JP2005264671A - Dynamic simulation device and program for road tunnel ventilation control - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、道路トンネル換気制御シミュレーション装置、特に、分岐合流路、送排気坑、縦流換気設備や横流換気設備などを持つ複雑な構造の道路トンネルの換気機器設計者、制御開発者、運用管理者のトンネル換気解析を効率的に行うための道路トンネル換気制御シミュレーション装置に関するものである。 The present invention relates to a road tunnel ventilation control simulation device, in particular, a ventilator designer, control developer, and operation manager of a road tunnel having a complex structure having a branch and merge channel, a transmission / exhaust mine, a longitudinal flow ventilation facility, a lateral flow ventilation facility, and the like. The present invention relates to a road tunnel ventilation control simulation apparatus for efficiently performing a tunnel ventilation analysis of a person.
都市部においては、渋滞の緩和などを目的に、多くの地下道路トンネルの建設が計画されている。都市部のトンネルの場合、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、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という特徴を有する。このような複雑な構造を持つトンネルにおいては、換気機器、交通などの条件がトンネル内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トンネルの運用を行う上で重要で、トンネル毎にシミュレーションモデルを構築して、道路トンネルの換気制御シミュレーションを行っている。 In urban areas, many underground road tunnels are planned for the purpose of reducing traffic congestion. Urban tunnels have a feature that they have a more complex ventilation structure than tunnels in mountainous areas and coastal areas because they have branching and confluence roads and concentrated exhaust shafts that prevent polluted air from flowing into the living area. In tunnels with such a complex structure, it is necessary to perform ventilation control after quantitatively understanding how the conditions of ventilation equipment, traffic, etc. affect the tunnel. It is important to build a simulation model for each tunnel and conduct a simulation of road tunnel ventilation control.
従来から、トンネル内の汚染濃度を少なくしながら過剰な換気を無くすという適切な換気制御を行うため、トンネルの換気状態を高い確度で予測することが求められてきた。従来の道路トンネル換気自動制御装置では、道路トンネル内の各計測値と現在の換気機運転量からトンネル内の汚染状態を予測し、この予測値に従って換気装置の運転量を増減制御しているが、対象とするトンネルが主としてチューブ型単管のものであり、都市部のトンネルの如く分岐合流道路、集中排気立坑などを持つ複雑な換気構造を持つトンネルに適用する場合には、各トンネル毎に換気自動制御装置のシミュレーションプログラムを設計・構築する必要があり、非常に時間とコストを要していた。 Conventionally, it has been required to predict the ventilation state of a tunnel with high accuracy in order to perform appropriate ventilation control that eliminates excessive ventilation while reducing the concentration of contamination in the tunnel. In a conventional road tunnel ventilation automatic control device, the pollution state in the tunnel is predicted from each measured value in the road tunnel and the current ventilator operation amount, and the operation amount of the ventilator is controlled to increase or decrease according to this predicted value. When the target tunnel is mainly a tube type single pipe, and is applied to a tunnel with a complicated ventilation structure such as a tunnel in an urban area having a branching / merging road, a concentrated exhaust shaft, etc. It was necessary to design and build a simulation program for the automatic ventilation control device, which required a lot of time and cost.
また、従来の道路トンネルの換気自動制御装置では、高い確度で換気状態を予測すべく、トンネル内の車両の交通状況及び排ガス発生状態を求める交通モデルと、前記車両の交通状況及び換気装置の現在の運転状態を入力データとしてトンネル内の換気モデルからトンネル内の風速を予測する風速予測手段（換気モデル）と、この予測したトンネル内の風速及び前記区間毎の排ガス発生状態を入力データとして汚染モデルからトンネル内の区間毎の汚染状態を予測する汚染状態予測手段（汚染モデル）を備えているが、これらのモデルは静的モデルを用いていたため、火災時などの非定常状態で精度の高いシミュレーションを行うことは困難であった。
都市部のトンネルの如く、分岐合流道路，集中排気立坑などを持ち、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道路トンネルの換気制御のシミュレーション装置では、従来、トンネル毎に１からシミュレータ装置を構築しており、製作コスト、製作日数の過大が問題となっていた。これは、換気制御手法も換気機メーカにより様々であり、対象とするトンネルの規模、形状，分岐合流の状態も様々であることから、シミュレーション装置のプログラムの汎用化、流用化が困難であったためである。 A simulation device for ventilation control of road tunnels, which has branching and confluence roads, concentrated exhaust shafts, etc., and has a more complex ventilation structure than tunnels in mountainous areas and coastal areas, like conventional tunnels in urban areas, has conventionally been 1 A simulator device was constructed, and the production cost and production days were excessive. This is because the ventilation control methods vary depending on the manufacturer of the ventilator, and the size, shape, and branching / merging state of the target tunnel are also different, so it was difficult to generalize and divert the simulation program. It is.
