基于大数据的隧道通风智能控制系统

基于大数据的隧道通风智能控制系统

作者：王坚 刘晓娜 孟引鹏 来源：《科技风》2018年第25期

摘要：隧道具有改善路线状况、减少运行里程、节省土地资源等优势条件，是山区路线工程的重要组成部分，对于我国交通事业的发展而言具有至关重要的作用。由于隧道呈现的是一种管状半封闭结构，其本身也存在诸多劣势条件，比如：空间受限严重、内部视线较差、空气不易流动、污染物排出困难等等，致使隧道中有害气体的浓度逐渐增加，车辆的持续通行，尾气的不断排放都会是造成隧道内空气质量低的主要原因，且以长隧道尤为明显。针对上述问题，本文结合大数据处理技术，设计了一种基于大数据的隧道通风智能控制系统，根据采集到的隧道内风速、风向、CO、VI的数据信息对隧道风机的开启、停止等工作状态进行控制，保证隧道通风系统各硬件设备协同工作。由本文提出的隧道风机自动控制系统解决了隧道通风设备滞后隧道环境变化工作机制，能够在节省人力资源的同时，实时、灵活地处理隧道中各种突发情况，从而改善隧道空气质量，提高隧道通行服务质量。 关键词：大数据；智能控制；风机系统

近年来，随着我国交通运输行业的不断发展，隧道监控系统对隧道安全运行的作用越来越凸显。监控系统主要包括计算机控制系统、通风系统、照明系统、火灾报警及紧急电话系统、交通控制系统、可变情报板系统等部分，而隧道通风控制系统是隧道监控系统的重点和难点，它直接决定隧道行车安全性和舒适性，起到稀释有害气体和污染物浓度的作用。而目前的隧道通风系统，在CO浓度比较高和烟雾透过率较低的通风口和隧道口附近，设置COVI检测器来测定数据，但需要操作人员人工控制。为改善环境，隧道通风控制设备通常需要全功率的工作，不仅造成能源消耗过大，还降低了大型通风设备的使用寿命。所以，如何实现对隧道中的通风系统自适应启停，是我国相关单位及其负责人们在当前所需要重点思考的问题。由此可见，笔者通过本文积极地探讨并合理地提出基于大数据的隧道通风智能控制系统，具有颇为重要的现实意义。

1 隧道通风智能控制系统结构概述 1.1 环境数据采集模块

环境数据采集模块是隧道通风系统之中的基础组成部分，该系统主要是对隧道内的有害气体、能见度、风速风向等因素进行采集及监测，可以使系统及时掌控隧道内的综合环境状况，当发现隧道内有害气体过量时自动进行启动风机系统。

本方案提供的隧道环境通风控制系统，其环境数据采集模块如下：

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环境数据采集模块包括：隧道CO传感器，其作用为检测隧道内CO浓度；VI传感器，其作用为检测隧道内VI浓度；风向传感器，其作用为检测隧道风向的方向；风速传感器，其作用为检测隧道风速；车流量传感器，其作用为检测隧道车流量。采集的数据信息會进行实时动态地反映，隧道环境采集传感器最终会将采集到的数据发送给嵌入式程序，这样便可以根据检测结果的变化调整隧道之内的通风工作。 1.2 嵌入式程序单元

本文提供的隧道通风智能控制系统中，嵌入式程序主要对环境采集数据进行分析，并输出给云端服务系统，即将采集到隧道的CO、VI、风速、风向、车流量数据、设备运行的监测数据、管理数据等进行处理，然后推送到云端服务系统。 1.3 云端服务系统

基于大数据的特点及系统需求，本隧道智能通风控制系统的数据分析、处理平台选择搭建在大数据云平台上。

大数据云平台的总体技术框架包括数据层、逻辑层、业务层。

数据层：作为数据进入云端服务系统的入口，针对不同类型的数据开发相应的数据接入接口，进行数据的转换、分析、优化、储存等，数据来源为嵌入式控制单元的数据输出。 逻辑层：主要包括基于大数据平台提供的hadoop服务建立、通风设备动作命令生成、历史报表逻辑处理、spark环境数据实时处理。

