JPH09145109A - 道路トンネルの換気自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トラフィックカウンタや微気圧計によって交通
換気力や自然換気力を取り込なくても環境予測が可能
で、その予測に基づく換気用ファンの制御により道路ト
ンネル全体について迅速に汚染を緩和して環境改善が行
えるようにする。 【解決手段】道路トンネル５０を２個のセクションに分
割してモデル化し、煤煙透過率計１で計測値を煤煙濃度
に変換し、その煤煙濃度を用いて煤煙発生量を算出す
る。また、煤煙発生量・風速予測部７で煤煙発生量の時
系列変化より煤煙発生量を予測し、換気用ファン４の換
気力と車道トンネル５０の車道抵抗力から風速を予測す
る。さらに、予測煤煙透過率演算部８で予測煤煙透過率
を求め、ファジィ評価決定部９で予測煤煙透過率と換気
用ファンの運転条件を用いてファジイ評価を行い、その
評価結果をもとに換気用ファン４の最適運転台数を決定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、道路トンネル内に
おける換気用ファンの自動制御を行なう換気自動制御装
置に係わり、特に道路トンネル内の汚染状態を予測しフ
ァジィ理論に基づいて換気用ファンの自動制御を行なう
道路トンネルの換気自動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】道路トンネル内に配設される換気用ファ
ンを制御し、その道路トンネル内の汚染を緩和するため
の装置として換気自動制御装置がある。図８は、従来の
一般的な換気自動制御装置の概略構成を示すブロック図
である。図８において、煤煙透過率・一酸化炭素予測部
１１２には、道路トンネルに設置した煤煙透過率計（Ｖ
Ｉ計）１０１、一酸化炭素濃度計（ＣＯ計）１０２、風
向風速計（Ｗ計）１０３、及びトラフィックカウンタ
（ＴＣ計）１１１から現在の各々の計測値が取り込ま
れ、さらに、現在の換気用ファンの運転状態が取り込ま
れ、煤煙透過率・一酸化炭素予測部１１２により煤煙透
過率予測値および一酸化炭素濃度予測値が得られる。煤
煙透過率・一酸化炭素予測部１１２によって導出された
煤煙透過率予測値および一酸化炭素濃度予測値は制御出
力決定部１１３に入力され、換気用ファンの運転台数の
増減が演算され、換気用ファンの運転台数を制御するた
めの出力が得られる。従来では、このような換気自動制
御装置によって、道路トンネル内の排気ガスや煤煙等に
よる汚染を緩和させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような換気自動
制御装置による道路トンネル内の環境情報を取得する際
には、トラフィックカウンタ１１１の計測値を用いて交
通換気力を導出し、交通換気力を煤煙透過率・一酸化炭
素予測部１１２における予測に利用している。また、図
示しないが、自然換気力を導出するために微気圧計等の
計測値を用いることもしばしばある。しかし、一般に道
路トンネル内においては各車種毎に走行特性や排気ガス
排出特性や空気抵抗特性等が異なり、トラフィックカウ
ンタ１１１の計測値には不確定要素が多く含まれてい
る。さらに、微気圧計等を利用して自然換気力を導出す
る場合にも、自然風の変化等、時々刻々と変化する外界
情報を取得するには不確定要素が多いためにその評価が
難しく、厳密にこれらの要素を定式化し評価する方法は
未だ確立されていないのが現状である。

【０００４】また、上記のような換気自動制御装置で導
出される煤煙透過率予測値は煤煙透過率計１０１付近の
環境に対する予測値でしかなく、道路トンネル全体に対
して予測を行うためには煤煙透過率計１０１を多数設置
する必要があった。さらに、応答遅れ等により換気に過
不足を生じ、その結果適切な環境改善が行なわれない場
合があり、また、無駄な電力量を要することもあり、こ
れらの点においても改善する余地があった。

