張佳鵬, 郭 春, *

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著國(guó)家交通建設(shè)的深度發(fā)展,長(zhǎng)大隧道日益增多,施工通風(fēng)系統(tǒng)是保障施工安全的重要部分,其成本也隨著隧道長(zhǎng)度的增加而增加。目前,壓入式通風(fēng)為最常用的通風(fēng)方式,其風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)需滿足隧道建設(shè)周期內(nèi)的最大需風(fēng)量。但在隧道建設(shè)過(guò)程中,施工環(huán)境受到掘進(jìn)距離、工況等要素的影響,實(shí)際需風(fēng)量往往小于設(shè)計(jì)風(fēng)量。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道環(huán)境有害氣體、粉塵、溫濕度等要素變化,采用智能控制技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量以滿足施工需求是有效降低施工通風(fēng)成本的方式之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要將智能控制技術(shù)的研究重點(diǎn)放在隧道運(yùn)營(yíng)期間,如公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)[1]、城市地鐵環(huán)控系統(tǒng)[2]和綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)[3],而在隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用還不成熟。由于隧道運(yùn)營(yíng)期間和施工期間二者環(huán)境的差異,運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)的智能控制技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于施工通風(fēng)系統(tǒng)。

隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)主要是將傳感器監(jiān)測(cè)的有害氣體、粉塵等要素?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PLC進(jìn)行處理,控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的交流電頻率以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到調(diào)節(jié)供風(fēng)量的目的,滿足隧道施工需求[4]。有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究: 余發(fā)山等[5]提出一種模糊PID迭代學(xué)習(xí)算法, 通過(guò)把設(shè)計(jì)控制算法的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成對(duì)模糊PID控制器3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行整定的問(wèn)題; 劉石磊等[6]在天目山隧道杭黃鐵路聞家斜井采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)機(jī)司機(jī)的操作過(guò)程進(jìn)行學(xué)習(xí),建立了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng); 吳燕升[7]在高原鐵路某隧道2號(hào)斜井采用智能化通風(fēng)供氧控制系統(tǒng),施工環(huán)境良好,且節(jié)能27%; Liu等[8]在西南華鎣山隧道基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了關(guān)于隧道進(jìn)尺的隧道通風(fēng)智能變頻控制系統(tǒng),使能耗降低了42%。

通過(guò)以上文獻(xiàn)調(diào)研可知,目前對(duì)隧道施工通風(fēng)智能控制技術(shù)的研究還不完善,主要是提出模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制方法,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只對(duì)隧道應(yīng)用了單一控制方式,沒(méi)有對(duì)不同的控制方法進(jìn)行對(duì)比分析,缺乏對(duì)隧道施工建設(shè)全周期的通風(fēng)效果研究。由于CO是隧道施工環(huán)境中的主要有害氣體,可以代表隧道施工通風(fēng)中有害氣體的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律,因此本文選用CO體積分?jǐn)?shù)作為控制指標(biāo),建立隧道施工爆破通風(fēng)和機(jī)械出渣下CO-需風(fēng)量理論模型,并對(duì)采用不同控制模型的通風(fēng)效果進(jìn)行MATLAB仿真模擬分析,根據(jù)通風(fēng)效果確定出隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)控制模型。

1 案例隧道施工通風(fēng)情況

1.1 基本參數(shù)

本文以某隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)為例,根據(jù)TB 10304—2020《鐵路隧道施工安全技術(shù)規(guī)程》和JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范,結(jié)合隧道施工環(huán)境特征,確定隧道施工環(huán)境要素控制指標(biāo),見(jiàn)表1。以需風(fēng)量作為控制對(duì)象,其通風(fēng)計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 隧道施工環(huán)境要素控制指標(biāo)Table 1 Control indices of tunnel construction environment elements

表2 通風(fēng)計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)表Table 2 Basic parameters for ventilation calculation

1.2 風(fēng)機(jī)選配

1.2.1 隧道需風(fēng)量計(jì)算

1)施工人員需風(fēng)量

Q人=q人·n。

(1)

式中:q人為人員配風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),m3/(人·min);n為人數(shù)。

2)通風(fēng)長(zhǎng)度

(2)

