錢 超， 鄧木生， 李虎雄， 陳建勛， 王辰瑤

(1. 長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平和隧道建造技術(shù)的快速發(fā)展，為緩解日益緊張的交通壓力，在世界范圍內(nèi)越來越多的長隧道甚至特長公路隧道開始修建并投入運(yùn)營。作為世界上隧道和地下工程數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、規(guī)模最大的國家[1-2]，截至2020年底，中國已建成特長公路隧道(l>3 000 m)1 394處，共計(jì)623.55萬延米[3]。通風(fēng)系統(tǒng)能夠降低隧道污染物體積分?jǐn)?shù)并提高能見度，對保障行車安全效果顯著。全射流縱向通風(fēng)方式因其隧道開挖斷面小、工程造價(jià)低等優(yōu)勢成為最經(jīng)濟(jì)的機(jī)械通風(fēng)方式，在高速公路隧道中應(yīng)用廣泛。與橫向、半橫向式通風(fēng)隧道內(nèi)較為均衡的污染物分布不同，縱向通風(fēng)方式下污染物沿隧道行車方向運(yùn)移、累積，體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，導(dǎo)致隧道內(nèi)存在嚴(yán)重的安全、衛(wèi)生和舒適問題[4]。在實(shí)際運(yùn)營的公路隧道中進(jìn)行全面的通風(fēng)測試難度系數(shù)大、危險(xiǎn)程度高，試驗(yàn)研究通常借助縮尺模型開展[5]，導(dǎo)致真實(shí)環(huán)境下特長公路隧道通風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)極度匱乏[6-7]。

借助專業(yè)環(huán)境檢測設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測逐漸成為隧道通風(fēng)研究的主流趨勢，如Kim等[8]應(yīng)用粒子成像測速儀研究了射流風(fēng)機(jī)對縱向通風(fēng)隧道煙霧擴(kuò)散的影響；Levoni等[9]設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)多點(diǎn)氣流測量裝置，用于測試意大利勃朗峰隧道(11 km)橫斷面的風(fēng)速分布；Cheng等[10]應(yīng)用便攜式粒子分析儀調(diào)查了臺灣雪山隧道(12.94 km)顆粒物(PM, particulate matter)質(zhì)量濃度及其粒徑分布，此外Li等[11]應(yīng)用污染物分析儀對該特長公路隧道CO和NOx體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測試；Li等[12]利用便攜式儀器分析了湘江隧道(3 km)中交通流對CO、NOx、PM2.5擴(kuò)散特征的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對公路隧道環(huán)境監(jiān)測開展了深入的分析和探討，對于監(jiān)測系統(tǒng)也提出了多種設(shè)計(jì)方案。但現(xiàn)有研究大多側(cè)重于單種污染物的分布規(guī)律，污染物研究類別較為單一，且缺少長期監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐，難以系統(tǒng)、全面地總結(jié)隧道空氣質(zhì)量時(shí)空變化規(guī)律。近年來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)已開始向隧道建設(shè)和運(yùn)營行業(yè)滲透，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面感知隧道本體、環(huán)境和設(shè)備信息，利用云計(jì)算技術(shù)對感知信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和處理分析，為設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營過程中提供智能響應(yīng)和科學(xué)決策，最終實(shí)現(xiàn)“智慧隧道”已成為隧道建設(shè)和運(yùn)營的發(fā)展方向。鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種公路隧道環(huán)境感知系統(tǒng)(TEPS，tunnel environment perception system)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)有害氣體體積分?jǐn)?shù)、溫度/氣壓、能見度和風(fēng)速/風(fēng)向等運(yùn)營環(huán)境信息的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)采集、傳輸與存儲，以期為設(shè)計(jì)智能化的隧道通風(fēng)控制方案、實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)行的JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》將安全性、衛(wèi)生性和舒適性作為通風(fēng)控制的主要標(biāo)準(zhǔn)[13]，分別給出了煙塵和CO設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)，并首次提出以平均體積分?jǐn)?shù)1×10-6作為NO2的設(shè)計(jì)限值[14]。參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范中對隧道內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測要求，本系統(tǒng)將NO2體積分?jǐn)?shù)納入環(huán)境監(jiān)測，旨在實(shí)現(xiàn)對公路隧道內(nèi)通風(fēng)安全指標(biāo)(能見度)、衛(wèi)生指標(biāo)(CO、NO2體積分?jǐn)?shù))和通風(fēng)效果(風(fēng)速、風(fēng)向等)的全方位綜合監(jiān)測。