【０００５】本発明の目的は、交通換気力や自然換気力
等の不確定要素を含む計測値をトラフィックカウンタや
微気圧計等で取り込まない手法によっても環境予測が行
え、その予測に基づく換気用ファンの制御により、道路
トンネル全体について迅速に汚染を緩和して環境改善が
行える道路トンネルの換気自動制御装置を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、道路トンネル内に配設される換気
用ファンと、その道路トンネル内の現在の煤煙透過率を
検出する煤煙透過率計と、上記道路トンネル内の一酸化
炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度計と、上記道路トン
ネル内の風速を検出する風向風速計とを備えた道路トン
ネルの換気自動制御装置において、前記道路トンネルを
少なくとも２個のセクションに分割してそれぞれのセク
ションをモデル化する換気モデル化部と、前記煤煙透過
率計より得られた煤煙透過率の計測値より煤煙濃度を導
出しその煤煙濃度および前記風向風速計より得られた風
速から上記道路トンネル内におけるセクションの各々に
ついて煤煙発生量を算出する煤煙発生量演算部と、上記
煤煙発生量の時系列変化より所定時間後の煤煙発生量を
予測すると共に換気用ファンの換気力ならびに車道トン
ネルの車道抵抗力から所定時間後の風速を予測する煤煙
発生量・風速予測部と、前記煤煙発生量の予測値および
前記風速の予測値よりセクションの各々における予測煤
煙濃度を算出しその煤煙濃度より予測煤煙透過率を導出
する予測煤煙透過率演算部と、前記予測煤煙透過率およ
び上記換気用ファンの運転条件と予め定義したメンバシ
ップ関数とを用いて満足度を評価しその評価結果をもと
に道路トンネル全体における換気用ファンの最適運転台
数を決定するファジィ評価決定部と、を備えることを特
徴とする道路トンネルの換気自動制御装置が提供され
る。

【０００７】上記のように構成した本発明においては、
換気モデル化部によって道路トンネルを少なくとも２個
のセクションに分割してモデル化し、各セクションにつ
いて環境予測を行う。煤煙発生量演算部では、煤煙透過
率計より得られた煤煙透過率の計測値より煤煙濃度を導
出し、その煤煙濃度および風向風速計より得られた風速
から道路トンネル内における煤煙発生量を各セクション
について算出する。このように、煤煙透過率を煤煙濃度
に変換してからそれを用いて煤煙発生量を算出するた
め、各セクション全体、引いては道路トンネル全体に対
して環境予測が行え、従来のように煤煙透過率計付近の
みの予測になることがない。従って、煤煙透過率計を多
数設置する必要もない。

【０００８】煤煙発生量・風速予測部では煤煙発生量お
よび風速が予測されるが、所定時間後の煤煙発生量につ
いては各セクションについて算出した煤煙発生量の時系
列変化より予測が行われ、一方、所定時間後の風速につ
いては、換気用ファンの換気力ならびに車道トンネルの
車道抵抗力から予測が行なわれる。本発明では、風速を
予測する際に、トラフィックカウンタや微気圧計等の計
測器を用いず、交通換気力や自然換気力等の不確定要素
を含む計測値を取り込まなくても所定時間後の風速の予
測が可能である。

【０００９】予測煤煙透過率演算部では、上記煤煙発生
量・風速予測部で求めた煤煙発生量の予測値および風速
の予測値よりセクションの各々における煤煙濃度が算出
され、その煤煙濃度が予測煤煙透過率に変換される。つ
まり、この予測煤煙透過率を求めることによって道路ト
ンネル内環境の傾向予測が行われたことになる。

【００１０】そして、ファジィ評価決定部で、上記予測
煤煙透過率および換気用ファンの運転条件と予め定義し
たメンバシップ関数とを用いて満足度が評価される。こ
の満足度の評価がファジイ評価であり、その評価結果を
もとに換気用ファンの最適運転台数が決定される。これ
により、予測煤煙透過率、従って道路トンネル内環境の
傾向予測に基づいて道路トンネル全体で運転べき換気用
ファンの最適運転台数を決定することができ、換気用フ
ァンの運転台数の過剰運転を防止して無駄な電力消費や
換気過剰をなくした効率的な制御を実現することが可能
となる。また、環境予測に基づいて換気用ファンの始動
が早まり、応答遅れ等がなく速やかに道路トンネル内全
体の環境改善ができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明による道路トンネル
の換気自動制御装置の一実施形態について、図１から図
７を参照しながら説明する。

