JP2000008798A - トンネル換気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル交通量の予測方法を改善し、換気制
御の性能を向上させる。 【解決手段】 交通量パターン生成記憶装置７は、交通
量の実測値を蓄積して日毎の交通量パターンを生成し、
周期的に更新する。カルマンフィルタ８は、現時点の交
通量と交通量パターン生成記憶装置７により生成記憶さ
れている当該日対応の交通量パターンとを入力として所
定時間後の交通量を予測する。風量・台数決定手段９
は、車速のデータと予測された交通量とトンネル内の煤
煙濃度計測値を用いて、煤煙濃度をその目標値とするた
めの必要換気量を演算し、換気機の風量・台数を決定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、トンネル換気制御
装置に関し、とくにその改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にトンネル内換気を行うには、トン
ネル内の煤煙発生量を煤煙濃度計測装置にて計測し、そ
の値が上限基準値を上回った場合には換気機の風量・台
数を増加させ、下限基準値を下回った場合には換気機の
風量・台数を減少させるフィードバック制御を実施して
いる。しかしこのような制御方法では、トンネル長の長
いトンネルの場合、トンネル内の煤煙濃度が上限基準値
を上回ってから換気機の風量・台数を増加させたとき、
その効果として煤煙濃度が低下するまでに長い時間がか
かり、その間は高い煤煙濃度が継続するなどの問題が発
生する。

【０００３】このため、とくに長大トンネルでは、トン
ネルの上り・下りの交通量を計測し、その計測値からト
ンネル内交通量を予測し、予測した交通量から発生する
煤煙の量を求め、トンネル内煤煙濃度を目標値にすべき
換気機の風量・台数を決定するフィードフォワード制御
が採用されてきている。この公知例としては、例えば特
開昭５７−４０００号に開示された「トンネル換気制御
方式」がある。これは、一日の交通量の時間変化を示す
交通量パターンを平日、土曜、休祭日、季節別等に調べ
て基準パターンを作成しておき、制御に当たってはトン
ネルの交通量を実測し、その実測した現時点の交通量と
該当する基準パターンから現時点以降の交通量の時間変
化パターンを予測する。そしてその予測交通量に基づき
換気装置の制御を行う。また予測制御方法の別に公知例
である特開平９−１５８６９８号に開示された「道路ト
ンネルの換気設備装置及び道路トンネルにおける換気制
御方法」でも、基本的には同様な手法を用いている。

【０００４】交通量を予測するこの他の方法としては、
非線形交通量予測モデルへニューラルネットワーク理論
およびファジィ理論を適用している例も見られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ニューラルネットワー
ク理論やファジィ理論では多くの学習用データを必要と
し、換気制御盤にて交通量予測演算をするにあたって
は、データ量が膨大な量となり、交通量予測を完成させ
るまでにはある程度の期間を必要とする。また過去のデ
ータから作成した基準パターンを時系列モデルとし、こ
れと実測交通量データから交通量の今後を予測する方法
では、実測交通量が増加傾向であれば、予測値について
も交通量増加となる。しかし実測交通量は外乱成分を含
んでいて、その値が増加していてもその後交通量が減少
してしまうこともあり、予測の誤差が大きい問題点があ
った。

【０００６】本発明の目的は、トンネル交通量の予測を
より確実に行えるようにして、適切な換気機風量・台数
演算を決定することのできるトンネル換気制御装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、トンネルの上り・下りの交通量及び車
速を計測するための交通量・車速計測手段と、トンネル
内の煤煙濃度を計測するための煤煙濃度計測手段と、前
記交通量・車速計測手段により計測された交通量を記憶
して日単位の交通量パターンを生成記憶するための交通
量パターン生成記憶手段と、前記交通量・車速計測手段
により計測された現在の交通量と前記交通量パターン生
成記憶手段に記憶された交通量パターンとを用いて所定
時間後の予測交通量を算出するためのカルマンフィルタ
を用いた予測交通量算出手段と、この手段により算出さ
れた予測交通量と、前記交通量・車速計測手段により計
測された車速と、前記煤煙濃度計測手段により計測され
た煤煙濃度を用いて複数の換気手段を何台運転するかを
決定するための風量・台数決定手段と、を備えたことを
特徴とするトンネル換気制御装置を開示する。