また、道路トンネル換気制御シミュレーション装置と実際の換気機を制御する換気制御装置を製作する会社は同じ会社であることが通例であった。これは、換気制御シミュレーション装置は、換気制御プログラムを必要とするためである。このため、換気制御シミュレーション装置の本体プログラムから換気制御プログラムを切り離し、換気制御シミュレーション装置のプログラム部品として独立させることが熱望されていた。換気制御シミュレーション装置の本体プログラムから換気制御プログラムを切り離し、換気制御シミュレーション装置のプログラム部品として独立させることができれば、換気制御シミュレーション装置と換気制御装置との相互依存度が低下し、換気制御シミュレーション装置の本体プログラムの大部分が汎用化できるため、換気制御シミュレーション装置の製作日数、コストが大幅に削減できることとなる。 In addition, the company that manufactures the road tunnel ventilation control simulation device and the ventilation control device that controls the actual ventilator is usually the same company. This is because the ventilation control simulation apparatus requires a ventilation control program. For this reason, it has been eagerly desired to separate the ventilation control program from the main body program of the ventilation control simulation device and make it independent as a program component of the ventilation control simulation device. If the ventilation control program is separated from the main program of the ventilation control simulation device and can be made independent as a program component of the ventilation control simulation device, the interdependency between the ventilation control simulation device and the ventilation control device decreases, and the ventilation control simulation device Since most of the main program can be generalized, the production days and costs of the ventilation control simulation device can be greatly reduced.
さらに、換気制御プログラムのロジックは、換気機器仕様やトンネル内での個数、配置、運転マニュアルなどに依存するため、トンネル毎に設計製作されるものであり、また、頻繁にロジックが変更されるものである。このため、換気制御プログラム部分は、換気制御シミュレーション装置のプログラム部分と独立させて構築する方が望ましい。 Furthermore, since the logic of the ventilation control program depends on the specifications of the ventilation equipment, the number, arrangement, operation manual, etc. in the tunnel, it is designed and manufactured for each tunnel, and the logic is frequently changed. It is. For this reason, it is desirable to construct the ventilation control program part independently of the program part of the ventilation control simulation apparatus.
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、複雑な構造を持つ様々なトンネルにおいて、換気シミュレーションプログラムの対象のトンネル区間形状、分岐合流，集中排気立坑に依存する数値計算モデルを汎用化し、かつ、換気制御プログラム部分を独立して構築でき、製作日数およびコストを大幅に削減できる道路トンネル換気制御シミュレーション装置を提供することにある。 In view of the above problems, the subject of the present invention is to generalize a numerical calculation model that depends on the tunnel section shape, branch confluence, and centralized exhaust shaft of the ventilation simulation program in various tunnels having a complicated structure, and An object of the present invention is to provide a road tunnel ventilation control simulation apparatus that can independently construct a ventilation control program part and can significantly reduce the production time and cost.
本発明者等は、長年、グラフ理論による分岐・合流などを持つトンネル内の換気解析について研究を続けてきた結果、グラフ理論を用いることにより、複雑な構造を持つ様々なトンネルにおいて、トンネル内風速モデル、トンネル内濃度モデルを換気制御プログラムに依存しないで汎用化できることを知見し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、複雑な構造を持つ様々なトンネルにおいて、換気シミュレーションプログラムの対象のトンネル区間形状、分岐合流，集中排気立坑などの設計仕様をグラフ理論を用いて接続行列に等価させることにより、各数値計算モデルを汎用化し、かつ、換気制御プログラム部分を独立して構築できるプログラム機構を用いて、道路トンネル換気制御シミュレーション装置を提供するものである。 As a result of continuing research on ventilation analysis in tunnels with branching and confluence by graph theory for many years, the present inventors have used wind speed in tunnels in various tunnels with complex structures. The present inventors have found that the model and the concentration model in the tunnel can be generalized without depending on the ventilation control program, and have completed the present invention. That is, in various tunnels having a complicated structure, the present invention is equivalent to a connection matrix using graph theory for design specifications such as a tunnel section shape, a branching confluence, and a concentrated exhaust shaft for a ventilation simulation program. A road tunnel ventilation control simulation device is provided by using a program mechanism that can generalize each numerical calculation model and can independently construct a ventilation control program part.
本発明に係る道路トンネル換気制御シミュレーション装置は、トンネル区間形状などのトンネル情報，車両特性などの車両情報，交通情報および換気機器情報の設定入力を行うパラメータ設定手段Ａと、交通モデル，風速モデル，濃度モデル，排煙モデルなどから構成される数値計算手段Ｂと、トンネル毎に設計製作する換気制御手段Ｃと、トンネル内のセンサや換気機器と信号入出力を行う手段Ｄとを備え、前記数値計算手段Ｂはグラフ理論を用いて汎用化し、換気制御プログラムは数値計算プログラムと実行時に動的にリンク処理され、一体となって動作できる機構を開発した。 A road tunnel ventilation control simulation apparatus according to the present invention includes a parameter setting means A for inputting and inputting tunnel information such as a tunnel section shape, vehicle information such as vehicle characteristics, traffic information and ventilation equipment information, a traffic model, a wind speed model, A numerical calculation means B composed of a concentration model, a smoke emission model, and the like; a ventilation control means C designed and manufactured for each tunnel; The calculation means B was generalized using graph theory, and the ventilation control program was dynamically linked with the numerical calculation program at the time of execution, and a mechanism that can operate integrally was developed.
