Systemy detekcji zdarzeń

OGRANICZENIA METOD NATURALNYCH

Najdłuższy na świecie
Gotthard-Basistunnel to tunel kolejowy w Alpach Szwajcarskich będący najdłuższym do tej pory zbudowanym tunelem na świecie - ma on 57 km długości, jego oddanie do użytku planowane jest pod koniec 2017 roku. Najdłuższy drogowy tunel znajduje się w Norwegii - jest nim Lardalstunnelen o długości 24,5 km.

Metody wentylacji tuneli dzieli się na naturalne i mechaniczne. Te pierwsze wykorzystują m.in. efekt tłoka, który polega na tym, że pojazd w trakcie jazdy przesuwa kumulujące się przed nim masy powietrza. Zjawisko to w wypadku samochodów, które są znacznie niższe niż średnica przepustu, jest słabsze niż w tunelach kolejowych. Przepusty wentyluje też wiatr i przepływ powietrza wywołany różnicą ciśnień pomiędzy wejściem a wyjściem oraz konwekcją (efekt kominowy). Ten ostatni występuje, gdy wlot i wylot są na innych wysokościach.

Wentylacja metodami naturalnymi sprawdza się w rozrzedzaniu zanieczyszczeń, zwłaszcza w tunelach jednokierunkowych. Nie zaleca się jednak, aby było to jedyne zabezpieczenie w razie pożaru. W takiej sytuacji ruch pojazdów ustaje, co powoduje osłabnięcie efektu tłoka. Pozostałe zjawiska nie są natomiast wystarczająco przewidywalne.

WENTYLACJA WZDŁUŻNA I POPRZECZNA

W systemach mechanicznych korzysta się z wentylatorów, które dzieli się, w zależności od kierunku przepływu powietrza, na wzdłużne (longitudinal) i poprzeczne (transverse). W pierwszych medium płynie wzdłuż tunelu. Wentylacja wzdłużna jest tania i łatwa w instalacji - wentylatory montuje się na wlocie i/lub wylocie, w szybach albo w sklepieniu przepustu. Nie są również wymagane kanały wentylacyjne. Sprawdza się ona w oddymianiu jednak gorzej niż poprzeczna. Dlatego spotyka się ją głównie w tunelach jednokierunkowych, o małym natężeniu ruchu.

W wentylacji poprzecznej powietrze dopływa i odpływa specjalnymi przewodami nawiewowymi (od dołu) i wyciągami (od góry). W zależności od tego, jaka ilość powietrza jest tymi kanałami przesyłana w każdym kierunku, instalacje te dzieli się na w pełni poprzeczne (100% - czyste, 100% - zanieczyszczone), mieszane, gdy świeże powietrze wpływa do tunelu przez nawiewy, a brudne płynie swobodnie do wyjścia oraz mieszane odwrotne. W tych czyste powietrze wpływa wejściem, a odpływa wyciągami.

Optymalizacja kosztów utrzymania infrastruktury

Alpejski tunel kolejowy Lötschberg ma długość 34 km i oddany został do użytku w 2007 roku. Po 24 miesiącach użytkowania koszty utrzymania infrastruktury obiektu okazały się być o wiele wyższe niż przewidywano, przez co podjęto decyzję o jego modernizacji. Wdrożono m.in. kompleksowy system sterowania systemami wentylacji i klimatyzacji, przeciwpożarowymi oraz monitorowania pracy urządzeń. Opis wdrożenia przedstawiamy w artykule "Systemy sterowania w śródalpejskim tunelu".

STEROWANIE WENTYLACJĄ W CZASIE POŻARU

Najdłuższy w Polsce
Tunel Wisłostrady ma długość 930 metrów (dłuższa jezdnia) i wyposażony jest w systemy szybkiego oddymiania i wentylacji oraz urządzenia zapewniające łączność. Latem 2012 roku tunel został zamknięty na blisko rok z powodu wypłukania pod nim ziemi podczas budowy pobliskiej stacji metra.

W normalnych warunkach celem systemu sterowania wentylacją jest utrzymanie jakości powietrza w tunelu na określonym poziomie. Reguluje on zatem przepływ medium w zależności od wartości wskaźników ją charakteryzujących. Jest to proces ciągły. W razie pożaru, który następuje np. w wyniku awarii pojazdu albo wypadku, reakcja systemu sterowania musi być natomiast szybka oraz odpowiednia do zaistniałych warunków.

Do jego zadań należy zatem w pierwszej kolejności przetworzenie danych z systemu detekcji ognia i dymu, zlokalizowanie pożaru oraz wyznaczenie kierunku ewakuacji. Następnie podejmowana jest decyzja o uruchomieniu wentylacji i wybierany jest jej schemat. Ten ostatni musi być dostosowany do aktualnej sytuacji na drodze. Na przykład w tunelach jednokierunkowych, mieszczących się na słabo zurbanizowanych terenach, można założyć, że samochody znajdujące się za ogniskiem pożaru bez przeszkód - na przykład w postaci korków na drodze wyjazdowej - wyjadą z przepustu.

