L’incremento della sicurezza nelle gallerie stradali ... · aumentare la sicurezza delle gallerie stradali attraverso l’incremento prestazionale, sia in termini di affidabilità
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Dottorando: Ciro Fusco
Tutor: Prof.ssa Paola di Mascio - DICEA
Cotutor: Prof.ssa Mara Lombardi - DICMA
L’incremento della sicurezza nelle gallerie stradali
attraverso l’ottimizzazione dei sistemi
elettrici ed elettronici
Ammissione al III anno
Dalle prime fasi all’Indoor Positioning (IPS)
L’attività di ricerca è mossa dalla possibilità di
aumentare la sicurezza delle gallerie stradali attraverso
l’incremento prestazionale, sia in termini di affidabilità
che di funzioni, dei sistemi elettrici ed elettronici presenti
o realizzabili nell’infrastruttura stessa.
L’analisi dei sistemi, sia in condizioni ordinarie che di
emergenza, realizzata con un approccio olistico del
sistema impianti-galleria-utenza, ha permesso di
individuare alcune criticità per diversi elementi suscettibili
di significativi miglioramenti.
Ad esempio, i sistemi utilizzati per il supporto all’esodo
pedonale, in quanto si ritiene che le tecniche attualmente
adottate per facilitare l’esodo (indicazioni sui percorsi)
siano tecnologicamente superate e in alcuni casi
inadeguate.
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stradali attraverso l’ottimizzazione dei
sistemi elettrici ed elettronici.
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Indoor Positioning (IPS)
E’ opportuno dotare l’infrastruttura di un moderno
sistema informativo in grado di fornire indicazioni, anche
di tipo dinamico, sul miglior percorso da seguire per
abbandonare la galleria, sia in condizioni ordinarie che in
caso di emergenza, in relazione alla posizione e alle
caratteristiche dell’evento incidentale.
E’ stato quindi sviluppato un sistema di localizzazione
e navigazione interno all’infrastruttura (Indoor
Positioning System - IPS) a supporto dei sistemi
informativi attualmente presenti in galleria.
I sistemi di localizzazione indoor, adottati in
applicazioni di sicurezza in ambiente confinato, dovranno
necessariamente offrire adeguati livelli di fidatezza e
sostenibilità economica.
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Indoor Positioning con dispositivi Beacons BLE
L’analisi sullo stato dell’arte dei sistemi di localizzazione
indoor utilizzati in ambienti ordinari ha suggerito lo sviluppo di
un sistema IPS basato su dispositivi Beacons BLE e fruibile
anche attraverso l’utilizzo di un comune smartphone
compatibile bluetooth 4.0.
I beacons BLE sono dei dispositivi elettronici a basso costo,
aventi dimensioni dell’ordine di una moneta, che utilizzano la
tecnologia BLE (Bluetooth low Energy) per trasmettere
periodicamente segnali radio (nell’intorno dei 2.4 GHz)
contenenti modeste quantità di dati, captati ed elaborati da uno
o più ricevitori mobili, posti a distanze variabili da pochi
centimetri a qualche decina di metri.
Questi dispositivi, nati inizialmente per fornire all’utente
informazioni commerciali e pubblicitarie, vengono oggi utilizzati
in diversi ambiti, in quanto si prestano a numerose applicazioni,
tra cui anche quelle, in via di sviluppo, di Indoor Positioning.
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Indoor Positioning con dispositivi Beacons BLE
La localizzazione indoor con dispositivi
beacons BLE si basa sull’elaborazione dei
cosiddetti valori RSSI (Received Signal
Strength Indicator), ovvero sull’intensità dei
segnali radio captati dal ricevitore e relativi ad
ogni singolo beacon, identificato dal sistema in
modo univoco.
Per l’elaborazione delle radio triangolazioni
e la restituzione di dati spaziali necessari a
posizionare il soggetto nell’ambiente, il
sistema IPS necessita di un accurato
posizionamento dei beacons e di un’apposita
applicazione, precaricata sul ricevitore, che
dovrà possedere in memoria la mappa
dell’ambiente con associate le posizioni
d’installazione di ogni singolo beacon.
