Комплексная автоматизация мониторинга тоннелей

Журнал ОАО «РЖД» «Путь и Путевое хозяйство» N6, 2015г.

С.И. Кобылкин, генеральный директор ООО «СпецЭлектронМонтаж».

М.О. Лебедев, заведующий лабораторией НИО ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс».

Одним из приоритетных направлений научных исследований в области системных стратегических задач ОАО «РЖД» является вопрос создания современных и надежных систем управления безопасностью железнодорожных перевозок и защиты объектов, относящихся к искусственным сооружениям.

В настоящее время Дирекция по комплексной реконструкции железных дорог и строительству объектов железнодорожного транспорта – филиал ОАО «РЖД» (ДКРС ОАО «РЖД») начинает реализацию комплексной программы по реконструкции Байкало-Амурской и Транссибирской магистралей со строительством новых и модернизацией существующих железнодорожных тоннелей.

Разработка проектной документации по всем разделам в части строительства новых тоннелей включает создание комплекса устройств автоматики, сигнализации и связи (АСС). При этом, с целью обеспечения гарантированной устойчивости функционирования тоннельных сооружений, предупреждения и ликвидация чрезвычайных ситуаций за счет непрерывного автоматизированного контроля параметров, предусматривается внедрение комплексной автоматизированной системы мониторинга железнодорожных тоннелей.

Назначением такой системы является выполнение следующих функций:

  • автоматизация централизованного диспетчерского управления комплекса эксплуатационных устройств и геотехнического мониторинга;
  • обеспечение автоматизированного выполнения алгоритмов управления эксплуатационными устройствами и системами безопасности тоннеля в режиме чрезвычайной ситуации;
  • регистрация аварийных ситуаций и документирование действий диспетчерских, аварийных и технических служб объекта при возникновении чрезвычайной ситуации;
  • формирование и передача информации о прогнозе и факте чрезвычайных ситуаций на ДП при ПЧ ИССО железных дорог, а также в диспетчерские службы более высокого уровня;
  • экономия затрат за счет снижения потребления электроэнергии и оптимизации работы персонала при эксплуатации.

Система проектируется для работы в автоматизированном режиме с участием операторов-диспетчеров, включенных в контур управления, и, пользователей системы — получателей информации без возможности управления.

Основные АРМы (с возможностью управления) для диспетчеров системы располагаются на ДП в непосредственной близости к тоннелю. Удаленные АРМы (резервные, без возможности управления) могут находиться в ДП при ПЧ ИССО, или иных заинтересованных службах, например — ДИ ИССО, СМИС МЧС.

Рис. 1. Структура системы мониторинга железнодорожных тоннелей

 

В качестве центрального компонента (ядра) автоматизированной системы мониторинга железнодорожных тоннелей выступает система АСУ ТП.

Информация о ЧС в тоннеле поступает в АСУ ТП от систем:

  • охранно-пожарной сигнализации;
  • пожарных насосов системы водяного пожаротушения (гидрантов);
  • автоматического газового пожаротушения помещений аппаратных;
  • замерных станций контроля вредности воздуха;
  • геотехнического мониторинга.

Для сбора информации с приборов управления, шкафов локальной автоматики эксплуатационных устройств и систем тоннеля предусматривается применение стандартных интерфейсов с использованием открытых протоколов обмена данными.

В штатных и аварийных (ЧС) режимах АСУ ТП контролирует и управляет:

  • установками приточно-вытяжной вентиляции, аварийной вентиляции, дымоудаления, дымовыми и огнезадерживающими клапанами;
  • системами энергоснабжения и электроосвещения;
  • замерные станции обнаружения опасных для здоровья и жизни людей газов и примесей — угарного газа (СО), диоксида азота NO2 и радиоактивного газа радона.

Замерные станции системы контроля вредностей воздуха устанавливаются непосредственно в транспортной зоне тоннеля и в аппаратных АСС на припортальных сооружениях.

АСУ ТП обеспечивает управление вентиляторами установок приточно-вытяжной вентиляции по одному из заранее предустановленных режимов.

Выбор конкретного режима определяется в зависимости от направления и скорости воздуха у порталов, содержания угарного газа, диоксида азота или радона в воздухе тоннеля.

При срабатывании системы автоматической пожарной сигнализации в тоннеле, система АСУ ТП автоматически начинает выполнение предусмотренного проектом алгоритма работы эксплуатационных устройств в соответствующем аварийном режиме (режим ЧС).

Для обеспечения непрерывного контроля ситуации в транспортной зоне тоннеля АСУ ТП предусматривает отображение информации о:

  • режимах работы оборудования установок тоннельной вентиляции;
  • содержании вредных примесей, скорости и направлении движения воздуха в транспортной зоне тоннеля;
  • состоянии устройств электроснабжения (ТП);
  • состоянии оборудования электроосвещения;
  • состоянии насосов и задвижек на пожарном трубопроводе.

Рис. 2.  Панель оператора-диспетчера АРМ на ДП

 

При возникновении ЧС в тоннеле диспетчер с целью контроля состояния и оповещения использует такие системы как:

  • интеллектуальная система видеонаблюдения;
  • громкоговорящее речевое оповещение;
  • система диспетчерской и телефонной связи.

Информация о всех технологических параметрах эксплуатационных устройств тоннелей непрерывно собирается в центре обработки данных системы (БОД), где расположены центральные контроллеры системы АСУ ТП и SCADA система.