Case study: Pożar w tunelu Mont Blanc

W marcu 1999 roku w przecinającym Alpy tunelu Mont Blanc, który łączy francuskie Chamonix z włoskim Courmayeur, wybuchł pożar. Rozpoczął się on od zapalenia się ciężarówki z chłodnią, w której przewożono margarynę i mąkę. Ogień natychmiast rozprzestrzenił się na pojazdy jadące za tym samochodem.

Przebieg i skutki pożaru

Pożar trwał dwa dni, a temperatura w przepuście sięgała w tym czasie 1000°C. Zginęło 39 osób, głównie kierowcy uwięzieni w tunelu. Większość z nich umarła w środku albo w pobliżu swoich aut. Ci, którzy zdołali je opuścić, nie byli w stanie przejść dystansu dłuższego, niż 500 m z powodu dużego zadymienia oraz toksyczności dymu. W wyniku pożaru poważnemu zniszczeniu uległa też konstrukcja tunelu. Spalił się m.in. ponadkilometrowy odcinek nawierzchni asfaltowej i odpadła spora część betonowego sklepienia tunelu.

Przyczyny

Na tak tragiczne skutki tego zdarzenia złożyło się wiele przyczyn. W początkowej fazie rozwojowi pożaru sprzyjały duże zapasy paliwa w ciężarówce, ładunek oraz łatwopalne materiały, z których wykonane były elementy chłodni. Ogień wybuchł też prawie dokładnie w środku tunelu (około 6 km), co w połączeniu ze słabym przepływem powietrza (około 1 m/s) odcięło drogę ewakuacji pojazdom, które znajdowały się za chłodnią. Ponadto system wentylacji był przestarzały - składał się głównie z kanałów nawiewnych.

W grudniu 2013 roku został oddany do użytku nowy system bezpieczeństwa w tunelu, który w zakresie wizualizacji bazuje na ekranach wielkoformatowych firmy Barco

Co zrobiono, aby zapobiec pożarom w przyszłości?

Odbudowując tunel, zmodernizowano jego zabezpieczenia na wypadek pożaru. M.in. wybudowano schronienia zabezpieczone ognioodpornymi drzwiami w odległościach odpowiednich do rozmiaru tunelu połączone z korytarzem bezpieczeństwa poprowadzonym równolegle do przepustu. Ponadto system wentylacji rozbudowano o wyciągi. Na obu końcach tunelu zainstalowano również czujniki, wykrywające pojazdy o nadmiernie podwyższonej temperaturze, mogące stać się ogniskiem pożaru. Oprócz tego dobudowano trzecie centrum zarządzania tunelem, w skład załogi którego na stałe włączono strażaków dyżurujących przez całą dobę. Zwiększono też liczbę znaków informacyjnych w tunelu. W zeszłym roku oddany również został do użytku nowy system bezpieczeństwa (na zdjęciach).

JAK WYKRYĆ POŻAR?

Tunel w Katowicach
Tunel pod rondem gen. Jerzego Ziętka w Katowicach to drugi najdłuższy w kraju tunel zlokalizowany na terenie miejskim. Ma on 657 metrów długości i 6 pasów ruchu. Tunel oświetla ponad 500 lamp, wyposażony jest w 28 wentylatorów, sumarycznie 47 kamer monitorujących ruch i... 8 fotoradarów. Tunelem przejeżdża miesięcznie 2 mln samochodów.

Świeże powietrze, które przesunie chmurę dymu, można zatem wprowadzić, uruchamiając wyłącznie wentylację wzdłużną. Jeżeli natomiast auta znajdują się po obu stronach pożaru lepiej poczekać, aż dym zgromadzi się pod sklepieniem tunelu, co pozwoli kierowcom bezpiecznie go opuścić. Potem jest on usuwany z przepustu przez wyciągi w suficie.

Alarm pożarowy może zostać uruchomiony ręcznie przez operatora na podstawie obserwacji obrazu z kamer monitoringu albo informacji przekazanej z wnętrza tunelu, na przykład za pośrednictwem telefonu alarmowego. Włącza się on również automatycznie, gdy stan zagrożenia wskazują czujniki zainstalowane w przepuście.

Korzysta się z sensorów różnego typu. Wykrywają one pożar, reagując na: towarzyszący mu wzrost temperatury, zadymienie, promieniowanie i substancje chemiczne wydzielane w procesie spalania.

Wojciech Znojek

Sabur

Jakie są najważniejsze cechy urządzeń automatyki stosowanych w aplikacjach infrastrukturalnych? Na co integratorzy systemów i klienci końcowi powinni zwracać największą uwagę?

