技术摘要：
本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法，包括ETC门架系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道环境监测系统；ETC门架系统位于隧道入口的前方；ETC门架系统与分中心连接；分中心与服务器连接；隧道环境监测系统的输出端与  全部
背景技术：
高速公路隧道通风系统通过对隧道内风机开启数量和位置的控制，从而稀  释隧 道内污染气体浓度，例如，CO，NOX等，保证隧道内空气质量，从而最终  保障隧道内行车人员 的舒适性和安全性。高速公路隧道通风系统会消耗大量的 电能，尤其是特长隧道或超长隧 道，通风系统负荷达到隧道运营总用电负荷的  90％以上，运营费用居高不下。如何在保证 隧道内空气质量的情况下，有效降低 隧道通风系统的用电量，具有重要意义。 现有技术中，隧道通风系统根据运营时间段，开启特定数量的风机进行通  风，例 如，在白天上班高峰时期，开启所有风机，以保证最大通风量；在夜晚 时，则关闭所有风机； 在白天非上班高峰时期，开启一半数量的风机等。此种  风机控制方式，具有以下问题：风机 开启数量根据运营时间段固定，但是，同  一运营时间段，隧道内通行的车辆数量和类型也 会发生变化，因此，当隧道内  通行的车辆数量较少时，会导致开启过多数量的风机，导致电 能的浪费；而当 隧道内通行的车辆数量临时较多时，开启的风机数量较小，无法保证隧道 通风  质量。 因此，如何有效解决以上风机控制问题，既保证隧道通风质量，又能最大  程度的 节约能源消耗，是目前迫切需要解决的事情。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智 能通 风控制系统，可有效解决上述问题。 本发明采用的技术方案如下： 本发明提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统，包括：  ETC门架 系统、OBU卡、分中心、服务器、防火墙、智能通风控制模块和隧道  环境监测系统； ETC门架系统位于隧道入口的前方，ETC门架系统距离隧道入口的距离为  L0km； ETC门架系统配置安装OBU卡；ETC门架系统通过网络与分中心连接；  分中心通过网络安全 设备与服务器连接； 在隧道内布置若干台风机以及隧道环境监测系统；隧道环境监测系统的输  出端 与智能通风控制模块的输入端连接；智能通风控制模块的输出端与各台风  机的控制端连 接；智能通风控制模块还通过防火墙与服务器连接。 本发明还提供一种基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统的方  法，包括 以下步骤： 步骤1，ETC门架系统通过OBU卡实时采集通过车辆的车辆通行信息；其 中，所述车 辆通行信息包括车辆通过ETC门架系统的时间点t1、车辆行驶信息 以及车辆基本信息； 7 CN 111594253 A 说　明　书 2/12 页 每隔预定时间间隔△T1，ETC门架系统将△T1时间间隔内采集到的所有车辆通  行 信息汇总形成车辆通行数据表，然后，实时将所述车辆通行数据表发送给分 中心； 步骤2，分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传  至服 务器； 步骤3，智能通风控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通  行数 据表； 步骤4，智能通风控制模块对所述车辆通行数据表进行分析，预测到需要开  启的 风机总数量n总； 步骤5，智能通风控制模块预先存储隧道内每台风机的布置位置信息；智能  通风 控制模块根据隧道环境监测系统，实时获取隧道不同位置点的实时环境参 数； 智能通风控制模块对所述实时环境参数和风机的布置位置信息进行分析，  得到 每台风机布置位置的污染气体浓度值；然后，按污染气体浓度值从高到低 的顺序，对各台 风机进行排序；智能通风控制模块再获得各台风机到当前时刻 的连续运行时间，以污染气 体浓度值尽量高、同时连续运行时间尽量短的筛选  原则，筛选出步骤4确定的n总台风机； 步骤6，智能通风控制模块实时开启筛选出的n总台风机；经过设定时间段  △T2，其 中，△T2<△T1，智能通风控制模块通过隧道环境监测系统得到隧道实时  环境参数，判断隧 道实时环境参数是否达到标准值，如果达到，则不动作；如  果未达到，根据隧道实时环境参 数与标准值的差值，确定需要进一步开启的风  机数量，并开启对应的风机； 步骤7，然后，返回步骤1，进入下一周期的循环检测与控制过程。 