JPH01235799A - 道路トンネルの換気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野〉 本発明は道路トンネルの換気制御装置に係り、特に電気
集塵機とジェットファンを運転換気機として有する道路
トンネルの換気制御装置に関する。

（従来の技術） 近年の高速道路網の整備に伴い、トンネル延長が３００
０ｍ以上にもなるような長大トンネルが相次いで建設さ
れている。

従来からトンネル延長の短いトンネルに対しては、交通
流と平行に換気風を流す横流換気方式（一方の坑口から
他方の坑口へ換気風を流す方式）が採用されてきたが、
最近では長大トンネルにおいても横流換気方式を採用す
ることが多くなってて来ている。この方式は、車道以外
に送気用と排気用のダクトを余分に必要とする横流換気
方式に比べて、建設費を大幅に削減できるという利点が
ある。一方、上流側の汚染物質が下流側に移流拡散する
分布定数系のプロセスとなるため、換気制御が横流換気
方式の場合より難しくなる。

道路ｌ−ンネルの換気制御では、煤煙濃度とＣＯ濃度を
一定値以下に制御するのが一般的であり、横流換気方式
の長大トンネルでは煤煙を除去するために電気集塵機を
設置することが多い。

第１０図は横流換気方式トンネルに対して従来の換気制
御で試みられて来たフィードバック制御の構成例を示し
ている。

この図において、トンネル１には、換気機として電気集
塵機２とジェットファン３（４台）が設置されている。

そして、電気集塵機２により煤煙が除去され、またジェ
ットファン３により車道風量が増減されて煤煙濃度とＣ
Ｏ濃度とがそれぞれ制御されている。

煤煙濃度は一般にＶＩ値［％］として検出される。Ｖ　
Ｉ　Ｉ、Ｉ！！は透過率を表す値で、１００［％］に近
いほど透過率が良く煤煙濃度は低いことを意味する。こ
のＶＩ値を検出するために、トンネル内にはＶＩ計４−
１と４−２が、またＣＯ濃度を検出するために一酸化炭
素濃度計（以下ＣＯ計と呼ぶ〉がそれぞれ設置されてい
る。この図のように西側坑口から東側坑口の方向に換気
が行われる場合、東側坑口近くで最も濃度が悪化すると
考えられるので、東側坑口近くには必ずＶＩ計とＣＯ計
が設置される。

ＶＩ計４−２の検出値を基に、ＶＩ計４−２設置地点の
ＶＩ値が設定された目標１直近くになるように電気集塵
＠２の処理風量を調整するために集Ｂ機風量制御部６が
設けられている。この制御にはＰＩＤ制御等が使われて
いる。

また、電気集塵＠２では制御できないＶＩ計４＝１設置
地点のＶＩ値とＣ○計５設置地点のＣＯ濃度を制御する
ためにジェットファン台数制御部７が設けられている。

このジェットファン台数制御部７はジェットファン３の
運転台数を操作するだけであるからあまり細かい制御は
できず、ＶＩ値またはＣｏＨ７Ｊ度がある設定された範
囲から外れた時にジェットファン運転台数を増減させる
程度である。

ところで、電気集塵機２からＶＩ計４−２までは一般に
数百ｍ以上離れているので、電気業ｍ機２の風量を操作
したことによるＶＩ値の変化がＶＩ計４−２で検出され
るまでは数分以上かかる。

煤煙は車道風速と同程度の速度で下流に移動すると考え
られるので、例えば８００　［ｍ］の距離があり車道風
速が４　［ｍ／ｓ　］の時には３分２０秒もかかってし
まう。従って集ｍｐ重量制御部６は応答がどうしても遅
くなってしまい、急激な濃度悪化には対応できない。

このようにむだ時間の大きい制御対象に対しては予測制
御が有効であり、従来より交通量予測を行って換気制御
卸を行う方法が試みられて来たが、濃度制御の精度、安
定性および省エネに対する要望を満足する手段は未だ見
出されていないのが現状である。

（発明が解決しようとする課頚） 従来の換気制御では、しばしば汚染濃度が許容値を越え
てしまったり、制御系が不安定でハンチングを起こすよ
うな問題があった。

また、濃度の変動幅が大きいために、濃度を許容値以下
に維持しようとすると、余裕を考えて余剰換気ぎみに換
気機を運転せざるをえず、必要以上に電力を消費すると
いう問題もあった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、
トンネル内の汚染濃度を許容値以下に安定に維持し、且
つ換気機で消費される電力を極力低く抑えることが可能
な道路トンネルの換気制御装置を提供することを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、交通Ｘ検出器
で検出された交通量データから長期の交通量を予測する
長期交通量予測手段と、前記交通量検出器で検出された
交通量データから短期の交通量を予測する短期交通量予
測手段と、前記長期交通１予測手段の予測値から運転換
気機の最適組合せを決定する換気機組合せ決定手段と、
前記短期交通量予測手段の予測値からトンネル内の汚染
発生量を算出する汚染発生量算出手段と、前記短期交通
量予測手段、汚染発生量算出手段および換気機組合せ決
定手段の各演算結果から前記運転換気機の総所要電力量
が最小となるように各運転換気機の基準風量を算出する
最適換気量配分手段と、トンネル内汚染濃度を検出して
この汚染濃度が制御目標域内に維持されるように前記運
転換気機の風量及び運転台数を補正する汚染濃度フィー
ドバック制御手段と、を具備することを特徴とするもの
である。

更に前記汚染濃度フィードバック制両手段の一つである
集塵機風量制御では、電気集ｍ機より下流側のＶＩ計の
みならず上流側ＶＩ計の検出値も収り込んで、ＶＩ［が
制御目標域内に入るように電気集ｍ機の風量を調整して
いる。

