Bezdrátové komunikační systémy pro lokalizaci osob a předmětů v tunelech a rozsáhlých stavbách

Bezdrátové (rádiové) komunikační systémy patří v současnosti k nejdůležitějším technickým prostředkům. A to nejen proto, že zvyšují náš komfort a mobilitu, ale především proto, že jsou součástí drtivé většiny bezpečnostních a zabezpečovacích zařízení. Navíc s nástupem fenoménů IoT (Internet věcí), Smart City, Industry 4.0 nebo indoor lokalizace se zdá, že jejich význam bude nadále strmě stoupat. I proto je důležité, aby v každé fázi projektu nové stavby nebo její rekonstrukce bylo uvažováno právě o dostupnosti rádiových služeb a jejich bezchybném fungování.

Každá stavba, ať už je z jakéhokoli materiálu, má na šíření rádiového signálu větší či menší vliv. Mezi materiály s největším vlivem na šíření signálu patří železobeton, vodivé materiály (především kovy, pokovená skla, vlhká zemina) a mnoho dalších.

Na druhou stranu, vhodnějšími materiály z tohoto pohledu jsou například sádrokarton, polystyren, dřevo, nepokovená skla, keramika, plasty a suché cihlové zdivo. Kromě materiálů má na šíření signálu do budov a uvnitř budov vliv i poloha a samotná konstrukce budovy, její členitost, rozměry, geometrický tvar jednotlivých částí, množství a rozměry prostupů.

Z výše uvedeného lze odvodit, že pokud je budova tvořena například železobetonovými sloupy a nosníky s dostatečně velkými otvory, které mohou být vyplněny materiálem s nízkým útlumem (u administrativních budov například nepokovené sklo), nebo jsou otvory zcela bez výplně (nadzemní patrové garáže), pak je vysoce pravděpodobné, že uvnitř těchto prostor nebude s dostupností komunikačních služeb žádný významný problém.

Na druhé straně spektra stojí budovy, které jsou konstruovány převážně z vodivých materiálů (například obchodní centra s kovovým obvodovým pláštěm, případně kovovým obkladem), nebo stavby, které šíření signálu zabraňují už jen svou polohou, bez ohledu na konstrukci (například podzemní garáže, silniční a dálniční tunely, tunely a stanice metra). U takových staveb je třeba zajistit spojení dodatečnými technickými prostředky, které budeme dále v textu označovat jako Zařízení pro posílení rádiového signálu (ZPPRS).

Zařízení pro posílení rádiového signálu

Zařízení pro posílení rádiového signálu jsou obecně řečeno taková technická zařízení, která zajistí rádiové spojení v objektech, jež svou konstrukcí, materiálem a polohou zabraňují pronikání rádiového signálu z vnějšího pláště budovy do vnitřních prostor (a opačným směrem), případně mezi jednotlivými částmi vnitřních prostor téže budovy. Zpravidla se jedná o tunely, obchodní centra, metra, nádraží, letiště, skladovací prostory, podzemní úložiště nebo velké průmyslové provozy.

Každé z těchto míst má z pohledu šíření rádiového signálu své specifické problémy a při jejich řešení je tak třeba v každém případě postupovat individuálně s ohledem na místní podmínky, legislativní požadavky a přání investora.
Z pohledu technického řešení a využití ZPPRS rozlišujeme tato zařízení na komplexní a dělená.

Dělená ZPPRS
Dělená ZPPRS (někdy také nepřesně pasivní) jsou tvořena z velké části anténami nebo vyzařovacím kabelem, anténním rozvodem a dalšími pasivními sdružovacími prvky. Dělená ZPPRS jsou určena zejména pro ty komunikační systémy, které po většinu života budovy zůstávají v ideálním případě nevyužity.

Jedná se především o rádiové komunikační prostředky jednotek Integrovaného záchranného systému (Hasičský záchranný sbor, Zdravotnická záchranná služba, Policie ČR). Výhodou dělených systémů je především nízká pořizovací cena a téměř nulové náklady na provoz systému. Aktivní prvky si totiž v tomto případě vozí zasahující jednotky IZS.

