隨著近年來公路隧道逐漸朝向長型化,隧道內的通風控制系統重要性也跟著升高。但一般短長度,小型化的公路隧道通風系統並無法直接使用於長隧道(如國內雪山隧道),所以必須採用分析和研究的手法設計出符合長隧道空氣品質需求的通風控制系統。
本文主要以雪山隧道為主要建模對象。首先推導一維平流方程式以建構隧道內一氧化碳(Carbon Monoxide,CO)濃度和可見度(Visibility Index,VI)分佈的數學模型,再以模擬之車流量、車速、擴散係數的變化得出隧道內CO濃度變化,再提出分級式開關、適應性模糊滑動及模糊滑動控制器等三種控制器來控制通風豎井的排風量以減少隧道內CO濃度。
另設定四種不同CO濃度(60、70、80、90ppm)及VI可見度容許值以當做模擬的試驗條件,經模擬結果可得AFSMC平均比分級式開關節省約19.4%的消耗功率,其平均追蹤誤差為1.325ppm。
由模擬結果,經AFSMC控制後,隧道內CO濃度和VI可見度皆可控制在容許值以下。證實了AFSMC比FSMC及分級式開關控制器具有更好的追蹤性能和節能性。

Recently, the road tunnels were constructed hugely. The importance of ventilation control system is also increased. Because general ventilation control systems for short and small tunnel couldn’t be applied to long road tunnel directly, the ventilation control system must be designed with analytic method to satisfy the requirement for air quality in tunnel.
The modeling of the tunnel ventilation system in this study is mainly referred to Heieh Shan tunnel. First, the one-dimension advection diffusion equation was derived to construct the mathematical model of the CO (carbon monoxide,CO) concentration and VI (visibility index,VI) distribution in the tunnel. The variable traffic flow, speed, diffusion coefficient are simulated to obtain the CO distribution in the tunnel. Three controllers include sequence switch, daptive fuzzy sliding mode(AFSMC), and fuzzy sliding mode(FSMC) conrtrollers were proposed to verify the ventilation shafts flow to reduce the CO concentration in the tunnel.
In this study, four different CO concentration(60, 70, 80, 90ppm) and visibility index were set as the simulation conditions. From the simulation results, the AFSMC is the best method which can save around 19.4% average power consumption. The average tracking error of the AFSMC is 1.325ppm.
According to simulation results, the CO consentration and VI value both could be controlled under the admissive value. The AFSMC controller has best tracking performance and lowest power consumption than FSMC and sequence switch.

[1] 陳發林,張鴻明,國立台灣大學應用力學研究所,隧道通風實測與理論分析之比較研究,計劃研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1997。
[2] 陳發林,張鴻明,國立台灣大學應用力學研究所,隧道通風實測與理論分析之比較研究-附冊:公路隧道通風技術手冊,計劃研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1997。
[3] 楊冠雄,吳健生,公路隧道機電及交通監控整合研究,計劃研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1995。
[4] 許中杰,江旭程,長隧道通風技術之研究(二)子題貳-長隧道通風車行效應與半二維流場之研究,計劃研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1995。
[5] 許中杰,江旭程,陳增源,陳慶祥,盧博監,隧道通風技術之先期研究-期末報告,計劃研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1994。
[6] 陳慶祥,坪林長公路隧道通風系統分析,淡江大學航空太空工程學系學刊,1999。
[7] 嚴智傑,公路隧道通風設計研究,中興工程顧問社,1995。
[8] 宋杰祥,長隧道通風系統在不同運轉情形下之計算模式的建立與應用,中興工程顧問社,1993。
[9] 林英鴻,隧道通風三維流場分析程式發展,中興工程顧問社,1993。
[10] Ping-Ho Chen,Jiun-Hong Lai,Chin-Teng Lin,Application of fuzzy control to a road tunnel ventilation system,Fuzzy Sets and Systems,ELSEVIER,vol.100,pp.9-28,1998。
[11] 賴建成,應用模糊邏輯理論於公路隧道通風系統空氣品質控制之模擬研究,國立台灣科技大學,自動化及控制研究所,碩士論文,2006。
[12] M.Funabashi,T.Aoki,M.Yahiro,H.Inoue,A fuzzy model based control scheme and its application to a road tunnel ventilation system,Proc.IECON91 Internat.Conf.on Industrial Electrics,Control and Instrumentation,vol.2
,pp.1596~1601 ,1991。
[13] Akisato Mizuno,Tomoaki Okubo,Is the ventilation control for longitudinal system difficult?,The second international conference,tunnel control and communication,March 10-12,Amsterdam,pp.99-110 ,1997。
[14] 張得隆;洪兆慶,Fuzzy產品基礎與實例,全華科技圖書股份有限公司,1995。
[15] 章優仕;金鍊東,西南交通大學電氣工程學院,成都,一種基於模糊神經網絡公路隧道縱向通風控制系統,中國杭州,第五屆全球智能控制與自動化大會,IEEE,2004。
[16] Baeksuk Chu,Dongnam Kim,Daehie Hong,Jooyoung Park,Jin Taek Chung,Jae-Hun Chung,Tae-Hyung Kim,GA-based fuzzy controller design for tunnel ventilation systems, Automation in construction,ELSEVIER,vol.17,pp.130-136
,2008。
[17] 劉鈺文,長公路隧道火災事故用路人疏散方案績效評估-以雪山隧道為例,國立中央大學,土木工程學系,碩士論文,2005。
[18] http://gip.taneeb.gov.tw/lp.asp?ctNode=3120&CtUnit國道新建工程局雪隧專區。

[19] 雪山隧道相關簡報,國道新建工程局,2007。
[20] 李宏徹,黃奕青,國道五號高速公路雪山隧道通風系統設計理念簡介,研究報告,交通部台灣區國道新建工程局,1995。
[21] 鄧宗禹,計算科學總論,Lecture12,環境傳輸之基礎方程式,東海大學數學系,2003。
[22] 江茂雄,控制系統分析及設計,國立台灣科技大學自動化及控制研究所,2006。
[23] 孫宗瀛,楊英魁,Fuzzy控制理論、實作與應用,全華科技圖書股份有限公司,2005。
[24] 萬詢,林明毅,陳宏杰,模糊理論應用與實務,儒林圖書公司,2006。
[25] 李宜達,控制系統設計與模擬,全華科技圖書股份有限公司,2006。
[26] J.J.Slotine,Wei-PinLi, Applied nonlinear control, Prentice Hall, 2002
[27] 王振權,單向加熱系統之控制器設計,國立台灣科技大學,機械工程系,碩士論文,2004。
[28] Shiuh-Jer Huang,Wei-Cheng Lin,Adaptive Fuzzy controller With Sliding Surface for Vehicle Suspension Control,
IEEE,Transactions on Fuzzy Systems,vol.11,pp.130-136, NO.4, August 2003。
[29] 李政翰,模糊滑動模式控制器之設計及其在機電整合系統上之應用,成功大學,電機工程學系,博士論文,2002。
[30] 吳瑞啟,二自由度氣壓肌肉機械手臂之混合控制,聖約翰科技大學,自動化及機電整合研究所,碩士論文,2006。
[31] 黃俊銘,數值方法--使用Matlab 程式語言 (Numerical Metods Using Matlab),pp.367-370,第二版,全華書局,2001。