（作用） まず、長期交通量予測は、例えば３０分〜６０分周期程
度で実行され、３０分〜６０分先までの平均交通量を予
測する。これは、大まかな交通量の変化をとらえるため
のものであり、予測結果は運転する換気機の組合せ決定
に使用される。この組合せ決定を行うのが換気機組合せ
決定手段である。換気機の組合せを頻繁に切替えること
は電動機保護の点から好ましくないので、このように長
期交通量予測を行って組合せを決めるようにしている。

一方、短期交通量予測は、例えば５分〜１０分周期程度
で実行され、５分〜１０分先までの平均交通量を予測す
る。そして汚染発生量算出手段により、この短期交通量
予測の結果に基づいてトンネル内の車による汚染発生量
が算出される。

次に、最適換気量配分手段では、換気機組合せ決定手段
で決められた組合せと短期交通量予測手段で予測された
交通量と汚染発生量算出手段で算。

出された汚染発生量を基に、換気機て′消費される電力
が最小となるように各換気機の基準風量を算出する。

以上の交通量予測から最適換気量配分までは一種のフィ
ードフォワード制御であり、予測される交通量に合わせ
て運転換気機の台数や換気風量を操作しようとするもの
である。フィードバック制御では濃度の悪化を検出して
から換気機の風量を増加させるが、上記の交通量予測に
基づいたフィードフォワード制御では濃度が悪化する前
に予め換気風量を増加させるのである。

しかし、交通量予測に基づくフィードフォワード制御に
は交通量予測誤差やプロセスモデルの誤差があるため、
その影響を補正する手段が必要である。また予測できな
い短時間の交通量変動や自然風変動等の外乱による濃度
変化を抑制する必要もある。そのための手段として次に
述べる汚染濃度フィードバック制御を設けている。

汚染濃度フィードバック制御手段では実際の汚染濃度を
検出し、汚染濃度が制御目標域内に入るように換気風量
の補正を行う。

汚染濃度フィードバック制御手段の一つに集塵機風量制
御がある。本発明による集塵機風量制御では、電気集塵
機より下流側ＶＩ計からのフィードバック制御だけでな
く電気集ｍ機より上流側ＶＩ計の検出値も使用する。

縮流換気方式の場合、上流側で濃度変動があればいずれ
その影響が下流側に現れる。下流側ＶＩ計からのフィー
ドバック制御だけの場合、上流側ＶＩ値が悪（ヒしても
下流側ＶＩ計でその悪化が検出されるまでは電気集塵機
の風量は補正されない。

前述したように電気集塵機から下流側ＶＩ計までは数百
ｍ以上周れているので、濃度悪化の検出が非常に遅れて
しまうのである。

そこで本発明では、電気集塵機より上流側の濃度変動が
電気集塵機より下流側に出来るだけ伝わらないように、
上流側ＶＩ計の検出値を用いて電気集塵機の風量を調整
するようにした。例えば、上流側で濃度悪化が検出され
た場合、下流側にその濃度悪［ヒが伝わらないように電
気集塵機の風量を増加させてやるのである。

また上流側Ｖ　Ｉ計からの制御では抑えられないＶＩ値
変動に対しては下流側ＶＩ計からのフィードバック制御
が働くことになる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面によって説明する。

第１図は、本発明に係る一実施例の構成を示す機能ブロ
ック図であり、第２図は本発明が適用される縮流換気式
トンネルの概略構成図である。

まず、第２図により対象トンネルについて説明する。換
気方向は西側坑口から東側坑口の方向く図中、左から右
方向）で、交通方式も西側から東側への一方交通である
。換気機としては３台の電気集塵機１６　（１６−１，
１６−２，１６−３）が、また３台のジェットファン１
７　（１７−１゜１７−２．１７−３＞が各々設置され
ている。ここで電気集塵機は１６−１〜１６−３を第１
集塵機〜第３集塵機と呼ぶことにする。

また、センサ群としては、西側坑口付近に１台の交通量
検出器８と、４台のＶＩ計１８（１８−１〜１８−４　
＞と、東側坑口付近に１台のＣＯ計１９と、２台の風向
風速計２０　（２０−１，２０＝２）が設けられている
。ここで、ＶＩ計１８−１〜１８−４を第１ＶＩ計〜第
４ＶＩ計、風向風速計２０−１．２０−２を第１風向風
速計、第２風向風速計と呼ぶことにする。各センサの検
出値は換気制御装置２１にすべて入力され、この換気制
御装置２１により電気集塵＠１６とジェットファン１７
に対して運転台数制御が行われる。

この換気制御装置２１は、マイクロコンピュータ等によ
り実現され、第１図に示すように、長期交通量予測手段
９と、短期交通量予測手段１０と、換気機組合せ決定手
段１１と、汚染発生量算出手段１２と、最適換気量配分
手段１３と、集塵機風量制御手段１４と、ジェットファ
ン台数制御手段１５の各制御機能が組み込まれている。

以下、上記各制御機能についてその詳細を順番に説明す
る。

（長期交通量予測） 長期交通量予測手段９は６０分周期で実行され、交通１
．演出器８で検出した過去の交通量データを基に６０分
先止での平均交通量を予測する。

予測式は下式の通りである。

長期交通量予測値＝ 自己回帰モデル十交通量予測基本値・・・・・・（１）
自己回帰モデル ΔＮ３４（：：ａ＋　＋ΔＮ３＋ａ２・ΔＮＫ−，十ａ
３　　°△ＮＫ４　＋ａ４　°△Ｎ　ｇ−３・・・・・
・（２） ΔＮＫＨ：に＋１回目に交通量が交通１予測基本１直か
ら外れる量の予測値 ［台／ｈコ ΔＮよ；に回目に実測交通量が交通ヱ予測基本値から外
れた１［台／ｈ　］ ａｌ　〜ａ４　　：　（糸数 自己回帰モデルの１系数ａｌ〜ａ４は、カルマンフィル
タを用いてオンライン逐次推定により求められる（後述
）　、　（＋）式による長期交通量予測の予測項目は次
の２つである。

