摘要：傳統(tǒng)的應急照明通常需要由大型發(fā)電機供電，由于應急發(fā)電機主要由內(nèi)燃機發(fā)電，如果照明系統(tǒng)出現(xiàn)問題，發(fā)電機將無法及時啟動，當緊急情況發(fā)生時，應急照明系統(tǒng)無法正常工作，導致許多不必要的事故發(fā)生，另一方面，隨著負載的增加，發(fā)電機供電電壓也會降低，從而引起電壓波動，波動大會影響設備并損壞設備。針對隧道煙氣特征速度計算不準確、影響測算可用安全疏散時間的問題，基于半導體溫差發(fā)電提出隧道應急照明和疏散救援技術。采用非穩(wěn)態(tài)模型模擬火源，構(gòu)建隧道火災煙氣蔓延模型，利用半導體溫差發(fā)電跟蹤應急照明最大功率點，得到發(fā)電組件的輸出功率。根據(jù)動態(tài)追蹤結(jié)果，實時求出當量長度值，更新空間擁擠度，以此確定疏散救援路徑。實驗結(jié)果表明，當距離疏散點最遠的位置（500 m處）時，測試得到的4種隧道工況的可用安全疏散時間分別高出必需時間175.29 s、89.21 s、145.6 s和195.46 s ，滿足安全疏散和救援要求。

關鍵詞：半導體;溫差發(fā)電;隧道應急照明;疏散救援

中圖分類號：U458文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0258-03

Tunnel Emergency Lighting and Evacuation Rescue Technology Based onSemiconductor Thermoelectric Power Generation

Pu Min

（Suzhou Lumlux Power Technology Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215143， China）

Abstract： The traditional emergency lighting usually needs to be powered by a large generator. Because the emergency generator is mainly powered by an internal combustion engine， if there is a problem with the lighting system， the generator will not start in time. When an emergency occurs， the emergency lighting system will not work normally， resulting in many unnecessary accidents. On the other hand， with the increase of load， the power supply voltage of the generator will also be reduced， resulting in voltage fluctuation， which will affect the equipment and damage the equipment. Aiming at the problem of inaccurate calculation of the characteristic velocity of tunnel smoke， which affects the estimation and calculation of the available safe evacuation time， tunnel emergency lighting and evacuation rescue technologies were proposed based on semiconductor thermoelectric power generation. The non-steady state model was used to simulate the fire source， the tunnel fire smoke spreading model was constructed， and the semiconductor temperature difference power generation was used to track the maximum power point of emergency lighting to obtain the output power of the power generation component. According to the dynamic tracking results， the equivalent length value was obtained in real time， and the space congestion degree was updated to determine the evacuation rescue path. The experimental results show that when the distance to the evacuation point is the farthest position （at 500 m）， the available safe evacuation time of the four tunnel conditions obtained by the test is 175.29 s， 89.21 s， 145.6 s and 195.46 s higher than the necessary time， respectively， which meets the safety requirements.

Key words： semiconductor; thermoelectric power generation; tunnel emergency lighting; evacuation rescue

0 引言

現(xiàn)階段我國交通建設事業(yè)迅速發(fā)展，高速公路的規(guī)模和數(shù)量持續(xù)增加。在交通建設中，火災是運營期公路隧道面臨的主要風險之一，由于隧道狹長的結(jié)構(gòu)形式，使得隧道火災往往會造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。隧道能夠克服地形限制，縮短道路長度，在一定程度上可以減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，避免發(fā)生地質(zhì)災害[1-2]。因此，隧道的建設對于高速公路的發(fā)展來說至關重要。隨著施工技術的不斷進步，隧道不再局限于直線形式，呈現(xiàn)出向曲線隧道發(fā)展的趨勢，在樣式多樣化發(fā)展的同時，隧道的長度也在不斷延長，世界各國開始出現(xiàn)特長隧道。由于隧道本身出入口少，具有一定封閉性的特點，再加上隧道中車流量密度大、貨物種類繁多，導致隧道易發(fā)生火災等事故[3-4]。受到隧道形態(tài)的限制，一旦發(fā)生火災，如果不能得到有效的控制，將造成嚴重的后果。隧道內(nèi)的火災事故不但破壞隧道結(jié)構(gòu)，更對駕駛員和其他隨行人員的人身安全帶來巨大傷害，威脅社會穩(wěn)定。對此，需要利用有效的隧道應急照明和疏散救援技術，對隧道內(nèi)部環(huán)境和結(jié)構(gòu)進行控制，降低火災事故帶來的風險，減少事故引起的人身威脅和財產(chǎn)損失。本文基于半導體溫差發(fā)電對隧道應急照明和疏散救援技術進行研究，避免火災高溫對隧道承載力帶來威脅，增強隧道行駛的安全性，為隧道搶險救援等任務提供技術支持。

