JP2003113700A - トンネル換気シミュレーション装置およびトンネル換気制御装置 - Google Patents
トンネル換気シミュレーション装置およびトンネル換気制御装置Info
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- JP2003113700A JP2003113700A JP2001307308A JP2001307308A JP2003113700A JP 2003113700 A JP2003113700 A JP 2003113700A JP 2001307308 A JP2001307308 A JP 2001307308A JP 2001307308 A JP2001307308 A JP 2001307308A JP 2003113700 A JP2003113700 A JP 2003113700A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを
持つトンネルにおいて、換気機、交通、気象などの諸条
件がトンネル内の環境に与える影響を定量的に把握し、
トンネル換気システムの安全性と効率を高めたトンネル
換気シミュレーション装置および換気制御装置を得る。 【解決手段】 トンネル構造の情報だけを用いて自動的
にトンネル内環境のモデルを構築する風速モデル構築手
段１１および汚染モデル構築手段１２、トンネル構造の
変化に合わせてモデルの構造の変更するトンネル構造変
更手段１３を備え、どのようなトンネル構造に対しても
シミュレーション及び制御を行うことができるように構
成した。
持つトンネルにおいて、換気機、交通、気象などの諸条
件がトンネル内の環境に与える影響を定量的に把握し、
トンネル換気システムの安全性と効率を高めたトンネル
換気シミュレーション装置および換気制御装置を得る。 【解決手段】 トンネル構造の情報だけを用いて自動的
にトンネル内環境のモデルを構築する風速モデル構築手
段１１および汚染モデル構築手段１２、トンネル構造の
変化に合わせてモデルの構造の変更するトンネル構造変
更手段１３を備え、どのようなトンネル構造に対しても
シミュレーション及び制御を行うことができるように構
成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、道路トンネル、
鉄道トンネルなどの換気ファンによって内部の空気を換
気する設備における換気シミュレーションおよび換気制
御を行うトンネル換気シミュレーション装置およびトン
ネル換気制御装置、特に、分岐合流路、送排気坑、横流
換気設備などを持つ複雑な構造の道路トンネルを安全に
かつ効率的に運用するための装置に関する。
鉄道トンネルなどの換気ファンによって内部の空気を換
気する設備における換気シミュレーションおよび換気制
御を行うトンネル換気シミュレーション装置およびトン
ネル換気制御装置、特に、分岐合流路、送排気坑、横流
換気設備などを持つ複雑な構造の道路トンネルを安全に
かつ効率的に運用するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は例えば日本機械学会北信越支部第
30回総会講演会論文集No. 937-1、pp.273-276、1993、
「東京湾横断道路トンネルの換気制御シミュレーショ
ン」等に記載されている従来の山岳部や海岸部における
トンネルの構造の一例を示している。図７において、ト
ンネル２０１内の空気が排気坑２０２と送気坑２０３に
よって換気される。独立な空気の流れを表す３つのルー
プ２０４それぞれに関する空気の運動方程式を用いて、
トンネル内空気に発生する換気力とトンネル内風速の関
係を表現する連立常微分方程式を構築することによっ
て、風速シミュレーションを実現している。また、構築
した風速モデルを用いた風速シミュレーション、汚染濃
度シミュレーションに基づいて、交通状態、気象条件を
考慮した換気制御方法を実現している。
30回総会講演会論文集No. 937-1、pp.273-276、1993、
「東京湾横断道路トンネルの換気制御シミュレーショ
ン」等に記載されている従来の山岳部や海岸部における
トンネルの構造の一例を示している。図７において、ト
ンネル２０１内の空気が排気坑２０２と送気坑２０３に
よって換気される。独立な空気の流れを表す３つのルー
プ２０４それぞれに関する空気の運動方程式を用いて、
トンネル内空気に発生する換気力とトンネル内風速の関
係を表現する連立常微分方程式を構築することによっ
て、風速シミュレーションを実現している。また、構築
した風速モデルを用いた風速シミュレーション、汚染濃
度シミュレーションに基づいて、交通状態、気象条件を
考慮した換気制御方法を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年、都市部における
渋滞の緩和、住環境の改善を目的に、多くの地下道路ト
ンネルの建設が計画されている。都市部におけるトンネ
ルの多くは分岐合流道路、汚染空気の生活圏への流出を
防ぐ集中排気立坑などを持つため、従来の山岳部や海岸
部におけるトンネルに比べ複雑な換気構造を持つ。この
ような複雑な構造を持つトンネルにおいては、換気機、
交通、気象条件がトンネル内の環境にどのような影響を
与えるかを定量的に把握した上で換気制御を行うことが
安全で効率的にトンネルの運用を行う上できわめて重要
である。
渋滞の緩和、住環境の改善を目的に、多くの地下道路ト
ンネルの建設が計画されている。都市部におけるトンネ
ルの多くは分岐合流道路、汚染空気の生活圏への流出を
防ぐ集中排気立坑などを持つため、従来の山岳部や海岸
部におけるトンネルに比べ複雑な換気構造を持つ。この
ような複雑な構造を持つトンネルにおいては、換気機、
交通、気象条件がトンネル内の環境にどのような影響を
与えるかを定量的に把握した上で換気制御を行うことが
安全で効率的にトンネルの運用を行う上できわめて重要
である。
【０００４】先に述べた従来の技術では、独立な空気の
流れを表すループを用いてトンネル内風速の特性を表現
する風速モデルを導出しているため、風速モデル構築時
にトンネル構造(分岐合流路、送排気坑などの位置関係)
だけでなく独立な空気の流れを表すループを与える必要
がある。また、非常時における立坑のシャットダウン