【０００８】また、本発明は、前記交通量パターン生成
記憶手段が、前記交通量パターンを平日、土曜、日曜、
祝日、及び少なくとも盆、正月を含む特異日の各々につ
いて別個に生成・記憶することを特徴とする換気制御装
置を開示する。

【０００９】更に、本発明は、前記交通量パターン生成
記憶手段が、過去５週間の実績交通量により前記交通量
パターンを作成し、その交通量パターンを１週間毎に自
動更新することを特徴とする換気制御装置を開示する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図２及び図３は、本発明に
よるトンネル換気制御装置の設備構成例を示す概略図
で、図２は断面図、図３は平面図である。同図におい
て、トンネルには、上り線・下り線の大型車と小型車を
区別してその交通量（台数）とその速度（車速）を計測
する交通量・車速計測装置１と、煤煙濃度計測装置２、
一酸化炭素濃度計測装置３、風向風速計４を有し、それ
らの計測値は換気制御装置５に伝送されている。煤煙濃
度計測装置２は光透過率（ＶＩ値）により煤煙の濃度を
計測する。換気制御装置５では、これらの計測値より換
気機６の風量・台数を決定してトンネル内の換気を実現
する。

【００１１】図１は、換気制御装置５の構成を示してお
り、交通量パターン生成記憶装置７、カルマンフィルタ
８、風量・台数決定手段９を備えている。この構成で、
交通量パターン生成記憶装置７は、交通量・車速計測装
置１により計測された交通量を取り込み、各交通量を平
日・土曜日・日曜日・祝日・特異日（盆・正月）等に分
け、平日・土曜日・日曜日は過去５週間の交通量データ
から平均化及び平滑化することにより各々の交通量パタ
ーンを作成する。また、祝日・特異日は同様に過去の交
通量データを平均化・平滑化することにより交通量パタ
ーンを作成する。また、この交通量パターンは１週間毎
に過去５週間にさかのぼり計算し平均化・平滑化するこ
とにより自動更新するものとする。これにより図４に示
すような１日単位の交通量パターンが作成される。この
ような交通量パターンの作成は従来から行われているも
ので、ここに述べた方法以外にも種々の方法があること
はいうまでもない。

【００１２】次に、カルマンフィルタ８による予測方法
を説明する。このフィルタへの入力は、交通量・車速計
測装置１から得られる実績交通量と、曜日や特異日等に
より異なる交通量パターンである。この交通量パターン
は、その日の曜日等により自動的に選択される。今、一
日の内の時刻Ｋに於ける実績交通量をＹK、交通量パタ
ーンの交通量をＸKとし、

【数１】 とおく。ここでＢKは各時刻Ｋに於ける比例パラメータ
である。（数１）の２つの未知変数ＹK、ＢKを状態変量
とすれば、システム誤差をＷKとしてシステム方程式は
次のようになる。

【数２】 また、交通量はノイズ（不規則変動成分）が加算された
量が観測されると考えれば、観測方程式は

【数３】 ここでＺK：観測値、ＥK：観測誤差である。（数２）の
システム方程式及び（数３）の観測方程式に対してカル
マンフィルタアルゴリズムを適用する事により、時刻Ｋ
における状態変量ＹK、ＢKが逐次推定可能となる。そし
て、６時刻先の予測交通量ＹK+6を推定するとすると、
それは時刻Ｋにおいて推定されたトレンド情報ＹK、及
び比例パラメータＢKより

【数４】 で求められる。すなわち、はじめにカルマンフィルタ理
論に基づいて交通量トレンド情報、およびその交通量パ
ターンとの比例係数を推定し、正規化された交通量パタ
ーンに沿って交通量トレンド情報を外挿する事により予
測交通量を求めることになる。

【００１３】以上のようにして予測交通量がカルマンフ
ィルタ８により算出されると、風量・台数決定手段９
は、図５に示した手順により換気機の運転台数を決定す
る。その第１ステップは、制御周期内におけるトンネル
内の自動車の総保有台数を求める処理（ステップ５０
１）である。図６は、この処理の説明図で、交通量・車
速計測手段１は長さＬのトンネル１０の左側出口から距
離Ｌ0離れた位置にあるものとする。上り車線を走行中
の自動車がトンネル１０（の右端）へ入った時刻をｔUI
N、計測装置１の位置に達した時刻をｔ、車速をｖとす
ると、