ここで、前記数値計算手段Ｂは前記パラメータ設定手段Ａから入力されたデータから、グラフ理論を用いて接続行列を生成し、トンネル内の各区間毎に微分方程式を計算して、各区間の風速、濃度を計算することとしている。これにより、従来複雑なトンネル構造に基づいて、トンネル毎に設計製作していた数値計算プログラムが、グラフ理論を用いた接続行列データという標準化されたデータインターフェースにより、トンネル構造に依存しない数値計算式のみで構成することが可能となった。 Here, the numerical calculation means B generates a connection matrix from the data input from the parameter setting means A using graph theory, calculates a differential equation for each section in the tunnel, and calculates the wind speed of each section. Let's calculate the concentration. As a result, the numerical calculation program that has been designed and manufactured for each tunnel based on a complex tunnel structure in the past can be used only for numerical calculations that do not depend on the tunnel structure, using a standardized data interface called connection matrix data using graph theory. It became possible to configure with.
また、換気制御プログラムは、シミュレーション装置の本体プログラムから切り離され、独立にＣ言語などの汎用言語で自由に製作でき、ＤＬＬ(Dynamic Link Library)機構などにより数値計算プログラムと動的にリンク処理がなされ、本体プログラムとコンピュータのメモリ上のデータを共有でき、連動して動くことができることとしている。これにより、従来の換気制御シミュレーション装置のプログラムと異なり、プログラム開発時に換気制御プログラムをリンク処理して１枚岩のような実行ファイルとする必要がなく、プログラム実行時に動的にリンク処理できるため、換気制御シミュレーション装置のプログラムにおいて、実際の換気機ハードウェアに依存度が高い換気制御プログラムを独立して製作できることとなる。 In addition, the ventilation control program is separated from the main program of the simulation device and can be freely produced independently in a general-purpose language such as C language. It is dynamically linked with the numerical calculation program by the DLL (Dynamic Link Library) mechanism. , The main program and the data in the computer's memory can be shared, and they can move together. As a result, unlike the conventional ventilation control simulation program, there is no need to link the ventilation control program into an execution file like a monolith during program development, and it can be linked dynamically during program execution. In the program of the ventilation control simulation device, a ventilation control program having high dependency on the actual ventilator hardware can be produced independently.
なお、シミュレーション結果の表示画面・データ設定入力操作画面は、汎用画面作成ツールを用いることとし、個々の画面表示・設定入力操作に関するプログラムの変更を不要とすることができる。 The simulation result display screen / data setting input operation screen uses a general-purpose screen creation tool, so that it is not necessary to change the program related to individual screen display / setting input operations.
平常時および非常時において、様々な自然風条件、交通条件、換気制御条件の下での複雑な構造を有する道路トンネルの換気制御の効果を確認することのできる道路トンネル換気制御シミュレーション装置において、グラフ理論を用いることで換気シミュレーションプログラムを汎用パッケージ化することにより、換気制御プログラムを除く換気制御シミュレーション装置のプログラムの流用度を高め、個々のトンネル毎に換気制御シミュレーション装置のプログラムを１から製作することを不要とし、かかるシミュレーション構築作業にかかる日数およびコストを大幅に軽減でき、より高い生産性を実現するという効果を有する。 A graph for a road tunnel ventilation control simulation device that can confirm the effect of ventilation control of a road tunnel having a complex structure under various natural wind conditions, traffic conditions, and ventilation control conditions in normal and emergency situations. By using a theory to make a ventilation simulation program into a general-purpose package, the degree of diversion of the ventilation control simulation device program excluding the ventilation control program is increased, and the ventilation control simulation device program is created from one for each tunnel. Is eliminated, the number of days and costs for the simulation construction work can be greatly reduced, and higher productivity can be realized.
以下、本発明にかかる道路トンネル換気制御の動的シミュレーション装置およびそのプログラムの実施の形態として、具体的にある分岐・合流を有するトンネルの換気制御シミュレーション処理対象としたものを例に挙げて説明する。 Hereinafter, a dynamic simulation apparatus for road tunnel ventilation control according to the present invention and an embodiment of the program thereof will be described by taking as an example a ventilation control simulation process target of a tunnel having a specific branching / merging. .
図１は、本発明に係る道路トンネル換気制御シミュレーション装置のソフトウェア・ブロック図を示している。ここで、パラメータ設定手段Ａとは、トンネル毎に異なるトンネル区間形状などのトンネル情報，車両特性などの車両情報，交通情報，換気機器情報などを設定する機能を有するものである。また、数値計算手段Ｂとは、交通モデル，風速モデル，濃度モデル，排煙モデルなどが集合したもので、トンネルの換気制御シミュレーションの解析に使用されるものである。
ここで、パラメータ設定手段Ａがトンネル区間形状設定と車両特性設定と交通設定と換気機器設定とから構成され、数値計算手段Ｂが交通モデルと風速モデルと濃度モデルとから構成されるものは、本発明に係る道路トンネル換気制御シミュレーション装置のプログラムの最小構成部位である。この最小構成部位をシミュレーション装置のプログラム基本部と称することとする。
FIG. 1 shows a software block diagram of a road tunnel ventilation control simulation apparatus according to the present invention. Here, the parameter setting means A has a function of setting tunnel information such as a tunnel section shape that is different for each tunnel, vehicle information such as vehicle characteristics, traffic information, and ventilation equipment information. The numerical calculation means B is a collection of a traffic model, a wind speed model, a concentration model, a smoke emission model, and the like, and is used for analysis of a tunnel ventilation control simulation.
