JP4199133B2 - 道路トンネルの換気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、汚染ガス濃度及び煙霧透過率を検出し、これらが所定の値以下になるように制御を行う道路トンネルの換気制御装置に関するものである。

一般に、道路トンネル内には、車両からの排気ガスを換気するために、トンネルの延在方向に空気の流れを強制的に形成する換気機器が設けられている。この換気機器、例えば、ジェットファンは、トンネルの天井部分から垂下して配設されている。そして、このファンを運転することによって、トンネルの一方の出入口からトンネル内部に空気を流入させ、他方の出入口からにトンネル外部に空気を排出させて、トンネル内に換気流を生じさせ、トンネル内に自動車の排出ガス等汚染ガスが滞留するのを防止している。

ここで、上記換気機器は、トンネルの全長距離が長い場合には、トンネルの延在方向に沿って直列に複数台設置される。また、トンネル内の道路の車線数が多い場合は、この車線毎に、複数台並列に設けられている。

そして、運転する換気機器の台数を多くするにしたがって、トンネル内の換気能力は増強される。一方、換気機器の運転に要する電力を抑制しつつ、効果的にトンネルを換気する必要がある。このために、トンネル内における一酸化炭素ガス等の汚染ガスの濃度を検出する汚染ガス濃度センサと、トンネル内の見通しの指標である煙霧透過率を検出する煙霧透過率センサとをトンネル内に設け、これらのセンサによって検出された汚染ガス濃度および煙霧透過率に応じて、運転する換気機器の台数や出力を決定することが行われている。

すなわち、汚染ガス濃度が高い場合や煙霧透過率が低い場合には、換気機器の運転台数を増やして、換気能力を高める。一方、汚染ガス濃度が低くかつ煙霧透過率が高い場合には、換気機器の運転台数を減らし、または全てを停止して、省電力を図っている。

従来の汚染ガスの指標としては、一酸化炭素にしか着目されてこなかったが、最近の環境意識の高まりもあり、窒素酸化物や硫黄酸化物濃度も注目されるようになることが予測される。また、汚染ガス濃度としては、トンネル壁面部ではなく、実際に車の走行する走行車線部でのガス濃度を測定することが望まれる。しかし、走行車線部にセンサを設置することは事実上不可能であり、遠隔測定の行える光学的な測定手法を用いることが有効であると考えられる。

光学的な空気汚染状態検出方法として、レーザ光を坑内の空間を横切って照射し、このレーザ光の減衰した光量により空気の汚れを検出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、レーザ光の減衰する光量により、単に空気の汚れ状態を検出しているだけであり、ガスによる汚れなのか粉塵による汚れなのかは特に問題にしていない。これは、この提案が対象としているトンネル工事現場のように多くの粉塵や各種のガスが立ち込める場合には有効ではある。しかし、完成後の道路トンネル内においては、走行車両からの排気ガスにより、長いトンネル内のどの部分のガス濃度が高いか、或いはどの部分の視界が低くなっているかを検出して該当部分の換気機器を制御しなければならない。このため、ガス濃度と煙霧透過率の双方を検出しなければならず、上述した単に空気の汚れ度合いを測定するだけでは適用困難である。

実際にはトンネル内で光学的な測定手法を用いてガス濃度を測定しようとする試みは行われていない。これは、煤煙の光学系への付着や結露など環境の劣悪な条件下で測定するために、定期的な検査及び洗浄、校正等の作業が発生し、煩雑となることが原因の一つであると考えられる。

なお、トンネル内では先に述べたように煙霧透過率を指標としてトンネル内の見通しを評価している。この煙霧透過率は、事実上光学的な手法でないと測定が困難であるため、検査及び洗浄、校正等の作業を行いながら、この煙霧透過率の測定を行っているのが現状である。
特開平４−７５００号公報

