基于模型预测的公路隧道内火灾探测器的智能汽车

文摘

提出了一种方法用于检测公路隧道内火灾没有直接观火,使用车载汽车技术。系统是基于比较测量温度和烟雾模型场景预先计算的发展对于一个给定的公路隧道。火灾场景计算HW /西南工具TuSim有关参数的公路隧道,然后结果提交给车辆通过car-to-infrastructure通信链接。早期火灾的正确检测允许疏散车辆的乘客,这将大大增加生存的机会。计算出的场景也为救援队提供支持信息。

1。介绍

安全的运送人员和材料是谄媚的交通不可或缺的一部分。从风险的角度和随后的伤害,最糟糕的地方是公路隧道。在意外的情况下,一些危险的情况发生在隧道。最危险的是隧道内的火灾事故。即使火是检测到传感器和摄像机安装在隧道管、统计数据表示,并不是所有的乘客在威胁区域将车辆的疏散时间。我们相信这个缺点时可以抑制不仅隧道的运营商还车辆本身传感和检测的指标fire-rising温度和不透明度。

随后的复苏在事故发生后也具有挑战性,可以公开他人的危险。因此,我们提出了一个仿真模型,能够预测隧道在意外事件的情况。此外,这些信息可以利用救援队伍。

本文处理技术设备的影响在人类和财产安全隧道。达到容许的安全水平,异类互补系统必须安装在隧道。数值表达式的风险是有问题的。因此,模拟几种可能性之一如何安全地比较各种变体和测试系统限制,所谓糟糕的情况下,作为一种替代的风险分析。本文专注于关键场景本身的模拟,对信任模型的建立及其后续的验证和确认。

如今,隧道模拟器可以分类如下组:(1)模拟器用于火车隧道运营商,主要处理虚拟现实可视化(或隧道1]。(2)驾驶模拟器用于火车司机开车穿过隧道;他们可以监视和分析司机的行为,技术参数的驱动器,思想,主观感受,等等。2]。(3)专业仿真工具如IDA RTV软件(3]。(4)模拟器基于PLC(可编程逻辑控制器),主要用于验证控制隧道技术在各种模式之前,把控制系统操作(4,5]。这些模拟器可能利用额外的专业工具,模拟隧道技术和物理;一个架构如图这样的模拟器1。

火,一般来说,可以通过以下方式:检测到(1)SOS按钮(2)视频检测(3)烟雾传感器(4)FibroLaser线探测器

原则上,视频检测可以检测火灾在几个方面,通过检测汽车/车辆停止,火、或在监控区域吸烟。随着时间的推移,这种方法是最快的方法;另一方面,假警报可以从烟雾发生在隧道通过卡车或光反射。在这种情况下,在斯洛伐克隧道通常是关闭后才批准操作符。几乎立即停止车辆的检测。有两种类型的烟雾传感器:透明度传感器专业烟雾传感器。不透明度传感器必须安装关闭门户,分支隧道的最大距离1000米。根据SIGRIST制造的材料,不透明度传感器测量范围为0 - 100公里;精度范围内0-15公里必须±2公里。这些传感器也可用于火灾探测; they are usually installed on the wall of the tunnel. Smoke sensors must be installed at the maximum distance of 150 meters along tunnel. The measure range of these smoke sensors is 0–15 km and accuracy is 0, 2  km; they are usually installed on the tunnel ceiling.

典型值在测量不透明:(1)正常交通< 5公里(2)交通拥挤∼5公里(3)交通堵塞∼7公里(4)隧道近12公里(5)火> 15公里

FibroLaser在隧道火灾检测增加热量。建立的光学电缆和控制单元发出一束激光到电缆和分析它的反射。喇曼效应,当反射的激光光束分为斯托克斯和反斯托克斯信号和温度变化在光缆的评估是基于这些信号强度的差异。可以实现FibroLaser到仿真程序的数据显示制造商西门子。有三个规则如何检测温度的增加:(1)被定义的最大值(2)从平均温度区泛滥的最大区别(3)泛滥的最大温度定义增加时间