Komplexní ZPPRS
Komplexní ZPPRS jsou rozsáhlejší systémy, které se uplatňují především u větších infrastrukturních staveb a všude tam, kde je třeba zajistit nepřetržitý provoz rádiových prostředků. Klasickým příkladem staveb vhodných pro nasazení komplexních ZPPRS jsou silniční, dálniční, železniční tunely, tunely a stanice metra nebo jiné rozsáhlé stavební objekty s velkým rizikem vzniku mimořádné události (např. dopravní nehoda nebo únik nebezpečných látek).

Komplexní ZPPRS obsahují zpravidla, kromě již uvedených pasivních částí, také aktivní část – převaděč nebo rádiový opakovač. Výhodou tohoto řešení je skutečnost, že systém je připraven na funkci v kterémkoli okamžiku, a také fakt, že může sloužit i pro nepřetržitý běžný rádiový provoz v objektu.

Zajištění rádiového spojení v tunelech

Prvním tunelem, kde byl systém se ZPPRS na našem území nasazen, byl tunel pražského metra. V roce 1974 tam byla státním podnikem Tesla Pardubice instalována anténní dvojlinka pro přenos signálů v pásmu 160 MHz. Během masivního rozvoje nových technologií v průběhu devadesátých let minulého století byla anténní dvojlinka a systémy na ní postavené nahrazovány modernějšími (a ve světě již delší dobu používanými) technologiemi, které využívaly vyzařovací kabel. Tento směr dnes patří v tunelech ke standardu.

Silniční, dálniční a železniční tunely, tunely a stanice metra patří bezesporu mezi objekty s velmi obtížnými podmínkami pro případný zásah složek integrovaného záchranného systému. Ať už svou polohou nebo množstvím osob, které se v těchto objektech pohybují. Tento fakt reflektují i předpisy ministerstva dopravy, které výslovně stanovují množství a druh technických prostředků, kterými musí být tyto objekty vybaveny.

Pro silniční a dálniční tunely jde o předpis ministerstva dopravy TP98 (Technologické vybavení tunelů pozemních komunikací), který se mimo jiné v kapitole VII věnuje spojovacím a dorozumívacím prostředkům. Předpis vyžaduje zajištění přenosu těchto služeb (citace):
•    alespoň jedné rozhlasové stanice s dopravními informacemi, kde mají přednost stanice s kanálem RDS-TMC  (Traffic Message Channel),
•    kanálu jednotek požární ochrany, záchranné zdravotnické služby a policie,
•    alespoň jednoho kanálu provozní, resp. servisní služby,
•    alespoň jednoho operátora mobilní telefonní sítě pro krizovou mobilní komunikaci.

Dále předpis vyslovuje požadavek na vybavení tunelů kategorie TA a TB anténou (pro krátké tunely) nebo vyzařovacím kabelem (pro delší tunely). Tunely kategorie TC se dle předpisu vybavují na základě posouzení bezpečnosti, pokud je jejich délka větší než 300 m. Dále předpis uvádí, že signálem je nutné zabezpečit i technické a pomocné prostory, únikové cesty a další prostory související s tunelem.

Je však třeba říci, že tento předpis vzhledem ke svému stáří (aktuálně z roku 2003) nereflektuje některé nové poznatky (návrh ZPPRS ve smyslu požárně bezpečnostního zařízení) a aktuální technologie, například LTE nebo vnitřní lokalizaci. Je tak na investorovi a projektantovi požárně bezpečnostního řešení stavby, aby zhodnotili současný stav technologií a navrhli takové řešení, jež zajistí efektivní a bezpečný průběh zásahu v případě mimořádné události. Jedním z fenoménů poslední doby v této oblasti je využití systémů pro lokalizaci osob a předmětů ve vnitřních prostorách.

