(57)【要約】【課題】  入路と出路の総数が４以上、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あるトンネルで風速制約を満たしつつ総消費電力を最小化する制御を行う。【解決手段】  道路トンネル換気制御装置１００は、入路・出路が風速制約範囲内でとり得る値からサンプル風速値を選定するサンプル風速値選定処理手段１０１と、サンプル風速値に基づいてトンネル内の風速を計算してジェットファン装置群の運転速度と消費電力量を計算するジェットファン装置群計算処理手段１０２と、入路・出路を介した総流入風量から立坑送排気ファン装置の運転速度と消費電力量を計算する立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３と、サンプル風速値の総消費電力を計算する総消費電力計算処理手段１０４と、サンプル風速値を風速制約範囲内にて変化させて最小値となるものを選定する最適サンプル風速値選定処理手段１０５と、運転制御手段１０６を備えた構成とする。【選択図】図１
2019044507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（入路風速と出路風速の変更による全数探索）
入路と出路の総数が４以上ある一方向の道路トンネルにおいて、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あり、それら前記換気装置の運転を制御する道路トンネル換気制御装置において、
各々の前記入路および前記出路が所定の風速制約範囲内でとり得る値の組み合わせの中からサンプル風速値の組み合わせを選定するサンプル風速値選定処理手段と、
前記サンプル風速値に基づいて前記道路トンネル内の各区間に生じる風速を計算し、当該風速を実現するジェットファン装置群の運転速度と消費電力量を計算するジェットファン装置群計算処理手段と、
前記サンプル風速値に基づいて計算されるすべての前記入路と前記出路を介した総流入風量から前記立坑送排気ファン装置の運転速度と消費電力量を計算する立坑送排気ファン装置計算処理手段と、
前記各ジェットファン装置群の前記消費電力量と前記立坑送排気ファン装置の前記消費電力量より、仮定した前記サンプル風速値ごとの総消費電力を計算する総消費電力計算処理手段と、
前記サンプル風速値を前記風速制約範囲内にて様々に変化させ、前記総消費電力が最小となる前記サンプル風速値を最適サンプル風速値に選定する最適サンプル風速値選定処理手段と、
前記最適サンプル風速値となるよう各前記ジェットファン装置群および各前記立坑送排気ファン装置の運転を制御する運転制御手段を備え、
前記道路トンネル内の換気制御を行うことを特徴とする道路トンネル換気制御装置。
【請求項２】
（入路風速変更による全数探索）
前記サンプル風速値選定処理手段において、各々の前記出路の前記サンプル風速値を前記風速制約範囲内のうちの絶対値が最小の値に固定し、各々の前記入路の前記サンプル風速値は前記風速制約範囲内から自由に選ぶことを特徴とする請求項１に記載の道路トンネル換気制御装置。
【請求項３】
（一区間内に複数のジェットファン装置群が存在する場合）
前記道路トンネル内を前記入路、前記出路、分岐部、前記立坑送排気ファン装置の設置個所で区分される複数の区間に分割した場合に、ひとつの区間内に複数のジェットファン装置群が存在するときは、前記ジェットファン装置群計算処理手段において、当該区間内の風速が所定風速となり、かつ前記ジェットファン装置群の前記総消費電力の和が最小となるように各々のジェットファン装置群の運転速度を決めることを特徴とする請求項１または２に記載の道路トンネル換気制御装置。
【請求項４】
（トンネル内に複数の立坑送排気ファンが存在する場合）
前記道路トンネル内に前記立坑送排気ファン装置の設置個所が複数存在する場合、前記立坑送排気ファン装置計算処理手段において、各々の前記立坑送排気ファン装置の総運転風量がすべての前記入路と前記出路からの総流入風量と等しくなるように決め、その風量配分があらかじめ定めた幾つかの配分比の中から前記総消費電力が最小となる配分比を選択することを特徴とする請求項１または２に記載の道路トンネル換気制御装置。
【請求項５】
（トンネル分割）
前記道路トンネル全体を複数のサブトンネルに分割する１または複数の分割点について、前記分割点の風速が所定の風速制約範囲内でとり得る値の中から分割サンプル風速値またはその組み合わせを選定する分割サンプル風速値選定処理手段と、
前記分割サンプル風速値選定処理手段が選定した前記分割点における前記分割サンプル風速値の条件で、前記分割点から見て車が流入する流入サブトンネルでは前記分割点を前記入路とし、前記分割点から車が流出する流出サブトンネルでは前記分割点を前記出路と見立て、前記サンプル風速値選定処理手段、前記ジェットファン装置群計算処理手段、前記立坑送排気ファン装置計算処理手段、前記総消費電力計算処理手段により、それぞれの総消費電力を計算し、
前記サンプル風速値選定処理手段により前記サンプル風速値を前記風速制約範囲内で様々に変化させ、さらに、前記分割サンプル風速値選定処理手段により前記分割点における風速を前記風速制約範囲内で様々に変化させ、前記総消費電力が最小となる前記道路トンネル全体の前記最適サンプル風速値を求め、
前記運転制御手段が、前記サブトンネルごとに求められた前記最適サンプル風速値となるよう前記ジェットファン装置群および各前記立坑送排気ファン装置の運転を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の道路トンネル換気制御装置。
【請求項６】
前記換気装置である前記ジェットファン装置群の一部または全部、あるいは前記立坑送排気ファン装置が、インバータ駆動運転が可能なファン装置である請求項１から５のいずれかに記載の道路トンネル換気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路トンネルの換気のためにジェットファンや立坑送排気ファンの運転を制御する道路トンネルの換気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路トンネルにおいては、人体に対して有害な自動車のエンジンからの排出物質や塵埃などが浮遊しており、そのままではトンネル内の汚染物質濃度が高まってゆく。そこで、トンネル内の一酸化炭素等有害ガスの排出や排気ガス中の煤煙によるビジビリティ（透視率）の低下を防ぎ、トンネル内の良好な環境を確保するためトンネル内の汚染物質を排気するため、ジェットファンと立坑送排気ファン装置などにより換気制御を行っている。トンネル内の汚染物質を排気するには自然換気力や交通換気力による換気では不十分であり、このようにトンネル内に設置された複数の換気装置を用いた強制換気が行われている。
トンネルの換気にはさまざまな方式がある。わが国に非常に多い３０００ｍ以下の中小の対面通行の道路トンネルの換気方式として「縦流換気方式」や「立抗換気方式」と呼ばれる換気方式が標準採用される場合が多い。
【０００３】
「縦流換気方式」とは、トンネル断面全体を換気ダクトとして利用する方式の換気方式であり、用いる換気装置としては、道路トンネル内の空気をトンネル外に押し出すジェットファン装置や道路トンネル内の空気を浄化する電気集塵機などがあり、適宜これらを組み合わせてトンネルの入口から出口に向かう空気流を形成して排気する。
「立抗換気方式」とは、道路トンネルの出口付近に立抗を大気に向けて設け、上方に向けてトンネル内の空気を送排気する立坑送排気ファン装置を設け、道路トンネル内の空気を道路トンネル外の空気と交換するものである。なお、長距離の場合は出口付近以外にも道路トンネルの途中にも適宜立坑を設けて送排気ファン装置を設置することもある。
【０００４】
図１３は、従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式と立抗換気方式を組み合わせた道路トンネルおよびトンネル内の交通を示した図である。このトンネルは、交通方向が一方向通行の片側通行トンネルと呼ばれるタイプである。このような片側通行道路トンネルでは、内部に縦流方向の換気を行なうジェットファン装置群２０毎にジェットファンが複数台配設されている。図１３の例ではジェットファン装置群２０Ａ、２０Ａ、２０Ｃの３群が描かれている。道路トンネル内には図左から図右にかけて縦流の空気流Ａが発生し、左から右にかけてトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置３０によりジェットファン装置群２０の運転を制御する。また、道路トンネル内１０には出口付近に設置された立抗換気ファン装置２１により送排気の空気流Ｂが発生し、トンネル内から大気に向けてトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置３０はこれらジェットファン装置群２０および立抗換気ファン装置２１の運転を制御する。