2。隧道模拟器TuSim

隧道模拟器(TuSim),文章的作者开发的基于可编程序逻辑控制器(PLC)。TuSim是一个复杂的HW / SW解决方案基于工业个人电脑(PC), Bernecker和Rainer (BR)自动化电脑作为PLC。TuSim如图2自上而下,由(视图)的Masterview的液晶显示器(LCD)开关可视化服务器,BR自动化电脑(在左边底部),和备份UPS单元(正确的底部)。不间断电源(UPS)单位确保连续操作的模拟。

BR自动化电脑,西门子s7 - 400型PLC模拟包括技术组件。TuSim模拟器可以模拟三种类型的隧道,1000米长:(1)城市隧道(MST)(2)公路隧道的一个管子(D1T)(3)公路隧道two-tube (D2T)

可视化的技术设备是确保通过人机界面/监控和数据采集(HMI / SCADA)显示。整个系统有一个开放的软件概念的未来的扩展的软件PLC设计的图形屏幕。

模拟器不连接到数据流的一个真正的隧道。核心服务器负责数据收集、归档和分发从PLC的客户。选择要归档的数据在数据库服务器的配置是由数据库日志记录器(6),然后数据可能显示在所有客户。除了数据显示,客户还可以执行控制干预显示单独为每个技术子系统。显示和更改屏幕,工具CimViewer和CimEdit [7从人机界面/ SCADA CIMPLICITY软件正在使用。

模型验证的原因,公司可能会相互关联的其他工具在以下方式:(1)可扩展标记语言(XML)接口ELTODO提供的公司(2)Libnodave动态链接库(DLL库)(8](3)MATLAB / SIMULINK [9](4)艾达公路隧道通风(RTV) [3]

3所示。仿真模型

在第一个版本中,TuSim驾驶模拟器帮助服务运营商熟悉隧道的控制系统和模拟紧急事件手动通过所谓的反应。因为没有数学物理模型,需要许多隧道系统的模拟功能,内置的,他们必须另外集成。图3显示模型重要的基本功能和它们之间的相互作用。蓝色领域的模型是直接在PLC上实现水平,其他HMI / SCADA的水平。

3.1。交通流模型

因为它是明显的从图3,空气流动过程的模型产生的活塞效应的运动车辆在隧道作为它的输入。在单向交通、车辆把空气运动。重大的贡献越多,车辆的体积强度就越高。产品燃烧的隧道也是一个重要的输入控制空气技术。同样重要的是要知道交通流构成,因为卡车和公共汽车有更高的隧道环境中对排放的影响。更多信息的交通模型TuSim在[10- - - - - -12]。

3.2。隧道管模型

隧道管可以模仿多种方式。其中一个是基于分析其输入和输出之间的关系。这种方法被用于(13]。描述一个线性模型的一部分,我们使用了状态模型。模型的非线性部分包括饱和和传输延迟。隧道管的模型预计将使改变的一氧化碳和氧化二氮传感器的位置。这将有可能监测通风控制的差异。排放的浓度在时间和空间可以使用纵向通风的方程计算(14]: 在哪里t模拟(s)和时间吗x是距离(米)。

如果测量和计算速度的气流通道,我们可以立即使用方程的解决方案(14),例如,的值在一个稳定状态:

在哪里(1) 的浓度是在隧道的输入门户 (2) 是在隧道气流的速度 (3) 车辆运动的平均速度吗 (4) 是交通量 (5) 是车辆的排放 (6) 隧道横截面 ,和是一种派生的

在我们的模型中,所有速度和梯度的排放值存储在表中。输出模型的纵向通风的单向交通将会创建一个线性函数,CO排放的浓度增长对输出隧道的门户。在[15),有一个离散的微观交通模型和排放为每个部分被排放的车辆根据表(16]。优势是排放车辆不取决于隧道的形状;因此,该模型可以使用普遍。图4显示我们的交通比较模型扩展的模型隧道管模型的稳态条件。

气流的速度变得稳定后,CO排放在微观模型的值接近的值排放模型的宏观交通模型沿整个长度的隧道。对交通的需求模型,我们采用了PIARC表(16)——用于交通的离散速度模型 , , ,隧道的最大速度 ,最大梯度 。