优选的，步骤1中，车辆行驶信息包括：车辆通过ETC门架系统的车速；  车辆基本信 息包括：车辆燃油类型以及车型信息；其中，所述车辆燃油类型包  括隧道内考虑CO的车辆 以及隧道内考虑烟尘的车辆；所述车型信息包括大型 车、中型车和小型车。 优选的，隧道内考虑CO的车辆包括汽油车类型和柴油车类型；隧道内考虑  烟尘的 车辆包括柴油车类型。 优选的，步骤4具体为： 步骤4.1，ETC门架系统距离隧道入口的距离为L0km； 智能通风控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析，得到车辆通  过ETC 门架系统的时间点t1以及车辆通过ETC门架系统的车速V1，假设车辆从  ETC门架系统到隧道 入口以车速V1匀速行驶，因此，通过下式得到车辆到达隧  道入口的时间点t2： t2＝t1 L0/V1 假设车辆通过隧道时，仍然以车速V1匀速行驶，因此，通过对所述车辆通行  数据 表中各台车辆进行分析，可得到每台车辆进入隧道入口的时间，以及离开  隧道出口的时 间，再根据每台车辆的车型类别，进而可统计得到本次采集控制  周期中，隧道内车辆以下 信息： 隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数fa(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车密度  系数 fd(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数fiv(VI)、隧道内考虑烟尘的车  辆的交通量 Nm(VI)、隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数fm(VI)、隧道内考虑烟尘的  车辆的车型类别数nVI、 隧道内考虑CO的车辆的车况系数fa(CO)、隧道内考虑CO 的车辆的车密度系数fa(CO)、隧道内 考虑CO的车辆的车密度系数fd(CO)、隧道内  考虑CO的车辆的纵坡-车速系数fiv(CO)、隧道内考 8 CN 111594253 A 说　明　书 3/12 页 虑CO的车辆的交通量Nm(CO)、 隧道内考虑CO的车辆的车型系数fm(CO)、隧道内考虑CO的车辆 的车型类别数  nco、隧道内所有车辆的总数量nc、隧道中所有车辆平均车速vt、隧道内小型 车正  面投影面积Acs、隧道内大型车正面投影面积Acl、隧道内大型车比例rl、隧道内  小型车 在隧道行车空间的占积率x1以及隧道内大型车在隧道行车空间的占积率； 步骤4.2，根据下式得到烟尘排放预测量： 式中： QVI：隧道烟尘排放预测量，单位m2/s； qVI：隧道烟尘基准排放量，单位m2/(veh·km)； fa(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车况系数； fd(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车密度系数； fh(VI)：考虑烟尘的海拔高度系数，按式fh(VI)＝0.0003h 0.88计算，其中，h为 隧道 设计海拔高度，单位为米； fiv(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的纵坡-车速系数； L：隧道长度，单位米； Nm(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的交通量，单位veh/h； fm(VI)：隧道内考虑烟尘的车辆的车型系数； nVI：隧道内考虑烟尘的车辆的车型类别数； 步骤4.3，根据下式得到隧道稀释烟尘的需风量： 式中： Qreq(VI)：隧道稀释烟尘的需风量，单位m3/s； K：隧道烟尘基准排放量，单位m2/(veh·km)； 步骤4.4，根据下式计算得到CO排放预测量： 式中： Q ：隧道CO排放预测量，单位m3CO /s； qCO：隧道CO基准排放量，单位m3/(veh·km)； fa(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车况系数； fd(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车密度系数； fh(CO)：考虑CO的海拔高度系数，按式fh(CO)＝0.78 