JP5784530B2 - トンネル換気制御装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、トンネル換気制御装置に関する。

近年、都市部の高速道路においては地下空間を有効利用した地下長大トンネルの建設が進められている。このような地下長大トンネルにおいては、車両がトンネル内を走行する時間が長くなるため、中小サイズのトンネルに比べて、車両から発生する汚染物質の量が多くなる傾向がある。

このためトンネル内には、複数の換気機及び各換気機の動作を制御する複数の換気所が設置されており、これらを適切に制御する換気制御技術が重要になってきている。

例えば、トンネル内の所定の区間毎に、トンネルの構造に応じた換気シミュレーションを行い、この結果に基づいた換気制御を実行する換気制御技術がある。

また、トンネル内の所定の区間毎の空気の状態と交通量とに基づいて、当該区間内に設置された換気機の動作を制御する換気制御技術がある。

特許第３９２９７３４号公報 特許第４２６６１２４号公報

しかしながら、以上のような換気制御技術では、トンネル全体に設置された複数の換気機を連携させた換気制御を実行することができないという不都合がある。

本発明が解決しようとする課題は、トンネル全体に設置された複数の換気機を連携させた換気制御を実行し得るトンネル換気制御装置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、トンネル内に設けられた複数の換気機の動作を制御する複数の換気所と通信可能であり、かつ前記各換気所を介して前記各換気機の動作を制御する。

前記トンネル換気制御装置は、取得手段、第１算出手段及び送出手段を備えている。

前記取得手段は、前記トンネル内に設けられた複数のセンサにより計測される計測データと、前記各換気機の動作状況を示す動作データとを、前記各換気所を介して取得する。

前記第１算出手段は、前記取得された計測データ及び動作データに基づいて、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を確保するために、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する。前記第１算出手段は、前記各換気所が管理する区間を示す換気セクションで達成する必要がある汚染物質の濃度と、前記各換気機の動作を変更することにより変化する汚染物質の濃度との差分を最小化すると共に、前記各換気機の動作を変更することにより消費される電力の和を最小化するように、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する第２算出手段を含む。

前記送出手段は、前記各換気機の風量を、前記算出された風量に変更するための制御指示信号を前記各換気所に送出する。

第１の実施形態に係るトンネル換気制御装置を含む換気システムの構成例を示す模式図である。 同実施形態に係るトンネル換気制御装置の制御対象が設けられるトンネルの一例を示す模式図である。 同実施形態に係るトンネル換気制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るトンネル換気制御装置を含む換気システムの構成例を示す模式図である。

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係るトンネル換気制御装置を含む換気システムの構成例を示す模式図であり、図２は同実施形態に係るトンネル換気制御装置の制御対象が設けられるトンネルの一例を示す模式図である。換気システム１は、図１に示すように、トンネル内に設置された各種センサ２乃至５及び各種換気機６乃至９と、複数の換気所１０と、トンネル換気制御装置２０とを備えている。

各種センサ２乃至５としては、例えば、トラフィックカウンタ２、車道内風速計３、一酸化炭素濃度計４及び煙霧透過率計５等がある。トラフィックカウンタ２は、図２に示すように、トンネル坑口付近に設けられ、トンネル内を走行する車両の数及び当該車両の走行速度を計測するセンサである。また、車道内風速計３は、トンネル内の風向及び風速を計測するセンサである。また、一酸化炭素濃度計４は、車両から排出される排気ガスによるトンネル内の一酸化炭素濃度を計測するセンサである。更に、煙霧透過率計５は、トンネル内の視環境を表すＶＩ（Visibility Index）値を計測するセンサである。なお、各センサ２乃至５により計測された計測データは、一定時間毎に、各換気所１０にそれぞれ送出される。

各種換気機６乃至９としては、例えば、ジェットファン６、送排風機７、集中排風機８及び電気集塵機９等がある。ジェットファン６は、オン／オフを切り替えることにより、トンネル内の風向及び風速を調整する。また、送排風機７は、トンネル内の空気を循環させる（すなわち、トンネル内の空気を排出し、トンネル外の空気を取り入れる）ことにより、汚染物質濃度を低下させる。また、集中排風機８は、図２に示すように、トンネル坑口付近に設けられ、トンネル内の空気を循環させることにより汚染物質濃度を低下させると共に、トンネル坑口付近の風向をトンネル内の風向と逆にすることで、トンネル内において発生した汚染物質がトンネル外に流出することを防ぐものである。更に、電気集塵機９は、静電気を用いて、空気中の浮遊粒子状物質を除去する。なお、各換気機６乃至９の動作状況（例えば、風量や運転台数等）を示す動作データは、一定時間毎に、各換気所１０にそれぞれ送出される。

