JP4284817B2

JP4284817B2 - 道路トンネル管理装置

Info

Publication number: JP4284817B2
Application number: JP2000074244A
Authority: JP
Inventors: 功泰西馬; 幸夫後藤; 春樹古澤; 秀樹福嶋; 智浅沼
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: JP2001262996A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、道路トンネル内の空気を換気する道路トンネル管理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
道路トンネル換気制御システムでは、運転者の健康と走行の安全確保のためトンネルを通行する車両が排出する一酸化炭素（ＣＯ）や煤煙、窒素酸化物（ＮＯx）等の汚染物質をトンネルから除去し、トンネル環境を基準値以上に保持している。汚染物質を除去する手段として、ジェットファンや電気集塵機、長大トンネルにおいて送排気のための立坑に設置された送排気機等が設置されている。
【０００３】
従来の道路トンネル換気制御システムにおける換気制御は、交通量予測に基づくフィードフォワード制御と、視界がもっとも悪くなる地点における汚染値の測定に基づくフィードバック制御を合成することによって行われている。この場合のフィードバック制御は、汚染値の変化から、汚染値の変化を検出しさらに換気制御の効果が現れるまでに大きな遅れが存在するため、測定した汚染値の情報を十分積極的に換気機の運転に利用するものではなかった。図１０に煤霧透過率（以下、ＶＩ値という)を制御する場合の従来技術の概略を示す。これまでに、上記のフィードバック制御における遅れを解消するために、トンネル内の複数の観測点において汚染値を観測する研究がなされている(例えば電気学会道路交通研究会資料、ＲＴＡ−９９−２３，ＰＰ．４３−４８，１９９９)。図１１にＶＩ値を制御する場合の多地点汚染値測定による換気制御の概略を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の道路トンネル換気制御システムにおいて、トンネル内の複数の観測点における汚染値の情報が利用できる場合に、トンネル内の複数の観測点における汚染値の情報から換気機の運転状態を決定する方法は明らかでないなどの問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、トンネル内の複数の観測点における汚染値の情報から換気機の運転状態を決定することによって、トンネル内の環境を基準値以上に保持しかつ効率的な換気機の運転を実現する道路トンネル管理装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の構成による道路トンネル管理装置は、道路トンネル内の複数の観測点における汚染値を検出する汚染値検出装置と、上記複数の観測点における汚染値から汚染濃度の単位長さあたりの変化率である汚染悪化率を算出する汚染悪化率算出装置とを備え、上記汚染悪化率に基づき道路トンネル内の環境を制御するものである。
【０００７】
この発明の第２の構成による道路トンネル管理装置は、汚染悪化率からトンネル内の目標風速又は目標風量を定める目標風速算出装置と、目標風速又は目標風量に基づいて道路トンネル内の風速又は風量を制御する風速制御装置とを備えたものである。
【０００８】
この発明の第３の構成による道路トンネル管理装置は、汚染悪化率から求めたトンネル内の目標風速又は目標風量および交通量予測から求めたトンネル内の目標風速又は目標風量に基づいて目標風速又は目標風量を定める目標風速算出装置と、上記目標風速算出装置が定めた目標風速又は目標風量に基づいて道路トンネル内の風速又は風量を制御する風速制御装置とを備えたものである。
【０００９】
この発明の第４の構成による道路トンネル管理装置は、汚染悪化率を目標汚染悪化率に基づき制御する汚染悪化率制御装置を備えたものである。
【００１０】
この発明の第５の構成による道路トンネル管理装置は、汚染値検出装置が検出した基準地点の汚染値から時間平均値を算出する補償装置を備え、汚染悪化率算出装置は、上記基準地点の汚染値の時間平均値、各観測点の汚染値および各観測点の重みから汚染悪化率を算出するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態１，２，３に係わる道路トンネル管理装置の構成を示すブロック図である。これら３つの実施の形態においては、簡単のために換気装置としてジェットファン（以下、ＪＦという）を装備する道路トンネル管理装置について説明を行なう。
【００１４】
実施の形態１．
図1において、Ａはトンネル状態検出部、Ｂは換気機運転状態管理部、1はＪＦ、２は車両の速度、通過時刻、車種を検出する交通量計、３は風速計、４はＶＩ計又はＩＴＶカメラによりＶＩ値を測定する汚染計、１１は交通量計で検出した速度、通過時刻、車種から交通状態（例えば、交通量、交通速度、大型車購入率）を算出する交通状態検出装置、１２は風速検出装置、１３は汚染値検出装置、１４は汚染予測値算出装置、１５は汚染悪化率算出装置、１６は汚染計計測誤差補償・検出装置、１７は交通状態検出装置で算出した過去の交通量、交通速度、大型車混入率を例えば１次近似によって現在の時刻ｋにおける交通状態ｘ［ｋ］から時刻ｋ＋１の交通状態の予測値＝ｘ［ｋ］＋（ｘ［ｋ］−ｘ［ｋ−１］）を予測する交通量予測装置、１８は目標風速算出装置、１９は風速制御装置、２０は汚染悪化率制御装置、２１は換気機制御装置である。
【００１５】
図３は、この発明の実施の形態1に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフローチャートである。ここでは、トンネル内の複数の観測点における汚染値から汚染悪化率を算出し汚染悪化率から必要な風速と交通量予測から必要な風速から目標風速を定め、トンネル内風速をフィードバック制御することにより換気機の運転を制御する場合について説明する。
【００１６】
図２は、この発明の全ての実施の形態に係わる１つの道路トンネルにおいて、トンネル内に一定方向の風速が生じている場合の汚染濃度の分布を示す概略図である。トンネル入口からの距離ｘ［ｍ］における単位体積あたりの汚染濃度Ｑは次式で表される。ただし、ｑ［ｍ³／ｍ・ｓ]は車群が単位時間に単位長さあたりに排出する汚染量、Ｕ［ｍ／ｓ］はトンネル内風速、Ａ_T[ｍ²]はトンネル断面積であるとする。
【００１７】
【数１】

