Учредитель журнала

Концепция информационного моделирования объектов железнодорожной инфраструктуры на этапах жизненного цикла

УДК 625.03

DOI 10.52815/0204-3653_2022_04188_12
EDN: OIGEIB

Железнов Максим
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ), Научно-технологический университет «Сириус» (НТУ «Сириус»).
E-mail: ZheleznovMM@mgsu.ru

Адамцевич Любовь
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ), Научно-технологический университет «Сириус» (НТУ «Сириус»).
E-mail: AdamtsevichLA@mgsu.ru

Рыбакова Ангелина
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ), Научно-технологический университет «Сириус».
E-mail: AngelinaRibakova@yandex.ru

Введение

Технологии информационного моделирования (ТИМ или англ. Building Information Modelling (BIM) – это комплекс взаимосвязанных процессов, основанных на использовании интеллектуальных 3D-моделей, включающих в себя максимальное количество информации об объекте. Информационное моделирование охватывает все этапы жизненного цикла: от концепции до эксплуатации, а также включая демонтаж. Цель технологии информационного моделирования – объединить в себе все процессы градостроительной деятельности, что делает ее одной из самых перспективных не только в строительной отрасли, но и в смежных инженерных науках [1].
ТИМ относительно новый метод проектирования объектов капитального строительства, активно используемый в различных странах. Однако в результате успешной реализации множества проектов [2] концепция BIM стала развиваться не только с точки зрения повышения качества, но и расширяться в смежные инженерные области. Распространение BIM в первую очередь направлено на те объекты, жизненный цикл которых наиболее приближен к жизненному циклу объекта капитального строительства [3].
Наиболее перспективными в данном случае являются объекты транспортной инфраструктуры. Несмотря на то, что объекты транспортного строительства отличаются от объектов гражданского и промышленного назначения линейным характером сооружений, процесс проектирования с точки зрения BIM-реализации имеет схожие функциональные и инструментальные составляющие [4].
При рассмотрении зарубежного опыта реализации транспортных объектов на основе технологий информационного моделирования [5] можно предположить, что комплекс факторов, таких как эффективная методика проектирования, использование опыта капитального строительства, тесное взаимодействие с государственными органами, ориентирование на последующие этапы жизненного цикла и высокий уровень совместной работы, при правильной организации дает максимально положительный эффект не только проектирования, но и на протяжении всего жизненного цикла (рис. 1).

Рис. 1. Карта крупнейших BIM-проектов железнодорожной инфраструктуры [5]

На территории России на сегодняшний день отсутствуют реализованные объекты аналогичного перечня, что дает основу для реализации собственных проектов и новых научных исследований [6–7].
На примере модернизации участка железной дороги в Италии «Castelfranco – Bassano» можно увидеть существенные преимущества и эффективность использования технологий информационного моделирования в совокупности со смежными информационными системами. Работа заключалась в последовательном выполнении разноплановых этапов модернизации:

  1. Моделирование 3D цифровой модели местности из облака точек.
  2. Создание горизонтального выравнивания, вертикальных профилей и редактирование поперечных сечений.
  3. Моделирование туннеля с домкратом.
  4. Создание кольцевой развязки.
  5. Создание 3D параметрической модели дороги.
  6. Визуализация инфраструктуры в контексте реального мира [1].

Предложенная методология формирует не только инструмент для проектирования, но и помогает продемонстрировать работу существующей инфраструктуры в реальном времени с учетом особенностей окружающей среды.
Анализ эффективности BIM-технологий на протяжении всего жизненного цикла представлен на примере тоннеле метрополитена оранжевой ветки города Сан-­Пауло. В результате исследования авторы демонстрируют преимущества использования BIM для комплекса задач всего жизненного цикла, а не каждого этапа по отдельности. Одновременно выявлены направления для потенциального развития, к которым относится:

  1. Популяризация использования концепции и инструментов BIM на уровне заказчика, в том числе государственного: стандартизация и развитие методологии BIM.
  2. Стимуляция развития формата IFC для всех смежных компонентов транспортной инфраструктуры [8].

Анализ использования BIM для существующей инфраструктуры был проведен также итальянскими учеными на примере реализации модели международного аэропорта Lamezia Terme на юге Италии. Была предложена методология для рационализации и проверки проекта, а также для демонстрации работы сопутствующей транспортной инфраструктуры в контексте трехмерного реального мира.
Одновременно предлагается использование BIM для формирования динамической базы данных измерения трения на взлетно-­посадочной полосе, что позволяет визуализировать значения и динамику измерений. Технология BIM обеспечивает комплексное и интегрированное хранение информации о качестве эксплуатируемых компонентов объекта, что дает возможность обмена информацией для планирования и оценки технического обслуживания аэропорта [9].
В некоторых исследованиях рассматривается эффективность использования BIM не только с точки зрения технического и инженерного преимущества, но и вопросов управления: BIM-модель становится инструментом для моделирования, планирования, внедрения, контроля и взаимодействия заинтересованных специалистов и обмена данных [10–11].
Техническая возможность и методика непосредственного моделирования железных дорог подробно представлена на основе BIM-подхода процедурного моделирования для проектирования железных дорог. В результате сформулирован потенциал программных средств информационного моделирования, однако одновременно выделены недостатки инструментария для проектирования железнодорожной инфраструктуры:

  • слабая нормативная база;
  • низкий уровень владения языками параметрического программирования специалистами;
  • низкий уровень обмена данными;
  • необходимость создания библиотек объектов;
  • необходимость разработки программ, предназначенных для проектирования линейных инфраструктур [12].