このように、従来の道路トンネルの換気制御装置では、トンネル壁面部に取り付けた汚染ガス濃度センサで、走行車両からの排気ガスに基づく汚染ガス濃度の検出していたため、車両が走行する車線上との値に差が生じ、制御精度の上で改善の余地があった。

本発明の目的は、車線上の汚染ガス濃度の検出が可能であり、より高精度で的確な換気制御を行うことができる道路トンネル内の換気制御装置を提供することにある。

本発明による道路トンネルの換気制御装置は、道路トンネル内の汚染ガス濃度検出手段と同トンネル内の煙霧透過率検出手段とを有し、これらの検出結果により、前記道路トンネル内に設けた換気機器の運転を制御する道路トンネルの換気制御装置であって、光源、及びこの光源から出射された光を所定の吸収長を経て受光し、その受光量に応じた信号を生じる検出器と、前記光源からの出射光の波長を、前記汚染ガスによる前記受光量の急峻な減衰が生じる吸収波長と、この汚染ガスによる吸収波長以外の波長との間で掃引しながら前記光源を駆動する駆動回路とを備え、前記汚染ガス濃度検出手段は、前記検出器で検出した受光量の、汚染ガスによる光の吸収波長での減衰度合いから、汚染ガス濃度を求め、前記煙霧透過率検出手段は、予め設定された基準光量と、汚染ガスによる光の吸収波長以外の波長での前記検出器が検出した受光量との差により煙霧透過率を求めることを特徴とする。

また、本発明による道路トンネルの換気制御装置では、汚染ガス濃度検出手段は、互いに発振周波数の異なる２つの光源からの２つの光の発振周波数の差を生じさせる変換部と、この変換部から出射された２つの光の差周波数光を所定の吸収長を経て受光しその受光量に応じた信号を生じる検出器とを有し、この検出器で検出した受光量の、前記汚染ガスによる光の吸収波長での減衰度合いから、汚染ガス濃度を求めるものでもよい。

さらに、本発明による道路トンネルの換気制御装置では、煙霧透過率検出手段は、互いに発振周波数の異なる２つの光源と、これら光源から出射された２つの光を所定の吸収長を経てそれぞれ受光しそれらの受光量に応じた信号を生じる検出器とを有し、それぞれ予め設定された基準光量と、前記検出器による各受光量との差に基づき煙霧透過率を求めるものでもよい。

これらの場合、上記２つの光源として、波長８００ｎｍから１１００ｎｍの赤色から近赤外線光源を用いるとよい。

本発明によれば、光学手法による汚染ガス濃度検出を道路トンネル内で適用することにより、走行車線上での汚染濃度を検出できるので、より高精度の換気制御を行うことができる。

以下、本発明による道路トンネルの換気制御装置の、一実施の形態について図面を用いて説明する。

図１において、１は検出用の光源で、駆動回路２で駆動され、所定波長の光を出射する。光源１から出射された光はレンズ３で平行光とされ、光学窓４を通して、トンネル内に光を伝播させる。トンネル内にはこの光を必要な吸収長を持たせて伝播させる吸収部５が設けられ、光学窓４を透過した後、レンズ３で検出器６上に集光される。検出器６では、受光した光の受光量に応じた電気信号を出力する。

７は煙霧透過率演算部（煙霧透過率検出手段）、８は一酸化炭素濃度演算部（汚染ガス濃度検出手段）で、これらは検出器６から出力された電気信号により、煙霧透過率及び汚染ガス濃度（以下、一酸化炭素濃度として説明する）の該当するものをそれぞれ演算する。なお、煙霧透過率とは、周知のように、可視光が透過する程度を示す光学的な指標値であり、煙霧透過率が低い程、すす等のＰＭ（黒煙・粒子状物質）によって空気の汚染程度が高い。

