特許 6089329 対面通行トンネルのジェットファンによるトンネル換気制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6089329

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】対面通行トンネルのジェットファンによるトンネル換気制御システム

(51)【国際特許分類】

   E21F 1/00 20060101AFI20170227BHJP

【ＦＩ】

   E21F1/00 A

【請求項の数】7

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2012-97320(P2012-97320)

(22)【出願日】2012年4月23日

(65)【公開番号】特開2013-224550(P2013-224550A)

(43)【公開日】2013年10月31日

【審査請求日】2015年3月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】501170080

【氏名又は名称】株式会社創発システム研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100134669

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 道彰

(72)【発明者】

【氏名】中堀 一郎

(72)【発明者】

【氏名】前田 和男

(72)【発明者】

【氏名】坂口 敏明

(72)【発明者】

【氏名】三谷 敦史

(72)【発明者】

【氏名】アラン バーディー

【審査官】 越柴 洋哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２２９７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９１１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０６８７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４２３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２１８７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２３６９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４３２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５７−１４２１００（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−０１２４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５７４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１６３８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１３７０９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｆ １／００−１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネル外近辺またはトンネル内に設置され、前記トンネルに外部から進入する車両や自然風などのトンネル外部入力データを計測・収集するトンネル外部入力計測装置と、
前記トンネル内に設置され、少なくとも、煙霧透過率計と、一酸化炭素濃度計と、断面風速計と、窒素酸化物濃度値を計測する窒素酸化物濃度計を含み、トンネル内の状態データを計測・収集するトンネル内部状態計測装置と、
前記トンネル外部入力計測装置の計測値をもとにトンネル内の自然風、交通風、汚染発生量を予測する予測部と、
前記トンネル内部状態計測装置の計測値と前記予測部の予測値をもとに前記トンネル内を換気するジェットファンの駆動を制御するジェットファン制御装置を備え、
前記ジェットファン制御装置が、
前記トンネル内部状態計測装置の計測値を受け取るとともに、前記トンネル外部入力計測装置の計測値とトンネル換気推定モデルにより前記予測部が予測した前記トンネル内の前記自然風、前記交通風、前記汚染発生量の予測値に比べて前記トンネル内部状態計測装置により実測された前記計測値が所定範囲を超えていない場合、前記受け取った計測値に基づいて、前記ジェットファンの駆動を制御し、 前記計測値が所定範囲を超えている場合、所定経過時間を経過するまでは通常の前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値に基づく制御を一時停止して直近の制御を継続し、前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値が前記所定範囲に戻ってから通常の前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値に基づく制御を再開する換気制御を行ない、
前記所定経過時間を経過した後、前記煙霧透過率計の計測値のみが前記所定範囲内に戻らない場合は、霧に起因したものであると推定し、前記煙霧透過率計の計測値以外の計測値が前記所定範囲に戻らない場合は、当該計測値の測定にかかる前記トンネル内部状態計測装置に故障が発生したと判断する処理を行うことを特徴とするトンネル換気制御システム。

【請求項2】

前記ジェットファン制御装置は、前記所定経過時間を経過した後、すべての前記トンネル内部状態計測装置の計測値が前記所定範囲を超え続けている場合、前記トンネル外部入力計測装置の恒常的な故障が発生していると判断する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のトンネル換気制御システム。

【請求項3】

前記トンネル外部入力計測装置が、少なくとも、トンネル内に進入する車両交通量を計測・収集する交通量計測装置を含むものである請求項１または２に記載のトンネル換気制御システム。

【請求項4】

前記トンネル外部入力計測装置が、前記トンネルの出入り口に設けられ、気圧差によりトンネル内に吹き込む自然風を推定する微気圧計を含むものである、請求項１から３のいずれかに記載のトンネル換気制御システム。

【請求項5】

前記ジェットファン制御装置が、前記トンネル換気推定モデルに関し、
前記トンネル内を流れる風をモデル化した風速モデルと、前記トンネル内の車両交通をモデル化した交通モデルと、前記トンネル内を通過する車両により発生する汚染物質の濃度をモデル化した汚染濃度モデルを保持記憶するモデル記憶部と、
前記計測装置から取得した前記トンネル内データを入力とし、前記トンネル内データの変化に合わせ、前記モデル記憶部の前記風速モデルと前記交通モデルと前記汚染濃度モデルのパラメータを推定して更新するモデルパラメータ推定部と、
煙霧透過率目標値と汚染ガス濃度目標値と、前記トンネル内部状態計測装置により実測した前記計測値と、前記風速モデルと前記交通モデルと前記汚染濃度モデルを用いた自然風予測と交通風予測と汚染発生量予測を行う予測部と、
前記予測部の各予測に基づき、断面風速目標値と換気機器制御目標値を決定するフィードフォワード制御部と、
前記換気機器の並列運転台数と回転数との関係と、自然風の自然換気方向と対面交通による交通換気方向との関係とを考慮した省エネ最適選定計画を決める最適選定計画決定部と、
前記断面風速目標値と前記換気機器制御目標値に対するフィードバック補正と、前記省エネ最適選定計画とを組み合わせた適応制御を行うハイブリッド適応制御部とを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトンネル換気制御システム。

【請求項6】

前記ジェットファンの運転がインバータ駆動運転であり、前記ジェットファンを定格電力以下で前記ハイブリッド適応制御部が決定した最適制御量による連続運転を可能とした請求項５に記載のトンネル換気制御システム。

【請求項7】

前記ハイブリッド適応制御部のフィードバック補正が、前記断面風速目標値と前記トンネル内部状態計測装置が実測した前記断面風速データから前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第１のフィードバック制御と、前記煙霧透過率目標値および前記汚染ガス濃度目標値と、前記トンネル内部状態計測装置が実測した前記煙霧透過率の計測値および前記汚染ガス濃度の計測値から前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第２のフィードバック制御を備え、前記第１のフィードバックループを包含するように前記第２のフィードバックループを形成せしめたカスケード制御としたことを特徴とする請求項６に記載のトンネル換気制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対面通行の道路トンネルの換気設備装置、特にインバータ駆動ジェットファンを用いた縦流式の換気制御方式により換気をする道路トンネルの換気技術に関する。

【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必要がある。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、トンネル内に設置された換気機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」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、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。道路トンネルの中央付近に立抗を設けて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集中排気方式を組み合わせることもある。

【0004】

従来の「縦流換気方式」でのジェットファン駆動モータは起動電流が定格電流の数倍となる誘導モータで駆動されている。
従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式の対面通行道路トンネルを図８に示す。このトンネルは、交通方向が両方向の対面通行トンネルと呼ばれるタイプである。このような対面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が８台配設されている。図８の例ではジェットファン１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの８台が描かれている。対面通行道路トンネル内には図右から図左にかけて縦流の空気流が発生し、左から右にかけてトンネル内の汚染空気が排気される。換気制御装置によりジェットファン１０の運転を制御する。

【0005】

図８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風向風速計（ＡＶ計）がそれぞれ設置されており、排気抗の入口近くには、汚染濃度計である煙霧透過率計（ＶＩ計）、一酸化炭素濃度計（ＣＯ計）が設置されている（図示せず）。
煙霧透過率計（ＶＩ計）は物質中を透過する光の割合から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計）は一酸化炭素の濃度を測定する装置である。
ここでは、これらトンネル内の状態を計測・収集する各種計測装置を「トンネル内部状態計測装置」と呼ぶ。

【0006】

従来のジェットファンを用いた縦流換気方式では、対面通行道路トンネル内部の風向風速計、煙霧透過率計、一酸化炭素濃度計から得られたトンネル内の状態を示す各種計測値に基づいて、換気制御装置（図示せず）により対面通行道路トンネル１内部に設置されたジェットファン１０ａ〜１０ｄの運転台数を調整することが行われている。すなわち、対面通行道路トンネル１内部には、例えば、煤煙、一酸化炭素、または風向風速等の環境成分値を測定するトンネル内部状態計測装置が設置され、これら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１０ａ〜１０ｄを運転し、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。従来の対面通行トンネルでは費用対効果から汚染濃度（ＶＩ、ＣＯ）のフィードバックによる台数運転が採用されてきたが、運転速度の制御を行うものも知られている。

【0007】

また、トラフィックカウンタなどの交通量計測装置を用いて計測した交通量を加味したＰＩＤ制御も知られている。交通量計測装置とは対面通行道路トンネル内を通過する車両の交通量を計測する装置である。

