Nagłośnienie tuneli drogowych to w Polsce zagadnienie stosunkowo nowe, a co za tym idzie jego znajomość, nawet wśród branżystów jest niewielka. Na dzień dzisiejszy w literaturze polskojęzycznej niewiele jest artykułów poświęconych tej tematyce, brak też norm krajowych w zakresie wymagań technicznych, które systemy tego typu powinny spełniać. Warto jednak zdawać sobie sprawę, że nagłośnienie alarmowe znalazło się w specyfikacji wielu nowobudowanych tuneli jak np. w tunelu obwodnicy Warszawy na S2, czy też w tunelu pod Świną, który w 2022 roku połączy wyspy Uznam i Wolin. Celem poniższego artykułu jest przybliżenie czytelnikom specyfiki projektowania i realizacji takich instalacji.

Tunel drogowy to element infrastruktury kluczowej, którego głównym zadaniem jest utrzymanie ruchu pojazdów. Systemy pracujące w nim mają z założenia zapewnić zwiększone bezpieczeństwo podróżujących znajdujących się w środku. Obowiązek stosowania nagłośnienia alarmowego w tunelu wynika z Dyrektywy 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w Transeuropejskiej Sieci Drogowej. Zgodnie z tą dyrektywą w systemy nagłośnienia wyposażyć należy tunele o długości przekraczającej 500m. Standard techniczny realizacji tego rozwiązania opisano w niemieckich wytycznych RABT 2016, a w Polsce po raz pierwszy koncepcję takiego systemu opisano w Wytycznych SITP i CNBOP-PIB Projektowania, Instalowania, Uruchamiania, Obsługi i Konserwacji Dźwiękowych Systemów Ostrzegawczych (DSO) z kwietnia 2021 roku. Zgodnie z rekomendacjami tych wytycznych tunele wyposażane są w systemy dźwiękowe, które posiadają licznefunkcjonalności właściwe dla systemów typu DSO. Konieczne jest jednak odgraniczać wymagania funkcjonalne od formalnych – w Polsce przepisy o ochronie przeciwpożarowej nie wskazują bowiem tuneli jako obiektów, w których konieczne jest stosowanie systemów typu DSO. Co więcej realizacja systemu DSO w tunelu jest bardzo utrudniona z przyczyn akustycznych – z założenia wymaga odstępstw oraz uzgodnień, przynajmniej w zakresie akceptowalnych parametrów reprodukowanego przez system dźwięku.

Tym samym system nagłośnienia tunelu, choć nie jest w istocie Dźwiękowym Systemem Ostrzegawczym, to posiadać będzie liczne jego cechy – wśród typowych wymagań technicznych jakie spełniać będą systemy nagłośnienia tunelowego znajdą się funkcje:

• monitorowania sprawności systemu wzmacniającego i pulpitów dyspozytorów,
• monitorowania sprawności obwodów głośnikowych,
• wzmacniacza rezerwowego załączanego w sposób automatyczny,
• zasilania awaryjnego,
• rozgłaszania komunikatów automatycznych po wysterowaniu z systemów SSP i/lub SCADA,
• integracji z systemami trzecimi jak ww. SSP, SCADA, jak i systemem tzw. kabla promieniującego, który jest de facto głównym narzędziem rozgłaszania w tunelu, ponieważ umożliwia nadawanie komunikatów głosowych do odbiorników radiowych w pojazdach.