【００１２】図１は本実施形態の道路トンネルの換気自
動制御装置を示すブロック図、図２は、道路トンネル内
の空気の汚染状況を検出するための各計測器および換気
用ファンの設置状況を模式的に示す図である。図２に示
すように、道路トンネル５０内には現在の煤煙透過率を
検出する煤煙透過率計（ＶＩ計）１、一酸化炭素濃度を
検出する一酸化炭素濃度計（ＣＯ計）２、道路トンネル
５０内の風向風速を検出する風向風速計（Ｗ計）３が設
置されている。また、道路トンネル５０天井部には換気
用ファン４が配設されている。但し、図示は省略した
が、換気用ファン４は、トンネル長手方向に間隔をあけ
て複数個ある。また、一酸化炭素濃度計２の計測値は図
示しない別の手段により換気用ファン４の制御に使用さ
れ、例えば一酸化炭素濃度が一定値以上になれば換気用
ファン４が強制的に運転状態となる。

【００１３】図１において、煤煙透過率計１、一酸化炭
素濃度計２、及び風向風速計３からは現在の各々の計測
値が取り込まれ、各計測器より得られた計測値は換気モ
デル化部５を介して煤煙発生量演算部６に入力される。
なお、一酸化炭素濃度計２の計測値の処理は、煤煙透過
率計１や風向風速計３からの計測値の処理とは独立に行
われるため、以下では説明を省略する。換気モデル化部
５では、道路トンネル５０を複数（本実施形態では２
個）のセクションに分割し、各々のセクションについて
その後の予測を行う。煤煙発生量演算部６では、煤煙透
過率計１より得られた煤煙透過率より煤煙濃度を導出
し、その煤煙濃度および風向風速計３より得られた風速
から煤煙発生量を算出する。

【００１４】次に、煤煙発生量・風速予測部７では、前
記煤煙発生量を用いて、その時系列変化より所定時間後
の煤煙発生量を予測し、さらに換気用ファン４の換気力
ならびに車道トンネル５０の車道抵抗力から所定時間後
の風速を予測する。続いて、予測煤煙透過率演算部８で
は、上記煤煙発生量の予測値および風速の予測値より各
セクションにおける煤煙濃度の予測値を算出し、その煤
煙濃度より予測煤煙透過率、即ち煤煙透過率の予測値を
導出する。この予測煤煙透過率を求めることによって道
路トンネル５０内環境の傾向予測が行われたことにな
る。

【００１５】次に、ファジィ評価決定部９では、予測煤
煙透過率および換気用ファン４の運転条件と、予め定義
したメンバシップ関数とを用いて満足度を評価し、その
評価結果をもとに道路トンネル５０全体における換気用
ファン５０の最適運転台数を決定する。以下、各部にお
ける処理ついて詳述する。

【００１６】換気モデル化部５では、道路トンネル５０
内のより詳細な環境情報を取得するために、図３に示す
ように道路トンネル５０を２個のセクションＴ１，Ｔ２
に分割する。なお、換気モデル化部５で分割するセクシ
ョンの個数は３個以上でもよいが、以下では２個に分割
した場合を中心に説明する。また、煤煙透過率計１は、
通常、図３のように道路トンネル５０出入口付近に２個
設ればよい。

【００１７】煤煙発生量演算部６では、上記のように２
個に分割したセクションＴ１，Ｔ２に対して、下記式
（１）および式（２）により、各セクションの煤煙透過
率計１の計測値を煤煙濃度に変換する。

【００１８】

【数１】

【００１９】

【数２】

【００２０】ここで、Ｓ1(t)は時刻tにおけるセクショ
ンＴ１の煤煙濃度、ＶＩ1(t)は時刻tにおけるセクショ
ンＴ１の煤煙透過率、Ｓ2(t)は時刻tにおけるセクショ
ンＴ２の煤煙透過率である。次に、上記煤煙濃度と風向
風速計３からの風向風速値より現在の煤煙発生量を算出
する。この時、風向を適宜正負に分け、それぞれのセク
ションについて風向が正の場合として下記式（３）、
（４）を、負の場合として式（５）、（６）により算出
する。

