本發(fā)明涉及沉管隧道結(jié)構(gòu)抗火領(lǐng)域，具體涉及矩形沉管隧道橫向非均勻溫度場(chǎng)分區(qū)與主動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、沉管隧道作為水下隧道建設(shè)的重要形式之一，被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于隧道具有半封閉的空間結(jié)構(gòu)以及通風(fēng)條件差的缺點(diǎn)，大量熱量會(huì)聚集隧道頂棚區(qū)域，傳遞到隧道襯砌結(jié)構(gòu)中，形成非均勻溫度場(chǎng)。沉管隧道，地理位置位于水下，一旦發(fā)生火災(zāi)，排煙與散熱條件更差，人員疏散與救援更加困難，隧道結(jié)構(gòu)損傷更加嚴(yán)重。為了降低火災(zāi)造成的隧道損傷，減少災(zāi)后維修費(fèi)用，研究沉管隧道的抗火性能是非常必要的，但是現(xiàn)有條件難以開展具有破壞性的隧道抗火試驗(yàn)，因此研究隧道抗火性能具有局限性。

2、目前，隧道火災(zāi)試驗(yàn)通常在真實(shí)原位隧道和實(shí)驗(yàn)室縮尺隧道中進(jìn)行，主要致力于隧道火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的研究，例如隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律和煙氣蔓延等方面的研究，考慮到試驗(yàn)過程的安全性，減少試驗(yàn)成本，較少學(xué)者在真實(shí)隧道中開展隧道抗火試驗(yàn)以研究隧道損傷機(jī)理和破壞特征。目前在耐火試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)，是在建筑耐火試驗(yàn)爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，改變了加載方式，但無法實(shí)現(xiàn)隧道火災(zāi)非均勻溫度場(chǎng)，難以反應(yīng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在實(shí)際火災(zāi)中的性能表現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果

3、不具有普適性。同時(shí)，少數(shù)學(xué)者開展了沉管隧道原位試驗(yàn)研究，主要集中于溫度場(chǎng)和變形的研究，很少涉及高溫下沉管隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗火研究；多數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)室縮尺試驗(yàn)的方法研究沉管隧道襯砌結(jié)構(gòu)在高溫下的受力狀態(tài)，但缺乏普適性。

4、由于沉管隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究成本高且具有一定的危險(xiǎn)性，數(shù)值模擬方法更適合沉管隧道火災(zāi)橫向溫度場(chǎng)的研究。通過相同參數(shù)的試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地還原真實(shí)火災(zāi)下的隧道橫向溫度場(chǎng)。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，橫向溫度場(chǎng)溫度分布與火源的距離、燃燒持續(xù)時(shí)間和斷面形式相關(guān)。隧道橫斷面溫度分布影響因素復(fù)雜，目前學(xué)者的研究主要集中于隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律的定性研究，對(duì)于橫斷面溫度場(chǎng)定量劃分的研究較少。因此，急需一種橫向斷面的非均勻溫度場(chǎng)劃分與主動(dòng)控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述存在的技術(shù)不足，本發(fā)明的目的是提供矩形沉管隧道橫向非均勻溫度場(chǎng)分區(qū)與主動(dòng)控制方法，其能夠解決采用燃燒器時(shí)，矩形隧道截面的橫向非均勻溫度場(chǎng)分區(qū)與主動(dòng)控制問題，為沉管隧道抗火相關(guān)的研究提供技術(shù)便利。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供矩形沉管隧道橫向非均勻溫度場(chǎng)分區(qū)與主動(dòng)控制方法，包括：s1、隧道區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)劃分；具體步驟包括：

4、s11、初步確定燃燒器控制區(qū)域，即根據(jù)燃燒器所處的位置大致確定其所控制的非均勻溫度場(chǎng)區(qū)域；

5、s12、定量判定控制區(qū)域，即確定控制區(qū)域具體尺寸大小；

6、s2、各區(qū)域溫度主動(dòng)控制；為采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制燃燒器；具體步驟包括：

7、s21、通過fluent數(shù)值模擬，構(gòu)建小型塔式燃燒車上三排燃燒器功率與五個(gè)溫控區(qū)域溫度和初始功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得樣本集；

8、s22、使用樣本集訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建沉管隧道橫向非均勻溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型；模型在訓(xùn)練前，需進(jìn)行樣本集容量估算，并采用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)樣本方案，并通過樣本數(shù)據(jù)分析、標(biāo)準(zhǔn)化樣本集劃分生成合理的訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試集；

9、s3、溫度預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償；每10s統(tǒng)計(jì)一次五個(gè)溫控區(qū)域的平均溫度誤差，其目的為降低燃燒器功率的預(yù)測(cè)誤差和提高五個(gè)溫控區(qū)域溫升曲線的還原精度。

10、優(yōu)選地，步驟s12中，燃燒器根據(jù)噴口角度，分為噴火口朝向與地面夾角為90°的頂部燃燒器和其余側(cè)向噴火的側(cè)部燃燒器，二者分別控制頂部、側(cè)部溫度場(chǎng)；

11、頂部溫度場(chǎng)依據(jù)頂部燃燒器功率確定所控制高溫區(qū)域的范圍，此時(shí)頂部燃燒器的溫控區(qū)域劃分依據(jù)為具有高敏感性的溫度區(qū)域，即更早開始升溫的溫度區(qū)域?yàn)轫敳咳紵鞯臏乜貐^(qū)域；