・大型車台数長期予測値ＮαＬ　［台／ｈ　］・小　　
１１　　　１１　　　ＮＳＬ［台／ｈ　］交交通１予測
基本は１日の平均的な交通量変化パターンを示す値で、
１時間平均値を２４時間分持つが、更に平日や休日によ
って交通量パターンが異なると思われるので、下記の４
種類に別けて図示しないメモリ内に記憶している。

■平日（月〜金）　■休日（日、祝祭日）■土曜　　　
　　　■特異日 ■■■のパターンについては、パターン毎に指数平滑を
行って、基本値を更新する。

指数平滑は下式のように行う。

尺　−α・Ｎｋ＋（１−α）・悶に−１・・・・・・・
・・〈３）Ｎｋ　：に日日の１時間の実測交通量［台／
ｈ　］Ｎ：に一１日日の指数平滑値（ｋ日目のに−１ 交通量予測基本値）［台／ｈ　］ ｉ、：に日日の指数平滑値（ｋ、１日目の交通量予測基
本値）　［台／ｈ　］ α：平滑化定数（０≦α≦１） また■の特異日については、日にちと交通量（大型車台
数、小型車台数）をオペレータより設定できるようにし
ている。

第３図は長期交通量予測の方法を示すグラフである。同
図のム印が交通量予測基本値を、・印がその日の過去の
実測交通量を示している。ｔｋ時点において、自己回帰
モデルにより次周期（ｔＫ士１）の交通量予測基本値か
らの偏差ΔＮｋ＋１　　を予測している。

前述した自己回帰モデルの係数のカルマンフィルタによ
るオンライン逐次推定は下式によって行われる。

＄Ｋ　＝＄ｘ−＋　　−９ｘ（ｌｈｘｓえ−１−ΔＮＫ
）・・・（４）眠＝Ｐよ−、ｌｈＫ／（λ刊り、Ｐ、−
、ｌｈに）・・・・・・（５）Ｐ−＝ＰＫ−１−賑ｈ”
ｋＰＫ−１・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６
）１１１、＝　（ΔＮＫ−，、ΔＮＫ−２、ΔＮＫ−３
。

ΔＮＫ−＋）１・・・・・・（７） ＄３”（ａｔ　、　ａ２　、　ａ３　、　ａ４　）・・
・・・・（８）ΔＮＫ−，：に一１回目に実測交通量が
基本値から外れた量［台／ｈ　］ ａ１〜ａ４　：自己回帰モデル（２）式の係数■：カル
マンゲイン ｇＩＫ＝（ｇ＋　、　（１２、（１３、ｇｉ　）”λ＝
ｆＯｒ（ｌｅｔｔｉｎ（］　ｆａｃｔｏｒ　　（ｏ≦λ
≦１）ここで■は転置を意味する。

ｌｈｋ、　＄ｘ　　、　ＰＫの初期値は次のように設定
する。

ｌｈ　ｏ　＝　（△Ｎｏ　、ΔＮｏ、ΔＮ冒△Ｎｏ）”
・・・・・・・・・（９） △ＮＯ：計算開始時点（ｋ＝ｏ）のΔＮの値＄ｏ＝（１
０００）”・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・（１０）Ｋ）１（例に＝１０５）・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（１２）（短期交通量予測） 短期交通量予測手段１０は１０分周期で実行され、交通
１検出器８で検出した過去の交通量データを基に１０分
先攻での平均交通量を予測する。

予測式は下式の通りである。ここでは、前記長期交通量
予測とは異なり、交通量予測基本値は使用しない。

Ｎえ、１　＝α１　・ＮＫ＋α２　、ＮＫ−、十α３　
。

Ｎに一２＋α４　・Ｎに−３・・・・・・・・・・・・
・・・（１３）Ｎに＋１　：交通量予測値［台／ｈ　］
Ｎｌ、：に回目に実測した交通量［台／ｈ　］（１１０
分の積算値を時間交通量に直 した値） α１〜α４；１系数 自己回帰モデルの係数α１〜α４は長期交通量予測と同
様に、カルマンフィルタを用いてオンライン逐次推定を
行う。

上記（１３）式によって予測するのは下記の２項目であ
る。

・大型車台数短期予測値Ｎｉｓ　　［台／ｈ　］・ノド
　　　　〃　　　　　　ツノ　　　　Ｎｓｓ［台／ｈ　
　］更に本短期交通呈予測では、（１’り式で予測した
値Ｎ（ｌｓ、Ｎｓｓと長期交通量予測で予測した値Ｎ、
ＱＬ、ＮＳＬとの加重平均をとって最終的な短期交通１
予測値としている。この加重平均は次のようにして計算
する。

Ｎ　ｉｓ　←ａｗ　　−Ｎｕｓ　＋　（１−α、）・Ｎ
ｕし・・・・・・・・・（１４） ＮＳＳ−αｗ−Ｎｓｓ＋（１−０ｗ　）　・ＮＳ　Ｌ　
（１５）（０≦αＷ≦１）・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（１６）（換気機組合せ決定） 換気機組合せ決定手段１１は前記長期交通量予測の予測
結果を基に、６０分周期で運転する換気機１６の組合せ
を決定する。汚染発生量は交通量と大型車混入率に特に
影響されるので、ここでは第４図に示すように交通量と
大型車混入率をパラメータとする２次元のテーブルによ
って組合せを決定するようにしている。

