JP2000027600A - 道路トンネルの換気システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル内を常に良好な環境に保ち抗口から
の短絡流れを防止しつつ、且つ換気風量を必要最小限に
押さえた省エネルギ運転が可能な道路トンネルの換気シ
ステムを提供する。 【解決手段】 トンネル１１内の空気を排気すると共に
新鮮空気を導入する可変風量の換気設備１３，１４を備
えた道路トンネルにおいて、該トンネル内の車両の走行
状態を撮像する撮像装置２３と、該撮像装置の信号を画
像解析して渋滞情報を検出する画像解析装置２１と、該
検出された渋滞情報に基づいて前記換気設備の風量を制
御する制御装置１７とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、道路トンネルの換
気システムに係り、特に自動車専用等の道路トンネル内
の環境保全、及びトンネル出口付近明かり部の環境保全
のために、トンネル内に新鮮空気を供給すると共に、煤
煙や一酸化炭素濃度の高い汚染空気を排出する道路トン
ネルの換気システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に都市部においては、丘陵を掘
削したあるいは開削したトンネルに自動車道路が設けら
れることが多く、そのトンネルの延長距離も長大化しつ
つある。このようなトンネルにおいては、自動車等の排
出する煤煙・排気ガス（以下、排ガスという）によるト
ンネル内の環境保全の問題、及びトンネル出口坑口付近
明かり部に排出される排ガス等による公害の問題が生じ
てくる。従って、この様な道路トンネルにおいては、自
動車等の排ガスによる煤煙や一酸化炭素の濃度を測定し
て、所定濃度内に押さえ、場合によっては環境保全の目
的からトンネル内煤煙や一酸化炭素等が出口坑口から流
出する事を防止するように、トンネル内へ新鮮空気を導
入する換気システムが採用されている。

【０００３】図３は、従来の道路トンネルの換気システ
ムの一例を示す。これは一方交通における集中排気縦流
換気方式と呼ばれるもので、トンネル１１の出口坑口１
１ｂの近くに集中排気の立坑１２を備え、その立坑内に
設けた排風機１３によりトンネル内の汚染空気Ｅを排出
する。新鮮空気Ｆａ，Ｆｂはトンネル入口１１ａ及び出
口１１ｂから導入される。また、トンネル内では自動車
の走行に伴い交通換気力Ｐｔが生じ図中点線で示すよう
に自動車の進行方向に加圧する。ジェットファン１４は
トンネル内の２換気区間Ａ，Ｂで生じる圧力不平衡を調
整し、１１ｂからトンネル内煤煙や一酸化炭素等がトン
ネル坑口から流出しない、つまり、短絡流れが発生しな
いように正転または逆転する。この圧力不平衡はトンネ
ル内を換気風が流れることによる通風抵抗、交通換気
力、気象状況などによる自然風によるもので、特に交通
換気力により大きく変化する。

【０００４】従って、図４に示すように、トンネル内の
煤煙や一酸化炭素濃度Ｎはトンネル入り口１１ａ付近か
ら徐々に上昇し、トンネル内排気合流部分１２付近で最
大となる。トンネル出口１１ｂ付近では流入する新鮮空
気により希釈され、トンネル出口１１ｂより外方に煤煙
や一酸化炭素等が流出しないように、風が集中排気坑１
２に向けて流れるように設計されている。

【０００５】このような換気システムにおいては、トン
ネル内Ａ，Ｂ両換気区間の排気合流部分付近に煙霧透過
率計１５及び一酸化炭素計１６を備え、煙霧透過率（Ｖ
Ｉ値）及び一酸化炭素濃度（ＣＯ値）を測定する。煙霧
透過率計は、光線の煙霧中における減衰率を計測するも
ので、例えば大型車等が発生する煤煙やタイヤの巻き上
げる埃等によるトンネル内の視界の度合いを測定する。
一酸化炭素検出装置は排ガス中に含まれる代表的な有害
物質である一酸化炭素濃度を測定することで、人体に有
害な一酸化炭素のレベルを所定の許容値以下に保つよう
にする重要な指標である。更にトンネル１１内の風向風
速を測定する風向風速計１７をトンネル内Ａ，Ｂ区間に
設置し、各区間の風向風速（ＡＶ値）が最低管理値以上
か、また、Ｂ区間で出口側坑口１１ｂへの空気の流出つ
まり短絡流れが生じていないか監視する。