【００２１】

【数３】

【００２２】

【数４】

【００２３】

【数５】

【００２４】

【数６】

【００２５】ここで、ΔＳ1(t)は時刻tのセクションＴ
１の現在の煤煙発生量（ｍ³／ｓ）、ΔＳ2(t)はセクシ
ョンＴ２の現在の煤煙発生量（ｍ³／ｓ）、Ａrは車道断
面積（ｍ²）、Ｌ1はセクションＴ１の区間長（ｍ）、Ｌ
2はセクションＴ２の区間長（ｍ）、Ｖr(t)は時刻tの風
速値（ｍ／ｓ）である。

【００２６】煤煙発生量・風速予測部７では、予測煤煙
発生量および予測車道内風速を求める。上記のうち、予
測煤煙発生量の導出法については、上式（３）〜（６）
を用いて各セクションにおける所定時間、例えば過去２
０分間の煤煙発生量の時系列変化より最小２乗法を用い
て近似曲線を求め、予測煤煙発生量を算出する。但し、
予測時間は、例えば１分後から１０分まで任意に設定可
能とする。この算出過程を以下に示す。

【００２７】まず、計測時間の平均値を求めると、次式
（７）のようになる。

【００２８】

【数７】

【００２９】式（７）においてＮ^*は計測時間の平均値
（ｍｉｎ）、Ｎは有効データの総数である。次に、各セ
クションの煤煙発生量の平均を求めると、次式（８）、
（９）のようになる。

【００３０】

【数８】

【００３１】

【数９】

【００３２】ここで、ΔＳ1^*はセクションＴ１の煤煙発
生量の平均値（ｍ³／ｓ）、ΔＳ2^*はセクションＴ２の
煤煙発生量の平均値（ｍ³／ｓ）である。これを用いて
時間k後、即ち予測を行う時刻(t+k)におけるセクション
Ｔ１の煤煙発生量ΔＳ1(t＋k)、およびセクションＴ２
の煤煙発生量ΔＳ2(t＋k)が求められる。

【００３３】また、予測車道内風速については、次の換
気モデル式を用いて算出する。

【００３４】

【数１０】

【００３５】ここで、Ｆjは換気用ファンの換気力、Ｆp
は交通換気力、Ｆnは自然換気力、Ｆlは車道抵抗力、Ｍ
はトンネル内の空気の重量である。上記交通換気力Ｆp
ならびに自然換気力Ｆnを算出するためには、実際には
トラフックカウンタや微気圧計等の計測器を具備してい
ることが必要である。しかし、本実施形態では、車道内
風速の変化率が０である場合、現在時刻の交通換気力な
らびに自然換気力の和を算出することが可能となる。上
記仮定の条件、即ち車道内風速の変化率が０である条件
は、

【００３６】

【数１１】

【００３７】であるから、式（１０）より次式が成り立
つ。

【００３８】

【数１２】

【００３９】上式において、交通量や自然風等の外乱要
素を個別に予測することは困難であるため、一定時間間
隔、例えば５分間は（Ｆp＋Ｆn）が一定値を保持するこ
とを前提とすると、式（１０）および式（１２）より換
気用ファンの運転台数毎の時間k後、例えば１から５分
後の車道内風速は次のように演算される。

【００４０】

【数１３】

【００４１】式（１２）および式（１３）より予測車道
内風速Ｖr(t＋k)を求めることができる。つまり、トラ
フックカウンタや微気圧計等の計測器がなくても車道内
風速の予測が可能となる。

【００４２】予測煤煙透過率演算部８では、まず前述の
ように導出された予測煤煙発生量および予測車道内風速
を用いて以下の式（１４）〜（１７）のような煤煙収支
式を用いて予測煤煙濃度を算出する。

【００４３】

【数１４】

【００４４】

【数１５】

【００４５】

【数１６】

【００４６】

【数１７】

【００４７】但し、式（１４），（１５）は風向が正の
場合、式（１６），（１７）は風向が負の場合である。
次に、上記のようにして得られた予測煤煙濃度を用いて
次式（１８），（１９）により各セクションにおける予
測煤煙透過率を算出する。