W mniemaniu ustawy o Prawie Budowlanym z dnia 7 lipca 1994 r. (Dz.U.2020 poz. 1333) tunel drogowy jest budowlą. Z technicznego punktu widzenia jest to budowla bardzo specyficzna. Występują bowiem w niej – i to w ekstremalnej postaci – wszystkie największe utrudnienia natury akustycznej, przed jakimi stanąć mogą Projektant, czy Wykonawca systemu nagłośnieniowego:

1. Tunel to pomieszczenie o wielkiej kubaturze, w którym dominują materiały bardzo niekorzystne akustycznie – silnie odbijające dźwięk. Co za tym idzie oekt wykazuje dużą skłonność do powstawania odbić dźwięku. Parametr akustyczny, który opisuje tę właściwość pomieszczenia – Czas Pogłosu (Reverberation Time) – w tunelu przekracza wartości akceptowalne w kontekście możliwości zapewnienia w pomieszczeniu dobrej zrozumiałości mowy.
2. Sam kształt tunelu jest niekorzystny – tunel jest obiektem bardzo długim, ale o stosunkowo niewielkim przekroju. Taka geometria, w połączeniu z wszechobecnością materiałów odbijających sprawia, że dźwięk we wnętrzu nie wybrzmiewa w sposób naturalny. W pewnych sytuacjach fale akustyczne zachowywać się mogą w sposób podobny, jak gdyby propagowały w falowodzie.
3. W tunelu występują ponadto wysokie poziomy tła akustycznego (hałasu), które degraduje zrozumiałość rozgłaszanych komunikatów. W sytuacji normalnej głównym źródłem tego hałasu są poruszające się w obiekcie pojazdy. Natomiast w sytuacji kryzysowej poziom hałasu wentylacyjnego generowanego przez system oddymiania tunelu może z łatwością przekraczać 90 dB SPL(A).

Głównym zadaniem systemu nagłośnienia alarmowego jest przekazywanie zrozumiałych komunikatów głosowych, które pozwolą w sytuacji zagrożenia udzielić podróżującym informacji o wydarzeniach, instrukcji podstępowania, a także w razie potrzeby skierować ich do miejsc bezpiecznych.

Jak w przypadku każdego nagłaśnianego obiektu, aby zapewnić akceptowalną jakość dźwięku oraz zrozumiałość mowy reprodukowanej przez jego system nagłośnieniowy rozpatrzeć należy wiele aspektów. Wśród najistotniejszych znajdują się:

1. Potrzeba zapewnienia właściwego odstępu sygnału użytecznego od hałasu,
2. Potrzeba zapewnienia akceptowalnego stosunku energii dźwięku bezpośredniego dostarczanego przez urządzenia w stosunku do energii dźwięku odbitego jaki powstaje na skutek propagacji fali akustycznej w pomieszczeniu.

Ze względu na właściwości ludzkiego słyszenia, aby zapewnić możliwość zrozumienia przekazywanej treści, koniecznym jest w praktyce zapewnienie, aby sygnał użyteczny – w tym przypadku komunikat głosowy emitowany przez system – emitowany był z poziomem o przynajmniej 6 dB przewyższającym poziom hałasu. Zaleca się z kolei projektować systemy nagłośnienia tak, aby poziom sygnału użytecznego przewyższał poziom hałasu o 10 dB. Ekstremalnie wysokie poziomy hałasu jakie mogą wystąpić w tunelu wymuszają więc stosowanie urządzeń głośnikowych zdolnych wygenerować odpowiednio wysoki poziom dźwięku, co nie jest w praktyce możliwe przy użyciu większości konwencjonalnych głośników.

Dobierając głośniki oraz ich rozmieszczenie należy też mieć na uwadze potrzebę zapewnienia akceptowalnego stosunku dźwięku bezpośredniego do odbitego. Dodatkowym utrudnieniem będzie fakt, że ze względu na kształt tunelu i sposób w jaki propaguje w nim dźwięk, efekt pogłosu wzmocniony będzie przez dźwięk docierający do słuchacza nie tylko z bliskich, ale także odległych głośników. Dźwięk docierający do słuchacza z dużym opóźnieniem – zarówno odbity, jak i z odległych źródeł, ma bowiem negatywny wpływ na zrozumiałość komunikatów – w dużym uproszczeniu można go uznać za hałas.

