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Il sistema SCADRA nella galleria Melarancio

ASPI ha installato il sistema SCADRA per l’analisi di rischio dinamica nella galleria Melarancio sull’Autostrada A1 tra Firenze Nord e Firenze Sud

La galleria Melarancio

Nel Gennaio 2020, il Consiglio di Amministrazione di Autostrade per l’Italia (ASPI) ha approvato le linee guida del “Piano Strategico di Trasformazione 2020-2023”, contenente le principali direttrici di trasformazione e cambiamento della Società.

Tra i 100 progetti presentati, il progetto “Sicurezza a 360°” sviluppa un approccio integrato tra la sicurezza della circolazione e la sicurezza nei cantieri e nei luoghi di lavoro, in cui è stato inserito il progetto “Analisi di Rischio Dinamica – SCADRA” guidato dal team leader Ing. Sandro Fusari.

Il sistema SCADRA (Supervisory Control Aquisition Dynamic Risk Analysis) è orientato alla sicurezza attraverso l’analisi di rischio dinamica, che arricchisce il sistema tradizionale SCADA mediante l’acquisizione di parametri che possono influenzare la gestione di una galleria e che consentono di effettuare un’analisi di rischio quantitativa e probabilistica per valutare la sicurezza in galleria in tempo reale.

Tale strumento consente di individuare le misure gestionali di volta in volta più adeguate a mantenere i livelli di sicurezza entro i valori accettati dall’Autorità Amministrativa e fissati dalla Normativa.

L’inquadramento territoriale
1. L’inquadramento territoriale della galleria Melarancio

Qualora il livello di rischio cresca verso i limiti di non accettabilità, lo SCADRA prevede ad attivare o segnalare le misure necessarie al raggiungimento del livello di sicurezza richiesto [1].

Dopo una fase di sperimentazione in cui il sistema SCADRA è stato installato in due gallerie test (Rimazzano e Valico), successivamente alle tarature e messa a punto del sistema sulla base dei dati reali, ASPI ha provveduto all’installazione del sistema SCADRA per l’analisi di rischio dinamica in una delle più trafficate gallerie della rete: la galleria Melarancio sull’autostrada A1 tra Firenze Nord e Firenze Sud.

La galleria Melarancio

La nuova galleria Melarancio ricade all’interno della rete autostradale di competenza del IV tronco della Società di gestione Autostrade per l’Italia (ASPI) ed è ubicata lungo la nuova

carreggiata Sud del tratto Firenze Scandicci-Firenze Certosa, facente parte del progetto dei lavori di ampliamento alla terza corsia dell’Autostrada A1 nel tratto Barberino-Incisa Valdarno.

È costituita da un fornice monodirezionale nella sola direzione Sud, con una lunghezza complessiva di 1.096 m. Il tracciato di progetto della galleria si sviluppa in variante rispetto al tracciato della A1 esistente, da cui si discosta con una distanza massima tra i due tracciati di circa 350 m.

La sezione trasversale e il portale Nord
2. Il confronto tra la sezione trasversale e il portale lato Nord della galleria Melarancio

La sezione trasversale ha forma policentrica ad arco, con area pari a circa 94 m2 (sezione autostradale a tre corsie) e la larghezza di piattaforma è pari a 11,95 m, organizzata in tre corsie: corsia di destra con larghezza di 3,50 m, corsia centrale e di sorpasso con larghezza di 3,75 m. I marciapiedi hanno un’ampiezza di 0,85 m e sono presenti due banchine: una in destra con larghezza di 0,65 m, e una in sinistra con larghezza di 0,30 m.

La sezione tipo di progetto permette di garantire un’altezza libera minima superiore al valore minimo di 4,75 m, prescritto dalla Normativa di riferimento per la progettazione stradale dell’intervento in oggetto, rappresentata dalle istruzioni tecniche CNR 78/1980 “Norme sulle caratteristiche geometriche delle strade extraurbane”.

All’interno della galleria autostradale è presente un cunicolo con funzione di via di fuga, ubicato tra il piano viabile e l’arco rovescio e collegato mediante passaggi pedonali ad apposite nicchie ubicate lungo la galleria stessa.

L’introduzione del cunicolo sottostante la carreggiata comporta il posizionamento della via di traffico su una soletta a tre luci con appoggi in corrispondenza dei marciapiedi e di due setti intermedi, dove i due vani laterali al cunicolo sono utilizzati per il passaggio di impianti e canalizzazioni.

