高速公路隧道断面风速智能检测系统研究_白磊.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术144|高速公路隧道断面风速智能检测系统研究白磊山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西太原，030032摘要：随着我国高速公路建设的快速发展，公路隧道里程也在稳步提高，作为一种特殊的构造物，隧道对我国交通事业发展起到了极大的促进作用。在隧道的日常运营过程中，实时断面风速的检测、分析、控制对于整个隧道的安全、高效运行至关重要，当有紧急事件如出现能见度低、火灾等，都会启动风机进行排烟，提高能见度，但是隧道中风机台数众多，也分轴流风机和射流风机，需要对隧道内实时风速和历史风速准确采集，依据隧道内各截面采集的精确风速数据，对各风机的转动方向、开启时间进行科学优化，为隧道内通风设施智能化运行提供数据支撑。关键词：公路隧道；风速检测；智能化中图分类号:U453文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.034 0引言随着我国公路建设的快速发展，公路隧道里程也在稳步提高，隧道作为一种特殊的构造物，对我国交通事业发展起到了极大的促进作用，正是由于其“穿山越岭”的特殊性，导致其洞体内部与外界产生极大的差异，对于长隧道和特长隧道均会在隧道内设置风机，保证隧道具有正常的通风功能。我们需要对隧道内实时风速和历史风速准确采集，才能对隧道监控设施应急预案进行适应性调整，开启风机时，根据隧道各截面采集的精确风速数据，可分批依次启动风机，使通风设施更科学合理运行。目前隧道内风速采集主要使用手持风速仪，检测人员在风机附近的路面、路边取34个点求平均，这种采集方式得到的数据不准确且随机性大，忽略了隧道上空的风速因素，在紧急停车带、车通、人通等特殊隧道断面没有统一的采集方案，而且一般需要封路，对交通影响较大。本系统通过利用具有飞行功能的风速采集仪，根据不同的断面结构预先导入针对性采集方案，风速采集仪会按照该隧道断面既定采集路线进行采集，并实时将采集信息通过无线网络、光纤数字传输系统传至隧道管理站数据存储服务器中，通过对数据分析、加权计算，可得到更科学、精度更高的隧道断面风速值，该装置可多采集仪多断面同时进行采集工作，实现对特长隧道风速信息的高精度实时监测1。1隧道风速检测系统概述本系统主要由隧道断面风速数据采集仪、无线接入点、数据存储服务器、数据交换计算中心机和隧道风速检测软件组成，系统组成框图如图1所示。图 1隧道风速检测系统框图系统可根据不同的断面特点针对性地导入不同的采集方案，不同的采集方案对应不同的采集单元、采集区域数量、采集频率等参数。风速数据采集仪主要进行隧道断面各检测点风速数作者简介：白磊，男，汉族，山西吕梁，工学硕士，高级工程师，研究方向：智能交通行业的系统开发和机电设施检测。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|145人工智能与智能制造据的采集；无线接入点主要进行数据中转，将风速数据传输至最近光端机，由光纤数字传输系统传送至隧道管理站的数据存储服务器中；数据存储服务器主要进行隧道风速数据的存储，当多个采集仪同时工作采集特长隧道的风速数据时，需要实时缓存大量数据；数据交换计算中心机主要对采集的数据与预先导入的采集方案进行比对，通过数据加权计算该断面最终的风速值；隧道风速检测软件主要整理分析整个隧道的风速分布情况，对部分采集偏差较大的风速数据可进行容错纠错处理，并通过持续监控和采集，可利用大量风速数据对隧道内风速进行精准预测，合理运行隧道内通风设施2。针对不同的隧道截面，可将风速采集方案预导入风速数据采集仪，多台风速数据采集仪可同时作业，实时将成组的风速数据及采集位置信息进行上传，通过无线接入点连接存储服务器进行数据缓存，通过交换计算中心机进行加权计算，隧道风速检测软件则利用计算结果进行分析判定，剔除超范围值，可得出全隧道风速分布图。