Here, the parameter setting means A includes tunnel section shape settings, vehicle characteristic settings, traffic settings, and ventilation equipment settings, and the numerical calculation means B includes a traffic model, a wind speed model, and a concentration model. It is the minimum component part of the program of the road tunnel ventilation control simulation apparatus which concerns on invention. This minimum configuration part is referred to as a program basic part of the simulation apparatus.
本発明に係る道路トンネルの換気制御シミュレーション装置は、上述したように、数値計算手段Ｂの各モデルにグラフ理論を用いて汎用化した微分方程式を解くこととしている。以下、具体的に例示する数値データを用い、図１におけるパラメータ設定手段Ａおよび数値計算手段Ｂについて詳細に説明する。 As described above, the road tunnel ventilation control simulation apparatus according to the present invention solves a generalized differential equation for each model of the numerical calculation means B using graph theory. Hereinafter, the parameter setting means A and the numerical value calculation means B in FIG. 1 will be described in detail using specific numerical data.
図２は、縦流換気方式のトンネル模式図を示している。図２は、分岐・合流部をそれぞれ一ヶ所ずつもち、縦流換気のための立坑とジェットファンをいくつか設けた一方向通行のトンネルモデルである。図２のトンネルモデルの形状について、例示データを表１に示すこととする。 FIG. 2 shows a schematic diagram of a tunnel with a longitudinal ventilation system. Fig. 2 shows a one-way tunnel model with one branch and junction, and several vertical shafts and jet fans for longitudinal ventilation. Example data for the shape of the tunnel model in FIG.
例えば、図２に示すように、例示のトンネルは、本線中央部が縦流集中送排気式換気となっているとする。この縦流式換気方式モデルの換気風量データの例示データを表２に示すこととする。 For example, as shown in FIG. 2, in the illustrated tunnel, the central portion of the main line is assumed to be vertical flow concentrated air supply and exhaust ventilation. Table 2 shows exemplary data of the ventilation airflow data of this longitudinal flow ventilation model.
図３は、この縦流式換気方式モデルを有向グラフで表現したものを示している。図３のグラフ上の数字はトンネル内の枝区間番号、丸で囲まれた数字は点番号である。大気開放を全て点番号１とすることで、全体は閉ループネットワークととらえることができる。
トンネルでは、区間内で風速を一定と仮定するいくつかの枝で表現される。入口ランプ・出口ランプ・本線入口付近・本線出口付近では縦流換気方式を採用し、交通は一方向通行と仮定することにより、交通換気力を換気に利用できるようにしている。図３の縦流式換気方式モデルについて、グラフから決定される接続行列を図４に示す。
FIG. 3 shows the longitudinal flow ventilation model represented by a directed graph. The numbers on the graph in FIG. 3 are the branch section numbers in the tunnel, and the circled numbers are the point numbers. By setting all the air releases to point number 1, the whole can be regarded as a closed loop network.
In the tunnel, it is expressed by several branches assuming that the wind speed is constant in the section. Longitudinal ventilation is used near the entrance ramp, exit ramp, main entrance, and main exit, and traffic ventilation is used for ventilation by assuming that traffic is unidirectional. FIG. 4 shows a connection matrix determined from the graph for the longitudinal ventilation system model of FIG.
以上の処理が、図１の道路トンネル換気制御シミュレーション装置のソフトウェア・ブロック図中のパラメータ設定手段Ａのうち、トンネル区間形状設定と換気機器設定に相当する処理である。 The above processing is processing corresponding to tunnel section shape setting and ventilation equipment setting in the parameter setting means A in the software block diagram of the road tunnel ventilation control simulation apparatus of FIG.
また、車両特性設定と交通設定について説明する。換気解析条件として、車両が全区間で等間隔に走行する定常状態と、一台毎に入口・出口経路の情報をもたせラグランジェ的に追跡する動的モデルの両方で計算を行うこととし、交通量は例えば３０００（台／ｈ）とし、動的モデルではトンネル全体でこの値になるように経路情報と車両間隔をランダムに与えることにしている。また、車両速度は例えば６０（ｋｍ／ｈ）とする。
その他、換気解析の際に設定した仮定及び条件を以下に列挙する。
・空気は非圧縮性とする。
・空気の物性量は１気圧，２０℃の値とする。
・初期条件は時刻ｔ＝０において、全区間で風速０（ｍ／ｓ）とし、車両はｔ＝０から進入し始めるものとする。
・立坑の風量は一定とし、時刻ｔ＝０から９０（ｓ）で設定風量になるように線形に立ち上げる。
Further, vehicle characteristic setting and traffic setting will be described. Ventilation analysis conditions are calculated using both a steady state in which the vehicle travels at equal intervals in all sections, and a dynamic model that tracks information on the entrance and exit routes for each vehicle and tracks it in a Lagrange manner. For example, the amount is set to 3000 (units / h), and in the dynamic model, route information and a vehicle interval are randomly given so as to be this value for the entire tunnel. The vehicle speed is set to 60 (km / h), for example.