Na przestrzeni lat powstało wiele koncepcji technicznych nagłośnienia obiektów tunelowych. Obecnie wydaje się, że największe uznanie zyskała koncepcja zastosowania specjalistycznych „głośników tunelowych” w połączeniu z systemem wyposażonym w możliwość wprowadzania indywidualnego opóźnienia czasowego w tor wzmacniacza zasilającego każdy z takich głośników.

„Głośnik tunelowy” to pojęcie wywodzące się z żargonu. W polskich opracowaniach próbę zdefiniowania takiego typu głośnika znaleźć można dopiero w Wytycznych SITP-CNBOP z 2021 roku. Zgodnie z definicją zamieszczoną w tym opracowaniu głośnik tunelowy to specjalistyczny głośnik tubowy o wysokiej mocy i efektywności, który ponadto odznacza się silnie kierunkową charakterystyką promieniowania. Na rynku krajowym dostępnych jest kilka takich produktów, w tym głośniki certyfikowane na zgodność z normą EN54. Większość z głośników tunelowych cechuje się asymetryczną konstrukcją. Umożliwia to ich bezpośredni montaż pod sufitem tunelu, co pozwala zniwelować szereg niepożądanych zjawisk akustycznych związanych z odbiciami dźwięku. Odpowiednia konstrukcja głośnika umożliwia wytworzenie płaskiego czoła fali akustycznej – sufit tunelu staje się w tym przypadku powierzchnią graniczną i falowodem koherentnej fali akustycznej. Zastosowanie opisanego rozwiązania pozwala zredukować zjawisko powstawania odbić dźwięku, co przekłada się na zwiększenie stosunku energii dźwięku bezpośredniego do odbitego, a tym samym korzystnie wpływa na zrozumiałość komunikatów głosowych. Ma to również wpływ na konfiguracją i zachowanie całego układu głośnikowego, ponieważ pozwala nagłośnić tunel przy użyciu mniejszej liczby głośników. Wpraktyce głośniki tunelowe montowane są (w zależności od parametrów danego głośnika, prognozowanego poziomu hałasu i geometrii tunelu) w odległościach od 50 do 100m.

Rozwiązaniem drugiego poruszonego problemu – tj. nakładania się dźwięku docierającego w dany punkt tunelu, jest zastosowanie systemu, który umożliwi wprowadzenie opóźnień czasowych na obwodach głośnikowych. W takim rozwiązaniu wszystkie głośniki w danym tunelu zwrócone są w tym samym kierunku oraz dla każdego z głośników przewidziany jest osobny tor wzmacniacza mocy i procesora DSP. Każdy kolejny głośnik wzdłuż trasy ruchu otrzymuje sygnał opóźniony w czasie w funkcji odległości do poprzedniego urządzenia, tym samym dźwięk bezpośredni docierający do danego punktu z wszystkich zwróconych w jego stronę głośników dociera do niego w zbliżonym czasie. Celem zwiększenia zrozumiałości mowy konieczne jest w praktyce również stosowanie korektorów parametrycznych barwy dźwięku oraz filtrów pasmowo-przepustowych. Warto zdawać sobie sprawę, że tak rozbudowane funkcje przetwarzania dźwięku nie są powszechnie dostępne – jest to właściwość zaawansowanych systemów profesjonalnego nagłośnienia oraz nielicznych central CDSO (dla przykładu opóźnienie na odcinku 2km to ok. 5,8 sekundy).

Warto zdawać sobie sprawę, że nawet zastosowanie opisanego powyżej rozwiązania nie eliminuje całkowicie problemu trudnej akustyki tunelu. Jak łatwo się domyślić, ze względu na hałas oraz pogłos we wnętrzu tunelu, nie jest w nim możliwe uzyskanie jakości dźwięku i zrozumiałości mowy choćby zbliżonej do takiej jaką uzyskać można w standardowych pomieszczeniach. Nie jest też w praktyce możliwe uzyskanie zrozumiałości mowy jaka wymagana jest dla systemów DSO, a więc opisanej wskaźnikiem zrozumiałości mowy STIPA, rzędu 0,50.