1 基于半導體溫差發(fā)電的隧道應急照明和疏散救援技術

1.1 構(gòu)建隧道火災煙氣蔓延模型

在隧道中，火災可能發(fā)生在列車的任意位置，其中中部位置發(fā)生火災事故對逃生的影響最大。在中部位置，無論何種風向，都有一半人員處于煙氣下游的位置，該位置最不利于安全逃生[5-6]。假定火災發(fā)生在列車中部車廂內(nèi)，同一時刻只存在一起火災，其規(guī)模設定為25 MW 。為保證火災數(shù)值模擬的準確性，本文采用非穩(wěn)態(tài)模型模擬火源。該模型可表示為：

式中：R 為火災的熱釋放率;τ為時間;χ為熱釋放率的增長系數(shù)。

根據(jù)增長系數(shù)的數(shù)值大小，將隧道火源按慢到超快分為4種類型，分別對應不同的火源規(guī)模時間?？紤]列車減速進站的時間，本文設定達到火源規(guī)模的時間為250 s 。依據(jù)隧道的實際集合尺寸建立計算模型，并在該模型上劃分網(wǎng)格，以便于后續(xù)計算。要使模型與原型的兩個流場相似，需要確保雷諾數(shù)大于1000[7]。通過這一條件，可以建立火災模型與隧道原型的尺度關系。發(fā)生火災時，煙氣受熱驅(qū)動發(fā)生流動，此時認為煙氣的速度為火羽流的特征速度，具體可以表示為：

式中：v 為煙氣的特征速度。

根據(jù)上述公式可以計算得到不同位置的火源特征直徑，并將其與網(wǎng)格尺寸相對應。單位網(wǎng)格的劃分服從泊松分布。在此基礎上，設計模型的邊界條件，主要包括入口速度、初始溫度、兩端壓力以及環(huán)境參數(shù)等。

1.2 基于半導體溫差發(fā)電跟蹤應急照明最大功率點

以構(gòu)建的隧道火災煙氣蔓延模型為基礎，利用半導體溫差發(fā)電跟蹤應急照明最大功率點，由此得到發(fā)電組件的輸出功率，為疏散救援路線的設計提供數(shù)據(jù)支持[8-9]。在理想狀態(tài)下，半導體溫差發(fā)電組件可以被認定為電壓源，此時存在：

式中：w 為最大輸出功率; V1為輸出電壓;r1和 r2分別為內(nèi)阻和負載電阻。

在線性化電路中，匹配內(nèi)阻和負載電阻，即可得到最大輸出功率。在同等溫差的外界條件下，通過對參考電壓施加擾動，可以得到放大信號并實現(xiàn)電壓控制。直接給出功率占比后，每一個變換器都處于開環(huán)狀態(tài)。此時施加反饋電壓回路，得到的電壓與原來的方向相反[10]。輸出動力變化后，意味著工作點向最大功率點的方向趨近。上述過程利用計算公式可表示為：

Δα=β+[β-β（l -1）]sign[p -p（l -1）] （4）

式中：Δα為擾動變量的振幅，即固定步長;β為擾動變量;l 為時間間隔;p 為輸出功率;sign為符號函數(shù)。

上述計算方法的優(yōu)點是無需測量溫度等外界條件。只利用固定最終補償就可以得到功率振蕩與時間效率。在狀況變化不穩(wěn)定的情況下，仍具有較高的最終效果，適合用于隧道模型的動態(tài)特性分析，并且能夠減少功率損失。

1.3 設計隧道疏散救援最優(yōu)路徑

根據(jù)應急照明最大功率的動態(tài)跟蹤結(jié)果，設計路徑權重算法，篩選隧道疏散救援的最優(yōu)路徑。在實際的隧道火災疏散救援中，現(xiàn)場環(huán)境隨時都會出現(xiàn)劇烈的變化，需要以某一固定時間間隔更新疏散空間的溫度和煙氣等有害氣體濃度信息[11-12]。以環(huán)境探測裝置得到的數(shù)據(jù)為基礎，實時求出當量長度值，以此確定疏散路徑。完成全局路徑優(yōu)化的同時，更新空間擁擠度值。為提高計算效率，將具有相同屬性的節(jié)點進行合并，減少空間節(jié)點總量。更新后節(jié)點具有對應的參數(shù)值。同理，當空間范圍較大時，將節(jié)點進行拆分，以此提高計算精度。例如，當隧道連接處坡度發(fā)生變化，或者相鄰通道數(shù)不一致時，可將隧道分解為若干段，每一段視作一個節(jié)點，以此完成岔路口或轉(zhuǎn)彎點的節(jié)點分割。根據(jù)寬度或坡度變化對節(jié)點位置進行相應的調(diào)整。如果某一節(jié)點沒有與其他特殊通道相連接，則可剔除該節(jié)點，順次連接下一層次。隧道內(nèi)疏散通道主要為疏散站臺和橫通道，整個逃生路線位于同一平面內(nèi)。以上述兩種通道為例，同時考慮行使列車的車門以及橫通道出入口的位置，以此構(gòu)建逃生路徑節(jié)點。

