(57)【要約】      （修正有）【課題】近年のトンネルは分岐部の坑口が存在するが分岐部の坑口において有害物質の漏れ出し量が過剰化するという問題がある。【解決手段】トンネルの本線の坑口と少なくとも１個の本線からの分岐部の坑口に対し、有害物質の漏れ出し量の制御目標値を設定する手段と、換気設備の風量を設定する風量設定手段と、風量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での風速を予測する風速予測演算手段と、トンネル内の交通量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での有害物質の発生量を演算する有害物質発生量演算手段と、風速と前記有害物質の発生量に基づいて、トンネル内の有害物質の収支及びトンネルの本線の坑口と分岐部の坑口からの有害物質の漏れ出し量を算出する有害物質収支演算手段と、制御目標値と有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価に基づいて風量設定手段の風量を選択する選択手段とを備えたトンネル換気制御装置。【選択図】図１
2008267088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの空気を換気する換気設備を制御するトンネル換気制御装置において、
前記トンネルの本線の抗口と少なくとも１個の前記本線からの分岐部の抗口に対し、有害物質の漏れ出し量の制御目標値を設定する手段と、
前記換気設備の風量を設定する風量設定手段と、
前記風量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での風速を予測する風速予測演算手段と、
前記トンネル内の交通量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での有害物質の発生量を演算する有害物質発生量演算手段と、
前記風速と前記有害物質の発生量に基づいて、前記トンネル内の有害物質の収支及び前記トンネルの本線の抗口と分岐部の抗口からの有害物質の漏れ出し量を算出する有害物質収支演算手段と、
前記制御目標値と前記有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価に基づいて前記風量設定手段の風量を選択する選択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。
【請求項２】
請求項１に記載のトンネル換気制御装置において、前記有害物質の漏れ出し量の制御目標値は、トンネル換気制御装置の制御周期単位に基づいて設定されるものであることを特徴とするトンネル換気制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のトンネル換気制御装置において、前記有害物質の漏れ出し量の評価は、制御周期毎に算出した漏れ出し量の総和に基づくことを特徴とするトンネル換気制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のトンネル換気制御装置において、前記有害物質の漏れ出し量の制御目標値は、１日終了までに許容される有害物質の総漏れ出し量から制御周期毎に算出した漏れ出し量の総和を差し引いて算出された値に基づくことを特徴とするトンネル換気制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載のトンネル換気制御装置において、前記風量を選択する選択手段は、制御目的としてトンネル坑口からの有害物質の漏れ出し量のみでなく、煤煙濃度分布又は換気設備の使用電力を評価し、風量を選択することを特徴とするトンネル換気制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のトンネル換気制御装置において、前記制御目的の優先順位を設定する優先順位設定手段を備えるトンネル換気制御装置。
【請求項７】
請求項１に記載のトンネル換気制御装置において、前記有害物質収支演算手段は前記本線と前記分岐部の風量の割合から有害物質の収支演算を行う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】
道路トンネルでは立坑あるいはダクト内の送排風機やジェットファン等の換気設備を必要に応じて運転制御することにより、車両が排出する有害物質の濃度を許容値以下に抑えている。
【０００３】
