Informační model kanalizační sítě

Posted Posted in BIM Standardy, Nástroje pro práci s IFC, Různé

Datový standard IFC (ČSN EN ISO 16739:2013) je obecně uznávaný standard pro BIM modely. Zatím je stále nejčastěji uváděn především v souvislosti s budovami, ale ve Velké Británii byl realizován projekt, který prostřednictvím prototypu ukázal, že je možné použít datový standard IFC také pro infrastrukturní stavby, konkrétně pro kanalizační síť. Ukázkovým prostorem bylo centrum města Newcastle upon Tyne. Zdrojem dat pro prototyp byla schématická geografická data používaná pro Asset Management, která byla transformována do formy parametrického modelu. Výsledný 3D model sítě ve formátu IFC byl prezentován v kontextu 3D modelu města a podpořil diskuzi vedoucí k efektivnější práci s daty.

Úvod

Tento text popisuje studii, kterou realizovala Northumbria University (Newcastle upon Tyne) pro společnost Northumbrian Water Ltd. (NWL). NWL v současnosti zajišťuje kanalizaci pro přibližně 2 miliony stavebních objektů. Kanalizační síť obsahuje 437 čistíren odpadních vod, 683 čerpacích stanic a více než 15 tisíc kilometrů potrubí. Kanalizační síť je jednou z nejstarších infrastruktur ve Velké Británii (UK). S tím souvisí i dlouhá historie organizací, které mají na starost výstavbu a údržbu této infrastruktury. Jak se ukazuje, informace o této síti jsou nesouvisle rozdělené v několika informačních systémech a nejsou kompletní. Velkou měrou je to právě proto, že naprostá většina infrastruktury vznikala v době, kdy se informace neevidovaly, nebo byla evidence postupem času a vlivem organizačních změn ztracena, nebo nebyla aktualizována. V současnosti se společnost snaží najít nové a efektivní způsoby práce s daty o této rozsáhlé infrastruktuře. Zároveň společnost vnímá tlak britské vlády na zavádění informačního modelování staveb (BIM) do stavebnictví a má ambici být lídrem v této oblasti pro sektor vodovodů a kanalizací. Proto bylo předmětem této studie pokusit se najít vztahy mezi daty, se kterými společnost pracuje a koncepty a technologiemi používanými v BIM.

Struktura dat pro správu a údržbu kanalizační sítě

Základem pro efektivní správu rozsáhlé infrastruktury jsou samozřejmě data. Jak bylo řečeno výše, tato data nejsou v ideálním rozsahu ani stavu. Proto se již dříve společnost Nortumbrian Water Ltd. účastnila projektu na kterém participovalo více společností poskytujících tyto strategické služby. Společně se pod vedením UK Water Industry Research Limited (UKWIR) snažili popsat strukturu informací se kterými pracují. Výsledkem byla zpráva Ensuring Service Delivery Through Best Practice Management of Sewerage Data (Zajištění nejlepší praxe pro management dat o kanalizaci). Zásadním výsledkem z hlediska tohoto projektu je následující E-R diagram, který popisuje práci s daty a který prošel připomínkami několika největších provozovatelů kanalizace v UK.

UKWIR ER diagram

Jak je z tohoto diagramu patrné, zahrnuje nejen fyzické elementy kanalizační sítě, ale také právní závazky, posouzení, registr událostí souvisejících s provozem sítě, zákazníky, monitoring sítě a odborné posudky, ale i stavební objekty napojené na síť. Informační systém postavený nad takovým datovým modelem by tedy měl teoreticky být použitelný pro práci se všemi aspekty sítě. NWL bohužel v tuto chvíli takový jednotný systém nemá a neprovozuje, takže informace jsou roztříštěné, jak již bylo řečeno. Je to zároveň stav, který je podobný i u ostatních provozovatelů.

V rámci studie jsme se pokusili najít mapování mezi tímto obecným datovým modelem a koncepty existujícími v datovém modelu Industrial Foundation Classes (IFC), protože IFC je obecně uznávaným standardem pro BIM modely. Jedná je o otevřený standard vyvíjený organizací buildingSMART, jehož dokumentace je volně dostupná, ale zároveň byl přijat jako ISO, EN a ČSN standard. Prakticky všechny software, které se hlásí k metodice BIM jsou schopny s tímto formátem pracovat. Z hlediska rozsahu je velmi komplexní (776 datových tříd ve verzi IFC4), protože dokáže pojmout informace o jednotlivých stavebních elementech, jejich seskupení a logickém propojení, ale i o účastnících stavebního procesu, časovém plánování, rozpočtu, výkazech, souvisejících dokumentech a dalších aspektech stavby. Většina SW proto pracuje pouze s částí tohoto rozsáhlého datového modelu (tzv. Model View Definition (MVD)), což ale nevylučuje další široké využití pro výměnu téměř jakýchkoli informací souvisejících se stavbou. Standard IFC byl původně vytvořen pro budovy, ale již delší dobu probíhají projekty zaměřené na jeho rozšíření na liniové stavby, tunely, mosty a další. Rozšíření pro liniové stavby (IFC Alignment) je již oficiálním standardem buildingSMART a spolu s dalšími rozšířeními by mělo být součástí standardu v blízké době. Následující diagram ukazuje využití IFC pro zachycení datové struktury uvedené výše:

