Hoe maken we tunnels veilig en snel voor het verkeer?

Promovendus Lars Moormann heeft met behulp van slimme algoritmen het ontwerp van besturingssystemen voor tunnels veilig en veel efficiënter gemaakt.

Tunnels zijn niet meer weg te denken uit het moderne verkeer. Ze helpen ons rivieren te omzeilen, en zorgen ervoor dat het steeds drukkere verkeer veilig langs en door onze steden en dorpen kan. Moderne tunnels zijn uiterste complexe systemen die voortdurend moeten worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat ze veilig zijn voor automobilisten. Promovendus Lars Moormann heeft slimme tools ontwikkeld die het veel gemakkelijker maken om efficiënte besturingssystemen te bedenken voor tunnels. Hij verdedigt zijn proefschrift op 15 december bij de faculteit Mechanical Engineering.

Verkeerstunnels spelen wereldwijd een belangrijke rol in de verkeersinfrastructuur. Ze worden gebruikt om rivieren en bergen te omzeilen, om de verkeersstroom te verbeteren en om de levenskwaliteit in stedelijke gebieden te verhogen. Ook in Nederland, een land met de hoogste bevolkingsdichtheid en het dichtste waterwegennet van heel Europa, zijn tunnels een belangrijk deel van de infrastructuur.

Een voorbeeld van een tunnel die onlangs in Nederland is aangelegd, is de Koning Willem-Alexandertunnel. Deze tunnel loopt onder de stad Maastricht door om de verkeersstroom door de stad te verbeteren en de leefbaarheid voor de bewoners te vergroten. Een soortgelijke tunnel is te vinden in Roermond.

Veiligheid voor alles

Om ervoor te zorgen dat bestuurders de tunnels veilig kunnen gebruiken, zijn deze doorgaans uitgerust met een groot aantal technische installaties. Denk aan slimme verlichting, ventilatie, evacuatiesystemen, brandblusmiddelen en systemen die waarschuwen voor overstromingen. Samen vormen deze technische installaties een ingewikkeld netwerk dat wordt gecoördineerd door een besturingssysteem. Iedere storing in deze regelaars kan leiden tot gevaarlijke situaties of onderbrekingen van de verkeersstroom, die uren of zelfs dagen kunnen duren.

“Deze regelaars gebruiken digitale systemen om de installaties in de tunnel te controleren en te besturen, en rapporteren vervolgens via feedbacklussen terug met behulp van computeralgoritmen”, legt Lars Moormann, onderzoeker bij de groep Control Systems Technology, uit. “Daarnaast zijn er ook menselijke verkeersoperators, die indien nodig handmatig kunnen ingrijpen, bijvoorbeeld om de tunnel af te sluiten bij een ongeval of om een specifiek verkeerslicht te veranderen.”

De regelaars correct te laten werken in een complexe omgeving als een tunnel is verre van eenvoudig. “Gelukkig zijn er manieren om het ontwerpproces te automatiseren met behulp van een methode die Supervisory Control Theory heet,” zegt Moormann.

Van model tot synthese

De eerste stap is het opstellen van geschikte modellen van de tunnel en de eisen die daaraan worden gesteld. Hiervoor heeft Moormann een tool gemaakt waarmee in enkele minuten een complete verkeerstunnel kan worden gemodelleerd. Door de parameters van een tunnel op te geven, zoals het aantal verkeersbuizen, rijbanen en vluchtdeuren, bepaalt de tool automatisch welke modellen voor die tunnel nodig zijn.

“Vervolgens gebruiken we computeralgoritmen om uit de gecreëerde modellen automatisch een specifiek besturingssysteem af te leiden”, zegt Moormann. “Dit is een complex probleem dat exponentieel groeit met het aantal systeemcomponenten en parameters. Maar omdat wegtunnels meestal symmetrisch zijn, konden we de complexiteit van het syntheseprobleem aanzienlijk verminderen. Immers, als een systeem gelijksoortige subsystemen bevat, hoeven de berekeningen voor de regelaar maar één keer te worden uitgevoerd.”

Met de nieuwe tool verbeterde de onderzoeker de prestaties van het syntheseproces van het besturingssysteem met maar liefst 80 procent.

Testen van de regelaars

De volgende stap was het testen van de regelaars in een echt tunnelsysteem. Voordat hij dat kon doen, moest Moormann een manier bedenken om zijn systeem samen te laten werken met programmeerbare logische controllers (PLC’s). Dat zijn de hardwareplatforms die vaak worden gebruikt om regelaars te implementeren.

Een doorsnee wegtunnel wordt bestuurd door meer dan tien PLC’s, die allemaal met elkaar moeten communiceren, een proces dat kan leiden tot vertragingen. De onderzoeker ontwikkelde algoritmen om het negatieve effect van deze vertragingen op de besturing te verminderen.

Moormann testte de resultaten van zijn project vervolgens op verschillende wegtunnels, waaronder de Koning Willem-Alexandertunnel, de Eerste Heinenoordtunnel en de Swalmentunnel bij Roermond.

“We zijn erg blij met de uitkomst. Uit ons onderzoek blijkt dat de Supervisory Control Theory niet alleen snel en correct is, maar ook toepasbaar voor dit soort systemen. Dit betekent dat deze methoden klaar zijn voor de praktijk, en kunnen helpen om de verkeersstroom in onze tunnels veilig en efficiënt te houden.”

Samenwerking met Rijkswaterstaat

Het onderzoek van Moormann maakt deel uit van het project MultiWaterWerk (MWW), een samenwerkingsproject tussen TU/e en Rijkswaterstaat, de eigenaar van twintig van de in totaal 27 tunnels in Nederland. Het project beoogt het ontwerp van nieuwe sluizen, tunnels en andere infrastructuur te standaardiseren, om zo kosten en tijd te besparen.

Onderdeel hiervan zijn de op synthese gebaseerde methoden die Moormann in zijn project heeft gebruikt om automatisch besturingssystemen te genereren. Deze methoden worden steeds populairder, omdat ze niet alleen de productietijd verkorten, maar ook onmiddelijk garanties bieden voor correctheid.

Titel van proefschrift: Light at the end of the tunnel.
Promotoren: Wan Fokkink, Pascal Etman en Asia van de Mortel-Fronczak.

Bron: TU Eindhoven