JP3904506B2

JP3904506B2 - Tunnel ventilation control method and apparatus

Info

Publication number: JP3904506B2
Application number: JP2002321633A
Authority: JP
Inventors: 昌宏鹿山; 勝遠藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: JP2004156258A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内を換気する制御装置の制御方法に係り、とりわけ制御モデルを用いた予測制御の高度化により制御精度を向上させる手法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル内の換気挙動を記述した物理モデルを用いてトンネル換気制御を高精度に行う従来手法として、例えば特開平５−３２１５９８に示されているように、物理モデルを用いて将来のトンネル内部の汚染状態を予測し、予測結果をファジィ推論で評価した結果から排風機やジェットファンの運転状態を決定する方法があった。特開平５−３２１５９８記載の手法では、物理モデルが実際のトンネル内の物理挙動に対応している場合には精度の良い制御が行えるが、対応の度合いが低下している場合には、この度合いに応じて制御精度が低下する問題がある。測定できない自然風の影響を始め、車の汚染物質排気量のバラツキ等、種々の不確定要素があるため、モデルに依存した制御では良好な制御が継続できない場合が多い。
【０００３】
さらに特開平５−１４１２００記載に示されているように様に、ニューラルネットを用いた学習によりトンネルプロセス特性の経年変化に対してもモデル精度を維持することで制御精度を向上させる手法があった。モデルを学習することで性能向上を図る特開平５−１４１２００記載の手法では、学習によるモデルと制御対象の合わせ込みでモデル誤差を低減できる場合がある。しかしながら上述したバラツキの効果も同様に学習してしまう場合がある。この場合は学習によりモデルの特性を変えることが逆に長期間に渡って制御精度を悪化させてしまう場合がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３２１５９８号公報
【特許文献２】
特開平５−１４１２００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
制御モデルを用いて算出した予測結果は、たとえ精緻な制御モデルが使われていても、モデル化されていない要因や測定不能な種々の影響、外乱等により、必ずしも常に高精度な結果が得られるとは限らない。
【０００６】
また、制御モデルに学習機能が組み込まれている場合には、モデル化対象（実体）の経年変化に対応した制御モデルのパラメータ変更がある程度は可能であるが、勿論完璧ではなく、また何らかの一時的な変化があった場合にはこれにも対応してしまい、一時的変化が解消し通常状態に復帰した後の制御モデルの算出した予測精度は著しく低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、制御モデルを用いて算出した予測結果の予測精度向上させ、これを制御に用いることにより、トンネル換気制御装置における制御精度の劣化を防止させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１のトンネル換気制御装置は、トンネル内の煤煙濃度及び一酸化炭素濃度等の状態量の振舞いを予測演算部にて予測し、この予測結果を用いてジェットファン及び排風機等の望ましい運転方法を決定するトンネル換気制御装置において、該トンネルから検出した煤煙濃度及び一酸化炭素濃度等の状態量の実績値とジェットファンや排風機等の運転実績から予測結果に含まれる誤差の大きさを算出し、該予測演算部の出力を補償して制御に用いるものである。
【０００９】
またこの発明に係る請求項３のトンネル換気制御装置は、予測誤差算出部に、トンネルから検出した煤煙濃度や一酸化炭素濃度等の状態量の実績値と該予測演算部の演算により煤煙濃度や一酸化炭素濃度等の状態量を推定するオブザーバと、オブザーバの出力を時系列トレンドとして編集する推定トレンド生成部と、該推定値に対応した煤煙濃度や一酸化炭素濃度の実績値を時系列トレンドとして編集する実績トレンド生成部と、実績トレンドと推定トレンドの差分を算出しトレンドとして編集する誤差トレンド算出部と、誤差トレンドの情報から予測誤差を推定する予測誤差推定部を備えているものである。
【００１０】
また、この発明に係る請求項４のトンネル換気制御装置は、前記誤差トレンドの各誤差の値を重み付け加算することで予測誤差を算出する予測誤差推定部を設けているものである。
【００１１】
また、この発明に係る請求項５のトンネル換気制御装置の予測誤差算出部は、誤差トレンドの自己相関を算出する自己相関算出部を備え、算出された自己相関の大きさにしたがって該予測誤差算出部の出力を制限するものである。
【００１２】
また、この発明に係る請求項６のトンネル換気制御装置の予測誤差算出部は、誤差トレンドの自己相関を算出する自己相関算出部を備え、算出された自己相関があらかじめ定められた値より小さい場合には該予測誤差算出部の出力を無効とするものである。
【００１３】
また、この発明に係る請求項７のトンネル換気制御装置の予測誤差算出部は、車両の通行量や大型車比の変化量を判定する通行量変化量判定部を備え、車両の通行量や大型車比の変化量が大きい場合には該予測誤差算出部の出力を制限するかあるいは無効とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図にしたがって詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の第１の実施例を示す。
【００１６】
本実施例では、ジェットファン１５４や排風機１５５の運転形態にしたがってトンネル１５１内の風向・風速や煤煙濃度の状態量を予測する予測演算部１０２、得られた予測結果の望ましさに加えてエネルギ消費量や機器（ジェットファン１５４、排風機１５５）の起動／停止回数の小ささを定量的に評価する運転案評価部１０５、評価結果を総合的に加味して運転方式を決定する運転方式決定部１０６を備えたトンネル換気制御装置１００に、直近の予測結果と対応した状態量の実績値のみに着目して予測誤差の時系列を生成し、これにしたがって予測演算部の予測結果を補正する予測誤差算出部１０４を設けた。以下詳細に説明する。
【００１７】
制御装置１００は何通りかの次回の運転案（ジェットファン１５４、排風機１５５の起動の有無、風量等）を決定し出力する運転案生成部１０１、運転案生成部１０１の出力した運転案を採用した場合にどのような風向・風速、煤煙濃度、ＣＯ濃度になるかを予測し、さらにエネルギー消費量、ジェットファン１５４、排風機１５５の起動停止回数を予測モデル１０３を用いて算出する予測演算部１０２、運転案生成部１０１の出力した運転案および制御対象１５０から検出した検出値を用いてモデル誤差を演算し補償する予測誤差算出部１０４、予測演算部１０２の結果を予測誤差算出部１０４で補償した結果にしたがって運転案を評価する運転案評価部１０５、運転案の評価結果にしたがって次回の運転方式を決定する運転方式決定部１０６から構成される。
【００１８】
また制御の目的はトンネル１５１の内部の空気を適切に換気することであり、本実施例では一方通行のトンネルに対して、縦流式と呼ばれるトンネルの長手方向に空気の流れを作り換気するシステムを例に説明する。
【００１９】
空気の流れを作るためにジェットファン１５４、排風機１５５が取り付けられている。いずれも複数台取りつけられることが多い。汚染気体をトンネル１５１の外に出す操作は、主として排風機１５５が行う。すなわち排風機１５５は上向きに風を送り、トンネル１５１内の空気を立杭１５３を通してトンネル外に排出する。一方ジェットファン１５４は車の進行方向に対して逆方向の風を送ることにより、杭口１５２からの汚染空気の漏れだし量を最小化する。
【００２０】
本実施例でトンネル内には、以下の検出器が取り付けられている。トンネル内に侵入する車両の台数、速度、大型車混入比はトラフィックカウンター１６２で事前に検出する。また風向、風力はＡＶ計１５６、１５７で、煤煙濃度はＶＩ計１５８、１５９で、さらにＣＯ濃度はＣＯ計１６０、１６１で検出する。以下風向、風力の値をＡＶ値と称する。一般のトンネルではこの程度の検出器が取りつけられている。
【００２１】
制御装置１００は、検出器からの信号でトンネル内の現在の状態を検出しつつ、予測モデル１０３を用いて将来の状態を予測し、適切な排風機１５５、ジェットファン１５４の運転形態を決定する。
【００２２】
図２に運転案生成部１０１が実行するアルゴリズムを示す。まずＳ２−１で運転方式決定部１０６から現在の運転方式を取りこむ。これをもとに可能となる次回の運転案を複数生成する。たとえば「排風機１台運転、風量２００ｍ３／分、ジェットファン２台高速運転」のような案をいくつか生成する。通常は現在の運転方式近傍の運転方式を運転案として生成すれば良いが、煤煙濃度が大きく変化した場合には、広い範囲で多くの運転案を生成し、選択範囲を広げる必要性が生じる場合もある。
【００２３】
図３に予測演算部１０２が実行するアルゴリズムを示す。Ｓ３−１で制御対象１５０の各センサから現在の状態量の実績値を取りこむ。また運転案生成部１０１から次回の運転案を取りこむ。運転案は通常複数生成されているが、その場合は各運転案に対して以下の処理を同じく行うことになる。Ｓ３−２でトンネル内各部の風速を算出する。計算方法は例えば「道路トンネル技術基準（換気編）・同解説」（社団法人日本道路境界編、昭和６０年１２月）に詳しいが、トンネル内をいくつかのメッシュに分割した上でトンネル内の気体流れのダイナミクスを記述した（数１）を用いることで数値解析的に解くことができる。
【００２４】
【数１】

