KR101800668B1 - 터널 환기 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

터널 환기 제어 방법 및 장치가 개시된다. 터널 환기 제어 방법은 예측 공기 압력 및 예측 공기 속도를 기반으로 터널 내 공기의 압력 및 속도를 결정하는 단계와 압력 및 속도를 기반으로 환기 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있되, 예측 공기 압력은 터널 내에서 예측된 공기 압력의 크기이고, 예측 공기 속도는 터널 내에서 예측된 공기 속도의 크기이고, 속도는 바람의 방향을 나타내며 특정 위치에서 풍량의 총량을 산출하기 위한 근접 행렬 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정되고, 압력은 속도 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정될 수 있다.

Description

터널 환기 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for control of ventilation of tunnel}
본 발명은 환기 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터널 환기 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
터널 환기 시스템의 기본적인 목적은 차량으로부터 배출된 오염 물질을 터널 밖으로 내보냄으로써 운전자에게 쾌적한 운전 환경을 제공하는 것이다. 또한, 환기 시설의 운영을 위하여 소비되는 동력을 최소화시키고 장비의 수명을 연장시키는 것 또한 시스템의 관리 측면에서 매우 중요하다.
국내 도로 터널 환기 시스템 설계는 주로 국제 상설 도로 협회와 일본의 설계 기준 및 지침에 전적으로 의존하여 왔다. 그러나 이들 설계 방법의 무조건적인 적용은 현재 적지 않은 문제점을 낳고 있다. 국내의 기상, 차량, 교통 특성 등을 고려하지 않음으로써 과다 용량의 환기 설비가 설치 운영됨으로써 비용이 과다 지출되는 문제가 발생하고 있으며, 운영면에서도 자동 제어 시스템의 운영 효율이 극히 낮은 문제가 제기되고 있다. 따라서, 최근 터널 환기 시스템의 설계 및 운영은 더욱 효율적인 설계 방법을 요구하고 있으며 궁극적으로는 최적의 환기 시스템 설계의 필요성이 대두되고 있다.
KR 10-2008-0042508
본 발명의 일 측면은 터널 환기 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 터널 환기 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 터널 환기 제어 방법은 예측 공기 압력 및 예측 공기 속도를 기반으로 터널 내 공기의 압력 및 속도를 결정하는 단계와 상기 압력 및 상기 속도를 기반으로 환기 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 예측 공기 압력은 상기 터널 내에서 예측된 공기 압력의 크기이고, 상기 예측 공기 속도는 상기 터널 내에서 예측된 공기 속도의 크기이고, 상기 속도는 바람의 방향을 나타내며 특정 위치에서 풍량의 총량을 산출하기 위한 근접 행렬 및 상기 예측 공기 압력을 기반으로 결정되고, 상기 압력은 상기 속도 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정될 수 있다.
한편, 상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계값 이하이고, 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계값 이하인 경우에만, 상기 속도와 상기 압력이 상기 환기 시스템을 제어하기 위해 사용되고, 상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계 값 초과 또는 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계 값 초과인 경우, 상기 예측 공기 압력과 상기 예측 공기 속도가 재조정될 수 있다.
또한, 상기 속도 및 상기 압력은 PPIST, PFAN, PFRICT를 기반으로 결정되고, 상기 PPIST는 차량의 움직임으로 인한 차량풍으로 인한 압력이고, 상기 PFAN는 상기 환기 시스템에 포함되는 복수의 팬에 의한 압력이고, 상기 PFRICT는 터널 내 벽면 마찰로 인한 압력일 수 있다.
