prof.nadzw. dr hab. inż. Marek Salamak,
dr inż. Marcin Januszka,
mgr inż. Tomasz Płaszczyk
Politechnika Śląska
Nowe cyfrowe technologie BIM, a właściwie BrIM (Bridge Information Management) oraz AR (Augmented Reality), podążają za trendami obecnej rewolucji przemysłowej z jej cyberfizycznymi urządzeniami, internetem rzeczy i chmurą obliczeniową. Szybki rozwój tych technologii będzie miał silny wpływ na procesy projektowania, budowy, eksploatacji i zarządzania infrastrukturą transportową, w tym mostami.
Na całym świecie uruchamiane są coraz większe i coraz bardziej ambitne projekty inwestycyjne w zakresie infrastruktury. Często ich budżety wykraczają poza możliwości pojedynczych krajów. Ich sukces uzależniony będzie w głównej mierze od poprawy zarządzania nimi oraz wprowadzenia wielu technologicznych innowacji. Charakter tych projektów określają trzy zasadnicze czynniki: szybki wzrost inwestycji infrastrukturalnych, wręcz chroniczne przekroczenia terminów i kosztów oraz zbyt niska produktywność całej branży budowlanej. Szacuje się, że w ciągu piętnastu lat nastąpi podwojenie wydatków na tzw. megaprojekty infrastrukturalne. Niestety, jak pokazują te same analizy, niemal 98% tych projektów kończy się w opóźnionym czasie i ze znacznym przekroczeniem zakładanego budżetu. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest pewnie wiele, ale jedną z najważniejszych jest niska produktywność branży budowlanej na całym świecie. Kluczowa jest słaba organizacja i wadliwe zarządzanie całym procesem realizacji inwestycji oraz utrzymania istniejącej infrastruktury. Brakuje też automatyzacji tych procesów, co już dawno zostało zastosowane w procesach opracowania układów mechanicznych i mechatronicznych w oparciu o systemy klasy CAD/CAM. A przecież to właśnie cyfryzacja i robotyzacja zrewolucjonizowała inne gałęzie przemysłu. Aby było możliwe przeniesienie niektórych działań z branży produkcyjnej do budownictwa, trzeba zacząć od cyfryzacji procesów projektowania, realizacji i utrzymania obiektów budowlanych.
BrIM + AR
Sieć naszej infrastruktury będzie się ciągle rozwijać. Będziemy mieli coraz więcej aktywów w postaci starzejących się mostów, którymi trzeba będzie zarządzać. Przy ciągłym ograniczaniu środków na utrzymanie zmusi to nas do wydłużania cyklu życia poszczególnych obiektów. A do tego wciąż trzeba będzie panować nad ich bezpieczeństwem. Pomocne w tym mogą dwie cyfrowe technologie, które razem należą do elementów obecnej rewolucji cyfrowej o nazwie Przemysł 4.0. Jest to BIM, a właściwie w tym przypadku BrIM (Bridge InformationManagement) oraz poszerzona rzeczywistość czyli AR (Augmented Reality).
Technologia BIM i mosty
Przez bardzo długi czas programy CAD były faktycznie używane przez projektantów raczej jako rodzaj elektronicznej deski kreślarskiej. Były to bowiem tylko rysunki 2D. Ani używany sprzęt, ani interfejsy programów CAD nie pozwalały na efektywne korzystanie z narzędzi 3D. Sytuacja zaczęła się zmieniać, gdy 3D zaczęto wykorzystywać w projektowaniu coraz bardziej złożonych i wyrafinowanych form mostów. Rozwój tych programów zmierzał do dodawania coraz wyższych umownych wymiarów. Na przykład czwarty wymiar – 4D – oznaczający czas można wykorzystać nie tylko do utworzenia animacji procesów budowy, ale także do przygotowania harmonogramów i planów zaopatrzenia w materiały. Piąty wymiar, 5D, wprowadza czynnik kosztu i pozwala na opracowanie kosztorysów. Dwa kolejne wymiary, 6D i 7D, odnoszą się do zarządzania już istniejącymi obiektami. Te możliwości pozwalają na wykorzystanie technologii BIM podczas inspekcji mostów.
Technologia BIM jest znacznie lepiej znana i stosowana w budownictwie kubaturowym (tzw. BIM pionowy). Korzystają z niej między innymi architekci, konstruktorzy, instalatorzy. Powstają w tej technologii wielobranżowe modele budynków użyteczności publicznej, jak szpitale, lotniska, biurowce, hotele itp. Znacznie wolniej wdrożenie BIM odbywa się w projektach infrastrukturalnych (tzw. BIM liniowy), czyli w budowie dróg, linii kolejowych i instalacji napowietrznych lub podziemnych, mostów i tuneli, portów, nabrzeży oraz zapór wodnych. Przyczyn tego opóźnienia można szukać w wielu uwarunkowaniach związanych z planowaniem i realizacją zadań w infrastrukturze. Nie bez znaczenia są trudności związane z różnicami między cechami modeli budynków i modeli obiektów infrastruktury transportowej.