９はデータ収集部で、これら演算された煙霧透過率と一酸化炭素濃度のデータを収集し、それぞれが設定値以下となるように、駆動装置１０に対して換気機器（以下、ジェットファンとして説明する）１１の運転条件を指示する。駆動装置１０はジェットファン１１を駆動し、その換気風によりトンネル内の汚れた空気を排出し、外部から新鮮な空気を取り入れるために動作する。この動作により、トンネル内の煙霧透過率、及び一酸化炭素濃度は設定値以下となるように制御される。

ここで、汚染ガス濃度、煙霧透過率に対応した換気機器の運転条件とは、汚染ガス濃度が高い場合や煙霧透過率が低い場合には、換気機器の運転台数を増やして、換気能力を高める。一方、汚染ガス濃度が低い程、或いは、煙霧透過率が高い程、換気機器の運転出力が少なくなるように運転することを意味する。

このときの煙霧透過率演算部７及び一酸化炭素濃度演算部８による煙霧透過率と一酸化炭素濃度の求め方を、図２を用いて説明する。図２において、縦軸は検出器６での受光光量、横軸は光源１から出射される光の波長である。

測定に当っては、駆動回路２により光源１の波長を掃引しながら行う。まず、一酸化炭素やチリ、すす等のＰＭ（黒煙・粒子状物質）などを含まない純粋空気中での受光光量（基準光量）をＰ１とすると、実際には吸収部５での空気中のチリ、PM等によって光が減衰するので、検出器６で受光される光量はＰ２となる。更に、空気中に一酸化炭素が含まれる場合には、一酸化炭素の吸収波長において急峻な吸収が生じ、光量がＰ３迄減衰する。

よって、受光光量は、光源１の波長を掃引するに従って、実線で示した曲線のように変化する。このときに、一酸化炭素の吸収波長より十分離れたところではＰ２が測定できるわけであるから、このＰ２（実際の受光量）とＰ１（基準光量）との差より煙霧透過率を測定することが出来る。また、一酸化炭素の吸収波長での光量Ｐ３とＰ２の比から、一酸化炭素による吸収量が求まり、一酸化炭素濃度を求めることが出来る。

この場合、光源１の波長を同時に測定するまでもなく、光量が一番小さくなった点が一酸化炭素の吸収波長であるから、一酸化炭素濃度は受光器１の検出光量からのみで容易に測定を行うことが出来る。実際の測定においては、雑音などの影響を除去して精度の向上を図るため、得られた測定データから関数当てはめを行って曲線の形を正確に求めたり、複数回のサンプリングから平均化を行うなどの処理を行って測定をすすめていくこととなる。また、光源の波長を、常に一酸化炭素の吸収曲線を捕らえるように安定化させるため、この光量が最小になる点を測定しながら、光源に帰還を行い、光源の発振波長を安定化する。

このように光学的な方法で一酸化炭素濃度を測定し、道路トンネルの換気運転の制御を行うことによって、従来のトンネルの壁面部に設けられた一酸化炭素濃度計によって得られた一酸化炭素濃度を用いた方法に比較して、吸収部を実際の車の通行するトンネル内部に設けることが出来る。

したがって、トンネル内を走行する車に取り入れられる一酸化炭素濃度に、より近い値を測定することが可能となり、一酸化炭素濃度の測定精度を向上した道路トンネルの換気制御装置の実現が可能となる。このことは、道路トンネル内の状態が急変した場合、例えば、トンネル内の走行車の故障や火災、走行車両の急増等の場合に威力を発揮する。つまり、従来は、壁面での測定であったため、一酸化炭素濃度の発生源であるトンネル中央部から壁面までの拡散時間が遅れ時間となり、換気制御の遅れとして現れていた。

これに対し、この実施の形態のように、トンネル中央部付近の一酸化炭素濃度を測定することによって、この遅れ時間を解消し、道路トンネル内の走行車中の人間をより完璧に保護することが可能となる。