通常、各センサ及び各換気機は換気所１０毎に設けられ、図２に示すように、各センサ、各換気機及び１つの換気所を含む１つの区間を換気セクションと称する。

各換気所１０は、図１に示すように、第１データ入力部１１及び換気制御部１２を備えている。

第１データ入力部１１は、トンネル内の各センサ２乃至５から送出された計測データと、各換気機６乃至９から送出された動作データとの入力を受け付け、当該受け付けた計測データ及び動作データを換気制御部１２に送出する。

換気制御部１２は、第１データ入力部１１から送出された計測データ及び動作データを受信すると、当該受信した計測データ及び動作データを後述するトンネル換気制御装置２０に送出する。また、換気制御部１２は、トンネル換気制御装置２０から出力される制御指示信号を受信すると、当該受信した制御指示信号にしたがって、トンネル内の各換気機６乃至９の動作を制御（変更）する。

ここで、トンネル換気制御装置２０は、図１に示すように、データベース（以下、ＤＢと表記）２１、第２データ入力部２２、センターサーバ部２３、換気機最適制御部２４及び出力部２５を備えている。

ＤＢ２１は、後述するセンターサーバ部２３により読出／書込可能なデータベースであり、計測データ及び動作データを記憶している。

第２データ入力部２２は、各換気所１０から送出された計測データ及び動作データの入力を受け付け、当該受け付けた計測データ及び動作データをセンターサーバ部２３に送出する。

センターサーバ部２３は、第２データ入力部２２から送出された計測データ及び動作データを受信すると、当該受信した計測データ及び動作データをＤＢ２１に書込む。また、センターサーバ部２３は、当該受信した計測データ及び動作データを換気機最適制御部２４に送出する。

換気機最適制御部２４は、センターサーバ部２３から送出された計測データ及び動作データを受信すると、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を確保するように各換気機６乃至９の風量を決定（算出）する。なお、換気機最適制御部２４は各換気機６乃至９の風量を算出するとしたが、当該算出される風量がゼロを示す場合においては、この換気機の電源がオンからオフに変更されたことを示している（すなわち、風量の変更に伴う運転台数の変更を意味する）。

より詳細には、換気機最適制御部２４は、センターサーバ部２３から送出された計測データ及び動作データを受信すると、以下に示す（１）及び（２）式に基づいて、多目的最適化演算処理を実行し、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する。なお、決定変数（すなわち、風量）は、トンネル内の各換気機６乃至９について、それぞれ個別に設定される。

ここで、上記（１）式において、汚染物質濃度目標値とは、換気機最適制御部２４に予め設定された値であり、トンネル全体の環境保全や省エネ性を考慮した際に、各換気セクションにおいて達成する必要がある汚染物質濃度を示す。また、汚染物質濃度推定値とは、各換気機６乃至９の風量を変更することにより変化する汚染物質濃度を示す。更に、ｉは各換気セクションを識別するための識別番号を示す。

また上記（２）式において、換気機の総電力とは、各換気機６乃至９の風量を変更することにより消費される電力の和を示す。

なお、上記（１）及び（２）式による多目的最適化問題の解（決定変数）の算出方法としては、最適制御手法（例えば、遺伝的アルゴリズム）や試行錯誤的に決定変数を変更して目的関数を評価する手法等が適宜適用可能である。

また、換気機最適制御部２４は、各換気機６乃至９の風量を、当該算出した風量に変更するための制御指示信号を各換気所１０に送出するよう要求する要求信号を出力部２５に送出する。

なお、分岐線や合流線が接続された換気セクションでは交通量変動が発生する。これにより、換気不足や過剰換気が生じやすく、この換気セクション内に設けられた換気機への換気負荷が増加するという不都合がある。このため、換気機最適制御部２４は、各換気機６乃至９に対して重み係数を付加した上で、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出することも可能である。

出力部２５は、換気機最適制御部２４から送出された要求信号を受信すると、当該受信した要求信号にしたがって、各換気機６乃至９の風量を変更するための制御指示信号を各換気所１０内の換気制御部１２に出力する。

次に、以上のように構成されたトンネル換気制御装置２０の動作の一例について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

始めに、第２データ入力部２２は、各換気所１０内の換気制御部１２から送出された計測データ及び動作データの入力を受け付ける。その後、第２データ入力部２２は、当該受け付けた各データをセンターサーバ部２３に送出する（ステップＳ１）。

続いて、センターサーバ部２３は、第２データ入力部２２から送出された計測データ及び動作データを受信すると、当該受信した各データをＤＢ２１に書込んだ後に、当該各データを換気機最適制御部２４に送出する（ステップＳ２）。