Ｓ３−３でトンネル内部の煤煙濃度（ＶＩ値）、ＣＯ濃度（ＣＯ値）を算出する。各濃度は（数２）の対流拡散方程式に従うことが知られている。
【数２】

同様にトンネル内をいくつかのメッシュに分割した上で、Ｓ３−２で得た風速をｕに適用し、さらに境界条件として杭口１５２のＶＩ、ＣＯ値を０とすることで、トンネル各部位のＶＩ、ＣＯ濃度を得ることが解くことができる。
【００２５】
さらにＳ３−４で取りこんだ運転案に対して、ジェットファン１５４、排風機１５５を動作させるのに必要な電力消費量を算出する。（数３）に示すように出力を用いた簡単な数式で表すことができる。
【００２６】
また取りこんだ運転案に対して、ジェットファン１５４、排風機１５５の運転台数が変化するかどうかを調べ、起動停止回数を算出する。ジェットファン１５４の運転台数を現在の運転台数に対して１台起動もしくは停止させる必要がある場合には、起動回数を１とする等で、簡単に対応付けることができる。
【００２７】
以上のようにして運転案生成部１０１が提示した運転案について、これを採用したときの制御結果の状態量の予測値およびエネルギー消費量等を算出する。運転案は通常複数提示されるが、その場合には各運転案毎に同様の処理を繰り返し、対応した制御結果の状態量の予測値およびエネルギー消費量等を算出する必要がある。
【００２８】
図４に本発明で実現された予測誤差算出部１０４の構成を示す。予測誤差算出部１０４はオブザーバ４０１、推定トレンド生成部４０２、実績トレンド生成部４０４、誤差系列算出部４０６、予測誤差推定部４０７、を備えている。本実施例では煤煙濃度（ＶＩ）の予測値を補償する場合を例に説明する。
【００２９】
オブザーバ４０１は、予測演算部１０２と同様の演算を行うことでＶＩ推定値を算出する。すなわち制御対象１５０から取りこんだ風速やＶＩの実績値を初期条件に設定し、運転案生成部１０１から取りこんだ排風機１５５およびジェットファン１５４の運転方式が実現された場合にＶＩ値がどうなるかを、（数１）にしたがって風速を求めた後、（数２）に従った演算で推定する。
【００３０】
推定トレンド生成部４０２は、オブザーバ４０１の出力を時系列に編集し推定値のトレンドである推定トレンド４０３を生成する。
【００３１】
同様に実績トレンド生成部４０４は、制御量の実績を取りこみ実績トレンド４０５を編集する。図に示すように、実績トレンド４０５および推定トレンド４０３は、現在時刻の値を最新とし、制御周期を過去に遡った値（−２、−３、・・・）をトレンドとして蓄えている。
【００３２】
さらに実績トレンド４０５と推定トレンド４０３の差分を計算し誤差のトレンドを算出する誤差系列算出部４０６、誤差系列を取りこみ、予測演算部１０２が予測した次回のＶＩ予測値が含んでいると予想される誤差の値を算定する予測誤差推定部４０７を備えている。
【００３３】
予測誤差推定部４０７は、（数３）で現される誤差系列に対して、例えば（数４）のような線形演算を行い、ＶＩ推定誤差の値ＶＩｅｒｒを推定する。
【００３４】
【数３】

