JPH0613840B2 - 集中排気式自動車トンネルの換気制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は上下線に各々分岐、合流を設けてなる一方向交
通の自動車トンネルの換気制御方法に係り、複数台の換
気用排風機と排風用按分ダンパーを備えた集中排気式自
動車トンネルの換気制御方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 自動車トンネルの換気においては、人体に有害な一酸化
炭素、及び視界の障害となる煤煙などの汚染濃度を許容
値以内に保持するような風量制御が必要である。このた
め複数台の換気用排風機の運転台数の制御が行なわれる
が、省電力および機器の寿命を考慮すると台数制御の頻
度が小さいことが望ましい。集中排気式の排気において
は、一般に排気用排風機と排風ダクトのダンパーの併用
によって換気制御が行なわれている。

この場合の換気用排風機の運転台数とダンパーの開度
は、換気ノッチに対応してきめられており、トンネル内
の汚染濃度が高くなければ換気ノッチを上げて風量を増
し、汚染濃度が低くなれば換気ノッチを下げて風量を減
らすような換気制御方法が行なわれる。

ここで、上記換気ノッチおよび後述するノッチ制御につ
いて次のように定義する。

通常トンネル内の換気を行うために、排風機，ダンパー
等の換気機器を運転・操作し、風量を制御する。これら
の換気機器は、段階的に運転・操作する。この段階的に
運転・操作し、風量を制御することをノッチ制御とい
う。また、換気ノッチとは、現在、運転している換気機
器の状態を、その状態に対応する段階（ノッチ）という
意味で換気ノッチと呼んでいる。

例えば、換気機器の段階（ノッチ）は、表１のように設
定されている。表１のノッチ１からノッチ５の状態を第
３図（ａ）〜（ｅ）に示す。なお、図中１０１はトンネ
ル，１０２は換気用の立抗であり、この内部には換気機
器１０３とダンパー１０４が設けられている。

しかしながらこの制御方法では、汚染濃度の単純なフィ
ードバックによってノッチ制御を行なっているため、一
時的な交通量の変化によって換気用排風機が必要以上に
頻繁な起動停止を行ない、又は、必要以上の運転電力を
消費するという問題点を有した。

［発明の目的］ 本発明の目的は、上下線に各々分岐、合流を設けてなる
一方向交通の自動車トンネルにおいて、交通量予測を行
なうことによりトンネル内の在車台数を予測し、トンネ
ル内の汚染濃度の分布状態を考慮して換気ノッチを決定
し、これにより複数台の換気用排風機の台数制御の頻度
を減ずると共に、省電力を実現した集中排気式自動車ト
ンネルの換気制御方法を提供することにある。

［発明の概要］ 本発明は、上下線にそれぞれ分岐、合流を有する一方向
通行のトンネルに対し、集中排気式の複数台の換気用排
風機と、この換気用排風機と前記トンネル内の所定の複
数区間との間を連通する各ダクト内に設けられた按分ダ
ンパーとを備え、前記複数区間における汚染濃度を許容
値内に保持する集中排気式自動車トンネルの換気制御方
法に関するもので、トンネル内の前記複数区間の汚染濃
度、風向方向、風速および交通量を測定し、この測定し
た交通量の時系列データに対して予測フィルタ処理を行
い、短時間先のトンネル内の在車台数を予測すると共
に、前記換気用排風機の運転台数と排風用按分ダンパー
の開度との組合わせによる複数の換気ノッチ毎に、前記
予測在車台数による交通換気量や自然風速による圧力を
加味した所定の演算手法により前記複数区間の風量を求
め、この風量と予測在車台数に基づいて得られる汚染発
生量とから各複数区間毎の汚染濃度をそれぞれ求め、こ
の汚染濃度が許容値以内、動力が最小、換気機器の現状
状態を最大限維持、トンネル内の濃度の平均化を指標と
して前記換気ノッチを決定し、この決定された換気ノッ
チにより換気用排風機の運転台数および按分ダンパーの
開度を制御することを特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は、本発明の対象である集中排気式自動車トンネルの
排気制御系の一実施例を示す説明図で、１は集中排気式
自動車トンネル、２はこのトンネル１内を走行する自動
車を表わしている。同図においてトンネル１における自
動車２の流れは、一方交通の場合と、対面交通の場合の
２通りあるが、本実施例においては、一方交通の場合を
考える。また本実施例では、換気機器としては、排気機
３と按分ダンパー４が設置されている場合を考える。