Other assumptions and conditions set in the ventilation analysis are listed below.
・ Air is incompressible.
・ The physical properties of air shall be 1 atm and 20 ° C.
The initial condition is that at time t = 0, the wind speed is 0 (m / s) in all sections, and the vehicle starts to enter from t = 0.
-The air volume of the shaft is fixed, and it is set up linearly so as to reach the set air volume from time t = 0 to 90 (s).
上述は一例であるが、パラメータ設定手段は、トンネル毎に異なる情報を取り込み、個々のトンネル毎にデータウェアハウス（データベース）を構築していくこととした。図５は、トンネルデータウェアハウスの構成図を示している。トンネルデータウェアハウスは、トンネル台帳ファイルと道路区間データファイルと換気区間データファイルと送排風機ダンパデータファイルとセンサデータファイルから構成される。図６〜図９に、トンネル台帳ファイルと道路区間データファイルと換気区間データファイルと送排風機ダンパデータファイルとセンサデータファイルの各々のファイル構造図を示すこととする。トンネル内の時々刻々と変化する現象を効果的に表現するために、木目細かなトンネル形状などの情報を設定することとしている。 Although the above is an example, the parameter setting means takes in different information for each tunnel and constructs a data warehouse (database) for each tunnel. FIG. 5 shows a block diagram of the tunnel data warehouse. The tunnel data warehouse includes a tunnel ledger file, a road section data file, a ventilation section data file, an air blower damper data file, and a sensor data file. FIGS. 6 to 9 show file structure diagrams of a tunnel ledger file, a road section data file, a ventilation section data file, an air blower damper data file, and a sensor data file. In order to effectively express the phenomenon that changes from moment to moment in the tunnel, information such as the fine tunnel shape is set.
次に、汎用化した数値計算手段Ｂについて説明する。
図１に示す数値計算手段Ｂにおいて、風速モデルは風速計算にグラフ理論を用いることにより、分岐・合流及び縦流・横流換気方式を持つ複雑なトンネル内の風速計算を可能にしている。このグラフ理論を用いる場合、図４のような行列を用いた繰り返し計算となるが、木と補木の利用によって行列のランクを減少させることができ、複雑なトンネルにおいても比較的短時間で解析を行えることができる。なお、風速計算には一次元非圧縮モデルを適用している。トンネル各区間における気流の運動方程式は次式で表される。
Next, generalized numerical value calculation means B will be described.
In the numerical calculation means B shown in FIG. 1, the wind speed model enables calculation of wind speed in a complicated tunnel having branching / merging and longitudinal / crossflow ventilation systems by using graph theory for wind speed calculation. When this graph theory is used, it is an iterative calculation using a matrix as shown in Fig. 4, but the rank of the matrix can be reduced by using a tree and a complementary tree, and even in a complex tunnel, it can be analyzed in a relatively short time. Can be done. Note that a one-dimensional incompressible model is applied to the wind speed calculation. The equation of motion of airflow in each section of the tunnel is expressed by the following equation.
ここで、運動方程式の右辺の各項は，管摩擦抵抗Fr，ジェットファン（以下Ｊ．Ｆと略する）換気力Fj，交通換気力Ft，圧力による換気力であり，それぞれ以下の式で表される。 Here, the terms on the right side of the equation of motion are pipe friction resistance F r , jet fan (hereinafter abbreviated as J.F) ventilation force F j , traffic ventilation force F t , and ventilation force due to pressure. It is expressed by a formula.
管内はレイノルズ数の十分高い乱流であり，管摩擦係数λは通例よく用いられるλ＝0.025の値を用いる。この運動方程式を変形して行列表記したものが下記の式である。尚、Ｐは圧力（Pa）、Ｖは区間風速(m/s)である。 The pipe is turbulent with a sufficiently high Reynolds number, and the pipe friction coefficient λ is a commonly used value of λ = 0.025. The equation below is a matrix representation of this equation of motion. P is the pressure (Pa), and V is the section wind speed (m / s).
また、図１に示す数値計算手段において、濃度モデルは汚染濃度計算を行うものである。トンネル内に発生する汚染物質はさまざまな種類のものが存在するが、トンネル内で主に問題となるのは一酸化炭素と煤煙である。一般に、大半のトンネル内の車種構成では一酸化炭素に対する必要換気量よりも煤煙に対する必要換気量のほうが大きくなる。すなわち煤煙に対する必要換気量を満たせば、他の有害成分は安全な濃度となることが多い。解析ではいずれの汚染物質の濃度も計算することができるが、本実施例では上記理由から煤煙の汚染濃度に関して説明する。 Further, in the numerical calculation means shown in FIG. 1, the concentration model calculates the contamination concentration. There are various types of pollutants generated in the tunnel, but carbon monoxide and soot are the main problems in the tunnel. In general, the required ventilation for smoke is greater than the required ventilation for carbon monoxide in most vehicle configurations in tunnels. In other words, if the necessary ventilation for soot is met, other harmful components often have safe concentrations. In the analysis, the concentration of any pollutant can be calculated. In the present embodiment, the concentration of soot smoke will be described for the above reason.