また、光学的な測定方法を用いたときの一番の問題である保守作業の繁雑さも、煙霧透過率測定装置と部品を共通化していることによって解消されている。つまり、光源１から煙霧透過率演算部７迄は、従来の煙霧透過率測定装置でも必要であった部品であり、一酸化炭素を光学的に測定するために、新たに必要となった光学素子は皆無である。このため、従来に比して保守作業を繁雑にすることなく、一酸化炭素濃度上昇による道路トンネル内の人々の安全をより確保した道路トンネルの換気装置が実現可能となる。

上記実施の形態では、換気機器として、ジェットファン１１を例示したが、これ以外の換気機器でも勿論構わない。

また、汚染ガスとして、一酸化炭素ガスを例示したが、窒素酸化物ガス、硫黄酸化物ガス等についても、それらの吸収波長での受光量の減衰を検出すれば、その減衰量からガス濃度を求めることができる。すなわち、車両から排出されるすべての汚染ガス濃度を検出できる。

このように構成された上記実施の形態によれば、汚染ガス濃度検出手段として、光学的な手法を用いることにより、遠隔測定を可能とし、実際に走行車線を走行する車の中に取り入れられるであろう領域のガス濃度を測定することが出来、より高精度の換気制御を行うことが可能となる。また、使用される光学的汚染ガス濃度検出手段の光源として、煙霧透過率検出手段と同一の光源を共用し、この同一の光源で同一の光路上に測定光を伝播させているので、使用する光学素子数を低減することが出来、検査及び洗浄、校正等の作業にかかる工数を著しく低減させることが可能となる。

次に、図３に示す実施の形態を説明する。駆動回路２からジェットファン１１までの各ブロックは、図１に記載した実施の形態と基本的に同じの機能であり、同一の番号を付し、説明を省略する。

図３の実施の形態では、図１の実施の形態に比べ、光源部分及び受光部分が構造を異にしている。すなわち、光源部分は、第１の光源１３及び第２の光源１４、波長変換部１５から構成されている。ここで第１の光源１３には、例えば、波長９８０ｎｍで発振する半導体レーザを用い、第２の光源１４には、例えば、波長８０７ｎｍで発振する半導体レーザを用いており、これらは駆動回路２，２によりそれぞれ駆動される。

波長変換部１５は、LiNbO3の結晶からなる光学素子で、第１の光源１３の光及び第２の光源１４の光から、この光源の差の周波数の光を発生させる。つまり、この場合には、下式のように、波長４．６μｍの光を発生させる。

上式において、λ：波長、Ｃ：光速である。

波長変換部出力光の周波数
＝ 第１の光源の発振周波数 − 第２の光源の発振周波数

この場合、第１の光源１３及び第２の光源１４の光が全て変換される訳ではないので、吸収部５には９８０ｎｍ、８０７ｎｍ、４．６ｎｍの３つの波長の光が送られることとなる。

受光部分は、波長分岐部１７、第１の検出器１８、第２の検出器１９、及び第３の検出器２０から構成されている。波長分岐部１７では、受光した光を、第１の光源１３からの波長９８０ｎｍの光、第２の光源１４からの波長８０７の光、波長４．６μｍの波長変換光（２つの光の差周波数光）の３つの光に分離し、それらの光を、第１の検出器１８、第２の検出器１９及び第３の検出器２０にそれぞれ伝播する。第１の検出器１８、第２の検出器１９及び第３の検出器２０は、波長９８０ｎｍの光、波長８０７の光、波長４．６μｍの波長変換光の、各受光量をそれぞれ電気信号に変換し、出力する。

煙霧透過率は、煙霧透過率演算部７により、第１の検出器１８の出力信号である波長９８０ｎｍの受光量、第２の検出器１９の波長８０７の受光量と、各基準光量との差から求められる。また、一酸化炭素濃度は、一酸化炭素濃度演算部８において、第３の検出器２０の出力信号である波長４．６μｍの波長変換光の吸収信号が用いられる。