또한, 상기 환기 시스템은 상기 터널 내의 오염물 확산 및 오염물 배출량을 기반으로 결정되고, 상기 오염물 확산은 1차 확산 방정식을 기반으로 결정되고, 상기 오염물 배출량은 차종 별 환산된 승용차 대당 평균 배출량, 차종 별 터널 내 환산 승용차 대수를 기반으로 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 터널 환기 제어 시스템은 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 예측 공기 압력 및 예측 공기 속도를 기반으로 터널 내 공기의 압력 및 속도를 결정하고, 상기 압력 및 상기 속도를 기반으로 환기 시스템을 제어하도록 구현될 수 있되, 상기 예측 공기 압력은 상기 터널 내에서 예측된 공기 압력의 크기이고, 상기 예측 공기 속도는 상기 터널 내에서 예측된 공기 속도의 크기이고, 상기 속도는 바람의 방향을 나타내며 특정 위치에서 풍량의 총량을 산출하기 위한 근접 행렬 및 상기 예측 공기 압력을 기반으로 결정되고, 상기 압력은 상기 속도 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정될 수 있다.
한편, 상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계값 이하이고, 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계값 이하인 경우에만, 상기 속도와 상기 압력이 상기 환기 시스템을 제어하기 위해 사용되고, 상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계 값 초과 또는 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계 값 초과인 경우, 상기 예측 공기 압력과 상기 예측 공기 속도가 재조정될 수 있다.
또한, 상기 속도 및 상기 압력은 PPIST, PFAN, PFRICT를 기반으로 결정되고, 상기 PPIST는 차량의 움직임으로 인한 차량풍으로 인한 압력이고, 상기 PFAN는 상기 환기 시스템에 포함되는 복수의 팬에 의한 압력이고, 상기 PFRICT는 터널 내 벽면 마찰로 인한 압력일 수 있다.
또한, 환기 시스템은 상기 터널 내의 오염물 확산 및 오염물 배출량을 기반으로 결정되고, 오염물 확산은 1차 확산 방정식을 기반으로 결정되고, 오염물 배출량은 차종 별 환산된 승용차 대당 평균 배출량, 차종 별 터널 내 환산 승용차 대수를 기반으로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터널 환기 제어 방법 및 장치가 사용되는 경우, 점차 복잡하고 다양한 형태로 진화되는 터널(도로, 철도)의 최적의 환기를 위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 기법을 사용하여 제어 전에 다양한 환기 운영을 연산하여 검증한 결과를 이용하여 최적의 환기 운영(운영에 따른 에너지 절약 조건, 적정 공기질 유지 조건)을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 환기 운영 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환기 예측 연산 장치의 환기 예측 연산 알고리즘을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
종래의 터널 내 환기 관련 기술은 장대화되거나 터널 내부에서 네트워크화된 터널의 환기 운영을 위하여 터널 내부의 환경 차량의 운행 조건 등을 고려하지 않고 공기질 유지 조건을 위하여 순간 팬을 과도하게 운영하게 된다. 따라서, 순간 전기 소비가 커지게 되고 많은 전기 사용료가 발생하게 된다.
예를 들어, 국내 최장대 일반 철도 터널인 솔안 터널의 전기 사용량은 아래의 표1과 같다.
계절 여름철(7-8월) 봄/가을철
(3-6월, 9-10월)		 겨울철(11-12월)
요금차 경부하 중간부하 최대부하 경부하 중간부하 최대부하 경부하 중간부하 최대부하
경부하 202,120 173,580 442,980 202,120 73,830 174,560 225,090 151,270 339,940
중간부하 375,700 269,400 275,950 100,730 376,360 188,670
최대부하 645,100 376,680 565,030
솔안 터널과 같은 장대 터널에서 내부에 오염 물질(분진, NOx 등)의 배기를 위해 운전되고 있는 터널 환기 시스템은 운영에 많은 전력을 소비하고 있으며 월 5천만원 이상 발생하고 있다. 또한 계절별, 운영 방식 등에 따라 터널에서의 전력 소비량이 다르고 이에 따른 요금도 차별화되고 있다. 현재 터널에 사용되고 있는 환기 제어 기술은 터널 내부의 공기 질을 측정하는 센서에서 입력되는 값과 공기질 유지 기준과 비교하여 단순히 제어되고 있다.