TEPS系統(tǒng)框架如圖1所示，主要由環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸2個(gè)子系統(tǒng)以及電源模塊構(gòu)成。其中,環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的采集、處理和本地存儲，同時(shí)將處理后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式封裝，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對公路隧道環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為避免隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)和燈具開啟時(shí)電壓波動(dòng)對系統(tǒng)的影響，設(shè)置專用電源模塊負(fù)責(zé)將隧道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)交流電轉(zhuǎn)成低壓直流電，為上述2個(gè)子系統(tǒng)提供穩(wěn)定工作電壓和備用電源支持，確保極端情況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 公路隧道環(huán)境感知系統(tǒng)框架

2 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

2.1 子系統(tǒng)組成

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微處理器集成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲2個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)有害氣體體積分?jǐn)?shù)、溫度/氣壓、能見度和風(fēng)速/風(fēng)向等原始數(shù)據(jù)的采集，原始數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理器進(jìn)行處理，處理完成的最終數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲模塊，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)相關(guān)信息的實(shí)時(shí)顯示和本地存儲。

圖2 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 有害氣體

為適應(yīng)較為惡劣的隧道環(huán)境，選用高精度、高靈敏度的MICS-6814傳感器對隧道內(nèi)CO和NO22種污染程度較高的有害氣體進(jìn)行在線監(jiān)測。有害氣體監(jiān)測硬件電路如圖3所示，傳感器由高精度微加工膜片(帶有嵌入式敏感電阻)和位于頂部的傳感層組成。借助STM32芯片內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對模擬信號的量化，Rs是敏感電阻通電加熱下的阻值，Ro是敏感電阻未加熱條件下的阻值。當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，傳感器的敏感電阻電壓隨之成正比變化，根據(jù)分壓原理Rs/Ro=Us/Uo，計(jì)算得出電阻比值X，代入擬合函數(shù)關(guān)系式(1)和式(2)進(jìn)而確定隧道內(nèi)有害氣體體積分?jǐn)?shù)。

圖3 有害氣體監(jiān)測硬件電路圖

(1)

YNO2=0.149 6XNO2+0.018 2。

(2)

式中：YCO、YNO2分別為有害氣體CO和NO2體積分?jǐn)?shù)，1×10-6；XCO、XNO2分別為敏感電阻中CO和NO2有害氣體接口的電阻比值Rs/Ro。

2.2.2 溫度/氣壓

選用高精度數(shù)字溫度/氣壓傳感器實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)溫度和氣壓信息的在線監(jiān)測。溫度/氣壓監(jiān)測硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示，在時(shí)鐘信號SCK觸發(fā)下，微處理器通過IIC接口定時(shí)由數(shù)據(jù)線SDA讀取傳感器采集的溫度和氣壓信息。

圖4 溫度/氣壓監(jiān)測硬件電路圖

2.2.3 能見度

采用數(shù)字式顆粒物質(zhì)量濃度傳感器實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)能見度的在線監(jiān)測。傳感器利用激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，基于米氏(Mie)理論的算法得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量，即顆粒物質(zhì)量濃度分布，進(jìn)而換算成為PM2.5質(zhì)量濃度μ(mg/m3)；根據(jù)世界道路協(xié)會PIARC(2019)報(bào)告[15]中能見度與顆粒物質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換關(guān)系(式(3))，計(jì)算出隧道內(nèi)消光系數(shù)K(m-1)，并以通用數(shù)字接口形式輸出。

K=0.004 7μ。

(3)

2.2.4 風(fēng)速/風(fēng)向

選用超聲波風(fēng)速/風(fēng)向傳感器實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向的在線監(jiān)測。風(fēng)速傳感器利用4個(gè)超聲波換能器按十字交叉狀構(gòu)成2組超聲波發(fā)射、接收電路，傳感器工作示意如圖5所示。由于聲音在空氣中的傳播速度會和風(fēng)速疊加，根據(jù)時(shí)差法來分別實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向風(fēng)速的測量(式(4))，最終合成實(shí)際風(fēng)速。另外，根據(jù)2個(gè)方向風(fēng)速差異并結(jié)合電子羅盤傳感器實(shí)現(xiàn)風(fēng)向角度判別。

圖5 風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作示意圖

(4)

式中：v為風(fēng)速；d為2個(gè)換能器之間的直線距離；t1為逆風(fēng)時(shí)聲波傳播時(shí)間;t2為順風(fēng)時(shí)聲波傳播時(shí)間。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)顯示