IFC-UKWIR mapping

Diagram je úmyslně strukturován stejným způsobem jako relační diagram UKWIR, aby bylo zcela zřejmé, že popisuje kompletně předmětnou odbornou doménu s využitím datového modelu IFC4 a to včetně provozních informací, osob, událostí a dalších aspektů. Na základě tohoto modelu lze tedy konstatovat, že i bez případných budoucích rozšíření je možné využít datový model definovaný ve standardu IFC pro veškerou komunikaci týkající se kanalizační sítě. Zároveň může nad touto standardní datovou strukturou být přímo postaven plnohodnotný informační systém pokrývající potřeby organizace jako je NWL.

Obsah dat pro správu a údržbu kanalizační sítě

Zatímco předešlý diagram je možné použít pro strukturu nosných datových objektů, na podrobnější úrovni je třeba specifikovat jaké konkrétní informace se mají shromažďovat (a udržovat) o těchto základních elementech. V průběhu pilotního projektu se stalo zcela zřejmým, že to je prioritní oblast, které se bude muset NWL věnovat v nadcházejících měsících, protože ani uvnitř společnosti zatím není nastavena firemní kultura pro práci se strukturovanými daty. V současnosti probíhající digitální transformace společnosti tak bude muset zahrnout obsáhlou diskuzi nad obsahem i rozsahem dat se kterými společnost pracuje a jejich hodnotou. Výše zmíněná zpráva UKWIR uvádí celkem 301 popisných atributů definovaných pro 29 typů elementů uvedených v diagramu. Protože jsme vytvořili mapování mezi těmito entitami a odpovídajícími koncepty v modelu IFC, je rovněž možné použít některé z předdefinovaných parametrů, které jsou součástí standardu IFC. Pro jejich snadnější procházení byl uzpůsoben následující nástroj. Na obrázku jsou vidět právě některé parametry týkající se vlivu na životní prostředí, což je samozřejmě jedna z oblastí, kde se musí provozovatel kanalizační sítě řídit řadou právních předpisů.

IFC4 Property Browser

Se standardem IFC úzce souvisí standard Construction Operations Building information exchange (COBie), který je součástí amerického National BIM Standard (NBIMS), byl následně přejat s mírnými doplněními jako britský standard BS 1192-4:2014. COBie je definováno jako značně zjednodušená forma IFC4 a je velmi často prezentován ve formě excelových tabulek. Primární zaměření COBie je právě na oblast facility managementu (FM) a původně byl pro tento účel vyvíjen americkou armádou. Právě pro tyto účely obsahuje několik desítek základních popisných atributů pro účely FM. Protože bylo COBie, jakožto nejjednodušší možná forma BIM dat prosazováno v rámci britské BIM strategie, vznikla v británii další rozsáhlá sada COBie šablon pro jednotlivé typy stavebních elementů.

Jak je zřejmé, existuje celá řada možných zdrojů, kterými se může společnost jako NWL inspirovat při definici vlastních informačních požadavků. Protože se chce NWL stát lídrem BIM ve svém průmyslovém sektoru, zabývá se aktivně definováním těchto informačních požadavků.

Pilotní projekt

Pro praktickou demonstraci možností využití BIM/IFC pro správu kanalizační infrastruktury byl realizován pilotní projekt. V rámci tohoto projektu byla převedena data z geografického informačního systému (GIS) NWL do BIM modelu ve formátu IFC. Zdrojová data byla ve formě topologické sítě reprezentující kanalizaci jako linie (potrubí) a body (revizní šachty, čerpací stanice, křížení a další elementy). Data byla pro účely projektu poskytnuta ve formě ESRI Shapefile. Tato data byla exportována pro oblast centra města Newcastle upon Tyne z provozní databáze používané pro údržbu sítě. Data byla poměrně řídká a nebyla s nimi poskytnuta žádná standardní metadata. Součástí projektu tedy bylo nutné dekódování jak názvů jednotlivých datových polí, tak i kódů používaných pro ukládání dat.