【０００５】
図１３の例ではトンネル内の入口近く、中央部近く、出口近くの各場所にトラフィックカウンタ（ＴＣ）、風向風速計（ＡＶ）がそれぞれ設置されており、その他適宜、汚染濃度計である煙霧透過率計（ＶＩ）や一酸化炭素濃度計（ＣＯ）が設置されている。
なお、トラフィックカウンタ（ＴＣ）は設置個所を通過する車の交通量を計測する装置であり、風向風速計（ＡＶ）は設置個所での風速を計測する装置であり、煙霧透過率計（ＶＩ）は物質中を透過する光の割合から設置個所の汚染濃度を計測する装置であり、また、一酸化炭素濃度計（ＣＯ）は設置個所の一酸化炭素の濃度を測定する装置である。
【０００６】
従来のジェットファンを用いた縦流換気方式では、道路トンネル内部のトラフィックカウンタ（ＴＣ）、風向風速計（ＡＶ）、煙霧透過率計（ＶＩ）、一酸化炭素濃度計（ＣＯ）から得られた各種環境成分値に基づいて、換気制御装置３０により道路トンネル内部に設置されたジェットファン装置群２０Ａ〜２０Ｃのジェットファンの運転台数を調整することが行われている。すなわち、道路トンネル内部には、例えば、煤煙、一酸化炭素、交通量、または風向風速等の環境成分値を測定する環境成分測定器が設置され、これらの環境成分測定器の計測値に基づいて、必要な換気量を確保するのに必要な台数だけジェットファン装置群２０Ａ〜２０Ｃのジェットファンを台数運転し、これによって汚染物質濃度を予め設定されている許容値以下にして、トンネル利用者の安全性、快適性を確保している。このように、従来の道路トンネルではジェットファンの運転台数でトンネル内部の風速を制御してきたが、消費電力が大きくなる問題がある。
【０００７】
ここで、インバータ制御方式が注目されている。近年は、可変速制御が可能なインバータ制御方式の実用化が進み、ジェットファン装置の運転について無段階の風速制御が可能になった。そこで、消費電力を削減するため、インバータ駆動による運転速度の制御方式が普及しつつある。
【０００８】
インバータ制御方式の利点を最大にするには、１日の交通量変化に応じて、入路と出路の風速制約を満たしジェットファン装置群と立坑送排気ファン装置の総消費電力を最小にする道路トンネル換気制御装置が必要である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１９２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
日本では都市部の高速道路では、図１３に示すような、車の入路と出路の総数が４以上となる複雑な一方通行トンネルが増えている。その一例を図３に示す。トンネル外部への汚染空気の流出を防ぐため、全ての入路と出路から空気を吸い込み、立坑送排気ファンで集中排気する換気方式が一般に用いられる。つまり、全ての入路と出路に内側へ引き込む負圧が生じる範囲で風速を設定すれば、トンネルの入路および出路から外部へトンネル内の空気が排出されず、立坑送排気ファン装置で所定の箇所において上方に放出することとなる。例えば、図３の構成では、入路１、入路２とも０.５ｍ/ｓ以上の範囲で風速制約が設定されており、出路１では−１.０ｍ/ｓ、出路２では−０.５ｍ/ｓ以下の範囲で風速制約が設定されている（風速は車の進行方向を正方向とする）。図３の構成例では、ジェットファン装置群が３グループ（ＪＦＧ１、ＪＦＧ２、ＪＦＧ３）あり、ＪＦＧ１に２台、ＪＦＧ２に１０台、ＪＦＧ３に１台のジェットファンがあり、ジェットファンの総数は１３台であり、立坑排気ファン装置は１台であり、それらの換気装置を制御してトンネル内の風速が制御される。
【００１１】
このように、車の入路と出路の総数が４以上あり、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上ある場合において、入路と出路それぞれに設定された範囲で風速を確保できるよう、それら換気装置の運転を制御する必要があるが、トンネル換気制御装置においてそのような制御を行う上では以下の問題がある。
【００１２】
第１の問題は、従来技術の道路トンネル換気制御装置では、そのように制御対象と制御目標が多い複雑な条件にて制御する技術は確立されておらず、総消費電力量は常に最適化されているとは限らなかった。
従来技術では、いわゆる直接の制御対象であるジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置が取り得る風速値および風量値のすべての組み合わせについて全数探索をしらみつぶしに試行するしかなかった。つまり、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置が取り得る値のすべての組み合わせの一つ一つについて、その結果得られる道路トンネル内の環境条件、入路、出路の風速を計算し、仕様条件を満たすか否かチェックし、満たしたものは総消費電力を計算し、すべての結果を突き合わせてもっとも少ない総消費電力となるケースを最適値として決定するしかなかった。
【００１３】
第２の問題は、計算コストの問題である。
上記したように、日本では都市部の高速道路では、図１３に示すような、車の入路と出路の総数が４以上、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上ある複雑な一方通行トンネルが増えており、その結果、上記した従来技術におけるジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置が取り得る値のすべての組み合わせを対象とした全数探索によるしらみつぶしの試行を行うと、制御に際して考慮すべき試行数が多くなり、消費電力量の最適化制御を行うためにはその計算量が級数的に増加してゆくこととなり、交通量に応じた３０分毎のリアルタイム制御は困難となる。
【００１４】
図１４は、従来技術におけるすべての制御対象である換気装置について取り得る値を全数探索する場合を想定した、道路トンネル換気制御装置における制御処理のステップを示すフローチャートである。図１４に示すように、下記の５つのステップから処理される。
ステップ１は、ジェットファン装置群の風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３と立坑送排気ファン装置の風量ＱＥの組み合わせを選択する。なお、後述するようにすべての組み合わせを調べるとすると、各変数を最小値からスタートして順に増加させてすべての組み合わせを当たることが考えられる。
ステップ２は、上記ステップ１で想定した設定値にてすべての換気装置が稼働した場合に生じるトンネル内の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）を計算する。
ステップ３は、ステップ２で計算された入路風速（Ｖ１、Ｖ５）と出路風速（Ｖ４、Ｖ６）を調べ、その値がそれぞれの入路、出路に設定された風速制約の範囲内であれば総消費電力量を計算する。範囲外であれば候補から外す。
ステップ４は、上記ステップ１における、ジェットファン装置群の風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３と立坑送排気ファンの風量ＱＥの組み合わせのすべてが試行されたか否かを判断するステップであり、組み合わせのすべてが試行された場合、ステップ５に進み、まだ未試行の組み合わせが残っていれば上記のステップ１に戻る。
ステップ５は、組み合わせのすべてが試行されたことを受け、候補として記憶されているもののうち、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置による総消費電力が最小となるものを最適解として選定する。
【００１５】
上記処理の計算量をざっくりと評価してみる。インバータ制御方式ではジェットファン装置の風速ＶＪや立坑送排気ファン装置の風量ＱＥを無段階で制御できるが、例えばそれぞれの風速を１００段階で変化させるものと仮定すると、ジェットファン装置群は３つ、立坑送排気ファン装置が１つあるので、組み合わせの数は１０８にもなり、計算コストが大きくなる。なお、ジェットファン装置群の数および立坑送排気ファン装置の数はもっと多いものが想定され、事実上、１０８よりさらに多くなることが考えられ、交通量に応じた３０分毎のリアルタイム制御が困難となる。
【００１６】
なお、上記のステップ１において、最初に荒い探索をかけて、ステップ３にて制約条件を満たす制御変数の組み合わせの見込みを得ておき、その得られた見込みの範囲内にあるものを詳細に計算してゆくという改善策を用いれば、計算コストをある程度回避できるが、ステップ１で最初の荒い探索により絞られた制御変数の組み合わせについて、すべて範囲内での計算が終了したものとステップ５で判断されれば、ステップ６で最適解（ローカルな最適解）が選択されるが、ステップ１で行った荒い探索において、真の最適解が存する範囲を見落としてしまった場合には真の最適解が求まらないことがある。