式中G為爆破炸藥用量,kg。

3)爆破排煙需風(fēng)量

(3)

式中:t為通風(fēng)時(shí)間,s;A為掌子面開(kāi)挖面積,m2;b為炸藥產(chǎn)生的CO,一般取40 L/kg;Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比,為了簡(jiǎn)化計(jì)算取1;Ca為要求達(dá)到的CO體積分?jǐn)?shù),接觸時(shí)間小于30 min可取0.008%,長(zhǎng)時(shí)間接觸取0.002 4%。

4)內(nèi)燃機(jī)作業(yè)需風(fēng)量

QM=k1·k2·H·q。

(4)

式中:k1為內(nèi)燃機(jī)功率使用有效系數(shù),取0.6;k2為內(nèi)燃機(jī)功率工作系數(shù),取0.8;H為內(nèi)燃機(jī)總功率,kW;q為內(nèi)燃機(jī)單位功率供風(fēng)量,m3/(kW·min)。

5)洞內(nèi)最低風(fēng)速需風(fēng)量

QW=60·Amax·v。

(5)

式中:Amax為隧道最大開(kāi)挖面積,m2;v為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速,取0.15 m/s。

6)隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 隧道各部分需風(fēng)量Table 3 Air demand of each part of tunnel m3/min

以上計(jì)算結(jié)果最大值作為掌子面的理論需風(fēng)量Q需,即1 231 m3/min。

1.2.2 風(fēng)機(jī)選配

風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量

(6)

式中:β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率,取2%;L為最大通風(fēng)長(zhǎng)度,m。

風(fēng)管風(fēng)阻

(7)

式中:λ為摩阻系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;d為過(guò)風(fēng)斷面當(dāng)量直徑,m。

風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量及風(fēng)管風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,風(fēng)機(jī)選配見(jiàn)表5。

表4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)管風(fēng)阻計(jì)算表Table 4 Calculation parameters of fan air volume and air drag in pipe

表5 風(fēng)機(jī)選配參數(shù)表Table 5 Fan parameters

2 隧道施工CO-需風(fēng)量理論模型

隧道施工環(huán)境中的有害氣體主要來(lái)自于爆破工況下的炮煙和出渣工況下的機(jī)械尾氣,其主要成分有CO、CO2、NOx、SO2等。本文以CO為研究對(duì)象,建立不同工況下隧道內(nèi)各斷面CO體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系模型。

2.1 爆破工況下CO-需風(fēng)量理論模型

針對(duì)壓入式通風(fēng)系統(tǒng)爆破工況下CO體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律,大多數(shù)學(xué)者有以下幾個(gè)觀點(diǎn)[9-12]:

1)隧道掌子面爆破后,在通風(fēng)排煙過(guò)程中,CO在隧道內(nèi)以氣團(tuán)的形式存在,氣團(tuán)中心CO體積分?jǐn)?shù)高,氣團(tuán)兩邊CO體積分?jǐn)?shù)低。

2)風(fēng)管口至掌子面之間分為射流區(qū)、回流區(qū)和渦流區(qū),渦流區(qū)對(duì)CO氣團(tuán)具有一定的滯留作用。

3)同一斷面的CO體積分?jǐn)?shù)在達(dá)到峰值后與通風(fēng)時(shí)間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

4)在遠(yuǎn)離掌子面的流場(chǎng)穩(wěn)定區(qū),CO氣體運(yùn)移距離與通風(fēng)時(shí)間呈線性關(guān)系,斷面CO峰值移動(dòng)速度接近隧道內(nèi)平均風(fēng)速。

5)CO氣體向外排出的整個(gè)過(guò)程可以分為分子擴(kuò)散、隨流擴(kuò)散和紊動(dòng)擴(kuò)散。

2.1.1 0

爆破產(chǎn)生巨大沖擊可以使炮煙短時(shí)間內(nèi)迅速充滿靠近掌子面附近的空間,并和附近的空氣進(jìn)行充分混合。假設(shè)此時(shí)CO均勻分布在此爆破炮煙拋擲區(qū)域,基于稀釋理論,CO體積分?jǐn)?shù)[13]

(8)