【数５】 である。同様に下り車線を走行中の自動車がトンネル１
０（の左端）へ入った時刻をｔDIN、計測装置１の位置
に達した時刻をｔ、車速をｖとすると、

【数６】 そこで計測された５分間の交通量を上り、下りそれぞれ
ＮU、ＮDとすると、制御周期を１分としてその間のトン
ネル内保有台数ｎは

【数７】 で与えられる。但しｔUIN、ｔDINは（数５）、（数６）
でそれぞれ与えられ、またｔ10は車速ｖで長さＬのトン
ネルを通過するのに要する時間である；

【数８】 なお、（数７）の保有台数ｎは、そこで用いる量をそれ
ぞれ大型車、小型車に分けて用い、対応する保有台数も
大型車ｎL台、小型車ｎs台とそれぞれ算出するものとす
る。

【００１４】次に、求めたトンネル内保有台数ｎよりト
ンネル内煤煙発生量を求める（ステップ５０２）。今
μ’：排ガス中の平均煤煙濃度、ｋi：勾配補正係数、
ｋh：標高補正係数、ＶG：平均排気ガス量、Ｔ：制御周
期（５分）、Ｑ：煤煙発生量とし、これらの内大型車、
小型車で異なる値をもつものには添字Ｌ，Ｓをそれぞれ
つけ加えると、

【数９】 で表される。但し

【数１０】 である。

【００１５】トンネル内の一制御周期Ｔの間に発生する
煤煙発生量Ｑが求められると、それを用いて目標換気量
ｑ、目標トンネル内風速ｖrを求める（ステップ５０
３、５０４）。煤煙濃度計測装置はトンネル内の光透過
率ＶＩから濃度を求めるものであるが、それらの間の関
係は対数関数で与えられる。そしてこの関係をそれぞれ
の目標値、即ち目標煤煙濃度ｄd0と目標ＶＩ値ＶＩ0の
関係で示すと

【数１１】 である。そしてこの式で与えられる目標煤煙濃度ｄdと
（数９）で求めた煤煙発生量Ｑから、単位時間当たりの
目標換気量ｑは

【数１２】 と求められる。この換気量ｑを実現するのに要求される
目標トンネル内風速ｖrは、トンネル断面積をＡｒとす
ると、

【数１３】 となる。

【００１６】次に現時点での自然換気力を求める（ステ
ップ５０５〜５０８）。トンネル内換気力Ｆtは、トン
ネル内の空気の質量をＭとすると、運動方程式より

【数１４】 となり、定常状態ではこの左辺が０であるからＦt＝０
となる。一方、このトンネル内換気力Ｆtは、Ｆn：自然
換気力、Ｆf：管摩擦力、Ｆp：交通換気力（車両の走行
によるもの）、Ｆj：機械換気力とすると

【数１５】 の関係にあるから、定常状態ではＦt＝０とおくことで
自然換気力Ｆn は

【数１６】 で与えられる。この右辺のうち、交通換気力Ｆp は次の
ように求められる。即ちρ：空気密度、Ａe：交通断面
積、Ｖav：一制御周期Ｔの間の平均車速とすると、Ａ
e、Ｖav はともに上り、下りで別の値が与えられるの
で、それらに添字Ｕ、Ｄをつけて区別する。そうすると

【数１７】 これはステップ５０５で求められる。

【００１７】機械換気力Ｆjは、ηj：ファン昇圧効率、
Ｖj：ファン吹出し風速、Ａj：ファン吹出し口面積、ｎ
j：ファン運転台数とすると

【数１８】 また、管摩擦力Ｆf はλ：管摩擦係数、Ｄ：トンネル代
表径とすると

【数１９】 となる。これら（数１８）（数１９）の演算はステップ
５０６、５０７で求められ、続いて現時点での自然換気
力Ｆn がステップ５０８で算出される。

【００１８】以上は現時点に於ける各種換気力の算出で
あったが、（数１６）の関係は定常状態（Ｆt＝０）を
考えている限りいつでも成立している。従って制御周期
の数サイクル先、例えば６サイクル先の各量の予測値に
ついても（数１６）は成立していると考えてよい。そこ
で数サイクル先に必要とする機械換気力の予測値Ｆｊｆ
は、各換気力の予測値に添字ｆをつけて表せば