【００４８】

【数１８】

【００４９】

【数１９】

【００５０】このように各セクションにおける予測煤煙
透過率の値が求まるが、煤煙透過率が低いほど多くの換
気用ファン４の運転を行う必要があるため、少なくとも
予測煤煙透過率の低い方のセクションの予測煤煙透過率
を用いることが要求される。従って、次のファジイ評価
決定部９では低い方のセクションの予測煤煙透過率を用
いて処理を行う。

【００５１】ファジイ評価決定部９では、求めた予測煤
煙透過率と、換気用ファン４の運転台数に対応する運転
条件である定常電力量、過渡電力量、運転時間の各評価
項目とに対し、あらかじめ定義しておいた各々のメンバ
シップ関数により適合度を求める。各々の適合度を求め
るためのメンバシップ関数はあらかじめ適当なものを定
義しておくが、その一例を図４〜図７に示す。特に、図
７では、換気用ファンの始動か停止操作により負荷がか
かることを考慮して、最初の５分間の適合度を１として
いる。

【００５２】さらに、各々の適合度に重み付けした値の
和を総合満足度として算出する。例えば、予測煤煙透過
率にかける重みを0.7とし、換気用ファンの運転条件の
各評価項目の重みを定常電力量、過渡電力量、運転時間
のそれぞれについて0.15，0.05，0.1と設定すると、総
合満足度は下記の式となる。

【００５３】

【数２０】

【００５４】式（２０）で求めた総合満足度は、換気用
ファン４の運転台数毎に変化するために、配設されてい
る換気用ファン４の台数分だけ繰り返し総合満足度を計
算し、総合満足度が最大値となるときの換気用ファン４
の運転台数を最適な運転台数として決定する。そして、
この最適な運転台数に基づいて換気用ファン４に対して
制御信号が出力される。

【００５５】なお、上記では道路トンネル５０を２個の
セクションに分割したが、３つ以上のセクションに分割
しても良い。その場合も煤煙透過率計（ＶＩ計）１の設
置位置は道路トンネル５０出入口付近に２個設ければよ
く、煤煙発生量演算部６で使用するための各セクション
における煤煙透過率計１の計測値としては両端のセクシ
ョンの計測値を比例配分すれば良い。また、前述と同様
に、煤煙透過率が低いほど多くの換気用ファン４の運転
を行う必要があるため、少なくとも予測煤煙透過率演算
部８で求めた各セクションの予測煤煙透過率の値のうち
の最低の値をファジイ評価決定部９における処理に用い
る。

【００５６】以上のような本実施形態によれば、換気モ
デル化部５によって道路トンネル５０を２個のセクショ
ンＴ１，Ｔ２に分割してモデル化し、各セクションＴ
１，Ｔ２において煤煙透過率計１で計測した煤煙透過率
を煤煙濃度に変換し、その煤煙濃度を用いて煤煙発生量
を算出するので、各セクションＴ１，Ｔ２全体、引いて
は道路トンネル５０の全体に対して環境予測が行え、従
来のように煤煙透過率計付近のみの予測になることがな
い。

【００５７】また、煤煙発生量・風速予測部７で風速を
予測する際に、換気用ファン４の換気力および車道トン
ネル５０の車道抵抗力から予測を行なうので、トラフィ
ックカウンタや微気圧計等の計測器を用いず、交通換気
力や自然換気力等の不確定要素を含む計測値を取り込ま
なくても所定時間後の風速を予測することができる。

【００５８】さらに、予測煤煙透過率演算部８で予測煤
煙透過率を求め、ファジィ評価決定部９で予測煤煙透過
率および換気用ファンの運転条件を用いてファジイ評価
を行うと共にその評価結果をもとに換気用ファン４の最
適運転台数を決定するので、環境の傾向予測に基づいて
道路トンネル５０全体における換気用ファン４の最適運
転台数を決定することができ、換気用ファンの運転台数
の過剰運転を防止して無駄な電力消費や換気過剰をなく
した効率的な制御を実現することができる。また、環境
予測に基づいて換気用ファン４の始動が早まり、応答遅
れ等がなく速やかに道路トンネル５０内全体の環境改善
ができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、道路トンネルを少なく
とも２個のセクションに分割してモデル化し、各セクシ
ョンにおいて煤煙透過率を煤煙濃度に変換し、その煤煙
濃度を用いて煤煙発生量を算出するので、従来のように
煤煙透過率計付近のみの予測になることがなく、各セク
ション全体、従って道路トンネルの全体に対して環境予
測が行える。