h/1800计算； fiv(CO)：隧道内考虑CO的车辆的纵坡-车速系数； Nm(CO)：隧道内考虑CO的车辆的交通量，单位veh/h； fm(CO)：隧道内考虑CO的车辆的车型系数； nco：隧道内考虑CO的车辆的车型类别数； 9 CN 111594253 A 说　明　书 4/12 页 步骤4.5，根据下式计算得到隧道全长稀释CO的需风量： 式中： Qreq(CO)：隧道全长稀释CO的需风量，单位m3/s； QCO：隧道CO排放预测量，单位m3/s； δ：CO设计浓度，单位PPm； P0：标准大气压，取101.325kN/m2； P：隧址设计气压，单位kN/m2； T：隧道夏季的设计气温，单位K； T0：标准气温，取273K； 步骤4.6，根据下式计算隧道第一换气需风量： 式中： Qreq(ac1)：隧道第一换气需风量，单位m3/s； A 2r：隧道计算面积，单位m ； ns：隧道每小时换气次数，取3次/h； 步骤4.7，根据下式计算隧道第二换气需风量： Qreq(ac2)＝vac·Ar                          (6) 式中： Qreq(ac2)：隧道第二换气需风量，单位m3/s； vac：隧道换气风速，取1.5m/s； 步骤4.8，取隧道第一换气需风量Qreq(ac1)和隧道第二换气需风量Qreq(ac2)的最大  值，作为最终得到的隧道换气需风量Qreq(ac)； 步骤4.9，取隧道稀释烟尘的需风量Qreq(VI)、隧道全长稀释CO的需风量  Qreq(CO)和 隧道换气需风量Qreq(ac)中的最大值，作为隧道内所需的通风量Qr，即： Qr＝max(Qreq(VI) ,Qreq(CO) ,Qreq(ac))                    (7) 步骤4.10，根据下式计算隧道内自然通风力： 式中： △Pm：隧道内自然通风力，单位N/m2； ζe：隧道入口局部阻力系数； λr：隧道沿程阻力系数； Dr：隧道断面当量直径，单位m，通过下式计算： Ar：隧道净空断面积，单位m2； 10 CN 111594253 A 说　明　书 5/12 页 Cr：隧道断面周长，单位m； ρ：空气密度； Vn：自然风速，单位m/s； 步骤4.11，根据下式计算隧道交通通风力： 式中： △P ：隧道交通通风力，单位N/m2t ； nc：隧道内所有车辆的总数量； vt：隧道中所有车辆平均车速，单位m/s； vr：隧道预测风速，单位m/s，通过下式计算： Am：汽车等效阻抗面积；通过下式计算得到： Am＝(1-rl)·Acs·ξc1 rl·Acl·ξc2                       (10) 式中： Acs：隧道内小型车正面投影面积，取2.13m2； A 2cl：隧道内大型车正面投影面积，取5.37m ； rl：隧道内大型车比例； ξc1：隧道内小型车的空气阻力系数，通过以下计算：ξc1＝0.0768x1 0.35，其 中，x1 为隧道内小型车在隧道行车空间的占积率； ξc2：隧道内大型车的空气阻力系数，通过以下计算：ξc2＝0.0768x2 0.35，其 中，x2 为隧道内大型车在隧道行车空间的占积率； 步骤4.12，根据下式计算隧道通风阻力： 式中： △P ：隧道内通风阻力，单位N/m2r ； ζi：隧道局部阻力系数； 步骤4.13，根据下式计算单台射流风机升压力： 式中： △Pj：单台射流风机的升压力，单位N/m2； vj：射流风机的出口风速，单位m/s； A ：射流风机的出口面积，单位m2j ； η：射流风机位置摩阻损失折减系数； 步骤4.14，根据下式得到需要开启的风机总数量n总： 11 CN 111594253 A 说　明　书 6/12 页 式中： n总：需要开启的风机总数量。 本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制系统及方法具有 以下 优点： (1)智能通风控制模块通过ETC门架系统实时得到即将通过隧道的车辆通  信信 息，包括车流量、车型、车速、燃油类型等，再结合隧道环境监测系统监  测到的隧道实时环 境，实现按需通风的目的，降低了隧道运营能耗； (2)利用既有的ETC门架系统对车辆通行信息进行采集，车辆通行信息的  采集更 加准确，信息采集更加全面，拓展了高速公路数字的应用范围； (3)降低了隧道运营管理人员的管理难度及运营管理的工作量，提高了隧  道内的 运营环境。 附图说明 图1为本发明提供的基于ETC门架系统的公路隧道智能通风控制方法的流程  示意 图。