【００１７】
さらに、この計算を１日あたり所定時間経過ごとに行わねばならない事情がある。道路トンネル内を走行する車の交通量とその交通風の風速が時間経過、気候変動、季節変動により変化する。図１５は、図１３の道路トンネルの本線（区間２）の一日の交通量変化を３日間にわたって示した図である。図１５に示すように一日の間でも時間経過とともに交通量が変動しており、また、同じ時間帯であっても日が変わると交通量が変動していることが分かる。図１５から言えることは、あらかじめ交通量について時間帯で固定値を設定することはできないということである。交通量について実際の交通量より少なく見積もっていれば道路トンネル内の汚染濃度は想定値より大きくなってしまうし、交通量について実際の交通量より多く見積もっていれば換気装置の総消費電力は無駄に多く消費してしまっていることとなる。
【００１８】
上記問題点に鑑み、本発明は、車の入路と出路の総数が４以上、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あり複雑な一方通行トンネルでその制御目標とする風速制約が複数設定された複雑な制御システムについて、計算コストが少なく総消費電力を最小化できる制御処理をリアルタイムで実行できる道路トンネル換気制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明にかかる道路トンネル換気制御装置は、入路と出路の総数が４以上あり、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あり、制御目標とする風速制約が複数設定された条件下、それら前記換気装置の運転を制御する道路トンネル換気制御装置において、各々の前記入路および前記出路に対する所定の風速制約範囲内でとり得る値の組み合わせの中からサンプル風速値の組み合わせを選定するサンプル風速値選定処理手段と、前記サンプル風速値に基づいて前記道路トンネル内の各区間に生じる風速を計算し、当該風速を実現するジェットファン装置群の運転速度と消費電力量を計算するジェットファン装置群計算処理手段と、前記サンプル風速値に基づいて計算されるすべての前記入路と前記出路を介した総流入風量から前記立坑送排気ファン装置の運転速度と消費電力量を計算する立坑送排気ファン装置計算処理手段と、前記各ジェットファン装置群の前記消費電力量と前記立坑送排気ファン装置の前記消費電力量より、仮定した前記サンプル風速値ごとの総消費電力を計算する総消費電力計算処理手段と、前記サンプル風速値を前記風速制約範囲内にて様々に変化させ、前記総消費電力が最小となる前記サンプル風速値を最適サンプル風速値に選定する最適サンプル風速値選定処理手段と、前記最適サンプル風速値となるよう各前記ジェットファン装置群および各前記立坑送排気ファン装置の運転を制御する運転制御手段を備え、前記道路トンネル内の換気制御を行うことを特徴とする道路トンネル換気制御装置である。
上記構成により、入路と出路の総数が４以上あり、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あり、制御目標とする風速制約が複数設定された条件下でも、理論的に総消費電力が最小となる最適サンプル風速値を計算し、換気装置に対する制御実行が可能となる。
【００２０】
本発明では、従来技術の図１４に示した制御処理の流れとは根本的に逆になっており、先に制御の結果である入路の風速と出路の風速の組み合わせを定め、それらの結果を生じせしめるジェットファン装置群の風速と立坑送排気ファン装置の風量の組み合わせを求めるという逆の流れで計算してゆく探索方法である。
ここでは、この最適化法を“発見的探索法”と呼ぶことにする。
一般にジェットファン装置群や立坑送排気ファン装置の総数Ｎに比べ、道路トンネルの入路と出路の総数Ｍは少なく、入路の総数Ｍ１はさらに少ない。従って発見的探索法の探索空間１０Mは、従来技術の全数探索法の探索空間１０Nに比べて遙かに小さくなる。これが発見的探索法で複雑性を低減でき、計算時間が大幅短縮できる理由である。
【００２１】
なお、発見的探索法を用いた制御処理の可制御性について述べる。発見的探索法を用いた制御処理では、入路と出路の風速を先に決めて、それを基にトンネル内の風速を決め、このトンネル内風速になるようにジェットファンの風速を制御するというアプローチをとる。交通量により交通換気力が変化するので、ジェットファン装置群の風速制御を介してトンネル内風速の制御ができるという可制御性が前提となる。通常の道路トンネルではジェットファン装置群が適切に配置されているので、可制御性が問題になることは少ない。
【００２２】
次に、発明者が“発見的探索法”の研究を進めた結果、さらに改良が可能なことに気付いた。
まず、交通量の少ない時間帯について、最適解として得られた組み合わせを調べると、入路の風速および出路の風速は、それぞれ風速制約範囲で風速の絶対値が最小の値になっていることが分かった。このことは、トンネル内の風速分布はこの時間帯では一定であるので、交通換気力の影響は小さく、ジェットファン装置群や立坑送排気ファン装置により生成される風速により制御する必要がある。入路の風速も交通量に応じて発生する交通換気力（車のピストン効果）だけでは足りない。
次に、交通量がある程度以上の時間帯について、最適解として得られた組み合わせを調べると、出路の風速は風速制約範囲の絶対値が最小の値になっているが、入路の風速は風速制約範囲の絶対値が最小の値よりも大きな数値となっていることが分かった。この場合は入路の交通換気力を利用した方がジェットファン装置群の消費電力が下がることを意味している。しかし出路では交通換気力を利用すれば逆に消費電力が上がることを意味している。
【００２３】
このことから、発明者は、サンプル風速値選定処理手段において、各々の出路のサンプル風速値を風速制約範囲内のうちの絶対値が最小の値に固定し、各々の入路のサンプル風速値は風速制約範囲内から自由に選ぶという制御処理が有効であることを見い出した。
つまり、計算試行する入路風速および出路風速として取り得る値の組み合わせすべてではなく、出路風速は固定として入路風速として取り得る値のみを探索する。ここでは、この最適化法を“改良型発見的探索法”と呼ぶことにする。
【００２４】
次に、道路トンネル内に立坑送排気ファン装置の設置個所が複数存在する場合の処理について述べる。この場合、上記した立坑送排気ファン装置計算処理手段において、各々の立坑送排気ファン装置の総運転風量がすべての入路と出路からの総流入風量と等しくなるように決め、その風量配分があらかじめ定めた幾つかの配分比の中から総消費電力が最小となる配分比を選択すれば良い。
【００２５】
次に、道路トンネルが長大な場合などにおいて、道路トンネル全体を複数のサブトンネルに分割して制御する工夫について述べる。
道路トンネル全体を複数のサブトンネルに分割し、分割点から車が流入する流入サブトンネルでは分割点を入路とし、分割点から車が流出する流出サブトンネルでは分割点を出路と見立てる。このように分割点を入路や出路と見立てることにより上記した改良型発見的探索法を適用することができる。
つまり、上記の改良型発見的探索法を適用すれば、前記道路トンネル全体を複数のサブトンネルに分割する１または複数の分割点について、前記分割点の風速が所定の風速制約範囲内でとり得る値の中から分割サンプル風速値またはその組み合わせを選定する分割サンプル風速値選定処理手段と、前記分割サンプル風速値選定処理手段が選定した前記分割点における前記分割サンプル風速値の条件で、前記分割点から見て車が流入する流入サブトンネルでは前記分割点を前記入路とし、前記分割点から車が流出する流出サブトンネルでは前記分割点を前記出路と見立て、前記サンプル風速値選定処理手段、前記ジェットファン装置群計算処理手段、前記立坑送排気ファン装置計算処理手段、前記総消費電力計算処理手段により、それぞれの総消費電力を計算し、前記サンプル風速値選定処理手段により前記サンプル風速値を前記風速制約範囲内で様々に変化させ、さらに、前記分割サンプル風速値選定処理手段により前記分割点における風速を前記風速制約範囲内で様々に変化させ、前記総消費電力が最小となる前記道路トンネル全体の前記最適サンプル風速値を求めることができる。運転制御手段はサブトンネルごとに求められた最適サンプル風速値となるようジェットファン装置群および各立坑送排気ファン装置の運転を制御することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の道路トンネル換気制御装置によれば、入路と出路の総数が４以上あり、制御対象となる換気装置としてジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置の総数が４以上あり、制御目標とする風速制約が複数設定された条件下でも、理論的に総消費電力が最小となる最適サンプル風速値を計算し、換気装置に対する制御実行が可能となる。