例えば、換気制御装置は、交通量計測装置から現在の交通量を読み込み、次に、この交通量に、自動車の排ガス量係数と道路トンネルの構造係数とを乗算して煤煙発生量を算出し、この煤煙発生量と煤煙濃度の制御目標値とから必要換気量Ｑを算出する。並行して、換気制御装置は煤煙透過率計から現在の道路トンネル内の空気の汚染濃度をフィードバック値として読み込み、上記のようにして算出した必要換気量Ｑとフィードバック値との偏差値を求め、この偏差値からＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）を演算し、このＰＩＤ制御の演算結果よりジェットファン１０を制御、操作している。

【0008】

【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】

【0009】

従来の縦流換気方式には以下の問題があった。
従来の第１の問題は、トンネル内部状態計測装置の測定環境の変化に伴うジェットファン制御の誤作動である。
上記したように、従来の対面通行トンネルでは、汚染濃度（ＶＩ、ＣＯ）に注目したフィードバックによる台数運転が採用され、ＶＩ、ＣＯのフィードバックが主流ということで交通量計なども設置されない場合が多かった。ジェットファンは直接的にはトンネル内に強制換気力による風速を生じさせるものであるため、汚染濃度に注目したフィードバック制御を行うと、後追い制御となるために過剰換気、換気不足となるケースが多いのが実情である。そこに、さらに、トンネル内部状態計測装置の測定環境の変化に伴うジェットファン制御の誤作動という問題が加わるおそれがある。

【0010】

トンネル内部状態計測装置はトンネル内において測定環境の変動を受けにくいところに設置されているが、測定環境にイレギュラーな変動が生じてしまうことがある。
例えば、トンネル内の清掃のために散水車が通過した場合に、多量の水しぶきがトンネル内に飛散するが、その水しぶきがトンネル内部状態計測装置のセンサ部分に掛かり、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまうことがある。
また、例えば、トンネル内では自動車がライト点灯して走行するが、前方にある車両の凹凸の角度や特殊な塗装などの影響により、異常な光反射がトンネル内で発生し、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまうことがある。
また、例えば、トンネル内を走行中の整備不良の車両が特に多量な煤煙を包含する排気ガスをまき散らしつつ走行したり、積載貨物の中に小麦粉やセメント粉などの粉体を含み、その粉体が荷台から偶然漏れつつ走行したりするなどの事情があり、トンネル内部状態計測装置の近辺で煤煙や粉体の浮遊量が増加した場合には、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまうことがある。

【0011】

このように、様々な要因で、トンネル内のトンネル内部状態計測装置の測定環境の変動を受け、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常な計測値を示してしまうことがあるが、これらの異常な計測値は、一時的なものであり、トンネル内部状態計測装置の近くで観測された問題となっている現象が解消したり、問題車両がトンネル内部状態計測装置の近くから離れたりすれば、正常値に戻ることが多い。

【0012】

従来のフィードバック制御技術を用いたジェットファンの縦流換気方式では、一時的に発生したトンネル内部状態計測装置の異常な計測値に基づいてジェットファンの駆動制御が行われてしまう。ジェットファンの駆動制御装置はトンネル内に配置している複数のジェットファンを協働させるものであり、たとえ誤動作として一時的にジェットファンの駆動台数を増やしたり、回転数を変化させて回転数を上げたりすると、電力エネルギーを多量に浪費する問題が生じてしまう。また、一旦誤動作により駆動したジェットファンを停止させたり、回転数を元に戻したりするにも相応の時間がかかる。

【0013】

例えば、散水車が通過するとその周囲に水しぶきが飛散するが、散水車がトンネル内においてトンネル内部状態計測装置の近辺を通過するたびに、一時的にトンネル内部状態計測装置の異常な計測値が測定されてしまい、通過後しばらくすると計測値が正常値に戻るという現象を繰り返すことになる。もし、トンネル内にトンネル内部状態計測装置が２か所にある場合、異常な計測値の発生、解消が２回にわたり生じてしまい、ジェットファンの駆動制御装置は、トンネル内に配置しているジェットファンの駆動台数を増減したり、回転数を昇降したりするという無駄な制御を繰り返すこととなってしまう。

【0014】

第２の問題は、トンネル内部状態計測装置から得たデータを用いた制御のみでは、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合に対応できず、その結果、的確な予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、フィードバックループを連結したカスカード制御などの高度なジェットファン制御が難しいという問題である。
必要な機械換気力は、自然換気力の大きさや交通換気力の大きさの変動に応じて刻々と変化するが、的確な予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、複数のフィードバックループを連結したカスカード制御などの高度な制御を行うことができれば一層的確な換気制御が可能となる。しかし、上記のように、トンネル内部状態計測装置の測定環境が一時的に変化し、本来の正しいトンネル内状態を示すデータが得られない場合には、それら誤ったデータに基づいてフィードフォワード制御やカスケード制御を行うこととならざるを得ず、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合を織り込んだ適切なジェットファン制御を行うことができなかった。

【0015】

上記問題点に鑑み、本発明は、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合を織り込んだ的確なフィードバック制御や、予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、フィードバックループを連結したカスカード制御などの高度なジェットファン制御による省電力化を可能とした縦流換気システム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】

【0016】

上記目的を達成するため、本発明にかかるトンネル換気制御システムは、トンネル外近辺またはトンネル内に設置され、前記トンネルに外部から進入する車両や自然風などのトンネル外部入力データを計測・収集するトンネル外部入力計測装置と、前記トンネル内に設置され、トンネル内の状態データを計測・収集するトンネル内部状態計測装置と、前記トンネル外部入力計測装置の計測値をもとにトンネル内の自然風、交通風、汚染発生量を予測する予測部と、前記トンネル内部状態計測装置の計測値と前記予測部の予測値をもとに前記トンネル内を換気するジェットファンの駆動を制御するジェットファン制御装置を備え、前記ジェットファン制御装置が、前記トンネル内部状態計測装置の計測値を受け取るとともに、前記トンネル外部入力計測装置の計測値とトンネル換気推定モデルにより前記予測部が予測した前記トンネル内の状態量の予測値に比べて前記トンネル内部状態計測装置により実測された前記計測値が所定範囲を超えていない場合、前記受け取った計測値に基づいて、前記ジェットファンの駆動を制御し、 前記計測値が所定範囲を超えている場合、前記所定経過時間を経過するまでは通常の前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値に基づく制御を一時停止して直近の制御を継続し、前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値が前記所定範囲に戻ってから通常の前記トンネル内部状態計測装置の前記計測値に基づく制御を再開する換気制御を行ない、 所定経過時間を経過してしまった後、前記トンネル内部状態計測装置の計測値変化を基に、前記トンネル外部入力計測装置側の故障および前記トンネル内部状態計測装置側の故障を検出し、前記検出した結果に基づいて、前記ジェットファンの駆動を制御することを特徴とするトンネル換気制御システムである。

【0017】

なお、上記構成において、各々の構成は下記のものとすることが好ましい。
例えば、前記トンネル外部入力計測装置が、少なくとも、車両交通量を計測・収集する交通量計測装置（トラフィックカウンタ）を含むものであり、前記トンネル内部状態計測装置が、少なくとも、煙霧透過率計と、一酸化炭素濃度計と、断面風速計を含む構成がある。
また、トンネル内部状態計測装置として、煙霧透過率計と、一酸化炭素濃度計と、断面風速計に加え、窒素酸化物濃度値を計測する窒素酸化物濃度計を含むものであっても良い。近年、いわゆるＮＯｘ規制の重要性も増している。

【0018】

トンネル外部入力計測装置として、前記トンネルの出入り口に設けられ、気圧差によりトンネル内に吹き込む自然風を推定する微気圧計を含む構成も好ましい。微気圧計を設けることによりトンネルに吹き込む自然風のマクロの速度やマクロの量を把握することができる。トンネル内部に設ける風速計はトンネル内における設置箇所における風速が計測されるが、一方、微差圧計を用いれば、トンネル全体として外部から内部に吹き込む自然風を推定することができる。
微気圧計を設けない場合であっても交通量計と風速計データを風速モデルにより自然風を推定することは可能である。

