施有志, 洪嬌莉, 林樹枝, 徐建寧

(1. 廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 福建 廈門 361024； 2. 廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361005； 3. 廈門市建設(shè)局， 福建 廈門 361003； 4. 中鐵一局集團(tuán)廈門建設(shè)工程有限公司, 福建 廈門 361000)

0 引言

近年來隨著地下綜合管廊建設(shè)的不斷推進(jìn)，建設(shè)與管理中存在的問題正逐漸形成新的研究熱潮。地下工程環(huán)境常存在潮濕、高溫、空氣不新鮮等問題。長期處于潮濕環(huán)境下，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)及入廊管線、支架的耐久性都會受到影響。有效地控制潮濕地區(qū)綜合管廊內(nèi)空氣的相對濕度，將會提高其主體結(jié)構(gòu)和入廊管線的耐久性。通風(fēng)作為綜合管廊“附屬設(shè)施”重點項之一，可以實現(xiàn)室內(nèi)高濕空氣與室外較干燥空氣的交換，進(jìn)而降低室內(nèi)空氣濕度，但目前國內(nèi)針對綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中在污染物擴(kuò)散控制[1]、電纜艙溫度控制[2]和火災(zāi)煙氣擴(kuò)散控制[3]等方面，而關(guān)于通風(fēng)除濕控制的研究極少，可借鑒地下工程其他領(lǐng)域和其他行業(yè)的相關(guān)研究。

李倫等[4]梳理了溫、濕度對電氣設(shè)備組成材料及其性能的不利影響，為保障電氣設(shè)備運(yùn)行時不受坑道熱濕環(huán)境的影響，提出了基于時間和溫、濕度控制模式的自動控制系統(tǒng)；李麗峰等[5]基于礦井風(fēng)流熱濕交換理論，建立了適用于通風(fēng)作用下的礦井內(nèi)溫、濕度預(yù)測數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用VB語言編制了相應(yīng)的溫、濕度計算程序；李慧等[6]則基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)搭建礦井通風(fēng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可對礦井內(nèi)的溫、濕度等參數(shù)進(jìn)行采樣。關(guān)于地下綜合管廊，Seong等[7]利用計算流體力學(xué)(CFD)方法探究綜合管廊在不同通風(fēng)量作用下的溫、濕度場分布及其變化，并指出對于進(jìn)、排風(fēng)口和中間位置，通風(fēng)量的變化對溫度場的影響不大，但會對濕度場造成影響；童麗閨等[8]針對綜合管廊的溫度、濕度、甲烷含量(甲烷體積分?jǐn)?shù))等監(jiān)測需求，提出了應(yīng)用于地下綜合管廊的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)綜合管廊的環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警，但未從控制的角度切入研究。

物聯(lián)網(wǎng)是利用各種信息傳感器實時采集所需連接、互動、監(jiān)控物體或過程的各類信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成的一個大型網(wǎng)絡(luò)。利用互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以搭建任何地點任意物體之間在任何時刻的智能聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)。GIS(geo-information system，地理信息系統(tǒng))是在計算機(jī)軟、硬件的支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體的地理分布數(shù)據(jù)以及與之相關(guān)的屬性，并回答用戶問題等為主要任務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)[9]。目前將物聯(lián)網(wǎng)或GIS技術(shù)應(yīng)用于綜合管廊的相關(guān)研究成果主要是為了提升日常運(yùn)維及運(yùn)營工作的管控水平[10-11]，未見涉及通風(fēng)除濕的報道。

GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[12]中規(guī)定，通風(fēng)設(shè)備應(yīng)符合節(jié)能環(huán)保要求。自2018年7月1日起正式實施的GB/T 51274—2017《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]也要求正常工況下當(dāng)管廊內(nèi)沒有人員進(jìn)出時，應(yīng)根據(jù)管廊內(nèi)外的溫度和濕度情況以及入廊管線正常運(yùn)行時所需求的環(huán)境溫度限定范圍進(jìn)行控制。然而，目前國內(nèi)關(guān)于綜合管廊通風(fēng)設(shè)計的規(guī)范仍不夠完善，如GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[12]中雖然對通風(fēng)系統(tǒng)作了說明，但過于簡略，僅著眼于火災(zāi)通風(fēng)控制與事故后機(jī)械排煙、天然氣管道艙正常情況與事故后的通風(fēng)換氣次數(shù)，未對具體的通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行說明，也沒有對綜合管廊的通風(fēng)除濕問題作出規(guī)定。而對于綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)來說，如果通風(fēng)不足或者進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)不達(dá)標(biāo)，就達(dá)不到除濕效果，而通風(fēng)過量則會造成能源浪費(fèi)。目前，國內(nèi)綜合管廊所采用的通風(fēng)風(fēng)機(jī)一般都是廠家提前設(shè)置好通風(fēng)參數(shù)，缺少在使用過程中隨著廊內(nèi)環(huán)境條件變化進(jìn)行自動調(diào)整與控制，進(jìn)而導(dǎo)致能源浪費(fèi)或者通風(fēng)不足等，不符合節(jié)能減排的低碳理念。