また、本発明の道路トンネル換気制御装置において、出路の風速を風速制約範囲の絶対値が最少の値（トンネル内に引き込まれる風速の最小値）に固定し、入路の風速の組み合わせから探索してゆく発見的探索法を適用した制御処理とすれば、発見的探索法の探索空間は小さくなり、計算時間が大幅短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の基本的構成を説明するブロック図である。
【図２】実施例１にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】トンネル内の様子を模式的に示した図である。
【図４】実施例２にかかる道路トンネル換気制御装置１００の改良型発見的探索法を用いた処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の改良型発見的探索法を用いた制御処理を用いて最適サンプル風速値として選択された入路風速と出路風速の一日の変化を示す図である。
【図６】最適サンプル風速値として選択された入路風速と出路風速を生成するために必要とされるジェットファン風速と排気ファン風量の一日の変化を示す図である。
【図７】本発明の改良型発見的探索法を用いた制御処理による総消費電力と排気ファン風量の一日の変化を示す図である。
【図８】道路トンネル内の一つの区間内に複数のジェットファン装置群が存在する場合の例を示す図である。
【図９】道路トンネル内に立坑送排気ファンが複数の場合の例を示す図である。
【図１０】複雑な道路トンネルの例を分割処理して改良型発見的探索法を用いた道路トンネル換気の制御処理を適用する考え方を示す図である。
【図１１】実施例５にかかる道路トンネル換気制御装置１００ａの基本的構成を説明するブロック図である。
【図１２】実施例５にかかる道路トンネル換気制御装置１００ａの改良型発見的探索法を用いた処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式と立抗換気方式を組み合わせた道路トンネルおよびトンネル内の交通を示した図である。
【図１４】従来技術におけるすべての制御対象である換気装置について取り得る値に関して全数探索を用いた処理の流れを示すフローチャートである。
【図１５】道路トンネルの本線（区間２）の一日の交通量変化を３日間にわたって示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の道路トンネル換気制御装置の実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、個数などには限定されないことは言うまでもない。
【実施例１】
【００２９】
実施例１にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の例を示す。
図１は、実施例１にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の基本的構成を説明するブロック図である。
図２は、実施例１にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の処理の流れを示すフローチャートである。
図３は、トンネル内の様子を模式的に示した図である。
図１には、道路トンネル換気制御装置１００のほか、トンネル内に配置された各種センサとセンサ部１１０、換気装置であるジェットファン装置群２００、立坑送排気ファン装置２１０が示されている。
【００３０】
まず、センサ部１１０を説明する。
センサ部１１０は、実測データを収集する各種センサや計測器を備えており、トンネル内の煙霧透過率データと、汚染ガス濃度データと、断面風速データと、トンネル内の車両交通量データとを含むトンネル内データを計測・収集する部分である。この構成例では、トラフィックカウンタ（ＴＣ）１１１、風向風速計(ＡＶ)１１２、煙霧透過率データ計測器(ＶＩ)１１３、一酸化炭素濃度データ計測器(ＣＯ)１１４を備えている。
トラフィックカウンタ１１１は、トンネルを通過する車両の台数や速度を計測するセンサであり、トラフィックカウンタ１１１によりトンネルを通過する車両に関して必要なデータを得ることができる。設置個所としてはトンネルに対する車両の出入りを管理するために適切な箇所であれば良く、この例ではすべての入路近くおよびすべての出口路近くに設置される。
風向風速計１１２は、縦流換気の流れを計測するために適した位置、例えば、トンネル２００の入路、トンネル内部の適宜な区間ごと、出口近くに設置されている。この例では、入路が入路１、入路２の２つがあるのでそれら２カ所、出路が出路１、出路２の２つがあるのでそれら２カ所、トンネル内部としてジェットファン装置群２００が設置された区間が３区間あるので、それぞれに設置した例となっている。
煙霧透過率データ計測器１１３は、レーザー照射部とレーザー受光部を備え、レーザー照射部とレーザー受光部間の空気中を透過するレーザー光の割合から塵などによる汚染濃度を計測する装置である。設置個所としてはトンネル内部の適宜な区間ごとであれば良く、この例では、ジェットファン装置群２００が設置された区間が３区間あるので、それぞれに設置した例となっている。
一酸化炭素濃度データ計測器１１４は、トンネル２００内の一酸化炭素の濃度を測定する装置である。設置個所としてはトンネル内部の適宜な区間ごとであれば良く、この例では、ジェットファン装置群２００が設置された区間が３区間あるので、それぞれに設置した例となっている。
【００３１】
次に、道路トンネル換気制御装置１００の各構成要素を説明する。
道路トンネル換気制御装置１００は、道路トンネル内の換気装置であるジェットファン装置２００、立坑送排気ファン装置２１０の制御を通じて換気制御を行うものである。
道路トンネル換気制御装置１００は、サンプル風速値選定処理手段１０１、ジェットファン装置群計算処理手段１０２、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３、総消費電力計算処理手段１０４、最適サンプル風速値選定処理手段１０５、運転制御手段１０６を備えた構成例となっている。
【００３２】
サンプル風速値選定処理手段１０１は、道路トンネルにおける交通量に応じて各々の入路および出路に対する所定の風速制約範囲内でとり得る値の組み合わせの中からサンプル風速値の組み合わせを選定するものである。道路トンネルにおける交通量は、トラフィックカウンタにより計測された数値から決めることとし、例えば、３０分ごとに交通量を把握するものとする。
サンプル風速値選定処理手段１０１は各々の入路および出路として取り得る値の組み合わせの中からサンプル風速値を選択するもので、後述する図２に示したフローチャートで説明するように、入路および出路として取り得る値のすべての組み合わせが選択されて計算処理がされるまで、ループ処理が繰り返される。
【００３３】
ジェットファン装置群計算処理手段１０２は、サンプル風速値選定処理手段１０１が選択したサンプル風速値に基づいて道路トンネル内の各区間に生じる風速を計算し、当該風速を実現するジェットファン装置群２００の運転速度を計算するものである。
【００３４】
立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３は、サンプル風速値選定処理手段１０１が選択したサンプル風速値に基づいて計算されるすべての入路と出路を介した総流入風量から立坑送排気ファン装置の運転速度を計算するものである。
【００３５】
総消費電力計算処理手段１０４は、ジェットファン装置群計算処理手段１０２が計算した各ジェットファン装置群の運転速度から消費電力量を計算し、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３が計算した立坑送排気ファン装置の運転速度から消費電力量を計算し、仮定したサンプル風速値ごとの総消費電力を計算するものである。
【００３６】
最適サンプル風速値選定処理手段１０５は、サンプル風速値選定処理手段１０１が選択するサンプル風速値を風速制約範囲内にて様々に変化させ、その結果、総消費電力計算処理手段１０４が計算した総消費電力が最小となるサンプル風速値を最適サンプル風速値に選定するものである。
【００３７】