【0019】

ここで、上記したようなトンネル内部状態計測装置の実測値の変化が、測定環境の一時的な変化などの一時的な原因であるか、トンネル内部状態計測装置やトンネル外部入力計測装置に搭載しているセンサ部分の故障などの原因であるかを見分けることが好ましい。
そこで、前記ジェットファン制御装置が、前記計測値に基づく制御の一時停止開始時刻からの経過時間を計測する構成が好ましい。

【0020】

もし、経過時間が所定時間内に前記計測値が前記所定範囲内に戻った場合、ジェットファン制御装置は、前記トンネル内部状態計測装置における測定環境の一時的な変化に起因したものであったと判断することができる。
もし、経過時間が所定時間を超過した場合、ジェットファン制御装置は、前記トンネル内部状態計測装置自体の恒常的な故障が発生している判断することができる。
もし、トンネル内の煙霧透過率データのみが前記所定範囲を超え続けている場合、ジェットファン制御装置は、前記経過時間が所定時間を超過した原因が前記霧に起因したものであると推定し、霧発生時の制御に移行することができる。

【0021】

また、交通量計測装置（トラフィックカウンタ）などのトンネル外部入力計測装置が故障することもあり得る。そこで、ジェットファン制御装置は、前記トンネル内の煙霧透過率データ、前記汚染ガス濃度データ、風速データのいずれもが前記所定範囲を超え続けている場合、前記経過時間が所定時間を超過した原因が前記トンネル外部入力計測装置の恒常的な故障が発生していると判断することも可能とする。

【0022】

上記の構成によれば、トンネル内部状態計測装置の実測値の変化が、測定環境の一時的な変化などの一時的な原因であるか、トンネル内部状態計測装置やトンネル外部入力計測装置に搭載しているセンサ部分の故障などの原因であるかを見分けることが可能となる。

【0023】

次に、前記ジェットファン制御装置が保持する前記トンネル換気推定モデルに関して説明する。トンネル換気推定モデルとして、上記のフィードバック制御に加え、予測を行うフィードフォワード制御を組み合わせた高度なハイブリッド制御を含むことができる。
例えば、上記のジェットファン制御装置において、前記トンネル内を流れる風をモデル化した風速モデルと、前記トンネル内の車両交通をモデル化した交通モデルと、前記トンネル内を通過する車両により発生する汚染物質の濃度をモデル化した汚染濃度モデルを保持記憶するモデル記憶部と、前記計測装置から取得した前記トンネル内データを入力とし、前記トンネル内データの変化に合わせ、前記モデル記憶部の前記風速モデルと前記交通モデルと前記汚染濃度モデルのパラメータを推定して更新するモデルパラメータ推定部と、煙霧透過率目標値と汚染ガス濃度目標値と、前記計測装置により実測した前記トンネル内データと、前記風速モデルと前記交通モデルと前記汚染濃度モデルを用いた自然風予測と交通風予測と汚染発生量予測を行う予測部と、前記予測部の各予測に基づき、断面風速目標値と換気機器制御目標値を決定するフィードフォワード制御部と、前記換気機器の並列運転台数と回転数との関係と、前記換気機器の正逆逆転時における自然風の自然換気方向と対面交通による交通換気方向との関係とを考慮した省エネ最適選定計画を決める最適選定計画決定部と、前記断面風速目標値と前記換気機器制御目標値に対するフィードバック補正と、前記省エネ最適選定計画とを組み合わせた適応制御を行うハイブリッド適応制御部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記ジェットファンの運転がインバータ駆動運転であり、前記ジェットファンを定格電力以下で前記ハイブリッド適応制御部が決定した最適制御量による連続運転を可能とすることができる。

【0024】

フィードフォワード制御に関しては、風速モデルと汚染濃度モデルとを適用し、前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数の最適制御量を算出し、解析精度を高めることが可能となる。また、上記のようにパラメータ推定が線形性を利用してカルマンフィルタの問題に帰着し、未知数である自然換気力（Ｕｒ）、大型車両交通換気パラメータ（ＡｍHeavy）、小型車両交通換気パラメータ（ＡｍLight）、大型車両汚染発生パラメータ（ＣｏHeavy）、小型車両汚染発生パラメータ（ＣｏLight）として計測装置で得た実測値を代入するのみで高速に求めることができる。

【0025】

次に、複数のフィードバック制御を連結したカスケード制御を行うことができる。
そこで、ジェットファン制御装置において、前記ハイブリッド適応制御部のフィードバック補正が、前記断面風速目標値と前記計測装置が実測した前記断面風速データから前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第１のフィードバック制御と、前記汚染ガス濃度データおよび前記汚染ガス濃度目標値と、前記計測装置が実測した前記煙霧透過率データおよび前記煙霧透過率目標値から前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第２のフィードバック制御を備え、前記第１のフィードバックループを包含するように前記第２のフィードバックループを形成せしめたカスケード制御とすることが好ましい。

【0026】

上記構成により、フィードバック制御に関しては、トンネル内の風向風速のフィードバック制御と、トンネル内の汚染濃度のフィードバック制御をカスケード制御することにより、細かく変化しやすい風向風速に対してジェットファンの運転を細かくフィードバック制御することができ、また、風向風速に比べて変化が遅くあらわれる汚染濃度に対してもカスケード制御によりジェットファンの運転をフィードバック制御できるので、全体として過剰換気、換気不足となるケースを少なく低減でき、省エネ運転を実現できる。

【発明の効果】

【0027】

本発明のトンネル換気制御システムによれば、トンネル外部入力計測装置により計測されたデータをもとにトンネル換気モデルにより想定されるトンネル内部状態の正常値の範囲を推定し、当該推定にかかる正常値の範囲と、トンネル内部状態計測装置により計測された実測値とを比較し、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合発生の有無を確認する機能を提供することができる。その上で、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合を織り込んだ的確なフィードバック制御や、予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、フィードバックループを連結したカスカード制御などの高度なジェットファン制御による省電力化を可能とした縦流換気システムを提供することができる。

【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、本発明のインバータ駆動ジェットファンによるトンネル換気制御システム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】

本実施例１に示すトンネル換気制御システム１００は、トンネル外部入力計測装置により計測されたデータをもとにトンネル換気モデルにより想定されるトンネル内部状態の正常値の範囲を推定し、当該推定にかかる正常値の範囲と、トンネル内部状態計測装置により計測された実測値とを比較し、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合発生の有無を確認する機能を備えたトンネル換気制御システムである。
その上で、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合を織り込んだ的確なフィードバック制御や、予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、フィードバックループを連結したカスカード制御などの高度なジェットファン制御による省電力化を可能とした縦流換気システムとなっている。

【0030】

まず、［１］として、本発明のトンネル換気制御システム１００の構成について簡単に説明し、次に、［２］として、トンネル内部状態の実測値の取得を簡単に説明し、次に、［３］として、トンネル外部入力計測装置により計測されたデータをもとにトンネル換気モデルにより想定されるトンネル内部状態の推定値の取得を簡単に説明し、次に、［４］として、ジェットファン制御装置１６０におけるトンネル内部状態の実測値とトンネル内部状態の推定値の比較などの各種制御処理について説明する。

【0031】

［１］本発明のトンネル換気制御システム１００の構成について
実施例１にかかる本発明のトンネル換気制御システムの例を簡単に説明する。
図１はトンネル内の様子を模式的に示した図である。
図２は本発明のトンネル換気制御システム１００の構成要素を示した構成図である。
図１に示すように、本発明のトンネル換気制御システム１００を適用するトンネルは、トンネル内は対面交通となっている。トンネル１内には外界から吹き込む自然風Ｕｎによる自然換気力と、通行車両が持つ抵抗により生じる各車両の通行方向に生じる風圧が合成されて生じる交通風Ｕｔによる交通換気力、ジェットファン１０による機械風Ｕｊによる機械換気力が加わる。これら３つの換気力とトンネル１を流れる空気の壁面摩擦力の合成の結果、トンネル１内にトンネル内風向風速Ｕｒが生じる。

【0032】

なお、換気機器１０は、トンネル１内の空気を換気する機器であり、ここでは、インバータ駆動により運転されるジェットファンである。複数台が設けられており、それらの並列運転が可能なものとなっている。換気機器１０は定格電力以下で後述するように最適制御量による連続運転が可能となっている。