Systémy lokalizace osob a předmětů uvnitř staveb

Satelitní navigační systémy se od doby svého uvolnění do komerčního provozu staly běžnou součásti každodenního života – mnoho oblastí průmyslu a obchodu si dnes bez nich lze jen těžko představit (doprava, turistika, bezpečnost…). Jejich velkou nevýhodou je to, že nejsou využitelné v drtivé většině prostor uvnitř budov, a to i přes technologický pokrok v kosmickém i uživatelském segmentu.

V mnoha případech lze tento problém částečně obejít například dočasným využitím inerciální navigace a odhadu polohy (průjezd auta tunelem). Někdy stačí velmi hrubý odhad polohy uvnitř budovy, například pomocí technologií WIFI, RFID nebo Bluetooth iBeacon (využití především pro reklamní účely). Pro seriózní určení polohy osob nebo předmětů je pak vhodné využívat například technologie založené na standardu IEEE 802.15.4a.

Všechny uvedené bezdrátové technologie mají společnou nevýhodu – vyžadují dodatečnou infrastrukturu uvnitř budov, která zajišťuje komunikaci mezi jednotlivými částmi lokalizačního systému. To ale neplatí v situaci, kdy jsou tyto stavby již vybaveny ZPPRS – je jedno, zda aktivním nebo pasivním –, protože komunikace částí lokalizačního systémů může být realizována právě přes ZPPRS. Situaci ilustruje obr. 3.

V uvedeném příkladu komunikují čidla (kotvy) pevně instalovaná v budově s osobními jednotkami (tagy) a měří vzájemnou vzdálenost. Při využití technologií založených na standardu 802.15.4a lze v tomto případě dosáhnout přesnosti změřené vzdálenosti až na ±10 cm. Následně jsou tyto informace skrze ZPPRS odeslány bezdrátově do centra ke zpracování. Toto řešení umožňuje výrazným způsobem snížit náklady na instalaci lokalizačního systému.

Velkou výhodou rádiových lokalizačních systémů je jejich nezávislost na okolních podmínkách. Na rozdíl od kamerových systémů mohou zcela spolehlivě určit polohu osoby bez ohledu na případné zakouření prostoru nebo množství cizích předmětů (např. aut odstavených v evakuovaném tunelu). Kromě své primární funkce mohou navíc dále přenášet i dodatečné informace o stavu sledovaného objektu a jeho okolí (teplota, množství a složení zplodin, životní funkce…).

Literatura
1.    Daněk, L.: Rádiové spojení složek IZS v rozsáhlých objektech, 2015.
2.    Bebčák, P. – Čapek, J.: Kabelové rozvody v požární bezpečnosti staveb. 1. vyd. v Ostravě: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2013, 69 s. Spektrum (Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství).
3.    Čapek, J.: Rádiové spojení IZS v tunelech, podzemních garážích a obdobných prostorech [online]. Ostrava, 2014 [cit. 2015-06-27].
4.    TP98. Technologické vybavení tunelů pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy, 2014.

Bezdrátové komunikační systémy pro lokalizaci osob a předmětů v tunelech a rozsáhlých stavbách
Bezdrátové (rádiové) komunikační systémy patří v současnosti k nejdůležitějším technickým prostředkům. A to nejen proto, že zvyšují náš komfort a mobilitu, ale především proto, že jsou součástí drtivé většiny bezpečnostních a zabezpečovacích zařízení. Navíc s nástupem fenoménů IoT (Internet věcí), Smart City, Industry 4.0 nebo indoor lokalizace se zdá, že jejich význam bude nadále strmě stoupat. I proto je důležité, aby v každé fázi projektu nové stavby nebo její rekonstrukce bylo uvažováno právě o dostupnosti rádiových služeb a jejich bezchybném fungování.

TEXT: Ing. Ondřej Karas, Ing. Libor Daněk
OBRÁZKY: RCD Radiokomunikace spol. s r.o.
_________________________________________________
Ondřej Karas a Libor Daněk působí ve společnosti RCD Radiokomunikace spol. s r.o.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inženýrské stavby 05/2016.