Il layout di SCADRA
3. Il layout di funzionamento del sistema SCADRA

Il sistema SCADRA

Il sistema SCADRA è un utile strumento per eseguire l’analisi dinamica del rischio in galleria, poiché permette di calcolare il livello di rischio di una specifica galleria in ogni istante, in funzione dei requisiti minimi di sicurezza e delle condizioni di affidabilità reali dei sistemi di sicurezza, al fine di attuare una

gestione rapida e mirata delle misure operative o di programmare azioni manutentive in funzione del livello di sicurezza in un determinato periodo di tempo.

Il sistema, composto da specifico software (SW) e hardware (HW), esegue l’analisi del rischio ad intervalli regolari predefiniti o impostabili o in caso di repentino mutamento delle variabili più significative (es. condizioni meteo, traffico, ecc.).

L’analisi avviene sulla base delle informazioni e dei dati acquisiti dal sistema di sensori installati in galleria che monitorano in tempo reale i dati di traffico, i principali parametri ambientali, lo stato degli impianti e lo stato delle strutture.

L’obiettivo finale è quello di calcolare in ogni istante la curva di rischio di una galleria al fine di conoscerne gli scostamenti, anche in funzione di eventuali degradi o anomalie presenti, rispetto alla curva a regime o virtuale, al fine di programmare in modo mirato le azioni conseguenti.

L’hardware di SCADRA
4. L’hardware del sistema SCADRA

Sull’apparecchiatura è installato un software, che opera le seguenti funzioni:

  • acquisizione continuativa dei dati da PLC Master di galleria;
  • acquisizione continuativa dei dati meteorologici dal sistema SCADA di galleria;
  • acquisizione dei dati di traffico dal sistema SCADA di galleria;
  • acquisizione dei dati di progetto della galleria, configurabili dall’operatore;
  • elaborazione dei dati con calcolo del rischio;
  • trasmissione e presentazione della curva del rischio al centro di controllo del Gestore.

L’accesso locale o remoto al sistema è abilitato esclusivamente mediante autenticazione tramite username e password per la protezione dei dati archiviati.

Presso la galleria Melarancio, lo SCADRA è stato ubicato nel locale di telecontrollo e supervisione della cabina nei pressi dell’imbocco Nord e posizionato all’interno del rack dati in cui sono presenti tutti gli

apparati di telecontrollo e gestione dei vari sottosistemi presenti in galleria. Per il collegamento allo switch sono stati utilizzati cavi UTP cat. 6A con connettore RJ45. Tuttavia, considerata la velocità di trasferimento necessaria e vista la vicinanza tra lo switch e adeguati anche cavi UTP categoria 5e.

Il sistema SCADRA, installato presso la galleria Melarancio, acquisisce dal sistema SCADA della galleria, con cadenza di circa 15 minuti, una serie di parametri “statici” e “dinamici” necessari a calcolare il rischio residuo istantaneo.

Nello specifico, i parametri di ingresso “statici” sono parametri che non variano nel tempo (di progetto) e che definiscono la geometria e le dotazioni impiantistiche (lunghezza del fornice, area della sezione, organizzazione della piattaforma, numero e tipo di vie di esodo, numero SOS…), mentre i parametri “dinamici” sono parametri che variano nel tempo e vengono rilevati dai sensori o dai sottosistemi inseriti in galleria.

L’interfaccia del software
5. L’interfaccia del software EURAM 3.0

Grazie all’acquisizione di questi parametri, lo SCADRA è in grado di fornire il livello di rischio in tempo reale della galleria Melarancio e, qualora questo cresca verso i limiti di non accettabilità (evenienza mai verificata durante il periodo di simulazione), il sistema provvede a suggerire tutte le misure di sicurezza necessarie alla mitigazione del rischio, proponendo all’operatore del centro di controllo una serie di messaggi concordati, impostati e modificabili a discrezione del Gestore (per esempio misure di gestione e contingentamento del traffico, riduzione dei limiti di velocità, divieto di sorpasso, incremento della distanza di sicurezza, allerta dei pattugliamenti antincendio) [1, 2, 4, 5 e 6].

I criteri di analisi

Da Ottobre 2021, il sistema SCADRA ha eseguito con cadenza costante l’analisi di rischio dinamica della galleria Melarancio secondo le prescrizioni dell’allegato 3 del Decreto Legislativo n° 264/2006 e come indicato dalla Direttiva 2004/54/CE, adottando la metodologia descritta dalle Linee Guida Anas, denominata IRAM (Italian Risk Analysis Method) [3, 7 e 8].

