JP2012057415A - トンネル換気制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 換気方式が異なる複数区間を有する複合トンネルに対応して、簡易な構成のトンネル換気制御装置を実現する。
【解決手段】 複数の区間換気制御部20と、複数の区間換気制御部20を制御する監視制御部10と、を備え、区間換気制御部20は、上流区間の区間換気制御部20と通信する前区間制御部通信手段22と、下流区間の区間換気制御部20と通信する次区間制御部通信手段23と、監視制御部10と通信する上位制御部通信手段21と、前区間制御部通信手段22から上流区間の換気状態を取得して上流区間の換気評価を行い、換気評価を反映した制御要求を出力する前区間評価手段26と、前区間評価手段26から制御要求を受信して、制御要求を反映した制御指令要求を出力する制御実施判断手段29と、換気対象区間の換気状態を取得して次区間制御部通信手段23へ送信する換気状態取得手段24と、を備えるトンネル換気制御装置。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、トンネル換気制御装置に関する。
トンネル内の換気方式には、横流換気方式を始め、縦流換気方式としてジェットファン式やサッカルド式、集中排気式、立坑送排気式、電気集じん機式等、様々な方式がある。長大トンネル向けにはこれらの換気方式を組み合わせた複合換気方式が採用されることがある。大深度地下トンネル等では、部分的に順次共用されていくため、延伸される区間毎に換気方式が異なることもある。
この場合、換気方式に応じて、適した換気制御方式も異なってくるため、延伸されるたびに換気制御方式の大幅な見直しが必要となる。また、長大トンネルでは、トンネル自体も分岐や合流があり、構造が複雑になり、そのトンネルの換気制御システムの構成も複雑化する。
道路トンネル技術標準(換気編)・同解説 平成20年改訂版 社団法人日本道路協会編集、丸善株式会社発行、平成20年10月
グラフ理論による分岐・合流などを持つトンネル内の非定常換気解析 高速道路と自動車 第45巻 第9号、2002年9月
トンネルの換気制御では、予測制御方式を始めとしてトンネルの換気プロセスをモデル化する必要がある。トンネルの換気方式が異なると換気制御方式も換気方式に応じて異なる。換気方式が組み合わされるとそれだけ換気制御方式も複雑になる。換気方式が複雑になると、予測制御方式を始めとしたトンネルの換気プロセスをモデル化する制御方式ではモデル構築が困難となる。さらに、構築されたモデルには多くのパラメータが必要となり、そのチューニングは困難であるとともに、そのモデルはオペレータにとって介入が困難なものとなってしまう。
また、モデル化の一つの方法として、グラフ理論を導入することによって、換気の動的状態をシミュレーション解析する方法が提案されている。しかし、これらのモデルは交通モデルがベースとなるため、非特許文献1に記載されている等価抵抗面積、単位汚染発生量等の統計データに基づいた算出となる。
上記のモデルでは、1台の整備不良車や大型車の車郡等が統計データから見ると大きな外乱となり、モデルベースで算出した状態から大きく外れることがあった。これを避けるために、交通データに依存せずに換気制御を行なうトンネル換気制御装置の実現が望まれていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、換気方式が異なる複数区間を有する複合トンネルに対応して、簡易な構成のトンネル換気制御装置を実現することを目的とする。
実施形態に係るトンネル換気制御装置は、複数の区間のトンネル内空間それぞれを換気する換気機を制御する複数の区間換気制御部と、前記複数の区間換気制御部を制御する監視制御部と、を備え、前記区間換気制御部は、前記トンネルの交通流の上流区間の前記区間換気制御部と通信する前区間制御部通信手段と、前記トンネルの交通流の下流区間の前記区間換気制御部と通信する次区間制御部通信手段と、前記監視制御部と通信する上位制御部通信手段と、前記前区間制御部通信手段から前記上流区間の換気状態を取得して前記上流区間の換気評価を行い、換気評価を反映した制御要求を出力する前区間評価手段と、前記前区間評価手段から前記制御要求を受信して、前記制御要求を反映した制御指令要求を出力する制御実施判断手段と、換気対象区間の換気状態を取得して前記次区間制御部通信手段へ送信する換気状態取得手段と、を備える。