(弁によって立坑自体を閉じてしまうこと)や交通量によ
って排気坑の位置を変化させる換気方式などのようにト
ンネル構造を動的に変化させる運用方法をシミュレーシ
ョンする場合には、変化するたびにループの選択をやり
直し風速モデルを作り直さなければ、シミュレーション
を実行することができない。例えば図７における排気坑
２０３をシャットダウンした場合には、２０４のループ
から２０５のループを選択し直さなければならない。ま
た、分岐合流点もしくは送排気坑の接続点における圧力
を求めることができない。従来の装置は以上のような問
題点があった。
流れを表すループを用いてトンネル内風速の特性を表現
する風速モデルを導出しているため、風速モデル構築時
にトンネル構造(分岐合流路、送排気坑などの位置関係)
だけでなく独立な空気の流れを表すループを与える必要
がある。また、非常時における立坑のシャットダウン
(弁によって立坑自体を閉じてしまうこと)や交通量によ
って排気坑の位置を変化させる換気方式などのようにト
ンネル構造を動的に変化させる運用方法をシミュレーシ
ョンする場合には、変化するたびにループの選択をやり
直し風速モデルを作り直さなければ、シミュレーション
を実行することができない。例えば図７における排気坑
２０３をシャットダウンした場合には、２０４のループ
から２０５のループを選択し直さなければならない。ま
た、分岐合流点もしくは送排気坑の接続点における圧力
を求めることができない。従来の装置は以上のような問
題点があった。
【０００５】この発明は、上記の問題点を解決するため
になされたものであり、複雑な構造を持つ様々なトンネ
ルにおいて、換気機、交通、気象条件がトンネル内の環
境にどのような影響を与えるかを定量的に把握し、トン
ネル換気システムの安全性と効率を飛躍的に高めること
ができるトンネル換気シミュレーション装置およびトン
ネル換気制御装置を得ることを目的とする。
になされたものであり、複雑な構造を持つ様々なトンネ
ルにおいて、換気機、交通、気象条件がトンネル内の環
境にどのような影響を与えるかを定量的に把握し、トン
ネル換気システムの安全性と効率を飛躍的に高めること
ができるトンネル換気シミュレーション装置およびトン
ネル換気制御装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明は、トンネル内空気に関する運動方程式と空気の分
岐合流点における流量保存則に基づくトンネル全体また
は一部の風速に関する風速モデルをトンネル構造の情報
だけを用いて構築する風速モデル構築手段と、この風速
モデル構築手段が構築した風速モデルを用いてトンネル
内風速および圧力のシミュレーションを行う風速シミュ
レーション実行手段と、を備えたことを特徴とするトン
ネル換気シミュレーション装置にある。
発明は、トンネル内空気に関する運動方程式と空気の分
岐合流点における流量保存則に基づくトンネル全体また
は一部の風速に関する風速モデルをトンネル構造の情報
だけを用いて構築する風速モデル構築手段と、この風速
モデル構築手段が構築した風速モデルを用いてトンネル
内風速および圧力のシミュレーションを行う風速シミュ
レーション実行手段と、を備えたことを特徴とするトン
ネル換気シミュレーション装置にある。
【０００７】また、トンネル内の全てまたは一部の区間
の風速とトンネル内の汚染濃度との関係を表現する汚染
モデルを構築する汚染モデル構築手段と、この汚染モデ
ル構築手段が構築した汚染モデルおよび前記風速シミュ
レーション実行手段で計算した風速を用いてトンネル内
汚染濃度のシミュレーションを行う汚染濃度シミュレー
ション実行手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
の風速とトンネル内の汚染濃度との関係を表現する汚染
モデルを構築する汚染モデル構築手段と、この汚染モデ
ル構築手段が構築した汚染モデルおよび前記風速シミュ
レーション実行手段で計算した風速を用いてトンネル内
汚染濃度のシミュレーションを行う汚染濃度シミュレー
ション実行手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
【０００８】また、前記風速モデル構築手段が構築した
風速モデルまたは前記汚染モデル構築手段が構築した汚
染モデルにおけるトンネル構造を変更するトンネル構造
変更手段をさらに備えることを特徴とする。
風速モデルまたは前記汚染モデル構築手段が構築した汚
染モデルにおけるトンネル構造を変更するトンネル構造
変更手段をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】また、前記風速モデル構築手段が構築した
風速モデルまたは前記記載のトンネル換気シミュレーシ
ョン装置を利用してトンネル内の状況を想定し、トンネ
ル内全てまたは一部の区間でこれに適した換気機の運転
パターンを決定する換気制御手段を備えたことを特徴と
するトンネル換気制御装置。
風速モデルまたは前記記載のトンネル換気シミュレーシ
ョン装置を利用してトンネル内の状況を想定し、トンネ
ル内全てまたは一部の区間でこれに適した換気機の運転
パターンを決定する換気制御手段を備えたことを特徴と
するトンネル換気制御装置。
【００１０】また、トンネル内の状況の検出結果を用い
て適切なトンネル内全てまたは一部の区間の風速目標値
を算出する風速目標値算出手段をさらに備え、前記換気
制御手段が、前記風速目標値算出手段が算出した風速目
標値を達成するために必要となる換気機の運転パターン
を算出することを特徴とする。
て適切なトンネル内全てまたは一部の区間の風速目標値
を算出する風速目標値算出手段をさらに備え、前記換気
制御手段が、前記風速目標値算出手段が算出した風速目
標値を達成するために必要となる換気機の運転パターン
を算出することを特徴とする。
【００１１】また、前記換気制御手段が、トンネル内の
風速計測値と前記風速目標値算出手段が算出したトンネ
ル内全てまたは一部の区間の風速目標値との誤差または
汚染濃度計測値とトンネル内全てまたは一部の区間の汚
染濃度目標値との誤差を補正する運転パターンを算出す
ることを特徴とする。
風速計測値と前記風速目標値算出手段が算出したトンネ
ル内全てまたは一部の区間の風速目標値との誤差または