【００１８】
これより、定常状態におけるトンネル内の汚染悪化率αを次式で定義する。
【００１９】
【数２】

【００２０】
図３においてステップ１−１で、トンネル状態検出部Ａの交通状態検出装置１１、風速検出装置１２、汚染値検出装置１３により交通量、トンネル内風速・風向、汚染値を計測する。
【００２１】
次にステップ１−２で、換気機運転状態管理部Ｂの汚染悪化率算出装置１５においてトンネル内の複数の観測点における汚染値により汚染悪化率を算出する。
【００２２】
ここでは、ｎ＋１個の観測点ｃ₀，…，ｃ_nが基準地点ｃ₀からｌ[ｍ]毎に設置されている場合を考える。各観測点において測定される１００[ｍ]あたりのＶＩ値をＶＩ₀，…，ＶＩ_n［％］、各観測点における単位体積あたりの汚染濃度をＱ₀，…，Ｑ_nとする。各観測点におけるＶＩ値ＶＩ_iと汚染濃度Ｑ_iの関係は次式によって表される。ただし、Cは定数である。
【００２３】
【数３】

【００２４】
各観測点の汚染濃度Ｑ_iから、汚染悪化率α_outは例えば次式のように算出する。ただし、Ｗ_iは各観測点の測定値に対する重みであり、どの観測点の情報を重視するかによって調整する。Ｑ₀は、換気機運転状態管理部Ｂの汚染計計測誤差補償・検出装置１６によって算出されるＱ₀の時間平均値である。
【００２５】
【数４】

【００２６】
上記のように汚染計計測誤差補償・検出装置１６において、複数の観測点の汚染値の中から汚染悪化率を計算するための基準を選択することによって、汚染値の真値を用いることなく各汚染計に共通する計測誤差を補償することができる。また、汚染悪化率を算出する場合だけに限らず、定常状態において汚染値の１つの真値が測定できれば、図２の関係を用いることによって、各汚染計の計測誤差を独立に検出し計測値を補正することができるとともに、各汚染計の調整時期(清掃時期)の基準を得ることができる。よって、汚染計計測誤差補償・検出装置１６は汚染悪化率を算出しない場合（例えば、実施の形態２）においても計測誤差の検出・補正に用いることができる。
【００２７】
次にステップ１−３で、換気機運転状態管理部Ｂの目標風速算出装置１８において汚染悪化率、トンネル内風速および交通量予測値により目標風速を算出する。ここで、目標汚染悪化率α_refは汚染最悪点の目標汚染濃度Ｑ_refと入口から汚染最悪点までの距離Ｌ_maxにより次式のように算出される。
【００２８】
【数５】

【００２９】
トンネル内風速をＵ_out［ｍ／ｓ］、汚染悪化率をα_outとして、汚染悪化率に基づく目標風速Ｕ_ref1［ｍ／ｓ］は次式で算出される。
【００３０】
【数６】