【数４】

算定されたＶＩ推定誤差（Ｖｌｅｒｒ）には（数５）に示すようにゲイン４０８（Ｇ１）が乗じられ、最終的なＶＩ推定値補正量（ＶＩｃｏｍｐ）として予測誤差算出部１０４から出力される。
【００３５】
【数５】

最終的には図１に示したように、予測演算部１０２の出力から予測誤差算出部１０４の出力を減じた値が予測制御に用いられる。
【００３６】
図１ではＶＩ検出計が２つ備えられているが、この場合はおのおのについて同様の演算を行うことで対応する。またオブザーバ４０１の演算は共通化することができる。本実施例ではＶＩの予測誤差を補償する場合を例に説明したが、ＣＯ値の予測誤差を補償する場合も同様の考え方で行うことができる。またＡＶ値予測誤差の補償値は、（数２）に基づいた演算を省略することで得ることができる。
【００３７】
図５に運転案評価部１０５が行う処理を示す。運転案評価部１０５では、運転案生成部１０１が生成した複数の運転案のそれぞれについて、実現される制御量（ＡＶ値、ＶＩ値、ＣＯ値）、エネルギー消費量等の適切性を評価し、運転案選択の基準を生成する。
【００３８】
本実施例では予見ファジィ推論を用いて運転案を評価し、運転方式を決定する場合を示す。予見ファジィは図６に示すルールとメンバシップ関数の組み合わせからなり、ルールは「ＩＦ運転案ＡによりＶＩ値が満足ＴＨＥＮ運転案Ａを採用」のような、予見ファジィ特有の形態となっている。
【００３９】
まずＳ５−１で、図１の流れに従って各制御量やエネルギー消費量の予測値を取りこむ。次にＳ５−２でメンバシップ関数を用いて予測値の適合度を算出する。適合度が大きいほど望ましい制御結果が実現されたことを示している。
【００４０】
第６図にメンバシップ関数を用いてＶＩの予測値に対する適合度を算出する例を示す。予測ＶＩ値が３７％、メンバシップ関数（満足度関数）の形状として図６を仮定すると、適合度は図のような操作で０．４となる。同様の操作で、ＶＩ値、ＡＶ値、エネルギ消費量等の適合度も得ることができる。
【００４１】
最後にＳ５−３で各運転案ｊの総合満足度Ｗｊを算出する。総合満足度Ｗｊは例えば（数６）で算出する。β１、β２、β３、β４、・・・・・・は各評価ファクターの適合度に乗じる重みで、各評価ファクターの重要度に対応する。例えばＡＶ値とエネルギー消費量を重要視する場合には、β１、β２、β６、β７を相対的に大きくすれば良い。あるいは重要度の高いファクターのみを選択的に用いて総合満足度の評価の対象にしても良い。
【００４２】
【数６】

このようにして運転案に対応した総合満足度を算出できる。同様にして他の運転案の総合満足度を算出する。
【００４３】
図７に運転方式決定部１０６が実行する処理を示す。Ｓ７−１で各運転案について総合満足度を計算した結果から最も望ましい運転案を選択する。そしてＳ７−２で、選択した運転方法に沿った操作量を各機器（ジェットファン１５４、排風機１５５）に出力する。本実施例では、Ｓ７−１で最も望ましい運転案を選択したが、望ましいいくつかの運転案に対して按分処理を行い、新たな運転案を生成し運転方式として出力しても良い。
【００４４】
本実施例では、運転案生成部１０１は運転方式決定部１０６の出力を用いて現在の運転方式を取りこんだが、制御対象１５０のジェットファン１５４、排風機１５５の出力を直接取りこんで、現在の運転方式として認識しても良い。またトンネルの換気方式として縦流式の場合を例に説明したが、横流式や半横流式等の他の方式にも同様の手法が適用できる。
また特殊な例として、トレンドに含まれるデータ数が１の場合でも、（数４）の線形演算を省略することで本発明をそのまま適用できる。
【００４５】
図８に本発明の第２の実施例として、予測誤差算出部１０４に、モデル誤差時系列の自己相関を算出する自己相関算出部８０１と自己相関を評価し予測誤差推定部４０７の出力に乗じるゲインの値を決定する自己相関評価／ゲイン決定部８０２を備えた例を示す。
【００４６】
本実施例における予測誤差算出部１０４では、風向・風力、煤煙濃度、ＣＯ値等の状態量の予測結果に対して、これが有する誤差の値を推定し、この値を予測値から差し引くことにより、予測モデルのパラメータを修正することなく予測演算部の出力を高精度化する。
【００４７】
以下詳細に説明する。
【００４８】
自己相関算出部８０１は（数３）の誤差系列の自己相関係数を算出する。自己相関係数Ｃｏは、Δｉをｘｉ、Δｉ＋１をｙｉとおいたｘｉとｙｉの時系列を用いて、例えば（数７）で算出すれば良い。
【００４９】
【数７】

