JP2014148877A - トンネル換気制御装置およびトンネル換気制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】道路トンネルにおける汚染物質の「持出し」の制御を実施する際、電力コストや換気設備の劣化を低減させることができるトンネル換気制御装置およびトンネル換気制御方法を提供する。
【解決手段】次の制御周期における交通量を予測する交通量予測手段と、次の制御周期における交通量から、次の制御周期における、トンネル出口坑口部からの汚染物質の流出量予測値を算出する流出量予測値算出手段と、汚染物質の流出量予測値が所定の制限量以下となるよう、トンネル出口坑口部用の換気設備の、次の制御周期におけるベース運転風量を決定する風量決定手段と、次の制御周期で、風量決定手段により決定された風量となるよう、換気設備を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、トンネル換気制御装置およびトンネル換気制御方法に関する。

従来より、道路トンネル（以下、トンネルと記す）において、車両の走行により発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）といった汚染物質は、トンネル内に設置された脱硝機能付排風機などによりトンネル本坑より除去が図られる。このようにして汚染物質の除去を行っても、一部の汚染物質は、トンネル出口坑口よりトンネル坑外へ流出することになる。このような一部の汚染物質のトンネル出口坑口からトンネル坑外への流出を、以下では「持出し」と表現することとする。

トンネルが都市部や住宅地に位置する場合、その出口坑口よりトンネル坑外へ汚染物質が排出されないように、従来は、トンネル出口坑口付近に集中排風機を設置し、常時運転させることで、汚染物質の「持出し」を抑制してきた。

特開２０１２−２１２８４号公報

しかしながら、従来のように、トンネル出口坑口付近に設けられた集中排風機を常時運転することで汚染物質の「持出し」の制御を実施すると、換気設備が常時運転となることで、その電力コストや換気設備の劣化促進が問題となっていた。

本発明が解決しようとする課題は、道路トンネルにおける汚染物質の「持出し」の制御を実施する際、電力コストや換気設備の劣化を低減させることができるトンネル換気制御装置およびトンネル換気制御方法を提供することである。

実施形態のトンネル換気制御装置は、次の制御周期における交通量を予測する交通量予測手段と、次の制御周期における交通量から、次の制御周期における、トンネル出口坑口部からの汚染物質の流出量予測値を算出する流出量予測値算出手段と、汚染物質の流出量予測値が所定の制限量以下となるよう、トンネル出口坑口部用の換気設備の、次の制御周期におけるベース運転風量を決定する風量決定手段と、次の制御周期で、風量決定手段により決定された風量となるよう、換気設備を制御する制御手段と、を備える。

図１は、トンネル出口坑口付近の、自動車排気ガスに含まれる汚染物質を含んだ空気の流れを示す図である。 図２は、一実施形態のトンネル換気制御装置を含むトンネル換気制御システムの構成を示すブロック図である。 図３は、同実施形態のトンネル換気制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、同実施形態における換気設備制御処理部の構成を示すブロック図である。 図５は、同実施形態における汚染物質持出し量制御における処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、同実施形態における汚染物質持出し量制御における処理の流れを示すフローチャートである。 図７は、経過時間に対する各種持出し量等の関係を示した図である。

（概説）
図１は、トンネル出口坑口付近の、自動車排気ガスに含まれる汚染物質を含んだ空気の流れを示している。同図に示すように、トンネル出口坑口に向って流動した空気は、そのままではトンネル坑外に排出されてしまうので、本実施形態においても、トンネル出口坑口付近に設けた換気設備である集中排風機により汚染物質の排出を抑えるように制御をする。

しかし、従来のように換気設備を常時運転することで汚染物質の「持出し」を抑えると、その電力コストや換気設備の劣化促進が問題となるので、本実施形態では、汚染物質の「持出し」の許容値を設定し、その許容値内においては汚染物質の持出しを許可することで、上記問題の改善を図る。以下に、その実施形態の詳細について説明する。

（実施形態の詳細）
まず、一実施形態のトンネル換気制御装置を含むトンネル換気制御システムの構成について説明する。図２は、その構成を示すブロック図である。

本実施形態では、図２に示すトンネル換気制御装置１が、トラフィックカウンタ３、風向風速計４、およびその他の計測器５からそれらの計測値を取得し、汚染物質の持出し量（流出量）を予測して、トンネル出口坑口付近に設けられた換気設備（集中排風機）２に対し必要な風量を制御する。なお、その他の計測器５としては、煤煙濃度を検出するセンサーやＣＯ濃度を検出するセンサーなど、汚染物質を検出するセンサーが挙げられる。