式中:x為與掌子面距離,m;Lt為炮煙拋擲長(zhǎng)度,取15+G/5,m;C0為爆破后炮煙拋擲區(qū)內(nèi)CO平均體積分?jǐn)?shù),%;Q為實(shí)際供風(fēng)量,m3/s; Δt為單位時(shí)間,s。

2.1.2Lt

爆破產(chǎn)生的CO氣團(tuán)在最初始時(shí)隨著爆破沖擊快速遠(yuǎn)離掌子面并與空氣充分融合,初始動(dòng)能快速消耗,之后CO氣團(tuán)在受到流場(chǎng)作用遠(yuǎn)離渦流區(qū),并且其中心運(yùn)移速度約為風(fēng)速時(shí),CO氣團(tuán)與氣流相對(duì)靜止,直至掌子面對(duì)CO氣團(tuán)影響約束極弱,此時(shí)可以看作CO瞬時(shí)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散。

瞬時(shí)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散方程為

(9)

解為

(10)

式(9)—(10)中:D為CO-空氣擴(kuò)散系數(shù),m2/s;u為隧道流場(chǎng)穩(wěn)定區(qū)平均風(fēng)速,m/s;ts為受爆破影響的修正系數(shù),s。

由式(10)可知,CO-空氣擴(kuò)散系數(shù)對(duì)CO運(yùn)移擴(kuò)散濃度場(chǎng)分布形狀和CO氣團(tuán)中心體積分?jǐn)?shù)峰值有影響。CO-空氣擴(kuò)散系數(shù)通常由試驗(yàn)測(cè)得,在公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)環(huán)境下,其值近似取2.3 m2/s[14],而隧道施工通風(fēng)環(huán)境流場(chǎng)沒(méi)有大量車流,擾動(dòng)更穩(wěn)定,其值雖略小于2.3 m2/s,但可滿足模型測(cè)試調(diào)節(jié)需求。

2.2 出渣工況下CO-需風(fēng)量理論模型

出渣工況下,CO的排放主體主要是挖掘機(jī)、裝載機(jī)和自卸卡車等施工機(jī)械,作為污染連續(xù)點(diǎn)源,CO體積分?jǐn)?shù)變化特點(diǎn)如下[15-16]:

1)不同車速行駛過(guò)程中,CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)規(guī)范的區(qū)域極小,出渣工況下CO體積分?jǐn)?shù)超限主要是施工機(jī)械CO排放累積而導(dǎo)致的。

2)機(jī)械行進(jìn)過(guò)程中,其排放的CO體積分?jǐn)?shù)在沿排氣管軸線30 m內(nèi)呈指數(shù)型減小,之后趨于穩(wěn)定。

2.2.1 掌子面附近

在整個(gè)出渣工況,掌子面一直有挖掘機(jī)、裝載機(jī)和自卸卡車工作,若總CO排放量、進(jìn)風(fēng)量不變,CO與附近的空氣時(shí)刻充分融合,則有

(11)

式中qA為掌子面機(jī)械CO排放量,m3/s。

相較于爆破工況下掌子面CO體積分?jǐn)?shù)變化,此時(shí)僅增加了qA的CO污染量,若式(8)中C0與式(11)相等,且存在區(qū)域X同時(shí)有式(8)和式(11)前提條件的污染源,即區(qū)域X中CO的初始體積分?jǐn)?shù)為C0,時(shí)刻產(chǎn)生qA體積的CO,進(jìn)風(fēng)量為Q,且與污染物實(shí)時(shí)充分融合,則此時(shí)區(qū)域X中的CO體積分?jǐn)?shù)時(shí)刻保持不變,連續(xù)點(diǎn)源對(duì)X區(qū)域內(nèi)的影響為

(12)

2.2.2 機(jī)械進(jìn)出隧道

若不考慮機(jī)械形體對(duì)隧道流場(chǎng)的局部影響,忽略尾氣剛排出時(shí)的初速度,以自卸卡車為參考系,則流場(chǎng)等效速度

ut=u+um。

(13)

式中:u為隧道內(nèi)風(fēng)速,m/s;um為機(jī)械移速,m/s。

連續(xù)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散方程可以看作對(duì)瞬時(shí)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散方程從0到t的積分。