ここでＣｏは、隣接したΔの関連性の大きさを表しており、Ｃｏが大きいことは隣接した誤差の相関が大きいことを意味している。Ｃｏが大きい場合には直近の誤差を用いた予測誤差の推定が高精度であることが期待できる。一方、Ｃｏが小さい場合には誤差の規則性が乏しく、予測誤差の推定が困難なことを示している。
【００５０】
自己相関評価／ゲイン決定部８０２では、得られたＣｏを用いてゲイン４０８の値を決定する。
【００５１】
図９に自己相関評価／ゲイン決定部８０２が行う処理を示す。
【００５２】
Ｓ９−１で算出された自己相関Ｃｏを取りこむ。一般にＣｏが大きいことは誤差時系列の相関が大きいことを意味し、次回の予測誤差が高精度に推定可能なことと対応している。したがって１に近い大きなゲインを設定可能となる。一方、Ｃｏが小さいときには誤差時系列の相関が乏しいので、ゲインを小さくするかあるいは予測誤差算出部の出力を制御に用いない様にする（ゲインを０にする）必要がある。
【００５３】
Ｓ９−２ではこのような観点でゲインの決定を行う。一例としては、自己相関の値Ｃｏをそのままゲインの値に対応付けることも考えられるが、Ｃｏが一定値以下の場合はゲインを０にしても良い。
【００５４】
本実施例では誤差トレンドの自己相関を用いたが、自己相関の代わりに推定トレンドと実績トレンドの相互相関を用いても同様の効果を得ることができる。この場合は推定トレンドの各値をｘｉ、実績トレンドの各値をｙｉとおけばほぼ同様の演算で実現できる。
【００５５】
図１０に本発明のその他の実施例として、トラフィックカウンタ１６２の出力から車両の通行量や大型車比の変化量を判定し、ゲイン４０８を変化させる例を示す。通行量変化量判定部１００１はトラフィックカウンタ１６２の出力を時系列に蓄積し、車両の通行量、大型車比が変化したかどうかを判定する。両者の変化が少ない場合にはゲイン４０８を大きな値とし、変化が大きい場合にはゲイン４０８を小さな値にするか、無効化する。車両通行台数が激変したタイミングではモデル誤差の補償精度が低下する場合があるが高いが、このような処理の結果、補償精度低下の影響を最小化できる。
【００５６】
以上述べたように、本発明により、高精度な状態量の予測結果を用いて運転案の評価、運転方式の決定が行えるため、適切な運転案の選択が可能となる。
【００５７】
また状態量の実績値のバラツキやノイズはモデル誤差時系列の自己相関を低下させるが、自己相関の大きさにしたがって予測誤差算出部の出力を制限することにより、バラツキやノイズの影響を最小化できる。
【００５８】
また本発明では学習等によりモデルのパラメータを変化させることをしないので、学習制御で問題となる実績値のバラツキやノイズがモデルパラメータに悪影響を与える問題が生じない。また誤差推定値を次回の制御で速やかに補償できるので、補償の応答性を高めることもできる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、直近のモデル誤差のみに着目して予測モデルの出力を補正する予測誤差算出部を設けたことにより、誤差を補正された高精度な予測結果を用いて運転案の選択を行うことができる。したがって運転案の選択を適切に行うことができ、制御精度を向上できる。またモデルパラメータ学習と異なり、モデル誤差の補償結果がモデル内に蓄えられることはない。したがって検出値のバラツキ等が後々の予測結果に悪影響を与えることはなく、安定した制御を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な構成図である。
【図２】運転案生成部の処理である。
【図３】予測演算部の処理である。
【図４】本発明で実現された予測誤差算出部の構成例である。
【図５】運転案評価部の処理である。
【図６】メンバシップ関数を用いて適合度を評価する方法の一例である。
【図７】運転方式決定部の処理である。
【図８】予測誤差補償部の第２の構成例である。
【図９】自己相関評価／ゲイン決定部の処理である。
【図１０】予測誤差算出部の構成例である。
【符号の説明】
１００・・・制御装置、
１０１・・・運転案生成部、
１０２・・・予測演算部、
１０３・・・予測モデル、
１０４・・・予測誤差算出部、
１０５・・・運転案評価部、
１０６・・・運転方式決定部、
１５０・・・制御対象、
１５１・・・トンネル、
１５２・・・坑口、
１５３・・・立坑、
１５４・・・ジェットファン、
１５５・・・排風機、
１５６、１５７・・・ＡＶ計、
１５８、１５９・・・ＶＩ計、
１６０、１６１・・・ＣＯ計、
１６２・・・トラフィックカウンタ、
４０１・・・オブザーバ、
４０２・・・推定トレンド生成部、
４０３・・・推定トレンド、
４０４・・・実績トレンド生成部、
４０５・・・実績トレンド、
４０６・・・誤差トレンド系列算出部、
４０７・・・予測誤差推定部、
４０８・・・ゲイン、
８０１・・・自己相関算出部、
８０２・・・自己相関評価／ゲイン決定部、
１００１・・通行量変化量判定部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control method for a control device for ventilating a tunnel, and more particularly to a method for improving control accuracy by sophisticating predictive control using a control model.
[0002]
[Prior art]
As a conventional method for performing tunnel ventilation control with high accuracy using a physical model describing the ventilation behavior in the tunnel, as shown in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-321598, the future internal contamination of the tunnel using the physical model is disclosed. There was a method of predicting the state and determining the operating state of the exhaust fan and jet fan from the result of evaluating the prediction result by fuzzy reasoning. In the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-321598, when the physical model corresponds to the physical behavior in the actual tunnel, accurate control can be performed, but when the degree of correspondence decreases, this degree Accordingly, there is a problem that the control accuracy is lowered. Since there are various uncertain factors such as the influence of natural winds that cannot be measured and variations in vehicle pollutant displacement, good control cannot often be continued with model-dependent control.
[0003]
Furthermore, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-141200, there has been a technique for improving the control accuracy by maintaining the model accuracy against the secular change of the tunnel process characteristics by learning using a neural network. . In the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-141200, which improves the performance by learning a model, there are cases where the model error can be reduced by combining the model and the control target by learning. However, the above-described variation effect may be learned as well. In this case, changing the characteristics of the model by learning may adversely affect the control accuracy over a long period of time.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-321598 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-141200
[Problems to be solved by the invention]
Prediction results calculated using a control model will always provide accurate results due to unmodeled factors, various effects that cannot be measured, disturbances, etc., even if precise control models are used. Not necessarily.
[0006]
In addition, when the learning function is incorporated in the control model, it is possible to change the parameters of the control model in response to the secular change of the modeling target (entity). If there is a slight change, this will be dealt with, and the prediction accuracy calculated by the control model after the temporary change is resolved and the normal state is restored will be significantly reduced.
[0007]
An object of the present invention is to improve the prediction accuracy of a prediction result calculated using a control model, and to prevent deterioration of control accuracy in a tunnel ventilation control device by using this for control.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The tunnel ventilation control device according to claim 1 of the present invention predicts behavior of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration in a tunnel by a prediction calculation unit, and uses the prediction results to jet a fan and an exhaust fan. In a tunnel ventilation control device that determines a desirable operation method such as the above, the error included in the prediction result from the actual values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration detected from the tunnel and the operation results of jet fans, exhaust fans, etc. Is calculated, and the output of the prediction calculation unit is compensated and used for control.
[0009]
In the tunnel ventilation control apparatus according to claim 3 of the present invention, the prediction error calculating unit calculates the soot concentration and the state value such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration detected from the tunnel and the calculation by the prediction calculation unit. An observer that estimates state quantities such as carbon monoxide concentration, an estimated trend generator that edits the output of the observer as a time-series trend, and a time-series trend of actual values of smoke concentration and carbon monoxide concentration corresponding to the estimated value As a result trend generation unit that edits, an error trend calculation unit that calculates the difference between the actual trend and the estimated trend and edits it as a trend, and a prediction error estimation unit that estimates a prediction error from error trend information .