EURAM 3.0 consente di superare i limiti presenti negli altri software in commercio, poiché è in grado di valutare l’efficacia ed i tempi di risposta delle dotazioni di sicurezza e di sviluppare quindi un’analisi completa per le gallerie stradali.

La metodologia IRAM implementata nel software EURAM 3.0 consente inoltre di analizzare i modelli di esodo, che permettono di valutare i tempi di evacuazione degli utenti in funzione dell’evoluzione del flusso del pericolo all’interno della galleria [5].

L’evoluzione degli scenari incidentali viene simulata in funzione di determinati parametri (potenze di incendio generate, emissione dei fumi e concentrazione sostanze nocive), valutando congiuntamente i tempi di intervento e di efficacia degli impianti, il comportamento della popolazione esposta e l’intervento delle squadre soccorso.

L’albero degli eventi
6. L’albero degli eventi (ETA)

Per valutare le conseguenze di ogni evento iniziatore, viene effettuata un’analisi tramite albero degli eventi (ETA – Event Tree Analysis). A ciascun ramo dell’albero viene associato un numero di scenari, per i quali viene calcolato il valore delle conseguenze in termini di numero di fatalità sulla base delle simulazioni termo fluidodinamiche e di esodo, mentre la valutazione dell’efficienza delle misure di sicurezza viene sviluppata considerando i dati reali sul traffico, le condizioni ambientali e lo stato del sistema.

Nell’elaborazione delle analisi vengono considerati otto diversi scenari di base, riferiti ad otto diverse potenze di incendio (incendio di autovettura, furgone, veicolo pesante, veicolo pesante con materiale infiammabile e ADR, rilascio sostanze tossiche, sversamento di liquido infiammabile ed esplosione).

Quindi il flusso di pericolo viene studiato in relazione a questi scenari ed in funzione dell’efficienza dei sottosistemi di sicurezza, che vengono caratterizzati in termini di integrità attraverso un’analisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety – Affidabilità, Disponibilità, Manutenibilità e Sicurezza). L’analisi RAMS svolta ha l’obiettivo di definire numericamente l’integrità globale di ogni sistema, paragonato alle sue prestazioni ottimali.

Grazie a queste peculiarità, il sistema SCADRA permette di formulare un’analisi del rischio basata su una metodologia quantitativa sviluppata su basi probabilistiche, che fornisce come risultati una curva cumulata complementare e un valore atteso del rischio sociale e individuale, che vengono confrontati con i valori limite. I risultati della quantificazione del rischio sono espressi attraverso gli indicatori stabiliti dal Decreto Legislativo n° 264/2006 [5].

Attraverso l’elaborazione e l’analisi dei “parametri caratteristici”, è stato attuato un monitoraggio continuo del livello di sicurezza della galleria Melarancio, effettuando l’analisi di rischio dinamica ad intervalli regolari predefiniti in condizioni di normale esercizio.

In caso di repentino mutamento delle condizioni di traffico, ambientali o del grado di funzionamento dei sistemi, è stata imposta un’immediata rivalutazione delle condizioni di sicurezza.

  • La planimetria del cunicolo
    7A La planimetria del cunicolo
    7A. La planimetria e la sezione del cunicolo di fuga della galleria
  • La sezione del cunicolo
    7B La sezione del cunicolo
    7B. La planimetria e la sezione del cunicolo di fuga della galleria

L’acquisizione dati

Il sistema SCADRA, installato in data 26 Luglio 2021 nella cabina di controllo della galleria Melarancio, è stato reso definitivamente visibile sulla rete di ASPI in data 4 Agosto 2021. A partire da questa data, è iniziato un periodo di prova dell’apparecchiatura, con lo scopo di verificare che le elaborazioni e gli output forniti dal sistema fossero corretti ed adeguati alle aspettative del Committente.

Durante questo periodo (Agosto 2021/Ottobre 2021), sono stati forniti al sistema dei dati di input di prova, rappresentativi di situazioni ordinarie e limite, prevedibili in galleria, e sono state osservate le elaborazioni effettuate dallo SCADRA.

Grazie a questo procedimento, il sottosistema è stato settato sulle reali condizioni di funzionamento, tarando i parametri di ingresso e definendo i messaggi di allarme e di attenzione da inviare all’operatore del centro di controllo. Una volta definita questa fase di industrializzazione del prodotto sulle reali condizioni operative, a partire da Ottobre 2021, il sistema è stato definitivamente attivato, rivestendo tutt’ora carattere sperimentale.

