Zautomatyzowany tunel - bezpieczeństwo, nadzór, łączność i sterowanie systemami

Tunel drogowy powinien być zaprojektowany tak, by nie stwarzał zagrożenia dla użytkowników, a w razie wypadku możliwe było przeprowadzenie w nim sprawnej akcji ratunkowej oraz ewakuacji ofiar. Aby to zapewnić, w budowli tej instaluje się systemy: oświetlenia, wentylacji, detekcji pożaru, gaśnicze, kierowania ruchem pojazdów, łączności z centrum zarządzania oraz monitoringu. Są one nadzorowane przez system SCADA. Konieczne jest również ich zasilanie, w trybie normalnym i awaryjnym.

Minimalne wymagania bezpieczeństwa, które powinno spełniać wyposażenie tuneli europejskich o długości powyżej 500 m, opisano w Dyrektywie 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady Europejskiej z dnia 29 kwietnia 2004 roku. Najważniejsze z nich przedstawiono w załączniku nr 1 tej tzw. dyrektywy tunelowej. Część z tych wytycznych przeniesiono do polskiego prawa.

ZASILANIE SYSTEMÓW W TUNELACH DROGOWYCH

Tunel drogowy powinien być wyposażony w awaryjne źródło zasilania, dzięki któremu urządzenia bezpieczeństwa niezbędne do ewakuacji będą działać do chwili całkowitego opuszczenia go przez wszystkich użytkowników. Elektryczne obwody pomiarowe oraz kontrolne trzeba zaprojektować z kolei tak, by uszkodzenie miejscowe, na przykład spowodowane pożarem, nie wpłynęło na obwody nienaruszone.

Realizuje się to, zasilając tunel co najmniej z dwóch jego końców z dwóch niezależnych punktów, a nawet, gdy to konieczne i możliwe, z większej ich liczby. W razie awarii jednego z nich obiekt jest zasilany z pozostałych. Na wypadek jednoczesnej awarii wszystkich przyłączy tunel wyposaża się też w agregaty prądotwórcze. Ich zbiorniki napełnia się paliwem w ilości, która zapewni zasilanie gwarantowane przez określoną liczbę godzin. Ponadto część urządzeń i systemów wymagających również zasilania bezprzerwowego podłącza się do zasilaczy UPS z zasobnikami energii w postaci baterii akumulatorów.

JAKIE KABLE W TUNELACH?

Instalacja elektryczna w tunelu drogowym powinna być tak zaprojektowana, aby możliwe było jej sekcjonowanie. Trzeba pamiętać, że w czasie pożaru palą się osłony przewodów i kabli, co sprzyja rozszerzaniu się ognia. Dlatego te zasilające (i sygnałowe) w tunelach muszą być wykonane z materiałów ognioodpornych (fire resistant), czyli działających przez określony czas w warunkach pożaru i nierozprzestrzeniających ognia (flame retardant).

Ten ostatni efekt uzyskuje się, mieszając tworzywo z dodatkami o specjalnych właściwościach. W zależności od ich składu aktywują się one w rozmaity sposób na różnych etapach procesu spalania. Przykładowo mogą tworzyć na powierzchni osłony zwęgloną warstwę, która izoluje powłokę od źródła ognia i/albo wydzielać w wysokiej temperaturze wodę. Takie właściwości ma na przykład wodorotlenek glinu.

Zapewnianie odpowiedniej komunikacji

Podstawą dla zapewnienia bezpieczeństwa i przepustowości tuneli drogowych jest komunikacja pomiędzy ich operatorami a użytkownikami. Powinna być ona przede wszystkim niezawodna, zrozumiała i dwukierunkowa.

Komunikaty przekazywane są na różne sposoby

Obsługa i kierowcy przepustu wymieniają informacje pomiędzy sobą na kilka sposobów. Ci pierwsi komunikują się z użytkownikami przepustu werbalnie i wizualnie. To pierwsze realizują, korzystając z głośników rozmieszczonych w tunelu lub transmisji radiowej. W drugiej metodzie korzysta się ze znaków drogowych o zmiennej treści.

Modyfikując informację przekazywaną za ich pośrednictwem, obsługa dostosowuje zalecenia na przykład co do dozwolonej prędkości jazdy do natężenia ruchu. Może także go całkiem przeorganizować lub wstrzymać, jeżeli sytuacja tego wymaga, przykładowo w razie pożaru lub wypadku.

Ostrzeżenia przy wjeździe

Ponadto przy wjeździe do tunelu montuje się systemy detekcji pojazdów jadących zbyt szybko. Takich kierowców wzywa się do zmniejszenia prędkości jazdy zwykle sygnałem dźwiękowym. Niezbędne są również systemy wykrywające zbyt wysokie auta. Te z kolei trzeba przekierować na trasę alternatywą, wyświetlając odpowiednią informację na znaku zmiennej treści.