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a tunnel ventilation control apparatus including a prediction error estimation unit that calculates a prediction error by weighting and adding each error value of the error trend.
[0011]
In addition, the prediction error calculation unit of the tunnel ventilation control apparatus according to claim 5 of the present invention includes an autocorrelation calculation unit that calculates an autocorrelation of an error trend, and calculates the prediction error according to the calculated magnitude of the autocorrelation. The output of the part is limited.
[0012]
The prediction error calculation unit of the tunnel ventilation control apparatus according to claim 6 of the present invention includes an autocorrelation calculation unit that calculates an autocorrelation of an error trend, and the calculated autocorrelation is smaller than a predetermined value. In this case, the output of the prediction error calculation unit is invalidated.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, the prediction error calculation unit of the tunnel ventilation control apparatus includes a traffic amount change determination unit that determines a vehicle traffic amount and a change amount of a large vehicle ratio. When the change amount of the vehicle ratio is large, the output of the prediction error calculation unit is limited or invalidated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
[0016]
In the present embodiment, the prediction calculation unit 102 that predicts the state quantity of the wind direction / wind speed and the smoke concentration in the tunnel 151 according to the operation mode of the jet fan 154 and the exhaust fan 155, energy in addition to the desired prediction result. Operation plan evaluation unit 105 that quantitatively evaluates the amount of consumption and the number of start / stop times of the devices (jet fan 154, exhaust fan 155), and operation method determination that comprehensively considers the evaluation results to determine the operation method The tunnel ventilation control apparatus 100 including the unit 106 generates a time series of prediction errors by focusing only on the actual value of the state quantity corresponding to the most recent prediction result, and corrects the prediction result of the prediction calculation unit according to this. A prediction error calculation unit 104 is provided. This will be described in detail below.
[0017]
The control device 100 determines and outputs several next operation plans (whether the jet fan 154, the exhaust fan 155 are activated, the air volume, etc.), and outputs the operation plan output from the operation plan generation unit 101. Prediction calculation that predicts the wind direction / speed, smoke concentration, and CO concentration when it is adopted, and further calculates the energy consumption, the number of start / stop times of the jet fan 154 and the exhaust fan 155 using the prediction model 103 Unit 102, a prediction error calculation unit 104 that calculates and compensates for a model error using the operation plan output from the operation plan generation unit 101 and the detection value detected from the control target 150, and the prediction error calculation unit 104 uses the result of the prediction calculation unit 102. The driving plan evaluation unit 105 that evaluates the driving plan according to the result compensated in step 1, the driving method determination unit 1 that determines the next driving method according to the evaluation result of the driving plan. It consists of 6.
[0018]
The purpose of the control is to properly ventilate the air inside the tunnel 151. In this embodiment, a system that creates a ventilation in the longitudinal direction of the tunnel, called a longitudinal flow type, and ventilates the one-way tunnel. Will be described as an example.
[0019]
A jet fan 154 and an exhaust fan 155 are attached to create an air flow. In many cases, multiple units can be mounted. The operation of taking out the contaminated gas out of the tunnel 151 is mainly performed by the exhaust fan 155. That is, the wind exhauster 155 sends wind upward and discharges the air in the tunnel 151 to the outside of the tunnel through the vertical pile 153. On the other hand, the jet fan 154 minimizes the amount of leakage of contaminated air from the pile port 152 by sending wind in the direction opposite to the traveling direction of the vehicle.
[0020]
In the present embodiment, the following detectors are installed in the tunnel. The traffic counter 162 detects in advance the number of vehicles entering the tunnel, the speed, and the large vehicle mixture ratio. The wind direction and wind force are detected by AV meters 156 and 157, the smoke concentration is detected by VI meters 158 and 159, and the CO concentration is detected by CO meters 160 and 161. Hereinafter, the value of wind direction and wind force is referred to as AV value. Such a detector is installed in a general tunnel.
[0021]
The control device 100 predicts the future state using the prediction model 103 while detecting the current state in the tunnel from the signal from the detector, and determines the appropriate operation mode of the exhaust fan 155 and the jet fan 154. .
[0022]
FIG. 2 shows an algorithm executed by the operation plan generation unit 101. First, the current driving method is fetched from the driving method determination unit 106 in S2-1. Based on this, a plurality of possible next operation plans are generated. For example, several proposals such as “one exhaust fan operation, air volume 200 m 3 / min, two jet fans high speed operation” are generated. Normally, it is sufficient to generate a driving plan in the vicinity of the current driving method as a driving plan. However, when the smoke concentration changes greatly, it is necessary to generate a large number of driving plans in a wide range and expand the selection range. There is also.
[0023]
FIG. 3 shows an algorithm executed by the prediction calculation unit 102. In S3-1, the actual value of the current state quantity is acquired from each sensor of the control target 150. The next operation plan is taken in from the operation plan generation unit 101. In general, a plurality of operation plans are generated. In this case, the following processing is performed for each operation plan. In S3-2, the wind speed of each part in the tunnel is calculated. The calculation method is detailed in, for example, “Road Tunnel Technical Standards (Ventilation) / Explanation” (Japan Road Boundary Edition, December 1985). It can be solved numerically by using (Expression 1) describing the dynamics of the gas flow.
[0024]
[Expression 1]