すなわち、一酸化炭素を含め、汚染ガスの吸収帯は波長２〜５μｍの光であることから、第１の光源１３および第２の光源１４の波長を掃印して、波長変換光の波長を４．６μｍから変化させることにより、一酸化炭素を含む汚染ガスの吸収波長での光量の減衰が検出され、そのピーク値から、汚染ガスの濃度を求めることができる。

ここで、煙霧透過率の測定に可視から緊赤外の領域である波長９８０ｎｍ及び８０７ｎｍの光を用いることによって、人間の目で認識される透過率に近い値を得ることが出来る。また、２波長を用いた測定となっているため、例えば煙霧透過率減少の原因となっているすす等のＰＭ（黒煙・粒子状物質）のサイズを特定することが出来る。つまり、波長が長い程、より大きな粒子に対しても散乱されにくくなるため、煙霧透過率が減少しにくい。このため、この２つの信号から、人間の視感度に対応した補正を行って煙霧透過率を測定し、制御に生かすことが出来る。

すなわち、煙霧透過率は、光の透過率を測定しているわけで、ＰＭが存在すると光がＰＭによって散乱され、結果として透過率が低くなる。この光の散乱の大きさは、当然、ＰＭの粒子径が大きいほど大きくなる。また、光の波長に対しても、依存性を持っており、同じ粒子径であっても、短波長の光ほど散乱されやすくなる。例えば、粒子径が波長以下になると、もはや殆ど散乱しなくなることが知られている。このことは、粒子径によって、光の透過率が異なることとなり、２つの波長の透過率差から、平均的なＰＭ粒子径を測定することが出来る。平均的な粒子径が測定できれば、波長に対する透過率の変化を計算することが出来るので、測定を行った波長での透過率と、トンネル内照明に用いられている光の波長での透過率の比を補正することによって、視感度に対応した信号を出力することが出来る。

また、一酸化炭素濃度の測定は波長４．６μｍの波長変換光の吸収信号を用いているが、この吸収測定にあたっても、波長９８０ｎｍと８０７ｎｍの信号を用いて、測定の精度向上を図ることが出来る。つまり、一酸化炭素濃度測定に於いても、すす等のＰＭ（黒煙・粒子状物質）を原因とした光量のばらつきが測定値の誤差となってしまうが、このばらつきを、波長９８０ｎｍと８０７ｎｍの信号を元にして補正して測定を行うことによって、測定の精度を向上することが出来る。

また、煙霧透過率の測定に、波長８０７ｎｍの赤色の光と９８０ｎｍの近赤外光を用いているが、波長８０７ｎｍの光は赤色ではあるが、人間の目はこの波長に対する感度が殆どなく、また、波長９８０ｎｍでは全く人間の目の感度がない。したがって、この波長帯（８００〜１１００ｎｍ）の光を用いれば、ＣＬＡＳＳ１程度のレーザ強度にする必要はあるが、走行車を横切るような光路を取った場合でも、運転者の邪魔になることはなく、都合がよい。走行車を横切るような光路を取らない場合に於いても、このことは散乱光が運転者の視界を邪魔することを防止し、都合がよい。

このように、図３の実施の形態では、光学的汚染ガス濃度検出手段の光源として、複数の光源１３，１４の差の周波数による差周波光源を使用していることを特徴する。一般に汚染ガスの吸収帯が波長２〜５μｍ程度の中赤外線領域に存在しており、汚染ガス濃度検出手段の光源としては、この中赤外線領域の光が必要となる。これに対し、煙霧透過率の検出には、人間の認識できる可視域での煙霧透過率を測定する必要があり、可視域の光源を用いることが望ましい。