【００３１】
さらに、交通量予測に基づく目標風速Ｕ_ref2［ｍ／ｓ］とあわせて、例えば次式に基づいて目標風速Ｕ_ref［ｍ／ｓ］を算出する。ただし、Ｃ₁，Ｃ₂は重みを表す係数である。
【００３２】
【数７】

【００３３】
次にステップ１−４では、ステップ１−３算出した目標風速に基づいて、換気機運転状態管理部Ｂの風速制御装置１９において、トンネル内風速を目標風速に保つために必要なＪＦの運転台数を決定する。
【００３４】
風速制御装置１９は、例えばトンネル内風速に応じて制御器の動特性を切替えるゲインスケジューリング（以下、ＧＳという）制御器で実施する。風速制御器を接続した制御系の概略を図６に示す。以下、風速モデルを用いてＧＳ制御器を設計する手法を簡単に示す。
【００３５】
トンネル内の風速モデルは次の運動方程式で与えられる。
【００３６】
【数８】

【００３７】
ただし、Ｕ［ｍ／ｓ］はトンネル内風速、ｍ_T［ｋｇ］はトンネル内空気の質量、Ｆ［Ｎ］はトンネル内空気に作用する全ての力を表す。
【００３８】
【数９】

【００３９】
Ｆ_r，Ｆ_j，Ｆ_t，Ｆ_n［Ｎ］はそれぞれ、通気抵抗力、ＪＦ換気力、交通換気力、自然換気力を表し、各力の大きさは次式で与えられる。
【００４０】
【数１０】

【００４１】
【数１１】

【００４２】
【数１２】

【００４３】
【数１３】

【００４４】
【数１４】

【００４５】
ただし、Ｄ_T［ｍ］はトンネル直径、Ｌ_T［ｍ］はトンネル長さ、Ａ_T[ｍ²]はトンネル断面積、ζ_eは入口損失係数、λは壁面損失係数、ρ_air[ｋｇ／ｍ³]は空気密度、Ｎ_j[台]はＪＦ運転台数、Ｋ_jは昇圧係数、Ｕ_j［ｍ／ｓ］はＪＦ噴流速度、Ａ_j[ｍ²]はＪＦ断面積、Ｓ＋，Ｓ−，Ｌ＋，Ｌ−は車両の種類（Ｓ：小型車、Ｌ：大型車、＋：上り、：−下り）、Ａ_i[ｍ²]は等価抵抗面積、Ｖ_ti［ｍ］は車両速度、Ｕ_n［ｍ／ｓ］は自然風速を表す。
【００４６】
風速モデルにおいて、風速Ｕをシステムの状態、ＪＦ運転台数Ｎ_jを入力、交通換気力Ｆ_tおよび自然換気力Ｆ_nを外乱（ｗ（ｔ））とみなすことによってフィードバック制御器を設計するためのモデルを次式のように構築することができる。
【００４７】
【数１５】

【００４８】
【数１６】

【００４９】
フィードバック制御器を設計するためのモデルに対して、出力を目標値に対して定常偏差なく追従させ、外乱ｗ（ｔ）の出力への影響を小さくするようなフィードバック制御器の設計することができる。このような制御器の設計方式の詳細は、例えば、P.Apkarian,P．Gahinet and G．Becker : Self-scheduled H_∞ Control of Linear Parameter-varying Systems: a Design Example，Automatica，Vol．31,No．9，pp．1251-1261 (1995)に記載されている。
【００５０】
例えば、（１６）式右辺の非線形項（ΦＵ²）の1つの状態を時変パラメータとみなし、サンプリング間隔Ｔで離散化、出力側に積分器を付加した次式の制御対象に対してＧＳ制御器の設計を行なうことができる。
【００５１】
【数１７】

【００５２】
ここで、風速の最小値、最大値をそれぞれＵ_min，Ｕ_maxとする。この場合、制御対象のシステム行列だけから決まる線形行列不等式を解くことによって、風速Ｕ_min，Ｕ_maxそれぞれに対応する制御器の係数行列Ｃ（Ｕ_min），Ｃ（Ｕ_max）を求めることができる。ただし、
【００５３】
【数１８】

【００５４】
であるとする。観測した風速Ｕ_outに応じてこの2つの制御器を次式のように線形補間することによってＧＳ制御器を設計することができる。
【００５５】
【数１９】

【００５６】
目標風速をＵ_ref［ｋ］、誤差をｅ［ｋ］（＝Ｕ_out［ｋ］−Ｕ_ref［ｋ］）、制御器の状態をｘ_c［ｋ］とすると、ＪＦ運転台数Ｎ_j［ｋ］は次式で表される。
【００５７】
【数２０】