【0033】

トンネル換気制御システム１００は、図２の構成例では、トンネル外部入力計測装置１１０と、トンネル内部状態計測装置１２０と、モデルパラメータ推定部１３０と、モデル記憶部１４０と、予測部１５０と、ジェットファン制御装置１６０と、フィードバック補正部１７０を備えた構成となっている。

【0034】

トンネル外部入力計測装置１１０は、トンネル１に外部から進入する車両や自然風などのトンネル外部入力データを計測・収集する各種センサや計測器を備えたものである。トンネルに進入する車や風に関する実測値を用いて交通量の変化、自然風の変化等、時々刻々と変化する外界情報を取得する。
図１の構成例では、交通量計測装置（トラフィックカウンタ：ＴＣ）１１１、微差圧計１１２を備えた構成となっている。

【0035】

トラフィックカウンタ(ＴＣ)１１１は、トンネル１を通過する車両の台数や速度を計測するセンサであり、トンネル１の入口近くまたは出口近くに設置される。このトラフィックカウンタ１１１を搭載することにより、トンネル１に進入・通過する車両の台数に関して必要なデータを得ることができる。この例では台数に加えて、交通車両の大型車／小型車の車種別も検知することができるものとする。

【0036】

微差圧計１１２は、トンネルの入り口と出口に設けられ、トンネル入り口付近の気圧とトンネル出口付近の気圧の微小な気圧差を計測し、気圧差に基づいて発生するマクロな風としての自然換気力を導出するものである。

【0037】

トンネル外部入力計測装置１１０は、“［３］トンネル内部状態の推定値の取得”で述べるように、計測した交通量データや気圧差データをジェットファン制御装置１６０に対して出力する。
また、トンネル外部入力計測装置１１０は、システムが正常状態に稼働している期間では、後述する“［３］トンネル内部状態の推定値の取得”で述べるように、モデルパラメータ推定部１３０が定期的にモデルパラメータを更新する際、実測した交通量データや気圧差データを用いるべく、トンネル外部入力計測装置１１０は、実測した交通量データや気圧差データを定期的にモデルパラメータ推定部１３０に対して出力する構成となっている。

【0038】

次に、トンネル内部状態計測装置１２０は、トンネル内の状態データを計測・収集するものであり、実測データを収集するための各種センサや計測器を備えている。
この構成例では、煙霧透過率計測器(ＶＩ計測器)１２１、一酸化炭素濃度計測器(ＣＯ計測器)１２２、トンネル内風向風速計(ＡＶ計)１２３、窒素酸化物濃度計測器（ＮＯｘ計測器）１２４を備えた構成例となっており、トンネル１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、窒素酸化物濃度データを含むトンネル内状態データを計測・収集する。各計測器のセンサはトンネル１内に適宜配置されているものとする。
なお、図示していないが、放射線量計測器も搭載する構成でも良い。近年の福島原発の事故をきっかけにしてトンネル内に浮遊する粉塵の中に存在する放射線量も問題になる可能性があり、トンネル内の放射線量が高くなるとトンネルの換気量を多くするなどの制御も要求されることが有り得るからである。

【0039】

煙霧透過率データ計測器(ＶＩ計測器)１２１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。
一酸化炭素濃度データ計測器(ＣＯ計測器)１２２は、トンネル１内の一酸化炭素の濃度を測定する装置である。
トンネル内風向風速計(ＡＶ計)１２３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１の中央部近く及び出口近くに設置されている。
窒素酸化物濃度計（ＮＯｘ計測器）１２４は、トンネル１内の窒素酸化物の濃度を測定する装置である。

【0040】

トンネル内部状態計測装置１２０は、後述する“［２］トンネル内部状態の実測値の取得”で述べるように、計測した煙霧透過率データや一酸化炭素濃度データや窒素酸化物濃度データやトンネル内風向風速データをジェットファン制御装置１６０に対して出力する。

【0041】

また、この構成では、トンネル内部状態計測装置１２０は、“［３］トンネル内部状態の推定値の取得”で述べるように、システムが正常状態に稼働している期間では、モデルパラメータ推定部１３０が定期的にモデルパラメータを更新するアルゴリズムとなっており、後述するようにトンネル内部状態計測装置１２０は計測した煙霧透過率データや一酸化炭素濃度データや窒素酸化物濃度データやトンネル内風向風速データを定期的にモデルパラメータ推定部１３０に対して出力する構成となっている。

【0042】

次に、モデルパラメータ推定部１３０は、トンネル外部入力計測装置１１０から取得したトンネル外部入力データと、トンネル内部状態計測装置１２０から取得したトンネル内部状態データを入力とし、定期的にそれらデータを基に、モデル記憶部１４０の風速モデルと交通モデルと汚染濃度モデルのパラメータを推定して更新する部分である。

【0043】

モデルパラメータ推定部１３０におけるパラメータ推定処理アルゴリズムについては後述するが、トンネル外部入力計測装置１１０から取得したトンネル外部入力データの実測データやトンネル内部状態計測装置１２０から取得したトンネル内状態データの実測データと、予測部１５０が予測した予測データとのずれの修正において、トンネル内風速モデルとトンネル内汚染濃度モデルを大型車両等価抵抗面積Ｐ１、小型車両等価抵抗面積Ｐ２、自然風風速Ｐ３をパラメータとし、各パラメータに関する線形性を利用してパラメータ推定を行うことができる。線形性を利用すればパラメータの更新を高速に行うことができ、計算コストを低減させることができる。

【0044】

モデル記憶部１４０は、トンネル１の諸元データに基づいたトンネル１内を流れる風をモデル化した「風速モデル」と、トンネル１内の車両交通をモデル化した「交通モデル」と、トンネル１内を通過する車両により発生する汚染物質の濃度をモデル化した「汚染濃度モデル」を保持記憶している部分であり、各モデルは予測部１５０による予測処理に用いられる。これら各種モデルが適したものであれば、後述する各種の予測精度が高くなる。

【0045】

予測部１５０は、計測装置１１０から取得したトンネル内データより、風速モデルと交通モデルと汚染濃度モデルを用いて、自然風Ｕｎ予測、交通風Ｕｔ予測、トンネル内風速Ｕｒ予測、汚染発生量予測とを行う予測機能を備えた部分であり、自然風予測手段１５１と交通風予測手段１５２とトンネル内風速予測手段１５３と汚染発生量予測手段１５４とを備えている。

【0046】

自然風予測手段１５１は、トンネル外界の自然風の日量変化、週変化、月変化、年変化などの諸データに基づく自然風の予測と当該自然風によりトンネル内に生じる風向風速の予測機能と、トンネル内に吹く風の風向風速からトンネル１内における自然換気力を予測する機能を備えており、トンネル１内の風向風速の実測データと自然風により生じる風向風速の予測データとから所定時間経過後のトンネル内の自然風Ｕｎを予測する部分である。

【0047】

交通風予測手段１５２は、交通量の日量変化、週変化、月変化、年変化などの諸データに基づく交通量の予測機能と、交通量と車種別等価抵抗面積に基づいてトンネル１内で発生する交通風を予測する機能を備え、トラフィックカウンタ１１１による交通量の実測データと交通量の予測機能から得られた交通量予測データから、所定時間経過後の交通風Ｕｔを予測する部分である。

【0048】

トンネル内風速予測手段１５３は、トンネル内の自然風Ｕｎ予測、交通風Ｕｔ予測、ジェットファン１０の運転による機械換気力Ｐｊやトンネル諸元にもとづいて、トンネル１内に生じる風速Ｕｒを予測する部分である。

【0049】

汚染発生量予測手段１５４は、トラフィックカウンタ１１１による交通量の実測データと交通量の予測機能から得られた交通量予測データと、車種別の汚染発生量予測データから所定時間経過後の汚染発生量Ｃ（ｔ，ｘ）を予測する部分である。なお汚染発生量についてはトンネル内の各区間における存在台数と速度に依存する。