次に、換気機最適制御部２４は、センターサーバ部２３から送出された計測データ及び動作データを受信すると、上記（１）及び（２）式に基づいて、多目的最適化演算処理を実行し、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する（ステップＳ３）。

続いて、換気機最適制御部２４は、各換気機６乃至９の風量を、ステップＳ３において算出した風量に変更するための制御指示信号を各換気所１０に出力するよう要求する要求信号を出力部２５に送出する（ステップＳ４）。

しかる後に、出力部２５は、換気機最適制御部２４から送出された要求信号を受信すると、当該受信した要求信号にしたがって、制御指示信号を各換気所１０内の換気制御部１２に出力し（ステップＳ５）、トンネル換気制御装置２０での動作を終了させる。

以上説明した第１の実施形態によれば、各換気所１０からの計測データ及び動作データと、上記（１）及び（２）式とに基づいて、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する換気機最適制御部２４と、換気機最適制御部２４により算出された風量に変更するための制御指示信号を各換気所１０に出力する出力部２５とを備えた構成により、一部の換気機が故障やメンテナンス等により利用できない場合においても、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を考慮した換気制御を実行することができる。

なお、本実施形態では、トンネル換気制御装置２０を一方通行のトンネルに対して適用する場合について説明したが、これに限定されず、トンネル換気制御装置２０は対面通行のトンネルに対しても適用可能である。

この場合、トンネル坑口付近に設けられたトラフィックカウンタ２を用いて、上り側及び下り側の交通量予測を行い、この予測結果（例えば、交通量に偏りがある等）に基づいて、例えばジェットファン６の風向を変更したり、送排風機７の送風量と排風量とをアンバランスとなるよう変更することで、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を考慮した換気制御を実行することができる。

以下に、第１の実施形態の変形例について説明する。

（第１の変形例）
ここでは、隣接する換気セクションから流入する汚染物質の流入量（以下、汚染物質流入量と表記）と、当該換気セクションにおいて車両から発生する汚染物質の発生量（以下、汚染物質発生量と表記）とを更に考慮した換気機最適制御部２４の機能について説明する。

なお以下では、図２に示す第２換気セクションへの汚染物質流入量と、第２換気セクションにおいて発生する汚染物質発生量とを算出する場合について説明する。

換気機最適制御部２４は、センターサーバ部２３を介して、ＤＢ２１に記憶された第１及び第２換気セクションの計測データと動作データとを取得する。また、換気機最適制御部２４は、以下に示す（３）式に基づいて、第２換気セクションへの汚染物質流入量を算出する。

汚染物質流入量＝（１つ前の換気セクションの汚染物質量−１つ前の換気セクションの汚染物質排出量）×現在の換気セクションの車道内風速 …（３）
この場合、上記（３）式において、１つ前の換気セクションの汚染物質量とは、換気機最適制御部２４により取得された第１換気セクションの計測データのうち、一酸化炭素濃度計４により計測された計測データ（すなわち、第１換気セクションの一酸化炭素濃度）を示す。また、現在の換気セクションの車道内風速とは、換気機最適制御部２４により取得された第２換気セクションの計測データのうち、車道内風速計３により計測された計測データ（すなわち、第２換気セクションの風向及び風速）を示す。更に、１つ前の換気セクションの汚染物質排出量とは、以下に示す（４）式に基づいて算出される値であり、第１換気セクションに設けられた送排風機７によりトンネル外に排出された汚染物質量を示す。なお、ここでは汚染物質排出量とは、送排風機７によりトンネル外に排出された汚染物質量を示すとしたが、例えば、第３換気セクションでは、集中排風機８によりトンネル外に排出された汚染物質量を示すものとする。

汚染物質排出量＝（１つ前の換気セクションの各換気機の風量の和／１つ前の換気セクションの体積）×１つ前の換気セクションの汚染物質量 …（４）
ここで、上記（４）式において、１つ前の換気セクションの各換気機の風量の和とは、換気機最適制御部２４により取得された第１換気セクションの動作データにより示される各換気機６，７の風量の和を示す。また、１つ前の換気セクションの体積とは、換気機最適制御部２４に予め設定された第１換気セクションの体積（すなわち、トンネルの断面積×第１換気セクションの距離）を示す。

なお、現在時刻以降の汚染物質量、汚染物質排出量及び車道内風速は、例えば、カルマンフィルタやニューラルネットワーク等の推定手法を適用することにより算出することができる。これにより、換気機最適制御部２４は、現在時刻以降の汚染物質流入量も算出することが可能となる。