Ad oggi, tutti i dati di input vengono reperiti dal sistema SCADA, presente in galleria, o sono elaborati mediante studio dell’efficacia o forniti direttamente dal Gestore della struttura. I dati necessari alle elaborazioni vengono forniti, in maniera definitiva (dati fissi) o automatica (dati variabili), dai sensori installati nella galleria.

In ogni caso, il software presente all’interno dello SCADRA garantisce l’analisi di rischio anche in mancanza temporanea di alcuni dati di input (a causa di malfunzionamento del sistema di trasmissione o guasto di uno o più sensori). In questi casi, il dato momentaneamente mancante viene sostituito con i dati di default ricavati da valori di progetto o determinati da analisi di serie storiche locali.

Il profilo plano-altimetrico della galleria
8. Il profilo plano-altimetrico della galleria

La rappresentazione del livello di rischio

Il livello di rischio, calcolato come Valore Atteso del Danno (VAD), viene classificato secondo quattro categorie di rischio istantaneo. I livelli di rischio sono rappresentati dal sistema all’esterno mediante un’interfaccia grafica che rappresenta il livello di rischio in galleria tramite una serie di emoticons diversamente colorate:

  • livello 1: rischio basso (VAD ben al di sotto del valore di riferimento), che corrisponde alla galleria in esercizio in condizioni ottimali di sicurezza, in cui potrebbe essere consentita anche l’attuazione di strategie di risparmio energetico;
  • livello 2: rischio normale (VAD prossimo al valore di riferimento), che corrisponde ad una galleria in esercizio in condizionistandard di sicurezza;
  • livello 3: pre-allerta (VAD supera il valore di riferimento);
  • livello 4: allarme (VAD supera il livello di rischio accettabile).

L’interfaccia grafica mostra l’andamento del VAD relativo alle rilevazioni delle ultime 24 ore (ma si possono rappresentare anche i dati rilevati in un determinato intervallo di tempo) e mette in evidenza gli scostamenti dei principali parametri di input, se registrati, in concomitanza con l’innalzamento del livello di rischio verso la zona di attenzione (livello 3 e livello 4).

I livelli di rischio
9. I livelli di rischio

Conclusioni

La presenza dello SCADRA ha consentito la determinazione del livello di rischio istantaneo durante il periodo di test, senza la necessità di alcun intervento manutentivo, mantenendo un’interfaccia accessibile all’utente e un monitoraggio costante del livello di sicurezza della galleria. Per l’intero periodo di osservazione, le elaborazioni dello SCADRA e i report prodotti risultano coerenti con l’insieme dei dati di input acquisiti.

In particolare, si è potuta osservare una spiccata reattività del sistema al cambiamento dei parametri di ingresso: sia per i dati di prova, sia per i dati forniti al sistema durante le simulazioni di settaggio, e sia nei cambiamenti repentini dei dati in ingresso in occasione di situazioni particolari, avvenute durante l’esercizio.

Per esempio, analizzando quanto rilevato nel mese di Febbraio 2022, si può osservare che il livello di rischio stimato in galleria è aumentato in corrispondenza dei momenti in cui il flusso veicolare

è incrementato, a causa degli spostamenti del fine settimana (indicati nel grafico di Figura 10A tramite freccia – domenica 6, 13, 20 e 27 Febbraio 2022 intorno alle ore 18.00). Questa conseguenza è prevedibile in quanto vi è una chiara dipendenza tra il flusso veicolare (attorno a 30.000 veicoli/giorno nei giorni in esame) e i livelli di rischio in galleria.

Tuttavia, è importante sottolineare che il livello di rischio non è legato linearmente (o rigidamente) al volume di traffico, ma varia in maniera non prevedibile in funzione di più parametri: traffico, condizioni ambientali ed efficienza degli impianti presenti in galleria).

Ad esempio, intorno alle ore 14.00 del giorno 2 Febbraio 2022 (indicato nel grafico di Figura 10A tramite stella), nonostante il modesto flusso veicolare, il rischio si è attestato ai livelli dei giorni di traffico elevato poiché, in quel momento, sono stati condotti dei test di simulazione imponendo, forzatamente, che l’intero impianto di ventilazione fosse inefficiente.

Tuttavia, nonostante le fluttuazioni del traffico e le simulazioni con ingressi forzati, il livello di rischio calcolato è stato ben al di sotto del valore dichiarato per la galleria (evidenziato nel grafico di Figura 10A con linea orizzontale di colore verde).