汚染濃度計測値とトンネル内全てまたは一部の区間の汚
染濃度目標値との誤差を補正する運転パターンを算出す
ることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下この発明を各実施の形態に従
って説明する。 実施の形態１．図１はこの発明によるトンネル換気シミ
ュレーション装置およびトンネル換気制御装置を説明す
るための構成図である。図１の(ａ)の実際のトンネルＡ
の部分において、１は本線トンネル、２は分岐トンネ
ル、３は合流トンネル、４は排気坑である。また図１の
(ｂ)のこの発明による換気シミュレーション装置Ｂにお
いて、１１は風速モデル構築手段、１２は汚染モデル構
築手段、１３はトンネル構造変更手段、１４は風速シミ
ュレーション実行手段、１５は汚染濃度シミュレーショ
ン実行手段である。そして図１の(ｃ)のこの発明による
換気制御装置Ｃにおいて、１６は換気制御手段、１７は
風速目標値算出手段である。
って説明する。 実施の形態１．図１はこの発明によるトンネル換気シミ
ュレーション装置およびトンネル換気制御装置を説明す
るための構成図である。図１の(ａ)の実際のトンネルＡ
の部分において、１は本線トンネル、２は分岐トンネ
ル、３は合流トンネル、４は排気坑である。また図１の
(ｂ)のこの発明による換気シミュレーション装置Ｂにお
いて、１１は風速モデル構築手段、１２は汚染モデル構
築手段、１３はトンネル構造変更手段、１４は風速シミ
ュレーション実行手段、１５は汚染濃度シミュレーショ
ン実行手段である。そして図１の(ｃ)のこの発明による
換気制御装置Ｃにおいて、１６は換気制御手段、１７は
風速目標値算出手段である。
【００１３】図２は、この発明の実施の形態１にかかわ
る図１の(ｂ)に示す換気シミュレーション装置Ｂの風速
モデル構築手段１１におけるモデル化方法を示す。ここ
ではモデル化(見通しを良く)するため図２に示すよう
に、(ａ)に示すトンネルＡを(ｂ)に示す分岐合流点や立
坑のトンネル内送排気口などの圧力が未知な点をノード
１０１(黒丸●)、トンネル出入口、立坑の坑口などの圧
力が既知な点をノード１０２(白丸○)、ノード間をつな
ぐ車道区間や立坑区間をリンク１０３(矢印)、で表現す
る。
る図１の(ｂ)に示す換気シミュレーション装置Ｂの風速
モデル構築手段１１におけるモデル化方法を示す。ここ
ではモデル化(見通しを良く)するため図２に示すよう
に、(ａ)に示すトンネルＡを(ｂ)に示す分岐合流点や立
坑のトンネル内送排気口などの圧力が未知な点をノード
１０１(黒丸●)、トンネル出入口、立坑の坑口などの圧
力が既知な点をノード１０２(白丸○)、ノード間をつな
ぐ車道区間や立坑区間をリンク１０３(矢印)、で表現す
る。
【００１４】圧力が未知なノード１０１(●)のノード番
号を圧力が既知なノード１０２(○)のノード番号よりも
小さくなるようにつければ、ノードとリンクの接続番号
を表す接続行列Ｓが定義できる。ただし、接続行列Ｓの
行番号、列番号がそれぞれリンク番号、ノード番号に対
応し、各行の成分は次式の規則によって決まる。
号を圧力が既知なノード１０２(○)のノード番号よりも
小さくなるようにつければ、ノードとリンクの接続番号
を表す接続行列Ｓが定義できる。ただし、接続行列Ｓの
行番号、列番号がそれぞれリンク番号、ノード番号に対
応し、各行の成分は次式の規則によって決まる。
【００１５】Ｓ＝[Ｓ1Ｓ2]
【００１６】Ｓij＝１ (ｉ番目のリンクの始点＝ｊ
番目のノード) Ｓij＝−１ (ｉ番目のリンクの終点＝ｊ番目のノー
ド) Ｓij＝０ (それ以外)
番目のノード) Ｓij＝−１ (ｉ番目のリンクの終点＝ｊ番目のノー
ド) Ｓij＝０ (それ以外)
【００１７】全てのリンク１０３内の空気に関する運動
方程式を連立し接続行列を用いれば、次式のトンネル内
風速ｖに関する運動方程式の一般式が得られる。次式に
おいて、ベクトルｖ、ｆ(ｖ)はそれぞれ全てのリンクの
風速、自然換気力以外の換気力をリンク番号順に並べた
もの、ｐin、ｐoutはそれぞれ圧力が未知なノードの圧
力、圧力が既知なノードの圧力をノード番号順に並べた
ものである。また、正方行列Ａ、Mはそれぞれ全てのリ
ンクの断面積、空気の質量をリンク番号順に対角成分に
並べたものである。
方程式を連立し接続行列を用いれば、次式のトンネル内
風速ｖに関する運動方程式の一般式が得られる。次式に
おいて、ベクトルｖ、ｆ(ｖ)はそれぞれ全てのリンクの
風速、自然換気力以外の換気力をリンク番号順に並べた
もの、ｐin、ｐoutはそれぞれ圧力が未知なノードの圧
力、圧力が既知なノードの圧力をノード番号順に並べた
ものである。また、正方行列Ａ、Mはそれぞれ全てのリ
ンクの断面積、空気の質量をリンク番号順に対角成分に
並べたものである。
【００１８】Ｍｖ(ドット)＝ｆ(ｖ)＋Фinｐin＋Фout
ｐout (Фin＝ＡＳ1，Фout＝ＡＳ2)
ｐout (Фin＝ＡＳ1，Фout＝ＡＳ2)
【００１９】また、全ての圧力が未知なノード(●)にお
ける流量保存則を連立させ接続行列を用いれば次式の流
量保存則の一般式が得られる。
ける流量保存則を連立させ接続行列を用いれば次式の流
量保存則の一般式が得られる。
【００２０】Ｓ1 TＡｖ＝０
【００２１】流量保存則の一般式を時間微分したものと
運動方程式の一般式より、未知の圧力か次式で与えられ
る。
運動方程式の一般式より、未知の圧力か次式で与えられ
る。
【００２２】ｐin＝−Ψin -1Ψoutｐout−Ψin -1Гｆ
(ｖ)(Ψin＝Ｓ1 TＭ-1Ａ2Ｓ1，Ψout＝Ｓ1 TＭ-1Ａ2Ｓ2，
Г＝Ｓ1 TＭ-1Ａ)
(ｖ)(Ψin＝Ｓ1 TＭ-1Ａ2Ｓ1，Ψout＝Ｓ1 TＭ-1Ａ2Ｓ2，
Г＝Ｓ1 TＭ-1Ａ)
【００２３】求めた未知の圧力を上記運動方程式の一般
式に代入し、次式の風速に関する連立常微分方程式が得
られる。
式に代入し、次式の風速に関する連立常微分方程式が得
られる。
【００２４】ｖ(ドット)＝Ｕ1ｆ(ｖ)＋Ｕ2ｐout(Ｕ1＝
Ｍ-1(Ｉ−ΦinΨin -1Г)，Ｕ2＝Ｍ-1(Φout−ΦinΨin
-1Ψout))
Ｍ-1(Ｉ−ΦinΨin -1Г)，Ｕ2＝Ｍ-1(Φout−ΦinΨin
-1Ψout))
【００２５】得られた風速モデルに対して、風速の初期
値と既知の大気圧力を与え、オイラー法などにより風速