以下、実施形態に係るトンネル換気制御装置ついて、図面を参照して説明する。
図1に、第1実施形態に係るトンネル換気制御装置の一構成例を示す。本実施形態では、紙面に向かって左から横流換気式区間Z1、縦流立坑送排気式区間Z2、縦流電気集じん機式区間Z3、縦流集中排気式区間ZN−1、縦流ジェットファン区間ZN等からなる複合換気式のトンネルの換気制御を行なうトンネル換気制御装置100の一例について説明する。
横流換気式区間Z1では、送風機31から送気ダクト51へ新鮮空気が送風され、送気ダクト51からトンネルを横切って、排気ダクト52から排風機32により空気がトンネル外へ排出される。横流換気式区間Z1には、トンネル内の排気ダクト52への供給される空気に含まれる各種成分を計測する計測器40が取り付けられている。
縦流立坑送排気式区間Z2では、トンネル坑口からトンネル内空間に新鮮空気が供給され、車両が走行する方向に沿って流れる空気が排風機32によりトンネル外へ排出される。縦流立坑送排気式区間Z2には、空気が供給される坑口近傍と、空気が排出される位置近傍とに計測器40が取り付けられている。
縦流電気集じん機式区間Z3では、送風機31からトンネル内空間へ新鮮空気が送風され、トンネル内空間を迂回するように設けられた集じんダクト53に導かれた空気が集じん機33を介して再びトンネル内空間へ供給される。縦流電気集じん機式区間Z3には、送風機31から空気が供給される位置近傍と、集じんダクト53の入口近傍とに計測器40が取り付けられている。
縦流集中排気式区間ZN−1では、トンネル坑口から新鮮空気が供給される。縦流ジェットファン区間ZNでは、ジェットファン34により外部空間から新鮮空気がトンネル空間内に送風される。縦流集中排気式区間ZN−1および縦流ジェットファン区間ZNでは、供給された空気は、縦流集中排気式区間ZN−1および縦流ジェットファン区間ZNの境界近傍で集中排風機32により外部に排出される。縦流集中排気式区間ZN−1には、空気が供給される坑口近傍と空気が排出される位置近傍とに計測器40が取り付けられている。縦流ジェットファン区間ZNには、空気が排出される位置近傍に計測器40が取り付けられている。
本実施形態に係るトンネル換気制御装置100は、各換気方式に対応した区間毎の区間換気制御部20および監視制御部10を備える。
図2に、区間換気制御部20の一構成例を示す。
区間換気制御部20は、通信手段と、該当区間の換気機31〜34の運転状態、各種計測器40の計測値等を取得する換気状態取得手段24と、該当区間の換気機31〜34に運転指令を出す制御指令出力手段25と、前区間との協調を図るための前区間評価手段26と、監視制御部10の指示に従い全体目標に合致するための制御制約設定手段27と、該当区間の換気状態をもとに制御演算を行う制御演算手段28と、これらで算出した制御要求を判定する制御実施判定手段29と、を備える。
通信手段は、上位の監視制御部10と接続するための上位制御部通信手段21と、隣接する区間の区間換気制御部と接続する前区間制御部通信手段22と、次区間制御部通信手段23と、を備える。上位制御部通信手段21は、換気状態取得手段で取得された計測値等を受信し、監視制御部10へ出力する。次区間制御部通信手段23は、換気状態取得手段24で取得された計測値等を受信し、下流側の区間換気制御部20へ出力する。
図3に前区間評価手段26の一構成例を示す。前区間評価手段26は、換気評価手段26Aと、悪化検出手段26Bと、代替運転判定手段26Cと、制御判定手段26Dと、を備えている。