또한 기존의 터널 환기를 위한 연산에는 3D(dimension) CFD(Computational Fluid Dynamics: 전산 유체 역학)와 1D CFD을 사용하는데 3D CFD는 터널 내부 환경을 예측하는데 있어 과다한 연산 시간을 소요(하루 이상)하게 하고 많은 하드웨어 리소스를 요구하고 있다. 또한, 기존의 1D(dimension) 터널 환기 연산은 적정한 연산 시간을 제공하지만 최근 국내의 터널 환경과 같이 지하에서 장대화되거나 네트워크화되는 곳에 적용이 어렵다는 단점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 장대화되고 복잡한 형태의 네트워크 터널(도로, 철도)의 센서부로부터 입력된 값을 기준으로 터널 내부 공기질 유지를 위한 최적의 운영 방법을 예측하는 연산 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 터널 내 자연적으로 생성되는 자연풍과 차량에 의한 차량풍을 예측하여 터널 내의 송풍기의 가동 시점과 정지 시점을 정확히 적용하여 최대 부하를 피하여 운영할 수 있기 때문에 전기 요금이 절약될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 환기 운영 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 터널 환기 운영 시스템은 센서 장치(100), 통신 장치(110), 제어부(140), 환기 시스템(150), 데이터 서버 장치(120), 환기 예측 연산 장치(130)를 포함할 수 있다.
센서 장치(100)는 터널 내에서 터널 환경 정보를 센싱하기 위해 구현될 수 있다. 터널 환경 정보는 터널 내의 공기의 오염도, 터널 내의 차량에 의한 공기의 흐름, 터널 내에 자연적으로 생성된 공기의 흐름 등에 대한 정보를 센싱하기 위해 구현될 수 있다.
통신 장치(110)는 센서 장치에 의해 센싱된 센싱 값을 데이터 서버 장치(120)로 전송하기 위해 구현될 수 있다. 또한, 통신 장치(110)는 터널 환기를 위한 팬, 외부 환경 정보(공기 정보, 차량 정보 등)를 전송하는 데이터 서버 등과의 통신을 위해 구현될 수 있다.
제어부(140)는 센서 장치(100), 통신 장치(110), 환기 시스템(150), 데이터 서버 장치(120), 환기 예측 연산 장치(130) 및 환기 시스템(150) 등의 제어를 위해 구현될 수 있다.
환기 시스템(150)은 터널 내의 공기를 환기하기 위해 구현될 수 있다. 환기 시스템(150)은 터널 내에 설치된 복수의 팬을 포함할 수 있다.
데이터 서버 장치(120)는 통신 장치와의 데이터 통신을 위해 구현될 수 있다. 데이터 서버 장치(120)는 센싱 장치에 의한 센싱 값을 수신하고, 수신된 센싱 값을 통신 장치(110)를 통해 수신할 수 있다.
환기 예측 연산 장치(130)는 데이터 서버 장치(120)로부터 수신한 센싱 값을 기반으로 터널 내의 환기에 대한 예측 연산을 수행하기 위해 구현될 수 있다. 즉, 환기 예측 연산 장치(130)는 센서 장치(100)로부터 입력된 값을 기준으로 터널 내부 공기질 유지를 위한 최적의 환기 시스템(150)의 운영 방법을 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환기 예측 연산 장치의 환기 예측 연산 알고리즘을 나타낸 개념도이다.
환기 예측 연산 장치에서 네트워크 터널을 연산하기 위한 근접 행렬이 사용될 수 있다. 근접 행렬은 환기 방향의 표현을 위해 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 환기 예측 연상 장치는 압력값 P*을 추정한다(단계 S200).
터널 내의 공기의 압력과 속도를 구할 때 바로 변수로 사용하면 참 값을 얻기 위한 수렴이 잘 되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 압력은 P=P’+P*, 속도는 u=u’+ u*로 설정하고, 먼저 P*를 가정하여 모멘텀 방정식에 대입하여 u*구할 수 있다.
u*를 결정한다(단계 S210).
u*는 모멘텀 방정식을 기반으로 결정될 수 있다. 이하, u*를 결정하기 위한 수식을 개시한다.