モデルを更新することによって風速シミュレーション実
行手段１４において風速シミュレーションを実行するこ
とができる。また、圧力と風速の間の関係式を用いれ
ば、各時刻で求めた風速から、圧力が未知なノードの圧
力を求めることができる。
値と既知の大気圧力を与え、オイラー法などにより風速
モデルを更新することによって風速シミュレーション実
行手段１４において風速シミュレーションを実行するこ
とができる。また、圧力と風速の間の関係式を用いれ
ば、各時刻で求めた風速から、圧力が未知なノードの圧
力を求めることができる。
【００２６】図３は、この発明の実施の形態１にかかわ
る汚染モデル構築手段１２におけるモデル化方法を示
す。ここでは図３に示すように、(ａ)に示すトンネル
を、(ｂ)に示すように、このトンネルにおけるリンクを
分割した小区間およびリンクをつなぐノードにおいて汚
染濃度を定義している。このように小区間を定義するこ
とによって、リンクを分割した小区間内の汚染濃度変化
とノードの汚染濃度変化を定式化した汚染モデルを構築
することができる。また、ノードにおける汚染濃度を定
義することによって、ノードにおける空気の流れが分岐
流か合流の場合分けを行う必要が無いため、４本以上の
リンクが接続する複雑な構造をもつトンネルに対しても
同様の方法で汚染モデルを構築することができる。
る汚染モデル構築手段１２におけるモデル化方法を示
す。ここでは図３に示すように、(ａ)に示すトンネル
を、(ｂ)に示すように、このトンネルにおけるリンクを
分割した小区間およびリンクをつなぐノードにおいて汚
染濃度を定義している。このように小区間を定義するこ
とによって、リンクを分割した小区間内の汚染濃度変化
とノードの汚染濃度変化を定式化した汚染モデルを構築
することができる。また、ノードにおける汚染濃度を定
義することによって、ノードにおける空気の流れが分岐
流か合流の場合分けを行う必要が無いため、４本以上の
リンクが接続する複雑な構造をもつトンネルに対しても
同様の方法で汚染モデルを構築することができる。
【００２７】汚染濃度シミュレーション実行手段１５で
は、風速シミュレーションから得られた風速を用いて汚
染モデルをオイラー法などによって更新することによっ
て、汚染シミュレーションを実行することができる。
は、風速シミュレーションから得られた風速を用いて汚
染モデルをオイラー法などによって更新することによっ
て、汚染シミュレーションを実行することができる。
【００２８】図４はこの発明によるトンネル構造変更手
段１３の原理を示す。トンネル構造変更手段１３は風速
モデル構築手段１１が構築した風速モデルおよび汚染モ
デル構築手段１２が構築した汚染モデルにおけるトンネ
ル構造を変更する。以下風速モデルについて説明する。
段１３の原理を示す。トンネル構造変更手段１３は風速
モデル構築手段１１が構築した風速モデルおよび汚染モ
デル構築手段１２が構築した汚染モデルにおけるトンネ
ル構造を変更する。以下風速モデルについて説明する。
【００２９】ここでは図１のトンネルＡにおいて、本線
トンネル１および排気坑４からなる部分において排気坑
４をシャットダウンした場合を示している。図４の(ａ)
のグラフはシャットダウンする過程における排気坑４の
風速(トンネル外へ出る方向が正)を示している。
トンネル１および排気坑４からなる部分において排気坑
４をシャットダウンした場合を示している。図４の(ａ)
のグラフはシャットダウンする過程における排気坑４の
風速(トンネル外へ出る方向が正)を示している。
【００３０】シャットダウン動作に入る前の図４の(ｂ)
のステップ１−１では、風速モデルを更新することによ
って風速シミュレーションを実行する。
のステップ１−１では、風速モデルを更新することによ
って風速シミュレーションを実行する。
【００３１】次にステップ１−２(シャットダウン動作
を開始し風速が０に達していない期間)では、シャット
ダウンするリンクにおける任意の風速の変化率(自由に
設定可能)を設定し、その変化率を達成するためにシャ
ットダウンするリンクにおいて必要な仮想的な弁の力を
計算し、その仮想的な力を用いて風速モデルの更新を行
うことによってシャットダウンするリンクの風速を０ま
で変化させる。図４のグラフでは風速の変化率が一定の
場合を示しているが必ずしも一定である必要はない。
を開始し風速が０に達していない期間)では、シャット
ダウンするリンクにおける任意の風速の変化率(自由に
設定可能)を設定し、その変化率を達成するためにシャ
ットダウンするリンクにおいて必要な仮想的な弁の力を
計算し、その仮想的な力を用いて風速モデルの更新を行
うことによってシャットダウンするリンクの風速を０ま
で変化させる。図４のグラフでは風速の変化率が一定の
場合を示しているが必ずしも一定である必要はない。
【００３２】次にステップ１−３(シャットダウン動作
を開始し風速が０に達した後の期間)では、シャットダ
ウンするリンクの風速を０に保つために必要な仮想的な
弁の力を計算し、その仮想的な力を用いて風速モデルの
更新を行うことによって風速を０に保持する。
を開始し風速が０に達した後の期間)では、シャットダ
ウンするリンクの風速を０に保つために必要な仮想的な
弁の力を計算し、その仮想的な力を用いて風速モデルの
更新を行うことによって風速を０に保持する。
【００３３】次にステップ１−４でシャットダウンを終
了し、再び排気坑４内の風速シミュレーションを行う場
合には、ステップ１−２、ステップ１−３における仮想
的な弁の力の計算をやめてステップ１−１と同様に風速
モデルの更新を行うことによってシミュレーション実行
する。
了し、再び排気坑４内の風速シミュレーションを行う場
合には、ステップ１−２、ステップ１−３における仮想
的な弁の力の計算をやめてステップ１−１と同様に風速
モデルの更新を行うことによってシミュレーション実行
する。
【００３４】実施の形態１の拡張
なお、上記の例では、接続行列を用いて風速モデルを構
築する場合を示したが、２つのノードを結ぶ経路(リン
ク)で、始点ノードと終点ノードが共に同じまたは共に
圧力が既知なノードであるものをループと定義し、全て
のノードとリンクの各々が、少なくとも１つのループに
含まれるようにループを選択し、ループとリンクの包含
関係を表すループ行列を定義することによっても上記と
同様に風速モデルを構築することができる。例えば、本