當(dāng)t→∞時(shí),式(8)從0到t積分的解為

(14)

式中qt為移動(dòng)機(jī)械CO排放量,m3/s。

綜上,本文建立了爆破工況和出渣工況下隧道區(qū)間CO一維擴(kuò)散模型。相比理論分析和數(shù)值模擬,隧道現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變,整個(gè)隧道內(nèi)流場(chǎng)還會(huì)受到人員、機(jī)械等因素影響,紊流不僅發(fā)生在掌子面附近,還發(fā)生在整個(gè)隧道流場(chǎng),這將導(dǎo)致CO受到的擴(kuò)散作用更強(qiáng)。具體表現(xiàn)為: 在爆破后,通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng),隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與數(shù)值模擬所得到的整個(gè)隧道的CO峰值相比越小,整個(gè)CO體積分?jǐn)?shù)的分布曲線更加平緩[17]。

2.3 施工通風(fēng)控制系統(tǒng)測(cè)試模型

隧道施工CO-需風(fēng)量理論模型與實(shí)際情況有一定差別,但是其變化規(guī)律與實(shí)際相符,可以滿足對(duì)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)和調(diào)教的需求。結(jié)合1.1節(jié)中的隧道施工通風(fēng)系統(tǒng),在隧道一直保持最大需風(fēng)量的情況下,通過(guò)將第1節(jié)中隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入建立的理論模型(即式(8)和式(10)),計(jì)算得到掌子面附近和距掌子面300、600、900 m處CO體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況,如圖1所示。

圖1 爆破后各隧道斷面CO體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig. 1 Changing curves of CO volume fraction with time at each tunnel cross-section after blasting

由圖1可知,爆破后通風(fēng)30 min并不能使全尺寸隧道CO體積分?jǐn)?shù)滿足規(guī)范要求,與實(shí)際隧道施工進(jìn)洞時(shí)間是沖突的,但施工通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)確保施工人員長(zhǎng)時(shí)間施工的區(qū)域環(huán)境滿足規(guī)范要求,據(jù)此對(duì)施工通風(fēng)控制系統(tǒng)測(cè)試模型調(diào)整如下:

1)隧道污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選擇掌子面附近和距掌子面300 m處作為CO監(jiān)測(cè)點(diǎn),可以較全面地反映隧道施工區(qū)內(nèi)的情況。

2)模擬時(shí)長(zhǎng)及工況。隧道距掌子面300 m內(nèi),爆破通風(fēng)3 000 s后機(jī)械尾氣污染占據(jù)主導(dǎo)地位,且2 000 s內(nèi)空氣可完全換新?？偰M時(shí)長(zhǎng)為4 970 s,爆破排煙20 min,機(jī)械出渣60 min,自卸卡車20 min進(jìn)出1次隧道。

3)監(jiān)測(cè)信號(hào)。即控制系統(tǒng)輸入信號(hào),其信號(hào)采樣頻率為1 Hz,為模擬隧道施工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn),監(jiān)測(cè)值為模型預(yù)測(cè)值C(x,t)與[0.5,1.5]正態(tài)分布的偽隨機(jī)數(shù)的乘積。

4)輸出信號(hào)。模擬輸出為風(fēng)管口需風(fēng)量,不考慮隧道長(zhǎng)度和風(fēng)管漏風(fēng)情況。

3 控制模型優(yōu)化研究

根據(jù)第2節(jié)中得到的CO-需風(fēng)量理論模型可知,需風(fēng)量與CO體積分?jǐn)?shù)呈非線性負(fù)相關(guān),為了提高控制效果,假定二者為反比例關(guān)系,將CO體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值與允許值的比值作為控制指標(biāo),有

(15)

3.1 PID控制模型

PID(proportional integral derivative)控制即比例積分微分控制,是根據(jù)監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差比例Kp、積分Ki和微分Kd進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。其離散的位置式PID控制算法為

(16)

式中:Kp為比例常數(shù);Ki為積分常數(shù);Kd為微分常數(shù);e[i]為第i采樣時(shí)刻,給定值r(t)與測(cè)量值之差;u[n]為第n采樣時(shí)刻,PID控制器的輸出信號(hào)。