道路トンネルでは、トンネルが建造される地理的な状況によって制御目的が変化する。山間部ではトンネル内の有害物質濃度及び換気設備使用電力量が主な制御目的となる一方、都市部における道路トンネルは上記制御目的に加え、周辺環境への配慮に至るまでトンネル換気制御装置が制御する要素は多様化している。特に周辺環境への配慮は近年重要視されており、本線部坑口から排出される有害物質の漏れ出し量を制限している。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２０９３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の道路トンネルは坑口（入口）から坑口（出口）までの間に分岐部や合流部を含まないトンネルが一般的で、本発明で対象とする一方通行トンネルでは坑口（出口）に排気口を設け、集中的に排気する方式で上記有害物質の漏れ出し量を制限してきた。
【０００６】
近年のトンネルは複数の分岐・合流部が設置されており複数の坑口が存在する。しかし、分岐・合流部では換気設備が設置されていないこともあり、有害物質の漏れ出し量の制限がないため、分岐・合流部の坑口において有害物質の漏れ出し量が過剰化するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題を解消し、全坑口の有害物質の漏れ出し量を抑制することにより、トンネル外の周辺環境を保全する道路トンネル換気制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、トンネルの空気を換気する換気設備を制御するトンネル換気制御装置において、トンネルの本線の抗口と少なくとも１個の本線からの分岐部の抗口に対し、有害物質の漏れ出し量の制御目標値を設定する手段と、換気設備の風量を設定する風量設定手段と、風量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での風速を予測する風速予測演算手段と、トンネル内の交通量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での有害物質の発生量を演算する有害物質発生量演算手段と、風速と前記有害物質の発生量に基づいて、トンネル内の有害物質の収支及びトンネルの本線の抗口と分岐部の抗口からの有害物質の漏れ出し量を算出する有害物質収支演算手段と、制御目標値と有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価に基づいて風量設定手段の風量を選択する選択手段とを備えたトンネル換気制御装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、トンネル内に分岐部を有するトンネルの有害物質漏れ出し量を制限し、トンネル周辺環境をより改善できる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
従来の道路トンネルは坑口（入口）から坑口（出口）までの間に分岐部や合流部を含まないトンネルが一般的で、一方通行トンネルでは坑口（出口）に排気口を設け、集中的に排気する方式で上記有害物質の漏れ出し量を制限してきた。しかし、近年、都市部の交通渋滞を緩和し、都市機能を生かすためにトンネル内に複数の坑口（出口）を設置するトンネルは増加傾向にある。トンネルの全ての坑口に対し、有害物質の漏れ出し量を制限するため、換気設備を設置することはコスト面や安全面を考慮すると難しい問題となる。従って、換気設備が設置されていない坑口では有害物質の漏れ出し量は算定していない。そこで、全坑口の有害物質の漏れ出し量を抑制することにより、トンネル外の周辺環境を保全する道路トンネル換気制御装置を提供する。
【００１１】
道路トンネル換気制御装置はトンネル本線坑口と少なくとも１個のオフランプにより構成され、少なくとも１個のジェットファン又は少なくとも１個の排風機を有する道路トンネル換気制御装置において、トンネルの全ての坑口に対し、演算上必要となる有害物質の漏れ出し制御目標値を設定する手段と、有害物質の漏れ出し量を制御目標値以下にするための換気設備の風量設定手段と、トンネルの分岐・合流部での有害物質の収支を簡易的に把握するための有害物質収支演算手段を備える。
【００１２】
また、前記有害物質の漏れ出し制御目標値は制御周期毎に基づいて設定しても良い。
【００１３】
また、前記有害物質の漏れ出し量の評価は制御周期毎の演算結果の総和であっても良い。
【００１４】
また、前記有害物質の漏れ出し制御目標値は制御周期毎の総和から制御周期毎に微小修正する手段を備えても良い。
【００１５】
また、換気設備の風量設定手段はトンネル坑口からの有害物質の漏れ出し量のみでなく、煤煙濃度分布や換気設備の使用電力等の多目的な要素を総合的に評価し、換気設備の風量を設定する手段を備えても良い。
【００１６】
また、制御目的の優先順位はユーザー側で簡易に設定することが可能な手段を備えても良い。
【００１７】
また、前記有害物質収支演算手段は分岐部または合流部の予測風速分布および予測風量の割合から有害物質の収支演算を行う手段を備えても良い。
【００１８】
有害物質は窒素酸化物の他、煤煙，一酸化炭素等があげられる。
【００１９】