運転制御手段１０６は、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が選定した最適サンプル風速値を実現する各々のジェットファン装置群２００および立坑送排気ファン装置２１０の運転速度となるよう、それら換気装置に対して運転制御信号を出して制御するものである。
【００３８】
以上の構成を備えた道路トンネル換気制御装置１００による制御処理の流れを具体的な例を挙げつつ説明する。
図３の道路トンネルのモデルで考察する。なお、対比説明するため、この図３の道路トンネルモデルは、図１３の道路トンネルモデルと同じものとなっている。
図３に示すように、この構成例では、トンネルはトンネル区間１から６までの６つの区間を想定する。
ジェットファン装置群は、ＪＦＧ１、ＪＦＧ２、ＪＦＧ３の３グールプに分けられており、本線のトンネル区間１、２、３にそれぞれ、ジェットファン装置群２００Ａ，Ｂ，Ｃが配置されている。また、トンネル区間３と４の間に立坑送排気ファン装置２１０が１台配置された例となっている。
なお、ジェットファン装置群内の各ジェットファン装置は等速度で運転するものとする。なぜならばジェットファン装置群で群体として一定の風速を得る場合、各ジェットファン装置が同じ等速度での運転とする方がその消費電力が最小となるからである。
【００３９】
次に、図３に示した例において、各々の入路、出路に設定されている風速制約範囲として、入路１の風速Ｖ１の風速制約範囲は、Ｖ１≧０．５ｍ/ｓ、入路２の風速Ｖ５の風速制約範囲は、Ｖ５≧０．５ｍ/ｓ、出路１の風速Ｖ４の風速制約範囲は、Ｖ４≦−１．０ｍ/ｓ、出路２の風速Ｖ６の風速制約範囲は、Ｖ６≦−０．５ｍ/ｓの例となっている。
【００４０】
ここで、入路１、２および出路１、２の風速制約を満たし、ジェットファン装置群と立坑送排気ファン装置の総消費電力を最小にする運転風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３と運転風量ＱＥを決める問題は定式化すると、（数２）〜（数５）の風速制約下で、（数１）で表される総消費電力を最小化する、制約付き非線形最適化問題となる。
【数１】
2019044507.tif 000003
【数２】
2019044507.tif 000004
【数３】
2019044507.tif 000005
【数４】
2019044507.tif 000006
【数５】
2019044507.tif 000007
ここで、ＶＪｉはＪｉの風速、ＱＥは立坑送排気ファン装置の風量である。また（数２）は入路１の風速、（数３）は入路２の風速、（数４）は出路１の風速、（数５）は出路２の風速制約を示すものである。
【００４１】
この例では、道路トンネル換気制御装置１００による制御処理は、３０分間ごとに更新するものとする。つまり、３０分間の平均交通量に応じて、出力はジェットファングループの運転風速と立坑送排気ファンの運転風量となる制御系である。この最適化計算を一日の交通量変化に応じて４８回繰り返し、一日の最適運転パターンを得れば良いこととなる。
【００４２】
発明にかかる道路トンネル換気制御装置１００における制御処理の概略を説明する。
図２は、本発明の道路トンネル換気制御装置１００による発見的探索法を用いた制御処理手順を示すフローチャートである。
図２に示すように、下記の各ステップから処理される。
図２のステップ２０１は、サンプル風速値選定処理手段１０１による入路の風速値および出路の風速値としてとり得る組み合わせの中から或る組み合わせ（サンプル風速値）を選択するステップである。例えば、入路風速や出路風速の絶対値が５．０ｍ/ｓを越えることはないものとし、変化しうる値は０．０５ｍ/ｓずつとする。
ここでは、すべての組み合わせが順次選択されてゆくよう、例えば、入路１、２、出路１、２の風速値を最小値からスタートして総当たりとなるよう順に増加させて行けばすべての組み合わせを当たることができる。
【００４３】
なお、後述するように、ステップ２０６からステップ２０１へのループを繰り返すことにより、下記の入路、出路の風速の組み合わせが順次選択されてゆくこととなる。
入路：  V1[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
V5[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
出路：  V4[m/s]= −1.00, −1.05, −1.10, ……,−5.00（81Case）
V6[m/s]= −0.50, −0.55, −0.60, ……,−5.00（91Case）
つまり、９１×９１×８１×９１＝６１０３万９２５１の組み合わせが順次選択されてゆくこととなるが、まず、選択された１つの組み合わせが入路および出路のサンプル風速値として選定され、ステップ２０２へ移行する。
【００４４】
ステップ２０２は、上記ステップ１でサンプル風速値選定処理手段１０１が想定した入路および出路のサンプル風速値をもとに、ジェットファン装置群計算処理手段１０２によってトンネル内の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）を計算するステップである。
入路および出路のサンプル風速値とその風量が決まれば、トンネル内の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）も計算することができる。
【００４５】
ステップ２０３は、ステップ２０２で得られた各区間の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）より、ジェットファン装置群計算処理手段１０２によってジェットファン装置群２００Ａ，Ｂ，Ｃの風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３を計算するステップである。トンネル内の風速が可制御であればこれらは理論的に計算できる。
【００４６】
ステップ２０４は、上記ステップ１でサンプル風速値選定処理手段１０１が想定した入路および出路のサンプル風速値をもとに、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３によって立坑送排気ファン風量ＱＥおよび風速ＶＥを計算するステップである。
立坑送排気ファン風量ＱＥはＱＥ＝Ｑ１＋Ｑ５−Ｑ４−Ｑ６より求まり、立坑送排気ファン装置の風速ＶＥは、立坑送排気ファン風量ＱＥと立坑送排気口の面積ＳＱにより求まる。
ここで、Ｑ１は入路１を介して区間１に吹き込む風量であり、入路１の断面積Ｓ１と風速Ｖ１より求まる。同様に、Ｑ５は入路２を介して区間５に吹き込む風量であり、入路２の断面積Ｓ５と風速Ｖ５より求まる。Ｑ４は出路１を介して区間４に吹き込む風量であり、出路１の断面積Ｓ４と風速Ｖ４より求まる。Ｑ６は出路２を介して区間６に吹き込む風量であり、出路２の断面積Ｓ６と風速Ｖ６より求まる。
【００４７】
ステップ２０５は、ステップ１０３で計算されたジェットファン装置群の風速ＶＪおよびステップ２０４で計算された立坑送排気ファン風速ＶＥより、総消費電力計算処理手段１０４がそれらの運転に必要な総消費電力を計算するステップである。
ジェットファン装置群の風速ＶＪおよび立坑送排気ファン風速ＶＥがそれぞれ決まれば、その風速でモータを回転させる消費電力が各々決まり、それらの総合計をすれば総消費電力が決まる。
【００４８】
ステップ２０６は、サンプル風速値選定処理手段１０１または最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、上記ステップ１０１における入路の風速および出路の風速の組み合わせのすべてが試行されたか否かを判断するステップであり、組み合わせのすべてが試行された場合（ステップ２０６：Ｙ）、ステップ１０７に進み、まだ未試行の組み合わせが残っていれば（ステップ２０６：Ｎ）上記のステップ１０１に戻る。このステップ２０１→２０２→２０３→２０４→２０５→２０６→ステップ２０１へのループを繰り返すことにより、６１０３万９２５１の組み合わせがすべて計算される。
【００４９】
ステップ２０７は、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、組み合わせのすべてが試行されたことを受け、総消費電力計算処理手段１０４が候補として計算したもののうち、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置による総消費電力が最小となるものを最適解として選定するステップである。
【００５０】