Kierowcy mają natomiast do dyspozycji telefony alarmowe. Są one rozmieszczone wewnątrz tunelu w odstępach adekwatnych do jego rozmiarów.

DOBRA WIDOCZNOŚĆ WARUNKIEM PŁYNNEGO RUCHU

Przejeżdżając przez tunel, kierowcy powinni móc poruszać się z taką prędkością, jak na drodze do niego doprowadzającej, przy zachowaniu podobnego poziomu bezpieczeństwa oraz komfortu jazdy. Aby te warunki zostały spełnione, trzeba im zapewnić dobrą widoczność drogi przed nimi, pojazdów i innych przeszkód. W przeciwnym wypadku, czując się niepewnie, przed wjazdem do tunelu będą oni mimowolnie zwalniać. Łatwo wówczas tworzą się korki i dochodzi do wypadków. Dlatego w takich obiektach instalowane jest sztuczne oświetlenie, które działa przez całą dobę. Jak należy je poprawnie montować oraz regulować, wyjaśniono w dokumencie CIE 88-1990 pt. Guide for the lighting of road tunnels and underpasses.

Zawarto w nim m.in. podział tunelu na strefy. Pierwsza obejmuje część drogi dojazdowej do jego wlotu (access zone), którą pokonując, kierowca powinien już wyraźnie widzieć jego wnętrze. Kolejna jest część progowa (threshold zone), która rozpoczyna się na wejściu tunelu, a kończy co najmniej na długości odcinka hamowania. Następne są: strefa przejściowa (transition zone), strefa wewnętrzna (interior zone), zazwyczaj najdłuższa i część wyjściowa (exit zone). Wyróżnia się też fragment drogi wylotowej (parting zone) o długości co najmniej dwukrotności odcinka hamowania, nie większej jednak niż 200 m.

Konstrukcja tunelu, w tym materiały, z jakich wykonywane są jego elementy (sklepienie, ściany, droga, drzwi ewakuacyjne itp.), muszą być odporne na trudne warunki na co dzień, na przykład drobiny kurzu, które unoszą się w powietrzu, i na te skrajne, na przykład ogień. Dotyczy to również urządzeń będących elementami systemów oświetlenia, wentylacji i innych, zainstalowanych w tunelu.

Z kolei wentylatory muszą wytrzymać wysokie temperatury. Zależnie od stopu łopatki wentylatorów z aluminium mogą się uszkodzić - stąd też stosuje się zazwyczaj te wykonywane ze stali. Ponadto pod wpływem temperatury łopatki wydłużają się szybciej, niż rozszerza się obudowa wentylatora. W rezultacie mogą się one w niej zablokować. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie łopatek ze ścieralnymi końcówkami. Konieczne jest również chłodzenie silnika wentylatora zimnym powietrzem z zewnątrz. Sprzęt pomocniczy, na przykład kable wentylatora, również powinien być przystosowany do pracy w wysokich temperaturach.

STOPNIOWANIE LUMINANCJI W TUNELU

Według tego podziału regulowane jest natężenia światła w głębi tunelu (rys. 1). Stopniowanie jest konieczne z powodu właściwości oka ludzkiego, głównie w dzień. Zanim bowiem przyzwyczai się ono do zmiany oświetlenia z jaśniejszego na ciemniejsze, minąć musi pewien czas, tym dłuższy, im większa jest różnica pomiędzy natężeniem światła wewnątrz i na zewnątrz. Oprócz tego ostatniego uwzględnia się także natężenie i szybkość ruchu aut, długość przepustu i jego konstrukcję.

Rys. 1. Krzywa zmienności luminancji w zależności od odległości od wlotu tunelu

Aby zatem uzyskać wymagany rozkład luminancji, sterownik przetwarza dane docierające do niego z umieszczonego na zewnątrz tunelu czujnika światła i z kamer zliczających jadące pojazdy. Na tej podstawie włącza, wyłącza, rozjaśnia albo przygasza wybrane lampy. Oprócz dobrej widoczności regulacja natężenia światła zapewnia też oszczędność energii - w tunelach o małym natężeniu ruchu, poza aglomeracjami miejskimi, można je całkiem przygasić, gdy dłuższy czas nikt nie korzysta z przepustu. W nocy wystarczy natomiast, jeśli w środku tunelu nie jest ciemniej niż na zewnątrz.