业务层：依据不同的应用类型，提供相应的服务，本系统主要包括环境数据的历史报表、通风设备动作命令、故障短信、维护记录等服务。

云端服务系统会通过嵌入式控制单元推送来的CO、VI、风速、风向、车流量数据，利用大数据智能处理平台进行数据处理并实现状态分析，采用历史数据对比分析和等差等位算法计算获得隧道内射流风机开启方向和轴流风机开启频率及开启方式。 1.4 可编程控制器

可编程控制器是操作控制元件的控制核心，它本身存储着可使操作控制元件执行一系列动作的程序，当云端服务系统发送给可编程控制器一个使能信号后，可编程控制器激活其本身自有的程序来控制操作控制元件工作（如控制送风机开启，向隧道输送新鲜空气），使操作控制元件执行相应的动作来改善隧道空气状态。 1.5 操作控制元件

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操作控制元件作为本系统的输出端，主要包括射流风机、排风机、送风机和风门。操作控制元件接收可编程控制器的命令执行以下操作，射流风机用于增加隧道通风量和风速控制；排风轴流风机用于隧道污浊空气排除；送风机用于向隧道输送新鲜空间。 2 隧道自动启停风机控制系统 2.1 方案设计

综合以上内容，本方案涉及的隧道风机智能控制系统架构如下：

如图3所示，隧道风机智能控制系统主要由云端服务系统、嵌入式程序、可编程控制器、操作控制元件等组成。 2.2 控制流程

通风控制系统是综合监控系统中的重要组成部分，所述通风控制系统输入端设有CO、VI、风速、风向、车流量传感器，用于检测隧道内的一氧化碳浓度、粉尘颗粒浓度等信息；所述隧道智能通风控制系统的嵌入式单元根据检测到的一氧化碳浓度、粉尘浓度、风速、风向、车流量等数据，进行分析处理并推送给云端服务系统；云端服务器将嵌入式控制单元传送来的数据进行多源融合后得到隧道空气控制决策，并根据控制决策的内容给可编程控制器发送相应的控制指令；可编程控制器接收云端服务系统发送过来的指令，根据指令设定风机控制参数，并触发风机控制程序，从而控制隧道内的风机以特定转速开启或者关闭。

在此过程中，云端服务系统通过4G无线信道接收环境和车流数据，采用等差等位和机器学习算法分析计算生成指令，对隧道通风风机进行监控和发送指令。多类检测空气质量的传感器数值直接通过4G信号上传到云端服务平台，在系统故障或者设备故障时，本方案能够自动生成故障信息发送给相关维护维修人员并且储存相关故障信息。 3 本方案的作用和效果

本方案所涉及的隧道风机智能控制系统，为隧道安全运营提供了决策体系。通过写入云端服务，隧道空气质量达到触发控制条件，系统自动开启或者关闭隧道通风风机，避免隧道内空气污浊影响隧道行车安全。与传统方案相比，本方案具有以下优点： （1）实现隧道环境因素和通风设备自动运行。

（2）降低了隧道通风控制设备由于全功率工作造成的能源浪费。

（3）基于多源大数据分析技术突出了隧道智能控制系统的预警监测，实现隧道空气质量的实时精准控制。

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（4）加强了隧道通风控制设备的维护及时性，提高大型通风设备使用壽命。 4 结语

公路隧道通风智能控制系统是整个监控与安全预防系统中的关键一环，通风方案的优劣及通风运营效果的好坏，将直接影响到隧道的工程造价、运营环境、运营效益、防灾与救灾功能。长久以来，隧道内的通风问题一直是一个难题，因为隧道内部的气体排出更为不易，积聚程度更高。排放污染物超过标准的车辆频繁通过隧道，隧道内沉积下的有害气体造成的危害不仅是作用于驾驶人身上，也会影响到隧道内的设备。因此，在现阶段努力完善我国的隧道通风系统，进而促进隧道的安全运行，是有利于维护人民出行安全和货物运输安全的重要举措。 参考文献：

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