연속 방정식은 아래의 수학식 1-1과 같다.
<수학식 1-1>
Figure 112016028197266-pat00001
모멘텀 방정식은 아래의 수학식 1-2와 같다.
<수학식 1-2>
Figure 112016028197266-pat00002
에너지 방정식은 아래의 수학식 1-3과 같다.
<수학식 1-3>
Figure 112016028197266-pat00003
여기서 수학식 1-1 내지 수학식 1-3의 LHS(left hand side)를 다시 정리하면 아래의 수학식 2-1내지 수학식 2-3으로 표현될 수 있다.
<수학식 2-1>
Figure 112016028197266-pat00004
<수학식 2-2>
Figure 112016028197266-pat00005
<수학식 2-3>
Figure 112016028197266-pat00006
위의 수학식 2-1 내지 수학식 2-3을 정리하면, 아래의 수학식 3-1 내지 수학식 3-3으로 표현될 수 있다.
<수학식 3-1>
Figure 112016028197266-pat00007
<수학식 3-2>
Figure 112016028197266-pat00008
<수학식 3-3>
Figure 112016028197266-pat00009
위의 수학식 3-1 내지 수학식3-3에서 행렬의 형태로 연속 방정식과 모멘텀 방정식이 아래의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112016028197266-pat00010
<수학식 5>
Figure 112016028197266-pat00011
이때 행렬식으로 표현할 때 유체의 방향을 나타내는 [A] 이라는 근접행렬을 사용될 수 있다.
여기서, 수학식 4의 행렬 [M]은
Figure 112016028197266-pat00012
이고, JxJ 의 대각 행렬일 수 있다.
그리고 행렬[M]과 속도의 u의 곱은 각 터널 위치 별 풍량으로 수학식 3-1에서
Figure 112016028197266-pat00013
에 해당될 수 있다.
근접 행렬[A]는 바람의 방향을 나타내며 구체적으로 터널이 관망 형태로 연결되어 있으면 들어오는 풍량을 +1, 나가는 풍량을 -1로 표현하여 그 위치에서의 풍량의 총량을 구하기 위해 사용될 수 있다. 수학식4의 {b}는 수학식 3-1의 나머지 항을 의미한다.
수학식5의 행렬 [A]T는 근접 행렬의 전치 행렬(transposed matrix)로써 행렬 [A]의 행과 열이 바뀔 수 있다. {P}는 압력 항을 나타내고 행렬[Y]는 수학식 3-2에서
Figure 112016028197266-pat00014
의 JxJ의 대각 행렬일 수 있다.
수학식4 및 수학식5에서 {u}는 속도 벡터이고 {t}는 수학식 3-2의 나머지 항들을 의미할 수 있다.
여기서 u 및 P는 아래의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
<수학식 6>
Figure 112016028197266-pat00015
전술한 바와 같이 계산의 수렴을 위하여 수학식 6이 사용될 수 있다.
수학식 6을 다시 u에 대하여 정리하고 이때 가정한 P*에 대하여 표현하면, 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
<수학식 7>
Figure 112016028197266-pat00016
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 유체 해석과 다르게 근접 행렬을 적용하여 터널의 연결망 유체 흐름의 방향을 표시하여 적용하여 유체 해석이 수행될 수 있다.
P'를 결정한다(단계 S220).
수학식 7에서 결정된 u*를 기반으로 다시 P’가 결정될 수 있다.
P'를 기반으로 압력 및 속도를 업데이트한다(단계S230).
P'를 기반으로 P=P’+P*가 결정될 수 있다. 결정된 P를 기반으로 다시 속도 u가 결정될 수 있다.