トンネル本線部の坑口のみ有害物質の漏れ出し制御目標値を設定するのではなく、トンネルの全坑口に対し、漏れ出し制御目標設定手段を用いて漏れ出し制御目標値を設定する。そして、トンネル内に配された風向風速計およびトラフィックカウンタから一定周期後のトンネル全体の予測風速分布を算出する。また、１台の車両が排出する有害物質定数を用いてトンネル全体の有害物質総発生量を算出する。
【００２０】
予測風速結果と有害物質総発生量を用いて本線部・分岐部・合流部の有害物質総発生量の収支を演算する。得られた有害物質総発生量と各坑口での漏れ出し率から予測漏れ出し量を算出する。
【００２１】
予測漏れ出し量と制御目標値の一致具合から最も評価の高い換気設備の風量で運転を実施する。
【００２２】
予測漏れ出し量は誤差を含んでいる可能性があるため、坑口付近に風向風速計が設置されている場合、前記の換気設備運転実施後、次回制御周期において実際の風速値を用いて漏れ出し量を算定し、予測値との誤差を次回以降の有害物質の漏れ出し制御目標値に反映する。
【００２３】
上述の一連処理を２４時間、全坑口に適用することで各坑口での漏れ出し量を最小限に抑制することが可能となる。
【００２４】
本発明によれば、トンネル内に分岐部を有するトンネルの有害物質漏れ出し量を制限し、トンネル周辺環境をより改善できる効果を奏する。
【００２５】
以下に図面を参照して、実施例について説明する。
【００２６】
実施例のシステム構成図を図１に示す。対象となる道路トンネルは２箇所の分岐部と本線部から構成され、トンネル全体に風向風速計１、及びトラフィックカウンタ２が配されている。また換気設備には１つのジェットファン３及び１つの排風機４を備えている。トンネル換気制御装置５は、コンピュータであり、漏れ出し制御目標値設定手段６，換気設備風量設定手段７，有害物質収支演算手段８を備えている。
【００２７】
道路トンネルの全ての坑口から有害物質漏れ出し量９を算出するには、１制御周期後のトンネル内予測風速分布及び交通データ（大型車台数・小型車台数・平均車速）を用いて有害物質総発生量と各坑口の漏れ出し率を算出する。図２に各坑口の漏れ出し量算出までのトンネル換気制御装置内部処理の構成図を示す。トンネル換気制御装置は、トンネルの本線の抗口と少なくとも１個の本線からの分岐部の抗口に対し、有害物質の漏れ出し量の制御目標値を設定する手段と、換気設備の風量を設定する風量設定手段と、風量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での風速を予測する風速予測演算手段と、トンネル内の交通量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での有害物質の発生量を演算する有害物質発生量演算手段と、風速と前記有害物質の発生量に基づいて、トンネル内の有害物質の収支及びトンネルの本線の抗口と分岐部の抗口からの有害物質の漏れ出し量を算出する有害物質収支演算手段と、制御目標値と有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価に基づいて風量設定手段の風量を選択する選択手段とを備える。
【００２８】
トンネル坑口の漏れ出し制御目標値設定手段６はトンネル坑口からの有害物質の漏れ出し量を設定する手段である。図１に示すトンネルではトンネル本線坑口Ａ，分岐部Ｂ，分岐部Ｃを設定する。これらの設定値は特開平４−２０９３００号公報に記載されるような風速値を設定するのではなく、１日当りの有害物質の総漏れだし量を直接設定する。１日当りの有害物質の総漏れだし量は交通量や道路勾配等の諸条件を勘案し適切な値を設定する。そして、トンネル換気制御装置の制御周期に合わせ、制御周期当りの漏れ出し量を演算し、漏れ出し制御目標値を得る。この漏れ出し制御目標値を以下の文字で表す。
【００２９】
Ｍｏ：有害物質の漏れ出し制御目標値
Ｍｓ：１日当りの有害物質の総漏れだし量（制限量）  
Ｔ：トンネル換気制御装置の制御周期  
Ｓ：トンネル換気制御装置の１日当りの制御回数
この際、漏れ出し制御目標値は次式で演算することができる。
【００３０】
【数１】
2008267088.tif 000003
【００３１】
【数２】
2008267088.tif 000004
【００３２】
上記の様に、有害物質の漏れ出し量の制御目標値は、トンネル換気制御装置の制御周期単位Ｔに基づいて設定することができる。
【００３３】
換気設備の風量設定手段７は坑口からの有害物質の漏れ出し量を抑制するように換気設備の風量を設定する手段である。有害物質の漏れ出し量はトンネル内の風速が密接に関連するため、換気設備の風量設定にはトンネル内の予測風速が必要となる。よってトンネル換気制御装置は予測のためのフィードフォワード機能を有する。
【００３４】