次に、図３にトンネル換気制御装置１の構成を示す。
トンネル換気制御装置１は、計測値取得部１０１、１日あたりの持出し許容量設定部１０２、制御周期あたりの持出し許容量算出部１０３、交通量予測部１０４、汚染物質持出し予測値算出部１０５、ベース運転風量決定部１０６、および換気設備制御処理部２００を備える。

計測値取得部１０１は、図１に示したトラフィックカウンタ３、風向風速計４、およびその他の計測器５からそれらの計測値を取得する。

１日あたりの持出し許容量設定部１０２は、ユーザにより入力された１日あたりの持出し許容量を設定する。

制御周期あたりの持出し許容量算出部１０３は、１日あたりの持出し許容量から、制御周期（例えば１時間）あたりの持出し許容量を算出する。なお、以下では、トンネル換気制御装置１の制御周期を１時間として説明することとするが、これに限るものではない。

交通量予測部１０４は、次制御周期におけるトンネル内車両の交通量を予測する。

汚染物質持出し予測値算出部１０５は、次制御周期における汚染物質持出し予測値を算出する。

ベース運転風量決定部１０６は、次制御周期における集中排風機２の運転風量（ベース運転風量と称す）を決定する。

換気設備制御処理部２００は、図４に示す持出し量算出値算出部２０１、現在持出し量算出部２０２、予測持出し量算出部２０３、目標現在持出し量算出部２０４、持出し超過判定部２０５、および換気設備出力制御部２０６を備える。これら各部の機能は、以下の通りである。

持出し量算出値算出部２０１は、計測値取得部１０１により取得した計測値から、持出し制御周期（集中排風機２の出力を制御する周期）における持出し量（以下、持出し量算出値と記す）を算出する。

現在持出し量算出部２０２は、前時間持出し量調整値（後述）を初期値として、制御周期の最初から現時点までの持出し量算出値を積算して得られる現在持出し量を算出する。

予測持出し量算出部２０３は、現制御周期の最終時点における持出し量予測値（流出量予測値）である予測持出し量を算出する。

目標現在持出し量算出部２０４は、現制御周期内について、１時間あたりの持出し許容量を、現在経過時間（分）に対応させて表わした目標現在持出し量を算出する。

持出し超過判定部２０５は、予測持出し量算出部２０３で算出される予測持出し量が制御周期あたりの持出し許容量を超えるか否か、または、現在持出し量算出部２０２で算出される現在持出し量が現時点における目標現在持出し量を超えるか否か判定する。

換気設備出力制御部２０６は、持出し超過判定部２０５による判定結果に応じて、集中排風機２の出力（風量）を制御する（詳細は後述）。また、次の制御周期の開始時には、換気設備出力制御部２０６は、ベース運転風量決定部１０６により決定されたベース運転風量となるよう集中排風機２を制御する。

なお、トンネル換気制御装置１は、一般的なコンピュータを利用して実施することができる。

次に、本実施形態における汚染物質持出し量制御の具体例について、図５〜７を参照し説明する。図５および６は、本実施形態における汚染物質持出し量制御における処理の流れを示すフローチャートである。また、図７は、経過時間に対する各種持出し量等の関係を示した図である。

はじめに、１日当たりの持出し許容量設定部１０２が、ユーザ（管理者）により入力された１日あたりの持出し許容量Ａを設定する（ステップＳ１０１）。なお、この１日あたりの持出し許容量Ａは、ユーザにより変更可能である。

次に、制御周期あたりの持出し許容量算出部１０３が、１日あたりの持出し許容量Ａから、制御周期あたり、ここでは１時間あたりの持出し許容量ａ（ａ＝Ａ／２４）を算出する（ステップＳ１０２）。複数のトンネル出口坑口に対して換気制御を行う場合は、１時間あたりの持出し許容量ａを、各トンネル出口坑口に固定的に配分させるようにする。なお、１時間あたりの持出し許容量ａは、前日までのトンネル出口坑口における交通量変動パターンから毎日変動させてもよい。