Pro vytvoření BIM modelu ve formátu IFC jsme použili technologií xBIM Toolkit. Tato sada nástrojů umožňuje v plném rozsahu BIM data ve formátu IFC vytvářet, modifikovat i prezentovat. Jedná se o open source projekt, který využívají desítky komerčních i nekomerčních aplikací po celém světě pro práci s BIM modely. Díky použití otevřeného datového standardu a jeho otevřené implementace je zaručena transparentnost dat i procesů a NWL může kdykoli na výsledky projektu navázat a to i vlastními silami. Řešitelé projektu (prof. Stephen Lockley a Ing. Martin Černý, Ph.D.) jsou zároveň hlavními vývojáři platformy xBIM Toolkit.

Data ve formátu IFC jsou ze své podstaty do jisté míry implicitně klasifikována v rámci objektového modelu a tak je význam dat zřejmý již z dat samotných. Za jistý druh metadat by se v tomto případě dala považovat vlastní dokumentace IFC, která definuje funkční vlastnosti jednotlivých tříd. Zároveň je situace zásadně odlišná pro popisná data (atributy), která v IFC mají svůj popis, jednotky a typy hodnot odpovídající různým veličinám. V datech je tedy například explicitně definováno, že daná hodnota je průměr, jedná se o nezápornou délkovou míru a je v milimetrech. V původních GIS datech taková indikace nebyla, přitom v různých datových polích byly kombinovány různé jednotky. Tyto vlastnosti jsou zcela klíčové z hlediska interoperability různých nástrojů a systémů, protože IFC data jsou v tomto smyslu mnohem snáze zpracovatelná automatickými prostředky a na data lze tak snáze uniformě aplikovat nejrůznější analytické algoritmy.

V tradičních GIS jsou informace navázány na prostorovou reprezentaci objektu a jsou uloženy ve formě tabulek v relační databázi. Proti tomu v BIM modelech je podstatou abstraktní existence daného objektu. Geometrická reprezentace je jednou z informací, které se mohou vázat k danému objektu. Přitom je běžné, že objekt má zároveň několik reprezentací definovaných pro různý kontext. Základem je 3D a 2D reprezentace, kdy v obou případech je možné geometrii popsat jak na jednoduché základní úrovni běžné v GIS, tak i ve formě komplexních definic konstrukční geometrie. Abychom zdůraznili různé možnosti BIM, využili jsme popisné informace z GIS, jako výška, šířka a typ profilu potrubí (kruh, oblouk, ovál, obdélník nebo vejčitý profil) a vytvořili jsme 3D model, který přibližně odpovídá skutečné síti ve trojrozměrném prostoru.

Profily potrubí

Protože byla originální data pouze 2D a informace o výškovém umístění byly dostupné pouze pro velmi malou část sítě, využili jsme 3D model Virtual Newcastle-Gateshead (VNG), který vytvořila a udržuje Northumbria University. Ten obsahuje i triangulovaný model terénu, ze kterého jsme metodou Inverse Distance Weighting (IDW) interpolovali výšky vrcholů revizních šachet a dalších s povrchem souvisejících objektů. Model terénu jsme také použili pro interpolaci průběhu potrubí v kombinaci s informací o hloubce uložení.

Dalším zajímavým aspektem BIM modelu v porovnání s originálními GIS daty je možnost modelovat síťové vazby jako popisné informace. Na výsledný BIM model tedy mohou být přímo aplikovány síťové analýzy, aniž by byla dále potřeba geometrie. V GIS se za tímto účelem zpravidla vytváří specializované tabulky modelující uzly a hrany síťového grafu. V modelu IFC je tento vztah součástí základního objektového modelu. Významu takového modelu pak bude rozumět řada aplikací, které jsou schopny s takovými daty pracovat.

Přestože se i nadále jedná o poměrně schématickou reprezentaci reality, poskytuje dobrou představu o skutečné konfiguraci jednotlivých elementů sítě. Zvláště zřetelné je to v místech, kde se potrubí kříží v několika úrovních. Zároveň je díky obecným vlastnostem modelu ve formátu IFC jednoduché do budoucna model zpřesňovat, případně doplňovat o vysoce podrobné dílčí modely. Ty by byly zvláště užitečné například pro čerpací stanice a další technologie, které jsou v tomto modelu reprezentovány pouze bodem, nebo jednoduchým objemovým modelem.