為此，本文從通風(fēng)除濕智能控制問題入手，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、GIS等現(xiàn)代化信息技術(shù)，通過預(yù)測模型、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器及其反饋修正機(jī)制，搭建綜合管廊通風(fēng)除濕智能化、自動化控制的實現(xiàn)路徑，推動符合節(jié)能減排理念的綜合艙通風(fēng)除濕智能控制系統(tǒng)的研發(fā)，同時對于其他艙室以及其他地下工程的多目標(biāo)優(yōu)化通風(fēng)控制(如溫度、相對濕度、污染物濃度等)也具有借鑒意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組合而成的架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)比較常用的架構(gòu)形式[14]。感知層是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要采用RFID、智能傳感器、智能終端等信息傳感工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的智能感知和獲?。痪W(wǎng)絡(luò)層作為中間層，其作用為利用各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建傳輸平臺，實現(xiàn)將感知層獲取的數(shù)據(jù)信息向應(yīng)用層傳輸；應(yīng)用層分為服務(wù)平臺和支撐平臺，對于不同的應(yīng)用服務(wù)需求，會有對應(yīng)的軟件平臺、數(shù)據(jù)分析工具、優(yōu)化算法等予以支撐。服務(wù)平臺將實際感知需求向感知平臺逐級傳遞，感知平臺獲取了需求的數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)信息向應(yīng)用層方向逐級傳遞并啟動對應(yīng)任務(wù)的執(zhí)行。

要實現(xiàn)綜合管廊通風(fēng)除濕的智能化、自動化控制，首先要實現(xiàn)廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的智能感知。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到綜合管廊通風(fēng)除濕智能控制中，利用相應(yīng)的信息傳感工具采集、獲取并傳遞空氣狀態(tài)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得對廊內(nèi)、外通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的智能感知具備可行性，再實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及到數(shù)據(jù)中心的傳輸，進(jìn)而用于執(zhí)行對進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制的決策中。

1.2 GIS技術(shù)

GIS主要由軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用人員和應(yīng)用模型等組成，可以滿足海量地理空間數(shù)據(jù)信息采集、存儲、計算、分析、處理和挖掘的需求。其中，硬件系統(tǒng)用以存儲、處理、傳輸和顯示所需要的地理空間數(shù)據(jù)信息；軟件系統(tǒng)是GIS中的核心環(huán)節(jié)，用來執(zhí)行相關(guān)功能操作，如數(shù)據(jù)的輸入與處理、空間數(shù)據(jù)庫的管理等；空間數(shù)據(jù)庫中則存儲著空間信息和屬性信息[15]，二者均為GIS的操作對象。

實現(xiàn)綜合管廊通風(fēng)除濕智能化、自動化控制的第2步，即實現(xiàn)系統(tǒng)對需要進(jìn)行控制的通風(fēng)區(qū)間所處位置的自動判斷，以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。而GIS技術(shù)的應(yīng)用，可以將綜合管廊結(jié)構(gòu)信息和溫、濕度傳感器的坐標(biāo)信息標(biāo)識在該系統(tǒng)中實現(xiàn)定位，在溫、濕度傳感器獲取空氣狀態(tài)參數(shù)的同時，同步獲取地理位置信息，以便于實現(xiàn)對綜合管廊通風(fēng)除濕控制對象的智能識別。

2 綜合艙通風(fēng)除濕智能控制框架設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)，搭建溫、濕度數(shù)據(jù)與空間位置信息的一體化模型，智能、自動地獲取空氣狀態(tài)參數(shù)和地理信息參數(shù)，精準(zhǔn)定位控制對象，進(jìn)而執(zhí)行對控制需求的決策，實現(xiàn)綜合艙通風(fēng)除濕問題的智能精準(zhǔn)控制，其實施路徑如圖 1所示。

圖1 綜合艙通風(fēng)除濕智能控制框架

2.1 感知平臺

感知平臺可視為綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的末梢節(jié)點，由各類信息化感知工具組成，是實現(xiàn)各個需求數(shù)據(jù)信息自動獲取、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)智能控制的首要環(huán)節(jié)。