【数２０】 となる。この右辺の予測自然換気力Ｆｎｆ は、現時点
の値がそのまま継続するとしてステップ５０８で求めた
Ｆn 値を用いる。また、予測交通換気力Ｆpf は、（数
１７）で上り、下りの現在交通量ｎU及びｎDに変わって
カルマンフィルタ８で予測した予測交通量を用いて求め
る（ステップ５０９）。予測管摩擦力Ｆffは（数１９）
の値そのままでよい。こうして（数２０）から、数サイ
クル先の予測機械換気力Ｆjf が（数２０）から算出で
きる（ステップ５１０）。

【００１９】こうして必要とする予測機械換気力Ｆｊｆ
が求められると、（数１８）からこの機械換気力を実現
するのに必要な換気機６の運転台数ｎｊｆが

【数２１】 により求められる（ステップ５１１）。そこで複数の換
気機の内何台を運転するかが決まり、この値に応じて実
際に換気機の運転制御を行う（ステップ５１２）。この
ように、制御周期の数サイクル先のトンネル内の状態を
予測して換気機の運転制御を行うことで、制御遅れの問
題を解決するとともに、カルマンフィルタを用いること
で実績交通量に生じる外乱成分を除去できるので、正確
な予測が、従ってより正確な排気制御が実現できる。な
お、ステップ５１２に於ける換気機の運転制御では、各
換気機の運転時間が平均化されるように、換気動作を行
う号機を選択するのが好ましい。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、交通量の予測を一次的
な計測値の変動に乱されずに行え、より性能のよい換気
運転が可能になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるトンネル換気制御装置の構成例を
示すブロック図である。

【図２】本発明になるトンネル換気装置の設備配置例の
概略を示す断面図である。

【図３】本発明になるトンネル換気装置の設備配置例の
概略を示す平面図である。

【図４】交通量パターンの例を示す図である。

【図５】図１の装置の動作を示すフローチャートであ
る。

【図６】トンネル内自動車保有台数検出の説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 交通量・車速計測装置 ２ 煤煙濃度計測装置 ３ 一酸化炭素濃度計測装置 ４ 風向風速計 ５ 換気制御装置 ６ 換気機 ７ 交通量パターン生成記憶装置 ８ カルマンフィルタ ９ 風量・台数決定手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネルの上り・下りの交通量及び車速
   を計測するための交通量・車速計測手段と、 トンネル内の煤煙濃度を計測するための煤煙濃度計測手
   段と、 前記交通量・車速計測手段により計測された交通量を記
   憶して日単位の交通量パターンを生成記憶するための交
   通量パターン生成記憶手段と、 前記交通量・車速計測手段により計測された現在の交通
   量と前記交通量パターン生成記憶手段に記憶された交通
   量パターンとを用いて所定時間後の予測交通量を算出す
   るためのカルマンフィルタを用いた予測交通量算出手段
   と、 この手段により算出された予測交通量と、前記交通量・
   車速計測手段により計測された車速と、前記煤煙濃度計
   測手段により計測された煤煙濃度を用いて複数の換気手
   段を何台運転するかを決定するための風量・台数決定手
   段と、 を備えたことを特徴とするトンネル換気制御装置。
2. 【請求項２】 前記交通量パターン生成記憶手段は、前
   記交通量パターンを平日、土曜、日曜、祝日、及び少な
   くとも盆、正月を含む特異日の各々について別個に生成
   ・記憶することを特徴とする請求項１に記載の換気制御
   装置。
3. 【請求項３】 前記交通量パターン生成記憶手段は、過
   去５週間の実績交通量により前記交通量パターンを作成
   し、その交通量パターンを１週間毎に自動更新すること
   を特徴とする請求項１に記載の換気制御装置。