【０００６】これらの煤煙や一酸化炭素濃度およびトン
ネル内風速は、車両の通行量等により増減することは勿
論であり、換気風量制御部１８および割込制御部１９は
一酸化炭素濃度（ＣＯ値）、煙霧透過率（ＶＩ値）およ
び風向風速値（ＡＶ値）を所定の目標値に保つように、
排風機１３及びジェットファン１４等の風量を制御する
フィードバック制御方式が一般に採用されている。

【０００７】上述のフィードバック制御は、車両の通行
に伴うＶＩ値、ＣＯ値やＡＶ値の変化を検出して排風機
及びジェットファンを制御する。トンネル換気システム
の制御は対象とするプロセスの冗長性が大きいため、排
風機風量やジェットファン台数を増してからトンネル内
の風速が徐々に増し、制御対象計測値が目標値となるま
でにトンネル延長に応じた時間がかかるいわゆる制御遅
れを生じる系である。また、冗長性が大きいということ
は制御の追随性を過度に求めるとオーバーシュートを生
じたり、機械運転のハンチングを生じることになる。こ
のため、一般的に一度制御を行った後に数〜十数分程度
次の制御出力を行わない効果待ち時間を持つ必要があ
る。よって、常に時間的な遅れを伴うことにより、残留
偏差が発生しやすい制御方式である。これにより、例え
ばＶＩ値が低下し換気装置を運転した場合でもＶＩ値が
回復するまでに長い時間がかかったり、制御を行っても
ＶＩ値が低下し続ける、或いは、すぐにＶＩ値が回復し
たにも関わらず運転を続けている等、効率の悪い換気制
御が行われる場合がある。

【０００８】効率の悪い換気とは、つまり余分な電力を
消費しているといえる。従って、トンネル換気制御にお
けるフィードバック制御の課題である時間的な遅れを解
消する方法を採用している事例も多い。フィードフォワ
ード＋フィードバック制御は、曜日などに応じた各時間
帯の大型車・小型車別の交通台数データベースを持ち、
基本交通量と当日過去の時間交通量の差と当日過去の交
通量の変化から制御出力時間先の車種別交通量を予測
し、予測交通量から算出される所要換気風量から交通量
が変動する前に予め換気風量を変更することにより遅れ
のない換気制御を行う方式である。フィードフォワード
制御は開ループ制御であり実状とそぐわない場合が生じ
るため、閉ループ制御であるフィードバック制御を併用
する。場合によっては、ＡＩ・ファジイ論理を応用して
いる場合もある。これにより、ラッシュ時には予め換気
風量を増加し、深夜などの少交通量時は減少するなど
し、制御遅れがなく余分な換気をしない効率のよい省エ
ネルギ換気制御方法として多数の実績がある。フィード
フォワード＋フィードバック制御は交通量予測を行うた
めに高価な演算処理装置が必要なため、交通量の変動が
定型的で季節間での変動の少ない交通が熟成したトンネ
ルでは各時間ごとに一定パターンで換気装置を運転する
プログラム制御を行い、悪化時割込制御をフィードバッ
ク制御として併用することで安価なシステムを構築して
いる場合もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、交通集中に
より、或いは事故、工事等によりトンネル内が渋滞する
場合がある。また例えば、一般道路のようにトンネル出
口付近の明かり部に信号機があり、信号機の変化により
停車する車両の列がトンネル内に断続的・不定期に進入
してくる、いわゆる渋滞がトンネル内で発生する場合が
ある。このような場合には、トンネル内で車両が停止・
発進や加速・減速を繰り返す状態となり、エンジン負荷
が大幅に変動したり、集中排気の通り抜けの要因である
交通換気力が大きく変動する。