3.3。空气流模型

模拟隧道中的空气流动是一个复杂的问题要求n - s非线性微分方程的数值解。他们的解决方案是使用时间要求实时的PLC。作为一种替代方法,可以使用伯努利方程的一维液体流动时我们考虑到空气作为不可压缩流体: 在哪里(1) 是空气密度(2) 是空气速度(3) 是压力(4) 是隧道的末端之间的高度差(5) 是重力加速度

这个公式是有效的只有在理想的情况下液体;对于真正的液体,必须扩展方程的成员代表摩擦损失。流的速度在隧道受多种因素的影响:隧道和外部环境之间的温度差异,梯度的隧道,活塞效应,球迷的影响,摩擦,横截面的变化,天气条件在门户,等等。在我们的例子中,大部分斯洛伐克隧道non-rugged概要;即。,their cross section is the same, and so only one equation must be solved. Otherwise, a system of equations should be solved for each section of the tunnel in the case of the profile change, branching-off inside the tunnel, when the ventilation shaft is used (Branisko tunnel) or combined ventilation systems (Višňové tunnel being under construction) [17]。

为了比较的方法,我们已经创建了一个模型类似于IDA RTV [Borik隧道6),周长 和横截面面积 。计算空气流通,我们使用代用的水力直径的圆管的横截面可以计算(18]:

球迷把气流运动;压力变化取决于数量的球迷,效率,和球迷区。参考文献(19,20.]给出方程的多个版本手机粉丝和天花板流粉丝: 在哪里(1) 隧道横截面的面积是(2) 是风扇的效率(3) 的推力是风扇吗(4) 气流的速度吗 (5) 风扇空气的速度吗

单向交通、移动车辆在隧道空气移动,创造所谓的活塞效应。速度和交通容量越高,这种影响就越高。由于紧急情况下的隧道,我们也感兴趣的情况下停止车辆时的气流速度低于速度隧道。由于空气流动减慢,我们使用方程与速度的绝对值(21]: 在哪里(1) 隧道横截面的面积吗(2) 是空气密度 (3) 气流的速度吗 (4) 车辆的速度吗 (5) 汽车的数量吗(6) 前面的车吗(7) 是摩擦系数

隧道在火灾条件下,温度会增加将导致内部温度之间的温差和周围环境的温度。火代表空气流动的障碍。大火引起的局部压力损失取决于温度,隧道的横截面的形状,和其他因素。最准确的确定隧道中温度的方法是使用CFD仿真或评估真正的火灾实验。平均温度在整个消防部分可以简单地计算(17]: 在哪里(1) 是空气密度 (2) 隧道横截面的面积吗(3) 火温度的地方吗(4) 火温度的地方吗(5) 传热系数 (6) 隧道的周长吗(7) 空气的比热容吗 (8) 距离火的地方吗

空气流速的最后微分方程得到的总和所有提到的压力差异以及其他中描述(22]: 在哪里(1) 上面提到的所有元素吗(2) 是空气密度 (3) 隧道的长度吗

此外,方程的其他成员,如温度差异和风力的影响,可以考虑。

3.4。火灾模型

火的过程中可以模拟各种工具。计算时间的原因,三维模拟的火灾动力学模拟(FDS)被排除在外。可能有二维模拟使用CFAST [23)考虑主要是用于模拟火灾的建筑。CFAST延长模拟气流在长长的走廊。在[24),隧道由几个相互关联的走廊区域模型;结果FDS相比。空隧道和低空气流,结果具有可比性。隧道和各种障碍的气流速度,我们发现它不可能使用CFAST可靠隧道的火灾。因此,我们用火的一维模型,同样的文档TP02/2011 [19),或者在IDA退货(6),预先确定曲线的火力为每个类型的车辆。形状曲线的火力可能数学简化线性、指数或[平方20.]。对于模拟,我们选择模型根据实际火灾发展曲线测试(图5)。

参考文献(25,26]给出方程的计算温度的地方: 在哪里(1) 是火力(2) 气流的速度吗 (3) 是空气密度 (4) 隧道的横截面的面积是(5) 外面的温度(6) 空气的比热容吗