圖2示出了感知平臺采集的主要數(shù)據(jù)及其采集方式，包括以下2個部分：

1)空氣狀態(tài)參數(shù)。主要包括廊內(nèi)空氣的溫度初始值、相對濕度初始值和外界新風(fēng)的溫度值、相對濕度值(均可以通過溫、濕度傳感器獲取)，是判斷通風(fēng)除濕需求和確定進(jìn)風(fēng)狀態(tài)需求的基礎(chǔ)。溫、濕度監(jiān)測技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，可以滿足綜合管廊的實際監(jiān)測需求[16]。

在春季的“大麥黃”和秋季的白露前一星期，使用1次殺纖毛蟲的藥物，隔日再用1次消毒藥物，以預(yù)防寄生蟲病的發(fā)生。

2)地理空間信息。主要包括監(jiān)測點和通風(fēng)區(qū)間的位置信息，利用GIS技術(shù)可以實現(xiàn)對需求的地理空間信息的采集和存儲。將所有通風(fēng)區(qū)間的位置信息存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，在利用溫、濕度傳感器感知空氣狀態(tài)參數(shù)的同時，同步獲取相應(yīng)監(jiān)測點的位置信息，建立空氣狀態(tài)參數(shù)與空間位置之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)溫、濕度數(shù)據(jù)與地理位置信息的一體化，進(jìn)而實現(xiàn)地圖式的監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化管理。

圖2 感知平臺采集的主要數(shù)據(jù)及其采集方式

2.2 傳輸平臺

傳輸平臺可視為綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)，是將感知平臺實時感知的空氣狀態(tài)參數(shù)、地理空間信息等接入并傳輸至支撐平臺的紐帶。由接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)組成，其中，接入網(wǎng)實現(xiàn)接入數(shù)據(jù)信息的功能，而傳輸網(wǎng)實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)信息的功能。傳輸平臺中涉及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用中以無線網(wǎng)絡(luò)為主。

2.3 支撐平臺

支撐平臺是綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺，主要執(zhí)行對工況性質(zhì)和基礎(chǔ)控制需求的分析判斷、對進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制的決策，其決策路徑如圖3所示。

圖3 支撐平臺決策路徑

1)支撐平臺在集成感知平臺和傳輸平臺的基礎(chǔ)上，獲取感知的地理空間信息和空氣狀態(tài)參數(shù)(包括廊內(nèi)空氣溫度初始值、相對濕度初始值和外界新風(fēng)的溫度值、相對濕度值)。

2)通過對地理空間信息的處理，實現(xiàn)控制對象與所在區(qū)間段位置信息的匹配，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，智能識別控制對象。

3)同步執(zhí)行進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制流程，依次利用需求判斷模型(包括工況性質(zhì)分析和基礎(chǔ)需求判斷2個步驟)、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器，結(jié)合支撐平臺對艙室?guī)缀螀?shù)信息、目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)的初始化設(shè)置，自動完成綜合艙通風(fēng)除濕控制指令的實時分析與決策。

4)在支撐平臺中，將分析、決策的結(jié)果與識別的控制對象進(jìn)行匹配，確定針對某具體控制對象的控制指令，并傳輸至服務(wù)平臺。

2.4 服務(wù)平臺

服務(wù)平臺是綜合艙通風(fēng)除濕智能控制的最終服務(wù)對象，如圖4所示，主要由執(zhí)行子平臺和反饋子平臺2個部分組成。

執(zhí)行子平臺主要依據(jù)支撐平臺輸出的決策結(jié)果實施控制指令，并實現(xiàn)過程信息的存儲。存儲的過程信息主要包括：

1)感知信息。通過智能溫、濕度傳感器自動對廊內(nèi)外的溫、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過GIS系統(tǒng)感知所處通風(fēng)區(qū)間，進(jìn)而自動獲取區(qū)間艙室?guī)缀螀?shù)信息(即通風(fēng)分區(qū)長度、斷面寬高比)。

圖4 服務(wù)平臺構(gòu)成

2)過程控制信息?？刂七^程中，自動記錄基礎(chǔ)通風(fēng)需求(即通風(fēng)換氣次數(shù))、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)控制目標(biāo)參數(shù)(即進(jìn)風(fēng)溫、濕度數(shù)據(jù))。

3)控制結(jié)果信息。通過記錄控制初始時刻信息和控制完成時刻信息得到實際的換氣時間。

通過相應(yīng)的設(shè)備對過程信息進(jìn)行感知、采集與處理后，可以自動完成數(shù)據(jù)的記錄，并寫進(jìn)Excel表格中，進(jìn)而實現(xiàn)過程信息的自動化存儲。

