Для любого транспортного проекта важно иметь четкое представление о недрах и любых проблемах, которые могут возникнуть. То, что «лежит внизу», неизменно будет иметь большое влияние на ход проекта и соблюдение бюджета, и ключевую роль в выявлении этого играет геотехника.
В число авторов этой статьи входят недавние докладчики на конференции Seequent Lyceum 2021. Докладчик Рэй Йост (Ray Yost), главный инженер-геотехник в Advisian, обсудил тему «Понимание геотехнических рисков: структура для неопределенности». А отраслевые лидеры из Mott MacDonald, DB Engineering и Arcadis провели групповое обсуждение преимуществ цифрового моделирования геологической среды; того, как оно улучшило результаты проекта, и что еще необходимо изменить в ближайшем будущем.
Снижение геотехнической неопределенности, в свою очередь, повышает надежность проекта и снижает риск задержек и дорогостоящего перерасхода бюджета. Возможность интегрирования новой информации практически в режиме реального времени также может иметь неоценимое значение для ускорения сдачи проектов и сокращения затрат.
Инновации и цифровая трансформация играют важную роль в объединении наземных данных и данных о недрах. Вместе они могут помочь предоставлять более четкую аналитическую информацию, быстро решать общие проблемы, поддерживать самые высокие профессиональные стандарты и предоставлять энциклопедический ресурс для всего жизненного цикла структуры.
Каждый этап от планирования и исследования, проектирования и строительства до эксплуатации и технического обслуживания требует анализа геотехнического риска. И поскольку изменение климата ставит перед нами беспрецедентные экологические проблемы, технологии являются средством, которое может помочь нам справиться с ними и интенсивнее реализовывать важные инфраструктурные проекты.
Как мы можем это сделать, и какие препятствия стоят на пути? Вот восемь моментов, которые следует учитывать.
1) Понимание правил геотехнического риска
Инженеры-геотехники часто имеют дело с небольшими наборами данных — малыми по значению или отношению выборки к объему — и это увеличивает неопределенность. Свойства геомеханики по своей природе изменчивы, их трудно выявить, что увеличивает неопределенность. Как же тогда мы сможем правильно понять геотехнический риск?
Рэй Йост говорит, что речь идет о выделении ресурсов и аудитории. «Если подумать о выделении ресурсов, существует структура для управления неопределенностью. Инструменты, которыми мы как инженеры-геологи располагаем, чтобы помочь нам размышлять об этом. И когда мы начинаем объединять обстоятельства неопределенности и инструменты, которые у нас есть для работы с ней, мы действительно хотим убедиться, что это приводит к оптимальному распределению ресурсов.»
Рэй характеризует риск как функцию отношения между изменчивостью и неопределенностью и предлагает структуру, которая сопоставляет инструменты с характером риска, чтобы улучшить результаты оценки риска.
Рисунок 1. Рассмотрение риска как функции неопределенности.
Рисунок 2. Применение инструментов к матрице возможностей.
«И когда мы говорим о неопределенности в нашей модели, мы должны говорить о риске с точки зрения факторов, влияющих на аудиторию. Например, если это горные инженеры, вы расскажете о влиянии на их график, добычу, доступ, бюджеты, потоки доходов. Первое правило рассказа об инженерной геологии — не говорить об инженерной геологии.»
«Первое правило рассказа об инженерной геологии — не говорить об инженерной геологии!»
«Первое правило рассказа об инженерной геологии — не говорить об инженерной геологии!»
2) Лучший обмен информацией, лучшее сотрудничество, лучшие результаты
Именно в этом цифровые инновации уже помогают в проектировании наземных объектов. Грунтовые условия все чаще включаются в среду информационного моделирования зданий и сооружений (BIM), укрепляя сотрудничество и улучшая результаты от проведения тендеров до координации в проекте и повторного использования породы. Например, процесс проведения торгов упрощается, когда подрядчики располагают подробной информацией об объемах грунта и горных пород. Бернд Хир, старший геотехнический консультант DB Engineering & Consulting GmbH, отмечает, что «в процессе производства и разработки концепций возникает меньше дискуссий с подрядчиками (об интерпретации и предположениях в отношении данных), что помогает проекту в целом».