【0050】

次に、ジェットファン制御装置１６０は、トンネル外部入力計測装置１１０とトンネル内部状態計測装置１２０の計測値をもとにトンネル１内を換気するジェットファン１０の駆動を制御する部分である。
ジェットファン制御装置１６０の詳しい制御処理は、“［４］ジェットファン制御装置１６０における各種制御処理”において詳しく述べるが、そのうちの一つが、『トンネル内部状態計測装置の測定環境の異常発生判定処理』である。トンネル外部入力計測装置１１０の計測データと予測部１５０におけるトンネル換気推定モデルにより予測できるトンネル内の状態量の推定値に比べ、トンネル内部状態計測装置１２０により実測された計測値が所定範囲を超えているかいないかを判定する。トンネル内の状態量の推定値に比べ、トンネル内部状態計測装置１２０の実測値の所定範囲を超えている場合、トンネル内部状態計測装置の測定環境に異変があったとしてトンネル内部状態計測装置１２０の計測値に基づく制御を一時停止して直近の制御を継続する判断を行う。つまり、交通量や自然風などトンネルへの外部入力条件の変化が緩やかであるのに、トンネル内部状態計測装置１２０の測定環境の異変、例えば、一時的な誤動作が発生している場合、その実測値に基づいてジェットファン１０の制御量を変化させてしまうと、本来、変化させなくても良いジェットファン１０の制御量を変化させてしまうこととなるからである。そこで、トンネル内部状態計測装置１２０の値が正常値の範囲に戻ってからトンネル内部状態計測装置１２０の計測値に基づく制御を再開する処理とするのである。

【0051】

フィードバック補正部１７０は、トンネル内部状態計測装置１２０によりトンネル１内から得た各種検出データに基づいて汚染濃度基準を遵守するためのジェットファン１０の並列運転台数と正逆方向とその回転数のフィードバック制御を行う部分である。

【0052】

ここでは、フィードバック補正部１７０のフィードバック補正が、断面風速目標値と計測装置１１０が実測した断面風速データから換気機器１０の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第１のフィードバック制御と、汚染ガス濃度データおよび汚染ガス濃度目標値と、計測装置１１０が実測した煙霧透過率データおよび煙霧透過率目標値から換気機器１０の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第２のフィードバック制御を備え、第２のフィードバックループの出力が第１のフィードバックループの入力となるカスケード制御となっている。
以上が本発明のトンネル換気制御システム１００の構成である。

【0053】

［２］トンネル内部状態の実測値の取得
本発明では、ジェットファン１０を駆動させる制御量は、平常時は、トンネル内部状態計測装置１２０が計測した実測の煙霧透過率データや一酸化炭素濃度データや窒素酸化物濃度データやトンネル内風向風速データを主としてジェットファン制御装置１６０によりフィードバック補正部１７０に対して与えられる。

【0054】

［３］トンネル外部入力計測装置により計測されたデータをもとにしたトンネル換気モデルにより想定されるトンネル内部状態の推定値の取得
予測部１５０における予測について、図３に示す制御ブロック図を参照しつつ詳しく説明する。

【0055】

まず、本発明のトンネル換気制御システム１００は、トンネル内風速予測ブロックＳ１と汚染発生量予測ブロックＳ２とを備えている。
トンネル内風速予測ブロックＳ１は、トンネル内風速Ｕｒ予測について、以下の高速予測処理方法を採用する。

【0056】

まず、ニュートンの法則から次の［数１］式が成立する。

【数1】

ここで、Ａｒはトンネル断面積、Ｌはトンネル長、ρは空気密度、Ｐｒは壁面摩擦力、Ｐｔは交通換気力、Ｐｎは自然換気力、Ｐｊはジェットファン換気力である。
本式を解けばトンネル内の風速を求めることができる。

【0057】

次に、汚染発生量予測ブロックＳ２は、汚染発生量Ｃ（ｔ，ｘ）予測について、以下の高速予測処理方法を採用する。まず、移流拡散方程式は［数２］式のように書ける。

【数2】

ここで、Ｕｒはトンネル内風速、Ｃは汚染濃度、Ｄは拡散係数、ｔは時間、ｘは流下方向への距離である。

【0058】

本式を解けばトンネル各部の汚染濃度を求めることができる。
以上が本発明のトンネル換気制御システム１００の任意のｔ秒後、トンネルの入口からの距離ｘで発生する汚染発生量Ｃ(ｔ，ｘ)の予測処理方法である。

【0059】

本発明のトンネル換気制御システム１００では、トンネル内風速予測ブロックＳ１、汚染発生量予測ブロックＳ２での予測精度を上げるため、モデルのパラメータを推定して更新してゆく。各種センサから取得したトンネル内データを入力とし、トンネル１内データの変化に合わせ、モデル記憶部１２０の風速モデルと交通モデルと汚染濃度モデルのパラメータを推定して更新する。

【0060】

パラメータ推定では、後述するように換気機器運転の結果、センサにて得た実測データと、トンネル内風速予測ブロックＳ１で予測した予測データとのずれの修正において、トンネル内風速モデルを大型車両等価抵抗面積Ｐ１、小型車両等価抵抗面積Ｐ２、自然風風速Ｐ３をパラメータとし、各パラメータに関する線形性を利用してパラメータ推定を行うことができる。線形性を利用すればパラメータの更新を高速に行うことができ、計算コストを低減させることができる。

【0061】

この高速のパラメータ推定処理について詳しく説明する。
上記した［数１］式の右辺の各項は［数３］式に示すように書ける。

【数3】

ζｅは入口損失係数、λは壁面摩擦抵抗係数、Ａｍは車両等価抵抗面積、Ｖｔは平均車両速度である。添字の(H)は大型車、(L)は小型車である。

【0062】

この［数３］式を用いて［数１］式をＡｍ(Ｈ)、Ａｍ(Ｌ)、自然風Ｕｎに関してまとめると［数４］のようになる。

【数4】

【0063】

大型車両等価抵抗面積Ａｍ(Ｈ)をＰ１、小型車両等価抵抗面積Ａｍ(Ｌ)をＰ２、自然風風速｜Ｕｒ｜ＵｒをＰ３とすると、［数４］式はパラメータＰ１、Ｐ２、Ｐ３によって［数５］式のようになる。

【0064】

【数5】

【0065】

［数５］式はパラメータＰ１、Ｐ２、Ｐ３に関して［数６］式のように表わすことができる。

【数6】

なお、εｄは観測雑音である。

【0066】

ここで、パラメータＰ１、Ｐ２、Ｐ３は短時間では大きく変化しないと考えられるので、［数７］の線形性が成立していると扱うことができる。

【数7】

なお、ε１、ε２、ε３は状態雑音である。

【0067】

ここで、［数６］式を観測方程式、［数７］を状態方程式と見ることにより、離散時間確率システムのカルマンフィルタ問題に帰着することができるので、パラメータＰ１，Ｐ２，Ｐ３の推定を高速に行うことができることが分かる。［数６］式、［数７］式をもとに離散時間確率システムのカルマンフィルタとしてパラメータＰ１，Ｐ２，Ｐ３の推定を行うことにより高速にパラメータ推定を実行することができる。

【0068】

次に、汚染発生量予測ブロックＳ２での予測精度を上げるため、センサが収集した実測データと、汚染発生量予測ブロックＳ２が予測した予測データとのずれの修正において、大型車両煤煙発生量Ｐ４、小型車両煤煙発生量Ｐ５をパラメータとして整理した［数８］においてＰ４，Ｐ５に関して［数９］の線形性が成立していることに着目することにより離散時間確率システムのカルマンフィルタ問題としてパラメータＰ４，Ｐ５の推定を行うことができる。線形性を利用すればパラメータの更新を高速に行うことができ、計算コストを低減させることができる。

【0069】

この高速のパラメータ推定処理について詳しく説明する。
上記した［数３］を大型車両煤煙発生量Ｐ４、小型車両煤煙発生量Ｐ５について整理すると［数８］が得られる。

【数8】

なお、εｅは観測雑音である。

【0070】

ここで、パラメータＰ４、Ｐ５は短時間では大きく変化しないと考えられるので［数９］が成立していると扱うことができる。

【0071】

【数9】

なお、ε４，ε５は状態雑音である。

【0072】

ここで、［数８］式を観測方程式、［数９］を状態方程式と見ることにより、線形の離散時間確率システムのカルマンフィルタ問題に帰着することができるので、パラメータＰ４，Ｐ５の推定を高速に行うことができることが分かる。［数８］式、［数９］式をもとに離散時間確率システムのカルマンフィルタとしてパラメータＰ４，Ｐ５の推定を行うことにより高速にパラメータ推定を実行することができる。