結(jié)合式(14)有

(17)

3.2 模糊自整定PID控制模型優(yōu)化

模糊算法(fuzzy algorithm)是由模糊化、模糊推理和去模糊化3個(gè)功能模塊和知識(shí)庫(kù)構(gòu)成的一種智能推理算法。Fuzzy PID控制即模糊PID控制[18],是利用模糊算法來(lái)自整定PID中Kp、Ki和Kd系數(shù)的一種控制方法?？刂颇Ｐ驮O(shè)計(jì)流程如下:

1)選擇CO監(jiān)測(cè)值的偏差e及偏差的變化ec為輸入,Kp、Ki和Kd系數(shù)作為輸出。

2)將輸入和輸出分別進(jìn)行論域變換。

3)定義模糊集合并確定相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。

4)建立Kp、Ki和Kd各自與e和ec的模糊規(guī)則。

5)采用重心法(普通加權(quán)平均法)去模糊化確定Kp、Ki和Kd的值。

結(jié)合隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)將偏差e進(jìn)行非線性論域變換為

(18)

取偏差e的論域中[-3,3]作為控制子集,論域中元素小于-3取-3,則此時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)小于1/4允許體積分?jǐn)?shù)Ca;大于3則取3,此時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)大于4倍允許體積分?jǐn)?shù)Ca。e、ec、Kp、Ki和Kd的論域均劃分為{-3,-2,-1,0,1,2,3}7個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)的模糊子集為{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。

3.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制模型優(yōu)化

基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(radial basis function neural network)自整定PID控制[19]是指,在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)PID 3項(xiàng)輸入值,確定Kp、Ki和Kd系數(shù)最優(yōu)值,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定指標(biāo)

(19)

采用梯度下降法確定PID中Kp、Ki和Kd系數(shù),其調(diào)整量為

(20)

4 控制模型仿真分析

4.1 施工通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析

爆破通風(fēng)1 200 s后開(kāi)始出渣,分別以掌子面附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)和距掌子面300 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)為控制點(diǎn),采用PID控制模型進(jìn)行仿真模擬,不同控制點(diǎn)隧道施工需風(fēng)量變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 PID控制模型下不同控制點(diǎn)隧道施工需風(fēng)量變化曲線Fig. 2 Changing curves of air demand for tunnel construction at different control points under PID control model

由圖2可知,爆破、出渣工況下通風(fēng)時(shí)間和需風(fēng)量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)即控制點(diǎn)密切相關(guān)。爆破工況下,控制點(diǎn)距離掌子面越遠(yuǎn),通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng); 出渣工況下,控制點(diǎn)距離掌子面越遠(yuǎn),需風(fēng)量越大。所以根據(jù)施工區(qū)域合理選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)具有重要意義。本文采用掌子面附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)和距掌子面300 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)最大值作為控制點(diǎn)。

4.2 控制模型響應(yīng)分析

在不考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)(見(jiàn)2.3節(jié)3))的前提下,不同控制模型隧道CO體積分?jǐn)?shù)仿真結(jié)果見(jiàn)圖3,隧道通風(fēng)量仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。輸入信號(hào)條件為2.3節(jié)2),不同控制模型監(jiān)測(cè)波動(dòng)情況下隧道通風(fēng)量仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。3種控制模型響應(yīng)時(shí)間、振蕩時(shí)間及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表6。

圖3 不同控制模型隧道CO體積分?jǐn)?shù)仿真結(jié)果圖Fig. 3 Simulation results of CO volume fraction in tunnels in different control models

圖4 不同控制模型隧道通風(fēng)量仿真結(jié)果圖Fig. 4 Simulation results of tunnel ventilation volume in different control models

(a) Fuzzy PID和PID控制對(duì)比圖

(b) RBF-PID和PID控制對(duì)比圖圖5 不同控制模型監(jiān)測(cè)波動(dòng)情況下隧道通風(fēng)量仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of tunnel ventilation volume under monitoring fluctuation in different control models