Pierwszą, fundamentalną sprawą jest fakt, że zdecydowana większość inwestycji infrastrukturalnych dotyczy sektora zamówień publicznych. Instytucje publiczne należą niestety do organizacji, które są oporne na wdrażanie nowych technologii i poprawę efektywności swego działania. Do innych trudności opóźniających użycie technologii BIM w projektach infrastrukturalnych należy między innymi wolniejszy rozwój narzędzi BIM w dziedzinie infrastruktury niż ma to miejsce w projektach kubaturowych. Na koniec trzeba zauważyć, że sama technologia BIM wciąż ma problemy, zwłaszcza w zakresie niestandardowej geometrii mostów. Chodzi między innymi o nakładanie się geometrii zarówno w planie, jak i w pionie, krzywe przejściowe, spadki i przechylenia oraz poszerzenia i pogrubienia. Problem ten dotyczy szczególnie monolitycznych mostów betonowych. Najbardziej popularne programy CAD, które nie należą do grupy produktów BIM, mogą sobie poradzić z takimi wyzwaniami, ale dzieje się to bez możliwości utrzymania właściwych relacji pomiędzy obiektami w modelu i bez pełnej parametryzacji. Nie mówiąc o przechowywaniu dodatkowych informacji i zarządzaniu nimi. Biorąc dodatkowo pod uwagę całą specyfikę mostów i nazewnictwo elementów składowych, proponuje się wprowadzenie zamiast BIM skrótu BrIM – czyli Bridge Information Modelling lub Management.
Przyszłość systemów gospodarki mostowej
Jednym z najważniejszych elementów systemów gospodarki mostowej (SGM) są wyniki inspekcji mostu. Stanowią one istotne źródło informacji o stanie technicznym obiektu i zaistniałych uszkodzeniach. W większości krajów na całym świecie są one obowiązkowe i realizowane w oparciu o systematyczną strategię kontroli stanu infrastruktury transportowej. W każdym kraju opisują to szczegółowo specjalne instrukcje przeprowadzania inspekcji. Dokumenty te określają także zakres i układ raportów z kontroli, które obecnie są najczęściej tworzone w formie papierowego dokumentu. Klasyczne tablety lub smartfony nie są wygodne ani wystarczająco bezpieczne dla inspektora i nie zapewniają kompleksowego wsparcia. Jednak wprowadzenie do procesu kontroli nowego typu interfejsu opartego na AR eliminuje wady obecnych urządzeń wspomagających inspektorów.
Wykorzystanie modeli BIM do zarządzania i utrzymania (BIM 6D i 7D) występuje jedynie w projektach pilotażowych i wciąż wymaga badań. Dotyczy to zwłaszcza elementów infrastruktury transportowej, jakimi są drogowe i kolejowe obiekty mostowe. Dlatego konieczne będzie opracowanie procedur do tworzenia modeli mostów. Modeli, które przygotowane będą do wykorzystania w inspekcjach i w SGM. W przypadku istniejących obiektów, nieposiadających jeszcze takich modeli, potrzebne będzie opracowanie innych procedur do inwentaryzacji mostów, np. z użyciem skanowania laserowego oraz tworzenia modeli BrIM na podstawie uzyskanej w ten sposób chmury punktów. Procedury te muszą brać pod uwagę dominujący wymiar długości przęsła i trudno dostępne miejsca, jak wysokie podpory i pylony, gdzie pojawi się potrzeba użycia pojazdów bezzałogowych – UAV.
Nowatorskie rozwiązanie
W związku z brakiem skutecznych rozwiązań autorzy niniejszego artykułu prezentują nowatorskie rozwiązanie inteligentnego systemu do wspomagania inspekcji mostów, bazującego na technikach AR. System składa się z kilku głównych modułów związanych z trzema fazami inspekcji obiektów mostowych (rys. 1.).
1. Faza przygotowania inspekcji, w ramach której użytkownik za pomocą symulatora planuje kolejne kroki inspekcji oraz zapoznaje się z obiektem.
2. Faza przeprowadzenia inspekcji, w ramach której inspektor przy użyciu interfejsu AR zintegrowanego z systemem wspomagania podejmowania decyzji oraz akwizycji danych pozyskuje i gromadzi aktualne dane o stanie obiektu i/lub przegląda informacje o historii obiektu.