【0073】

次に、図１に戻り、他のブロックの説明を続ける。
フィードフォワード演算ブロックＣ０は、基準値である煙霧透過率目標値(ＶＩ＊)と汚染ガス濃度目標値(ＣＯ＊)に対して、換気機器１０による強制換気量と車両交通量による交通換気量とトンネル内に流れ込む自然風による自然風換気量を勘案し、トンネル内の断面風速目標値(Ｕｒ＊)および換気機器制御目標値(ＪＦ＊)とを決定する部分である。つまり、トラフィックカウンタからの交通量の変化をもとにＶＩ目標値およびＣＯ目標値を実現するための風向風量の目標値Ｕｒ＊と、ジェットファン１０の制御量目標値ＪＦ＊をフィードフォワード演算する部分である。つまり、トラフィックカウンタから得られる車種別の交通量と車種別の発生汚染物質からトンネル内に発生が予想される汚染物質量とトンネルの長さや断面積などの諸元データから予想される煙霧透過率(ＶＩ)と一酸化炭素濃度(ＣＯ)を計算し、それらの値を目標値であるＶＩ目標値(ＶＩ＊)およびＣＯ目標値(ＣＯ＊)内に収めるために必要とされる風向風量を計算し、その値をＵｒ目標値(Ｕｒ＊)として得る。さらにそのＵｒ目標値(Ｕｒ＊)を発生させるために必要とされるジェットファン１０による機械換気風Ｕｊを計算し、その機械換気風Ｕｊを発生させるためのジェットファン１０の制御量を計算し、その値をＪＦ目標値(ＪＦ＊)として得る。

【0074】

次に、本発明のトンネル換気制御システム１００における２つのフィードバック制御に関するカスケード制御について説明する。

【0075】

風速制御演算器Ｃ１は、目標値となるＶＩ目標値(ＶＩ＊)およびＣＯ目標値(ＣＯ＊)と、実際にトンネル内で計測される計測値ＶＩおよび計測値ＣＯとの差分を受けて、換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する部分であり、風向風量の調整値(ΔＵｒ)を演算する。図３の点線で示すように、トンネル１内の汚染量に関する第１のフィードバックループを形成している。

【0076】

換気量制御演算器Ｃ２は、風速制御演算器Ｃ１から与えられるＵＲ目標値(Ｕｒ＊)と、実際にトンネル１内においてＡＶ計１１４により計測される計測値Ｕｒとの差分を受けて、換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する部分であり、ジェットファン運転の調整値(ΔＪＦ)を演算する。図３の点線で示すように、トンネル１内の風量に関する第２のフィードバックループを形成している。

【0077】

なお、換気機器操作量制御ブロックＡは、フィードフォワード演算器Ｃ０が決定した換気機器制御目標値(ＪＦ＊)と、換気量制御演算器Ｃ２が決定したジェットファン運転の調整値(ΔＪＦ)を受けて、実際にジェットファン１０の運転制御を行う。

【0078】

トンネル内の風量プロセス２０１は、実際のトンネル１が持つトンネル風に関する系をブロックとして表したものであり、入力として換気機器であるジェットファンの駆動の強制換気力により発生する機械風と外乱にまとめられており、外乱には、トンネル１に対して吹き込む自然風とトンネル内を通行する車両により発生する交通風等がある。出力はトンネル内に実際に発生する風の風向風速Ｕｒである。

【0079】

トンネル内の汚染プロセス２０２は、実際のトンネル１が持つトンネル内汚染に関する系をブロックとして表したものであり、入力として風向風速ＵＲにより排気される汚染排気と外乱にまとめられており、外乱にはトンネル１に対して吹き込む自然風による排気とトンネル内を通行する車両により発生する交通風による排気等がある。出力はトンネル内に実際に発生する汚染物質の発生を示す煙霧透過率(ＶＩ)と一酸化炭素濃度(ＣＯ)である。

【0080】

トンネル内のジェットファン１０は、トンネル１内の空気を換気する機器であり、ここでは、インバータ駆動により運転されるジェットファンであり、複数台あり、それらの並列運転が可能なものとなっている。

【0081】

本発明のトンネル換気制御システム１００は、図３に見るように、第２のフィードバックループの出力が第１のフィードバックループの入力となるカスケード制御となっている。

【0082】

トンネル内の物理現象として風量と汚染量を考えてみると、風量の変化は速くかつ細かく変動するが、一方、汚染量は風量の変化に伴って換気が不足したり換気が進んだりすることによりトンネル全体としてゆっくりと大きく変動するものであり、風量に比べてトンネル内汚染量は時間定数が大きな物理量となっている。つまり、風量はジェットファンの運転制御により直接的に細かく操作しやすいが、汚染量はジェットファンの運転制御では直接的ではなく間接的に操作することとなる。ただし、真に守るべき基準は煙霧透過率目標値(ＶＩ＊)と一酸化炭素濃度目標値(ＣＯ＊)として与えられるので、汚染量に注目して制御する必要がある。

【0083】

そこで、本発明のトンネル換気制御システム１００では、トンネル内の風向風速のフィードバック制御と、トンネル内の汚染量のフィードバック制御とをカスケード制御することにより、細かく変化しやすい風向風速に対してジェットファンの運転を細かくフィードバック制御することができ、また、風向風速の変化に伴って変化があらわれる汚染量に関してカスケード制御とすることによりフィードバック制御できるので、ジェットファンの運転制御を通じて、トンネル内の汚染量を正しく制御することができ、全体として過剰換気、換気不足となるケースを少なく低減でき、省エネ運転を実現できる。

【0084】

本発明のトンネル換気制御システム１００では、細かく風向風量を調節することで全体として過剰換気、換気不足となるケースを少なく低減できることを通じて省エネ運転を実現するが、その際、ジェットファン１０の運転をインバータ駆動運転とすることにより高い相乗効果が得られる。つまり、インバータ駆動運転とすれば、ジェットファン駆動の正逆逆転運転や回転数の変更など定格電流により速やかに制御を行うことができ、省電力化の効果が得られる。一方、従来の誘導モータによるジェットファン運転では、運転保護インターバル時間があり、一旦停止したジェットファンは１０分間運転不可であったが、上記のようにインバータ制御運転を前提とすれば、回転数は０から最大周波数まで自由にとれるため、換気力も０から最大値まで任意に設定でき、理想的な風向風量制御をきめ細かい精度で制御できるというメリットが得られる。
以上が、本発明のトンネル換気制御システム１００における予測処理の例である。

【0085】

［４］ジェットファン制御装置１６０における各種制御処理
トンネル内部状態計測装置１２０の各々の煙霧透過率データ計測器(ＶＩ計測器)１２１、一酸化炭素濃度データ計測器(ＣＯ計測器)１２２、トンネル内風向風速計(ＡＶ計)１２３、窒素酸化物濃度データ（ＮＯｘ計測器）１２４のいずれかまたは複数において測定環境に異常が生じ、その測定データが正常値から離れてしまう不具合が発生した場合を想定する。

【0086】

［４−１］ジェットファン制御装置１６０における、測定環境の異常発生判定処理
ジェットファン制御装置１６０におけるトンネル内部状態計測装置１２０の測定環境に一時的な異常が生じたかの判定処理について説明する。図４は測定環境の異常発生判定処理の流れを簡単に示すフローチャートである。

【0087】

まず、ジェットファン制御装置１６０は、トンネル内部状態計測装置１２０（ＶＩ計測器１２１、ＣＯ計測器１２２、ＡＶ計１２３、ＮＯｘ計１２４）から煙霧透過率データや一酸化炭素濃度データや窒素酸化物濃度データやトンネル内風向風速データの実測値を取得する。また、予測部１５０からトンネル内風向風速予測（自然風予測、交通風予測）、さらに汚染発生量予測（煙霧透過率予測、一酸化炭素濃度予測、窒素酸化物濃度予測）を取得する（図４ステップＳ１）。
なお、放射線量についても制御を行う場合、トンネル内部状態計測装置１２０から放射線量の実測値を取得し、予測部１５０から放射線量予測を取得する。

【0088】

予測部１５０の各種予測は、前述したように、トンネル外部入力計測装置１１０のトラフックカウンタ１１１から取得した交通量データや微気圧計１１２から取得した自然風データなど、トンネルに対する外部入力条件を考慮した予測となっている。