Jako realnym kryterium akceptowalności zrozumiałości mowy można się więc posłużyć normą PN-EN 60268-16 Urządzenia systemów elektroakustycznych – Część 16: Obiektywna ocena zrozumiałości mowy za pomocą wskaźnika transmisji mowy. Załącznik G do tejże normy, który podaje przykłady kryteriów kwalifikacji wskaźnika STI w różnych aplikacjach. Wartość akceptowalna w przypadku systemów DSO/ DSR dla obiektów bardzo trudnych akustycznie (do których zaliczyć można tunel) zdefiniowana została na poziomie 0,42 STI. Z kolei Wytyczne SITP-CNBOP jako wartość zadowalającą podają STI rzędu 0,45.

Znaczna długość tunelu jest również czynnikiem determinującym architekturę systemu, co wynika z potrzeby ograniczenia długości tras kablowych i spadków napięcia. Problem ten uwypukla się szczególnie w przypadku systemów wykorzystujących indywidualne opóźnienia dla poszczególnych głośników, ponieważ każdy taki głośnik będzie zasilany z wydzielonej linii głośnikowej. Rozwiązaniem sytuacji jest w tym przypadku zastosowanie systemów sieciowych. W praktyce spotyka się dwa podejścia, których kryterium stosowalności jest zazwyczaj dostępność w tunelu pomieszczeń technicznych oraz warunków, jakie będą w nich panować (innych warunków można oczekiwać w tunelu górskim, zaś innych pod wodą).

1. Pierwsze podejście zakłada montaż w budynkach technicznych w sąsiedztwie tunelu i/lub pom. technicznych w jego wnętrzu szaf rack, z których każda odpowiadać będzie za pokrycie dźwiękiem kilkusetmetrowego odcinka trasy.
2. Alternatywnie, w przypadku ograniczonej dostępności przestrzeni na szafy, w niszach technicznych tunelu montuje się liczne sieciowane wzmacniacze mocy, z których każdy zasila zaledwie kilka sąsiadujących głośników.

Oba te podejścia sprawdzą się, pod warunkiem zapewnienia stabilności komunikacji elementów systemu. Z tego względu ww. szafy rack lub wzmacniacze sieciowe łączy się więc ze sobą przy użyciu dedykowanej, wydzielonej sieci realizowanej w medium światłowodowym. Połączenie tego typu realizowane jest zazwyczaj w sposób redundantny np. w formie pierścienia.

Zarządzanie systemem odbywa się ze stanowiska operatora zlokalizowanego w Centrum Obsługi Tunelu. Zazwyczaj występują dwa redun dantne centra zlokalizowane po obu stronach budowli. Na stanowisku operatora znajdzie się pulpit mikrofonowy oraz stacja robocza wypo sażona w aplikację diagnostyczno-monitorującą systemu.

• pulpit dyspozytora posiadać będzie najwyż szy priorytet w systemie. Umożliwiać on będzie ręczne rozgłaszanie komunikatów głosowych (za pomocą wbudowanego mi krofonu) do całości tunelu, jego wybranych sekcji, lub też obszarów połączonych z tu nelem jak klatki i/lub galerie ewakuacyjne. Pulpit posiadać będzie zazwyczaj dodatkowe przyciski programowalne, które umożliwiają szybką aktywację komunikatów przechowy wanych w pamięci systemu. Te komunikaty mogą mieć charakter alarmowy, ale też po rządkowy (np. komunikat zabraniający za trzymywania pojazdów w tunelu, komunikat o zakazie ruchu pieszych, polecenie skierowania się do najbliższego punktu SOS, itp.).
• stacja robocza wyposażona w dedykowaną aplikację systemową umożliwiać będzie dia gnostykę stanu systemu np. sprawności urzą dzeń centralnych, stanu sieci wewnętrznej, czy też usterek linii głośnikowych.