因为我们有一维模型中,温度被认为是一个横截面的平均温度的地方。根据(25),与三维计算流体动力学(CFD)模拟的情况下没有烟很好巧合的回流温度(错误ca )。烟在回流的情况下,出现一个错误。燃烧效率不是必须减少100%的功率方程。我们选择的值 。此外,我们仅适用于火的权力的一部分,大约 ,按照引用;剩余功率辐射到隧道的墙壁。的温度,我们可以使用下面的方程22]: 在哪里(1) 是发射率(2) 是斯蒂芬玻尔兹曼常数 (3) 传热系数 (4) 墙的温度吗(5) 是空气温度(6) 隧道的长度是用火吗(7) 隧道的水力直径吗

给定方程考虑隧道墙壁单向辐射;天花板和人行道上有区别。

一般来说,火可能检测到多种方式。对我们的模拟,更重要的是自治系统:感烟探测和线性检测器FibroLaser [27]。对于模拟,我们使用变量检测时间。

3.5。烟雾传播模型

烟雾传播取决于气流速度在隧道,火的大小,隧道的横截面,隧道梯度。烟雾的空气的温度高于温度上限,根据下面的隧道传播速度的气流传播单向或双向的。图6显示了隧道烟雾传播的可能性。

在图6(一)、气流速度较低,和烟雾分层均匀。在隧道火灾通风双向操作应遵循本例中因为有两侧人火的地方。在图6(b),气流速度低于临界速度,和烟雾destratification发生时,回流传播的烟。在图6(c),气流速度大于临界速度,和烟雾destratification不发生。单向交通、知识临界速度的各种车辆类型火灾的人员的安全隧道的关键知识。比较各种方法如何计算临界速度的依赖火力如图7的模拟,我们选择一个分析计算(27]。

临界转速的关键表达式被选为其最优性对所有常用的临界转速的计算方法。比较了基于作者的分析方法(29日)和计算使用软件IDK RTV TP12/2011。

根据道路隧道TP12/2011通风的技术条件,这对纵向通风速度直接的交通在单向交通应该大于所谓的临界速度,烟雾扩散。如果人们只在一个方向上从壁炉,火灾通风控制,所以流速度高于或等于临界速度。

据TP12/2011临界转速的计算如下: 输入值在哪里问= 5.106 W汽车火灾的热释放, = 9,81理科硕士⁻²重力加速度,cp = 1039 J / (kg.K)清洁空气的热容流,H= 6995米隧道净空高度,W= 9,间隙宽度5米的隧道,一个= 57 26米²间隙截面隧道,年代= 1%梯度的隧道,一个= 1134 kg / m3流清洁空气的密度,Ta = 288 15 K清洁气流温度。

公路隧道双筒的常量值C0 = 0 9C1 = 0,91935,C2 = 0,42233,C3 = 0,61299,C4 = 7,51768。

为不同的车辆火灾场景,只有系数B是改变: 5 MW:B6036年= 2,vcrit = 2565米/秒,10 MW:B2803年= 3,vcrit = 2794米/秒,20 MW:B1329年= 4,vcrit = 2961米/秒,50 MW:B6093年= 5,vcrit = 3097 m / s。

3.6。火灾通风算法

我们分析了控制算法的火灾通风流量 和值和的火力。作为比较,我们选择了以下控制通风的方法:切换的所有球迷,切换三个粉丝(一半的火区除外),开关6个粉丝(所有的防火区除外),和监管的间隔内所需的值来与步骤和 。控制系统选择的通风控制方式激活5^th分钟从停止交通。比较的结果如图8,对于在图9。在20^th分钟,我们突然选择了风的速度4 相反的方向来评估流值下降。我们可以看到,关闭通风速度流的减少值下的临界速度 ,即。,一个pproximately 8 minutes after traffic had been stopped. For火和固定数量的开启风扇,流的速度不低于价值降低 ,即使对3的粉丝。这意味着条件的冗余的球迷是实现。当调节到所需的值的空气速度,我们可以看到步骤有一个陡峭的上升到所需的值,但更高的打捞筒。风引起的误差是在这两种情况下立即补偿增加;火达到最大的临界速度的恒定值。

为 ,我们可以看到,反应控制系统5分钟后停止交通已经速度的临界值为给定的火。同样,与前面的比较,只有三个球迷足以保持空气流通的价值 ,再一次的要求冗余的球迷是实现。高气流速度保证低温度的空气在壁炉前,确保交付的新鲜空气,让烟从疏散方向。气流速度的最大值向相反的方向不应该有问题的。