換気評価手段26Aは、換気評価ルール26Rを用いて、前区間制御部通信手段22で取得した、前区間の計測器40である各種汚染濃度センサ、風速計等の計測値、換気機31、32の運転状態をもとに、換気状態が良いか悪いか、換気負荷が高いか低いか、その結果換気が過剰となっているか、不足しているかを評価する。
図4にこれらの換気評価ルール26Rの一例を示す。まず、換気評価手段26Aは前区間の汚染濃度センサと風速計との計測値から換気状態を判定する。汚染濃度が低いほど換気状態は良く、汚染濃度が高いほど換気状態が悪く判定される。風速が低い(遅い)ほど換気状態は悪く、風速が高い(速い)ほど換気状態は良く判定される。
続いて、換気評価手段26Aは前区間の換気機31、32の運転量(換気運転量)と、風速計の計測値とから換気負荷を判定する。換気運転量が小さいほど換気負荷は低く、換気運転量が大きいほど換気負荷は高く判定される。風速が低いほど換気負荷が高く、風速が高いほど換気負荷が低い傾向がある。
続いて、換気評価手段26Aは、換気状態と換気負荷とから前区間の換気を評価する。換気評価手段26Aは、換気状態が良く、換気負荷が「中」あるいは「高」であるときには、前区間の換気が過剰であると評価する。換気評価手段26Aは、換気状態が悪い場合は、換気負荷に関わらず換気が不足であると評価する。
なお、ここの換気評価ルール26Rの例では、前区間の換気を3段階(不足、良、過剰)で評価しているが、3段階に制約するものではない。よりきめ細かくあらわすために5段階等に評価する段数を増やすことも考えられる。また、このような換気評価ルール26Rはファジィ演算の適用で定量的に扱うことができる。
悪化検出手段26Bは、悪化検出設定値26Vと前区間の時系列計測値とから一時的な換気の悪化を検出するように構成されている。悪化検出手段26Bは、例えば、1台の整備不良車や大型車の車郡等の影響による一時的なトンネル内の汚染濃度の上昇を検出する。
図5に、悪化検出手段26Bに供給される時系列計測値の一例を示す。図5には、図2に示す、車両が走行する方向における上流側計測器40Aと下流側計測器40Bとにより測定された汚染濃度を時系列で示している。
まず、上流側計測器40Aの汚染濃度が設定時間Ts内に設定範囲Cs以上悪化した時刻t1[s]、下流側計測器40Bの汚染濃度が設定時間Ts内に設定範囲Cs以上悪化した時刻t2[s]を求め、
(計測器間長[m])/(t2−t1)>α・(車道内風速[m/s])
が成り立つ場合は、一時的な悪化検出とする。αは比較係数(>1)とする。これは左辺で走行する悪化原因車両の速度を推測し、その速度が車道内風速より十分に速いことを利用している。(例えば、車両速度は70km/hで約20m/s、車道内風速は5m/s程度である。)
なお、設定時間Ts、設定範囲Cs、および、比較係数αの値は悪化検出設定値26Vとして予め図示しないメモリ等に記録されている。
(計測器間長[m])/(t2−t1)>α・(車道内風速[m/s])
が成り立つ場合は、一時的な悪化検出とする。αは比較係数(>1)とする。これは左辺で走行する悪化原因車両の速度を推測し、その速度が車道内風速より十分に速いことを利用している。(例えば、車両速度は70km/hで約20m/s、車道内風速は5m/s程度である。)
なお、設定時間Ts、設定範囲Cs、および、比較係数αの値は悪化検出設定値26Vとして予め図示しないメモリ等に記録されている。
代替運転判定手段26Cは、次区間制御部通信手段23から代替運転要求を受信する。代替運転要求は、次区間の区間換気制御部20が次区間の換気を十分に行なうことができないと判断した場合に、前区間の区間換気制御部20へ不足分の換気を要求する場合に出力される。
制御判定手段26Dは、換気評価手段26Aでの評価結果と、悪化検出手段26Bでの検出結果と、代替運転判定手段26Cでの判定結果とを受信し、前区間の換気状態を反映した制御要求を制御実施判定手段29へ出力する。
