一种交通隧道排风系统可靠性检测方法与流程

本发明涉及排风系统检测技术领域，具体涉及一种交通隧道排风系统可靠性检测方法。

背景技术：

随着我国交通建设的快速发展，公路、铁道隧道越建越多。交通隧道最重要的设计是排风系统，保持合适的空气流通，能够稀释隧道内车辆行驶过程中排放的CO、烟雾和隧道内的异味，控制热量的扩散，把有害气体和污染物质浓度降至允许的范围内，保证隧道内司乘人员的身体健康和行车安全。

然而，随着交通隧道排风系统服务年限的增长，设备逐渐出现老化征兆，结构也可能发生动态变化，促使系统及其单元发生故障的可能性增大，造成系统降低或失去预定的功能，甚至造成事故，产生严重的社会影响及巨大的经济损失。因此，对交通隧道排风系统进行可靠性检测对提高交通隧道可靠性和安全性具有重要的意义。

现有的隧道排风系统是由排风网络、主排风机等若干子系统及其单元组成的复杂关联系统。其复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时变性和可维修性以及系统各影响因素之间的强耦合性。易随机产生影响交通隧道正常通风及安全生产的随机故障或事故隐患。目前的排风系统故障检测一般都是采用机械和人工方法，主要包括以下几个方面：

(1)检查主通风机是否完好；

(2)有无独立的进回风系统；

(3)主要通风机是无独立双回路供电；

(4)主要通风机风量过小；

(5)通风机并联运转不匹配；

(6)风流不稳定，系统的电气保护装置是否齐全；

(7)不合规定的串联通风。

通过以上各方面的检查，尽管能够消除一些隐患，但不能快速、准确、可靠地判断和检测排风系统的运行情况，不能定量地从可靠度的角度来监测系统的稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够实现快速、准确、可靠地判断和检测排风系统的可靠程度和运行情况的交通隧道排风系统可靠性检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种交通隧道排风系统可靠性检测方法，包括以下步骤：

(1)通过风速传感器检测隧道里的风速v，计算隧道里内的风流量q，计算公式为：

q＝v·S

式中，S为隧道通流口截面的面积，v为隧道里的风速，q为隧道里内的风流量。

(2)计算风流量q的均值和方差；

(3)根据可靠性工程和可靠性理论，基于风流量概率干涉方法，计算隧道排风故障概率密度；隧道风流量供应到任意时刻，单位时间内风流量q不能保持在其合理变化区间段[q₁,q₂]的概率，记为f(q)，用公式表示：

式中，f(q)为隧道排风系统故障概率密度，q₁为排风系统单位时间内风流量合理变化区间的上限值，q₂为排风系统单位时间内风流量合理变化区间的下限值，q为单位时间内风流量，μ为单位时间内风流量的均值，σ为风流量的标准差；

(4)对隧道排风故障概率密度函数进行积分，获得了隧道排风系统累积故障概率，即隧道排风系统的不可靠度，用F(q)表示：

(5)根据隧道排风系统的不可靠度，求得隧道排风系统的可靠度，用R(q)表示：

R(q)＝1-F(q)

(6)采用嵌入式微控制器进行数据处理和计算，得到隧道排风系统的不可靠度和可靠度；

(7)采用集成运放组成的信号处理电路通过接口送入微处理器。

通过采用上述技术方案，运用可靠性概念作为衡量隧道排风系统质量的指标，将交通隧道排风系统的通风流量作为检测的对象，基于可靠性工程和可靠性理论设计了交通隧道排风系统可靠性检测装置，能够实现快速、准确、可靠地判断和检测排风系统的可靠程度和运行情况，本发明解决了交通隧道排风系统可靠性检测的关键技术，有着广泛的应用前景。