3. Faza przygotowania raportu z inspekcji, w ramach której użytkownik wspomagany za pomocą systemu przygotowuje raport o stanie obiektu.
Niezwykle istotną cechą proponowanego systemu bazującego na AR jest jego integracja z BrIM i SGM. Integracja ta pozwala na aktualizację danych o stanie obiektu i intuicyjny dostęp do danych o jego konstrukcji oraz historii na etapach od przygotowania inspekcji poprzez jej przeprowadzanie aż po opracowanie nowego raportu. W trakcie prowadzenia inspekcji na obiekcie mostowym system pozwala na wizualizację wybranych – szczególnie tych ukrytych lub niewidocznych dla inspektora – elementów konstrukcyjnych mostu (np. zbrojenie, sprężenie, łożyska itp.) oraz pozostałych elementów wyposażenia i urządzeń obcych (np. odwodnienie, instalacje elektryczne, teleinformatyczne) i wiedzy związanej z nimi. Dane te pochodzą z systemu SGM i modelu BrIM obiektu.
Na etapie przygotowania i planowania inspekcji najistotniejszym elementem proponowanego rozwiązania jest symulator. Model BrIM i zgromadzone dane o historii obiektu mogą być dla inspektora przydatne do zapoznania się z obiektem mostowym i wstępnej analizy. Inspektor, zanim będzie przeprowadzał inspekcję na rzeczywistym obiekcie, za pomocą specjalnego symulatora, ma możliwość zapoznania się – w bardzo realistyczny sposób – z obiektem przy użyciu jego wirtualnej reprezentacji. Takie zapoznanie się z obiektem powinno umożliwić mu szybsze i bardziej skuteczne poruszanie się po rzeczywistym moście. Ponadto użycie symulatora pozwala użytkownikowi na zaplanowanie kolejnych kroków inspekcji, w tym wskazanie miejsc, które wymagają szczególnej uwagi. W ten sposób na przykład inspektor podczas wirtualnego spaceru przez most może oznaczać najważniejsze miejsca, które muszą być przez niego sprawdzone na rzeczywistym obiekcie. Następnie system bazujący na technikach AR, podczas inspekcji na rzeczywistym obiekcie, wskazuje inspektorowi miejsca, które zostały przez niego wcześniej zaznaczone w symulatorze. Zastosowanie symulatora jest w tym przypadku podejściem innowacyjnym do inspekcji z użyciem technik
BrIM, AR i VR.
Na etapie prowadzenia inspekcji najważniejszym elementem systemu jest interfejs człowiek – komputer (ang. Human-Machine
Interface – HMI) wraz z graficznym interfejsem użytkownika (ang. Graphical UserInterface – GUI), bazujący na technikach AR. Interfejs obejmuje zarówno rozwiązania sprzętowe, jak i programowe. System bazujący na AR składa się z ubieralnej (ang.wearable) platformy sprzętowej, która integruje urządzenia do wyświetlania (np.Microsoft HoloLens lub Daqri Helmet) i pozyskiwania danych podczas inspekcji (wearablesmartphone). Ponadto platforma sprzętowa integruje w sobie czujniki (w tym do prowadzenia badań nieniszczących) i narzędzia (m.in.pomiarowe) oraz system lokalizacji.
Hybrydowy system lokalizacji odpowiedzialny jest za prawidłowe działanie interfejsu AR, w szczególności prezentowanie niezbędnych informacji w trakcie inspekcji (w tym wizualizacja elementów i instalacji) bezpośrednio na obiekcie rzeczywistym oraz odpowiednie zapisywanie pozyskiwanych danych i adnotacji w modelu BrIM zgodnie z ich położeniem rzeczywistym. Działanie systemu lokalizacji zapewnione musi być zarówno w otwartych obszarach (na zewnątrz), jak i wewnątrz mostów, w związku z czym jego funkcjonowanie musi łączyć rozwiązania systemów lokalizacji globalnej (satelitarnej, np. GPS, Galileo) i mobilnych systemów lokalizacji lokalnej (system instalowany na obiekcie). Ze względu na dokładność lokalizacji, szczególnie przy przypisywaniu przez system lokalizacji gromadzonych danych do modelu BrIM, powinna istnieć możliwość ręcznej korekty lokalizacji uszkodzenia przez użytkownika.
Większość danych potrzebnych podczas przeglądu pobierana jest przed inspekcją z systemu SGM i zapisywana w komputerze inspektora, stanowiącym element sprzętowy (rys. 2.). Ze względu na ogrom informacji, które mogą być zapisywane w systemie SGM, możliwa jest sytuacja, że niektóre z tych danych, jakie początkowo mogły wydawać się niepotrzebne inspektorowi i z tego względu nie zostały pobrane na urządzenie, okażą się niezbędne podczas inspekcji. Wówczas zastosowanie zaawansowanego systemu komunikacji będzie umożliwiało bezprzewodową transmisję na duże odległości niezbędnych rekordów z repozytorium systemu SGM oraz odwrotnie – na bieżąco pozyskiwanych wyników inspekcji do repozytorium systemu SGM. Taka transmisja danych pozyskiwanych jeszcze w trakcie trwania przeglądu pozwoli na szybsze rozpoczęcie przygotowania raportu z inspekcji mostu.
