Современные транспортные сети трудно представить без туннелей. Они помогают нам объезжать реки и горы и следить за тем, чтобы движение транспорта не слишком мешало нашей повседневной жизни в городских районах. Современные туннели представляют собой очень сложные системы, которые необходимо постоянно контролировать, чтобы обеспечить их безопасность для водителей.
Кандидат наук. Исследователь Ларс Мурманн разработал интеллектуальные инструменты, которые значительно упрощают создание эффективных контроллеров для этих систем. Он защитит диссертацию 15 декабря на кафедре машиностроения.
Автодорожные туннели играют важную роль в транспортной инфраструктуре по всему миру. Они используются для обхода рек и гор, улучшения транспортного потока и повышения качества жизни в городских районах. В Нидерландах, стране с самой высокой плотностью населения и самой густой сетью водных путей в Европе, туннели являются обычным явлением в дорожной инфраструктуре.
Примером недавно построенного туннеля в Нидерландах является туннель Koning Willem-Alexander (см. выше). Этот туннель проходит под городом Маастрихт, чтобы увеличить транспортный поток через город и улучшить качество жизни жителей. Подобный туннель можно найти в Рурмонде.
Безопасность прежде всего
Чтобы водители могли безопасно использовать эти подземные переходы, современные туннели обычно содержат множество технических сооружений. Подумайте об умном освещении, вентиляции, системах эвакуации, средствах пожаротушения и системах предотвращения наводнений. Вместе эти технические установки образуют сложную сеть, координируемую так называемым диспетчерским контроллером . Любой сбой в этих контроллерах может привести к опасным ситуациям или перебоям в транспортном потоке, которые могут длиться часами и даже днями.
«Эти контроллеры используют цифровые системы для мониторинга и управления установками в туннеле, а затем сообщают об этом через циклы обратной связи с использованием компьютерных алгоритмов», — объясняет Ларс Мурманн, исследователь группы Control Systems Technology. «Конечно, есть также операторы дорожного движения, которые могут вручную вмешаться, если это необходимо, например, чтобы перекрыть туннель в случае аварии или изменить определенный светофор».
Добиться правильной работы цифровых контроллеров в сложной среде, такой как туннель, — нетривиальная задача. «К счастью, у нас есть способы автоматизировать процесс проектирования с помощью метода, называемого теорией диспетчерского управления», — говорит Мурманн.
От модели к синтезу
Первым шагом в использовании теории диспетчерского управления является разработка подходящих моделей туннеля и соответствующих требований. Для этого Мурманн создал инструмент, который может смоделировать полный автодорожный туннель за считанные минуты. Указав параметры туннеля, такие как количество транспортных труб, полос движения и эвакуационных дверей, инструмент автоматически определяет, какие модели необходимы для этого туннеля.
«Затем мы используем компьютерные алгоритмы для автоматического создания конкретного диспетчерского контроллера из созданных моделей», — говорит Мурманн. «Это сложная задача, которая экспоненциально растет с увеличением количества компонентов и параметров системы. Однако, поскольку автодорожные туннели имеют тенденцию быть симметричными, мы смогли значительно снизить сложность задачи синтеза. Ведь если система содержит симметричные подсистемы , расчеты для супервизорного синтеза необходимо выполнить только один раз.»
Используя новый инструмент синтеза, исследователь улучшил производительность процесса синтеза контроллера на 80%.
Тестирование контроллера
Следующим шагом было испытание контроллера в реальной туннельной системе. Прежде чем он смог это сделать, Мурманн должен был разработать способ заставить свой контроллер работать с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые представляют собой аппаратные платформы, которые часто используются в промышленности для реализации контроллеров.
Типичный автодорожный туннель управляется более чем десятью ПЛК, которым необходимо обмениваться данными друг с другом, что может привести к задержкам связи. Исследователь разработал алгоритмы, чтобы уменьшить негативное влияние этих задержек на контроллер.
Затем Мурманн проверил результаты своего проекта на нескольких автодорожных туннелях, включая туннель Конинг Виллем-Александер, туннель Эрсте-Хайненоорд и туннель Суолмен возле Рурмонда.
«Мы очень довольны результатами. Наше исследование показывает, что теория диспетчерского управления не только быстра и правильна, но и применима для таких типов систем. Это означает, что методы готовы к практическому применению и могут помочь убедиться, что транспортный поток в наших туннелях остается безопасным и эффективным».
Сотрудничество с Rijkswaterstaat
Исследование Мурманна является частью проекта MultiWaterWerk (MWW), совместного проекта TU/e и Rijkswaterstaat, владельца 20 из 27 туннелей в Нидерландах. Проект направлен на стандартизацию конструкции новых шлюзов, туннелей и другой инфраструктуры с целью экономии средств и времени.
Часть этого включает основанные на синтезе методы, которые Мурманн использовал в своем проекте для создания систем автоматического управления. Эти методы становятся все более популярными, поскольку они не только сокращают время производства, но и дают немедленные гарантии правильности.