矢印Ｑf は集中排気状態におけるトンネル１内を流れる
風の向きと風量を表している。５はトンネル抗口に設置
されて、交通量を計測する交通量計測装置である。６は
煙霧透過率計、７は一酸化炭素濃度計、８は風向風速計
で、それぞれトンネル１の立抗付近に設置されている。

上記、交通量計測装置５、煙霧透過率計６、一酸化炭素
濃度計７及び風向風速計８により検出されたプロセス量
としての交通量、煙霧透過率、一酸化炭素濃度、風向風
速信号は、入力装置９を介して電子計算機等からなる演
算制御装置１０におのおの入力される。演算制御装置１
０では、予め内蔵されているアルゴリズムに基づいて、
制御演算を実施し、その演算結果が出力装置１１を介
し、排風機の起動・停止信号と按分ダンパー開度の開閉
信号として出力する。本発明においては、これらの一連
の動作によって汚染濃度、風向風速と交通量の変動に対
して、換気用排風機３と按分ダンパー４を制御し、結果
として、トンネル内風量Ｑf を変化させて、汚染濃度を
制御するように構成される。

すなわち、本発明は、上下線に各々分岐・合流をもつ一
方向交通のトンネルにおいて、排風機３の台数および排
風用按分ダンパー４の開度により上下線のそれぞれのト
ンネル１の汚染濃度を同時に許容値内に保持し、かつ、
省電力をはかるものである。

ここで、トンネル１内の汚染状態は、各々のトンネル１
内の交通量、排風機３の台数と按分ダンパー４の開度に
より変動する。即ち、交通量状態と按分ダンパー４の開
度及び排風機３の台数との組合せが変わるとトンネル１
内の圧力分布が変わり、車道内の風速が変動する。この
結果、汚染状態がかわってしまう。従って、汚染状態を
把握するには、交通量，排風機３の台数，及び、按分ダ
ンパー４の開度の組合せに応じて車道内風速を推定する
ことのできるもモデルが必要となる。

このために、交通量換気機器組合せ（排風機台数と按分
ダンパーの開度）を入力すれば車道内風速と汚染状態を
推定することのできるシミュレーションモデルを用い
る。

さらに、このシミュレーションで試算された換気機器の
状態と汚染状態との組合せの中から最適な換気機器の組
合せを選定する。この換気機器の組合せを選定する指標
は、汚染濃度（ばい煙濃度，ＣＯ濃度）が許容値を保持
していること、省電力を図れること、各々のトンネルの
汚染状態が平均していることが要求される。したがっ
て、シミュレーションで試算された換気機器の組合せの
中から、これらの指標を同時に満たす換気機器の運転状
態（換気ノッチ）を選定する。

そこで、換気機器の運転状態ごとにシミュレーションを
行った結果をもとに、各換気機器の運転状態ごとに上記
の各指標を評価する基準としての関数（評価関数）を演
算し、後述するように、予定の順番で評価して換気ノッ
チを選定している。これらにより、汚染濃度を許容値内
へ保持して省電力が図れる換気制御方法が提供できる。

以下、上記演算装置１０に内蔵するアルゴリズムについ
て、説明する。第２図は、本発明における制御演算動作
の概略流れ図を示すものである。概略流れ図は、初期化
演算、プロセス値入力、換気制御出力、遅延のブロック
を除き３個のブロックに分けて説明することができる。

（Ｉ）予測フィルタ処理 交通量は、トンネルの各入口に設置された交通量計測装
置毎に推定できる。これらの値（台）は、自然現象的な
時系列傾向を示す。すなわち、交通量は、周期的ではあ
るが、不規則に変動しており確定的な時間関数として表
せない現象であり、ここでは上述のように自然現象的時
系列と呼んでいる。従って、予測フィルタ、すなわち、
時系列の過去の観測値から将来の値（交通量）を予測す
る手段として、自己回帰型のモデルを仮定することとす
る。

ここで、自己回帰型のモデルについては、一般的に次の
ように説明される。

与えられた時系列データが発生するメカニズムを解明す
ることをモデリングと呼び、解明されたメカニズムをモ
デルと呼ぶ。

一般に、統計量で取り扱うモデルとしてよく知られてい
るのが自己回帰モデルや重回帰モデルである。

本発明における自己回帰型のモデル（自己回帰モデル）
は、下式で示すように、観測値自身の過去の時系列デー
タを使って、観測値の変化するメカニズムを表すモデル
である。