Jest oczywiste, że w takich obiektach infrastrukturalnych jak tunele najważniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom i instalacjom. Dlatego powinny być tam instalowane urządzenia o bardzo wysokie j niezawodności i długim, minimum piętnastoletnim cyklu życia. Najważniejszą rolę w tunelach pełnią systemy sterowania i zarządzania instalacjami technicznymi, a więc wysokiej klasy przemysłowe sterowniki programowalne oraz systemy nadrzędne SCADA. To one, w połączeniu z wydajnymi sieciami komunikacyjnymi, decydują o sprawnym funkcjonowaniu całości. Nie należy jednak zapominać o jakości czujników i elementów wykonawczych, które dostarczają informacji bądź realizują polecenia systemów sterowania.

Bezpieczeństwo ma swoją cenę i absolutnie nie można godzić się na kompromisy, które mogą skutkować obniżeniem funkcjonalności, niezawodności czy też utrudniać właściwą, codzienną eksploatację tunelu. I to na żadnym z etapów cyklu życia obiektu - od projektowania aż po wieloletnią eksploatację! Ważne jest więc również doświadczenie projektantów instalacji technicznych tunelu, którzy muszą stworzyć spójny, klarowny system zarządzania nimi. Przygotowując program funkcjonalno-użytkowy (PFU) powinni zawrzeć w nim nie tylko stany pracy normalnej, ale także całą gamę sytuacji awaryjnych oraz sposoby ich wykrywania i eliminacji. Mając przy tym na uwadze również zapewnienie obsłudze tunelu zdalnego serwisowania każdej instalacji, od diagnozowania stanu po programowanie. Dobór rozwiązań ma decydujące znaczenie, także dla długotrwałej bezawaryjnej pracy wszystkich instalacji tunelowych. Nie oznacza to jednak konieczności nadmiernego skomplikowania systemów, a zatem dodatkowych kosztów inwestycyjnych.

Wybór doświadczonego w realizacji takich obiektów i solidnego zarazem wykonawcy branżowego zapewni realizację inwestycji na oczekiwanym poziomie niezawodności. Ważne przy tym by kryterium najniższej ceny nie było stosowane. Może wreszcie ktoś się na to zdecyduje.

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI DETEKTORÓW

Przykładem czujników reagujących na wzrost temperatury są sensory światłowodowe. Spotyka się różne ich konstrukcje, m.in. takie, w których włókna umieszcza się w tubie wypełnionej substancją, która pod wpływem ciepła rozszerza się, co powoduje deformację światłowodu i zakłóca transmisję impulsów świetlnych. Inny przykład to światłowody z włóknami ze szkła kwarcowego. W wyniku wzrostu temperatury zmieniają się jego właściwości, a w efekcie sposób propagacji światła - jego część ulega rozproszeniu. Pomiar temperatury wzdłuż światłowodu pozwala z dużą dokładnością zlokalizować ognisko pożaru.

W tunelach instaluje się też "zwykłe" czujniki temperatury. Detektory płomieni z kolei rozpoznają ogień, analizując widmo promieniowania emitowanego przez jego potencjalne źródło. Na przykład podczas pożaru benzyny natężenie światła o większej długości fali w zakresie podczerwieni jest większe niż tego o krótszej długości fali. Ponadto sensor taki wykrywa też charakterystyczne błyski płomieni. Oprócz tego w tunelach instalowane są czujniki stężenia CO i CO₂, których duże ilości gromadzą się w czasie pożaru.

SYSTEMY DETEKCJI ZDARZEŃ

Oprócz pożaru w tunelu może dojść do wielu innych nieprzewidzianych zdarzeń, które wymagają interwencji operatora, automatycznego uruchomienia jakichś, zabezpieczeń albo zmian w organizacji ruchu. Przykładem są: auta, które się nagle zatrzymały lub nadmiernie zwolniły, samochody, które poruszają się w niewłaściwym kierunku lub kierowcy, którzy opuścili swoje pojazdy i wyszli na drogę.

Wnętrze tunelu jest monitorowane, więc jego obsługa ma stały pogląd na to, co się w nim aktualnie dzieje. Aby jednak nie bazować wyłącznie na czujności ludzi, która z wielu powodów bywa czasem mniejsza, wdraża się automatyczne systemy detekcji zdarzeń nieprzewidzianych.

Ich częścią, oprócz sieci kamer, jest komputerowy system przetwarzania obrazów. Algorytmy w nim zaimplementowane rozpoznają sytuacje niepożądane przez porównanie bieżących widoków tunelu z tymi wzorcowymi. Przykładowo, jeżeli dojdzie do pożaru, dym znacząco zmienia kontrast obrazu. Często w ten sposób ogień można wykryć szybciej, zanim jeszcze temperatura wzrośnie na tyle, aby alarm uruchomił któryś z czujników tej wielkości.

Monika Jaworowska

W artykule wykorzystano materiały APTA i PIARC