2检测系统运行原理2.1系统工作流程根据不同隧道长度、断面结构（紧急加宽带、车道等处）和隧道断面风速数据采集仪数量，制定针对性采集方案，多台风速数据采集仪可同时进行作业，按照采集方案中的采集点位和顺序对断面风速进行成组采集，并实时将成组的风速数据及采集位置信息通过无线网络传至最近的无线接入点，再通过光端机利用光纤数字传输系统传至隧道管理站中的数据存储服务器，数据交换计算中心机对具体的断面风速进行计算，根据不同的采集面积进行加权计算，得出该断面平均风速信息3。通过隧道线形情况，可对测量断面数进行增加或减少，利用隧道风速检测软件可得出精确的断面及区域风速分布图，对离群值进行剔除并进行重新检测，通过大量的数据积累可实现隧道内风速预测功能，提前对隧道内通风设施进行预案设定，优化通风设备运行方案。2.2风速采集仪根据公路隧道风速采集实际需求，本系统提出一种适应性强、采集精度高的风速采集仪，其结构组成如图2所示。图 2风速采集仪结构图风速采集仪系统中2为风速采集仪的控制单元，3和4为风速采集仪的上下两组风速采集器，5、6、7、8均为风速采集仪的固定翼飞行旋臂，9为风速采集仪的定位校准装置。其中断面风速采集仪主要收集隧道内断面区域风速；风速采集仪的控制单元主要控制风速采集仪的飞行路径，同时保证采集的成组风速数据进行实时上传；风速采集仪的上下两组风速采集器，在采集仪到达指定采集点后开始进行风速测量，同时采集两组数据，同一采集点测量10次；风速采集仪的固定翼飞行旋臂主要进行风速采集仪飞行姿态、速度等的调整；风速采集仪的定位校准装置，根据自带定位装置与采集方案中规定采集点进行比对，确认到达指定采集点后开始进行采集作业，并根据定位校准装置规划采集点之间的飞行路径4。2.3断面风速采集图3为风速采集仪断面风速采集运行图，其中A为断面风速采集仪，图中将一个标准隧道断面分为14个采集区域，每个采集区域面积不同，M1M14为各采集区域的风速采集点。当导入采集方案后，风速采集仪会飞行到指定断面开始点，即本图中的M1处，按照图中顺序依次从M1M14进行数据采集。单次标准采集先进行定位校准，确定采集仪所在位置与采集dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术146|方案中一致，然后进行成组10次的数据采集工作，然后通过控制单元将数据传送至最近的无线接入点，确定数据传送成功后，利用定位校准装置和检测方案预置的飞行路径到达下一个数据采集点，当把14个区域M1M14共14个采集点全部完成并上传数据后，则完成了该断面的风速数据采集作业5。采集方案会根据采集断面的结构特征进行划分，科学选取采集中心点作为该区域面积的风速采集点，其中该区域面积即为该区域风速采集的权值因素，采集点及权值因素都在采集方案里面进行了预置。图 3风速采集仪断面风速采集运行图3断面风速采集主要区别特征本系统应用领域为公路隧道智能检测，为了实现检测精度高、快速同步、传输稳定、交通影响小的目的，提出了无线+光纤传输模式、隧道断面风速数据采集仪结构、采集点面积加权算法、多断面同步采集等新方法，与本领域技术人员常用的检测方法不同。与传统方法相比主要区别特征如下。（1）本系统设计了隧道断面风速数据采集仪，包括风速采集仪、控制单元、上风速采集器、下风速采集器、固定翼飞行旋臂、定位校准装置。上风速采集器和下风速采集器用于在风速采集仪到达指定采集点之后开始进行风速测量，同时采集两组数据。（2）根据采集断面的各个采集点的面积获得所述采集点的风速加权值，根据预设顺序进行风速采集，实时将采集的风速数据、采集位置信息和风速加权值进行上传存储。（3）通过数据加权计算隧道断面的最终风速值，根据隧道的线形情况对测量断面的数量进行增加或减少，获得隧道断面及区域风速分布图。（4）对各个隧道断面的最终风速值之中的离群值进行剔除而且进行重新检测，通过预设数量的数据积累预测隧道内的风速，根据预测的风速提前对隧道内的通风设施进行预案设定，优化隧道通风设备的运行方案。