ｙ（ｔ＋△ｔ）＝ ａ₀ ｙ(t) ＋ａ₁ ｙ（ｔ−△ｔ）……(1) ここで、ｙ(t) は時刻ｔ（sec）における交通量（観測
値：台）、ｙ（ｔ＋△ｔ）は制御周期△ｔ（sec）先の
交通量予測値（推定値：台）、ａ₀ ，ａ₁ ，……、ａ
_m-1 は定数（モデルのパラメータ）である。

ａ₀ ，ａ₁ は予め与えることも可能であるが、実時間で
逐次的に最小分散推定することもできる。自己回帰モデ
ルのパラメータを実時間で逐次最小２乗推定する方法の
正当性は既に公知の事実である。

すなわち、雑音の乱された観測値から信号あるいは未知
のパラメータを推定する問題は、最小２乗法としてよく
知られている。この最小２乗法は、観測値と予測値の誤
差２乗が最小になるモデルの未知のパラメータを決定す
ることで上述のように最小２乗推定と呼ばれている。

ここで、観測値と予測値の誤差を過去からサンプルし、
この統計量である分散を最小にすることは、前述の誤差
の２乗和を最小にすることと等価であり、最小２乗推定
の別名として最小分散推定という。

（II）プロセスシミュレーション ノッチ制御のためのプロセスシミュレーションでは、交
通量の予測値→風量→濃度の順で演算することになる。

以下プロセスシミュレーションの方法を示す。なお、以
下の説明では、トンネル内を複数の区間に分けている
が、それは以下の理由による。

すなわち、トンネル１は、その構造上、第４図で示すよ
うに、トンネル内で道路の勾配が変わる地点や、分岐・
合流のある地点を境に、自動車の排気ガス等が変化す
る。この地点を変曲点Ｘと呼ぶ。したがって、トンネル
内の汚染濃度を精度よく把握するためには、これらの変
曲点Ｘごとに汚染発生量を演算する必要がある。トンネ
ル区間とは、この変曲点Ｘごとにトンネル内を分割する
ことによって生じる区間である。

ステップ１：制御周期△ｔ(sec) 先の交通量予測値
（台）よりトンネル内在車台数を算出する。

ここで、ｎi は各トンネル区間内在車台数、N/TはＴ秒
間の交通量（台／sec ）、Ｎは交通量予測値、Ｌi は各
トンネル内区間延長（ｍ）、Ｖt は車速度、ｉは各トン
ネル区間を示す。

ステップ２：換気ノッチの組合せを設定する。

ステップ３：各換気ノッチの組み合わせについて、以下
に示す。(3),(4),(5) 式の連立方程式を計算し、各区間
の風量を算出する。

トンネルの各区間における圧力平衡式は(3) 式で表され
る。

Ｒri＝Ｒti＋Ｒmi ………(3) ここで、Ｐtiは交通換気力（mmＡｑ）で交通のピストン
効果による昇圧力、Ｐmiは自然風速による圧力（mmＡ
ｑ）、Ｐriは車道壁面抵抗による損失（mmＡｑ）、ｉは
各区間を示す。

又、各換気ダクトにおける圧力平衡式は(4) 式で表され
る。

Ｐf ＝Ｐdj＋Ｐck …………(4) ここで、Ｐf は換気用排風機による昇圧力（mmＡｑ）、
Ｐdjは換気ダクト、立抗の壁面抵抗とダンパーによる損
失（mmＡｑ）、Ｐckは立抗下の底圧力 （mmＡｑ）、ｊ
は各ダクト、ｋは各立抗下を示す。

又、各トンネル区間、ダクトの風量連続式(5) 式で表さ
れる。

ここで、Ｑi は各トンネル区間内風量、Ｑj は各ダクト
内風量である。

ステップ４：各トンネルの平均汚染発生量の算出をす
る。

平均汚染発生量は(6) 式で得られる。

ここで、Ｐは平均汚染発生量（ｍ^３／sec ／ｍ）ｎi は
各区間のトンネル内在車台数（台）、Ｌi は各区間のト
ンネル延長（ｍ）、Ｐ0 は標準汚染発生量（ｍ^３／sec
／台）である。

ステップ５：各トンネル区間における汚染濃度は(7) 式
で得られる。

ここで、Ｃi は制御指標となる汚染濃度、他は前記と同
様である。

ステップ６：ステップ５で算出した汚染濃度のうち、煤
煙濃度については煙霧透過率へ(8) 式により変換する。

τ＝１０^{-100 ・ Ci} ………(8) ここで、τは１００ｍ煙霧透過率（Ｐ．Ｖ） （III）換気組合せ決定 全ての排風機台数とダンパーの開度の組合せに対するプ
ロセスシミュレーションの結果から、最適な換気組合せ
を決定する。