에너지 방정식, 확산 방정식을 기반으로 수렴 조건 만족 여부를 판단한다(단계 S240).
이렇게 구한 P와 u와 처음에 가정한 P*, u* 간의 차이가 많이 발생하면 다시 일정 비율로 P*를 증가(또는 감소)시킨 후 다시 계산하여 오차가 적어질 때까지 반복 계산하고 오차가 작아지면(통상 0.001 이하: 수렴 조건) 그 때 P와 u가 참 값으로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수학식 3-2는 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
<수학식 8>
Figure 112016028197266-pat00017
위의 수학식 8에서 식에서 압력과 속도가 산출될 수 있다. PFAN, PPIST, PFRICT는 수식 형태로 결정될 수 있으며 PFAN, PPIST, PFRICT는 아래의 수학식 9, 수학식 10 및 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
<수학식 9>
Figure 112016028197266-pat00018
PPIST는 차량의 움직임에 따라 차량으로 인해 발생하는 차량풍을 표현할 수 있다.
<수학식 10>
Figure 112016028197266-pat00019
Figure 112016028197266-pat00020
Figure 112016028197266-pat00021
팬 성능 곡선이 다양하여 팬의 종류에 따라 위의 수식 중 하나의 형태로 표현될 수 있다. 통상적으로는 첫번째인 2차 방정식이 사용될 수 있으며 2차 곡선으로 표현이 잘 안되면 두번째 또는 세번째 형태로 사용될 수 있다.
<수학식 11>
Figure 112016028197266-pat00022
PFRICT는 벽면 마찰에 의한 압력 손실을 나타낸다.
이하에서는 수렴 조건 만족 여부를 판단하기 위한 확산 방정식을 풀기 위한 수식이 개시된다.
<수학식 12>
Figure 112016028197266-pat00023
<수학식 13>
Figure 112016028197266-pat00024
수학식 12 및 수학식 13은 터널 내 공기 오염물 확산에 사용되는 지배 방정식이다. 수학식 12는 계산의 용이성을 위하여 1차 형태의 식을 사용한 확산 방정식이다. 수학식 13은 터널 내 공기 오염물(차량에서의 배출 가스)의 확산을 계산하기 위해 오염 배출량을 설정하기 위해 사용되는 식이다. 오염 배출량은 통상적으로 측정에 의해서 산출될 수 있다.
터널 내 움직이는 차량 및 차량 종류에 대하여 그 순간순간 배출량이 측정되기는 어렵기 때문에 차량의 숫자와 차종에 대하여 환산 값을 이용하여 배출량이 계산될 수 있다.
수학식 13에 대해 구체적으로 설명하면 QT는 총 배출량이고, Qt,aver는 차종 별 환산 승용차 대당 평균 배출량이고 n은 차종 별 터널 내 환산 승용차 대수이고 첨자 lim은 설계농도(ppm), amb는 외부 농도(ppm 단위 사용)를 의미할 수 있다.
기존 1D-연산 장치는 환기의 방향이 바뀔 때 계산하지 못하는데 반해 본 발명의 실시예에 따른 터널에서의 환기 제어를 위한 네트워크 1D 환기 예측 연산은 기존 3D CFD보다 짧아질 수 있다. 따라서, 본 발명은 빠르게 터널 환기 운영 시스템에서 공기질 유지를 위하여 최적의 터널 환기 운영 조건을 제시하여 전기 요금을 최소화하고, 인간에게 유해한 터널 내 공기 오염을 적정 수준 이상으로 제거할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 터널 환기 제어 방법은 예측 공기 압력(P*) 및 예측 공기 속도(u*)를 기반으로 터널 내 공기의 압력(P) 및 속도(u)를 결정하고, 압력 및 속도를 기반으로 환기 시스템을 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이 예측 공기 압력은 상기 터널 내에서 예측된 공기 압력의 크기이고, 예측 공기 속도는 상기 터널 내에서 예측된 공기 속도의 크기일 수 있다. 속도는 바람의 방향을 나타내며 특정 위치에서 풍량의 총량을 산출하기 위한 근접 행렬 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정될 수 있다. 압력은 속도 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 속도와 예측 속도와의 차이가 제1 임계값 이하이고, 압력과 예측 압력과의 차이가 제2 임계값 이하인 경우에만, 속도와 압력이 환기 시스템을 제어하기 위해 사용되고, 속도와 예측 속도와의 차이가 제1 임계 값 초과 또는 압력과 예측 압력과의 차이가 제2 임계 값 초과인 경우, 예측 공기 압력과 예측 공기 속도가 재조정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3에서는 터널 내 공기 오염을 제거하기 위한 제어 절차가 개시된다.
