基于大數(shù)據(jù)的隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)

王堅 劉曉娜 孟引鵬

摘要：隧道具有改善路線狀況、減少運行里程、節(jié)省土地資源等優(yōu)勢條件，是山區(qū)路線工程的重要組成部分，對于我國交通事業(yè)的發(fā)展而言具有至關(guān)重要的作用。由于隧道呈現(xiàn)的是一種管狀半封閉結(jié)構(gòu)，其本身也存在諸多劣勢條件，比如：空間受限嚴重、內(nèi)部視線較差、空氣不易流動、污染物排出困難等等，致使隧道中有害氣體的濃度逐漸增加，車輛的持續(xù)通行，尾氣的不斷排放都會是造成隧道內(nèi)空氣質(zhì)量低的主要原因，且以長隧道尤為明顯。針對上述問題，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)的隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，根據(jù)采集到的隧道內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、CO、VI的數(shù)據(jù)信息對隧道風(fēng)機的開啟、停止等工作狀態(tài)進行控制，保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)各硬件設(shè)備協(xié)同工作。由本文提出的隧道風(fēng)機自動控制系統(tǒng)解決了隧道通風(fēng)設(shè)備滯后隧道環(huán)境變化工作機制，能夠在節(jié)省人力資源的同時，實時、靈活地處理隧道中各種突發(fā)情況，從而改善隧道空氣質(zhì)量，提高隧道通行服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；智能控制；風(fēng)機系統(tǒng)

近年來，隨著我國交通運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，隧道監(jiān)控系統(tǒng)對隧道安全運行的作用越來越凸顯。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括計算機控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、火災(zāi)報警及緊急電話系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、可變情報板系統(tǒng)等部分，而隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的重點和難點，它直接決定隧道行車安全性和舒適性，起到稀釋有害氣體和污染物濃度的作用。而目前的隧道通風(fēng)系統(tǒng)，在CO濃度比較高和煙霧透過率較低的通風(fēng)口和隧道口附近，設(shè)置COVI檢測器來測定數(shù)據(jù)，但需要操作人員人工控制。為改善環(huán)境，隧道通風(fēng)控制設(shè)備通常需要全功率的工作，不僅造成能源消耗過大，還降低了大型通風(fēng)設(shè)備的使用壽命。所以，如何實現(xiàn)對隧道中的通風(fēng)系統(tǒng)自適應(yīng)啟停，是我國相關(guān)單位及其負責(zé)人們在當(dāng)前所需要重點思考的問題。由此可見，筆者通過本文積極地探討并合理地提出基于大數(shù)據(jù)的隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，具有頗為重要的現(xiàn)實意義。

1 隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

1.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊

環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊是隧道通風(fēng)系統(tǒng)之中的基礎(chǔ)組成部分，該系統(tǒng)主要是對隧道內(nèi)的有害氣體、能見度、風(fēng)速風(fēng)向等因素進行采集及監(jiān)測，可以使系統(tǒng)及時掌控隧道內(nèi)的綜合環(huán)境狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)有害氣體過量時自動進行啟動風(fēng)機系統(tǒng)。

本方案提供的隧道環(huán)境通風(fēng)控制系統(tǒng)，其環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊如下：

環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊包括：隧道CO傳感器，其作用為檢測隧道內(nèi)CO濃度；VI傳感器，其作用為檢測隧道內(nèi)VI濃度；風(fēng)向傳感器，其作用為檢測隧道風(fēng)向的方向；風(fēng)速傳感器，其作用為檢測隧道風(fēng)速；車流量傳感器，其作用為檢測隧道車流量。采集的數(shù)據(jù)信息會進行實時動態(tài)地反映，隧道環(huán)境采集傳感器最終會將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式程序，這樣便可以根據(jù)檢測結(jié)果的變化調(diào)整隧道之內(nèi)的通風(fēng)工作。

1.2 嵌入式程序單元

本文提供的隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)中，嵌入式程序主要對環(huán)境采集數(shù)據(jù)進行分析，并輸出給云端服務(wù)系統(tǒng)，即將采集到隧道的CO、VI、風(fēng)速、風(fēng)向、車流量數(shù)據(jù)、設(shè)備運行的監(jiān)測數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等進行處理，然后推送到云端服務(wù)系統(tǒng)。

1.3 云端服務(wù)系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)的特點及系統(tǒng)需求，本隧道智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、處理平臺選擇搭建在大數(shù)據(jù)云平臺上。

大數(shù)據(jù)云平臺的總體技術(shù)框架包括數(shù)據(jù)層、邏輯層、業(yè)務(wù)層。

數(shù)據(jù)層：作為數(shù)據(jù)進入云端服務(wù)系統(tǒng)的入口，針對不同類型的數(shù)據(jù)開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接入接口，進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分析、優(yōu)化、儲存等，數(shù)據(jù)來源為嵌入式控制單元的數(shù)據(jù)輸出。

邏輯層：主要包括基于大數(shù)據(jù)平臺提供的hadoop服務(wù)建立、通風(fēng)設(shè)備動作命令生成、歷史報表邏輯處理、spark環(huán)境數(shù)據(jù)實時處理。

業(yè)務(wù)層：依據(jù)不同的應(yīng)用類型，提供相應(yīng)的服務(wù)，本系統(tǒng)主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)的歷史報表、通風(fēng)設(shè)備動作命令、故障短信、維護記錄等服務(wù)。