In S3-3, the smoke concentration (VI value) and CO concentration (CO value) inside the tunnel are calculated. Each concentration is known to follow the convection diffusion equation of (Equation 2).
[Expression 2]

Similarly, after dividing the tunnel into several meshes, the wind speed obtained in S3-2 is applied to u, and the VI and CO values of the pile mouth 152 are set to 0 as boundary conditions. It can be understood that the VI and CO concentrations can be obtained.
[0025]
Furthermore, the electric power consumption required for operating the jet fan 154 and the exhaust fan 155 is calculated with respect to the operation plan taken in S3-4. As shown in (Expression 3), it can be expressed by a simple mathematical expression using the output.
[0026]
Further, for the operation plan taken in, it is examined whether or not the number of operating jet fans 154 and exhaust fans 155 changes, and the number of times of starting and stopping is calculated. When it is necessary to start or stop the number of operating jet fans 154 relative to the current number of operating units, the number of starting operations can be easily correlated by setting the starting number to 1, for example.
[0027]
For the driving plan presented by the driving plan generation unit 101 as described above, the predicted value of the state quantity of the control result when this is adopted, the energy consumption amount, and the like are calculated. A plurality of operation plans are usually presented. In this case, it is necessary to repeat the same processing for each operation plan, and to calculate the predicted value of the state quantity of the corresponding control result, the energy consumption amount, and the like.
[0028]
FIG. 4 shows the configuration of the prediction error calculation unit 104 realized in the present invention. The prediction error calculation unit 104 includes an observer 401, an estimated trend generation unit 402, an actual trend generation unit 404, an error series calculation unit 406, and a prediction error estimation unit 407. In this embodiment, a case where the predicted value of the smoke density (VI) is compensated will be described as an example.
[0029]
The observer 401 calculates the VI estimated value by performing the same calculation as the prediction calculation unit 102. That is, the wind speed and the actual VI value acquired from the control target 150 are set as initial conditions, and what happens to the VI value when the operation method of the exhaust fan 155 and the jet fan 154 acquired from the operation plan generation unit 101 is realized. After obtaining the wind speed according to (Equation 1), the wind speed is estimated by calculation according to (Equation 2).
[0030]
The estimated trend generation unit 402 edits the output of the observer 401 in time series to generate an estimated trend 403 that is an estimated value trend.
[0031]
Similarly, the actual trend generation unit 404 takes in the actual control amount and edits the actual trend 405. As shown in the figure, the actual trend 405 and the estimated trend 403 store the values (−2, −3,...) Retrospectively in the past with the current time value as the latest value as the trend.
[0032]
Further, an error series calculation unit 406 that calculates a difference between the actual trend 405 and the estimated trend 403 and calculates an error trend, and the next VI predicted value predicted by the prediction calculation unit 102 is expected to be included. A prediction error estimation unit 407 that calculates an error value is provided.
[0033]
The prediction error estimation unit 407 performs a linear operation such as (Equation 4) on the error sequence expressed by (Equation 3) to estimate the VI estimation error value VIerr.
[0034]
[Equation 3]

[Expression 4]

The calculated VI estimation error (Vlerr) is multiplied by a gain 408 (G1) as shown in (Formula 5), and is output from the prediction error calculation unit 104 as a final VI estimated value correction amount (VIcomp).
[0035]
[Equation 5]

Finally, as shown in FIG. 1, a value obtained by subtracting the output of the prediction error calculation unit 104 from the output of the prediction calculation unit 102 is used for the prediction control.
[0036]
Although two VI detectors are provided in FIG. 1, this case can be dealt with by performing the same calculation for each. The operation of the observer 401 can be shared. In the present embodiment, the case where the VI prediction error is compensated has been described as an example, but the case where the CO value prediction error is compensated can also be performed in the same way. The compensation value for the AV value prediction error can be obtained by omitting the calculation based on (Equation 2).
[0037]
FIG. 5 shows processing performed by the operation plan evaluation unit 105. The operation plan evaluation unit 105 evaluates the appropriateness of the control amount (AV value, VI value, CO value), energy consumption, etc. realized for each of the plurality of operation plans generated by the operation plan generation unit 101, Generate criteria for selecting an operation plan.
[0038]
In the present embodiment, a case is shown in which an operation plan is evaluated using predictive fuzzy reasoning to determine an operation method. The foreseeing fuzzy is composed of a combination of the rule and the membership function shown in FIG. 6, and the rule has a form unique to foreseeing fuzzy, such as “IF operation plan A satisfies VI value and THEN operation plan A is adopted”.
[0039]
First, in S5-1, the predicted values of each control amount and energy consumption are taken in according to the flow of FIG. Next, in S5-2, the fitness of the predicted value is calculated using the membership function. It shows that the desired control result is realized as the degree of conformity is larger.
[0040]
FIG. 6 shows an example of calculating the fitness for the predicted value of VI using the membership function. Assuming that the predicted VI value is 37% and the shape of the membership function (satisfaction function) is FIG. 6, the fitness is 0.4 by the operation shown in the figure. By the same operation, it is possible to obtain the degree of adaptation such as VI value, AV value, energy consumption, and the like.
[0041]
Finally, in S5-3, the overall satisfaction degree Wj of each operation plan j is calculated. The total satisfaction level Wj is calculated by, for example, (Equation 6). .beta.1, .beta.2, .beta.3, .beta.4,... are weights by which the fitness of each evaluation factor is multiplied, and correspond to the importance of each evaluation factor. For example, when importance is attached to the AV value and the energy consumption, β1, β2, β6, and β7 may be relatively increased. Alternatively, only a factor having high importance may be selectively used as a target for evaluating the overall satisfaction.
[0042]
[Formula 6]