При этом на основе анализа зарубежного опыта можно выделить ключевые факторы успешной реализации, а также особенности и показатели объектов. Таким образом, целесообразно сформировать концепцию эффективного использования информационного моделирования объектов транспортной инфраструктуры.

Материалы и методы

Технологии информационного моделирования в целом, а также разработка именно транспортных объектов включает в себя не только сам процесс моделирования, но и множество сопутствующих факторов и инструментов. В совокупности технологий, методологии решения конкретных задач, организационных и административных факторов с определенным уровнем влияния и взаимодействия формируется общая концепция, определяющая фундамент для реальной работы и потенциальной.
Для определения концепции необходимо учесть фундаментальные особенности объектов железнодорожной инфраструктуры [13–15]. Главное функциональное назначение железнодорожного транспорта – это перевозка грузов и пассажиров.
Инфраструктура железнодорожного транспорта – это комплекс взаимосвязанных структур, обеспечивающих выполнение основной его функции – перевозочного процесса [16]. Таким образом, инфраструктура включает в себя множество разноплановых объектов, которые обладают следующими характеристиками (классификация по функциональному признаку и их свой­ства):
1. Железнодорожные магистрали (линейные объекты):
– высокий уровень электрификации;
– протяженность;
– большое количество путей;
– непрерывное функционирование;
– системность магистралей.
2. Объекты обеспечения функционирования (узловые объекты):
– функциональность;
– режимность;
– наличие систем автоматики и мониторинга;
– присутствие людей;
– интеграция с магистралями.
Необходимо отметить, что каждый этап жизненного цикла объекта включает в себя соответсвующий ряд задач и требований к ним. Однако в зависимости от объекта и его назначения существуют качественные и временные различия. Таким образом, жизненный цикл объекта транспортной инфраструктуры – совокупность взаимосвязанных процессов создания, функционирования и утилизации объекта транспорта, которые начинаются с разработки концепции и заканчиваются демонтажем. Следовательно, жизненный цикл объектов транспортной инфраструктуры, аналогично жизненному циклу объектов капитального строительства, включает в себя те же этапы, но внутри каждого этапа имеются существенные различия цели, в перечне задач, периоде реализации и итоговом продукте (рис. 2) [4].

Рис. 2. Расширенный жизненный цикл объектов транспортной инфраструктуры [4]

С точки зрения концептуальной структуры использования средств информационного моделирования на протяжении всего жизненного цикла объекта транспортной, и в том числе, железнодорожной, инфраструктуры формируется следующая система базовых составляющих:

  1. Инструменты информационного моделирования.
  2. Работа с данными и трансфер информации.
  3. Совместная работа.
  4. Верификация и экспертиза.
  5. Геоинформационные возможности.
  6. Контроль и мониторинг.
  7. Компетентность и навыки работы.

Каждый элемент отвечает не только за выполнение определенной функции, но и включает в себя часть данных для функционирования другого элемента. В результате формируется система, состоящая из программных средств, методических рекомендаций и человеческих ресурсов. Таким образом, формируется концепция информационного моделирования объектов железнодорожной инфраструктуры на этапах жизненного цикла.

Результаты

Концепция информационного моделирования объектов железнодорожной инфраструктуры на этапах жизненного цикла заключается в интеграции следующих составляющих:

Инструменты информационного моделирования.

В основе концепции находится инструментарий и функциональные возможности технологий информационного моделирования, которые дают основу для всей дальнейшей деятельности и решения всех задач. На сегодняшний день программные комплексы по решению группы ключевых одного или нескольких этапов жизненного цикла представлено следующим образом [4, 17] (таблица 1):

Таблица 1. Соответствие программного обеспечения этапам жизненного цикла

Работа с данными и трансфер информации.

Информационная модель в рассматриваемой концепции является не только цифровым представлением будущего объекта, но и базовым элементом хранилища данных об объекте различного плана. В процессе разработки и усовершенствования информационной модели происходит регулярный обмен данными, корректировка и ее актуализация [18]. Результативные данные каждого этапа жизненного цикла – исходные данные для следующего этапа. Для каждого этапа модель имеет свое интересующее представление, так как не все данные могут потребоваться в будущем. Одновременно с каждым новым шагом повышается уровень детализации [19].
Работа с данными и трансфер информации структурировано представлены на рис. 3.