ステップ２０８は、運転制御手段１０６が、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が決定した入路１、２、出路１、２の最適風速値をもたらす、ジェットファン装置群の風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３、立坑送排気ファン装置２１０の風速ＶＥとなるよう、ジェットファン装置群２００および立坑送排気ファン装置２１０の運転制御を行うステップである。
以上の処理ステップにより、実施例１にかかる発見的探索法を用いた制御処理が実行できる。
【００５１】
上記の本発明の道路トンネル換気制御装置１００による発見的探索法を用いた制御処理の計算量をざっくりと評価してみる。
上記したモデルでは、本発明の道路トンネル換気制御装置１００による発見的探索法を用いた制御処理によれば６１０３万９２５１の組み合わせを計算するが、従来の全数探索法を用いた制御処理では１０８（１００００万）と想定されているため、計算量が低減する。
さらに、トンネルの入路の風速、出路の風速の変化をもっと少ないステップに減らして考えることも可能である。
また、ジェットファン装置群や立坑送排気ファン装置の数が多くなれば、本発明の道路トンネル換気制御装置１００による発見的探索法を用いた制御処理では、試行する組み合わせ数は変動しないが、従来の全数探索法ではジェットファン装置群２００および立坑送排気ファン装置２１０の数に応じて大きく増加する。
さらに、本発明の道路トンネル換気制御装置１００による発見的探索法を用いた制御処理では、風速制約範囲を満たす場合しか探索しないので効果的な探索が可能となる。
【実施例２】
【００５２】
実施例２にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の例を示す。
実施例２にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００では、改良型発見的探索法を用いた制御処理を行うものである。
実施例２の改良型発見的探索法では、出路の風速を風速制約範囲の絶対値が最小の値に固定するものとし、選択される組み合わせは、入路の風速として取り得る組み合わせの数に限定した組み合わせの中から選択される。ここではこれを“改良型サンプル風速値”とする。
本発明の道路トンネル換気制御装置１００の構成要素は実施例１と同じであるが、サンプル風速値選定処理手段１０１が改良型サンプル風速値を選定する。
【００５３】
図４は、実施例２にかかる道路トンネル換気制御装置１００の改良型発見的探索法を用いた処理の流れを示すフローチャートである。
図４に示すように、下記の各ステップから処理される。
ステップ４０１は、入路の風速および出路の改良型サンプル風速値の組み合わせを選択する。
例えば、入路風速や出路風速の絶対値が５．０ｍ/ｓを越えることはないものとし、変化しうる値は０．０５ｍ/ｓずつとすると、出路１は−１．０ｍ/ｓ、出路２は−０．５ｍ/ｓの固定値であり、その上で、すべての組み合わせが順次選択されてゆくよう、入路１、２の風速値を最小値からスタートして総当たりとなるよう順に増加させて行けば、“改良型サンプル風速値”に該当するすべての組み合わせを当たることができる。
なお、後述するように、ステップ４０６からステップ４０１へのループを繰り返すことにより、下記の入路、出路の風速の組み合わせが順次選択されてゆくこととなる。
入路：  V1[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
V5[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
出路：  V4[m/s]= −1.00（1Case）
V6[m/s]= −0.50（1Case）
つまり、９１×９１×１×１＝８２８１の組み合わせが順次選択されてゆくこととなるが、まず、選択された１つの組み合わせが入路および出路の“改良サンプル風速値”として選定され、ステップ４０２へ移行する。
【００５４】
ステップ４０２は、上記ステップ４０１でサンプル風速値選定処理手段１０１が選択した改良型サンプル風速値をもとに、ジェットファン装置群計算処理手段１０２によってトンネル内の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）を計算するステップである。図２ステップ２０２と同様の処理となる。
【００５５】
ステップ４０３は、ステップ４０２で得られた各区間の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）より、ジェットファン装置群計算処理手段１０２によってジェットファン装置群２００Ａ，Ｂ，Ｃの風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３を計算するステップである。
【００５６】
ステップ４０４は、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３によって立坑送排気ファン風量ＱＥおよび風速ＶＥを計算するステップである。
【００５７】
ステップ４０５は、ステップ４０３で計算されたジェットファン装置群の風速ＶＪおよび立坑送排気ファン風速ＶＥより、総消費電力計算処理手段１０４がそれらの運転に必要な総消費電力を計算するステップである。
ステップ４０５は、ステップ４０３で計算されたジェットファン装置群の風速ＶＪおよびステップ４０４で計算された立坑送排気ファン風速ＶＥより、総消費電力計算処理手段１０４がそれらの運転に必要な総消費電力を計算するステップである。
ジェットファン装置群の風速ＶＪおよび立坑送排気ファン風速ＶＥがそれぞれ決まれば、その風速でモータを回転させる消費電力が各々決まり、それらの総合計をすれば総消費電力が決まる。
【００５８】
ステップ４０６は、サンプル風速値選定処理手段１０１または最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、上記ステップ４０１において“改良型サンプル風速値”に該当する組み合わせのすべてが試行されたか否かを判断するステップであり、ここでは、改良型サンプル風速値となる組み合わせのすべてが試行された場合（ステップ４０６：Ｙ）、ステップ４０７に進み、まだ未試行の組み合わせが残っていれば（ステップ４０６：Ｎ）上記のステップ４０１に戻る。
【００５９】
ステップ４０７は、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、改良型サンプル風速値となる組み合わせのすべてが試行されたことを受け、総消費電力計算処理手段１０４が候補として計算したもののうち、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置による総消費電力が最小となるものを最適解として選定するステップである。
ステップ４０８は、運転制御手段１０６が、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が決定した入路１、２、出路１、２の最適風速値をもたらす、ジェットファン装置群の風速ＶＪ１、ＶＪ２、ＶＪ３、立坑送排気ファン装置２１０の風速ＶＥとなるよう、ジェットファン装置群２００および立坑送排気ファン装置２１０の運転制御を行うステップである。
以上の処理ステップにより、実施例２にかかる改良型発見的探索法を用いた制御処理が実行できる。
【００６０】
上記の本発明の道路トンネル換気制御装置１００による改良型発見的探索法を用いた制御処理の計算量をざっくりと評価してみる。
上記したモデルでは、本発明の道路トンネル換気制御装置１００による改良型発見的探索法を用いた制御処理によれば８２８１の組み合わせを計算するが、従来の全数探索法を用いた制御処理では１０８（１００００万）と想定されているため、計算量が劇的に低減している。
さらに、トンネルの入路の風速、出路の風速の変化をもっと少ないステップに減らして考えることも可能である。
実施例１の発見的探索法を用いた制御処理の計算量に比べても、実施例２の改良型発見的探索法を用いた制御処理の計算量は低減されている。実施例１の発見的探索法を用いた制御処理では、入路は２つ、出路は２つあり、６１０３万９２５１通りの計算が必要であるが、実施例２の改良型発見的探索法を用いた制御処理では、入路は２つ、出路は固定であるので８２８１通りの組み合わせに削減され、計算時間が約１/１０４になる。また、交通量が少ない場合は探索も必要無く解が一意に決まるというメリットがある。
【００６１】
次に、実際のトンネルでのシミュレーション結果を示す。
図５は、本発明の改良型発見的探索法を用いた制御処理を用いて最適サンプル風速値として選択された入路風速と出路風速の一日の変化を示す図である。
図６は、最適サンプル風速値として選択された入路風速と出路風速を生成するために必要とされるジェットファン風速と排気ファン風量の一日の変化を示す図である。