【００６０】また、煤煙発生量・風速予測部で風速を予
測する際に、換気用ファンの換気力および車道トンネル
の車道抵抗力から予測を行なうので、トラフィックカウ
ンタや微気圧計等の計測器を用いず、交通換気力や自然
換気力等の不確定要素を含む計測値を取り込まなくても
所定時間後の風速を予測することができる。

【００６１】さらに、ファジィ評価決定部でファジイ評
価を行うと共にその評価結果をもとに換気用ファンの最
適運転台数を決定するので、環境の傾向予測に基づいて
道路トンネル全体における換気用ファンの最適運転台数
を決定することができ、換気用ファンの運転台数の過剰
運転を防止して無駄な電力消費や換気過剰をなくした効
率的な制御を実現することができる。また、環境予測に
基づいて換気用ファンの始動が早まり、応答遅れ等がな
く速やかに道路トンネル内全体の環境改善ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による道路トンネルの換気
自動制御装置を示すブロック図である。

【図２】道路トンネル内の空気の汚染状況を検出するた
めの各計測器および換気用ファンの設置状況を模式的に
示す図である。

【図３】道路トンネルを２個のセクションに分割してモ
デル化した状況を示す図である。

【図４】予測煤煙透過率の適合度を求めるためのメンバ
シップ関数である。

【図５】換気用ファンの運転条件の一つである定常電力
量の適合度を求めるためのメンバシップ関数である。

【図６】換気用ファンの運転条件の一つである過渡電力
量の適合度を求めるためのメンバシップ関数である。

【図７】換気用ファンの運転条件の一つである運転時間
の適合度を求めるためのメンバシップ関数である。

【図８】従来の一般的な換気自動制御装置の概略構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 煤煙透過率計（ＶＩ計） ２ 一酸化炭素計（ＣＯ計） ３ 風向風速計（Ｗ計） ４ 換気用ファン ５ 換気モデル化部 ６ 煤煙発生量演算部 ７ 煤煙発生量・風速予測部 ８ 予測煤煙透過率演算部 ９ ファジィ評価決定部 ５０ 道路トンネル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 道路トンネル内に配設される換気用ファ
   ンと、前記道路トンネル内の現在の煤煙透過率を検出す
   る煤煙透過率計と、前記道路トンネル内の一酸化炭素濃
   度を検出する一酸化炭素濃度計と、前記道路トンネル内
   の風向風速を検出する風向風速計とを備えた道路トンネ
   ルの換気自動制御装置において、 前記道路トンネルを少なくとも２個のセクションに分割
   してそれぞれのセクションをモデル化する換気モデル化
   部と、 前記煤煙透過率計より得られた煤煙透過率の計測値より
   煤煙濃度を導出し、その煤煙濃度および前記風向風速計
   より得られた風速から前記道路トンネル内における前記
   セクションの各々について煤煙発生量を算出する煤煙発
   生量演算部と、 前記煤煙発生量の時系列変化より所定時間後の煤煙発生
   量を予測すると共に、前記換気用ファンの換気力ならび
   に前記車道トンネルの車道抵抗力から所定時間後の風速
   を予測する煤煙発生量・風速予測部と、 前記煤煙発生量の予測値および前記風速の予測値より前
   記セクションの各々における予測煤煙濃度を算出し、そ
   の煤煙濃度より予測煤煙透過率を導出する予測煤煙透過
   率演算部と、 前記予測煤煙透過率および前記換気用ファンの運転条件
   と、予め定義したメンバシップ関数とを用いて満足度を
   評価しその評価結果をもとに前記道路トンネル全体にお
   ける前記換気用ファンの最適運転台数を決定するファジ
   ィ評価決定部と、 を備えることを特徴とする道路トンネルの換気自動制御
   装置。