また、換気機最適制御部２４は、以下に示す（５）式に基づいて、第２換気セクションにおける汚染物質発生量を算出する。

汚染物質発生量＝（１／トンネルの断面積）×空気密度×（汚染物質発生量パラメータ×走行速度／１０００） …（５）
なお、上記（５）式において、汚染物質発生量パラメータとは、換気機最適制御部２４に予め設定されたパラメータであり、汚染物質が発生する度合いに応じて付与されるものである。例えば、トンネル内の混み具合を通常時、混雑時、渋滞時に分類した場合、換気機最適制御部２４は、渋滞時には通常時の２倍の値を汚染物質発生量パラメータとして付与し、混雑時には通常時の１．５倍の値を汚染物質発生量パラメータとして付与する。これにより、各換気機６乃至９による換気不足や過剰換気を防止することができる。なお、トンネル内の混み具合は、トラフィックカウンタ２や監視カメラ（図示せず）等を用いることで判別可能である。

ここでは、換気機最適制御部２４がトンネルの混み具合に応じて汚染物質発生量パラメータを付与する場合について説明したが、これに限定されず、例えば、動力源の違いや燃料の違いに応じて、汚染物質発生量パラメータを付与することも可能である。

また、現在時刻以降の汚染物質発生量パラメータ及び走行速度は、例えば、カルマンフィルタやニューラルネットワーク等の推定手法、類似日検索による推定手法及び人間による推定等を適用することにより算出することができる。これにより、換気機最適制御部２４は、現在時刻以降の汚染物質発生量も算出することが可能となる。

換気機最適制御部２４は、上記（３）乃至（５）式に基づいて算出した汚染物質流入量と汚染物質発生量とに基づいて、トンネル全体の環境保全を確保するために現在時刻以降にトンネル外に排出する必要がある汚染物質量を算出する。また、換気機最適制御部２４は、当該算出した汚染物質量に基づいて、第２換気セクション内に設けられた送排風機７により必要とされる風量を算出する。更に、換気機最適制御部２４は、当該算出した風量を用いて、上記（１）及び（２）式に基づいて算出した各換気機６乃至９により必要とされる風量を補正する。

このように、汚染物質流入量と汚染物質発生量とを更に考慮した上で、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する換気機最適制御部２４を備えたことにより、トンネル全体の汚染物質濃度をより適正に保つことができる。

（第２の変形例）
ここでは、各換気機の風量を変更した際に生じる効果待ち時間を更に考慮した換気機最適制御部２４の機能について説明する。なお、効果待ち時間とは、各換気機６乃至９の風量を変更した際に、各換気セクションの汚染物質濃度が定常状態に落ち着くまでに要する時間のことである。

換気機最適制御部２４は、センターサーバ部２３を介して、ＤＢ２１に記憶された所定の時刻から現在時刻までの計測データを取得する。また、換気機最適制御部２４は、当該取得した計測データと、カルマンフィルタやニューラルネットワーク等の推定手法とに基づいて、効果待ち時間の間に発生する汚染物質量を推定（算出）する。また、換気機最適制御部２４は、当該算出した汚染物質量に基づいて、当該汚染物質量の汚染物質を換気するために各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する。更に、換気機最適制御部２４は、当該算出した風量を用いて、上記（１）及び（２）式に基づいて算出した各換気機６乃至９により必要とされる風量を補正する。

このように、効果待ち時間を更に考慮した上で、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する換気機最適制御部２４を備えた構成により、トンネル全体の汚染物質濃度をより適正に保つことができる。

［第２の実施形態］
図４は第２の実施形態に係るトンネル換気制御装置を含む換気システムの構成例を示す模式図であり、図１に示した構成とは異なり、トンネル換気制御装置２０が通信部２６を更に備えた構成となっている。

以下の説明中では、前述した第１の実施形態とは異なる機能についてのみ説明する。

センターサーバ部２３は、第２データ入力部２２から送出された計測データ及び動作データを受信すると、通信部２６を介して、当該受信した計測データ及び動作データを各換気所１０に送出する（フィードバックする）。

通信部２６は、各換気所１０とトンネル換気制御装置２０内のセンターサーバ部２３との双方向通信を可能にするものである。

以上説明した第２の実施形態によれば、各換気所１０とトンネル換気制御装置２０内のセンターサーバ部２３との双方向通信を可能とする通信部２６を更に備えた構成により、各換気所１０同士で計測データ及び動作データを共有することができる。これにより、例えば緊急時に、各換気機６乃至９がどのように動作しているかを換気所単位で把握することが可能となり、トンネル換気制御装置２０から出力される制御指示信号を待たずとも、各換気所において、適切な換気制御を実行することができる。