12、側(cè)部溫度場(chǎng)依據(jù)燃燒器噴口調(diào)度即燃燒器與水平線夾角確定其所控制高溫區(qū)域的范圍；側(cè)部溫度場(chǎng)的劃分原則為，側(cè)部燃燒器的控制范圍應(yīng)盡可能聚焦于隧道側(cè)壁，避免對(duì)頂部和底部大量提供熱量；整個(gè)過程采用fluent軟件模擬的方式，進(jìn)行非均勻溫度場(chǎng)的定量分區(qū)。

13、優(yōu)選地，步驟s22中，以單個(gè)燃燒器控制單個(gè)溫控區(qū)域?yàn)槔?，將單燃燒器控制單溫控區(qū)域的控制流程，映射到三排燃燒器控制五個(gè)溫控區(qū)域，則為需要實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)控制流程，具體流程如下所示

14、步驟1：劃分溫升曲線；將①～⑤號(hào)五個(gè)溫控區(qū)域已知的溫升曲線，均以10s為一時(shí)間段進(jìn)行劃分，獲得若干個(gè)時(shí)間段內(nèi)五個(gè)溫控區(qū)域的開始和結(jié)束溫度；

15、步驟2：預(yù)測(cè)燃燒器功率；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以第一個(gè)10s時(shí)間段內(nèi)五個(gè)區(qū)域的開始和結(jié)束溫度和三排燃燒器的初始功率0kw，預(yù)測(cè)第一個(gè)10s時(shí)間段左側(cè)、頂部和右側(cè)燃燒器所需設(shè)置的功率；以第二個(gè)10s時(shí)間段內(nèi)五個(gè)區(qū)域的開始和結(jié)束溫度和第一個(gè)10s時(shí)間段三排燃燒器預(yù)測(cè)的功率作為初始功率，預(yù)測(cè)第二個(gè)10s時(shí)間段左側(cè)、頂部和右側(cè)燃燒器所需設(shè)置的功率；以此類推，獲得全部時(shí)間段的燃燒器所需設(shè)置的功率；

16、步驟3：輸入燃燒器功率；在試驗(yàn)開始前，將每個(gè)時(shí)間段內(nèi)三排燃燒器所需的功率輸入到燃燒器控制系統(tǒng)中；

17、步驟4：監(jiān)測(cè)溫控區(qū)域溫度；分別監(jiān)測(cè)五個(gè)溫控區(qū)域的溫度變化，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)五個(gè)溫控區(qū)域?qū)嶋H溫度和目標(biāo)溫度的偏差均值；

18、步驟5：燃燒器功率預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償；在試驗(yàn)進(jìn)行中，根據(jù)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫差累計(jì)變化趨勢(shì)和平均溫差，統(tǒng)一調(diào)大或者調(diào)小所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的燃燒器功率。

19、優(yōu)選地，所述溫度預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償步驟具體流程如下：

20、步驟1：計(jì)算平均溫度誤差；統(tǒng)計(jì)第一個(gè)10s時(shí)間段內(nèi)五個(gè)溫控區(qū)域?qū)嶋H溫度與目標(biāo)溫度的平均溫度誤差；

21、步驟2：判斷溫度誤差累計(jì)變化趨勢(shì)即定性調(diào)整；當(dāng)溫度誤差累計(jì)趨勢(shì)遞增時(shí)，實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度，需調(diào)小所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的燃燒器功率值；當(dāng)溫度誤差累計(jì)趨勢(shì)遞減時(shí)，實(shí)際溫度小于目標(biāo)溫度，需調(diào)大所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值；

22、步驟3：根據(jù)平均溫度誤差調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值即定量調(diào)整；平均溫度誤差為0～50℃時(shí)，預(yù)測(cè)值調(diào)大1.1倍，平均溫度誤差為-50～0℃時(shí)，預(yù)測(cè)值調(diào)小0.9倍；平均溫度誤差為50～100℃時(shí)，預(yù)測(cè)值調(diào)大1.2倍，平均溫度誤差為-100～-50℃時(shí)，預(yù)測(cè)值調(diào)大0.8倍，以此類推；

23、步驟4：重復(fù)步驟1到步驟3，直到試驗(yàn)停止時(shí)結(jié)束。

24、本發(fā)明的有益效果在于：

25、1、本方法可以針對(duì)多種矩形隧道，其提出的一種橫向非均勻溫度場(chǎng)定量分區(qū)與主動(dòng)控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)沉管隧道中橫向非均勻溫度場(chǎng)的主動(dòng)控制，該方法可以推廣至任意矩形隧道中。

26、2、由于隧道空間有限且為半封閉環(huán)境，同時(shí)受到頂棚射流的影響，高溫區(qū)域主要集中在隧道頂部，導(dǎo)致沉管隧道橫向溫度場(chǎng)呈現(xiàn)一種非均勻狀態(tài)。本方法所提出的定量劃分策略可以合理劃分沉管隧道橫向非均勻溫度場(chǎng)，使各燃燒器直觀對(duì)應(yīng)其高溫影響范圍。

27、3、本方法提出的燃燒器功率預(yù)測(cè)模型，該模型經(jīng)過嚴(yán)格的優(yōu)化訓(xùn)練，只需預(yù)先給定各個(gè)區(qū)域目標(biāo)溫度曲線，輸入模型中即可預(yù)測(cè)各區(qū)域燃燒器所需功率，實(shí)現(xiàn)非均勻溫度場(chǎng)的生成。

28、4、為了避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)誤差，本方法提出一種誤差補(bǔ)償策略，根據(jù)實(shí)際誤差大小對(duì)誤差進(jìn)行彌補(bǔ)，在我們的驗(yàn)證模型中，所有區(qū)域的誤差均得到了有效的補(bǔ)償，更接近目標(biāo)曲線，有效實(shí)現(xiàn)了非均勻溫度場(chǎng)的主動(dòng)控制。