線区間から分岐する送排気坑や分岐合流路がさらに分岐
することがない場合において、２本以上分岐リンクを持
たないように全てのループを選択しておけば、シャット
ダウンするリンクのループを風速モデルから除外するだ
けで風速シミュレーションを行うことができる。
築する場合を示したが、２つのノードを結ぶ経路(リン
ク)で、始点ノードと終点ノードが共に同じまたは共に
圧力が既知なノードであるものをループと定義し、全て
のノードとリンクの各々が、少なくとも１つのループに
含まれるようにループを選択し、ループとリンクの包含
関係を表すループ行列を定義することによっても上記と
同様に風速モデルを構築することができる。例えば、本
線区間から分岐する送排気坑や分岐合流路がさらに分岐
することがない場合において、２本以上分岐リンクを持
たないように全てのループを選択しておけば、シャット
ダウンするリンクのループを風速モデルから除外するだ
けで風速シミュレーションを行うことができる。
【００３５】また、運動方程式と流量保存則を用いて風
速モデルを構築する場合を示したが、流量保存則のかわ
りに空気の質量保存則を用いても良い。
速モデルを構築する場合を示したが、流量保存則のかわ
りに空気の質量保存則を用いても良い。
【００３６】また、自然換気力以外の換気力ｆ(ｖ)とし
て、送気坑におけるサッカルド噴流(送気により車道空
間の風速を下げないように車両の進行方向に送気を噴出
させる場合に生じる)の昇圧力や、分岐路の損失、合流
路の合流損失などによる昇圧力を加えることによって、
分岐・合流部を詳細に風速モデルで表現することができ
る。
て、送気坑におけるサッカルド噴流(送気により車道空
間の風速を下げないように車両の進行方向に送気を噴出
させる場合に生じる)の昇圧力や、分岐路の損失、合流
路の合流損失などによる昇圧力を加えることによって、
分岐・合流部を詳細に風速モデルで表現することができ
る。
【００３７】図５は、この発明の実施の形態１にかかわ
る風速モデル構築手段１１におけるモデル化方法の別の
例を示す。図５は半横流式換気設備５を持つ(ａ)に示す
トンネルＤを、図２と同様に(ｂ)に示すように半横流式
換気設備５内の分岐合流点やトンネル内送排気口の圧力
が未知な点をノード１０１(黒丸●)、トンネル出入口、
半横流式換気設備５の坑口の圧力が既知な点をノード１
０２(白丸○)、ノード間をつなぐ車道区間や半横流式換
気設備５区間をリンク１０３(矢印)で表現している。
る風速モデル構築手段１１におけるモデル化方法の別の
例を示す。図５は半横流式換気設備５を持つ(ａ)に示す
トンネルＤを、図２と同様に(ｂ)に示すように半横流式
換気設備５内の分岐合流点やトンネル内送排気口の圧力
が未知な点をノード１０１(黒丸●)、トンネル出入口、
半横流式換気設備５の坑口の圧力が既知な点をノード１
０２(白丸○)、ノード間をつなぐ車道区間や半横流式換
気設備５区間をリンク１０３(矢印)で表現している。
【００３８】図２に示した場合と同様にして、横流式換
気設備を持つトンネルなどについてもこの発明の実施の
形態１にかかわる風速モデル構築手段１１を用いること
によって風速モデルを構築することができる。
気設備を持つトンネルなどについてもこの発明の実施の
形態１にかかわる風速モデル構築手段１１を用いること
によって風速モデルを構築することができる。
【００３９】実施の形態２．図６は、この発明の実施の
形態２による図１の(ｃ)に示す換気制御装置Ｃの動作を
説明するためのフローチャートである。図６において、
６１はフィードフォワード制御部、６２はフィードバッ
ク制御部である。ここでは、比較的周期が長く制御パタ
ーンの大まかな動作点を決定するフィードフォワード制
御と比較的周期が短くフィードフォワード制御の誤差を
修正するフィードバック制御を組み合わせることによっ
て、換気制御を行う場合について説明する。
形態２による図１の(ｃ)に示す換気制御装置Ｃの動作を
説明するためのフローチャートである。図６において、
６１はフィードフォワード制御部、６２はフィードバッ
ク制御部である。ここでは、比較的周期が長く制御パタ
ーンの大まかな動作点を決定するフィードフォワード制
御と比較的周期が短くフィードフォワード制御の誤差を
修正するフィードバック制御を組み合わせることによっ
て、換気制御を行う場合について説明する。
【００４０】まずステップ２−１で、風速目標値算出手
段１７によりトンネル内の風速計測値、汚染濃度計測
値、交通状態計測値(交通量)、現在または未来の交通状
態推定値・予測値、火災検知データなどを計測してトン
ネル内状態(状況)を検出する。これは風速モデル構築手
段１１が構築した風速モデルまたはトンネル換気シミュ
レーション装置Ｂのシミュレーションデータ等を利用し
てトンネル内の状況を想定してもよい。
段１７によりトンネル内の風速計測値、汚染濃度計測
値、交通状態計測値(交通量)、現在または未来の交通状
態推定値・予測値、火災検知データなどを計測してトン
ネル内状態(状況)を検出する。これは風速モデル構築手
段１１が構築した風速モデルまたはトンネル換気シミュ
レーション装置Ｂのシミュレーションデータ等を利用し
てトンネル内の状況を想定してもよい。
【００４１】フィードフォワード制御部６１では、ステ
ップ２−２で、風速目標値算出手段１７において計測し
たトンネル状態から近い未来のトンネル内状態を予測
し、安全性、省エネルギーなどを考慮した最適な風速目
標値を算出する。次にステップ２−３で、換気制御手段
１６においてステップ２−２で算出した風速目標値を達
成するために必要な換気機の運転パターンを算出する。
例えば、実施の形態１で示した風速モデルで速度の変化
率を０とおいた圧力バランス式に風速目標値及び交通状
態の予測値を代入すれば、各リンクにおいて必要な換気
機による換気力を求めることができる。求めた換気力を
発揮するような各リンクにおける換気機の運転パターン
を換気機の換気力特性から算出することができる。ま
た、次に述べるフィードバック制御部６２が変更できる
運転パターンの範囲を算出しても良い。
ップ２−２で、風速目標値算出手段１７において計測し
たトンネル状態から近い未来のトンネル内状態を予測
し、安全性、省エネルギーなどを考慮した最適な風速目
標値を算出する。次にステップ２−３で、換気制御手段