例えば、急な換気機の同時起動制限がなされた場合に、どの換気機を起動させるかを換気所単位で決定することが可能となる。また、トンネル内の上流側と下流側との汚染物質濃度に偏りがある場合に、どの換気機の風量を上げれば汚染物質濃度の偏りを解消できるかを換気所単位で決定することが可能となる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、多目的最適化演算処理を実行し、各換気機６乃至９により必要とされる風量を算出する換気機最適制御部２４と、換気機最適制御部２４により算出された風量に変更するための制御指示信号を各換気所１０に出力する出力部２５とを備えた構成により、トンネル全体に設置された複数の換気機６乃至９を連携させた換気制御を実行することができる。

なお、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。

１…換気システム、２…トラフィックカウンタ、３…車道内風速計、４…一酸化炭素濃度計、５…煙霧透過率計、６…ジェットファン、７…送排風機、８…集中排風機、９…電気集塵機、１０…換気所、１１…第１データ入力部、１２…換気制御部、２０…トンネル換気制御装置、２１…データベース、２２…第２データ入力部、２３…センターサーバ部、２４…換気機最適制御部、２５…出力部、２６…通信部。

Claims (4)

1. トンネル内に設けられた複数の換気機の動作を制御する複数の換気所と通信可能であり、かつ前記各換気所を介して前記各換気機の動作を制御するトンネル換気制御装置であって、
   前記トンネル内に設けられた複数のセンサにより計測される計測データと、前記各換気機の動作状況を示す動作データとを、前記各換気所を介して取得する取得手段と、
   前記取得された計測データ及び動作データに基づいて、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を確保するために、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する第１算出手段と、
   前記各換気機の風量を、前記算出された風量に変更するための制御指示信号を前記各換気所に送出する送出手段と
   を備え、
   前記第１算出手段は、
   前記各換気所が管理する区間を示す換気セクションで達成する必要がある汚染物質の濃度と、前記各換気機の動作を変更することにより変化する汚染物質の濃度との差分を最小化すると共に、前記各換気機の動作を変更することにより消費される電力の和を最小化するように、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する第２算出手段を含むトンネル換気制御装置。
2. 請求項１に記載のトンネル換気制御装置において、
   前記取得された計測データに基づいて、一方の換気セクションから他方の換気セクションに流入する汚染物質の量を示す汚染物質流入量と、前記他方の換気セクション内で発生する汚染物質の量を示す汚染物質発生量とを算出する第３算出手段と、
   前記算出された汚染物質流入量と前記算出された汚染物質発生量とに基づいて、トンネル外に排出する必要がある汚染物質の量を算出する第４算出手段と、
   前記第４算出手段により算出された汚染物質の量に基づいて、前記他方の換気セクションに設けられた換気機により必要とされる風量を算出する第５算出手段と、
   前記第５算出手段により算出された風量を用いて、前記第２算出手段により算出された風量を補正する第１補正手段と
   を備えたトンネル換気制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のトンネル換気制御装置において、
   前記各換気機の風量を変更した際に、前記各換気セクションの汚染物質濃度が定常状態に落ち着くまでに要する時間を示す効果待ち時間に発生する汚染物質の量を、前記取得された計測データに基づいて算出する第６算出手段と、
   前記第６算出手段により算出された汚染物質の量に基づいて、当該汚染物質を換気するために必要とされる風量を算出する第７算出手段と、
   前記第７算出手段により算出された風量を用いて、前記第２算出手段により算出された風量を補正する第２補正手段と
   を備えたトンネル換気制御装置。
4. トンネル内に設けられた複数の換気機の動作を制御する複数の換気所と通信可能であり、かつ前記各換気所を介して前記各換気機の動作を制御するトンネル換気制御装置に適用する方法であって、
   前記トンネル内に設けられた複数のセンサにより計測される計測データと、前記各換気機の動作状況を示す動作データとを、前記各換気所を介して取得する処理と、
   前記取得された計測データ及び動作データに基づいて、トンネル全体の環境保全及び省エネ性を確保するために、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する処理と、
   前記各換気機の風量を、前記算出された風量に変更するための制御指示信号を前記各換気所に送出する処理と
   を備え、
   前記風量を算出する処理は、
   前記各換気所が管理する区間を示す換気セクションで達成する必要がある汚染物質の濃度と、前記各換気機の動作を変更することにより変化する汚染物質の濃度との差分を最小化すると共に、前記各換気機の動作を変更することにより消費される電力の和を最小化するように、前記トンネル内の換気機毎に必要とされる風量を算出する処理を含む方法。

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