【0089】

次に、ジェットファン制御装置１６０は、実測値である煙霧透過率や一酸化炭素濃度や窒素酸化物濃度やトンネル内風向風速値が、予測部１５０によるトンネルに対する外部入力条件を考慮した予測と比較し、その差異が所定の範囲内にあるか否かをチェックする（図４ステップＳ２）。

【0090】

このようにその差異が所定範囲（正常範囲）内にあるか否かをチェックする理由は、一般に、トンネル内の実際の煙霧透過率や一酸化炭素濃度や窒素酸化物濃度やトンネル内風向風速値が急激に変化することは通常はなく、トンネル内で火災が発生したとか、トンネル外の気候が劇的に変化したなどの事情であるか、清掃用の散水車が通過するなどトンネル内部状態計測装置１２０の計測器のいずれかまたは複数の測定環境が変化した事情であるか、トンネル内部状態計測装置１２０の計測器自体が故障したなどの事情が想定できる。まず、そういった特殊な事情が発生しているか否かは、実測値と予測値の差異が急激に発生したか否かで判断できるからである。

【0091】

もし、ステップＳ２において、実測値と予測値の差異が所定の範囲内にあれば（図４ステップＳ２：Ｙ）、ジェットファン制御装置１６０は、ＶＩ計測器１２１、ＣＯ計測器１２２、ＡＶ計１２３、ＮＯｘ計１２４における測定環境に特に異変がないものとして、これら実測データが信頼に足るものとし、そのままフィードバック補正部１７０に対して、ＶＩ計測器１２１、ＣＯ計測器１２２、ＡＶ計１２３、ＮＯｘ計１２４による実測データに基づくフィードバック制御量を出力する（図４ステップＳ３）。
ここで、実測値と予測値の差異についてどの程度までが正常の範囲内と扱うかについては、システムの運用により自由に設定できるが、例えば、予測値に対して上限閾値、下限閾値を設けておき、実測値がその上限閾値と下限閾値の間に収まっているか否かで判断できる。

【0092】

上限閾値、下限閾値は自由に設定できるが、例えば、予測値に対して±５％を閾値としたり、予測値に対して予測風速値±Ｘｍ、予測一酸化炭素濃度±Ｘｐｐｍなど絶対量による閾値としたり、いわゆる３シグマの範囲に設定したりすることができる。平均μと標準偏差σの正規分布に従う確率変数の観測値が平均値μから±１シグマの区間に入る確率は０．６８程度、２シグマの区間に入る確率は０・９５程度、３シグマの区間に入る確率は０．９９７程度であるといわれている。

【0093】

次に、この例では、予測モデルを最新のトンネル内の状態量に応じて更新するべく、モデルパラメータ推定部１３０がモデル記憶部１４０に記憶されている風速モデル、交通モデル、汚染濃度モデルの最新のトンネル内の状態量に応じてパラメータを推定・更新する（図４ステップＳ４）。

【0094】

再びステップＳ１に戻り、ジェットファン制御装置１６０は、ジェットファン制御を継続する。実測値と予測値の急激な差異が発生することなく正常運転として、ステップＳ１−ステップＳ２（Ｙ）−ステップＳ３−ステップＳ４−ステップＳ１のループを継続することとなる。

【0095】

もし、ステップＳ２において、実測値と予測値の差異が所定の範囲内にない場合であれば（図４ステップＳ２：Ｎ）、ジェットファン制御装置１６０は、ＶＩ計測器１２１、ＣＯ計測器１２２、ＡＶ計１２３、ＮＯｘ計１２４における測定環境に異変があったものとして、異常時の処理を開始する。

【0096】

図６は、ジェットファン制御装置１６０における風速（Ａｖ）における実測値と予測値、一酸化炭素濃度（ＣＯ）における実測値と予測値の比較を簡単に示す図である。図６において、上限下限の閾値は、たとえば、いわゆる３シグマの値とし、上限値と下限値を点線で示している。
図６において、時刻ｔ１までは、差異が所定の範囲に収まっているが、時刻ｔ１において、風速（Ａｖ）、煙霧透過率（ＶＩ）とも急激に変化し、上限値または下限値の閾値を超えてしまっている。この時刻ｔ１まではステップＳ２では"Ｙ"となっているが、時刻ｔ１の時点でステップＳ２が"Ｎ"となる。

【0097】

図４に戻ってフローの説明を続ける。
次に、ジェットファン制御装置１６０は実測値と予測値の差異が異常を示し始めてからの経過時間をチェックし（ステップＳ５）、所定の経過時間範囲内であれば（ステップＳ５：Ｙ）ステップＳ６に進み、所定の経過時間範囲内を超えている場合であれば（ステップＳ５：Ｎ）ステップＳ７に進む。
この所定経過時間をチェックする理由は、トンネル内部状態計測装置１２０のいずれかの計測器において発生した急激な計測値の変化が、トンネル内で火災が発生した事情やトンネル外の気候が劇的に変化したなどの事情やトンネル内部状態計測装置１２０の計測器自体が故障したなどの継続的（恒常的）な事情であるか、または、清掃用の散水車が通過するなどトンネル内部状態計測装置１２０の計測器のいずれかまたは複数の測定環境が変化した一時的な事情であるかを見極めるためである。継続的（恒常的）な事情であれば、実測値と予測値の差異が異常を示し始めてからの経過時間は長く続くが、一時的な事情であれば、実測値と予測値の差異が異常を示し始めてから適度な時間で実測値が本来の値に戻るためにその差異が解消するからである。

【0098】

この所定経過時間は、例えば、１分間、３分間、１０分間などシステムの運用により自由に設定できる。
測定環境の一時的な要因による異常発生の理由としては、例えば、トンネル内の清掃のために散水車が通過した場合に、多量の水しぶきがトンネル内に飛散し、その水しぶきがトンネル内部状態計測装置のセンサ部分に掛かり、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまう場合がある。また、例えば、トンネル内では自動車がライト点灯して走行し、前方にある車両の凹凸の角度や特殊な塗装などの影響により、異常な光反射がトンネル内で発生し、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまう場合がある。また、例えば、トンネル内を走行中の特定の車両が特に多量な煤煙を包含する排気ガスをまき散らしつつ走行したり、積載貨物の中に小麦粉やセメント粉などの粉体を含み、その粉体が荷台から偶然漏れつつ走行したりするなどの事情があり、トンネル内部状態計測装置の近辺で煤煙や粉体の浮遊量が増加した結果、一時的にトンネル内部状態計測装置が異常値を示してしまう場合などがある。

【0099】

再び、図４の処理の説明に戻る。
経過時間が所定時間内であれば（図４ステップＳ５：Ｙ）、継続的（恒常的）な事情による急激な計測値の変化であっても、一時的な測定環境の異常による急激な計測値の変化あっても、ジェットファン制御装置１６０はトンネル内部状態計測装置１２０の計測値に基づくフィードバック制御を一時停止し、ジェットファンの制御量を、異常が発生する前の直近の制御量を維持継続する扱いとする（図４ステップＳ６）。

【0100】

なお、火災発生による急激な計測値の変化であれば、所定時間の経過を待たずに即応してジェットファン制御を切り替える必要がある。

【0101】

再びステップＳ１に戻り、ジェットファン制御装置１６０は、ジェットファン制御を継続する。実測値と予測値の差異が所定の範囲内に収まるまで、しばらく、ステップＳ１−ステップＳ２（Ｎ）−ステップＳ５（Ｙ）−ステップＳ６−ステップＳ１のループを継続することとなる。

【0102】

もし、経過時間が所定時間内で解消した場合は、図４ステップＳ２において、実測値と予測値の差異が所定の範囲内に収まることとなり、図４ステップＳ３およびステップＳ４を介してステップＳ１へ戻り、このステップＳ５には回帰しない。
このように、散水車の通過や対向車の光反射など、本来はジェットファン駆動の運転を切り替える必要のない事情にて一時的にトンネル内部状態計測装置の計測値が急激に変化した場合でも、そのままフィードバック制御がかかるのではなく、計測値に見られる急激な変化が一時的な測定環境の変化に起因するものか否かを見極めるまで正常運転を続けることができる。

【0103】

次に、経過時間が所定時間を経過すれば（図４ステップＳ５：Ｎ）、ジェットファン制御装置１６０は継続的（恒常的）な事情による急激な計測値の変化の可能性があると判断する。つまり、トンネル内部状態計測装置１２０の計測値に基づくフィードバック制御を開始する必要があると判断し（図４ステップＳ７）、ジェットファン制御装置１６０は継続的（恒常的）事情に対応する処理に移る。