BIM model from GIS data

Vzhledem k tomu, že výchozí data byla nekompletní, byly v některých případech použity relevantní informace odvozené od sousedních prvků sítě, nebo konstantní výchozí hodnoty. Výsledný model je tedy použitelný pouze pro demonstraci možností, ale není bohužel dostatečně kvalitní pro okamžité využití. Jedním z důležitých výsledků projektu tedy byla informace pro NWL o stavu dat v jejich databázi. Paradoxem přitom zůstává, že například kvalitní a reálné informace o 3D umístění jednotlivých prvků sítě i jejich rozměrech existují v analytických modelech pro hydraulické analýzy, které pro NWL provádí formou subdodávek různé společnosti. Tato data ale nejsou zpětně reflektována ve vlastních datech NWL. Během pilotního projektu se NWL nepodařilo tato data od subdodavatelů získat ani pro náš model. Obrázek výše ukazuje původní 2D GIS model sítě, 3D model vytvořený na základě parametrů z GIS modelu a v kombinaci s 3D modelem města a nakonec BIM model sítě zobrazený s modelem města pro orientaci v prostorovém kontextu.

Ukázka webové aplikace vytvořené nad modelem IFC

Abychom demonstrovali možnosti využití datového modelu IFC a dat samotných, vytvořili jsme prototyp jednoduché webové aplikace, která umožňuje prohlížet 3D model sítě v kontextu města a zároveň zpřístupňuje relevantní informace o jednotlivých elementech a to jak popisné informace, tak například i výkres obsahující detaily revizní šachty, nebo aktuální kamerový průzkum potrubí. Podstatné jsou i informace o souvisejících prvcích sítě, protože umožňují procházet data i bez 3D vizualizace. Prototyp může být dále rozšířen tak, že výsledná aplikace by mohla pokrýt všechny potřeby související s provozem a údržbou sítě. Aplikace nevyžaduje žádnou instalaci a využívá pouze webové technologie pro veškeré své fungování. Veškerá data jsou prezentována přímo z modelu IFC pomocí otevřených technologií xBIM Toolkitu.

Detailní informace o revizní šachtě

Výkres revizní šachty

Závěr

Pro informační model kanalizační sítě může být na základě naší analýzy v plném rozsahu použit standard IFC. V rámci pilotního projektu jsme vytvořili ukázková data pro území centra města Newcastle upon Tyne a demonstrovali jsme možnost využít je přímo pro vytvoření aplikace, která může zobrazovat relevantní informace o kanalizační síti. Do budoucna mohou být vyvinuty analytické algoritmy, které budou analyzovat přímo model sítě. Velmi jednoduchá bude například implementace síťových analýz nad sémantickými daty. Dalším potenciálním směrem rozvoje je internet věcí, kdy může být využito vysoké míry interoperability datového modelu ve standardním formátu k propojení se sítí senzorů poskytující informace o aktuálním stavu sítě, případně s možností automatického vyhodnocení některých situací. Tato oblast se v současné době prudce rozvíjí a je pro NWL zajímavá vzhledem k rozsahu provozované infrastruktury.

Ukázka interaktivního 3D modelu zde.

 

Přímý přístup k datům v BIM modelech

Posted Posted in BIM Standardy, Nástroje pro práci s IFC

Lidé si myslí, že jsou odborníky na IFC, když studují modely v prohlížeči. Tyto modely jsou ale dvakrát zkreslené. Poprvé při exportu, kdy nástroj na vytváření modelu vybírá která data budou uložena v IFC a jakým způsobem, podruhé pak v prohlížeči, který často volí zjednodušený pohled na komplexní data.

První zkreslení nebývá kritické, protože IFC nabízí bohatou datovou infrastrukturu pro ukládání dat o budovách a to jak v oblasti geometrie, tak v oblasti popisných dat, souvisejících dokumentů, klasifikací, popisu procesů a jednotlivých aktérů. Zároveň se podpora pro export do IFC v jednotlivých BIM nástrojích stále zlepšuje.

Druhé zkreslení však může být velmi zavádějící. Data v BIM modelu jsou zpravidla velmi komplexní a mnohé nástroje tak obětují věrnost zobrazované informace ve prospěch jednodušší prezentace pro uživatele.

xBIM, na rozdíl od většiny IFC nástrojů nabízí mnohem více. Jedná se o platformu nástrojů a komponent pro neomezenou práci s IFC daty a pro neomezený přístup ke všem aspektům modelu. Zároveň je možné data vytvářet, kontrolovat, transformovat a dále sdílet s kolegy či zákazníky.

Z jednotlivých částí umíme vytvořit pokročilé nástroje pro podporu nejrůznějších pracovních postupů založených na otevřených standardech. Naše nástroje jsou spolehlivé a vysoce efektivní i při práci s velkými modely v řádu stovek megabytů. Podporujeme IFC2x3, IFC4, COBie a další BIM standardy, které zajišťují maximální spolehlivost výměny informací a zároveň jejich trvanlivost, což je u stavebních projektů důležitý atribut, protože většina projektů trvá od svého počátku několik let.