図6に、制御制約設定手段27の一構成例を示す。制御制約設定手段27は、制御優先度判定手段27Aと、制御制約決定手段27Bと、を備えている。制御優先度判定手段27Aは、監視制御部10で算出された制御計画、または、監視制御部10でオペレータが手動介入した結果(手動指示)に基づいて、制御制約値を判定する。制御制約決定手段27Bでは、予め設定されている制御制約および制御目標設定値27Vを制御優先度判定手段27Aでの判定結果に基づいて決定する。
例えば、制御優先度判定手段27Aで制御計画および手動指示に基づいて低消費電力とすることを優先すべきと判定した場合、制御制約決定手段27Bは、制御目標設定値27Vから消費電力の制約や汚染濃度の目標値(例えばVI値の割合(%))等を設定する。
制御演算手段28は、換気状態取得手段24及び制御制約設定手段27からの信号に基づいて、制御要求を算出する。尚、フィードバック制御を主体とした各換気方式に応じた方式を取るものとして、ここでは、各換気方式の詳細な実現方法の説明は省略する。また、各区間換気制御部20で換気方式が単一となっているので、換気プロセスのモデル化も容易である。
図7に制御実施判定手段29の一構成例を示す。制御実施判定手段29は、換気評価手段29Aと、制御指令判定手段29Bと、制御指令要求手段29Cと、を備えている。制御指令判定手段29Bは、前区間評価手段26で算出した制御要求、制御演算手段28で算出した制御要求を受信する。制御指令判定手段29Bは、換気評価手段29Aの評価結果に応じて、受信した前区間要求と制御演算要求を合算するか、最大値を取るかを判定する。このとき、制御指令判定手段29Bは、前区間要求と制御演算要求とのそれぞれに所定の係数を乗じてから合算するように構成されてもよい。
換気評価手段29Aには、換気状態取得手段24で取得した該当区間の換気状態と、制御演算手段で演算された換気状態判定結果とが供給される。換気評価手段29Aは、図4と同様の換気負荷判定と換気評価との評価ルールを有している。
例えば、制御指令判定手段29Bは、換気評価手段29Aでの該当区間の換気評価が過剰である場合は最大値を取ることとする。制御指令判定手段29Bは、換気評価手段29Aでの該当区間の換気評価が過剰以外である場合は、前区間要求と制御演算要求との合算値を取ることとする。
制御指令要求手段29Cは、制御制約設定手段27で決定した制御制約および該当区間の換気機運転状態(換気評価手段での評価結果)をもとに、制御指令判定手段29Bからの制御指令を該当換気機に指令出力するか、隣接区間の換気機に代替運転要求するかを決定する。制御指令要求手段29Cは、制御制約より換気運転負荷が高くなる場合は、代替運転要求するものとする。制御制約を変えることによって、隣接区間との換気バランスを取ることができる。
前区間への代替運転要求は前区間制御部通信手段22を経由して前区間の区間換気制御部20へ供給されるように構成される。この場合、代替運転要求は前区間の区間換気制御部20の前区間評価手段26へ供給される。なお、代替運転要求は、次区間制御部通信手段23を経由して次区間の区間換気制御部20へ供給され実施されるように構成されてもよい。例えば最初の坑口区間および前区間の換気機が使用できない場合に、次区間での代替運転が可能となる。その場合には、代替運転要求は、次区間の区間換気制御部20の前区間評価手段26へ供給される。さらに、次区間と前区間との両方の区間換気制御部20へ代替運転要求が供給可能に構成されてもよい。
制御実施判定手段29から出力された制御指令要求は、制御指令出力手段25へ送信される。制御指令出力手段25は、受信した制御指令要求を送風機31および排風機32等の換気機へ供給する。
図8に、トンネル出口側の終端の区間換気制御部20の構成の一例を示す。この例では、縦流ジェットファン集中排気式(出口側)の換気区間ZNとする。次区間制御部通信手段23は動作しないものとする。同様に、トンネル入口側の始端の区間換気制御部20では前区間制御部通信手段22は動作しない。
終端の区間では、図8の例のようにジェットファン34と集中排風機32とが組み合わされる場合が多い。このように方式が異なると、図7の制御実施判定手段29の制御指令要求手段29Cにおいて、代替運転要求する場合に台数制御から風量制御への換算が必要となる。この場合、制御指令要求手段29Cでは、制御要求の換算係数設定値(図示せず)および、換算演算手段(図示せず)を有する。