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RSSI in funzione della distanza: alcune criticità
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by Han Zou et al.; BlueDetect: An iBeacon-Enabled Scheme for Accurate and Energy-Efficient Indoor-Outdoor Detection
and Seamless Location-Based Service; Sensor 22 February 2016: DOI: 10.3390/s16020268
RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari
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RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari
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RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari
Perché Beacons BLE in galleria?
I principali motivi che hanno portato a scegliere questi dispositivi quale base di sviluppo per un sistema
IPS di galleria sono i seguenti:
Caratteristiche hardware e software relativamente semplici che si traducono positivamente in affidabilità di
funzionamento e in generale negli aspetti di una moderna progettazione RAMS
Possibilità di realizzare sistemi a radio frequenza molto distribuiti che consentono, con opportune
configurazioni, di ottenere un’elevata indipendenza funzionale tra i singoli dispositivi o tra piccoli gruppi di
dispositivi, anche in caso di perdita per guasto o incidente dei restanti elementi costituenti il sistema
Fruibilità delle applicazioni senza la necessità di utilizzare terminali mobili dedicati, in quanto risultano
sufficienti i comuni smartphone compatibili bluetooth 4.0, sia con sistemi operativi Android che iOS
Consumo energetico molto ridotto, caratteristica significativa anche per gli aspetti relativi all’alimentazione di
sicurezza
Dimensioni e peso trascurabili che consentono numerose soluzioni di installazione
Installazione semplice e manutenzione ridotta
Basso costo
Possibile implementazione di altre tecnologie di supporto alla localizzazione, ad esempio sistemi inerziali
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Prove sperimentali per valutare sul campo il comportamento
A fronte degli aspetti positivi sono da tenere in
considerazione criticità tipiche dei sistemi a radio frequenza,
relative alla propagazione del segnale, alla variabilità del
comportamento radio in relazione alle caratteristiche ambientali,
agli ostacoli, all’orientamento del ricevitore e alla presenza di
interferenze elettromagnetiche.
Il sistema di localizzazione con beacons BLE pur
consentendo architetture distribuite facilmente ottimizzabili e
l’applicazione di algoritmi di compensazione, non sempre è in
grado di fornire risultati accurati e precisi, in quanto negli
ambienti reali i segnali risentono di fattori di disturbo che
influiscono sui valori RSSI, restituendo errori di
localizzazione non sempre accettabili in relazione allo
scopo applicativo.
Al fine di valutare, se pur in modo preliminare, l’impatto di
queste criticità, molto variabili e spesso difficilmente modellabili,
si è ritenuto opportuno studiare il comportamento del sistema
attraverso alcune sperimentazioni di base effettuate
direttamente in galleria e in un ambiente ordinario, a scopo di
confronto.
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Sapienza (ambiente ordinario di confronto)
Galleria stradale di 150 m - Framura (SP)
Alcuni dettagli sulla sperimentazione
Le sperimentazione ha beneficiato del supporto
dell’azienda Blueup Srls - Colle Val d'Elsa (SI), che ha
fornito i dispositivi beacons con alcuni applicativi di
base, e della disponibilità del comune di Framura (SP),
nella figura del Sindaco Sig. Andrea Da Passano, che
ha autorizzato la prova in una galleria stradale del
comune, lunga circa 150 m e larga circa 8 m, situata in
prossimità della stazione ferroviaria
I beacon sono stati posizionati in parete in due distinti
tratti di galleria. I dispositivi identificati in blu sono stati
posizionati a 3 m da terra, mentre quelli color rosso a
1,5 m. La distanza in parete tra i dispositivi è stata
fissata a 10 m circa (sfalsati tra parete sx e dx). Le due
diverse altezze da terra sono state individuate per
studiare il comportamento in considerazione di diversi
aspetti, quali ad esempio: propagazione del segnale,
interferenze veicolari, opportunità di alimentazione e
controllo cablato, vulnerabilità a urti e incendi.
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Alcune immagini delle fasi preparatorie
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Un riscontro sperimentale sull’accuratezza della
localizzazione in galleria
La riga verde vicino ad un beacon rappresenta la posizione di una uscita
di sicurezza, simulata in galleria con un cartello segnaletico e con delle
luci color verde. Il cerchio azzurro vicino alla riga verde indica la posizione
dell’operatore durante la prova. La posizione individuata dal sistema di
localizzazione può essere confrontata con la posizione reale di uno degli
operatori (figura 2). La freccia verde indica la posizione dell’uscita di
emergenza simulata. Dalle due immagini si può apprezzare l’accuratezza
del risultato riscontrato durante questo specifico test.
