下式计算隧道第二换气需风量：

Q_req(ac2)＝v_ac·A_r (6)

式中：

Q_req(ac2)：隧道第二换气需风量，单位m³/s；

v_ac：隧道换气风速，取1.5m/s；

步骤4.8，取隧道第一换气需风量Q_req(ac1)和隧道第二换气需风量Q_req(ac2)的最大值，作为最终得到的隧道换气需风量Q_req(ac)；

步骤4.9，取隧道稀释烟尘的需风量Q_req(VI)、隧道全长稀释CO的需风量Q_req(CO)和隧道换气需风量Q_req(ac)中的最大值，作为隧道内所需的通风量Q_r，即：

Q_r＝max(Q_req(VI),Q_req(CO),Q_req(ac)) (7)

步骤4.10，根据下式计算隧道内自然通风力：

式中：

△P_m：隧道内自然通风力，单位N/m²；

ζ_e：隧道入口局部阻力系数；

λ_r：隧道沿程阻力系数；

D_r：隧道断面当量直径，单位m，通过下式计算：

A_r：隧道净空断面积，单位m²；

C_r：隧道断面周长，单位m；

ρ：空气密度；

V_n：自然风速，单位m/s；

步骤4.11，根据下式计算隧道交通通风力：

式中：

△P_t：隧道交通通风力，单位N/m²；

n_c：隧道内所有车辆的总数量；

v_t：隧道中所有车辆平均车速，单位m/s；

v_r：隧道预测风速，单位m/s，通过下式计算：

A_m：汽车等效阻抗面积；通过下式计算得到：

A_m＝(1-r_l)·A_cs·ξ_c1+r_l·A_cl·ξ_c2 (10)

式中：

A_cs：隧道内小型车正面投影面积，取2.13m²；

A_cl：隧道内大型车正面投影面积，取5.37m²；

r_l：隧道内大型车比例；

ξ_c1：隧道内小型车的空气阻力系数，通过以下计算：ξ_c1＝0.0768x₁+0.35，其中，x₁为隧道内小型车在隧道行车空间的占积率；

ξ_c2：隧道内大型车的空气阻力系数，通过以下计算：ξ_c2＝0.0768x₂+0.35，其中，x₂为隧道内大型车在隧道行车空间的占积率；

步骤4.12，根据下式计算隧道通风阻力：

式中：

△P_r：隧道内通风阻力，单位N/m²；

ζ_i：隧道局部阻力系数；

步骤4.13，根据下式计算单台射流风机升压力：

式中：

△P_j：单台射流风机的升压力，单位N/m²；

v_j：射流风机的出口风速，单位m/s；

A_j：射流风机的出口面积，单位m²；

η：射流风机位置摩阻损失折减系数；

步骤4.14，根据下式得到需要开启的风机总数量n_总：

式中：

n_总：需要开启的风机总数量。