次に、交通量予測部１０４により、次制御周期である次の１時間におけるトンネル内車両の交通量を予測する（ステップＳ１０３）。このトンネル内車両交通量の予測は、過去の実績交通量およびトラフィックカウンタ３等による今回制御周期における交通量計測値（実測値）に基づき、次回制御周期以降の交通量を予測する従来の手法を用いることができる。

そして、汚染物質持出し予測値算出部１０５が、交通量予測部１０４により予測された次の１時間におけるトンネル内車両の交通量と、トンネル内車両交通量に応じた汚染物質持出し量（経験値等）から、次の１時間における汚染物質持出し予測値Ｂを算出する（ステップＳ１０４）。

次いで、ベース運転風量決定部１０６が、次制御周期である次の１時間における汚染物質持出し予測値Ｂと１時間あたりの持出し許容量ａとの比較から、次の１時間における汚染物質の持出し量Ｂが１時間あたりの持出し許容量ａ以下となるように（すなわち、少なくとも汚染物質持出し予測値Ｂと１時間あたりの持出し許容量ａとの差分に相当する汚染物質が集中排風機２側から排出されるように）、次の１時間の集中排風機２の運転風量Ｄ（ここではベース運転風量Ｄと称す）を決定する（ステップＳ１０５）。次の制御周期の開始時には、換気設備出力制御部２０６が、決定されたベース運転風量となるよう集中排風機２を制御する。このベース運転風量Ｄは、交通量予測部１０４により予測される次の１時間におけるトンネル内車両の交通量が少なければ小さくなり、集中排風機２を常時一定に運転する場合よりも、電力コストを低減させることができ、また集中排風機２の劣化を抑えることができる。

次いで、現制御周期における制御処理（ステップＳ２００）として、図６のフローチャートに示す処理を実施する。
まず、持出し量算出値算出部２０１が、集中排風機２に対する制御周期である持出し制御周期Δｔ（例えば５分）ごとに、交通量計測設備実測値（例えば、トラフィックカウンタ３での実測値）、集中排風機実測値（風量）、風向風速計実測値から、現持出し制御周期Δｔにおける持出し量算出値Δｑを求める（ステップＳ２０１）。具体的には、例えば、交通量計測設備実測値から、車両から排出される汚染物質の量（推定値）を求め、風向風速計実測値からトンネル坑外への風量を求め、この風量と集中排風機実測値（風量）の割合と、車両から排出される汚染物質の量（推定値）とから、現持出し制御周期Δｔにおける持出し量算出値Δｑを求める（風向がトンネル坑内に向っている場合、現持出し制御周期Δｔにおける持出し量算出値Δｑ＝０）。

さらに、現在持出し量算出部２０２が、現制御周期での過去の各持出し制御周期Δｔにおける持出し量算出値Δｑを積算していき、現在経過時間（現時点）における現在持出し量Ｅを算出する（ステップＳ２０２）。

なお、現在経過時間（現時点）における現在持出し量Ｅを算出する際、前時間持出し量調整値Ｃを下記式にて算出し、現在の時間帯（制御周期）の初期値として採用する。なお、ＡＭ０時になった時点で前時間持出し量調整値は０にリセットする。

前時間持出し量調整値Ｃ＝前時間最終持出し量−１時間あたりの持出し許容量ａ

上式では、前時間持出し量調整値が０以上であれば、汚染物質の持出しが目標オーバーであったことを意味し、０未満であれば汚染物質の持出しに余裕があることを意味する。

次いで、予測持出し量算出部２０３が、現制御周期の最終時点における持出し量予測値である予測持出し量ｂを、現在持出し量Ｅおよび過去Δｔ時間における持出し量変化分である現持出し制御周期Δｔにおける持出し量算出値Δｑおよび残り時間より算出する（下式）（ステップＳ２０３）。

また、目標現在持出し量算出部２０４が、１時間あたりの持出し許容量ａを、現在経過時間（分）に対応させて表わした目標現在持出し量Ｆ（下式）を算出し、該当時間におけるガイドラインとして定める（ステップＳ２０４）。

そして、持出し超過判定部２０５が、１分ごとに下記の条件（１）または（２）が成立しているか判定を行い（ステップＳ２０５）、いずれかの条件が成立した場合には、換気設備出力制御部２０６が、集中排風機２への制御出力を設定量だけ増加させる。これにより、集中排風機２の運転風量はその時点の運転風量（各制御周期における最初の運転風量はベース運転風量）から一定量増加する（ステップＳ２０６）。条件成立時に集中排風機２が停止している場合は、集中排風機２を最小風量で立ち上げる。一方、下記の条件がいずれも成立しなくなった場合には、換気設備出力制御部２０６は、制御出力を設定量だけ下げる（ステップＳ２０７）。