2 實驗

2.1 實驗準備

本文基于半導體溫差發(fā)電設計了隧道應急照明和疏散救援技術，為檢驗本文技術的實際應用效果，下面設計實驗進行驗證。本次實驗選取我國某高速公路隧道為研究對象，該隧道全長23.51 km ，采用左右雙線分修的雙洞方案。其中左線長22.18 km ，右線長21.56 km 。隧道內(nèi)具有人字形狀的縱坡。緊急救援站位于隧道中部，并與左線和右線通道互為救援通道。站內(nèi)設置有正線區(qū)域和疏散站臺。為避免產(chǎn)生黑洞和白洞效應，隧道內(nèi)部洞口-洞身-洞外依次呈現(xiàn)出高-低-高的變化趨勢，匹配人眼的視覺規(guī)律。隧道的照明由此劃分為五大區(qū)間，依次從入口段向出口段過渡。隧道采用雙列縱向布燈方式，應急照明的數(shù)量為基本照明的25%，即左側(cè)的一半為應急照明。信號燈和可變信息板位于洞外1.5 m處，用于發(fā)布道路警告信息。以上述條件為基礎，建立疏散模型，并建立以下3個假設：（1） 假設著火列車為電力動車組，車上乘客年齡和性別構(gòu)成均衡;（2）假設列車車門為雙側(cè)單車門，位于車廂中部，該車門為疏散起點;（3）救援站內(nèi)通風排煙等設施運行良好，具有正常疏散和通行能力。除了著火點外，其他區(qū)域均未致災。以上述疏散模型為基礎，測試本文提出的技術的疏散能力。

2.2 實驗結(jié)果

本文選擇可用安全疏散時間為評價指標，評價本文所提出的技術的疏散能力。由于隧道救援站工況較多，本文選取4種典型工況進行實驗測試。4種工況分別為：豎向自然、機械排煙以及半橫向自然、機械排煙。著火列車緊急停靠在救援站時，人員下車的距離與疏散寬度相等時，人員可快速到達安全區(qū)域。根據(jù)這一關系，可以得到可用安全疏散時間的計算公式為：

式中：t 為可用安全疏散時間;S1和 S2分別為定員數(shù)量最多車廂和全列車的人員數(shù)量;v 為人員下車速度;α為通過通道的能力;β為防護門寬度。

不同類型人員的疏散速度存在差異，本文將疏散速度折減系數(shù)設定為0.648。測算不同隧道工況情況下的可用安全疏散時間，測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)列車額定人員數(shù)量，考慮20%加載后的人員數(shù)量，由此計算得到實際情況中的必須安全疏散時間為205 s 。根據(jù)表中的實驗測試結(jié)果，本文所設定的4種隧道工況的可用安全疏散時間均大于所需要的必須時間。以距離疏散點最遠的位置為例（500 m處），測試得到的4種隧道工況的可用安全疏散時間分別高出必須時間175.29 s 、89.21 s 、145.6 s 和195.46 s 。由上述結(jié)果可知，本文提出的技術具有充分的疏散時間，能夠在4種典型的隧道工況中安全疏散人員，滿足安全

疏散和救援要求，因此具有良好的實際應用效果。

3結(jié)束語

綜上所述，本文基于半導體溫差發(fā)電對隧道應急照明和疏散救援技術進行了研究，實驗結(jié)果表明該技術的可用安全疏散時間大于必需時間，滿足安全疏散要求。本文研究選取了列車中部發(fā)生火災的相關工況為主要研究對象，其他位置的研究涉及的內(nèi)容較少，因此存在一定局限性。未來應該更加系統(tǒng)地對列車頭部和尾部的相關工況進行研究，總結(jié)更多疏散特征，并將其應用于緊急疏散救援中，以提高模型的適用性。希望本文研究能夠為后續(xù)研究提供依據(jù)。

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作者簡介：浦敏（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，高級工程師，研究領域為照明電源、照明控制系統(tǒng)。

（編輯：王智圣）