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Figura 1
Figura 2
La figura 1 rappresenta uno
degli screenshot salvato durante
le prove, relativo allo schermo
dello smartphone utilizzato.
Dall’immagine si può osservare
una porzione della pianta di
galleria. I semicerchi rossi
rappresentano i beacons,
riportati in pianta al fine di poterli
utilizzare come riferimento
posizionale durante i test.
Nota: i risultati sperimentali saranno oggetto di analisi completa nei prossimi mesi di ricerca.
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Alcune immagini della sperimentazione
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Figura 1 Figura 2
Figura 3 Figura 4
Prova con Beacons a 1,5 m da terra
Figura 1 - test di navigazione
longitudinale: accuratezza soddisfacente
(errori entro 2-3 m)
Nota: a passo veloce si rileva un certo
ritardo nell’aggiornamento della posizione
Figura 2 - test di posizionamento statico,
nelle vicinanze di un beacon: accuratezza
elevata (errori entro 1-2 m)
Nota: si rilevano errori di accuratezza e
precisione simili ad ogni aggiornamento)
Figura 3 - test di navigazione
longitudinale tra i veicoli fermi: accuratezza
accettabile (errori entro 2-4 m)
Nota: a passo veloce si rileva un certo
ritardo nell’aggiornamento della posizione
Figura 4 - test ripetuti con sorgenti di
disturbo a 2.4 Ghz, poste a circa 1 m dallo
smartphone: non si sono rilevate
apprezzabili differenze rispetto a quanto
sopra descritto
Le funzioni IPS in studio per il supporto all’esodo pedonale
(condizioni ordinarie)
IPS, condizioni ordinarie, livello
prestazionale base
L’utente che ha la necessità di
abbandonare l’infrastruttura in
condizioni ordinarie, riceverà
indicazioni sulla sua posizione in
relazione alla pianta di galleria
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IPS, condizioni ordinarie, livello
prestazionale avanzato
L’utente che ha la necessità di
abbandonare l’infrastruttura in
condizioni ordinarie, riceverà
indicazioni sulla sua posizione in
relazione alla pianta di galleria con
l’indicazione delle distanze in gioco
Le funzioni IPS in studio per il supporto all’esodo pedonale
(condizioni di emergenza)
IPS, condizioni di emergenza,
livello prestazionale base
L’utente che ha la necessità di
abbandonare l’infrastruttura in condizioni
di emergenza, riceverà indicazioni sulla
sua posizione in relazione alla pianta di
galleria con l’indicazione del verso da
seguire (l’incendio non sarà visibile in
mappa)
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stradali attraverso l’ottimizzazione dei
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IPS, condizioni di emergenza,
livello prestazionale avanzato
L’utente che ha la necessità di
abbandonare l’infrastruttura in condizioni
di emergenza, riceverà indicazioni sulla
sua posizione in relazione alla pianta di
galleria con l’indicazione del verso da
seguire e delle distanze in gioco
(l’incendio sarà visibile in mappa).
Possibile implementazione di aspetti di
valutazione rischio
Ulteriori approfondimenti e sviluppi
A completamento del progetto si prevede di studiare ed eventualmente sperimentare,
mantenendo l’approccio RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) che
ha caratterizzato lo studio, adeguati sistemi di alimentazione e controllo dei dispositivi
beacons. In particolare, sarà analizzata l’applicazione di circuiti di sicurezza ad elevata
integrità funzionale, supportati eventualmente da alimentazioni autogene ad elevate
prestazioni, da integrare in ciascun beacon.
Il sistema di localizzazione di questo progetto si presta anche ad altre applicazioni,
alcune delle quali potrebbe essere oggetto di approfondimento. Si individuano sin d’ora
i seguenti ulteriori ambiti applicativi:
Supporto alla manutenzione, anche in merito ad aspetti di gestione certificata della
manutenzione
Supporto alle squadre di soccorso
Supporto alla guida, attraverso l’invio di informazioni a dispositivi preposti a bordo dei
veicoli
Supporto indoor al sistema di navigazione GPS
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Consuntivo e cronoprogramma previsto
IN
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Grazie per l’attenzione
IN
Framura (SP) – 13 ottobre 2018
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