Возможность анализа и 3D-визуализации информации о свойствах почв улучшает понимание данных, а также обмен данными с расширенным составом рабочей группы проекта и заинтересованными сторонами. Питер Фэйр, специалист по геотехническим данным и трехмерному моделированию недр, Mott MacDonald UK, отмечает, что «возможность анализировать результаты испытаний извлеченных в ходе земляных работ пород и сравнивать их с геологической моделью непосредственно в среде информационного моделирования зданий и сооружений (BIM) добавляет реальную ценность. Одним из действительно ключевых преимуществ является то, что теперь мы можем видеть не только процентное содержание и объем различных пород, но и то, насколько легко будет произвести их выемку, а также возможность повторного использования. Теперь в рамках трехмерных моделей нам гораздо проще увидеть и понять это.»
3) Поскольку изменение климата усугубляется, мы должны реагировать быстрее, чтобы спасти инфраструктуру и жизни
Геотехника и роль инженеров-строителей и инженеров-экологов существенно возрастут по мере того, как воздействие изменения климата и смягчение его последствий станут более очевидными. Ведь мы работаем в окружающей среде; здесь существуют наши структуры.
Технологии — это важный рычаг, который мы можем использовать, чтобы справиться с этими экологическими стрессами и нагрузками. Возможность понять рельеф местности с помощью сложного трехмерного моделирования и возможность быстро взглянуть на нее, например, с помощью БПЛА, означает, что можно увидеть осыпавшуюся выемку или насыпь, не дожидаясь топографической съемки. Как говорит Питер Фэйр из Mott MacDonald UK: «Когда у нас есть цифровые активы, мы можем реагировать быстрее, информация всегда у нас под рукой, и мы можем принимать решения на основе данных и реагировать на события на основании более полных данных».
По мере того, как данные от множества развернутых датчиков (Интернет вещей) становятся все более пригодными для использования, они могут помочь нам в управлении изменением климата и смягчении его последствий. Бернд Хир, DB Engineering & Consulting GmbH, видит огромный потенциал в этом подходе, исходя из своего опыта катастрофических наводнений в Германии в 2021 году, которые полностью разрушили инфраструктуру. «Если у нас есть системы прогноза погоды, и мы объединим их со своими знаниями о местности, датчики могут фактически общаться с активами нашей структуры. Затем я могу предположить, что структура выдает предупреждения о том, что произойдет в пределах установленных параметров.
«Даже если мы не сможем спасти саму инфраструктуру, мы можем спасти человеческие жизни».
4) Чем больше вы знаете, тем рациональнее можете проектировать
Цифровые рабочие процессы могут привести к более компактному проектированию, что приведет к меньшему воздействию на окружающую среду, объясняет Андреа Джиллардуцци, технический директор отдела геотехнического проектирования, Arcadis Consulting (Великобритания). «Если мы начнем разумнее использовать систему информационного моделирования зданий и сооружений (BIM) и цифровые инструменты, мы сможем получить гораздо более важные данные о реальном диапазоне поведения инфраструктур, что может привести к более экономичному дизайну. Мы могли бы поддерживать инфраструктуру более эффективным способом….оказывая меньшее влияние на окружающую среду.
«Когда вы получите данные, вам не обязательно будут известны все возможные способы их использования, но если они у вас есть, вы можете принять решение». Как говорит Гарет Крисфорд (Gareth Crisford), региональный руководитель отдела гражданского строительства, экологии и энергетики Seequent в регионе Европа, Ближний Восток и Африка, «если вы используете все имеющиеся у вас данные и специальную систему технического обслуживания актива, вы можете выполнить ретроспективный анализ всего срока службы актива и понять, как можно было спроектировать его иначе и рациональнее; это ведет к постоянному циклу обучения».