Рис. 3. Жизненный цикл c применением технологий информационного моделирования

Развитие геоинформационных систем позволяет использовать данные геоподосновы для получения наиболее точного участка местности, что уже на этапе предпроектных разработок дает большую базу для разработки более качественной модели.

Совместная работа.

Каждый участник – профильный специалист – имеет своевременный доступ к интересующей информации в рамках предоставленных прав доступа и действий на протяжении всего жизненного цикла (рис. 3). Организация хранения и взаимодействия устанавливается на начальном этапе соответствующим специалистом – BIM-координатором. Как правило, файл-хранилище располагается на облачном или локальном ресурсе. Требования к работе с данными и их трансферу устанавливаются в BIM-стандарте компании или BEP-документе (BIM Execution Plan, план реализации проекта) [20].
Современные программные комплексы информационного моделирования включают в себя соответствующий функционал по автоматизированной организации совместной работы с учетом установленных требований и ее специфики.

Верификация и экспертиза.

Один из этапов работы над проектом – проверка модели на соответствие установленным нормам и стандартам. Для объектов капитального строительства данный этап наиболее актуален, в отличии от железнодорожных объектов (магистральных).
Однако проверка также включает в себя две составляющих: проверка на коллизии и соответствие требованиям. В первом случае выполняется техническая проверка на пересечения, во втором – на корректность установленных норм для каждого конкретного элемента [21].
Информационная модель любого объекта железнодорожной инфраструктуры позволяет выполнить проверку автоматизированным способом, что значительно сокращает время процедуры, минимизирует ручной труд и облегчает процесс корректировки.

Цифровые двой­ники.

Отличие цифрового двой­ника от информационной модели заключается в степени соответствия реализованному объекту. BIM-модель – это проектируемый (предполагаемый) объект, результат стадии проектирования, а цифровой двой­ник – копия реализованного объекта, один из результатов стадий строительства и эксплуатации. Цифровой двой­ник формируется на основе доработки информационной модели по фактическим результатам объекта строительства и последующей его эксплуатации. Фактические показатели и уточненные характеристики формируются на базе исполнительной документации и данных, полученных с датчиков объекта напрямую [22].
Назначение цифрового двой­ника – непрерывная синхронизация с реализованным объектом с целью мониторинга и качественной эксплуатации объекта железнодорожного транспорта любой функциональности, что значительно упрощает обслуживание и предотвращает дефекты и аварии с минимальным участием специалистов.

Контроль и мониторинг.

Одна из особенностей функционирования объектов железнодорожного транспорта – непрерывное отслеживание, мониторинг и связь между субъектами. В связи с этим появляется необходимость получения большого количества данных с различных типов объектов и элементов. На основе возможностей информационного моделирования и программно-­технических элементов контроль и мониторинг любого назначения для объектов железнодорожного транспорта значительно упрощается за счет данных модели, регулярно активизирующегося цифрового двой­ника и существующих алгоритмов работы с большими данными и их обработкой [22–23].

Компетентность и навыки работы.

Все вышеперечисленные аспекты концепции эффективны только в случае определенного уровня квалификации участников работы над объектом на протяжении всего жизненного цикла. Даже при условии высокого уровня навыков всех специалистов, необходимо учитывать важнейшие особенности в работе в рамках рассматриваемой концепции:
Принятие решений в рамках N-D проектирования.
Необходимость навыков работы в программных комплексах информационного моделирования.
Работа с большими данными и их организация.
Необходимость привлечения новых специалистов организации работы в условиях информационного моделирования: BIM-менеджер и BIM-координатор.
Непрерывная актуализация знаний и улучшение навыков работы всех участников.
Одновременно, в зависимости от назначения объекта, его масштаба, месторасположения и имеющихся ресурсов, концепция может быть дополнена аналогичными составляющими, которые смогут обеспечить более эффективную работу. Однако без ­какого-либо вышерассмотренного элемента реализация объекта железнодорожной инфраструктуры будет затруднена [24–25].

Выводы и обсуждение

На основе вышерассмотренных базовых составляющих работы сформирована концепция информационного моделирования объектов железнодорожной инфраструктуры на всех этапах жизненного цикла. Работа в рамках данной концепции дает новые возможности и подходы к выполнению ключевых на всем жизненном цикле и одновременно требует новых навыков и подходов. Цель применения концепции – повышение эффективности реализации проекта в области железнодорожного транспорта за счет автоматизации процессов, минимизации ручного труда, рационального использования информации и упрощения и ускорения ряда процессов (рис. 4).

Рис. 4. Информационная модель железной дороги

В результате формируется абсолютно новый подход к работе одновременно для разных групп специалистов и на различных этапах, который объединяет в себе большое количество процессов и задач, а также обеспечивает новые практические возможности и новые направления для научных исследований и экспериментов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-51013.