図７は、本発明の改良型発見的探索法を用いた制御処理による総消費電力と排気ファン風量の一日の変化を示す図である。
このように、総消費電力量を最小化しつつ、良好かつ安定した運転が可能となる。
【実施例３】
【００６２】
実施例３にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の例を示す。
実施例３として、道路トンネル内の一つの区間内に複数のジェットファン装置群が存在する場合の処理について述べる。
図８は、道路トンネル内の一つの区間内に複数のジェットファン装置群が存在する場合の例を示す図である。
この場合、ジェットファン装置群計算処理手段１０２において、当該区間の風速が所定風速となり、かつその総消費電力の和が最小となるように各々のジェットファン装置群の運転速度を決めるようにすれば良い。
【００６３】
道路トンネル内の一つの区間内に複数のジェットファン装置群が存在する場合に、ジェットファン装置群計算処理手段１０２における処理の妥当性について検証する。
トンネル内の区間ｉでは、交通量に応じた交通換気力（ピストン効果）Ｆｔｉと、空気流と壁面間の壁面摩擦力Ｆｒｉとジェットファンの回転による昇圧力Ｆｊｉが働き、トンネル断面積をＡｉ、区間ｉの入口と出口間の圧力差をＰｉとすれば、（数６）の関係が成り立つ。
【数６】
2019044507.tif 000008
また区間ｉの風速をｖｉ、車速をｖｔ、ジェットファン風速をｖｊｉとすると（数７）で表される。ａ，ｂ，ｃは定数である。
【数７】
2019044507.tif 000009
ジェットファングループが図８のように２グループになると、（数６）が（数８）で表され、（数７）が（数９）で表され、交通換気力と壁面抵抗、区間の圧力差は変わらない。
【数８】
2019044507.tif 000010
【数９】
2019044507.tif 000011
【００６４】
従って、区間内にジェットファン装置群が１グループの場合のＦｊｉに代えて、区間内にジェットファン装置群が２グループの場合は、Ｆｊｉ＝Ｆｊｉ１＋Ｆｊｉ２となり、昇圧力を２グループで発生させてその総和となれば良い。
従って、風速ｖｉの区間ｉに必要なジェットファン昇圧力Ｆｊｉ＝Ｆｊｉ１＋Ｆｊｉ２を最小の消費電力で発生させるジェットファン風速ｖｊｉ１とｖｊｉ２の値を求めれば良い。
ジェットファンが３グループ以上になっても、同様に消費電力が最小となる各ジェットファングループの運転風速を求めることができる。
【実施例４】
【００６５】
実施例４にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００の例を示す。
実施例４として、道路トンネル内に立坑送排気ファンが複数の場合について述べる。
図９は、道路トンネル内に立坑送排気ファンが複数の場合の例を示す図である。
このように、道路トンネル内に立坑送排気ファン装置の設置個所が複数存在する場合、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３において、各々の立坑送排気ファン装置の総運転風量がすべての入路と出路からの総流入風量と等しくなるように決め、その風量配分があらかじめ定めた幾つかの配分比の中から総消費電力が最小となる配分比を選択すればよい。
【００６６】
立坑送排気ファン装置の風量ＱＥはすべての入路と出路からトンネル流れ込む風量に等しい。立坑送排気ファン装置が図９のように２台になると、（数１０）に示すように、２台の排気ファンの風量ＱＥ１とＱＥ２の和（総風量）がすべての入路と出路からトンネル流れ込む風量に等しくなる。
【数１０】
2019044507.tif 000012
従って（数１０）を満たし、消費電力の和が最小となるＱＥ１、ＱＥ２の配分を求め、これらを運転風量とすれば良い。しかし、実施例３と異なり立坑送排気ファン装置の風量配分を変えると区間風速も変わるので、計算が複雑になる。そこで、あらかじめ決めたＱＥ１とＱＥ２の配分比の中から総消費電量が最小となる配分比を選択することも可能である。
【００６７】
また、立坑送排気ファン装置も風速が逆向きの入路と見なし、入路の数を１つ増やして、実施例２に示した改良型発見的探索を行いて最適解を得る方法もある。
立坑送排気ファンが３以上になっても、同様に消費電力が最小となる各立坑送排気ファンの運転風量を求めることができる。
【実施例５】
【００６８】
実施例５にかかる本発明の道路トンネル換気制御装置１００ａの例を示す。
実施例５として、トンネルをいくつかのサブトンネルに分割して、サブトンネル毎に実施例２に示した改良型発見的探索法を用いた道路トンネル換気の制御処理を適用する工夫について述べる。
図１０は、複雑な道路トンネルの例を分割処理して改良型発見的探索法を用いた道路トンネル換気の制御処理を適用する考え方を示す図である。
トンネルが図１０上図のようにさらに複雑になった場合は、図１０下図のようにトンネルをいくつかのサブトンネルに分割して、サブトンネル毎に実施例２に示した改良型発見的探索法を適用すれば、計算コストを低減することができる。
図１０の例では、トンネル全体に分割点１、２を設けて３個のサブトンネルに分割して処理する場合を示している。
【００６９】
サブトンネル１とサブトンネル２は、区間４と区間７の間の分割点１で分割する。
同様にサブトンネル１とサブトンネル３は区間６と区間１３の間の分割点２で分割する。
まず、この分割点１，２の風速Ｖ４、Ｖ６を想定する。
分割点１，２とも道路トンネル全体の中途にあるため、道路トンネル換気制御装置１００ａの運用によって風速Ｖ４、Ｖ６は変動し得る。ここで、Ｖ４、Ｖ６の風速としてとり得る値を想定し、その想定下、サブトンネル１の区間４は出路と見立て、サブトンネル２の区間７は入路と見立てるとともに、サブトンネル１の区間６は出路と見立て、サブトンネル３の区間１３は入路と見立てる。その上で、各サブトンネル１、２、３について、個別に改良型発見的探索法を適用し、その結果から、想定した分割点１，２の風速Ｖ４、Ｖ６の風速の組み合わせについて、改良型発見的探索法を用いた総消費電力を計算する。次に、分割点１，２の風速Ｖ４、Ｖ６の風速の組み合わせを変えてこの処理を行い、分割点１，２の風速Ｖ４、Ｖ６の風速の組み合わせのすべてを試行し、最小の総消費電力を決めれば良い。
【００７０】
図１１は、実施例５にかかる道路トンネル換気制御装置１００ａの基本的構成を説明するブロック図である。
実施例５にかかる道路トンネル換気制御装置１００ａは、サンプル風速値選定処理手段１０１、ジェットファン装置群計算処理手段１０２、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３、総消費電力計算処理手段１０４、最適サンプル風速値選定処理手段１０５、運転制御手段１０６のほか、分割サンプル風速値選定処理手段１０７を備えた構成例となっている。
サンプル風速値選定処理手段１０１から運転制御手段１０６は実施例１で説明したものと同様で良いのでここでの説明は省略する。
【００７１】
分割サンプル風速値選定処理手段１０７は、道路トンネル全体を複数のサブトンネルに分割する１または複数の分割点について、道路トンネルの交通量に応じて分割点の風速が所定の風速制約範囲内でとり得る値の中から分割サンプル風速値またはその組み合わせを選定するものである。つまり、まず、分割点における風速をとり得る値のうち或る値を“分割サンプル風速値”として選択する。その後、分割サンプル風速値選定処理手段１０７が選定した分割点における“分割サンプル風速値”の条件で、分割点から見て車が流入する流入サブトンネルでは分割点を入路とし、分割点から車が流出する流出サブトンネルでは分割点を出路と見立て、実施例２で説明した手順により、サンプル風速値選定処理手段１０１、ジェットファン装置群計算処理手段１０２、立坑送排気ファン装置計算処理手段１０３、総消費電力計算処理手段１０４により、それぞれの総消費電力を計算する。その後、分割点における風速をとり得る値のうち別の値を“分割サンプル風速値”として選択し、同様の処理を繰り返し、分割点における風速としてとり得るすべての風速値を計算すれば、図１０のような複雑な道路トンネルについても最適値計算が効率よく実行できる。
【００７２】
以下、図１２のフローチャートを参照しつつ、道路トンネル換気制御装置１００ａによる処理の流れを具体的な実例を示しつつ説明する。
まず、分割点をさだめて改良型発見的探索法を適用しやすいサブトンネルごとに分割する。この分割点の選定自体も自動処理することも原理的にはできるが、ここでは、道路トンネル換気制御装置構築の設計段階で決めて固定しておくものとする。
【００７３】
まず、分割サンプル風速値選定処理手段１０７により、“分割サンプル風速値”を選択する（ステップ１２０１）。
道路トンネルの内部においても風速の絶対値が５．０ｍ/ｓを越えることはないものとし、変化しうる値は１ｍ/ｓきざみで風速Ｖ４、Ｖ６の風速の組み合わせを試行するものとする。