5) Инфраструктурные активы уже говорят с нами. Мы слушаем?
Безусловно, переход к Интернету вещей идет полным ходом, и кажется, что бесчисленные датчики собирают данные самыми разными способами. На самом деле, горы собираемых ими данных пугают. В течение десятилетий инфраструктурные активы были установлены с этими датчиками, а также с возможностью их модернизации, но, вероятно, только сейчас отрасль может использовать данные более широко.
Андреа Джиллардуцци (Andrea Gillarduzzi) говорит: «Существующая технология будет эффективнее использовать эти данные для передачи информации, а не для того, чтобы они принадлежали одному проекту или одной организации».
Бернд Хир (Bernd Heer) объясняет: «Существует среднесрочный эффект на следующие пять лет, когда мы научимся гораздо быстрее интегрировать имеющиеся данные. Для меня это в основном этап проектирования, когда мы можем приступить к автоматизированному проектированию фундаментов.»
6) Как может измениться жизнь инженера-геотехника в эту новую эпоху?
Будет ли это означать значительный переход к выполнению роли скорее систематизаторов результатов, автоматически собранных датчиками и различными системами из исторических источников?
Бернд Хир понимает это: «Мы, геотехники, только просматриваем, отбираем и проверяем данные, прежде чем они попадут в систему. Значительно снизится необходимость писать отчеты, проверять чертежи, назначать встречи, говорить о том, что это на самом деле означает, потому что мы все будем согласны по поводу имеющихся данных.»
«Значительно снизится необходимость писать отчеты, проверять чертежи, назначать встречи, говорить о том, что это на самом деле означает, потому что мы все будем согласны по поводу имеющихся данных.»
А поскольку данные поступают из разных независимых источников, это также поможет при проверке. Как объясняет Андреа Джиллардуцци: «Если вы наблюдаете за деформационным швом моста и сочетаете его с метеорологическим мониторингом и данными о дорожном движении за определенный период, вы можете лучше понять износ шва, иначе спроектировать его, обслуживать и т д. Много данных можно легко получить, встраивая датчики и другие технологии в объекты, которые мы строим или модернизируем.»
Как было отмечено, большая часть этой работы уже ведется, данные активно регистрируются, но еще не используются широко. Например, крутящий момент, используемый буровой установкой, может дать информацию о прочности породы и грунта.
Питер Фэйр видит потенциал использования данных, собранных на буровых установках, в процессе проектирования. «Мы разработали первоначальный проект, а затем бурим на месте и используем эти данные таким образом, чтобы они могли напрямую влиять на проект почти в процессе строительства актива. А затем, в более долгосрочной перспективе я могу предвидеть, что с помощью ИИ мы используем эти данные для автоматизированного проектирования и берем на себя проверку и утверждение автоматизированного дизайна. Мы начинаем видеть это сейчас с оценками статического зондирования грунта, когда ИИ проводит более качественную оценку и делает меньше ошибок, чем некоторые представители персонала.»
7) Готова ли отрасль к автоматизированному проектированию?
Автоматическое проектирование уже применяется в других областях, особенно для линейных работ, например буровзрывных работ. Мы эффективно определяем наилучшие места расположения буровых скважин, чтобы получить самую высокую производительность, самую безопасную добычу и избежать чрезмерной выемки грунта и чрезмерного профилирования.
Тем не менее, переход к автоматизированному проектированию потребует значительного изменения мышления в отрасли; например, адаптация дизайна в процессе строительства будет иметь последствия для регулирования.