また坑口からの有害物質の漏れ出し量以外でも、煤煙濃度を許容値以下に抑えることや換気設備の使用電力量を最小限に抑えることなど複数の目的を適度に満足する必要がある。よってトンネル換気制御装置は換気設備の風量を設定するためのファジィ制御機能を有する。更に漏れ出し量のメンバシップ関数は坑口数分設定し、各坑口からの有害物質の漏れ出し量と漏れ出し制御目標値とのマッチング度合いを演算する。
【００３５】
演算結果からトンネル換気制御装置は各項目のマッチングの度合いを総合的に評価し、最良の風量で運転を実施する。
【００３６】
換気設備風量設定手段７を実現するための演算手段について説明する。現状の換気設備風量からランダムに設定された換気風量が出力されたと仮定し、まずトンネル内の風速予測を行う。風速予測にはトンネル内に配されたトラフィックカウンタによりトンネル内全域の車両台数を算定する。車両のピストン効果や機械換気力による昇圧力とトンネル内の壁面摩擦等の抵抗から運動方程式を解き、トンネル内の予測風速分布を得ることができる。トラフィックカウンタを用いて風速予測する例は一例であり、風向風速計の風速データを用いることもでき、風量設定手段で設定した換気設備の風量に基づいてトンネルの本線と分岐部での風速を予測することもできる。
【００３７】
前記、予測風速演算から図１のトンネルにおいて図３に示すトンネル内予測風速分布を得たとする。１１から１６はそれぞれ区間１から６のトンネル内予測風速である。有害物質の漏れ出し量を算定するため、まずトンネル全体から発生する有害物質発生量を計算する。本実施例のトンネルは本線部と２つの分岐部から構成されているため、まず本線部について説明する。
【００３８】
図４に示すように分岐部Ｂの風速は本線部Ａへ吹くため、この位置ではオフランプ部の有害物質は本線部Ａに流入する。また分岐部Ｃの風速は坑口方向へ吹出しているため、本線部Ａで発生した有害物質が分岐部Ｃに流出する。この際、分岐後の本線部Ａと分岐部Ｃへの流出量の割合は風量割合にて算出する。このような有害物質収支演算手段８を用いて本線部Ａの有害物質発生量は以下の文字で表される。
【００３９】
（１）Ｃ２の算出（分岐部Ｃの風速が順風）
Ｃ１：区間１（分岐前）の有害物質発生量  
Ｃ２：区間２（分岐後）の有害物質発生量  
Ｖ１：区間１（分岐前）予測風速  
Ｖ２：区間２（分岐後）予測風速  
Ａｒ１：本線部（分岐前）断面積  
Ａｒ２：本線部（分岐後）断面積  
【００４０】
【数３】
2008267088.tif 000005
【００４１】
（２）Ｃ３の算出（分岐部Ｂの風速が逆風）  
Ｃ２：区間２（分岐前）の有害物質発生量  
Ｃ３：区間３（分岐後）の有害物質発生量  
Ｃ５：区間５（分岐部Ｂ）の有害物質発生量  
【００４２】
【数４】
2008267088.tif 000006
【００４３】
１７から２２は区間１から６の有害物質発生量である。
【００４４】
坑口からの有害物質漏れ出し率は以下の式で表される公知の式等を用いてもよい。有害物質漏れ出し率は以下の文字で表される。
【００４５】
Ｅｏ：坑口漏れ出し率  
Ｕｒｆ：坑口の風速  
Ｌｒ：実トンネル延長
Ｌ：区間全長  
Ｌｏ：トンネル付加長さ  
ｌｎ；排気口の取付位置  
Ｄ：軸方向拡散係数
【００４６】
【数５】
2008267088.tif 000007
【００４７】
上述のように有害物質総発生量と漏れ出し率を算出した後、両者を乗じて本線部坑口での漏れ出し量を得ることができる。
【００４８】
また、漏れ出し率は上述した式を用いる他、経験則に基づく漏れ出し率を坑口毎に予め設定しておいて、予め設定した漏れ出し率と有害物質発生量を乗じて坑口での漏れ出し量を算出しても良い。
【００４９】
次に分岐部での有害物質の漏れ出し量は本線部と切り離して考え、分岐部の有害物質発生量を算出する。分岐部の風速が順風の場合、前記漏れ出し率を使用する。一方、逆流時は漏れ出し率を０と換算し、有害物質の漏れ出し量はないものとする。
【００５０】
有害物質収支演算手段により全坑口での漏れ出し量を算出可能となる。これらの予測手法は数理モデルによる擬似的なものであり、特に有害物質の漏れ出し量予測はトンネル内の風速分布の予測精度が重要となる。
【００５１】
そこで、次回制御周期においてトンネル内に配された風向風速計の風速値から再度、有害物質の漏れ出し量を計算する。モデル風速を用いて算出した漏れ出し量と実測風速を用いて算出した漏れ出し量の比較を行い、その誤差を次回以降の制御目標値に加算する。誤差補正後の有害物質漏れ出し制御目標値は以下の文字で表される。
【００５２】
Ｓ：トンネル換気制御装置の１日当りの制御回数  
Ｓ′：トンネル換気制御装置の現在までの制御回数  
Ｓｎ：トンネル換気制御装置の現在から１日終了までの残り制御回数  
Ｍｓ：１日当りの有害物質の総漏れだし量（制限量）
Ｍｓ′：現在までの有害物質の総漏れだし量（制限量）  
Ｍｓｎ：現在から１日終了までに許容される有害物質の総漏れだし量  
Ｍｏ′：補正後の有害物質の漏れ出し制御目標値  
【００５３】
【数６】
2008267088.tif 000008