3.7。疏散模型

从图我们可以看出10烟雾缭绕的空间内,人移动速度减少甚至不透明的价值 。这个值也改变了基于位置的人在隧道,隧道没有得到烟立即沿整个长度,和疏散模型应该考虑它。

烟/速度相关的研究目前主要基于两个数据集:组实验从金[1976]从Frantzich组实验,尼尔森[2003]

第一个数据集(金)收集的数据,用于提供消光系数之间的相关性和行走速度,能见度水平,当暴露于烟雾和认知能力。

金使用两种不同的烟。首先是刺激性烟雾,燃烧木材生产的婴儿床。第二是non-irritant烟,这是由燃烧煤油。这个实验是在20米长廊是充满了烟对应火灾的早期阶段。实验涉及17和14个男人的女人,年龄从20到51年。

第二个数据集(从Frantzich和尼尔森)来自最近的研究。这个实验是在隧道为研究不同能见度条件下的影响对个人行走速度。

Frantzich和尼尔森人工烟雾和用于模拟刺激,使用醋酸。这个实验是在37-meter长隧道管。实验涉及46人。

细胞自动机(CA)模型的流量是延长汽车内的人;因此,人员的疏散模型接受一个初始分布在隧道。互连的CA模型,交通和疏散模型如图11。

估计的速度走在疏散模型,下面的模糊推理系统(FIS)的目的是:人(在疏散路径):密度低( ,中产和高( )发烟性:低( ),中产和高( )照明(操作照明水平):低( ),中产和高( )

在第一步中,所有成员函数被选为梯形和语言变量推导出熟练地。结果可以达到降低偏离实验数据时,通过遗传算法优化隶属函数的形状。比较各种方法的记录(31日,32]。

比较疏散模型,我们决定使用的数据(30.]的详细比较多个疏散工具可用。我们与疏散重复选择的实验模型;比较实验给出的输入数据表1。

对于所有的场景,单向交通应用,停在紧急出口没有开启通风。中的步骤的场景A1.1, A1.2, A2.1-A2.3分析(30.]。前两个模拟标准的疏散立即启动。然后,各种各样的行走速度进行了测试。个人情况给出平均疏散时间的表2和标准偏差(在括号中)。

4所示。风险分析在TuSim

TuSim延长数学物理模型是一个模型适用于基于情景分析的仿真实验与技术设备。评估场景,比较是适当的ASET(可用安全疏散时间)和资源集(必需安全疏散时间),或为个体死亡率场景。意义的资源集ASET是明显的从图12。

图13显示了一个更清晰的time-spatial可视化的方式资源集/ ASET [35),没有问题来评估特定的情况在隧道。在左边的图片,有气流速度表示;在图片的右边,有烟雾传播和红线代表逃跑路径显示个人退出。

用于制造仿真的方式TuSim是描绘在图14。仿真参数的设置在图片的左上角。在右上方的部分图片,有模拟的交通和右下角部分停止交通和疏散人员。

5。评价

我们设置了同样的场景条件:停止单向交通的体积 在第300分钟的模拟控制系统的响应在第600分钟的模拟

我们感兴趣的最好的案例(三双开关)和最坏的情况下(没有风扇的开关)。

模拟人类决定撤离,我们使用温度增加的规则或烟出现在人类出现的地方。如果没有规则的应用,我们在900年开始疏散^th分钟时间处罚根据距离的地方。为每一个场景中,我们显示time-spatial可视化资源集/ ASET,红色孵化表示空气温度的价值°C。

图15显示消防卡车气流速度下降低于临界速度的估计价值,不久可能发生回流的烟很短的一段时间。增加温度将导致的早期启动疏散;温度°C将达到紧急出口在壁炉大约在960^th分钟。如果人员开始疏散在一个错误的方向,除了烟他们也将濒临灭绝的热量。

图16显示了卡车的火关闭通风,烟回流不到前面的紧急出口的地方火由于气流速度的增加 。人完成疏散 。温度°C将达到背后的紧急出口位置的火大约13^th分钟,前面的紧急出口位置的火大约14^th分钟,整个疏散人员将运行在较高的环境温度。更高的温度不需要立即导致人无法疏散,和烟雾回流的天花板下隧道不需要立即危害的人。火灾的烟雾将开始与底层混合的空气,即使部分冷却气体的,这种效应可以在一维仿真模型是非常困难的考虑。