図9に監視制御部10の構成の一例を示す。監視制御部10では、トンネル全体設備の監視および換気計画を実施する。監視制御部10は、情報表示指示入力手段11と、換気計画手段12と、換気機運転積算手段13と、換気制御部通信手段14と、を備えている。
情報表示指示入力手段11は、オペレータが監視操作するための指示が入力されるとともに、各換気区間Z1〜ZNの換気状態をオペレータへ提示するように構成される。
換気計画手段12は、各換気区間Z1〜ZNの運転計画を実施する。換気区間毎に換気制御部が分かれているので、オペレータが換気制御部通信手段14を介して必要な換気区間Z1〜ZNに対して手動で指示を入力して換気計画に介入することも容易となる。換気計画手段12では、換気状態および換気条件設定値、換気機設定値、換気機運転状態を元に、消費電力の抑制、各換気機の運用の均一化を考慮した運転計画を決定する。
換気計画手段12において、運転計画で、各換気区間Z1〜ZNの制御制約、目標値を設定することにより、各換気区間Z1〜ZNの優先度を変更できるものとする。
換気機運転積算手段13は、換気制御部通信手段14から取得した情報により各換気機の稼働時間を算出し、換気計画手段12に通知することで、各換気機の運用の均一化のため、稼働時間に設定以上の偏りがある場合には、運用優先度を変更する。
上記実施形態によれば、トンネル構造、換気方式が異なる区間毎に分割して、その区間を担当する換気制御部を分散させて配置する。この換気制御部は換気方式が限定されているため、比較的簡素な構成とすることができる。
一方通行のトンネルを前提とすると、交通流の方向に沿った空気の流れがあるため、上流区間の汚染状況が次の下流区間へ影響する。そのため、区間毎に配置された換気制御部では、隣接する上流区間の換気状況を考慮した換気制御を行うことにより、より効率的な制御が可能となる。また、隣接区間の換気状態を参照することによって、各区間の換気制御部動作の干渉を抑えるとともに、協調した制御が可能となる。
トンネル全体を統括する監視制御部を設けることにより、各区間の換気制御部間のバランスを取ることができ、トンネル全体での消費電力の抑制、各区間の換気機の稼働時間の偏り等を考慮した運用が可能となる。
以上説明したように、本実施形態に係るトンネル換気制御装置では、各換気方式の区間毎に区間換気制御部20を配置し、隣接する区間換気制御部20と協調することによって、複雑な複合トンネルに対して、複雑なモデルを構築することなく、比較的簡易な構成で換気制御装置を実現することができる。また、トンネル延伸時の換気制御装置の変更範囲が限定されるので、増設、改修が容易になる。すなわち、延伸区間の区間換気制御部20の増設、および、隣接区間の区間換気制御部20の次区間部分と監視制御部10との見直しにより、増設に対応することができる。
図10に、第2実施形態に係るトンネル換気制御装置の一構成例を示す。図10に示す場合では、第1実施形態のトンネル換気制御装置の、各区間の区間換気制御部20を仮想的に実現し、複数の区間換気制御部20を備える換気制御装置と、監視制御をする監視制御装置10と、を備える。上記構成以外は、上述の第1実施形態と同様である。
図11に、第3実施形態に係るトンネル換気制御装置の一構成例を示す。図11に示す場合では、第1実施形態のトンネル換気装置の、各区間の区間換気制御部20と監視制御部10とを仮想的に実現して、1台の換気制御装置として構成する。上記構成以外は上述の第1実施形態と同様である。
図10に示すように区間換気制御部20を仮想的に実現した場合でも、上述の第1実施形態に係るトンネル換気制御装置と同様の効果を得ることができる。
また、図11に示すように区間換気制御部20および監視制御部10を仮想的に実現した場合でも、上述の第1実施形態に係るトンネル換気制御装置と同様の効果を得ることができる。