同図に示す交通１Ｎと大型車混入率Ｐｔは下式で計算さ
れる値である。

Ｎ＝Ｎ丈Ｌ　＋ＮＳ　Ｌ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（１７）Ｐｔ　＝Ｎ吏Ｌし
（Ｎ吏Ｌ　＋ＮＳ　Ｌ　）・・・・・・（１８）ＮｉＬ
＋大型車台数長期予測値［台、／ｈ］ＮＳＬ：小　　１
１　　　　ＩＩ　　　　［台／ｈ　］同図のテーブルの
数値は組合せを示す番号であり、第５図に示すように電
気集塵機１６の運転組合せと対応している。また目標Ｖ
Ｉ値Ｖ　Ｉ　、、。

［％］は運用上変更する可能性があるので、ＶＩ、、、
ｅ≦ｔ１０の場合と、４０＜ＶＩ、、ｒ≦４５の場合と
、４５＜Ｖ　Ｉ　、、ｅ≦５０の場合に対してそれぞれ
テーブルを１枚ずつ持っている。

（汚染発生量算出） 汚染発生量算出手段１２では、前記短期交通量予測の結
果を基に１０分周期で煤煙発生量とＣ○発生量を算出す
る。

（１）煤煙発生量の計算 まず煤煙発生量の基本値を計算する。

ＩＩ　”μ＋　”　Ｖｌ　　・Ｐ　ｄ、　＋μ２”　Ｖ
２　　’（１−Ｐｄ、）・・・・・・・・・（１９）σ
、２＝Ｐｄ、　　・　（（σ１０　・Ｖｌ）２＋（μ＋
　’　　−Ｖｌ　　ｕ、＋　　）２）＋（１−Ｐｄ、）
・（（σ２０　・Ｖ２）２＋（μ２°　−ｖ２−μｍ　
）２） ・・・・・・・・・（２０） μ２：μｍ°　°Ｖ１゛Ｐ　ｄ２　＋１ｔ２°　ｖ２・
　（１−Ｐｄ２）・・・・・川・・・・・・開用・（２
１）σ２２＝Ｐｄ２　・　（（σ１０　・　Ｖｌ＞２＋
（μｍ°　・　ｖｌ−μ２）２）工 （１−Ｐｄ２）・　（（σ２．■２）２＋μ２°　−ｖ
２−μ２）２）・・・・・・（２２）Ｖ、、ｖ２　、大
型ディーゼル車、大型ガソリン車の１台当りの平均排気 ガス量［ｍ３　／　（台・ｋｍ）］ Ｖｌ、Ｖ２：小型ディーゼル車、小型ガソリン車の１台
当りの平均排気 ガス量［ｍ３　（台／・ｋｍ）］ Ｐ　ｄ、　、　Ｐ　ｄ２　　：大型車、小型車のディー
ゼル比率［−］ μｍ０．σ１ｏ　：ディーゼル車の煤煙濃度の平均値お
よび標準偏差［−］ μ２０．σ２０　：ガソリン車の煤煙濃度の平均値およ
び標準偏差［−］ 、４ｖ、＝ｐ［Ｈμ＋　＋　（Ｉ　　Ｐｔ　）　・μ２
・・・・・・（２３−１） σｖ＋２＝Ｐｔ　　（σＩ２＋（μ＋　　’ｉＶ＋）２
）＋（１−Ｐｔ　）（σ２２＋（μ２−６ｖ＋）　２）
・・・・・・（２３−２） μｍ、σ１　：大型車の煤煙発生量の平均値および標準
偏差［ｍ３．、’（台・ｋｍ）］μ２．σ２　：小型車
の煤煙発生量の平均値および標準偏差［ｍ３／く台・ｋ
ｍ）　］ Ｐｔ　：大型車混入率［−］ 次に基本値に対する補正を行う。

μｏ　ｖ、＝ ８・Ａ−ＣにＶｌ ・・・・・・（２４） ＣＫＶＩ：許容煤煙濃度［−］ Ｋｖ＋　　：許容ＶＩ値　［％］ Ａ　　：トンネルｌｋｍ当りの容積［ｍ３］μｏｖτ：
分散を考慮した煤煙発生量 ［ｍ３／（台・ｋｍ）］ μＶｌ”μ０ｖｔ−Ｋｖ＋ｏ　−ＫＶＩ）ｌ　”・”・
””・（２６）μｖｌ：勾配と標高により補正を加えた
煤煙発生量［ｍ３／（台・ｋｍ）］ ｋｖ＋ｃ　：勾配による煤煙発生量の補正係数［−コ ＫＶＩ）ｌ：標高による煤煙発生１の補正係数［−］ 煤煙換気区間単位の煤煙発生量ＱＶ１１を計算する。

Ｑｖｒ＋　　：第ｉ煤煙換気区間の煤煙発生量［ｍ３／
ｓ］ Ｎ　：交通量［台／ｈ　］ 丈、：第ｉ煤煙換気区間距離［ｍｌ 煤煙換気区間は第６図に示すように４区間ある。

同図においてＬがトンネル延長［ｍｌで愛１が第ｉ煤煙
換気区間距離［ｍｌである。煤煙換気区間は次のように
分けられている。

第１煤煙換気区間；西側坑口から第１集ｍ機第２　　ツ
ノ　　　：第１集塵機から第２　ツノ第３　　ツノ　　
　；第２集塵機から第３　ツノ第４　　１）　　　　：
第３集ｍ機から東側坑口＜２）Ｃｏ発生量の計算 π。。　：Ｃｏ発生量の平均値［丈／（台・ｋｍ）］Ｋ
（。。；勾配によるＣｏ発生量の補正係数［−］ Ｋ　ＣｏＨ：標高によるＣｏ発生量の補正係数［−］ μ。。　：勾配と標高による補正を加えたＣｏ発生量［
ｍ３／（台・ｋｍ）］ トンネル全体におけるＣＯ発生ｉ　ｑｃ、は次式により
計算される。