佩尔松(34)利用火的一维模型,用分数有效剂量(美联储)和部分失能剂(FID)死亡率计算。车辆火灾场景,他们得到了零死亡率、死亡引起的火灾危险货物,与附近或火灾,直接增加到最大功率(爆炸火灾)。通风工作,后发现是我们的结论。

在Horelica隧道三维模拟37)透露,在上层气团温度身高1.8不会对人类造成威胁的分析场景。结果并不是有效的直接环境火,即。在火灾面前,10米和背后。气流的方向,温度超过50°C值沿整个长度的隧道管火灾20 MW和50 MW,对应于我们的发现的降低气流的速度。50 MW火,辐射水平以上2.5千瓦/ m²主要是濒危的人是马克斯。25米的气流方向对应于距离为25.69 m的计算值相同的辐射和火。

我们可以看到,隧道1公里长时间我们可以保持气流的方向交通只有在火灾探测和以下的通风5分钟内会发生交通停止。在正确的火灾探测和通风系统的函数,没有人的非理性行为(在错误的方向疏散),没有留在车辆,将没有为单向交通死亡事故。

在双向交通的情况下,一部分人将与低能见度撤离在吸烟的环境中。关闭通风可能问题在短隧道由于气流的变化。可能调节气流的给定值,例如,特定值0或1 m / s根据技术条件,可能可以有困难没有可能改变通风气流(频率逆变器,风机叶片攻角控制,等等)。

6。火灾的检测工具

在前面的部分中,我们提出一个方法来模拟物理条件(不透明度、温度、空气速度、碳氧化物浓度,等等)在公路隧道的火灾。作为一个可以看到在图16如果隧道通风不工作,疏散人员将濒危高温和浓烟。图17显示温度发展隧道内部的空间和时间。第一次检测到温度上升发生在600年代,但人们将在700年代开始撤离。在100年代,温度会上升大约。20°C。火可以提前发现因此比较隧道内的正常体温(计算TuSim没有火的事件)和实际测量温度。如果温度高于正常温度和最大车辆稳定,有隧道内火灾的可能性非常高,自主车辆向乘客发放警报促使他们最近的疏散出口。类似的方法可以利用COx浓度测量表明吸烟的存在。

车辆内部的报警时应发出任何这些条件满足:车辆稳定,温度高于正常温度最大距离隧道内车辆稳定,和考克斯的浓度高于隧道内的最大正常水平在给定的距离

最大温度和排气气体浓度正常的值将由TuSim对于给定参数的流量和隧道。这些值取决于距离。的距离隧道的车辆从门户可以估计在车辆里程表结合其他传感器用于自主导航。

7所示。结论

提出一个复杂的模拟方法,以预测发展的物理性质(如温度,不透明度)公路隧道内火灾的案例。当评估一个灭火效果的技术设备在公路隧道,我们必须实现的详细time-spatial分析给定事件。基于统计的方法不能考虑事件发生时的技术效果。正确的检测和反应功能的隧道控制系统通常是假定的。此外,统计的结果不能扩展线性参数的隧道。唯一的选择就是进行仿真实验。仿真实验的一个有利的选择是使用PLC,实际控制系统是建立在相同的平台。作为我们工作的出发点,我们使用TuSim隧道模拟器。

一旦可能的场景与不同的权力(火)计算,预测隧道的正常和关键行为和紧急出口的位置可能是智能车辆。车辆可能探测到火灾早期考虑温度变化和不透明性。该方法是独立于外部系统在紧急情况下(无线通信在隧道灭火可能会失败)。因此,乘客将提醒即使通信链路的隧道。

数据可用性

数据支持本研究的结论如下:Miklošik,我。,Pokročile metody kvantifikacie bezpečnosti cestnych tunelov。博士学位。工作,电气工程和信息技术学院,Žilina大学2016年http://kris.uniza.sk/images/dokumenty/EU_CEx_IDS.pdfhttp://kris.uniza.sk/veda-vyskum-prax/grant-ulohy。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的斯洛伐克研发机构apvv - 17 - 0014。

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