最適な換気組合せを決定するための指標は次の４つであ
る。

濃度が許容値以内に保持している。

動力が最小である。

現状の換気機器の状態を維持する。

各トンネル内の濃度が平均している。

また、判定方法は、から順番に判定していき、複数の
組合せが選定される場合、次の指標について判定する。
最終的に１つの換気組合せを決定する。この時、排風機
の始動・停止数にあらかじめ制限を設けておいて始動・
停止頻度が過多とならないようにしておく。ただし、濃
度基準が保持できない場合は、始動・停止数の制限は無
視するものとする。かくして（Ｉ）〜（III）のブロッ
ク毎の演算を中核とした第２図に示すような制御演算に
よって、系の変動に対して自動的に省電力を考慮した排
気制御を行うことができる。

以上、交通量予測を中心とした予測制御を記したが、交
通量予測のずれによって、煙霧透過率が所定の許容値内
に保持できない場合は、煙霧透過率のフィードバックに
よるノッチ制御で予測制御の補正を行うことが必要とな
る。これは、制御周期毎に予測制御を行ない、煙霧透過
率が許容値内に保持できない場合に現状の換気ノッチを
増減するフィードバック補償である。

なお、上記実施例においては、換気用排風機の台数制御
とダンパー開度の制御による換気制御について説明した
が、この他、換気用排風機駆動電動機が誘導電動機であ
れば、周知の極数変換制御や可変周波数制御等によって
回転速度制御をした場合、トンネル抗口のサッカルドフ
ァン（車道内風速を増加させる噴流式換気機器）駆動電
動機の台数制御、または極数変換制御、または可変周波
数制御を併用したり、ジェットファンの台数制御を利用
した場合、あるいは排風機駆動電動機の台数制御または
極数変換制御、または可変周波数制御単独の場合の換気
制御系にも適用可能である。

さらに上記実施例では、一方向交通の分岐・合流のある
トンネルについて取扱ったが、分岐・合流のないトンネ
ル、また対面交通の場合についても適用可能である。ま
た本実施例では、交通量の予測フィルタ演算部で、予測
フィルタのパラメータを逐次最小２乗法で推定するとし
たが、これらのパラメータ値を予め得られている場合
は、予め設定しておくことも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、汚染濃度を許容値
内に保持して省電力を図ることができると共に、機器の
長寿命化を実現した、効果的な集中排気式自動車トンネ
ルの換気制御方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は本発明の制御
対象である集中排気式自動車トンネルの説明図、第２図
は本発明の制御演算の概略を示す流れ図、第３図(a) 〜
(e) の換気ノッチの状態を各ノッチ毎に示す図、第４図
はトンネル区間を説明するための図である。 １……トンネル ２……自動車の交通 ３……換気用排風機 ４……按分ダンパー ５……交通量計測装置 ６……煙霧透過率計 ７……一酸化炭素濃度計 ８……風向風速計 Ｑf ……トンネル風量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 隆正 東京都府中市東芝町１ 東京芝浦電気株式 会社府中工場内 (56)参考文献 特開 昭57−300（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−64098（ＪＰ，Ａ) 特公 昭32−8141（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭32−5389（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下線にそれぞれ分岐、合流を有する一方
   向通行のトンネルに対し、集中排気式の複数台の換気用
   排風機と、この換気用排風機と前記トンネル内の所定の
   複数区間との間を連通する各ダクト内に設けられた按分
   ダンパーとを備え、前記複数区間における汚染濃度を許
   容値内に保持する集中排気式自動車トンネルの換気制御
   方法において、 トンネル内の前記複数区間の汚染濃度、風向方向、風速
   および交通量を測定し、この測定した交通量の時系列デ
   ータに対して予測フィルタ処理を行い、短時間先のトン
   ネル内の在車台数を予測すると共に、 前記換気用排風機の運転台数と排風用按分ダンパーの開
   度との組合わせによる複数の換気ノッチ毎に、前記予測
   在車台数による交通換気量や自然風速による圧力を加味
   した所定の演算手法により前記複数区間の風量を求め、
   この風量と予測在車台数に基づいて得られる汚染発生量
   とから各複数区間毎の汚染濃度をそれぞれ求め、 この汚染濃度が許容値以内、動力が最小、換気機器の現
   状状態を最大限維持、トンネル内の濃度の平均化を指標
   として前記換気ノッチを決定し、 この決定された換気ノッチにより換気用排風機の運転台
   数および按分ダンパーの開度を制御することを特徴とす
   る集中排気式自動車トンネルの換気制御方法。