W trakcie pracy inspektor ma do dyspozycji system wspomagania podejmowania decyzji. Podczas inspekcji użytkownik powinien wprowadzać niezbędne dane do systemu doradczego, który następnie podpowiada inżynierowi dalsze kroki postępowania i umożliwia klasyfikację zaobserwowanych uszkodzeń (np. zarysowania, pęknięcia, ubytki betonu). W ten sposób inspektor powinien być w stanie określić klasy uszkodzeń, które są następnie przypisywane do wirtualnego modelu BrIM w lokalizacji zgodnej z lokalizacją uszkodzenia na rzeczywistym obiekcie.
Inspektor w podobny sposób, przy użyciu systemu sensorycznego zintegrowanego z interfejsem AR, dokonuje pomiaru wartości istotnych parametrów (np. pomiary z urządzeń do badań nieniszczących, odległość między dwoma istniejącymi elementami, powierzchnia ubytku, długość pęknięcia itp.), a następnie zapisuje wyniki pomiarów w modelu BrIM. W ten sam sposób zapisywane są wszelkie inne adnotacje inspektora, głównie w postaci dokumentacji fotograficznej, szkiców, notatek oraz nagrań dźwiękowych (głosowych). Gromadzone dane powinny być zapisywane jako warstwy na modelu BrIM i zintegrowane z systemem SGM. Wszelkie dane zgromadzone przez inspektora mogą być wykorzystane w dowolnym momencie w przyszłości, szczególnie na etapie przygotowania raportu i planowania kolejnej inspekcji.
Ostatni istotny element systemu pozwala na wspomaganie przygotowania raportów po inspekcji, bazując na pozyskanych i zgromadzonych danych. Udział użytkownika na tym etapie powinien sprowadzać się w większości sytuacji wyłącznie do zaakceptowania poszczególnych fragmentów raportu oraz wniosków z systemu eksperckiego. Pozostałe czynności związane z przygotowaniem raportu powinny być wykonane automatycznie.
W ramach działań związanych z realizacją projektu badawczego utworzony został model BrIM wiaduktu drogowego, który w przyszłości wykorzystywany będzie jako poligon doświadczalny przy badaniach nad użyciem modeli BrIM w zarządzaniu obiektem mostowym.
Podsumowanie
Rozwiązanie proponowane przez autorów i przedstawione w tej części artykułu jest we wczesnym stadium badań. Proponowany system pozwoli na poprawę jakości i redukcję kosztów zarządzania oraz utrzymania obiektów mostowych. Ponadto integracja systemu z modelami BrIM i systemami SGM powinna przyczynić się do bardziej efektywnej interpretacji danych z oceny stanu obiektów mostowych oraz opracowania bardziej szczegółowych i dokładnych raportów, co może przyczynić się obniżenia kosztów utrzymania oraz wydłużenia cyklu życia poszczególnych mostów.
System może być używany zarówno przez inspektorów (inżynierów mostowych), jak i przez przedstawicieli zarządców infrastruktury. W przyszłości system (szczególnie symulator) mógłby znaleźć zastosowanie w instytucjach odpowiedzialnych za kształcenie i szkolenie inspektorów mostowych ubiegających się o licencję. Innowacyjny potencjał miałoby także zastosowanie systemu do wspomagania zdalnej inspekcji i teleimersji do obiektów mostowych przy użyciu urządzeń bezzałogowych (ang. unmanned vehicles – UV), w tym autonomicznych robotów mobilnych.
Artykuł powstał w oparciu o wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu pn. „Wykorzystanie technologii BIM oraz poszerzonej rzeczywistości AR w planowaniu i inspekcji obiektów infrastruktury technicznej z użyciem mobilnej aplikacji InfraSmARt-Inspection” (UDA-RPSL.01.02.00-24-0667/16-00).
Pełna wersja artykułu i bibliografia na www.buildercorp.pl.
ABSTRACT: BIM+AR technologies in bridge inspections. The paper points the conditions and difficulties in implementing BrIM technology in infrastructure projects and modelling of bridges. It also shows selected details of a new system concept for inspection of bridges based on BIM and AR.
Key words: new technologies, bridges, management of transport infrastructure, Bridge Information Modelling (BrIM), Augmented Reality (AR)