【００１０】このとき、従来の換気風量のフィードバッ
ク制御方式では、次のような問題が生じる。即ち、渋滞
により多数の車両が一時的に停止・減速すると車速が低
下するため、交通換気力Ｐｔが減少しＢ区間換気風量Ｆ
ｂが増加する。また、エンジン負荷が小さくなるため、
大型車／小型車比によるがＶＩ値は減少しＣＯ値は若干
増加する。この時間がある程度持続すると、フィードバ
ック制御では排風機風量及びジェットファン台数を減少
するように制御を行う。引き続き車両が発進もしくは断
続的な加速をすると交通換気力が増加し、また、エンジ
ン負荷が増加することによりＶＩ値が増加する。しか
し、換気風量が減少していることから、排ガスに応じた
必要換気風量が確保できずトンネル内ＶＩ値が極端に低
下し、交通換気力Ｐｔの増加に対抗するだけのＢ区間換
気圧力が確保されていないことから排ガスを含んだ空気
Ｆｂがトンネル出口１１ｂ方向へ流出する。

【００１１】また、フィードフォワード＋フィードバッ
ク制御では、初期換気風量はフィードフォワード制御部
分で決定されるもののその後の制御調整はフィードバッ
ク制御によるため、フィードバック制御と同様の制御挙
動を示すことになる。プログラム制御の場合は、所定時
間は風量が変化しないが、維持している換気風量がエン
ジン負荷の増大に伴う排ガスに見合った量より少ない場
合は、トンネル内の濃度上昇に対応できないこととな
る。

【００１２】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、トンネル内を常に良好な環境に保ち坑口からの短
絡流れを防止しつつ、且つ換気風量を必要最小限に押さ
えた省エネルギ運転が可能な道路トンネルの換気システ
ムを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の道路トンネルの
換気システムは、トンネル内の空気を排気すると共に新
鮮空気を導入する可変風量の換気設備を備えた道路トン
ネルにおいて、該トンネル内の車両の走行状態を撮像す
る撮像装置と、該撮像装置の信号を画像解析して渋滞情
報を検出する画像解析装置と、該検出された渋滞情報に
基づいて前記換気設備の風量を制御する制御装置とを備
えたことを特徴とする。

【００１４】また、前記渋滞情報は、車列の長さから測
定される車両密度及び速度であることを特徴とする。

【００１５】上述した本発明によれば、車両の走行状態
を撮像し、この画像を解析して渋滞状況を検出し、その
検出した渋滞状況に基づいて換気システムの風量を調整
するので、渋滞過渡期に車両が流れ始めることで排ガス
が多量に排出されたりトンネル内の圧力変動が発生して
も、交通状況に対応して換気風量を予め調整することで
これを速やかに目的とする方向のトンネルへ排出でき
る。これによりトンネル内環境を良好に保ちつつ、且つ
渋滞の発生時のみ換気風量を増大するので、省エネルギ
運転を行うことができる。

【００１６】また、動画情報として車列の長さから測定
される車両密度及び速度を取り出すので、従来型の交通
量測定装置と異なり渋滞の程度をリアルタイムで且つ正
確に検出できる。これにより、適切な換気風量の設定が
可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
及び図２を参照して説明する。尚、従来の技術を示す図
３の同一部分には同一の符号を付して、その重複した説
明を省略する。

【００１８】図１は、本発明の一実施形態の道路トンネ
ルの換気システムの概要を示す。トンネルそのもの及び
トンネルの排風機及びジェットファン等の換気設備の構
成は、図３に示す従来のものと同様である。また、トン
ネル内に煙霧透過率計（ＶＩ計）、一酸化炭素検出装置
（ＣＯ計）および風向風速計（ＡＶ計）を備え、汚染濃
度と風速を所定の目標値に保つように換気風量をフィー
ドバック制御し、また２４時間の交通量のデータベース
を備え、交通量に応じた時間帯の換気風量を制御するフ
ィードフォワード＋フィードバック制御及びプログラム
制御を備えている点も、従来と同様である。

【００１９】本実施形態においては、トンネル内にＩＴ
Ｖカメラ２３を備え、このＩＴＶカメラで撮像した車両
の渋滞状況を分析し、これに応じて換気風量を制御する
渋滞解析処理装置２１と、この渋滞の解析結果に基づい
て換気風量を割込み制御する割込制御装置１９とを備え
ている。