云端服務(wù)系統(tǒng)會通過嵌入式控制單元推送來的CO、VI、風(fēng)速、風(fēng)向、車流量數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)智能處理平臺進行數(shù)據(jù)處理并實現(xiàn)狀態(tài)分析，采用歷史數(shù)據(jù)對比分析和等差等位算法計算獲得隧道內(nèi)射流風(fēng)機開啟方向和軸流風(fēng)機開啟頻率及開啟方式。

1.4 可編程控制器

可編程控制器是操作控制元件的控制核心，它本身存儲著可使操作控制元件執(zhí)行一系列動作的程序，當(dāng)云端服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送給可編程控制器一個使能信號后，可編程控制器激活其本身自有的程序來控制操作控制元件工作（如控制送風(fēng)機開啟，向隧道輸送新鮮空氣），使操作控制元件執(zhí)行相應(yīng)的動作來改善隧道空氣狀態(tài)。

1.5 操作控制元件

操作控制元件作為本系統(tǒng)的輸出端，主要包括射流風(fēng)機、排風(fēng)機、送風(fēng)機和風(fēng)門。操作控制元件接收可編程控制器的命令執(zhí)行以下操作，射流風(fēng)機用于增加隧道通風(fēng)量和風(fēng)速控制；排風(fēng)軸流風(fēng)機用于隧道污濁空氣排除；送風(fēng)機用于向隧道輸送新鮮空間。

2 隧道自動啟停風(fēng)機控制系統(tǒng)

2.1 方案設(shè)計

綜合以上內(nèi)容，本方案涉及的隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如下：

如圖3所示，隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)主要由云端服務(wù)系統(tǒng)、嵌入式程序、可編程控制器、操作控制元件等組成。

2.2 控制流程

通風(fēng)控制系統(tǒng)是綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，所述通風(fēng)控制系統(tǒng)輸入端設(shè)有CO、VI、風(fēng)速、風(fēng)向、車流量傳感器，用于檢測隧道內(nèi)的一氧化碳濃度、粉塵顆粒濃度等信息；所述隧道智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的嵌入式單元根據(jù)檢測到的一氧化碳濃度、粉塵濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、車流量等數(shù)據(jù)，進行分析處理并推送給云端服務(wù)系統(tǒng)；云端服務(wù)器將嵌入式控制單元傳送來的數(shù)據(jù)進行多源融合后得到隧道空氣控制決策，并根據(jù)控制決策的內(nèi)容給可編程控制器發(fā)送相應(yīng)的控制指令；可編程控制器接收云端服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送過來的指令，根據(jù)指令設(shè)定風(fēng)機控制參數(shù)，并觸發(fā)風(fēng)機控制程序，從而控制隧道內(nèi)的風(fēng)機以特定轉(zhuǎn)速開啟或者關(guān)閉。

在此過程中，云端服務(wù)系統(tǒng)通過4G無線信道接收環(huán)境和車流數(shù)據(jù)，采用等差等位和機器學(xué)習(xí)算法分析計算生成指令，對隧道通風(fēng)風(fēng)機進行監(jiān)控和發(fā)送指令。多類檢測空氣質(zhì)量的傳感器數(shù)值直接通過4G信號上傳到云端服務(wù)平臺，在系統(tǒng)故障或者設(shè)備故障時，本方案能夠自動生成故障信息發(fā)送給相關(guān)維護維修人員并且儲存相關(guān)故障信息。

3 本方案的作用和效果

本方案所涉及的隧道風(fēng)機智能控制系統(tǒng)，為隧道安全運營提供了決策體系。通過寫入云端服務(wù)，隧道空氣質(zhì)量達到觸發(fā)控制條件，系統(tǒng)自動開啟或者關(guān)閉隧道通風(fēng)風(fēng)機，避免隧道內(nèi)空氣污濁影響隧道行車安全。與傳統(tǒng)方案相比，本方案具有以下優(yōu)點：

（1）實現(xiàn)隧道環(huán)境因素和通風(fēng)設(shè)備自動運行。

（2）降低了隧道通風(fēng)控制設(shè)備由于全功率工作造成的能源浪費。

（3）基于多源大數(shù)據(jù)分析技術(shù)突出了隧道智能控制系統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測，實現(xiàn)隧道空氣質(zhì)量的實時精準控制。

（4）加強了隧道通風(fēng)控制設(shè)備的維護及時性，提高大型通風(fēng)設(shè)備使用壽命。

4 結(jié)語

公路隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)是整個監(jiān)控與安全預(yù)防系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，通風(fēng)方案的優(yōu)劣及通風(fēng)運營效果的好壞，將直接影響到隧道的工程造價、運營環(huán)境、運營效益、防災(zāi)與救災(zāi)功能。長久以來，隧道內(nèi)的通風(fēng)問題一直是一個難題，因為隧道內(nèi)部的氣體排出更為不易，積聚程度更高。排放污染物超過標準的車輛頻繁通過隧道，隧道內(nèi)沉積下的有害氣體造成的危害不僅是作用于駕駛?cè)松砩?，也會影響到隧道?nèi)的設(shè)備。因此，在現(xiàn)階段努力完善我國的隧道通風(fēng)系統(tǒng)，進而促進隧道的安全運行，是有利于維護人民出行安全和貨物運輸安全的重要舉措。

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