ここで、煤煙とは、主としてディーゼル車の排出ガスに含まれる遊離炭素（黒煙）やタイヤ粉塵などの総称であるが、視野に支配的な影響を及ぼすのは、比較的粒径の小さい黒煙であると考えられている。このため、煤煙とは黒煙を意味し、ディーゼル車のみから排出されると仮定する。なお、汚染濃度計算モデルには下記の式の一次元移流拡散方程式を用いる。区間風速と流量の関係は、区間風速×断面積＝流量と仮定し、また、煤煙の輸送は対流が支配的と考え拡散効果は無理している。また、下記式のＣexは、
セル内の自動車から汚染物質が排出されるという意味の変数であり、単位時間あたりのセル内汚染物質総排出量である。
Here, soot is a general term for free carbon (black smoke) and tire dust, etc., mainly contained in exhaust gas from diesel vehicles, but the dominant influence on the field of view is black with a relatively small particle size. It is considered smoke. For this reason, soot smoke means black smoke and is assumed to be emitted only from diesel vehicles. The pollution concentration calculation model uses the following one-dimensional advection diffusion equation. The relationship between section wind speed and flow rate is assumed to be section wind speed x cross-sectional area = flow rate, and the transport of soot is considered to be dominated by convection and the diffusion effect is impossible. Also, Cex in the following formula is
This is a variable meaning that pollutants are discharged from the automobile in the cell, and is the total discharge amount of pollutants in the cell per unit time.
濃度計算は、風速を計算した枝区間を約１０ｍになるように等分割したセルを用い、各セルの風速はその区間のものを使用する。対流項は区間毎の１次風上差分で求め、分岐点・合流点では接続行列と風向きの情報から流入セル・流出セルを検出し、風上差分を適用する。すなわち枝区間内のセルのうち、最も上流のセルの濃度を求める際に、その枝の上流側の点に接続しているすべての枝の風向きと風速および濃度を考慮し、流入を計算する。流出はそのセルの流量と濃度を用いる。枝区間の２番目以降のセルの濃度は単純な１次風上差分で求められる。 In the concentration calculation, a cell obtained by equally dividing the branch section where the wind speed is calculated to be about 10 m is used, and the wind speed of each cell is used in that section. The convection term is obtained from the primary upwind difference for each section, and the inflow / outflow cells are detected from the connection matrix and the information on the wind direction at the branch point / confluence, and the upwind difference is applied. That is, when determining the concentration of the most upstream cell among the cells in the branch section, the inflow is calculated in consideration of the wind direction, the wind speed and the concentration of all the branches connected to the upstream point of the branch. Outflow uses the flow rate and concentration of the cell. The density of the second and subsequent cells in the branch section can be obtained by a simple primary upwind difference.
濃度の単位は１ｍあたりの吸光係数として扱える。煤煙はトンネル内の視界が主に問題となるため濃度から透過率を計算する。透過率は次式による。 The unit of concentration can be treated as an extinction coefficient per meter. Since the smoke visibility is mainly a problem for smoke, the transmittance is calculated from the concentration. The transmittance is according to the following equation.
煤煙を発生する車両の全車両台数に対する混入率は２３．８％とし、大型車両１台あたりの煤煙発生量は道路トンネル技術基準（換気編）（出版：平成１３年１０月）より、５．１（ｍ２／ｋｍ・台，自然対数表示）として計算している。 The mixing rate of smoke-generating vehicles with respect to the total number of vehicles is 23.8%, and the amount of smoke generated per large vehicle is from the Road Tunnel Technical Standard (Ventilation) (Published: October 2001). It is calculated as 1 (m 2 / km · unit, natural logarithm display).
トンネル内の車道合流部や道路勾配の急な所では、合流や勾配道路の走行に伴って車両が急加速・減速することにより、単管区間より多くの汚染物質を排出する。分岐部や道路勾配の急な所では、大型車両１台あたりの煤煙発生量を割増することにより調整している。 At the junction of the roadway and the steep road slope in the tunnel, the vehicle suddenly accelerates and decelerates as the road travels along the slope and the road, thereby discharging more pollutants than the single pipe section. Adjustments are made by increasing the amount of smoke generated per large vehicle at branches and steep road slopes.
次に、本発明に係るトンネル換気制御シミュレーション装置のプログラム処理フローの動作アルゴリズムについて図１１を用いて説明する。
交通流入力モジュールは、交通量、車両速度、大型車混入率などの情報や、動的モデルを用いる場合には、経路情報と車両間隔などを入力する。次に、交通流演算モジュールは、道路区間データファイルを取り込み、ピストン効果出力ファイルと排ガス発生量（ＣＯ，ＶＩ）出力ファイル及び交通台数出力ファイルを生成する。この交通流演算モジュールは、約０．１秒の周期演算を行い、各道路区間の状態を高い確度で予測する。
Next, the operation algorithm of the program processing flow of the tunnel ventilation control simulation apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
The traffic flow input module inputs information such as traffic volume, vehicle speed, large vehicle mixing rate, and route information and vehicle interval when a dynamic model is used. Next, the traffic flow calculation module takes in the road section data file and generates a piston effect output file, an exhaust gas generation amount (CO, VI) output file, and a traffic number output file. This traffic flow calculation module performs a period calculation of about 0.1 second, and predicts the state of each road section with high accuracy.