作为优选的，步骤(2)包括以下子步骤：

(2.1)把风流量q看作是一个服从正态分布的随机变量，根据可靠性理论，获得风流量分布的故障率密度函数：

式中，μ为风流量的均值，σ²为风流量的方差；

(2.2)构建隧道风流量的最大概似估计函数：

式中，n为检测到的单位时间内风流量值的数量；

变换得到对数最大概似估计函数：

(2.3)对数最大概似估计函数求极值，获得方程组：

(2.4)求解方程组求得：

作为优选的，步骤(6)，采用复化求积离散的方法计算隧道排风系统的不可靠度和可靠度；计算的方法包括以下步骤：

(6.1)把隧道排风系统的不可靠度和可靠度的计算公式中的风流量[q₁,q₂]进行离散化，分成n等分，h为小区间长度，即：

q₁＝x₀＜x₁＜...＜x_n＝q₂，记h＝(b-a)/n，则x_i＝q₁+ih，i＝0,1,...,n；

(6.2)进行离散积分计算：

作为优选的，步骤(7)，设计嵌入式微处理电路，并制作相应的双层PCB线路板，包括以下子步骤：

(7.1)显示模块设计：选择带有触摸功能的7寸LCD显示屏，嵌入式微控制器与LCD显示屏的SPI接口连接；通过导线为LCD显示屏供电，供电电压为5V，并用信号线将LCD显示屏与嵌入式微控制器对应引脚相连接；在连接无误、系统上电后，控制器先对LCD显示屏初始化，然后LCD显示屏可以进行显示；

(7.2)嵌入式软件设计：使用STM32系列的STM32F103VET6嵌入式微控制器作为主控MCU；STM32F103VET6是基于Cortex-M3内核的32位微控制器，微控制器上设置有两个USART接口，一个SPI接口及通用GPIO模块，用STM32的一个USART接口对运算结果发送命令及接收其传回的数字信息，另外一个USART接口与PC数据通信；SPI接口用来与LCD显示屏连接，控制LCD显示屏显示，读取信息；STM32接收到来自风速传感器的数字信息，经过解码、滤波降噪得到隧道排风系统的不可靠度和可靠度的值，同时可以将结果显示在LCD显示屏上。

本发明的优点是：与现有技术相比，本发明结构设置合理，运用可靠性概念作为衡量隧道排风系统质量的指标，将交通隧道排风系统的通风流量作为检测的对象，基于可靠性工程和可靠性理论设计了交通隧道排风系统可靠性检测装置，能够实现快速、准确、可靠地判断和检测排风系统的可靠程度和运行情况，本发明解决了交通隧道排风系统可靠性检测的关键技术，有着广泛的应用前景。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例微处理电路的双层PCB的示意图；

图3为本发明实施例整个检测装置的电路图；

图4为本发明实施例监测结果示意图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3和图4，其中图3中的附图标记为：1.光源，2.串口电平转换芯片，3.STM32F103微处理器，4.串口座，5.传感器，6.显示器，7.5V转3.3V稳压器，8.12V转5V稳压器，9.锂电池，10.扩音器，21.温度传感器。

整个检测装置还设置有充电插口、后通风口、侧通风口、扩音器罩、把手垫、把手、电源及工作状态指示灯、传感器接口、光源接口、复位按钮和电源开关。

本发明公开的一种交通隧道排风系统可靠性检测方法，包括以下步骤：

(1)通过风速传感器检测隧道里的风速v，计算隧道里内的风流量q，计算公式为：

q＝v·S

式中，S为隧道通流口截面的面积；v为隧道里的风速，q为隧道里内的风流量。作为优选的，本实施风速传感器采用现有的GFW15风速传感器。

(2)计算风流量q的均值和方差；

(3)根据可靠性工程和可靠性理论，基于风流量概率干涉方法，计算隧道排风故障概率密度；隧道风流量供应到任意时刻，单位时间内风流量q不能保持在其合理变化区间段[q₁,q₂]的概率，记为f(q)，用公式表示：

