JP4284817B2 - 道路トンネル管理装置 - Google Patents
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Description
【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、AT[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,…,cn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,…,VIn[%]、各観測点における単位体積あたりの汚染濃度をQ0,…,Qnとする。各観測点におけるVI値VIiと汚染濃度Qi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Qiから、汚染悪化率αoutは例えば次式のように算出する。ただし、Wi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αrefは汚染最悪点の目標汚染濃度Qrefと入口から汚染最悪点までの距離Lmax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Uout[m/s]、汚染悪化率をαoutとして、汚染悪化率に基づく目標風速Uref1[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Uref2[m/s]とあわせて、例えば次式に基づいて目標風速Uref[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、mT[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】
Fr,Fj,Ft,Fn[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、DT[m]はトンネル直径、LT[m]はトンネル長さ、AT[m2]はトンネル断面積、ζeは入口損失係数、λは壁面損失係数、ρair[kg/m3]は空気密度、Nj[台]はJF運転台数、Kjは昇圧係数、Uj[m/s]はJF噴流速度、Aj[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)、Ai[m2]は等価抵抗面積、Vti[m]は車両速度、Un[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Njを入力、交通換気力Ftおよび自然換気力Fn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Umin,Umax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Umin,Umaxそれぞれに対応する制御器の係数行列C(Umin),C(Umax)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Uout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Uref[k]、誤差をe[k](=Uout[k]−Uref[k])、制御器の状態をxc[k]とすると、JF運転台数Nj[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Nj[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、KPは比例ゲイン、TIは積分時間、TD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Qmax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αout[k]と目標汚染悪化率αref[k]を用いて、JF運転台数Nj[k]を算出することができる。
【0080】
【数25】
【0081】
ただし、eα[k]=αref[k]−αout[k]、Tはサンプリング間隔、KPは比例ゲイン、a,bはパラメータ、TIは積分時間、TD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 (5)
- 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。
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