表6 不同控制模型仿真數(shù)據(jù)表Table 6 Simulation data of different control models

Kp、Ki和Kd參數(shù)初始值調(diào)節(jié)過(guò)程中,在圖3橫坐標(biāo)1 000 s處左右輸出值不產(chǎn)生振蕩的前提下,Kp選取最大值,這時(shí)PID控制模型雖然響應(yīng)較快、性能較好,但在實(shí)際工程中參數(shù)難以校準(zhǔn)且抗干擾能力差。

RBF-PID控制模型相較于Fuzzy PID控制模型響應(yīng)更快,這是因?yàn)镽BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能實(shí)時(shí)根據(jù)CO體積分?jǐn)?shù)及其變化預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的需風(fēng)量,而Fuzzy PID控制模型則主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的模糊規(guī)則調(diào)節(jié)需風(fēng)量,同時(shí)這也導(dǎo)致了Fuzzy PID控制模型抗干擾能力更強(qiáng),RBF-PID控制模型抗干擾能力較弱,振蕩時(shí)間長(zhǎng)。

4.3 控制模型能耗分析

上述3種控制模式下總需風(fēng)量分別為90 331、90 325、90 328 m3,風(fēng)量和能耗成3次方的關(guān)系,節(jié)能效果相近,現(xiàn)選取Fuzzy PID控制模型的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能效果分析。實(shí)際施工過(guò)程中,風(fēng)機(jī)雖然有少量檔位可以調(diào)節(jié),但是隨著工況的變化、掘進(jìn)過(guò)程中通風(fēng)長(zhǎng)度的增加以及通風(fēng)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)變化,傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)需要施工人員判斷施工環(huán)境,很難滿足實(shí)際需求。出渣工況作為隧道通風(fēng)量設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)工況,而通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算原理是將新鮮風(fēng)把剛生成的污染物稀釋到規(guī)范限值以下,與實(shí)際情況不符,沒(méi)有考慮到施工機(jī)械工作的動(dòng)態(tài)性以及污染物在隧道內(nèi)的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律,相對(duì)于調(diào)節(jié)至最大風(fēng)量,采用隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)節(jié)能效果顯著,1 000 m長(zhǎng)隧道可節(jié)能37.1%以上,2 000 m長(zhǎng)隧道可節(jié)能65.3%以上。智能控制節(jié)能效果對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 智能控制節(jié)能效果對(duì)比表Table 7 Comparison of energy-saving effects of intelligent control

5 結(jié)論與建議

本文建立了隧道施工爆破和機(jī)械出渣下CO-需風(fēng)量理論模型,據(jù)此確定了隧道施工通風(fēng)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真模型,并對(duì)PID控制、Fuzzy PID以及RBF-PID3種控制模型進(jìn)行MATLAB仿真分析,得到結(jié)論如下:

1)本文所建立的CO-需風(fēng)量理論模型可反映實(shí)際隧道施工過(guò)程中CO體積分?jǐn)?shù)數(shù)值變化情況以及其變化規(guī)律。

2)由于隧道施工爆破通風(fēng)主要以CO氣團(tuán)運(yùn)移為主,因此根據(jù)施工區(qū)域確定環(huán)境控制區(qū),即有害氣體監(jiān)測(cè)區(qū)是施工通風(fēng)智能控制的重要前提條件。

3)結(jié)合隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn),將CO體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值與允許值之比作為控制系統(tǒng)的控制指標(biāo),將控制關(guān)系近似線性化,可以極大地增強(qiáng)控制模型性能。

4)控制模型性能和抗干擾性有一定的負(fù)相關(guān)性,本文中PID控制模型由于參數(shù)調(diào)節(jié)的便捷性使其在理論響應(yīng)性能上較為優(yōu)異,但Fuzzy PID控制模型或RBF-PID控制模型可更好地響應(yīng)實(shí)際工程對(duì)于抗干擾和性能的需求。

5)采用智能控制的隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著,且隨著隧道長(zhǎng)度的增加,其經(jīng)濟(jì)性愈發(fā)明顯。

隧道施工通風(fēng)環(huán)境智能控制不能僅停留在單一隧道、單一工程,接下來(lái)應(yīng)該深入研究隧道施工通風(fēng)規(guī)律,提出一套系統(tǒng)的、適應(yīng)性強(qiáng)的隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)。