In this way, the total satisfaction level corresponding to the driving plan can be calculated. In the same manner, the overall satisfaction level of other driving plans is calculated.
[0043]
FIG. 7 shows processing executed by the driving method determination unit 106. In S7-1, the most desirable operation plan is selected from the result of calculating the overall satisfaction degree for each operation plan. In S7-2, the operation amount according to the selected operation method is output to each device (jet fan 154, exhaust fan 155). In the present embodiment, the most desirable operation plan is selected in S7-1. However, apportioning processing may be performed on some desirable operation plans to generate a new operation plan and output it as an operation method.
[0044]
In the present embodiment, the operation plan generation unit 101 incorporates the current operation method using the output of the operation method determination unit 106, but directly captures the output of the jet fan 154 and the exhaust fan 155 of the control target 150 to obtain the current operation method. It may be recognized as a method. Further, although the case of the longitudinal flow type as the tunnel ventilation method has been described as an example, the same method can be applied to other methods such as a cross flow type and a semi-cross flow type.
As a special example, even when the number of data included in the trend is 1, the present invention can be applied as it is by omitting the linear calculation of (Equation 4).
[0045]
In FIG. 8, as a second embodiment of the present invention, the prediction error calculation unit 104 evaluates the autocorrelation calculation unit 801 that calculates the autocorrelation of the model error time series and multiplies the output of the prediction error estimation unit 407. An example including an autocorrelation evaluation / gain determination unit 802 that determines a gain value is shown.
[0046]
In the prediction error calculation unit 104 in the present embodiment, by estimating the error value of the state quantity prediction result such as wind direction / wind force, smoke concentration, CO value, and subtracting this value from the prediction value, The accuracy of the output of the prediction calculation unit is improved without correcting the parameters of the prediction model.
[0047]
This will be described in detail below.
[0048]
The autocorrelation calculation unit 801 calculates the autocorrelation coefficient of the error sequence of (Equation 3). The autocorrelation coefficient Co may be calculated by, for example, (Expression 7) using a time series of xi and yi where Δi is xi and Δi + 1 is yi.
[0049]
[Expression 7]

Here, Co represents the magnitude of the relationship between adjacent Δs, and large Co means that the correlation between adjacent errors is large. When Co is large, it can be expected that the estimation of the prediction error using the latest error is highly accurate. On the other hand, when Co is small, the regularity of the error is poor, and it is difficult to estimate the prediction error.
[0050]
The autocorrelation evaluation / gain determination unit 802 determines the value of the gain 408 using the obtained Co.
[0051]
FIG. 9 shows processing performed by the autocorrelation evaluation / gain determination unit 802.
[0052]
The autocorrelation Co calculated in S9-1 is taken in. In general, a large Co means that the correlation of the error time series is large, which corresponds to the fact that the next prediction error can be estimated with high accuracy. Therefore, a large gain close to 1 can be set. On the other hand, since the correlation of the error time series is poor when Co is small, it is necessary to reduce the gain or not use the output of the prediction error calculation unit for control (set the gain to 0).
[0053]
In S9-2, the gain is determined from such a viewpoint. As an example, the autocorrelation value Co may be associated with the gain value as it is, but the gain may be set to 0 when Co is a predetermined value or less.
[0054]
Although the auto-correlation of the error trend is used in this embodiment, the same effect can be obtained even if the cross-correlation of the estimated trend and the actual trend is used instead of the auto-correlation. In this case, if each value of the estimated trend is xi and each value of the actual trend is yi, it can be realized by almost the same calculation.
[0055]
FIG. 10 shows an example in which the gain 408 is changed by determining the amount of traffic of the vehicle and the amount of change in the large vehicle ratio from the output of the traffic counter 162 as another embodiment of the present invention. The traffic amount change amount determination unit 1001 accumulates the output of the traffic counter 162 in time series, and determines whether the traffic amount of the vehicle and the large vehicle ratio have changed. When both changes are small, the gain 408 is set to a large value, and when the change is large, the gain 408 is set to a small value or invalidated. Although the compensation accuracy of the model error may decrease at the timing when the number of vehicles passing is drastically changed, the effect of the decrease in compensation accuracy can be minimized as a result of such processing.
[0056]
As described above, according to the present invention, an operation plan can be evaluated and a driving method can be determined using a highly accurate state quantity prediction result, so that an appropriate operation plan can be selected.
[0057]
In addition, variation in the actual value of the state quantity and noise reduce the autocorrelation of the model error time series, but by limiting the output of the prediction error calculation unit according to the size of the autocorrelation, the influence of variation and noise is minimized. it can.
[0058]
In the present invention, since the model parameters are not changed by learning or the like, there is no problem that the fluctuation of the actual values and noise, which are problems in learning control, adversely affect the model parameters. Further, since the estimated error value can be compensated promptly by the next control, the response of compensation can be improved.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, by providing a prediction error calculation unit that corrects the output of the prediction model by paying attention only to the most recent model error, an operation plan can be selected using a highly accurate prediction result in which the error is corrected. It can be carried out. Therefore, the operation plan can be appropriately selected, and the control accuracy can be improved. Unlike model parameter learning, model error compensation results are not stored in the model. Therefore, variations in detected values do not adversely affect the subsequent prediction results, and stable control can be continued.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a typical configuration diagram of the present invention.
FIG. 2 is a process of an operation plan generation unit.
FIG. 3 is a process of a prediction calculation unit.
FIG. 4 is a configuration example of a prediction error calculation unit realized by the present invention.
FIG. 5 is a process of an operation plan evaluation unit.
FIG. 6 is an example of a method for evaluating the fitness using a membership function.
FIG. 7 is a process of an operation method determination unit.
FIG. 8 is a second configuration example of a prediction error compensation unit;
FIG. 9 is a process of an autocorrelation evaluation / gain determination unit.
FIG. 10 is a configuration example of a prediction error calculation unit.
[Explanation of symbols]
100 ... Control device,
101 ... Driving plan generation unit,
102 ... Prediction calculation unit,
103 ... prediction model,
104 ... Prediction error calculation unit,
105: Driving plan evaluation section,
106: Driving method determination unit,
150 ... control target,
151 ... Tunnel,
152 ... wellhead,
153 ... vertical shaft,
154 ... Jet fan,
155 ... Ventilator,
156, 157 ... AV meter,
158, 159 ... VI meter,
160, 161 ... CO meter,
162: Traffic counter,
401: Observer,
402 ... Estimated trend generator,
403 ... Estimated trend,
404 ... a result trend generation unit,
405 ... Trend of performance,
406 ... Error trend series calculation unit,
407 ... Prediction error estimation unit,
408 ... gain,
801 ... Autocorrelation calculation unit,
802 ... Autocorrelation evaluation / gain determination unit,
1001 .. A traffic amount change determination unit.