風速モジュールは、上述如くグラフ理論を用いた風速モデルを用いている。交通流演算モジュールが生成したピストン効果出力ファイルのデータを入力し、換気区間データと送排風機ダンパデータとセンサデータ及び換気機運転出力ファイルを参照し、風速出力ファイルと圧力出力ファイルを生成する。この風速モジュールは、約１秒の周期演算を行い、各道路区間の風速状態を高い確度で、かつ、ダイナミックに予測する。 The wind speed module uses the wind speed model using the graph theory as described above. The data of the piston effect output file generated by the traffic flow calculation module is input, and the wind speed output file and the pressure output file are generated by referring to the ventilation section data, the air blower damper data, the sensor data, and the ventilator operation output file. This wind speed module performs a period calculation of about 1 second, and predicts the wind speed state of each road section with high accuracy and dynamically.
濃度モジュールは、上述如くグラフ理論を用いた濃度モデルを用いている。風速モジュールが生成した風速出力ファイルと交通流演算モジュールが生成した排ガス発生量出力ファイルを入力し、センサデータを参照して、濃度（ＣＯ，ＶＩ）出力ファイルを生成する。この濃度モジュールは、約１秒の周期演算を行い、各道路区間の汚染濃度状態を高い確度で、かつ、ダイナミックに予測する。 The density module uses a density model using graph theory as described above. The wind speed output file generated by the wind speed module and the exhaust gas generation amount output file generated by the traffic flow calculation module are input, and the concentration (CO, VI) output file is generated with reference to the sensor data. This concentration module performs a period calculation of about 1 second, and predicts the contamination concentration state of each road section with high accuracy and dynamically.
換気制御モジュールは、濃度モジュールが生成した濃度（ＣＯ，ＶＩ）出力ファイルを入力し、送排風機ダンパデータ及びセンサデータを参照して、換気機運転出力ファイルを生成する。この換気機運転出力ファイルは、前記風速モジュールに参照される。この換気制御モジュールを、換気制御シミュレーション装置のプログラムから切り離し、独立の換気制御プログラムとしている。 The ventilation control module inputs the concentration (CO, VI) output file generated by the concentration module, and generates a ventilator operation output file with reference to the air blower damper data and sensor data. This ventilator operation output file is referred to by the wind speed module. This ventilation control module is separated from the program of the ventilation control simulation device and is used as an independent ventilation control program.
前記交通流演算モジュールと風速モジュールと濃度モジュールは、グラフ理論を適用してトンネル構造に依存しない汎用プログラムにより構成されている。一方、換気制御モジュールは、トンネル毎に換気機の仕様に依存して開発する必要があるため、別個独立に設計製作できるようにし、本シミュレーション処理が実行されるときに動的に（ダイナミックに）リンク処理を行うようにする。この動的なリンク処理は、Windows（登録商標）系ＯＳでは、ＤＬＬ（Dinamic link library）処理を用いて、また、Unix（登録商標）系ＯＳでは、共有ライブラリやシェアードライブラリ（Shared library）を用いてリンク処理を行うことができる。 The traffic flow calculation module, the wind speed module, and the concentration module are configured by a general-purpose program that does not depend on the tunnel structure by applying graph theory. On the other hand, the ventilation control module needs to be developed depending on the specifications of the ventilator for each tunnel, so that it can be designed and manufactured independently and dynamically when this simulation process is executed. Perform link processing. This dynamic link processing uses DLL (Dinamic link library) processing in a Windows (registered trademark) OS, and uses a shared library or shared library in a Unix (registered trademark) OS. Link processing.
図１２に、換気制御プログラムと数値計算プログラムとのデータＩ／Ｆ図を示す。図１２は、コンピュータを換気制御手段Ｂとして機能させる換気制御プログラムと、換気制御シミュレータ装置のプログラム本体部とのデータインターフェイスの構造を表している。換気制御プログラムは、換気機器の依存度が高いことから、汎用言語もしくはＰＬＣ（プログラマブル・コントローラ）などの専用言語で記述される。図１２に示すようなデータインターフェースを有することにより、換気制御プログラムを換気制御シミュレータ装置のプログラム本体部から切り離すことが可能となる。 FIG. 12 shows data I / F diagrams of the ventilation control program and the numerical calculation program. FIG. 12 shows the structure of the data interface between the ventilation control program that causes the computer to function as the ventilation control means B and the program main body of the ventilation control simulator apparatus. The ventilation control program is described in a general language or a dedicated language such as a PLC (programmable controller) because the degree of dependence of the ventilation device is high. By having a data interface as shown in FIG. 12, the ventilation control program can be separated from the program body of the ventilation control simulator device.