ｑｃｏ：トンネル全体のＣＯ発生ｊｔ　［ｍ：ｌ　／Ｓ
ＩＮ：交通量［台／ｈ　］ Ｌ：トンネル全長［ｍｌ （最適換気量配分） 最適換気量配分手段１３では、換気機組合せ決定手段１
１で決められた換気機の運転組合せと、短期交通量予測
手段１０の予測値と、汚染発生量算出手段１２で算出さ
れた汚染発生量を基に１０分周期で各電気集塵機１６の
基準風量とジェットファン１７の基準台数と基準車道風
速と基準煤煙濃度を算出する。その際、電気集塵機１６
とジェットファン１７で消費される電力が最小となるよ
うに非線形計画法を使って計算を行う。

以下で使用する濃度関係の記号を第６図により説明する
。第６図のグラフは煤煙とＣｏの定常的な濃度分布を示
すものである。煤煙は電気集塵機１６で除去されるので
、上段のグラフに示す通り鋸波型の濃度分布となる。一
方Ｃ○は電気集塵機１６で除去できないため下段のグラ
フのように単調に増加する濃度分布となる。グラフ上に
記入している記号の意味は下記の通りである。

ＣｖＩｏ：トンネル外の煤煙濃度　　　［−］ＣＶＩＬ
：第１集塵機入側の煤煙濃度　［−］ＣＶＩ２　　：　
　　　　　ツノ　　　　出（則　　　　ｌ！　　　　　
　　［−］ＣＶＩ３　：第２集塵機人側　　ｎ　　　　
［−］Ｃｖ＋　４　　：　　　　　　ツノ　　　　　出
側　　　　　ツノ　　　　　　　　［−］ＣＶＩ５：第
３集塵機入側　　ツノ　　　［−］ＣＶＩ６：　　　　
　　ツノ　　　　出１則　　　　ノ！　　　　　　　［
−］ＣＶＩ７：東側坑口（トンネル内）の＃［Ｉ−］Ｃ
ｖ＋ｏ：トンネル外のＣＯ濃度　　　［−］ＣＶ□１　
；東側坑口（トンネル制のＣＯ濃度［−］この最最適換
気量分では、以下のように定式化した非線形計画問題を
解いて、各基準値を求めている。

（１）決定変数 χ１　：第１集塵機風ｆｆ１Ｑｃ＋　　−、ｍ３／Ｓ　
］χ２　：第２集塵機風ｉＱ　ｃ２　　［ツノ　　　］
χ、　：　第３集塵機風ヨ１ｔＱｃｓ　　　ｉ、　　　
　ｔｔ　　　　］χ４：車道風ＩＱ、［ツノ　］ χラ　：運転シェツトファンＮＪＦ ［ツノ　　　］ （２）目的関数 ｆ−３ΣＷｃ＋＋　χ５　・ＷＪＰ−最小化−（３０）
ｉ＆Ｉ ＷｃＩ＝　ａｏ＋＋　ａ　ｔヒＱｃ＋＋　ａ２＋　＋　
Ｑ２ｃ＋＋ａ３ビＱ３ｃＩ・・・・・・・・・（３１）
ＷＪＰ＝一定 ＷＣＩ　：第ｉ集塵機所要電力［Ｋ間 Ｑｃ＋：　　　　　／／　　　　　風ｎ　　　　　［ｍ
　３　／ｓ］ａ　ｏ＋””−ａ　３１　　：　　ｆ糸数
ＷＪｐニジエツトファン所要電力［ＫＷ］（３）不等式
制約条件 車道風量制約 ｇ＋　＝ｘａ　　（χ４　Ｑｒｍａｊ≦Ｏ”　−−（３
２）Ｑ　ｒ　ｆｆ１１１　Ｘ　：車道風量上限［ｍ３／
ｓ］集塵機風量制約 ｇ２：（χＩ　　ＱＣＩＩＩＩＱ＋　＞　’（χＩ　　
　Ｑｃｍａｘｔ　　）≦０−（３３）　　　　ｈ　　＝
　（χ２　　　Ｑｃａ＋＋ａｚ　　）　　・ （χ２Ｑｃｍ−８２）≦０・・・（３４）ｇ４＝（χ３
　　　Ｑ６＠＋ａ３）　　’（χ３　　　Ｑ６１１１１
１Ｘ３　　）≦Ｏ・、　（３５）Ｑ　ｃｏ＋ｌａｌ　　
：第ｉ　＄！１１１ｉ！ｆｆｉ！下限［ｍ３／ｓ］Ｑ　
ｃａａｘｌ　　：　　　　ノＩ　　　上限［ｍ３／ｓ］
集塵機風量≦車道風量 ｇ５　＝χ１−χ４≦０　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（３６）’Ｃｌａ　＝χ２−χ４≦０　　
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３７）ｇ７＝
χ３−χ４≦０　　°°°°°°°゛°゛°“−−−−
−（３８）ジエツＩ・ファン台数制約 （ｌａ　＝χ５　（χ５　　ＮＪＰ□、）≦０・・・・
・・（３つ）Ｎ　ＪＰｍａｘ　　ニジエツトファン設置
台数［台］煤煙濃度制約 （Ｉｇ＝ｃｖ日−Ｃｖ＋ｕ≦０・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（４０）ｇｏｏ　＝　ＣＶＦ３　　Ｃｖ
＋υ≦０・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４１
）（ｌＢ＝ｃｖ＋ｓ　　ＣＶ［Ｕ≦０・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（４２）（１１２＝　ＣＶＦ６　
　Ｃｖ＋υ≦０・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（４３）ＣＯ濃度制約 （１１３＝　Ｃｃｏｔ　　Ｃｃｏｕ≦０・・・・・・・
・・・・１川・（４４）Ｃｖ＋ｕ：煤煙濃度設定値（上
限値）［−］Ｃｃｏｕ　　：　ＣＯ濃度設定値（）ｌ）
［ｐｐｍ］煤煙濃度Ｃｖ＋＋とＣＯ濃度Ｃｃｏｔは下式
によって計算される。