Claims

A tunnel ventilation control apparatus comprising a prediction calculation unit that predicts state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration in a tunnel, and an operation determination unit that determines operation amounts of a jet fan, an exhaust fan and the like using the prediction results A prediction error calculation unit that calculates a magnitude of an error included in the prediction result from the actual value of the state quantity such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration detected from the tunnel and the operation result of the jet fan, the exhaust fan, or the like. The prediction error calculation unit corresponds to the estimated trend obtained by time-series estimation values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration obtained by the same calculation as the prediction error calculation unit, and the estimated value. An autocorrelation calculation unit that calculates an autocorrelation of an error trend that is a difference from an actual trend in which the actual values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration are time-series, and the magnitude of the calculated autocorrelation Thus the prediction error calculation unit for limiting the output, tunnel ventilation control apparatus characterized by using the control by compensating the output of the prediction computation unit using the prediction error obtained by the restriction.

A tunnel ventilation control apparatus comprising a prediction calculation unit that predicts state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration in a tunnel, and an operation determination unit that determines operation amounts of a jet fan, an exhaust fan and the like using the prediction results A prediction error calculation unit that calculates a magnitude of an error included in the prediction result from the actual value of the state quantity such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration detected from the tunnel and the operation result of the jet fan, the exhaust fan, or the like. The prediction error calculation unit corresponds to the estimated trend obtained by time-series estimation values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration obtained by the same calculation as the prediction error calculation unit, and the estimated value. An autocorrelation calculation unit that calculates the autocorrelation of the error trend, which is the difference from the actual trend with the actual value of the state quantity such as smoke concentration and carbon monoxide concentration as a time series, is provided. If less than the order-determined value invalidates the output of the prediction error calculation section, tunnel ventilation is characterized by using the control by compensating the output of the prediction computation unit using the prediction error and the invalid Control device.

A tunnel ventilation control apparatus comprising a prediction calculation unit that predicts state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration in a tunnel, and an operation determination unit that determines operation amounts of a jet fan, an exhaust fan and the like using the prediction results A prediction error calculation unit that calculates a magnitude of an error included in the prediction result from the actual value of the state quantity such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration detected from the tunnel and the operation result of the jet fan, the exhaust fan, or the like. The prediction error calculation unit includes a traffic amount change determination unit that determines a vehicle traffic amount and a change amount of a large vehicle ratio. When the vehicle traffic amount and the change amount of a large vehicle ratio are large, the prediction error is calculated. A tunnel ventilation control device characterized in that the output of the calculation unit is limited or invalidated, and the output of the prediction calculation unit is compensated and used for control using a prediction error that is limited or invalid .

Predicts the amount of smoke, carbon monoxide, and other state quantities in the tunnel, as well as the actual values of the state quantities, such as smoke and carbon monoxide concentrations, detected from the tunnel and the operational results of jet fans, exhaust fans, etc. Calculate the magnitude of the error included in the results, and estimate trends using time series of estimated values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration obtained by similar calculations, and smoke concentrations corresponding to the estimated values Error correlation auto-correlation, which is the difference from the actual trend with the actual value of the state quantity such as carbon monoxide concentration as a time series, and the error included in the prediction result according to the calculated auto-correlation And the predicted value predicting the state quantity such as the smoke concentration and carbon monoxide concentration in the tunnel is compensated using the limited prediction error, and the jet flow is compensated according to the compensated result. Tunnel ventilation control method characterized by determining the emission and operating variable of the exhauster and the like.

Predicts the amount of smoke, carbon monoxide, and other state quantities in the tunnel, as well as the actual values of the state quantities, such as smoke and carbon monoxide concentrations, detected from the tunnel and the operational results of jet fans, exhaust fans, etc. Calculate the size of the error included in the result and Estimated trend using time series of estimated values of state quantities such as smoke concentration and carbon monoxide concentration, and actual trend using actual values of state quantities such as smoke and carbon monoxide concentrations corresponding to the estimated values in time series If the calculated auto-correlation is smaller than a predetermined value, the error magnitude included in the prediction result is invalidated, and the invalid prediction error is calculated. Compensate the predicted value that predicted the state quantity such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration in the tunnel using and determine the operation amount of the jet fan and the exhaust fan according to the compensated result Tunnel ventilation control method.

Predicts the amount of smoke, carbon monoxide, and other state quantities in the tunnel, as well as the actual values of the state quantities, such as smoke and carbon monoxide concentrations, detected from the tunnel and the operational results of jet fans, exhaust fans, etc. The size of the error included in the result is calculated, the amount of change in the vehicle traffic and the large vehicle ratio is determined, and if the amount of change in the vehicle traffic and the large vehicle ratio is large, it is included in the prediction result The magnitude of the error is limited or invalidated, and the predicted value predicting the state quantity such as the smoke concentration and the carbon monoxide concentration in the tunnel is compensated by using the prediction error which is limited or invalid, and the compensation is made. A tunnel ventilation control method, wherein operating amounts of the jet fan, the exhaust fan and the like are determined according to a result.