【0104】

［４−２］ジェットファン制御装置１６０による継続的（恒常的）事情に対応する処理
前述したように、経過時間が所定時間を経過すれば（図４ステップＳ５：Ｎ）、ジェットファン制御装置１６０は継続的（恒常的）な事情による急激な計測値の変化の可能性があると判断するが、継続的（恒常的）な事情によって、計測値の変化の仕方にも特徴がある。

【0105】

まず考えられるのは、トンネル内部状態計測装置１２０自体の恒常的な故障の発生である。例えば、センサ部分が劣化したり、センサ部分に異物が詰まったりして正常に稼動できなくなる不具合が発生しうる。ただし、複数個所に設置している複数のセンサにおいて同時に故障が発生する確率は低いので、例えば、どこか１箇所に配置したいずれかのトンネル内部状態計測装置１２０において計測値が異常であると判断された場合（ステップＳ７−１：Ｙ）、ジェットファン制御装置１６０は当該トンネル内部状態計測装置１２０自体に故障が発生したと推定できる。その一方、トンネル１内に霧が進入・発生している場合、トンネル１内の煙霧透過率計測器における煙霧透過率データは急激に増加するが、その他の計測値はあまり変化しないものと考えられる。そこで、ジェットファン制御装置１６０は、トンネル１内の煙霧透過率計測器における煙霧透過率データのみが所定範囲を超え続けているか否かを調べる（ステップＳ７−２）。

【0106】

もし、煙霧透過率計測器が計測した煙霧透過率データのみが異常値を示している場合（ステップＳ７−２：Ｙ）、ジェットファン制御装置１６０は霧発生による急激な煙霧透過率データの変化があったとして霧発生時のジェットファン制御に移行するか、または、煙霧透過率計測器に故障が発生したと推定して、センサの故障アラームをシステム側に通知するなどの処理が行われる（ステップＳ７−３）。

【0107】

もし、煙霧透過率計測器が計測した煙霧透過率データ以外のデータが一つのみ異常を示していた場合、ジェットファン制御装置１６０は当該データを計測するトンネル内部状態計測器１２０が故障したものと推定し、センサの故障アラームをシステム側に通知するなどの処理が行われる（ステップＳ７−４）。

【0108】

次に考えられるものは、トンネル内部状態計測装置１２０自体には故障の発生はないが、逆に、トラフィックカウンタ１１１などのトンネル外部入力計測装置１１０側に故障が発生した場合である。この場合、トンネル内部状態計測装置１２０による実測値はあまり変化がないが、予測部１５０の予測値の方が大きく変化し、その結果、両者の差異が急激に大きくなる。

【0109】

そこで、ジェットファン制御装置１６０は、トンネル内の煙霧透過率データ、汚染ガス濃度データ、風速データのいずれもが所定範囲を超え続けている場合（ステップＳ７−５：Ｙ）、その原因がトンネル外部入力計測装置１１０に恒常的な故障が発生していると判断する（ステップＳ７−６）。
ステップＳ７−３で煙霧透過率計測器に故障が発生したと判断した場合や、ステップＳ７−４で該当するトンネル内部状態計測器１２０が故障したものと判断した場合や、ステップＳ７−６でトンネル外部入力計測装置１１０に恒常的な故障が発生していると判断した場合は、ジェットファン制御装置１６０は図４のステップＳ６に戻る（ステップＳ８）。

【0110】

以上、本発明のトンネル換気制御システム１００によれば、トンネル内部状態計測装置の測定環境の一時的な変化による不具合を織り込んだ的確なフィードバック制御や、予測を用いたフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせたハイブリッド適応制御や、フィードバックループを連結したカスカード制御などの高度なジェットファン制御による省電力化を可能とした縦流換気システムを提供することができる。

【実施例2】

【0111】

実施例１の構成では、通常運転時はフィードバック補正制御が中心の構成であったが、実施例２のトンネル換気制御システム１００ａでは、予測部１５０の予測値に基づいたフィードフォワード制御と、自然風の自然換気方向と対面交通による交通換気方向との関係とを考慮した省エネ最適選定計画とを取り入れ、さらに、フィードバック補正と省エネ最適選定計画とを組み合わせた適応制御を行うハイブリッド適応制御を行う構成例である。

【0112】

図７は、実施例２のトンネル換気制御システム１００ａの構成例を簡単に示す図である。
トンネル外部入力計測装置１１０からフィードバック補正部１７０までは実施例１の構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。
フィードフォワード制御部１８０は、予測部１５０の各種予測に基づき、断面風速目標値と換気機器制御目標値を決定する部分である。

【0113】

最適選定計画決定部１８５は、予測部１５０によるトンネル内風速Ｕｒ予測と汚染発生量Ｃ（ｔ，ｘ）の予測を利用し、汚染濃度基準を遵守するためのジェットファン１０の並列運転台数と正逆方向とその回転数を含む省エネ最適選定計画を決める部分である。

【0114】

ハイブリッド適応制御部１９０は、フィードバック補正部１７０によるフィードバック補正と、最適選定計画決定部１８５により決定された省エネ最適選定計画とを組み合わせたハイブリッド型の適応制御を行う部分であり、ジェットファン１０の最適制御量を決定する。ジェットファン１０の並列運転台数と正逆方向とその回転数の算出は、適切なアルゴリズムを用いて計算することにより算出すれば良い。

【0115】

このように、本発明のトンネル換気制御システム１００ａは、各種予測に基づくフィードバック補正と省エネ最適選定計画とを組み合わせたハイブリッド型の最適制御量にてジェットファン１を運転制御する。

【0116】

ジェットファン１０の運転はインバータ駆動運転であり、ジェットファン１０を定格電力以下でハイブリッド適応制御部１９０が決定した最適制御量による連続運転を可能となっている。

【0117】

ここで、ハイブリッド適応制御部１９０のフィードバック補正を２つのフィードバック制御のカスケード制御とすることができる。
ハイブリッド適応制御部１９０は、断面風速目標値と前記計測装置が実測した前記断面風速データから前記換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第１のフィードバック制御と、汚染ガス濃度データおよび汚染ガス濃度目標値と、計測装置が実測した煙霧透過率データおよび煙霧透過率目標値から換気機器の並列運転台数と正逆方向とその回転数を制御する第２のフィードバック制御を備えた構成とし、第１のフィードバックループを包含するように第２のフィードバックループを形成せしめたカスケード制御とする。

【0118】

以上が、本発明のトンネル換気制御システム１００の構成例における各構成要素の動作である。

【0119】

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、トンネル換気制御システムに向け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。

【図面の簡単な説明】

【0120】

【図1】トンネル内の様子を模式的に示した図である。

【図2】本発明のトンネル換気制御システム１００の構成を示した構成図である。

【図3】本発明のトンネル換気制御システム１００の制御ブロック図である。

【図4】ジェットファン制御装置１６０における測定環境の異常発生判定処理の流れを簡単に示すフローチャート（その１）である。

【図5】ジェットファン制御装置１６０における測定環境の異常発生判定処理の流れを簡単に示すフローチャート（その２）である。

【図6】ジェットファン制御装置１６０における風速（Ａｖ）における実測値と予測値、一酸化炭素濃度（ＣＯ）における実測値と予測値の比較を簡単に示す図である。

【図7】実施例２のトンネル換気制御システム１００ａの構成例を簡単に示す図である。

【図8】従来の一般的なジェットファンを用いた縦流換気方式の対面通行道路トンネルを示す図である。

【符号の説明】

【0121】

１００ トンネル換気制御システム
１１０ トンネル外部入力計測装置
１１１ トラフィックカウンタ
１１２ 微気圧計
１２０ トンネル内部状態計測装置
１２１ 煙霧透過率計測器(ＶＩ計測器)
１２２ 一酸化炭素濃度計測器(ＣＯ計測器)
１２３ トンネル内風向風速計(ＡＶ計)
１２４ 窒素酸化物濃度計測器（ＮＯｘ計測器）
１３０ モデルパラメータ推定部
１４０ モデル記憶部
１５０ 予測部
１６０ ジェットファン制御装置
１７０ フィードバック補正部
１８０ フィードフォワード制御部
１８５ 最適選定計画決定部
１９０ ハイブリッド適応制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】