ｑｖ＋＋　　：第ｉ煤煙換気区間汚染発生１［ｍ３／ｓ
］ η。ｄｌ；第ｉ集塵機集塵効率［−］ Ｑｃｏ　　：Ｃ０発生量［ｍ３／ｓ］ （４）　　等式制約条件 圧力バランス ｈ、　＝△Ｐ２＋ΔＰＭ＋△Ｐ、十ΣΔＰ　ａ１十χ５
　・ΔＰＪ＝Ｏ・・・・・・・・・（５３）△Ｐ、：通
気抵抗　　　　　　［ｍｍＡｇ］ΔＰＭ　：自然換気力
　　　　　　［ｌ）　］ΔＰ、：交通換気力　　　　　
Ｅ　ツノ　］△Ｐ。１；第ｉ集塵機の昇圧力　［ツノ］
△Ｐ、ニジエツトファン昇圧力［）ｌ　］上記（５３）
式における各圧力の計算式は下記の通りである。

■、２・・・・・・・・・（５４） ■、＝Ｑ、／Ａ、・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（５５）・・・・・・・・・（５
７） ただし、 ｎ；トンネル内存在台数［台］ Ａ。：自動車等価抵抗面積［ｒｒｆ’］Ａ＊　”ＡａＬ
−Ｐ　ｔ　＋Ａ＊＊・　（１−Ｐ、）・・・・・・・・
・・・・（５９） Ｎ　＝　Ｎ　ｔｌ＋　Ｎ　ｓｓ　　　　　　・−−川−
（６０）Ｐｔ＝Ｎ１．／ｌ’Ｊ　　　　　　・川・・・
川・・（６１）△Ｐａｌ” △ＰＪ＝−・ＶＩＪＰ２　・２φ・　（１−ψ）・・・
・・・・・・（６４） ■、 ψ＝□　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・（６
６）上記（５４）式から（６６）式までに使用した記号
の意味は下記の通り Ｌ：トンネル延長　　　　　　　　　［ｍ］Ｄ１　：ト
ンネル付表寸法　　　　　　［ｍ］Ａ、：車道断面積　
　　　　　　　［ｍ２］ｖ、；車道風速　　　　　　　
　Ｊｍ／ｓ］ρ；空気密度　　　　　［ｋｇｆ　　−ｓ
　２　／ｍ４　］λ：トンネル壁面摩擦損失１系数　　
　し−］ζ、；トンネル入口流入損失１系数　　［−］
■。：自然風速　　　　　　　　　：ｍ／ｓｌ■、：車
速　　　　　　　　　　：ｍ／ｓコＡ　ａ　１　：大型
車等価抵抗面積　　　　［ｍ２］Ａ６．：小型車等価抵
抗面積　　　　［ｍ２］Ｎ　：交通量　　　　　　　　
　［台／ｈ］Ｎ東、：大型車短期予測値　　　　［台／
ｈ］Ｎｓｓ：小型車短期予測（直　　　　［台／ｈ］Ｐ
ｔ　二大型車混入率　　　　　　　［−］Ｑ。、；電気
集塵機ｉ　ノズル吹き出し風量［ｍ３　／５ｅｃｌ ＶＪＩ：　　　　　ｔｔ　　　　ノズル吹き出し速度１
ｍ／５ｅａｌ β、　　：　　　　　／／　　　　ノズル吹き出し角度
［ｄｅｇＩ ＶＪｎ＋ｍｘｌ　　：　　）ｌ　　　　定格運転時のノ
ズル吹き出し速度　７．ｍ／ｓｅｃ］ ・・・・・・・・・（６３） ＶＩＪＰ　ニジエツトファン吹き出し速度［ｍ／ＳｅＣ
］ ＡＪ　：　　　　ｌｌ　　　吹き出し面積［ｍ２］ Ｑ〜１、Ｉ　：電気集塵機ｉ　定格風量［ｍ３　／ｓｅ
ｃ　］ この最適換気量分配では以上のように定式化された非線
形計画問題を問いて、下記の基４値が求められる。

Ｑ”ｃｌ：第１集塵機基準風ｆｆｉ　　Ｃｍ３　／Ｓ　
］Ｎ”ＪＰニジエツトファン基準運転台数［台］Ｖ°、
：基準車道風速　　　　　Ｉ：ｍ／Ｓ］Ｃ″Ｖ目　二基
率煤煙濃度　　　　［−］（集塵機風量制御） 集塵機風１制御手段１４は最適換気量配分手段１３の演
算結果とＶＩ計１８、風向風速計２０の検出値を用いて
Ｖ　Ｉ値を目標値近くに維持するために電気集塵機１６
の風量を調整する。

本実施例による集塵機風量制御は、電気集塵機１６の上
流側と下流側の両方のＶＴｌ１８−１゜１８−２を使っ
て電気集塵機１６の風量を操作することに才寺徴がある
。

第７図に第１集塵機１６−１に対する集塵機風量制御の
構成を示す。第７図において、Ｖ工値フィードバック制
（卸手段２２−１は、ＶＩ計１８−２により検出された
ＶＩ値と目標ＶＩ値Ｖ　Ｉ　、、。