さらに、図10および図11に示すトンネル換気制御装置は、構成を小さくすることができるため、小規模な複合換気方式のトンネルへの適用が好適である。
上記第1乃至第3実施形態に係るトンネル換気制御装置によれば、換気方式が異なる複数区間を有する複合トンネルに対応して、簡易な構成のトンネル換気制御装置を実現することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Z1〜ZN…換気区間、10…監視制御部、監視制御装置、11…情報表示指示入力手段、12…換気計画手段、13…換気機運転積算手段、14…換気制御部通信手段、20…区間換気制御部、21…上位制御部通信手段、22…前区間制御部通信手段、23…次区間制御部通信手段、24…換気状態取得手段、25…制御指令出力手段、26…前区間評価手段、26A…換気評価手段、26B…悪化検出手段、26C…代替運転判定手段、26D…制御判定手段、26R…換気評価ルール、26V…悪化検出設定値、27…制御制約設定手段、27A…制御優先度判定手段、27B…制御制約決定手段、27V…制御目標設定値、28…制御演算手段、29…制御実施判定手段、29A…換気評価手段、29B…制御指令判定手段、29C…制御指令要求手段、31…送風機、32…排風機、集中排風機、33…集じん機、34…ジェットファン、31〜34…換気機、40…計測器、40A…上流側計測器、40B…下流側計測器、51…送気ダクト、52…排気ダクト、53…ダクト、100…トンネル換気制御装置。
Claims (5)
- 複数の区間のトンネル内空間それぞれを換気する換気機を制御する複数の区間換気制御部と、
前記複数の区間換気制御部を制御する監視制御部と、を備え、
前記区間換気制御部は、前記トンネルの交通流の上流区間の前記区間換気制御部と通信する前区間制御部通信手段と、前記トンネルの交通流の下流区間の前記区間換気制御部と通信する次区間制御部通信手段と、前記監視制御部と通信する上位制御部通信手段と、前記前区間制御部通信手段から前記上流区間の換気状態を取得して前記上流区間の換気評価を行い、換気評価を反映した制御要求を出力する前区間評価手段と、前記前区間評価手段から前記制御要求を受信して、前記制御要求を反映した制御指令要求を出力する制御実施判断手段と、換気対象区間の換気状態を取得して前記次区間制御部通信手段へ送信する換気状態取得手段と、を備えるトンネル換気制御装置。 - 前記前区間評価手段は、前記上流区間の換気状態から換気評価ルールに基づく前記上流区間の換気評価を出力するように構成された第1換気評価手段と、前記上流区間の時系列計測値を取得して前記上流区間の換気状態悪化を検出するように構成された悪化検出手段と、前記換気評価と前記悪化検出結果とから該当区間の制御要求を判定する制御判定手段と、を備える請求項1記載のトンネル換気制御装置。
- 前記上位制御部通信手段から制御計画と手動指示とを受信し、制御制約と目標値とを前記制御実施判定手段へ送信する制御制約設定手段をさらに備える請求項1記載のトンネル換気制御装置。
- 前記制御制約設定手段から出力された制御制約および目標値と、前記換気状態取得手段
から出力された換気状態と、を受信し、前記該当区間の換気機の制御要求を出力する制御演算手段をさらに備える請求項3記載のトンネル換気制御装置。 - 前記制御実施判定手段は、前記換気状態取得手段から出力された換気状態を用いて前記該当区間の換気評価を出力する第2換気評価手段と、前記前区間評価手段から出力された制御要求と前記制御演算手段から出力された制御要求とから制御指令を演算する制御指令判定手段と、前記制御指令と前記第2換気評価手段から出力された換気評価、前記制御制約設定手段から受信した制御制約と、から制御指令要求を出力する制御指令要求手段と、を備える請求項4記載のトンネル換気制御装置。
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-
2010
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20131203 |