１６においてステップ２−２で算出した風速目標値を達
成するために必要な換気機の運転パターンを算出する。
例えば、実施の形態１で示した風速モデルで速度の変化
率を０とおいた圧力バランス式に風速目標値及び交通状
態の予測値を代入すれば、各リンクにおいて必要な換気
機による換気力を求めることができる。求めた換気力を
発揮するような各リンクにおける換気機の運転パターン
を換気機の換気力特性から算出することができる。ま
た、次に述べるフィードバック制御部６２が変更できる
運転パターンの範囲を算出しても良い。
【００４２】フィードバック制御部６２では、ステップ
２−４で換気制御手段１６において、各リンクにおける
風速計測値と風速目標値との誤差もしくは汚染濃度計測
値と汚染濃度基準値との誤差を補正するようにフィード
バック制御を行い、ステップ２−５では換気制御手段１
６において、フィードフォワード制御部６１で算出した
換気パターンの修正値を算出し、これに従ってステップ
２−６で換気機制御を行う。
２−４で換気制御手段１６において、各リンクにおける
風速計測値と風速目標値との誤差もしくは汚染濃度計測
値と汚染濃度基準値との誤差を補正するようにフィード
バック制御を行い、ステップ２−５では換気制御手段１
６において、フィードフォワード制御部６１で算出した
換気パターンの修正値を算出し、これに従ってステップ
２−６で換気機制御を行う。
【００４３】なお、上記実施の形態２では、フィードフ
ォワード制御部６１において、風速目標値算出手段１７
により算出した風速目標値を用いて換気機の運転パター
ンを算出したが、図１に示す換気シミュレーション装置
Ｂによって得られるシミュレーション結果をオンライン
で利用、もしくはオフラインでのシミュレーション結果
の蓄積データを利用することによって、換気パターンも
しくはフィードバック制御部６２が変更できる換気パタ
ーンの範囲を算出しても良い。
ォワード制御部６１において、風速目標値算出手段１７
により算出した風速目標値を用いて換気機の運転パター
ンを算出したが、図１に示す換気シミュレーション装置
Ｂによって得られるシミュレーション結果をオンライン
で利用、もしくはオフラインでのシミュレーション結果
の蓄積データを利用することによって、換気パターンも
しくはフィードバック制御部６２が変更できる換気パタ
ーンの範囲を算出しても良い。
【００４４】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、トンネ
ル内空気に関する運動方程式と空気の分岐合流点におけ
る流量保存則に基づくトンネル全体もしくは一部の風速
に関する風速モデルをトンネル構造の情報だけを用いて
自動的に構築し、トンネル内の分岐合流点における圧力
を求めるようにしたので、換気機、交通、気象などの諸
条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを持つ
トンネル内の風速に与える影響を定量的に把握しトンネ
ル換気システムの安全性と効率を飛躍的に高めることが
できる。
ル内空気に関する運動方程式と空気の分岐合流点におけ
る流量保存則に基づくトンネル全体もしくは一部の風速
に関する風速モデルをトンネル構造の情報だけを用いて
自動的に構築し、トンネル内の分岐合流点における圧力
を求めるようにしたので、換気機、交通、気象などの諸
条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを持つ
トンネル内の風速に与える影響を定量的に把握しトンネ
ル換気システムの安全性と効率を飛躍的に高めることが
できる。
【００４５】また、ノードにおける汚染濃度を定義する
ことによって分岐合流路、送排気坑、横流換気設備など
を持つトンネル内の風速と汚染濃度の関係を明らかにし
たので、分岐、合流の場合分けを行う必要が無く、４本
以上のリンクが接続するトンネルに対しても同様の手段
で汚染モデルを構築することができ、換気機、交通、気
象などの諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備
などを持つトンネル内の風速と汚染濃度に与える影響を
定量的に把握しトンネル換気システムの安全性と効率を
飛躍的に高めることができる。
ことによって分岐合流路、送排気坑、横流換気設備など
を持つトンネル内の風速と汚染濃度の関係を明らかにし
たので、分岐、合流の場合分けを行う必要が無く、４本
以上のリンクが接続するトンネルに対しても同様の手段
で汚染モデルを構築することができ、換気機、交通、気
象などの諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備
などを持つトンネル内の風速と汚染濃度に与える影響を
定量的に把握しトンネル換気システムの安全性と効率を
飛躍的に高めることができる。
【００４６】また、風速モデルの構造を変更することな
く送排気坑のシャットダウンなどのトンネル構造を動的
に変化させるようにしたので、換気機、交通、気象など
の諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを
持つトンネル内の風速と汚染濃度に与える影響を定量的
に把握しトンネル換気システムの安全性と効率を飛躍的
に高めることができる。
く送排気坑のシャットダウンなどのトンネル構造を動的
に変化させるようにしたので、換気機、交通、気象など
の諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを
持つトンネル内の風速と汚染濃度に与える影響を定量的
に把握しトンネル換気システムの安全性と効率を飛躍的
に高めることができる。
【００４７】またこの発明によるトンネル換気制御装置
では、分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを持つ
トンネルにおける様々な状況に対してこれに適した換気
機の運転パターンを決定するようにしたので、換気機、
交通、気象などの諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流
換気設備などを持つトンネル内の風速と汚染濃度に与え
る影響を定量的に把握しトンネル換気システムの安全性
と効率を飛躍的に高めることができる。