【００２０】ＩＴＶカメラ２３は、例えばトンネル出口
から約２００ｍ程度中央部へ配置され、道路上を走行す
る車両の通行状況を撮像する。それぞれのＩＴＶカメラ
の信号は、ケーブルにより中央制御室に伝達され、中央
制御室内に配置された渋滞解析処理装置２１により解析
処理される。即ち、図２に示すようにＩＴＶカメラの画
像信号は、画像解析処理装置３１に入力され、ここで車
両密度情報、車両速度情報が抽出される。即ち、撮像デ
ータは画像解析処理装置内でデータ処理され、これから
車両の存在を示すピクセル情報を計算することにより、
車列の長さから車両密度が測定され、パターンの移動速
度を計算することにより、車両速度を検知することがで
きる。

【００２１】道路の渋滞状況を示す指標としては単位時
間当たりの車両通過台数は２次的な指標であり、ある距
離の中に何台の車両が存在しているか、又は、単位時間
当たりにある空間にどのくらいの時間車両が存在してい
るかという、いわば車頭間隔に対応した情報が重要であ
る。従来型の交通量計測装置では、ある定点にセンサを
配して通過する個々の車両情報の単位時間内移動平均値
を算出する。この方法では渋滞が著しく完全に車両が停
止センサ部に車両が存在しない場合は車両を検知しない
ことになる。よって、単位測定時間を長く取るなどの対
応を要し、リアルタイム性にかける。また、測定が定点
であるため、渋滞の程度という距離を対象とした判断を
行う場合は、ある間隔をおいて複数のセンサを必要とし
たり数学的な処理を行う必要がある。これに対し、撮像
画面から車両の移動状況を上述したようにコンピュータ
等を用いた解析処理を行うことで従来型の交通量測定装
置の課題である、直接的に少ないセンサでリアルタイム
に渋滞状況を測定することが可能である。

【００２２】そして渋滞解析処理装置２１においては、
車両密度情報及び車両速度情報に基づいて渋滞の程度を
渋滞の程度判定ルーチン３２で判定する。即ち、渋滞が
激しく車両が殆ど停止状態では、エンジン負荷の減少に
より煤煙などの発生量が減少し、汚染物質の濃度分布は
大型車及び小型車の比及び換気風量との比によるが減少
傾向にあり、交通換気力は非常に小さくなる。軽度の渋
滞時には、断続的な車両の通行による加減速の増加によ
るエンジン負荷が増大して、煤煙発生量が増大し、汚染
物質濃度は大型車及び小型車の比及び換気風量との比に
よるが増加傾向にあり、交通換気力は断続的に増減す
る。最もトンネル内の汚染物質濃度が高くなり交通換気
力が変動するのは、このように車両が停止状態から走行
開始した場合や加減速を繰り返す場合である。例えばト
ンネル出口近くに信号機が設置されており、赤信号から
青信号に変わりトンネル内に延びていた車両の列が一斉
に動き始めるような場合である。このような場合にはエ
ンジンに高負荷を与えるため煤煙などの汚染物質の発生
量が増大し、突発的な濃度上昇を生じる可能性があり、
交通換気力が急激に増加することにより、トンネル出口
から多量の煤煙や一酸化炭素等が持ち出され、明かり部
へ拡散する可能性がある。

【００２３】対策処理ルーチン３３では、渋滞の程度に
応じて、換気風量の上昇率を設定する。例えば車両平均
速度が２０ｋｍ／ｈ程度で車列の長さから測定される車
両密度が４０％程度である場合には、渋滞のレベルを１
〜５とすると程度１の軽度の渋滞と判断され、風量を現
状維持（上昇率０％）とする。これは軽度の渋滞が発生
することにより、上述したように一時的にエンジン負荷
が軽減し、汚染物質濃度が低減するが、これによりフィ
ードバック制御で換気風量が減少することを防止するも
のである。

【００２４】そして、例えば車両の平均速度が５ｋｍ／
ｈ以下となり、車両密度が１００％に近づくと、程度５
の重度の渋滞と判定する。排風機の風量を４０％程度増
加させジェットファンを全台トンネル入口１１ａ方向に
運転する。これにより車両が一旦停止状態となり、エン
ジン負荷が減少し、汚染物質濃度が一時的に低減して
も、フィードバック制御により換気風量を低減すること
なく、むしろ換気風量を現状に対して４０％程度増加さ
せる。これにより車両が発進するときにエンジン負荷が
極めて高くなり一時的に煤煙や一酸化炭素が多量に排出
され交通換気力の増加による出口側への持ち出し量が増
加しても、換気風量を予め増加してあるので、煤煙や一
酸化炭素が多量に排出されてもこれを速やかに除去する
ことができ、且つ、出口側坑口から明かり部の煤煙や一
酸化炭素等の流出が抑制できる。これにより重度の渋滞
時においても、トンネル内及び出口付近明かり部の環境
を良好な状態に保つことができる。