Ponadto w tunelu (zazwyczaj w portalach wjazdowych) lub jego sąsiedztwie (w budynkach technicznych) lokowane są konsole alarmowe – w tej roli stosuje się np. wyniesione mikrofony strażaka. Urządzenia te dostępne będą do dyspo zycji służb podejmujących interwencję w tunelu jak np. straży pożarnej, czy też policji.

Bardzo istotnym aspektem z punktu widzenia obsługi systemu jest również jego integracja z in nymi systemami technicznymi obiektu. W praktyce system nagłośnienia alarmowego tunelu będzie zazwyczaj zintegrowany z systemami:

• Sygnalizacji Pożaru (SSP),
• SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition),
  a także kabla „cieknącego” (Leaky Feeder)

Integracja systemu nagłośnienia z systemem SSP ma służyć w razie wystąpienia pożaru emi sją komunikatów automatycznych, zgodnie z za programowanym wcześniej scenariuszem. Jako, że system nagłośnienia tunelu nie jest w istocie systemem DSO możliwość jego wykorzystania w tym zakresie oraz scenariusz musi być odpo wiednio uzgodniony na etapie projektu systemu.

Integracja nagłośnienia z systemem SCADA ma za zadanie uzyskanie możliwości analizy i wy miany danych odnośnie pracy systemu, a także archiwizacji tych danych. Ponadto system SCADA będzie pozwalał zarządzać systemem nagłośnie nia z poziomu jednego wspólnego z innymi sys temami bezpieczeństwa interfejsu użytkownika.
System kabla „cieknącego” to specyficzna instalacja łączności radiowej, która poprzez współpracę z systemem nagłośnienia zapewnia możliwość przekazywania komunikatów głosowych generowanych w tym systemie bezpośrednio do aut. System zbudowany jest z przemienników wraz z układami pomocniczymi, wzmacniaczy liniowych oraz specjalnej konstrukcji kabla kon centrycznego, który umożliwia wypromieniowanie energii pola elektromagnetycznego na zewnątrz.
Jak widać zagadnienie nagłośnienia obiektów tunelowych jest zagadnieniem bardzo ciekawym. Wymaga ono znacznie większej wiedzy niż realizacja standardowych systemów typu DSO/DSR, a także zastosowania specyficznych i w pewnym sensie unikalnych rozwiązań technicznych. Jako, że na dzień dzisiejszy dostępnych jest stosunko wo niewiele opracowań w języku polskim, które dotykają tej problematyki, jako autor powyższe go artykułu zachęcam do lektury przytoczonych Wytycznych CNBOP-SITP oraz dostępnych w sieci opracowań anglojęzycznych.

Bibliografia:
1. CNBOP-PIB | SITP: „Wytyczne projektowania, instalowania, uruchamia nia, obsługi i konserwacji Dźwiękowych Systemów Ostrzegawczych”; kwiecień 2021 r.
2. Mgr. Inż. Kamil Skajewski: „SAFETY FOR TUNNEL – czyli zaawansowany Dźwiękowy System Ostrzegawczy do aplikacji w tunelach”; OCHRONA MIENIA I INFORMACJI, kwiecień 2016 r.
3. Dr. Inż. Evert Start: „Design of Voice Alarm Systems for Traffic Tunnels: Optimization of Speech Ingtelligibility”; Duran Audio BV, Zaltbommel, Netherlands
4. Sander J. van Wijngaarden, Jan A. Verhave: „Prediction of speech intel ligibility for public address systems in traffic tunnels”, Applied Acoustics, kwiecień 2006

mgr inż. Krzysztof Młudzik
Czynny elektroakustyk z wieloletnim doświadczeniem w branży
systemów bezpieczeństwa. Ukończył studia na Katedrze Systemów
Multimedialnych Politechniki Gdańskiej. Pracował m.in. w firmach TOA
Electronics oraz Ambient System, w której pełni aktualnie funkcję
dyrektora technicznego.

fShare

Tweet