  • I risultati del sistema SCADRA
    10A I risultati del sistema SCADRA
    10A. I risultati del sistema SCADRA risalenti a Febbraio 2022
  • I risultati del sistema SCADRA
    10B I risultati del sistema SCADRA
    10B. I risultati del sistema SCADRA risalenti ad Aprile 2022

La situazione rilevata a Febbraio 2022 si è ripetuta durante i mesi di rilevazione ed analisi. Come si può notare dai rilevamenti di Aprile 2022, valgono le considerazioni espresse precedentemente per il flusso veicolare del fine settimana (indicati nel grafico di Figura 10B con la prima e seconda freccia da sinistra -domenica 10 e 17 Aprile 2022), in cui il livello del flusso veicolare si è attestato intorno ai 30.000 veicoli/giorno.

Un picco di traffico è stato rilevato durante il lunedì dell’Angelo (18 Aprile 2022) e per la festa della Liberazione (25 Aprile 2022).

Durante queste giornate, è stato rilevato un traffico di circa 60.000 veicoli/giorno (molto simile alle ipotesi progettuali) ed un livello di rischio che, seppure inferiore, tende ad approssimarsi al valore atteso del danno (VAD) dichiarato ufficialmente.

In tali condizioni, l’inefficienza di un impianto avrebbe potuto causare, temporaneamente, un valore del livello di rischio più alto rispetto a quello dichiarato.

Dall’analisi dei dati si evidenzia che, durante il periodo di rilevazione avvenuto nella galleria Melarancio, il sistema SCADRA ha restituito un livello di rischio 1 (rischio basso), con l’innalzamento verso la zona di attenzione esclusivamente nei periodi di traffico intenso.

Durante le ore notturne, il livello di rischio è rimasto nella zona 1, anche se la percentuale dei mezzi pesanti in transito risulta molto elevata in considerazione dei bassi livelli di traffico. Ne consegue che il livello di rischio è rimasto accettabile anche in concomitanza di una serie di restringimenti di carreggiata, operati durante il periodo di osservazione e negli orari notturni per permettere dei lavori manutentivi.

Nelle Figure 11A, 11B e 11C viene mostrato l’interfaccia del sistema SCADRA a cui l’operatore del centro di controllo può accedere per monitorare il livello di rischio della galleria Melarancio.

  • I livelli di rischio 1
    11A I livelli di rischio 1
    11A. I livelli di rischio 1 nella galleria Melarancio
  • I livelli di rischio 2
    11B I livelli di rischio 2
    11B. I livelli di rischio 2 nella galleria Melarancio
  • I livelli di rischio 3
    11C I livelli di rischio 3
    11C. I livelli di rischio 3 nella galleria Melarancio

Bibliografia

[1]. A. Focaracci – “SCADRA: Innovation for Tunnel”, IRF Global R2T Conference Las Vegas, NV, 19-22 Novembre 2019.

[2]. A. Focaracci – “Smart Tunnel and Dynamic Risk Analysis”, 26th World Road Congress Abu Dhabi, 6-10 October 2019.

[3]. S. Fusari – “Il Piano Adeguamento Gallerie di Autostrade per l’Italia. Il progetto della sicurezza: stato dell’arte”, atti del Seminario Internazionale su “Road tunnel safety: state of the art in the alpine countries” World Road Association – PIARC Italian Committee, Verona, 18 Novembre 2009.

[4]. A. Focaracci – “Le misure gestionali nel progetto della sicurezza: criteri di scelta e metodi di verifica”, Conferenza Internazionale “La sicurezza nelle gallerie stradali. Le misure gestionali della Direttiva Europea”, Roma, 16 Febbraio 2016.

[5]. A. Focaracci, G. Greco – “The methodology of quantitative risk analysis in the application of the Legislative Decree n. 264/06”, World Tunnel Congress WTC Napoli, Maggio 2019.

[6]. S. Dolci, S. Fusari, N. Savini, N. Zangheri – “Esercizio, monitoraggio e manutenzione delle gallerie autostradali”, Webinar PIARC Comitato CT 3.3 “Gallerie” Sicurezza nelle gallerie stradali, 24 Febbraio 2022.

[7]. A. Focaracci – “Analisi di rischio nel progetto della sicurezza in galleria (IRAM – Italian Risk Analysis Method)”, Atti del Seminario “Sicurezza in galleria: Normativa, progetti, nuove tecnologie”, Genova, 27-28 Marzo 2007.

[8]. A. Focaracci – “The Italian Risk Analysis Method (IRAM)”, The First Arabian Tunnelling Conference & Exhibition, Dubai, 10-11 December 2013.

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