도 3을 참조하면, 환기 시스템은 차량 운행 관련 정보(300)를 기반으로 환기 팬을 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 환기 시스템은 시간대 별로 터널을 운행하는 차량의 운행량을 산출할 수 있다. 차량의 운행량은 터널의 입구에 설치된 차량 탐지 센서에 의해 센싱될 수 있고, 데이터 서버 장치는 센싱된 차량의 운행량을 시간대 별로 분석할 수 있다.
분석된 시간대 별 차량의 운행량 정보를 기반으로 환기 시스템은 내부 환기를 수행할지 여부 및 터널 내부 환기의 세기 정도를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시간대 별로 유입되는 차량의 차종 정보를 고려하여 터널 내부의 환기 여부 및 터널 내부의 환기의 세기 정도를 결정할 수 있다.
차량의 차종은 화물차, 자가용, 오토바이 등으로 카테고리를 나누어 결정되거나, 좀더 상세하게 이미지 분석을 통해 해당 차종이 어떠한 연료(휘발류, 디젤, 전기차 등)를 기반으로 동작하는지 까지도 결정될 수 있다. 예를 들어, 차종의 이미지 분석 및 차량의 번호판 정보를 기반으로 위와 같은 차량의 카테고리가 결정될 수 있다.
이러한 방법이 사용되는 경우, 차량의 이동이 적은 시간(예를 들어, 새벽 시간)에는 터널 환기 시스템이 상대적으로 약하게 동작하고, 차량의 이동이 많은 시간에는 터널 환기 시스템이 상대적으로 강하게 동작하여 환기 시스템에 의한 전력 소모가 감소될 수 있다. 따라서, 터널 내부의 환기 시스템에서 불필요한 전력 소모가 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4에서는 터널 내 공기 오염을 제거하기 위한 팬의 제어 절차가 개시된다.
도 4를 참조하면, 환기 시스템은 터널 내의 자연 바람의 방향 및 세기 정보를 기반으로 복수의 환기 팬 중 구동될 환기 팬을 결정할 수 있다.
예를 들어, 터널 내에 구현된 복수의 환기 팬은 바람의 방향을 고려하여 서로 다른 세기로 동작할 수 있다.
터널 내의 자연 바람이 제1 방향(410)으로 이동하는 경우, 바람이 유입되는 터널의 제1 지역(410)의 오염도보다 터널의 제2 지역(460)의 오염도가 더 클 수 있다. 따라서, 터널의 제1 지역(410)에 위치한 환기 팬의 바람의 세기보다 터널의 제2 지역(460)에 위치한 환기 팬의 바람의 세기가 더 크도록 설정될 수 있다.
반면, 터널 내의 자연 바람이 제2 방향(420)으로 이동하는 경우, 바람이 유입되는 터널의 제2 지역(460)의 오염도보다 터널의 제1 지역(450)의 오염도가 더 클 수 있다. 따라서, 터널의 제2 지역(460)에 위치한 환기 팬의 바람의 세기보다 터널의 제1 지역(450)에 위치한 환기 팬의 바람의 세기가 더 크도록 설정될 수 있다.