すなわち、図３の実施形態は、この異なる要求を共に満足させるためのもので、可視域近傍で発振するレーザと、更にもう一台のレーザを設け、この２つの光の発振周波数の差を生じさせる素子を用いてこの２つの光の差の周波数の光（差周波光）を得る。２つの光の発振周波数を適切に選択すると、汚染ガスの吸収帯である波長２〜５μｍの光を得ることができる。このように、２つのレーザが必要ではあるが、光学的汚染ガス濃度検出手段の光源と、煙霧透過率検出手段の光源を共用させることができ、すでに述べた共用による利点を享受することが可能となる。

また、煙霧透過率測定手段に複数の波長の光を用いたことから、煙霧透過率低下の原因となっている塵やＰＭの粒径を考慮して、より人間が視認する透過率に近づけた測定が可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

さらに、煙霧透過率測定手段に使用する光源として波長８００ｎｍ〜１１００ｎｍの赤色から近赤外線光源を使用したことによって、運転者の視覚を邪魔することなく、煙霧透過率の測定が可能となる。

本発明による道路トンネルの換気制御装置の一実施の形態を示すシステムブロック図である。 同上一実施の形態における煙霧透過率及び汚染ガス濃度の検出動作を説明する特性図である。 本発明による道路トンネルの換気制御装置の、別の実施の形態を示すシステムブロック図である。

符号の説明

１，１３，１４ 光源
５ 所定の吸収長を有する吸収部
６，１８，１９，２０ 検出部
７ 煙霧透過率検出手段
８ 汚染ガス濃度検出手段
１１ 換気機器

Claims (4)

1. 道路トンネル内の汚染ガス濃度検出手段と同トンネル内の煙霧透過率検出手段とを有し、これらの検出結果により、前記道路トンネル内に設けた換気機器の運転を制御する道路トンネルの換気制御装置であって、
   光源、及びこの光源から出射された光を所定の吸収長を経て受光し、その受光量に応じた信号を生じる検出器と、
   前記光源からの出射光の波長を、前記汚染ガスによる前記受光量の急峻な減衰が生じる吸収波長と、この汚染ガスによる吸収波長以外の波長との間で掃引しながら前記光源を駆動する駆動回路とを備え、
   前記汚染ガス濃度検出手段は、前記検出器で検出した受光量の、汚染ガスによる光の吸収波長での減衰度合いから、汚染ガス濃度を求め、
   前記煙霧透過率検出手段は、予め設定された基準光量と、汚染ガスによる光の吸収波長以外の波長での前記検出器が検出した受光量との差により煙霧透過率を求める
   ことを特徴とする道路トンネルの換気制御装置。
2. 道路トンネル内の汚染ガス濃度検出手段と同トンネル内の煙霧透過率検出手段とを有し、これらの検出結果により、前記道路トンネル内に設けた換気機器の運転を制御する道路トンネルの換気制御装置であって、
   前記汚染ガス濃度検出手段は、互いに発振周波数の異なる２つの光源からの２つの光の発振周波数の差を生じさせる変換部と、この変換部から出射された２つの光の差周波数光を所定の吸収長を経て受光しその受光量に応じた信号を生じる検出器とを有し、
   この検出器で検出した受光量の、前記汚染ガスによる光の吸収波長での減衰度合いから、汚染ガス濃度を求めることを特徴とする道路トンネルの換気制御装置。
3. 道路トンネル内の汚染ガス濃度検出手段と同トンネル内の煙霧透過率検出手段とを有し、これらの検出結果により、前記道路トンネル内に設けた換気機器の運転を制御する道路トンネルの換気制御装置であって、
   前記煙霧透過率検出手段は、互いに発振周波数の異なる２つの光源と、これら光源から出射された２つの光を所定の吸収長を経てそれぞれ受光しそれらの受光量に応じた信号を生じる検出器とを有し、
   それぞれ予め設定された基準光量と、前記検出器による各受光量との差に基づき煙霧透過を求めることを特徴とする道路トンネルの換気制御装置。
4. 光源として波長８００ｎｍから１１００ｎｍの赤色から近赤外線光源を用いたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の道路トンネルの換気制御装置。

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