では、分岐合流路、送排気坑、横流換気設備などを持つ
トンネルにおける様々な状況に対してこれに適した換気
機の運転パターンを決定するようにしたので、換気機、
交通、気象などの諸条件が分岐合流路、送排気坑、横流
換気設備などを持つトンネル内の風速と汚染濃度に与え
る影響を定量的に把握しトンネル換気システムの安全性
と効率を飛躍的に高めることができる。
【図１】 この発明によるトンネル換気シミュレーショ
ン装置およびトンネル換気制御装置を説明するための構
成図である。
ン装置およびトンネル換気制御装置を説明するための構
成図である。
【図２】 この発明による換気シミュレーション装置の
風速モデル構築手段におけるモデル化方法を説明するた
めの図である。
風速モデル構築手段におけるモデル化方法を説明するた
めの図である。
【図３】 この発明による換気シミュレーション装置の
汚染モデル構築手段におけるモデル化方法を説明するた
めの図である。
汚染モデル構築手段におけるモデル化方法を説明するた
めの図である。
【図４】 この発明による換気シミュレーション装置の
トンネル構造変更手段の原理を説明するための図であ
る。
トンネル構造変更手段の原理を説明するための図であ
る。
【図５】 この発明による換気シミュレーション装置の
風速モデル構築手段におけるモデル化方法の別の例を説
明するための図である。
風速モデル構築手段におけるモデル化方法の別の例を説
明するための図である。
【図６】 この発明によるトンネル換気制御装置の動作
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図７】 従来の換気シミュレーションにおけるモデル
化を説明するための図である。
化を説明するための図である。
１ 本線トンネル、２ 分岐トンネル、３ 合流トンネ
ル、４ 排気坑、５半横流式換気設備、１１ 風速モデ
ル構築手段、１２ 汚染モデル構築手段、１３ トンネ
ル構造変更手段、１４ 風速シミュレーション実行手
段、１５ 汚染濃度シミュレーション実行手段、１６
換気制御手段、１７ 風速目標値算出手段、１０１ 分
岐合流点や立坑のトンネル内送排気口などの圧力が未知
なノード、１０２ トンネル出入口、立坑の坑口などの
圧力が既知なノード、１０３ ノード間をつなぐ車道区
間や立坑区間などのリンク、６１ フィードフォワード
制御部、６２ フィードバック制御部。
ル、４ 排気坑、５半横流式換気設備、１１ 風速モデ
ル構築手段、１２ 汚染モデル構築手段、１３ トンネ
ル構造変更手段、１４ 風速シミュレーション実行手
段、１５ 汚染濃度シミュレーション実行手段、１６
換気制御手段、１７ 風速目標値算出手段、１０１ 分
岐合流点や立坑のトンネル内送排気口などの圧力が未知
なノード、１０２ トンネル出入口、立坑の坑口などの
圧力が既知なノード、１０３ ノード間をつなぐ車道区
間や立坑区間などのリンク、６１ フィードフォワード
制御部、６２ フィードバック制御部。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 福嶋 秀樹
東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三
菱電機株式会社内
(72)発明者 浅沼 智
東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三
菱電機株式会社内
Ｆターム(参考） 3L058 BE08 BG04
Claims (6)
- 【請求項１】 トンネル内空気に関する運動方程式と空
気の分岐合流点における流量保存則に基づくトンネル全
体または一部の風速に関する風速モデルをトンネル構造
の情報だけを用いて構築する風速モデル構築手段と、 この風速モデル構築手段が構築した風速モデルを用いて
トンネル内風速および圧力のシミュレーションを行う風
速シミュレーション実行手段と、 を備えたことを特徴とするトンネル換気シミュレーショ
ン装置。 - 【請求項２】 トンネル内の全てまたは一部の区間の風
速とトンネル内の汚染濃度との関係を表現する汚染モデ
ルを構築する汚染モデル構築手段と、 この汚染モデル構築手段が構築した汚染モデルおよび前
記風速シミュレーション実行手段で計算した風速を用い
てトンネル内汚染濃度のシミュレーションを行う汚染濃
度シミュレーション実行手段と、 をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のトン
ネル換気シミュレーション装置。 - 【請求項３】 前記風速モデル構築手段が構築した風速
モデルまたは前記汚染モデル構築手段が構築した汚染モ
デルにおけるトンネル構造を変更するトンネル構造変更
手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２
に記載のトンネル換気シミュレーション装置。 - 【請求項４】 前記風速モデル構築手段が構築した風速
モデルまたは請求項１ないし３のいずれかに記載のトン
ネル換気シミュレーション装置を利用してトンネル内の
状況を想定し、トンネル内全てまたは一部の区間でこれ
に適した換気機の運転パターンを決定する換気制御手段
を備えたことを特徴とするトンネル換気制御装置。 - 【請求項５】 トンネル内の状況の検出結果を用いて適
切なトンネル内全てまたは一部の区間の風速目標値を算
出する風速目標値算出手段をさらに備え、前記換気制御
手段が、前記風速目標値算出手段が算出した風速目標値
を達成するために必要となる換気機の運転パターンを算
出することを特徴とする請求項４に記載のトンネル換気
制御装置。 - 【請求項６】 前記換気制御手段が、トンネル内の風速
計測値と前記風速目標値算出手段が算出したトンネル内
全てまたは一部の区間の風速目標値との誤差または汚染
濃度計測値とトンネル内全てまたは一部の区間の汚染濃
度目標値との誤差を補正する運転パターンを算出するこ
とを特徴とする請求項４または５に記載のトンネル換気