【００２５】渋滞の程度２から程度４は、程度１と程度
５との中間的な状態であり、それぞれ渋滞の程度に応じ
て換気風量を増量する対策をとる。対策処理ルーチン３
３の出力は、割込制御装置１９に入力される。割込制御
装置１９では、ＶＩ値、ＣＯ値及びＡＶ値に基づくフィ
ードバックコントローラ３５の出力と、２４時間交通量
データベースに基づくフィードフォワードコントローラ
３６及びフィードバックコントロ−ラ３５による風量制
御に対して、対策処理ルーチン３３の出力結果を割込み
処理する。

【００２６】即ち、対策処理ルーチン３３の出力の割込
み処理前の換気風量に対して、渋滞の程度に応じて風量
現状維持（０％）から風量＋５０％上昇までの渋滞時の
風量の割込み設定を行う。そしてこの信号を例えばイン
バータ装置や台数＋極数変換等の可変風量制御装置１８
に入力し、これにより排風機１３、ジェットファン１４
等の換気風量の調整を行う。

【００２７】このようにしてトンネル１１内において
は、渋滞状況がＩＴＶカメラ２３によりリアルタイムで
検出され、この渋滞の程度に対応して直ちに換気風量の
調整を行うものである。従って、渋滞中に多数の車両が
同時に動き出すような場合に、各車両のエンジン負荷が
最大となり、多量の汚染物質が排出されても、予め渋滞
の程度に応じて換気風量が上昇しているので、この煤煙
や一酸化炭素等を速やかに出口側明かり部へ流出するこ
となくトンネル外へ排出することができ、トンネル内及
び明かり部の環境を良好に保つことができる。

【００２８】尚、上記実施の形態においては、トンネル
内の換気方式として縦流・立坑集中排気方式の例につい
て説明したが、横流換気方式等の他の換気方式やトンネ
ル付近の明かり部環境対策を必要としないトンネル及び
フィードフォワード制御がない場合にも本発明の趣旨を
同様に適用できることは勿論である。

【００２９】また、上記実施の形態においては、状態の
程度を５段階に分類し、各々に対応した換気風量の上昇
率を設定したが、これらは各現場の状況や可変風量の変
更機構に応じて適宜選択されるべきものである。このよ
うに本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施
例が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、都市トンネルなどの頻繁に渋滞が発生するトンネル
においても、トンネル内及び出口付近明かり部の環境を
良好な状態に保ちつつ換気設備の省エネルギ運転を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の道路トンネルの換気シス
テムの説明図。

【図２】図１の換気制御システムのブロック図。

【図３】従来の道路トンネルの換気システムの説明図。

【図４】トンネル内の汚染物質濃度分布の一例を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

１１ トンネル １２ 集中排気坑 １３ 排風機 １４ ジェットファン １５ ＶＩ計 １６ ＣＯ計 １７ ＡＶ計 １８ 換気風量制御装置 １９ 割込制御装置 ２１ 渋滞解析処理装置 ２３ ＩＴＶカメラ ３１ 画像解析処理装置 ３２ 渋滞の程度判定ルーチン ３３ 対策処理ルーチン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル内の空気を排気すると共に新鮮
   空気を導入する可変風量の換気設備を備えた道路トンネ
   ルにおいて、該トンネル内の車両の走行状態を撮像する
   撮像装置と、該撮像装置の信号を画像解析して渋滞情報
   を検出する画像解析装置と、該検出された渋滞情報に基
   づいて前記換気設備の風量を制御する制御装置とを備え
   たことを特徴とする道路トンネルの換気システム。
2. 【請求項２】 前記渋滞情報は、車列の長さから測定さ
   れる車両密度及び速度であることを特徴とする請求項１
   記載の道路トンネルの換気システム。