采用薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD, thin film transistor-liquid crystal display)實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。顯示器由顯示屏、背光源及驅(qū)動(dòng)電路3大核心部件組成，顯示屏中液晶的透光率具有隨其所施電壓大小而變化的特性，在外部施加照射光使液晶發(fā)光，用m×n點(diǎn)排列的逐行掃描矩陣顯示任意字符或圖形。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲

隨著SD/TF卡存儲容量的不斷提高，采用以微處理器為系統(tǒng)核心嵌入FAT32文件系統(tǒng)，通過大容量存儲卡以及USB數(shù)據(jù)拷貝功能，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、低成本、小體積的海量數(shù)據(jù)存儲，成為技術(shù)主流。系統(tǒng)采用該方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地長期存儲(備份)，保證了數(shù)據(jù)完整性。

3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

3.1 子系統(tǒng)組成

近年來隨著4G通信技術(shù)的成熟推廣，其功耗成本低、傳輸速率快、頻帶利用率高的技術(shù)優(yōu)勢促使其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)泄露電纜技術(shù)也解決了隧道內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的問題。因此借助隧道內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)高速、無線傳輸是最理想和最經(jīng)濟(jì)的通訊方式。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)透傳模塊和網(wǎng)絡(luò)存儲模塊組成，具體傳輸方式如圖6所示。4G數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU， data transfer unit)集成了TCP/IP協(xié)議，支持網(wǎng)絡(luò)透傳，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)的高速接入。4G-DTU發(fā)送網(wǎng)絡(luò)心跳包實(shí)現(xiàn)監(jiān)測子系統(tǒng)與云服務(wù)器的連接，將微處理器采集的隧道環(huán)境監(jiān)測信息同步至監(jiān)控中心私有云服務(wù)器，提高了信息采集的便捷性與高效性。4G-DTU同時(shí)支持?jǐn)嗑€重連功能，能夠保證隧道環(huán)境監(jiān)測信息的完整性和穩(wěn)定性。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)透傳模塊

在數(shù)據(jù)透傳模塊中，微處理器通過RS-485連接4G-DTU，4G-DTU將接收的串口數(shù)據(jù)封裝為TCP/IP協(xié)議MAC幀上傳至云服務(wù)器[16]，其中客戶數(shù)據(jù)字段格式如圖7所示。云服務(wù)器端通過Windows Sockets API實(shí)現(xiàn)與4G-DTU的通信，并將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

B指字節(jié)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)存儲模塊

云服務(wù)器接收到上傳數(shù)據(jù)后按數(shù)據(jù)幀的定義格式進(jìn)行校驗(yàn)和解析，之后將監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)存儲格式見表1)，從而實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境感知數(shù)據(jù)的云端共享，用戶可以通過隧道監(jiān)控軟件從數(shù)據(jù)庫中隨時(shí)查看和下載數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)存儲格式

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

STM32是意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)推出的具有Cortex-M3內(nèi)核并具備豐富外設(shè)選擇的32位微處理器。憑借優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能和杰出的功耗控制，STM32系列處理器在全球物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)選用STM32F103芯片為核心控制器，并與數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊封裝于隧道監(jiān)測終端。將數(shù)據(jù)采集模塊中有害氣體、溫度/氣壓和顆粒物傳感器封裝于數(shù)據(jù)采集盒，采集盒雙側(cè)開孔便于傳感器與隧道內(nèi)空氣接觸，風(fēng)速/風(fēng)向傳感器固定在標(biāo)準(zhǔn)的桿配件上，零初始角度指向與行車方向保持一致。最終設(shè)計(jì)開發(fā)的隧道環(huán)境感知系統(tǒng)如圖8所示，隧道監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)采集盒和桿配件分別安裝于距隧道電纜溝蓋板180、300、300 cm高度的隧道側(cè)壁上，僅需外接隧道配電箱供電即可保證長期運(yùn)行。集成的專用電源模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供穩(wěn)壓和過流保護(hù)，當(dāng)隧道內(nèi)電力中斷則切換至后備電池供電，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖8 隧道環(huán)境感知系統(tǒng)構(gòu)成圖

為了降低設(shè)備安裝成本同時(shí)便于巡檢和維護(hù)，可將本系統(tǒng)逐點(diǎn)布設(shè)于特長公路隧道緊急停車帶處，具體如圖9所示。隧道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，同時(shí)與交通運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可為隧道通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)與節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