4性能优化及数据应用4.1单断面通风预案本系统依据隧道特征（长度、断面结构等）可预设采集方案，针对高速公路隧道主要包括常规隧道断面、风机位置断面和紧急停车带隧道断面3种，根据具体隧道、具体结构、形状尺寸，对断面进行合理拆分，规划检测器飞行采集路线，并将其转化为位置信息预设导入到隧道断面风速数据采集仪，一台采集仪可按照时间顺序采集特定风机位置附近的多处断面，通过风机开启前后、正转反转、单幅启动等多种模式下，对实时风速数据进行测量采集，大量的基础数据可为通风预案提供多种控制方式进行优化选择，同时可验证通风预案的有效性和可靠性6。4.2多组同步并行采集对于特长隧道，其中的风速情况受路线线形、纵坡坡度、实时自然风速、车流量等多方面影响，传统采集方式均为分步采集，所采集的风速数据并不是同一时间的，对隧道整体风速分布研究具有误导性，本系统可实现多组采集仪同步并行检测，每台采集仪实现相邻断面的多处采集，多台采集仪可实现完整隧道短时间内同步风速数据的采集，并通过双端结构采集仪采集风速，数据加权（采集点面积）计算具体隧道断面的最终风速值。4.3隧道全域风速分布通过断面风速采集数据的时间信息、位置信 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|147人工智能与智能制造息，可构建隧道全域风速实时分布图，对研究隧道风速变化与自然风、通风设施状态相关性有重要意义。其中可通过逐台风机开启，来确认该风机在隧道全域风速计算中的权重；利用风机的多台组合式开启、关闭、正反转，可试验不同预案模式实现的工作效果，同时可利用隧道内装配的风速风向仪校准，通过对结果进行科学分析，最终可实现对整个隧道全域风速的精确、快速测量，并能够根据需求制定效果明显、一致的运营方案7。4.4大数据分析及应用根据多断面的风速采集仪实现了隧道全域风速的实时采集，将采集的风速数据上传至隧道管理站及隧道智能管理数据中心的云端服务器，通过对大量风速数据的横向、纵向建模，分析其与隧道长度、隧道线形、纵坡、隧道内实时车流量、大型车辆占比、数据采集季节等多样数据的相关性，通过不同地域特征、不同隧道类型、不同运营特点，对大量的基础风速采集数据进行归类分析，总结特点及其关键原因，对新建及隧道改造工程的实施、位置选择具有重要的指导意义。5结论本文提出的高速公路隧道断面风速智能检测系统与传统控制检测方法相比，可以针对不同的隧道及检测断面制定针对性数据采集方案，通过断面风速加权计算、采集频次优化、离群值剔除、区间风速预测等技术手段，得出更科学、精度更高的隧道断面风速值，利用实时采集数据对隧道内风速分布进行分析和科学研判，合理运行隧道内通风设备，使整个隧道通风设施的运营更加安全、高效、节能。参考文献1 张海涛.高速公路隧道视频事件检测分析系统应用设计研究J.军民两用技术与产品,2018(4):81,134.2 李俊峰,朱立伟.公路隧道断面风速多通道检测系统研究J.公路交通科技(应用技术版),2012(4):164-166.3 陈敏.隧道通风系统计算软件研究与设计D.西安:长安大学,2012.4 易雷,魏昱,吴宏伊.公路隧道全射流纵向通风远距离供电保护灵敏度问题研究J.新型工业化,2020,10(05):26-28.5 胡维撷.道路隧道通风检测仪器及其应用J.隧道与轨道交通,1996(002):19-23.6 王永东.公路隧道运营安全技术研究D.西安:长安大学,2007.7 谢磊,李国强.公路隧道临界风速计算模型及控制策略研究J.中国交通信息化,2015(4):129-131.（上接第139页）参考文献1 陈连平.基于建筑电气工程及其自动化和智能化技术研究J.房地产世界,2021(23):135-137.2 秦章蓓.电气工程概论中自动化与智能化技术的教学与探究J.中国新通信,2022,24(04):71-73.3 张宽.电气工程及其自动化中智能化技术的实际应用J.造纸装备及材料,2020,49(05):47-49.4 张瑞雪,任亚丹.智能化技术在电气工程自动化控制中的应用策略研究J.四川水泥,2021(01):59-60.5 陈冠忠.电力系统电气工