制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001307308A JP3929734B2 (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | トンネル換気シミュレーション装置およびトンネル換気制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001307308A JP3929734B2 (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | トンネル換気シミュレーション装置およびトンネル換気制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003113700A true JP2003113700A (ja) | 2003-04-18 |
| JP3929734B2 JP3929734B2 (ja) | 2007-06-13 |
Family
ID=19126789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001307308A Expired - Fee Related JP3929734B2 (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | トンネル換気シミュレーション装置およびトンネル換気制御装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3929734B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008267088A (ja) * | 2007-04-25 | 2008-11-06 | Hitachi Ltd | トンネル換気制御装置 |
| CN102128034A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-07-20 | 同济大学 | 含沼气层盾构掘进的沼气安全控制方法 |
| JP2012102484A (ja) * | 2010-11-08 | 2012-05-31 | Kajima Corp | 地下空間における換気システム |
| CN105569709A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-05-11 | 西南交通大学 | 高地温铁路隧道降温通风的控制方法 |
| CN105822342A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-03 | 武汉中交交通工程有限责任公司 | 一种水下断面隧道人员疏散救援通道结构及控烟系统 |
| CN106194234A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-07 | 包头市北工机械有限公司 | 一种隧道通风排烟系统 |
| WO2018126589A1 (zh) * | 2017-01-05 | 2018-07-12 | 深圳市市政设计研究院有限公司 | 一种地铁隧道泄压孔风压控制方法及系统 |
| CN111706381A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-25 | 中铁隧道局集团有限公司 | 一种特长独头通风隧道风道通风结构及其通风方法 |
| CN117072222A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-11-17 | 兰州交通大学 | 自动运行监控的组合式隧道通风系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104594913B (zh) * | 2015-01-16 | 2016-08-17 | 中交一公局第一工程有限公司 | 隧道纵向通风联络风道与正洞零净距立体交叉结构及施工方法 |
-
2001
- 2001-10-03 JP JP2001307308A patent/JP3929734B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008267088A (ja) * | 2007-04-25 | 2008-11-06 | Hitachi Ltd | トンネル換気制御装置 |
| JP2012102484A (ja) * | 2010-11-08 | 2012-05-31 | Kajima Corp | 地下空間における換気システム |
| CN102128034A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-07-20 | 同济大学 | 含沼气层盾构掘进的沼气安全控制方法 |
| CN105569709A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-05-11 | 西南交通大学 | 高地温铁路隧道降温通风的控制方法 |
| CN105822342A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-03 | 武汉中交交通工程有限责任公司 | 一种水下断面隧道人员疏散救援通道结构及控烟系统 |
| CN106194234A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-07 | 包头市北工机械有限公司 | 一种隧道通风排烟系统 |
| WO2018126589A1 (zh) * | 2017-01-05 | 2018-07-12 | 深圳市市政设计研究院有限公司 | 一种地铁隧道泄压孔风压控制方法及系统 |
| CN111706381A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-25 | 中铁隧道局集团有限公司 | 一种特长独头通风隧道风道通风结构及其通风方法 |
| CN117072222A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-11-17 | 兰州交通大学 | 自动运行监控的组合式隧道通风系统 |
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|---|---|
| JP3929734B2 (ja) | 2007-06-13 |
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