Środki bezpieczeństwa w tunelach drogowych

Poza wentylacją w tunelach drogowych stosuje się też inne środki, które mają za zadanie zwiększyć bezpieczeństwo ich użytkowników. Są to na przykład wyjścia ewakuacyjne, których liczba powinna być adekwatna do rozmiarów tunelu, a dostęp do nich - maksymalnie ułatwiony. Trzeba też wyraźnie wskazać, którędy można do nich dotrzeć - tę funkcję spełniają m.in. znaki świetlne.

Jeżeli już natomiast dojdzie do pożaru albo innego niepożądanego zdarzenia, należy uniemożliwić wjazd kolejnych samochodów do tunelu. Osiąga się to, sygnalizując zagrożenie przez wyświetlenie odpowiedniej informacji na znakach drogowych o zmiennej treści, które znajdują się na zewnątrz przepustu. Przekierowując ruch, ułatwia się też dostęp służbom ratunkowym.

Sam tunel również powinien być wyposażony w podstawowe środki umożliwiające rozpoczęcie akcji ratunkowej. Takimi są m.in. rozmieszczone odpowiednio gęsto wzdłuż przepustu urządzenia gaśnicze i ujęcia wody.

PODWÓJNA ROLA WENTYLACJI

Wentylacja w tunelu pełni dwie funkcje. W normalnych warunkach jej zadaniem jest dostarczenie czystego powietrza, które zmniejszy stężenie szkodliwych substancji w przepuście. Dzięki coraz ostrzejszym normom emisji spalin, do których muszą się dostosowywać producenci samochodów, wydajność wentylacji w zwykłych okolicznościach może być coraz mniejsza. Nadal jednak zależy od długości tunelu, typu przepustu (jedno- lub dwukierunkowy) i natężenia ruchu.

W czasie pożaru zadaniem wentylacji jest natomiast wpływanie na rozprzestrzenianie się dymu w taki sposób, aby użytkownicy tunelu jak najdłużej mogli przebywać w części od niego wolnej. W tych dwukierunkowych albo jednokierunkowych i o dużym natężeniu ruchu chodzi o utrzymanie nienaruszonej warstwy dymu nad warstwą czystego powietrza.

Celem w przypadku przepustów jednokierunkowych o małym natężeniu ruchu jest przesunięcie chmury dymu do wyjścia w tę stronę, po której nie ma ludzi lub wiadomo, że zdążą oni opuścić tunel. System wentylacji powinien również zapobiegać tworzeniu się mieszanki wybuchowej, dostarczając taką ilość powietrza, która podtrzyma spalanie albo rozrzedzi wybuchowy gaz.

Case study: Sterowanie systemami tunelu drogowego

W jednym z krajów w Europie zbudowano dwukierunkowy tunel przecinający pasmo górskie o długości około 5 km. Wyposażono go m.in. w systemy sterowania ruchem, oświetleniem, wentylacją, detekcji pożaru, sprzętem gaśniczym i monitoringu. Wszystkie te instalacje są zarządzane zdalnie, przez system SCADA komunikujący się z ponad setką sterowników PLC.

Sterowanie wentylacja i oświetleniem

Na przykład za pośrednictwem PLC, w zależności od panujących warunków (widoczności, stężenia CO, natężenia ruchu w tunelu), steruje się kierunkiem obrotów wentylatorów oraz ich prędkością. Specjalne oprogramowanie, na podstawie natężenia światła na zewnątrz przepustu, zmian natężenia ruchu i pory dnia, wyznacza z kolei luminancję poszczególnych stref tunelu, regulowaną następnie przez sterowniki lamp.

Redundancja centrów sterowania

Wybudowano dwie jednostki główne: centrum podstawowe i zapasowe, na obu końcach przepustu. Pierwsza z nich nadzoruje pracę wymienionych systemów co dzień, przez całą dobę, druga z kolei, w normalnych warunkach działa wyłącznie przez osiem godzin dziennie. Podczas awarii centrum podstawowego albo innej, nadzwyczajnej sytuacji, na przykład karambolu, zapasowa jednostka może pracować cały dzień.

Komunikacja w tunelu musi być dwukierunkowa

Duży nacisk położono na zapewnienie łączności między kierowcami chcącymi wezwać pomoc a centrum sterowania tunelem i w kierunku odwrotnym. Jedną z ważniejszych kwestii było zapewnienie transmisji głosu dobrej jakości, której nie zakłócałyby głośne dźwięki z wnętrza przepustu. Uzyskano to przez odpowiednie wzmocnienie informacji dźwiękowej podawanej przez interkom przez operatorów tunelu i tej zgłaszanej przez użytkowników przepustu za pośrednictwem telefonów alarmowych.