【００５８】
ここでは、風速モデルに基づくＧＳ制御器の設計について述べたが、ＰＩＤ制御器による設計も可能である。例えばＪＦ運転台数Ｎ_j［ｋ］は次式で表される。
【００５９】
【数２１】

【００６０】
ただし、Ｔはサンプリング間隔、Ｋ_Pは比例ゲイン、Ｔ_Iは積分時間、Ｔ_Dは微分時間である。
【００６１】
次にステップ１−５で、換気機制御装置２１において、ステップ１−４で算出したＪＦ運転台数に基づいて換気機を運転する。
【００６２】
実施の形態２．
図４は、実施の形態2に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフローチャートである。
【００６３】
ここでは、トンネル内の複数の観測点における汚染値から汚染最悪点での汚染値を予測し予測した汚染値から必要な風速と交通量予測から必要な風速から目標風速を定め、トンネル内風速をフィードバック制御することにより換気機の運転を制御する場合について説明する。
【００６４】
実施の形態２は、実施の形態１のステップ１−１、１−４と１−５にそれぞれ対応するステップ２−１、２−４と２−５は実施の形態１と同じである。以下、ステップ２−２、ステップ２−３について説明を行なう。
【００６５】
ステップ２−２では、換気機運転状態管理部Ｂの汚染予測値検出装置１４において、トンネル内の複数の観測点における汚染値により汚染最悪点における汚染濃度を予測する。
【００６６】
ここで、時刻ｔ［ｓ］におけるトンネル入口からの距離がｘ［ｍ］の地点の汚染濃度をＱ（ｘ，ｔ）で定義する。この距離ｘ［ｍ］地点の空気が距離Ｌ［ｍ］地点に達する（Ｌ−ｘ）／Ｕ［ｓ］後の距離Ｌ［ｍ］地点の単位体積あたりの汚染濃度の予測値Ｑ’（Ｌ，ｔ＋（Ｌ−ｘ）／Ｕ）を次式のように求めることができる。
【００６７】
【数２２】

【００６８】
次にステップ２−３で、換気機運転状態管理部Ｂの目標風速算出装置１８において汚染予測値、濃度悪化基準値、トンネル内風速および交通量予測値より目標風速を算出する。汚染予測に基づく目標風速と交通量予測に基づく目標風速との合成はステップ１−３と同様に行なう。
【００６９】
時刻ｔにおいてステップ２−２で算出した汚染予測値Ｑ’（Ｌ，ｔ＋（Ｌ−ｘ）／Ｕ）が濃度悪化基準値Ｑ_maxを越えると予想されるとき、濃度悪化基準値以下に押えるために必要な風速は、
【００７０】
【数２３】

【００７１】
より、
【００７２】
【数２４】

【００７３】
と算出できる。
【００７４】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフローチャートである。
【００７５】
ここでは、トンネル内の複数の観測点における汚染値から汚染悪化率を算出し、汚染悪化率からフィードバック制御により算出したＪＦ運転台数と交通量予測から算出したＪＦ運転台数を合成して換気機の運転を制御する場合について説明する。
【００７６】
実施の形態３は、実施の形態１のステップ１−１、１−２と１−５にそれぞれ対応するステップ３−１、３−２と３−４は実施の形態１と同じである。以下、ステップ３−３について説明を行なう。
【００７７】
ステップ３−３では、ステップ３−２で算出した汚染悪化率に基づいて、換気機運転状態管理部Ａの汚染悪化率制御装置２０において、汚染悪化率を目標汚染悪化率に保つために必要なＪＦ運転台数を決定する。さらに交通量予測から必要なＪＦ運転台数と合成することによってＪＦ運転台数を算出する。
【００７８】
汚染悪化率制御装置２０は、例えばＰＩＤ制御によって実施する。汚染悪化率制御装置を接続した制御系の概略を図７に示す。
【００７９】
汚染悪化率α_out［ｋ］と目標汚染悪化率α_ref［ｋ］を用いて、ＪＦ運転台数Ｎ_j［ｋ］を算出することができる。
【００８０】
【数２５】