Для обеспечения высокого уровня надежности и отказоустойчивости системы АСУ ТП проектом предусматриваются следующие меры:

  • все важные компоненты, такие как центральные контроллеры и серверы SCADA-системы работают в режиме резервирования с поддержкой «горячей замены»;
  • дублирование хранения и обработки данных в системе АСУ ТП на нескольких уровнях: оперативные данные хранятся в энергонезависимой памяти (на флеш-картах) полевых контроллеров, в памяти центральных контроллеров, а также в специализированных базах данных SCADA систем на серверах системы;
  • резервирование каналов связи между компонентами системы линиями связи с кольцевой топологией. Для передачи данных в системе используется волоконно-оптические кабели (ВОЛС);
  • в комплекте с АСУ ТП поставляется специально разработанная система резервированного электропитания СРЭП, обеспечивающая заданное проектом время гарантированное электропитание всех компонентов системы;
  • вместе с системой поставляется комплект ЗИП.

Можно сказать, что на систему АСУ ТП возложена реализация функции «черного ящика», фиксирующего при ЧС состояние тоннеля, а также всех действий оператора.

Рис. 3. Рабочее место диспетчера ДП

 

Целью и задачей геотехнического мониторинга (ГТМ) является снижение негативного влияния техногенных и естественных геологических (природных) процессов при эксплуатации тоннелей на основе получения в реальном масштабе времени информации о текущих свойствах и состоянии системы «тоннель – горный массив» для своевременного предупреждения возможных аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией железнодорожных тоннелей.

Геотехнический мониторинг состоит из трех подсистем:

  • контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) обделок;
  • оценка устойчивости системы «обделка-массив» методом изменения магнитной составляющей электромагнитного излучения естественного поля Земли (ЕЭМИ);
  • сейсмомониторинга.

Для контроля напряженно-деформированного состояния обделки на этапе строительства во все литологические разности тоннеля и на участках тектонически нарушенных пород в нее устанавливаются деформометры. Основным критерием ГТМ является сопоставление измеренных величин нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контуре обделки с прочностными показателями материала обделки.

Для мониторинга за напряженным состоянием горного массива при эксплуатации тоннеля применяется метод, основанный на регистрации естественных импульсов электромагнитного поля Земли.

Данный метод контроля основан на аномальном изменении магнитной составляющей электромагнитного излучения (ЕЭМИ) горных пород в местах изменения геомеханических напряжений и сдвижения пород по контактам блоков (поверхностям скольжения).

В качестве показателя степени геодинамической активности используются осредненные значения контролируемых параметров. По сочетанию параметров определяется категория устойчивости участков тоннеля на каждый цикл измерений.

Критерии устойчивости разрабатываются в процессе строительства тоннеля и в течение одного года эксплуатации. В дальнейшем критерии устойчивости также уточняются при режимном анализе банка данных.

Для автоматизированного сейсмоконтроля, с целью регистрации колебаний при землетрясениях и определения бальности землетрясения, а также оценки воздействия на обделку в тоннелях устанавливаются сейсмометрическое акселерометры. Они устанавливаются на участках, где возможные проявления сейсмических воздействий предполагаются наиболее существенными – участки, примыкающие к границам зон разломов (тектонических зон), а также срединные места этих зон.

Неразрушающий контроль состояния конструкций тоннеля осуществляется с помощью записи микросейсм природного и техногенного происхождения и фиксации собственных периодов колебаний тоннеля и коэффициентов их затухания.

Оперативная оценка последствий землетрясений выполняется по следующим параметрам. Регистрируемые ускорения смещений сооружения, позволяют оценить величину сейсмических воздействий в баллах сейсмической шкалы, а также определить напряжения и относительные деформации по осям тоннеля. Получаемые данные служат основой для оперативного контроля напряженно-деформированного состояния тоннельного сооружения, находящегося под воздействием землетрясений и определения по заданному критерию степени сейсмической опасности.

 

Рис.4. Панель оператора АРМ геотехнического мониторинга

При масштабной реализации проектов автоматизированной комплексной системы мониторинга железнодорожных тоннелей важно не упускать из виду проблемы квалифицированного технического обслуживания, сопровождения и модернизации систем после ввода в эксплуатацию.

Необходимо создавать технические подразделения, развивать и повышать квалификацию специалистов ПЧ ИССО еще до ввода тоннелей в эксплуатацию, чтобы те своевременно могли произвести приемку объектов готового строительства, как и поддерживать их работоспособность на протяжении всего периода эксплуатации.

Если нет возможности оперативно осуществить создание таких подразделений, то в период эксплуатации, начиная с самого момента запуска систем, необходимо возложить задачу технического обслуживания систем автоматизации на подрядные строительные организации, или привлеченные по аутсорсингу. Отсутствие квалифицированного технического обслуживания современных электронных систем автоматизации с момента их запуска, может привести к существенным необратимым потерям дорогостоящего оборудования и большим материальным затратам.

При разработке комплексов систем для автоматизированного мониторинга тоннелей, особо следует подчеркнуть важность проработки регламентов взаимодействия и координации диспетчерских служб железной дороги при обнаружении и устранении чрезвычайных ситуации в тоннельных сооружениях.

В заключении, хотелось бы отметить необходимость и возможность использования при создании автоматизированных комплексных систем мониторинга отечественных разработок, некоторые их которых были представлены в данной статье!