の偏差を基に第１集塵機１６−１の補正風量△ＱＣＩＢ
を演算する。このＶＩ値フィードバック制師にはＰＩＤ
制御を曲用しており、制御周期は５分程度にしている。

また前記の目標値Ｖ　Ｉ　、、、は、最適換気量配分で
算出された基準煤煙濃度より、下式によって設定する。

ＶＩ．．．．＝１００・１０−１００°２ｖ１２・・・
・・・・・・（６７） Ｖ丁、ｏｒ：目標ＶＩ値［％］ Ｃ″Ｈ２：第２ＶＩ計設置地点の基準煤煙濃度［−］ “ＶＩ値ラフイードフォワード制御手段２３１は、第１
ＶＩ計ｌ５−１と風向風速計２０−１．２０−２の検出
値を用いて、第１集塵機１６−１の補正風量ΔＱ　ｃ　
ｒ　ｐを１分周期で演算する。尚、風向風速計２０は２
台あるので、平均処理手段２５により平均車道風速が計
算されている。

第８図は第１集塵機１６−１近くの煤煙濃度分布を示す
。同図の実線で示す分布は最適換気量配分により計画さ
れた濃度分布である。ここで例えば、Ｖｌｌｌ８−１の
検出値Ｃｖ　ｒ　ｔが基準値Ｃ゛７．１より高くなった
場合、第１集ｍ機１６−１の風量を現状のままにしてい
ると第２ＶＩ計１８−２地点の濃度が第１集塵機Ｃ″Ｖ
Ｉ３より高くなってしまう可能性がある。本制御ではこ
のような場合、第２ＶＩ計１８−２地点の濃度が悪化し
ないように第１集塵機１６−１の風量を予め増加させて
第８図に破線で示すような濃度分布にするのである。

補正風量△Ｑ　ｃ　ｒ　ｐは次のように計算する。

まず、第１ＶＩ計１８−１の検出値（ＶＩ値）を煤煙濃
度に変換する。

Ｃ旧Ｉ　：　　ツノ　　　　ノ！（煤煙濃度）［−１次
に下記の（６９）式と（７０）式を連立させて第１集塵
＠１６−１の予測風量Ｑ　ａ　ｒ　ｐを求める。

Ｖ　ｒ　　−Ａ　ｒ ＶＩ　・　Ａ１ Ｃｖ＋２　　：第１集ｍ機出側の煤煙濃度　［−］■、
二車道風量検出直　　　　　Ｃｍ／ｓｌＡ、：車道断面
積　　　　　　　　［ｍ２］ηｃｏ１：第１集塵機の集
塵効率　　　［−］ｑ２　：第２煤煙換気区間の煤煙発
生量［ｍ３／ｓ］ （汚染発生量算出手段１２で算出した値ンＣ″ｖ１３：
第２ＶＩ計地点の基準煤煙濃度Ｑｃ【ｐ：第１集塵機の
予測風Ｍ、［ｍ３／ｓ］最後に下式によって補正風量△
ＱｃＩｐを計算する。

△ＱｃＩｐ　＝ＱｃＩｐ　　Ｑ”　ｃ　＋　　　　　　
−−（７１）Ｑ″ｃＩ　：第１集塵機基準風量 尚、このＶ　■（直フィードフォワード制御は、第１Ｖ
Ｉ計１８−１地点の目標のＶＩ値と検出されたＶＩ値の
偏差が、設定された一定の幅から外れた場合だけ制御出
力を行う。

制御出力決定手段２４−１は、ＶＩ値スフイードバック
制御手段２２１により演算された補正風量△Ｑｃ＋Ｂと
、■■値フィードフォワード制御手段２３−１により演
算された補正風量△Ｑ　ｃ　ｔ　ｐを組合せて実際の制
御出力の決定を行う。本実施例では下式によって制御出
力Ｑを決定している。

ＱｃＩ＝　Ｑ″ｃ１＋ΔＱｃｌＢ＋ΔＱｃｔｐ・・・（
７２） Ｑｃｌ　：第１集塵機風量に対する制御出力［ｍ３／ｓ
］ Ｑ″ｃ１　：ツノ　　基準風ｉ　　［ｍ３／Ｓ］ΔＱｃ
＋ａ　　：　Ｖ　Ｉ値フィードバック制御による補正風
量　　　　　　［ｍ３／ｓコ △Ｑｃｔｐ　　：　Ｖ　■値フィードフォワード制御に
よる補正風量　　　　［ｍ　３　／　Ｓ　］以上、第１
集塵機１６−１に対する集塵機風景制御を説明したが、
第２．第３集塵機１６−２゜１６−３についても同様で
ある。

（ジェットファン台数制御〉 ジェットファン台数制御手段１５は、最適換気量配分手
段１３の演算結果とＶＩ計１８、ＣＯ計１９、風向風速
計２０の検出値を用いて、ＶＩ値とＣＯ濃度と車道風速
が制御目標域内に入るようにジットファンの運転台数を
操作する。

以下では電気集塵機１６が全台運転されている場合の、
ジェットファン台数制御について説明する。この場合、
使用されるセンサは第１ＶＩ計１８−１とＣＯ計１９と
風向速度計２０−１．２０−２である。本制御ではセン
サからの検出値の監視は１分周期で行っているが、１度
ジットファンの運転台数を変更したら、認定されたある
一定時間（効果待ち時間と呼ぶことにする）は、次の変
更を行わないようにしている。

制御出力は次のようにして計算する。

ＮＪＦ＝（前回のＮＪＰ）＋ΔＮ”　Ｊｐ＋ｍａＸ（Δ
ＮＪＰＶＩ、ΔＮＪＰＣＯＩ△ＮＪＰＶＩ）・・・・・
・（７３） ΔＮ”ＪＰ二Ｎ″ＪＰ　　（前回のＮ″ＪＰ）・・・（
７４）ＮＪＰニジエツトファン運転台数（制御出力）［
台］ Ｎ″ＪＰ”ジェットファン基準運転台数［台］ΔＮＪＰ
Ｖ１．△ＮＪｐｃｏ＋△ＮＪＰＶＲは次のようにして計
算される値である。