【００８１】
ただし、ｅ_α［ｋ］＝α_ref［ｋ］−α_out［ｋ］、Ｔはサンプリング間隔、Ｋ_Pは比例ゲイン、ａ，ｂはパラメータ、Ｔ_Iは積分時間、Ｔ_Dは微分時間である。
【００８２】
実施の形態４．
図８、図９は、この発明を説明するための実施の形態4に係わる道路トンネル管理装置の構成を示すブロック図である。図８、図９において、３１は固有トンネル管理装置、３２は群トンネル管理装置である。
【００８３】
固有トンネル管理装置３１は、例えば実施の形態１にかかわる図１のトンネル管理装置でであるＡ，Ｂで示す各装置により実施する。群トンネル管理装置３２は各トンネルに設置された交通状態検出装置、風速検出装置、汚染値検出装置において計測された交通量、車種、風速、汚染情報から近い将来の通過交通量、大型車混入率、汚染値および複数の連続する(図８)(分岐する(図９))道路トンネルの最適風量分担を予測し、その情報を固有トンネル管理装置３１に提供する。
【００８４】
以上の実施の形態では、汚染悪化率に基づいて道路トンネル内の換気機を制御する場合について説明したが、この他に道路トンネル内の照明装置にも適用することができ、例えば汚染悪化率が高くなれば照明を増大させるように照明装置を制御する。上記の実施の形態では、汚染値としてＶＩ値を制御する場合を記述したが、例えば一酸化炭素なども同様の方法で制御することが可能である。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように、この発明の第１〜第６の構成である道路トンネル管理装置によれば、トンネル内の複数の観測点における汚染値の情報が利用できる場合に、トンネル内の複数の観測点における汚染値の情報から換気機の運転状態を決定する方法を明らかにしたので、トンネル内の環境を基準値以上に保持しかつ効率的な換気機の運転を実現する道路トンネル管理装置を得ることができる効果がある。
【００８６】
また、この発明の第７の構成である道路トンネル管理装置によれば、複数の連続する(分岐する)道路トンネルにおいてトンネル内の環境を基準値以上に保持しかつ効率的な換気機の運転を実現する道路トンネル管理装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１、２、３に係わる道路トンネル管理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の全ての実施の形態に係わる1つの道路トンネルにおいて、トンネル内に一定方向風速が生じている場合の汚染濃度の分布を示す概略図である。
【図３】この発明の実施の形態1に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフロー図である。
【図４】この発明の実施の形態2に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態3に係わる道路トンネル管理装置の動作を示すフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態1、2に係わる道路トンネル管理装置において実現される風速制御系の概略を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態3に係わる道路トンネル管理装置において実現される汚染悪化率制御系の概略を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態4に係わる連続する道路トンネルにおける道路トンネル管理装置の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態4に係わる分岐する道路トンネルにおける道路トンネル管理装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の汚染値測定と換気制御を示す概略図である。
【図１１】従来の多地点汚染値測定と換気制御を示す概略図である。
【符号の説明】
１ジェットファン、２交通量計、３風速計、４汚染計、１１交通状態検出装置、１２風速検出装置、１３汚染値検出装置、１４汚染予測値検出装置、１５汚染悪化率算出装置、１６汚染計計測誤差補償・検出装置、１７交通量予測装置、１８目標風速算出装置、１９風速制御装置、２０汚染悪化率制御装置、２１換気機制御装置、３１固有トンネル管理装置、３２群トンネル管理装置。

Claims

道路トンネル内の複数の観測点における汚染値を検出する汚染値検出装置と、上記複数の観測点における汚染値から汚染濃度の単位長さあたりの変化率である汚染悪化率を算出する汚染悪化率算出装置とを備え、上記汚染悪化率に基づき道路トンネル内の環境を制御することを特徴とする道路トンネル管理装置。
汚染悪化率からトンネル内の目標風速又は目標風量を定める目標風速算出装置と、目標風速又は目標風量に基づいて道路トンネル内の風速又は風量を制御する風速制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載の道路トンネル管理装置。
汚染悪化率から求めたトンネル内の目標風速又は目標風量および交通量予測から求めたトンネル内の目標風速又は目標風量に基づいて目標風速又は目標風量を定める目標風速算出装置と、上記目標風速算出装置が定めた目標風速又は目標風量に基づいて道路トンネル内の風速又は風量を制御する風速制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載の道路トンネル管理装置。
汚染悪化率を目標汚染悪化率に基づき制御する汚染悪化率制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の道路トンネル管理装置。
汚染値検出装置が検出した基準地点の汚染値から時間平均値を算出する補償装置を備え、汚染悪化率算出装置は、上記基準地点の汚染値の時間平均値、各観測点の汚染値および各観測点の重みから汚染悪化率を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の道路トンネル管理装置。