式中，f(q)为隧道排风系统故障概率密度，q₁为排风系统单位时间内风流量合理变化区间的上限值，q₂为排风系统单位时间内风流量合理变化区间的下限值，q为单位时间内风流量，μ为单位时间内风流量的均值，σ为风流量的标准差；

(4)对隧道排风故障概率密度函数进行积分，获得了隧道排风系统累积故障概率，即隧道排风系统的不可靠度，用F(q)表示：

(5)根据隧道排风系统的不可靠度，求得隧道排风系统的可靠度，用R(q)表示：

R(q)＝1-F(q)

(6)采用嵌入式微控制器进行数据处理和计算，得到隧道排风系统的不可靠度和可靠度；作为优选的，所述微控制器，本实施例采用现有的微控制器STM32F103，STM32F103时钟频率达到72MHz，两个系列都内置32K到128K的闪存，时钟频率72MHz时，满足本发明计算的要求。

(7)采用集成运放组成的信号处理电路通过接口送入微处理器。作为优选的，所述微处理器，本实施例采用现有的STM32微处理器，本发明参考官方数据手册及设计指南，设计了符合要求的嵌入式微处理电路并制作了相应的双层PCB线路板。

作为优选的，本实施例步骤(2)包括以下子步骤：

(2.1)把风流量q看作是一个服从正态分布的随机变量，根据可靠性理论，获得风流量分布的故障率密度函数：

式中，μ为风流量的均值，σ²为风流量的方差。

(2.2)构建隧道风流量的最大概似估计函数：

式中，n为检测到的单位时间内风流量值的数量；

变换得到对数最大概似估计函数：

(2.3)对数最大概似估计函数求极值，获得方程组：

(2.4)求解方程组求得：

作为优选的，本实施步骤(6)，采用复化求积离散的方法计算隧道排风系统的不可靠度和可靠度；复化求积离散的方法既有低阶计算简单的特点，又有比较高的精度，因此是实际运算中用的最多的求积方法，计算的方法包括以下步骤：

(6.1)把隧道排风系统的不可靠度和可靠度的计算公式中的风流量[q₁,q₂]进行离散化，分成n等分，h为小区间长度，即：

q₁＝x₀＜x₁＜...＜x_n＝q₂，记h＝(b-a)/n，则x_i＝q₁+ih，i＝0,1,...,n；

(6.2)进行离散积分计算：

作为优选的，本实施步骤(7)，设计嵌入式微处理电路，并制作相应的双层PCB线路板，包括以下子步骤：

(7.1)显示模块设计：选择带有触摸功能的7寸LCD显示屏，嵌入式微控制器与LCD显示屏的SPI接口连接；通过导线为LCD显示屏供电，供电电压为5V，并用信号线将LCD显示屏与嵌入式微控制器对应引脚相连接；在连接无误、系统上电后，控制器先对LCD显示屏初始化，然后LCD显示屏可以进行显示；作为优选的，本实施例LCD显示屏采用现有的MzTH70带有触摸功能的7寸LCD显示屏。

(7.2)嵌入式软件设计：使用STM32系列的STM32F103VET6嵌入式微控制器作为主控MCU；STM32F103VET6是基于Cortex-M3内核的高性能、低功耗32位微控制器，其片上外设丰富。微控制器上设置有两个USART接口，一个SPI接口及通用GPIO模块，用STM32的一个USART接口对运算结果发送命令及接收其传回的数字信息，另外一个USART接口与PC数据通信；SPI接口用来与LCD显示屏连接，控制LCD显示屏显示，读取信息；STM32接收到来自风速传感器的数字信息，经过解码、滤波降噪得到隧道排风系统的不可靠度和可靠度的值，同时可以将结果显示在LCD显示屏上。

本实施例对现有的三都岭隧道交通隧道排风系统进行了可靠性检测，如表1和图4所示。

表1：

检测表明本发明能够实现快速、准确、可靠地判断和检测排风系统的运行情况。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。