2.4.2 反饋子平臺

反饋子平臺通過分析執(zhí)行子平臺存儲的過程信息，對控制結(jié)果(如廊內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)等)進(jìn)行反饋，同時根據(jù)通風(fēng)除濕有效時長預(yù)測模型的誤差指標(biāo)，判斷是否存在對預(yù)測模型進(jìn)行更新修正的需求(如圖5所示)。當(dāng)某時刻控制下的換氣時間誤差超過5%時，利用該時刻的過程信息對預(yù)測模型的變量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，進(jìn)而修正預(yù)測模型以提高進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的優(yōu)化精度。

圖5 反饋子平臺控制原理

3 服務(wù)平臺仿真案例分析

以表1中某通風(fēng)控制工況為研究對象，結(jié)合本文2.4中服務(wù)平臺的執(zhí)行子平臺和反饋子平臺的工作原理以及數(shù)值模擬方法[17]，就服務(wù)平臺的工作路徑進(jìn)行案例仿真分析，對其通風(fēng)除濕有效時長進(jìn)行預(yù)測、仿真控制與分析反饋。

表1 某通風(fēng)控制工況信息

3.1 執(zhí)行子平臺仿真分析

如2.4中所述，執(zhí)行子平臺主要負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行和過程信息的存儲，而控制指令的執(zhí)行過程則可以通過數(shù)值仿真分析進(jìn)行。因此，就執(zhí)行子平臺的控制過程，利用ANSYS FLUENT軟件對上述工況的通風(fēng)除濕過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，得到該工況下的通風(fēng)除濕有效時長為1 000 s。將該工況信息同通風(fēng)除濕有效時長信息進(jìn)行存儲并傳輸至反饋子平臺。

3.2 反饋子平臺控制流程

(1)

(2)

步驟1，讀取Excel文件中更新的預(yù)測模型變量數(shù)據(jù)(即新增工況信息)；

步驟2，調(diào)用MATLAB中的Regress函數(shù)，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元多項式回歸分析；

步驟3，更新通風(fēng)除濕有效時長預(yù)測模型；

步驟4，更新進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的適應(yīng)值計算模型。

本案例利用數(shù)值仿真方式，對實際工程中的通風(fēng)除濕控制指令執(zhí)行過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而應(yīng)用于控制反饋中。結(jié)果表明： 1)當(dāng)通風(fēng)除濕有效時長預(yù)測模型不能對新增工況進(jìn)行有效擬合時，可以通過對預(yù)測模型系數(shù)項的更新來優(yōu)化擬合效果，同時進(jìn)一步修正進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的優(yōu)化指令。2)可以實現(xiàn)通風(fēng)除濕控制過程的反饋修正，該反饋修正方案在實際工程的通風(fēng)除濕控制中具有可行性。

4 結(jié)論與建議

本文在前期研究所建立的綜合艙通風(fēng)除濕有效時長預(yù)測模型、進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)控制器的基礎(chǔ)上，對綜合艙通風(fēng)除濕問題的智能控制實現(xiàn)路徑展開研究，搭建了綜合艙通風(fēng)除濕智能控制網(wǎng)絡(luò)。該控制網(wǎng)絡(luò)主要由4部分構(gòu)成： 1)感知平臺負(fù)責(zé)感知空氣狀態(tài)參數(shù)、地理空間信息等數(shù)據(jù)信息； 2)傳輸平臺用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入與傳輸； 3)支撐平臺在感知信息的基礎(chǔ)上，以上述預(yù)測模型和控制器作為支撐，對運(yùn)營中的綜合艙通風(fēng)除濕工況進(jìn)行分析、預(yù)判和決策； 4)服務(wù)平臺負(fù)責(zé)執(zhí)行支撐平臺決策后發(fā)出的控制指令，同步記錄過程信息并進(jìn)行反饋修正。文章主要針對地下綜合管廊的特點，將上述系統(tǒng)應(yīng)用于管廊工程中，重點進(jìn)行濕度的控制，研究成果可為后續(xù)學(xué)者進(jìn)一步研究綜合管廊通風(fēng)除濕智能控制系統(tǒng)提供參考。

本文針對綜合艙通風(fēng)除濕智能控制問題的探究尚處于控制框架設(shè)計階段，為使該系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，后續(xù)還需結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測試驗進(jìn)一步研究。另外，要體系化地解決綜合管廊的通風(fēng)控制問題，就要針對電纜艙、燃?xì)馀摰绕渌撌业耐L(fēng)除濕問題，以及各艙室的其他通風(fēng)問題繼續(xù)深入研究。