Бернд Хир комментирует: «В строительном сообществе Германии проект должен быть проверен и одобрен федеральными и местными властями. Таким образом, вы должны предоставить автоматизированную замкнутую систему, которая фактически повторно утверждает этот проект и делает это быстро, так что вы можете корректировать проект на месте. Это большой шаг вперед для всех участников отрасли, и мы должны пройти этот путь, но мы еще не достигли этого, по крайней мере, не здесь.»
8) Важность стандартов по сравнению с готовностью обмениваться данными…
Международные стандарты, такие как ISO 19650, уже улучшают цифровой проект за счет организации и оцифровки информации о строительных работах, включая систему информационного моделирования зданий и сооружений (BIM). Единая модель обеспечивает единое понимание, но мы как отрасль по-прежнему сталкиваемся с проблемой передачи данных и определения права собственности и связанной с ним ответственности.
Андреа Джиллардуцци комментирует: «В настоящее время мы сталкиваемся с опасением, что обмен данными увеличивает нашу ответственность, и это препятствует сотрудничеству между различными сторонами. Я считаю, мы должны преодолеть это как можно скорее, прежде чем упустим грандиозную возможность».
Существует также проблема с тем, что данные не собираются или не сохраняются. Но ключевым моментом является просто сбор информации, обеспечение ее повторного использования, а ISO 19650 позволяет нам продолжать стремиться к этому.
И хотя мы живем в эпоху данных, мы должны обдумать, оправдана ли для некоторых активов стоимость хранения данных. Для критически важной инфраструктуры вопросов нет, но относится ли это к каждому отдельному активу? Поддержание актуальности данных является еще одним важным фактором, добавленным к списку системных проблем, которые отрасль должна определить и согласовать, что сохранять, а что нет, и какова ответственность, уязвимость и риск во время реализации проекта. И когда модели передаются от одного консультанта к другому, как мы можем гарантировать, что они могут быть использованы текущим консультантом?
Питер Фэйр (Peter Fair) комментирует: «Так часто у нас отсутствует уверенность в этой модели. И тогда мы как консультанты чувствуем, что должны повторно выстроить эту модель с нуля, просто чтобы доказать себе, что она на нужном уровне, и это как бы подрывает все это.»
И все же мы делимся тем, что считаем фактическими данными, однако любая модель геологической среды по своей сути является интерпретацией. Таким образом, во многих отношениях, когда мы передаем модель коллегам, мы уже разделяем ответственность — и должны признать это.
В преодолении субъективности могут помочь технологии, например, сканеры целого керна породы — не только оптические, но и рентгеновские или цветные инфракрасные, выжимающие еще больше данных из источника. И есть много новых технологий, которые в будущем помогут нам получить более всесторонние впечатления о том, что происходит в полевых условиях, с дополненной реальностью, виртуальной реальностью с полным погружением и т д., привносящих новый слой многосенсорных данных, которые в настоящее время полностью игнорируются.
Препятствия существуют, но их можно преодолеть
И, конечно же, есть много препятствий для внедрения передовых технологий.
- Поставщиков программного обеспечения часто критикуют за то, что они проприетарны и не открыты для всех пользователей.
- А еще есть крутая кривая обучения, необходимого, чтобы не отставать от технологий.
- Мы сталкиваемся с вполне реальным риском разрыва между технически подкованной молодежью и более старшим, более опытным поколением, обладающим ценными знаниями и опытом за 20–30 лет.
- И чтобы достичь успеха, оцифровано должно быть все, не оставляя никого за пределами системы.
Перед отраслью стоят очень серьезные задачи. Как говорит Гарет Крисфорд: «Мы непрерывно идем по пути, на котором пытаемся быть открытыми для всех. Открытость и функциональная совместимость являются движущими силами Seequent, это наша кровь. Например, в настоящее время мы разрабатываем открытые API для нашего облачного хранилища, поэтому мы можем помочь использовать все лучшие в своем классе новые геотехнические технологии. Мы известны простотой использования и открытостью данных, и мы готовы помочь инженерам-геотехникам справиться с проблемами будущего.»