圖9 特長公路隧道內(nèi)系統(tǒng)布設(shè)方式(單位： m)

4.2 應(yīng)用測試

4.2.1 硬件測試

通過示波器對2類模擬式傳感器采集端口進(jìn)行波形檢測，結(jié)果顯示，有害氣體傳感器呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的鋸齒波信號，說明該傳感器受到的干擾較小，可以正常采集模擬電信號，溫度/氣壓傳感器通過串口上傳數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)的是PWM波形，起始位與停止位之間不存在長“1”或“0”現(xiàn)象，說明溫度/氣壓傳感器SDI端口工作穩(wěn)定，硬件電路完全符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 軟件測試

目前特長公路隧道均配置CO/VI和風(fēng)速/風(fēng)向等監(jiān)測設(shè)備，數(shù)據(jù)分別通過可編程邏輯控制器(PLC， programmable logic controller)并由以太網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心進(jìn)行集中存儲。本系統(tǒng)將有害氣體體積分?jǐn)?shù)、溫度/氣壓、能見度、風(fēng)速/風(fēng)向等信息集中采集，實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境的全方位綜合監(jiān)測，系統(tǒng)顯示界面如圖10所示，主要由系統(tǒng)標(biāo)題與版本(tunnel environment perception system V1.0)、時(shí)間、有害氣體體積分?jǐn)?shù)(CO和NO2)、溫度(TEMP)、氣壓(STP)、風(fēng)速(WSP)、風(fēng)向(WDIR)和能見度(VISIB)8個(gè)部分組成。

圖10 全方位綜合監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

為評估TEPS數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，在相同監(jiān)測點(diǎn)與手持式CO檢測儀(T40)、手持式NO2檢測儀(AS8906)、能見度檢測儀(ZXL-5000M)以及手持式風(fēng)速計(jì)(AZ9871)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖11所示。由圖可知，系統(tǒng)不存在數(shù)據(jù)缺失情況且數(shù)據(jù)基本吻合，其中CO、NO2、能見度和風(fēng)速采集數(shù)據(jù)平均絕對百分比誤差(MAPE，mean absolute percentage error)分別為3.36%、1.73%、5.43%和2.06%，證明TEPS對數(shù)據(jù)采集具有較高的準(zhǔn)確率和傳輸穩(wěn)定性。

(a) CO體積分?jǐn)?shù)

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合當(dāng)前“智慧隧道”發(fā)展新趨勢，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的公路隧道環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境集成化采集、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)云端存儲。既彌補(bǔ)了便攜式隧道檢測設(shè)備運(yùn)行時(shí)間短、內(nèi)容單一等諸多短板，同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固定式隧道監(jiān)測設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布設(shè)分散、集成化程度低、數(shù)據(jù)彼此孤立的缺陷，可為綜合評判隧道空氣質(zhì)量、運(yùn)營態(tài)勢和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行提供實(shí)測數(shù)據(jù)支撐。

1)將有害氣體、溫度/氣壓、能見度和風(fēng)速/風(fēng)向等高精度傳感器在隧道內(nèi)集成部署，利用STM32微處理器實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，應(yīng)用4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端存儲。實(shí)測結(jié)果表明,本系統(tǒng)集成度高、布設(shè)簡便、運(yùn)行穩(wěn)定，與各專用檢測設(shè)備相比，本系統(tǒng)CO體積分?jǐn)?shù)、NO2體積分?jǐn)?shù)、能見度和風(fēng)速采集數(shù)據(jù)平均絕對百分比誤差分別為3.36%、1.73%、5.43%和2.06%。

2)參照現(xiàn)行的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》和PIARC 2019報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了對CO體積分?jǐn)?shù)、NO2體積分?jǐn)?shù)、能見度和風(fēng)速/風(fēng)向等隧道環(huán)境信息的在線監(jiān)測，可為探究各級公路隧道受不同交通組成影響下的空氣質(zhì)量演化規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)采用電化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對有害氣體(CO、NO2)的監(jiān)測，測量精度很大程度上取決于所提供的維護(hù)水平。而光學(xué)傳感器雖具有最小的可檢測體積分?jǐn)?shù)、測量范圍和精度，但是價(jià)格高昂，僅用于對空氣質(zhì)量有嚴(yán)格要求的情況(長隧道、高流量、高擁堵風(fēng)險(xiǎn)等)，因此后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)將圍繞以較低成本實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)NO2體積分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測。