V4[m/s]=V7=-5.00,-4.00,-3.00,-2.00,-1.00,0.00,1.00,2.00,3.00,4.00,5.00（11Case）
V6[m/s]=V13=-5.00,-4.00,-3.00,-2.00,-1.00,0.00,1.00,2.00,3.00,4.00,5.00（11Case）
なお、後述するように、ステップ１２０８からステップ１２０１へのループを繰り返すことにより、上記の合計１２１の組み合わせのそれぞれについて改良型発見的探索法で最適解を求めることとなる。
ここでは、例えばV4=V7=1.00ｍ/ｓ, V6=V13=2.00ｍ/ｓの組み合わせが選択されたものとして説明を続ける。
【００７４】
次に、各々のサブトンネルごとに改良型発見的探索法を適用してゆく。
サンプル風速値選定処理手段１０１により、“改良型サンプル風速値”を選択する（ステップ１２０２）。
改良型発見的探索法を適用すれば、分割点１と分割点２について、出路と見立てたものは風速値が固定できる。
下記の入路、出路の風速の組み合わせが順次選択されてゆくこととなる。
入路：  V1[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
V5[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
V11[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
V18[m/s]= 0.50, 0.55, 0.60, ……,5.00（91Case）
出路：  V10[m/s]= 1.00（1Case）
V12[m/s]= 1.00（1Case）
V16[m/s]= 1.00（1Case）
V17[m/s]= 1.00（1Case）
分割点：V4[m/s]=V7= 1.00（1Case）
V6[m/s]= V13=2.00（1Case）
【００７５】
サブトンネル１では、９１×９１×１×１＝８２８１の組み合わせが順次選択されてゆくこととなるが、まず、選択された１つの組み合わせが入路および出路の“改良サンプル風速値”として選定され、ステップ１２０３へ移行する。
なお、サブトンネル２、サブトンネル３についても同様の処理が行われる。
ステップ１２０３は、上記ステップ１２０２でサンプル風速値選定処理手段１０１が選択した改良型サンプル風速値をもとに、ジェットファン装置群計算処理手段１０２によってトンネル内の風速分布（Ｖ１〜Ｖ６）を計算するステップである。図４ステップ２０２と同様の処理となる。
【００７６】
以下、ステップ１２０４、ステップ１２０５、ステップ１２０６が処理され、各々のサブトンネルごとに改良型発見的探索法を適用した結果、すべての改良サンプル風速値について総消費電力が求められる。なお、このステップ１２０４、ステップ１２０５、ステップ１２０６は、実施例２の図４で示したステップ４０３、ステップ４０４、ステップ４０５と同様の処理である。
【００７７】
ステップ１２０７は、サンプル風速値選定処理手段１０１または最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、上記ステップ１２０２において“改良型サンプル風速値”に該当する組み合わせのすべてが試行されたか否かを判断するステップであり、ここでは、改良型サンプル風速値となる組み合わせのすべてが試行された場合（ステップ１２０７：Ｙ）、ステップ１２０８に進み、まだ未試行の組み合わせが残っていれば（ステップ１２０７：Ｎ）上記のステップ１２０２に戻る。
【００７８】
すべてのサブトンネルについてこのステップ１２０２、ステップ１２０３、ステップ１２０４、ステップ１２０５、ステップ１２０６が処理される。
サブトンネル１では、９１×９１×１×１＝８２８１の組み合わせが順次選択されて総消費電力最小のものが特定できる。同様に、サブトンネル２、サブトンネル３についても総消費電力最小のものが特定できる。
この例では、V4=V7=1.00ｍ/ｓ, V6=V13=2.00ｍ/ｓの組み合わせに関する最適解となる。
【００７９】
ステップ１２０８は、分割サンプル風速値選定処理手段１０７または最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、上記ステップ１２０１において“分割サンプル風速値”に該当する組み合わせのすべてが試行されたか否かを判断するステップであり、ここでは、分割サンプル風速値となる組み合わせのすべてが試行された場合（ステップ１２０８：Ｙ）、ステップ１２０９に進み、まだ未試行の組み合わせが残っていれば（ステップ１２０８：Ｎ）上記のステップ１２０１に戻る。
【００８０】
ステップ１２０９は、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が、分割サンプル風速値となる組み合わせのすべてが試行されたことを受け、総消費電力計算処理手段１０４が候補として計算したもののうち、ジェットファン装置群および立坑送排気ファン装置による総消費電力が最小となるものを最適解として選定するステップである。
これで試行すべきすべてのケースについての総消費電力が最小となるもの最適解が得られたこととなる。
【００８１】
ステップ１２１０は、運転制御手段１０６が、最適サンプル風速値選定処理手段１０５が決定した入路、出路の最適風速値をもたらす、ジェットファン装置群ＪＦＧ１からＪＦＧ９の風速、立坑送排気ファン装置ＥＦ１からＥＦ３の風速となるよう、各々のジェットファン装置群２００および立坑送排気ファン装置２１０の運転制御を行うステップである。
以上の処理ステップにより、実施例５にかかるトンネル分割処理をした上で改良型発見的探索法を用いた制御処理が実行できる。
【００８２】
ここで、本実施例５にかかる道路トンネル換気制御装置１００ａによるトンネル分割処理をした上で改良型発見的探索法を用いた制御処理の計算量をざっくりと評価してみる。
分割点１，２の風速を上記のように１１通りとした場合、計算コストは（８２８１＋９１＋９１)×１２１=１０２４０２３（約１０６）となる。
もし分割点１，２の風速を５０通りに拡張すれば、風速Ｖ４、Ｖ６の風速の組み合わせは２５００通りに増える。つまり、この場合の計算コストは（８２８１＋９１＋９１)×２５００＝２１１５７５００（約１０７）に増える。
【００８３】
もし、トンネル分割を行わない場合、全ての入路の数が４であるので、各入路で９１通り変更するとすれば、計算コストの総数は約１０８となる。つまり、トンネル分割処理により計算コストの総数の削減が可能であることが分かる。特に分割点の風速がある範囲に限定される場合は、トンネル分割処理は有効である。
【００８４】
ちなみに、従来技術における全数探索により計算した場合を比較する。本トンネルのジェットファングループの数は９で、排風機の数は３である。各ジェットファングループと排風機の風速の変動のきざみを１００通り、つまり１０２変えて従来の全数探索すると計算コストの総数が１０２４通りとなり、事実上計算不可能である。それに対して、実施例２に説明した改良型発見的探索法を用いれば制御変数の数が入路の数４に削減され、計算コストが約１０８に削減され、さらに本実施例５にかかるトンネル分割処理を組み合わせれば、計算コストが約１０６に削減されることが分かる。
【００８５】
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、道路トンネルの換気装置を制御する道路トンネル換気制御装置として広く適用することができる。
本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。従って本発明の技術的範囲は添付された特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００８６】
１００  道路トンネル換気制御装置
１０１  サンプル風速値選定処理手段
１０２  ジェットファン装置群計算処理手段
１０３  立坑送排気ファン装置計算処理手段
１０４  総消費電力計算処理手段
１０５  最適サンプル風速値選定処理手段
１０６  運転制御手段
１０７  分割サンプル風速値選定処理手段
１１０  センサ部
１１１  トラフィックカウンタ
１１２  風向風速計(ＡＶ計)
１１３  煙霧透過率データ計測器(ＶＩ計測器) 
１１４  一酸化炭素濃度データ計測器(ＣＯ計測器)１１４
２００  ジェットファン装置群
２１０  立坑送排気ファン装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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