（Ｖ　Ｉ　Ｈ＞Ｖ　Ｉ　’Ｌ　） ・・・（７５） ・・・（７６） ・・・（７７） Ｖ　Ｌ　＝　Ｖ　”　　ｒ　　　Ｄ　ｖｒ　　　　　　
　　・・・（７８）ＶＩｕ：ＶＩ値制御目標域上限　　
　［％］ＶＩＬ：　　　　　ツノ　　　　　　　下限　
　　　　　　［％］ＶＩ、：第１ＶＩ計検出値　　　　
　［％］ＣＯｕ：Ｃｏ濃度制御目標域上限［：ｐｐｍ］
Ｃ○１　：ＣＯ計計量出値　　　　［ｐｐｍ］ＶＬ：車
道風速制御目標域下限　［ｍ／Ｓｌ■、°：ｌ）　基準
値　　　　　［ｍ／ｓ　］Ｄ９．：　　ツノ　側聞不感
帯幅［ｍ／Ｓ］（Ｄ、、≧０） ｋ１〜に３：制御ゲイン 集塵機風量制御は、第１集塵機１６−１．１台だけにつ
いて説明したが、電気集塵機１６が３台の場合には第９
図に示すような構成となる。尚、同図において２２−１
〜２２−３はＶＩ値ラフイードバック制御手段２３−１
〜２３−３はＶＩ値ラフイードワード制御手段２４−１
〜２４−３は制御出力決定手段である。第１集塵機１６
−１に対する構成と全く同様に、第２、第３集塵機１６
−１．１６−２に対しても集塵機風量制御が構成されて
いる。

以上の実施例では、換気機として電気集ｍ機１６とジェ
ットファン１７を持つ縮流換気方式トンネルへの適用例
を述べたが、本発明による制御装置は、電気集塵機を有
するあらゆるタイプのトンネルに適用することが出来る
。例えば、立坑送排気方式のトンネルや立坑集中排気方
式のトンネルに適用できる。

［発明の効果］ 以上、説明したように、本発明によればトンネル内の汚
染濃度も許容値以下に安定に維持し、且つ換気機で消費
される電力を出来るだけ低く抑ことか可能な道路トンネ
ルの換気制御装置を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の制御機能構成図、第２図は
対象トンネルの概略図、第３図は長期交通量予測の方法
を示す説明図、第４図は換気機の運転組合せを決めるた
めのテーブル、第５図は換気機組合せ番号と運転集塵機
組合せとの対応を示す図、第６図は煤煙濃度とＣＯ濃度
の定常的な分布を示す図、第７図は第１集塵機に対する
集塵機風量制御の構成図、第８図はＶＩ値スフイードフ
ォワード制御手段演算方法を説明するための煤煙濃度分
布図、第９図は集塵機風量制御とジェットファン台数制
御を組合せた全体構成図、第１０図は従来のフィードバ
ック制御の構成図である。 ８・・・交通量検出器 ９・・・長期交通量予測手段 １０・・・短期交通量予測手段 １１・・・換気機組合せ決定手段 １２・・・汚染発生量算出手段 １３・・・最適換気量制御手段 １４・・・集塵機風量制御手段 １５・・・ジェットファン台数制御手段１６　（１６−
１，１６−２，１６−３＞・・・電気集塵機 １７（１７−１，１７−２，１７−３＞・・・ジェット
ファン １８　（１８１，１８−２，１８−３，１８−４）・・
・ＶＩ計 １９・・・ＣＯ計 ２０　（２０−１，２０−２，２０−３＞・・・風向風
速計 ２１・・・換気制御装置 ２２−１．２２−２．２２−３・・・Ｖ　Ｉ値フィード
バック制御手段 ２Ｂ−１，２３−２，２３−３ ・・・ＶＩ値タフイードフォワード制御手段２４１．２
４　２．２４−３ ・・・制御出力決定手段 ２５・・・平均処理手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）交通量検出器で検出された交通量データから長期
   の交通量を予測する長期交通量予測手段と、前記交通量
   検出器で検出された交通量データから短期の交通量を予
   測する短期交通量予測手段と、前記長期交通量予測手段
   の予測値から運転換気機の最適組合せを決定する換気機
   組合せ決定手段と、 前記短期交通量予測手段の予測値からトンネル内の汚染
   発生量を算出する汚染発生量算出手段と、前記短期交通
   量予測手段、汚染発生量算出手段および換気機組合せ決
   定手段の各演算結果から前記運転換気機の総所要電力量
   が最小となるように各運転換気機の基準風量を算出する
   最適換気量配分手段と、 トンネル内汚染濃度を検出してこの汚染濃度が制御目標
   域内に維持されるように前記運転換気機の風量及び運転
   台数を補正する汚染濃度フィードバック制御手段と、 を具備することを特徴とする道路トンネルの換気制御装
   置。
2. （２）前記汚染濃度フィードバック制御手段は、運転換
   気機としての電気集塵機の下流側に設置されたＶＩ計の
   計測値をフィードバックしてこのＶＩ計設置地点のＶＩ
   値が制御目標域内に入るように前記電気集塵機の補正風
   量を演算する手段と、前記電気集塵機の上流側に設置さ
   れたＶＩ計の計測値よりこのＶＩ計設置地点のＶＩ値が
   制御目標域内に入るように前記電気集塵機の補正風量を
   予測演算する手段と、演算された各補正風量を組み合わ
   せて前記電気集塵機の最適風量を決定する手段と、を含
   むことを特徴とする請求項（１）記載の道路トンネルの
   換気制御装置。