次に、図１の数値計算手段における排煙モデルとパラメータ推定について説明する。
排煙モデルは、濃度モデルと同様に、一次元移流拡散方程式を用いている。パラメータ設定手段における火災条件設定により、火災事故状況シナリオに応じた火災規模に応じて排煙発生量及び排煙発生位置を任意に設定できることにしている。これにより、煤煙がどのように分布して、煙が流れていくかを予測し、煙に対してトンネル内にいる人が逃げる経路を確保できるか、非常口は十分に確保できているかの検証を行うことができる。
Next, the smoke emission model and parameter estimation in the numerical calculation means of FIG. 1 will be described.
The smoke emission model uses a one-dimensional advection-diffusion equation, like the concentration model. By setting the fire conditions in the parameter setting means, it is possible to arbitrarily set the amount of smoke generation and the position of smoke generation according to the fire scale corresponding to the fire accident scenario. In this way, it is predicted how smoke will be distributed and smoke will flow, and it will be verified whether a route for people in the tunnel to escape from the smoke can be secured or whether the emergency exit has been secured sufficiently. It can be carried out.
パラメータ推定は、トンネル内フィールドの実データに基づき、車両投影面積や車両の等価抵抗係数などの適切な値を推定するものである。図１３に、パラメータ推定の動作フローを示す。フィールドの実データは、トンネル内の各種センサの計測データを入力し、図１０に示すリアルタイムデータウェアハウスに蓄積している。図１３の処理フローにおいて、交通流，送排風機，風速，ＶＩ濃度，ＣＯ濃度のリアルタイムデータは、このリアルタイムデータウェアハウスから取り込むこととしている。このパラメータ推定をシーケンス的に行うことにより数値計算手段の各モデルのパラメータをより精度よく推定することが可能となり、現実に近い状況をシミュレーションできる。 The parameter estimation is to estimate appropriate values such as the vehicle projection area and the vehicle equivalent resistance coefficient based on the actual data of the field in the tunnel. FIG. 13 shows an operation flow of parameter estimation. As the actual data of the field, the measurement data of various sensors in the tunnel are inputted and accumulated in the real-time data warehouse shown in FIG. In the processing flow of FIG. 13, real-time data of traffic flow, air blower, wind speed, VI concentration, and CO concentration is taken from this real-time data warehouse. By performing this parameter estimation in sequence, it is possible to estimate the parameters of each model of the numerical calculation means with higher accuracy, and it is possible to simulate a situation close to reality.
図１４に、本発明に係る道路トンネル換気制御シミュレーション装置におけるシミュレーション結果表示画面の一例を示す。道路トンネル内の各区間における風速、ＶＩ濃度、ＣＯ濃度、圧力、車両の走行状態を表示し、道路トンネル内の状況を効率的に把握できるようにしている。 FIG. 14 shows an example of a simulation result display screen in the road tunnel ventilation control simulation apparatus according to the present invention. The wind speed, VI concentration, CO concentration, pressure, and vehicle running state in each section in the road tunnel are displayed so that the situation in the road tunnel can be grasped efficiently.
本発明は、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の換気機器設計者、制御開発者、運用管理者のトンネル換気解析用ツールまたはトンネル換気機器の運転用シミュレータなどに利用できる。 The present invention is for a tunnel ventilation analysis tool or a tunnel ventilation equipment operation of a road tunnel ventilation equipment designer, control developer, and operation manager of a complex structure having a branched and combined flow path, an air supply and exhaust mine, a cross-flow ventilation equipment, etc. It can be used for simulators.
Claims (5)
トンネル内の交通流と風速と濃度の動的変動を数値計算する数値計算手段Ｂと、
換気機器の制御ロジック演算を行う換気制御手段Ｃと、
トンネル内のセンサや換気機と信号入出力を行う入出力手段Ｄとを備えた道路トンネル換気制御シミュレーション装置において、
前記数値計算手段Ｂがグラフ理論を用いた接続行列を入力データとして、交通流モデル，風速モデル，濃度モデルの数値計算プログラムにより数値計算することを第１の特徴とし、前記制御手段Ｃの換気機器の制御ロジック演算を行う換気制御プログラムが、前記数値計算プログラムと、実行時に動的にリンク処理を行うことを第２の特徴とする道路トンネル換気制御シミュレーション装置。 Parameter setting means A for generating input data by setting parameters such as tunnel shape, vehicle characteristics, traffic and ventilation equipment,
Numerical calculation means B for numerically calculating dynamic changes in traffic flow, wind speed and concentration in the tunnel;
Ventilation control means C that performs control logic calculation of the ventilation equipment,
In a road tunnel ventilation control simulation device equipped with a sensor and a ventilator in the tunnel and an input / output means D for signal input / output,
The numerical calculation means B uses the connection matrix using graph theory as input data to perform numerical calculation by a numerical calculation program of a traffic flow model, a wind speed model, and a concentration model, and has a first feature. A road tunnel ventilation control simulation device characterized in that a ventilation control program for performing a control logic operation of the second is dynamically linked with the numerical calculation program at the time of execution.
4. The road tunnel ventilation control simulation apparatus according to claim 1, wherein the computer-readable recording medium stores a program for causing a computer to function as the parameter setting means A and the numerical calculation means B.
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