터널의 길이에 따라 터널의 지역 구분은 더욱 많아질 수 있다. 예를 들어, 터널이 길어서 터널이 제1 지역, 제2 지역 및 제3 지역으로 분리되고, 제1 지역에서 제3 지역 방향으로 바람이 부는 경우, 제1 지역에 설치된 제1 팬 그룹, 제2 지역에 설치된 제2 팬 그룹 및 제3 지역에 설치된 제3 팬 그룹으로 갈수록 팬의 구동 속도가 더욱 강해지도록 팬의 동작이 설정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터널 내 공기 오염을 제거하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 5에서는 터널 내 공기 오염을 제거하기 위한 팬의 제어 절차가 개시된다.
도 5를 참조하면, 터널 내로 유입되는 자연 바람의 세기를 고려하여 환기 팬의 동작 세기를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 바람의 세기가 제1 세기 범위(510)인 경우, 동작하는 환풍기의 범위가 제1 범위(515)로 설정되고, 바람의 세기가 제2 세기 범위(520)인 경우, 동작하는 환풍기의 범위가 제2 범위(525)로 설정되고, 바람의 세기가 제3 세기 범위(530)인 경우, 동작하는 환풍기의 범위가 제3 범위(535)로 설정될 수 있다. 제1 세기 범위(510)에서 제3 세기 범위(530)로 갈수록 바람의 세기가 커질 수 있다.
바람의 세기가 셀수록 동작하는 환풍기의 범위가 바람의 방향을 기준으로 뒤로 이동할 수 있다. 즉, 이러한 방법을 통해 자연적으로 이동하는 바람의 세기를 고려하여 오염 물질의 농도가 높을 것으로 예상되는 지역의 환풍기를 집중적으로 동작시킴으로써 환풍기에 의한 전력 소모를 줄일 수 있다.
이와 같은 터널 환기 제어 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 터널 환기 제어 방법은,
    예측 공기 압력 및 예측 공기 속도를 기반으로 터널 내 공기의 압력 및 속도를 결정하는 단계; 및
    상기 압력 및 상기 속도를 기반으로 환기 시스템을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 예측 공기 압력은 상기 터널 내에서 예측된 공기 압력의 크기이고,
    상기 예측 공기 속도는 상기 터널 내에서 예측된 공기 속도의 크기이고,
    상기 속도는 바람의 방향을 나타내며 특정 위치에서 풍량의 총량을 산출하고 터널의 연결망 유체 흐름의 방향을 표시하는 근접 행렬 및 상기 예측 공기 압력을 기반으로 결정되고,
    상기 압력은 상기 속도 및 예측 공기 압력을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하며,
    상기 근접 행렬은 바람의 방향을 나타내며 터널이 관망 형태로 연결되어 있으면 풍량을 +1, 나가는 풍량을 -1로 표현하여 그 위치에서의 풍량의 총량을 구하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계값 이하이고, 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계값 이하인 경우에만, 상기 속도와 상기 압력이 상기 환기 시스템을 제어하기 위해 사용되고,
    상기 속도와 상기 예측 속도와의 차이가 제1 임계 값 초과 또는 상기 압력과 상기 예측 압력과의 차이가 제2 임계 값 초과인 경우, 상기 예측 공기 압력과 상기 예측 공기 속도가 재조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서
    상기 속도 및 상기 압력은 PPIST, PFAN, PFRICT를 기반으로 결정되고,
    상기 PPIST는 차량의 움직임으로 인한 차량풍으로 인한 압력이고,
    상기 PFAN는 상기 환기 시스템에 포함되는 복수의 팬에 의한 압력이고,
    상기 PFRICT는 터널 내 벽면 마찰로 인한 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 환기 시스템은 상기 터널 내의 오염물 확산 및 오염물 배출량을 기반으로 결정되고,
    상기 오염물 확산은 1차 확산 방정식을 기반으로 결정되고,
    상기 오염물 배출량은 차종 별 환산된 승용차 대당 평균 배출량, 차종 별 터널 내 환산 승용차 대수를 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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