【００５４】
【数７】
2008267088.tif 000009
【００５５】
【数８】
2008267088.tif 000010
【００５６】
上述の様に、漏れ出し量の制御目標値と有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価を演算する際に、制御周期毎に算出した漏れ出し量の総和である現在までの有害物質の総漏れだし量Ｍｓ′に基づいて評価し、風量を選択することができる。
【００５７】
また、上述の様に、有害物質の漏れ出し量の制御目標値Ｍｏ′は、１日終了までに許容される有害物質の総漏れ出し量Ｍｓから制御周期毎に算出した漏れ出し量の総和Ｍｓ′を差し引いて算出された値Ｍｓｎに基づいて算出することができる。
【００５８】
本実施例では車両が排出する有害物質の種類を窒素酸化物としているが、この他にも有害物質は煤煙濃度、一酸化炭素でもよいものとする。
【００５９】
上述したように、トンネルの空気を換気する換気設備を制御するトンネル換気制御装置において、トンネルの本線の抗口と少なくとも１個の前記本線からの分岐部の抗口に対し、有害物質の漏れ出し量の制御目標値を設定する手段と、換気設備の風量を設定する風量設定手段と、風量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での風速を予測する風速予測演算手段と、トンネル内の交通量に基づいて前記トンネルの本線と分岐部での有害物質の発生量を演算する有害物質発生量演算手段と、風速と前記有害物質の発生量に基づいて、トンネル内の有害物質の収支及びトンネルの本線の抗口と分岐部の抗口からの有害物質の漏れ出し量を算出する有害物質収支演算手段と、制御目標値と有害物質収支演算手段で算出した漏れ出し量との適合度の評価に基づいて風量設定手段の風量を選択する選択手段とを備えたトンネル換気制御装置により、トンネル内に分岐部を有するトンネルの有害物質漏れ出し量を制限し、トンネル周辺環境をより改善できる。
【００６０】
また、全ての坑口付近に風向風速測定装置を設置し、坑口付近での風速が逆風になるよう換気設備の制御を行っても良い。具体的にはフィードフォワード機能による風速予測、トンネル内の車両台数から有害物質の総発生量をそれぞれ計算した後、予測漏れ出し量によって換気設備の風量を選定する。また、予測結果の誤差を補正するため、漏れ出し制御目標値の補正を適宜行う。複数の分岐・合流部を含む都市型トンネルにおいて、全ての坑口からの有害物質の漏れ出し量を抑制することができ、周辺環境の保全を図ることができる。
【００６１】
また、全ての抗口付近に風向風速測定装置を設置した例を挙げたが、風速予測のモデルの演算結果が測定装置の測定値と許容範囲内で一致すれば、測定装置の一部を省略しても良い。
【００６２】
また、風量を選択する選択手段は、制御目的としてトンネル坑口からの有害物質の漏れ出し量のみでなく、煤煙濃度分布又は換気設備の使用電力を評価し、風量を選択することもできる。
【００６３】
また、制御目的の優先順位を設定する優先順位設定手段を備え、トンネル坑口からの有害物質の漏れ出し量，煤煙濃度分布，換気設備の使用電力等の制御目的に優先順位を設定し、風量選択手段で風量を設定する際の評価に用いることもできる。例えば、優先順位の高い制御目的の評価は他の制御目的の評価より高く評価することができる。
【００６４】
以上、上述した手法を用いることで全坑口からの有害物質の漏れ出し量を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】道路トンネルとトンネル換気制御装置の構成図。
【図２】換気制御装置内部の構成図。
【図３】トンネル内風速分布図。
【図４】本線部の有害物質演算手段を示す構成図。
【符号の説明】
【００６６】
１  風向風速計  
２  トラフィックカウンタ  
３  ジェットファン  
４  排風機  
５  トンネル換気制御装置  
６  漏れ出し制御目標値設定手段  
７  換気設備風量設定手段  
８  有害物質収支演算手段  
９  有害物質漏れ出し量  
１０  有害物質漏れ出し制御目標値  
１１  区間１のトンネル内予測風速  
１２  区間２のトンネル内予測風速  
１３  区間３のトンネル内予測風速  
１４  区間４のトンネル内予測風速  
１５  区間５のトンネル内予測風速  
１６  区間６のトンネル内予測風速  
１７  区間１の有害物質発生量  
１８  区間２の有害物質発生量  
１９  区間３の有害物質発生量  
２０  区間４の有害物質発生量  
２１  区間５の有害物質発生量  
２２  区間６の有害物質発生量
【図１】
2008267088.tif 000011
【図２】
2008267088.tif 000012
【図３】
2008267088.tif 000013
【図４】
2008267088.tif 000014