（１） 現在持出し量Ｅ ＞ 目標現在持出し量Ｆ
（２） 予測持出し量ｂ ＞ １時間あたりの持出し許容量ａ（ただし本判定はΔｔ時間経過後に有効とする）

そして、現制御周期が終了していれば（ステップＳ２０８でＹｅｓ）、現制御周期における制御処理（ステップＳ２００）を終了し、そうでなければ（ステップＳ２０８でＮｏ）、次の持出し制御周期Δｔについて、ステップＳ２０１に戻って以降の処理を実施する。

以上のように制御することにより、従来に比べ、換気設備（集中排風機）２にかかる電力コストやその劣化を低減させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、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。また、上記新規な実施形態は、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。また、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。

１ トンネル換気制御装置
２ 換気設備（集中排風機）
３ トラフィックカウンタ
４ 風向風速計
５ その他計測器
１０１ 計測値取得部
１０２ １日あたりの持出し許容量設定部
１０３ 制御周期あたりの持出し許容量算出部
１０４ 交通量予測部
１０５ 汚染物質持出し予測値算出部
１０６ ベース運転風量決定部
２００ 換気設備制御処理部
２０１ 持出し量算出値算出部
２０２ 現在持出し量算出部
２０３ 予測持出し量算出部
２０４ 目標現在持出し量算出部
２０５ 持出し超過判定部
２０６ 換気設備出力制御部

Claims (5)

1. 次の制御周期における交通量を予測する交通量予測手段と、
   前記次の制御周期における交通量から、次の制御周期における、トンネル出口坑口部からの汚染物質の流出量予測値を算出する流出量予測値算出手段と、
   前記汚染物質の流出量予測値が所定の制限量以下となるよう、前記トンネル出口坑口部用の換気設備の、次の制御周期におけるベース運転風量を決定する風量決定手段と、
   次の制御周期で、前記風量決定手段により決定されたベース運転風量となるよう、前記換気設備を制御する制御手段と、
   を備えるトンネル換気制御装置。
2. 現時点での汚染物質の流出量を算出する現在流出量算出手段と、
   算出された前記現時点での汚染物質の流出量が、現時点で目標とする制限量を超過するか判定する超過判定手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記超過判定手段により、算出された前記現時点での汚染物質の流出量が、現時点で目標とする制限量を超過すると判定された場合、前記換気設備の風量を設定量だけ増加させる、請求項１に記載のトンネル換気制御装置。
3. 現時点での汚染物質の流出量実測値の傾向から前記次の制御周期までの汚染物質の予測流出量を算出する予測流出量算出部を備え、
   前記超過判定手段は、前記予測流出量算出部により算出された前記汚染物質の予測流出量が、前記所定の制限量を超過するか判定し、
   前記制御手段は、前記超過判定手段により、次の制御周期までに前記汚染物質の予測流出量が前記所定の制限量を超過すると判定された場合、前記換気設備の風量を設定量だけ増加させる、請求項２に記載のトンネル換気制御装置。
4. 前記制御手段は、前記超過判定手段により、前記現時点での汚染物質の流出量が、現時点で目標とする制限量を超過せず、かつ、次の制御周期までに前記汚染物質の予測流出量が前記所定の制限量を超過しないと判定された場合、前記換気設備の風量を設定量だけ低減させる、請求項３に記載のトンネル換気制御装置。
5. 交通量予測手段と、流出量予測値算出手段と、風量決定手段と、制御手段と、を備えるトンネル換気制御装置におけるトンネル換気制御方法であって、
   前記交通量予測手段が、次の制御周期における交通量を予測し、
   前記流出量予測値算出手段が、前記次の制御周期における交通量から、次の制御周期における、トンネル出口坑口部からの汚染物質の流出量予測値を算出し、
   前記風量決定手段が、前記汚染物質の流出量予測値が所定の制限量以下となるよう、前記トンネル出口坑口部用の換気設備の、次の制御周期におけるベース運転風量を決定し、
   前記制御手段が、次の制御周期で、前記風量決定手段により決定された風量となるよう前記換気設備を制御する、
   トンネル換気制御方法。

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