z. 118 Transport 2017
Paweł Wontorski, Andrzej Kochan
Politechnika Warszawska, Wydział Transportu
MOŻLIWOŚCI WDROŻENIA MODELOWANIA
INFORMACJI O OBIEKCIE (BIM)
W PROJEKTOWANIU URZĄDZEŃ SRK
Rękopis dostarczono: kwiecień 2017Streszczenie: W artykule przedstawiono propozycję wdrożenia technologii wielowymiarowego
modelowania informacji o obiekcie (BIM) w projektowaniu urządzeń i systemów sterowania ruchem kolejowym. Dokonano oceny możliwości wprowadzenia BIM na szerszą skalę w warunkach polskich, ze wskazaniem istotnych ograniczeń i specyficznych uwarunkowań. Przeprowadzono analizę systemów srk pod kątem bezpośredniego odwzorowania ich wielopoziomowej struktury fizycznej i funkcjonalnej w skalowalnym modelu cyfrowym. Zwrócono uwagę na konieczną wielobranżowość (kompleksowość) i wielowymiarowość (7D) modelowania infrastruktury kolejowej. Wdrożenie BIM powinno iść w parze ze zautomatyzowanym projektowaniem, czyli budową modelu i baz danych, oraz możliwością automatycznego generowania dokumentacji na każdym etapie życia obiektu.
Słowa kluczowe: urządzenia srk, projektowanie, bim, modelowanie informacji o budynku
1. WPROWADZENIE
Projektowanie urządzeń i systemów srk jest procesem, w wyniku którego powstaje odwzorowanie tych urządzeń, ich lokalizacji, powiązań fizycznych i logicznych między nimi, zwane projektem technicznym, lub szerzej: dokumentacją techniczną. Odwzorowanie to, z natury rzeczy, jest niedoskonałe. Pomijając wykorzystanie w projektowaniu sprzętu komputerowego i oprogramowania CAD, docelowa forma tego odwzorowania, a więc papierowa dokumentacja, nie różni się diametralnie od formy sprzed kilkadziesiąt lat. Tymczasem inwestycje infrastrukturalne, w tym kolejowe, stają się przedsięwzięciami coraz bardziej złożonymi, wyposażonymi w zaawansowane systemy i instalacje, gdzie koordynacja prac, obniżanie kosztów i sprawne zarządzanie projektem, budową i utrzymaniem obiektu stają się kwestami nadrzędnymi. Odpowiedzią na wyżej wymienione potrzeby projektantów i inwestorów może być pełny model informacji o obiekcie (budynku) zwany BIM (ang. Building Information Modeling). BIM to cyfrowa reprezentacja danego obiektu i wszystkich jego elementów. To jednocześnie technologia, metoda i proces. W tym ujęciu BIM jest procesem tworzenia i zarządzania danymi w całym cyklu życia obiektu [4]. BIM wywodzi się z technik CAD (ang. Computer Aided Design – projektowanie wspomagane komputerowo), ale nie jest prostym rozszerzeniem funkcjonalności
oprogramowania CAD. Nie jest również jedynie modelowaniem 3D obiektu. BIM to technologia komputerowego modelowania obiektów z uwzględnieniem danych dotyczących zarówno właściwości fizycznych, funkcjonalnych oraz reguł i zależności między elementami [2]. Model BIM ma charakter wielowymiarowy – oprócz trzech wymiarów przestrzennych (3D) wskazuje się często na wymiar czasowy (4D), kosztowy (5D) itd.
Tak rozumiany model BIM dla srk (BIM-srk) powinien być czymś więcej niż dokumentacją 3D wykonaną dla danego posterunku czy szlaku. Zasadniczo stanowiłby cyfrowy zapis (model, odwzorowanie) wszystkich istotnych właściwości urządzeń srk i powiązań między nimi, oparty na centralnej bazie danych i podejściu obiektowym, pozwalający wygenerować zbiory informacji dedykowane konkretnej grupie odbiorców (projekt, harmonogram, kosztorys, dane aplikacyjne itd.). Co więcej idea BIM znacznie wykracza poza etap planowania i projektowania umożliwiając sprawne zarządzanie całym cyklem życia obiektu: realizacją inwestycji, instalacją urządzeń, uruchomieniem, testami, odbiorami, eksploatacją, diagnostyką, naprawami, remontami, i w końcu demontażem.
2. OCENA MOŻLIWOŚCI WDROŻENIA BIM
DLA INFRASTRUKTURY KOLEJOWEJ W POLSCE
Wdrażanie BIM w projektowaniu i zarządzaniu infrastrukturą kolejową może napotkać szereg problemów, których źródeł należy doszukiwać się w samym modelu zarządzania obiektami liniowymi i ich przynależnością do sektora publicznego, ze wszystkimi tego konsekwencjami. Sektor publiczny, w porównaniu z sektorem prywatnym, nie wprowadza zbyt chętnie i sprawnie innowacyjnych rozwiązań, zwłaszcza kosztownych na etapie wdrożenia. Nie rozumiejąc długofalowych korzyści nie ma też wystarczającej motywacji do sformułowania standardów i zasad realizacji idei BIM w praktyce.
Bez standardów i odgórnych zarządzeń (na przykład dotyczących centralnych baz danych), nie będzie możliwe wdrożenie BIM jako uniwersalnej technologii modeli cyfrowych infrastruktury na jednolitych zasadach. Autorzy zajmujący się BIM zwracają uwagę na nienajlepszą pod tym względem sytuację w Polsce na tle niektórych krajów [4]. W tych ostatnich próbuje się ustandaryzować szereg kwestii związanych z projektowaniem CAD oraz BIM (za przykład mogą posłużyć standardy fińskie [5] albo kanadyjskie [7]). Mniejsze zainteresowanie BIM w infrastrukturze powoduje, że odpowiednie narzędzia (programy) i standardy rozwijają się stosunkowo wolno. Więcej informacji na temat porównania BIM w budownictwie kubaturowym (BIM pionowy) z BIM w budownictwie infrastrukturalnym (BIM liniowy) można znaleźć w [1] oraz [4].
Mając na uwadze powyższe rozważania, skuteczne wdrożenie BIM w projektowaniu systemów sterowania ruchem kolejowym na polskiej sieci kolejowej zależy od zaangażowania głównego zarządcy infrastruktury kolejowej w Polsce: PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Być może odpowiednie zarządzenia i standardy powinny powstać na poziomie ogólnokrajowym lub nawet międzynarodowym (unijnym).
PKP PLK korzysta z systemów gromadzących dane o sieci kolejowej, takich jak POS (Prowadzenie Opisu Sieci) oraz systemów informacji przestrzennej GIS. Od 2008 Biuro Nieruchomości i Geodezji Kolejowej wdraża oprogramowanie firmy Esri – ArcGIS, za
pomocą którego opracowano graf przestrzenny sieci kolejowej. Do kontroli poprawności dokumentacji projektowej, nakładania ortofotomap na numeryczny model terenu (NMT) i innych analiz wykorzystywane są aplikacje ArcGIS, na przykład ArcScene (rysunek 1) [10].
Od 2010 roku wdrażany jest System Informacji dla Linii Kolejowych (SILK) zintegrowany z POS, przetwarzający i wizualizujący dane z wykorzystaniem aplikacji
Bentley PowerMap, integrujący dane zgromadzone w innych systemach opisujących sieć
kolejową [9]. Jednym z modułów SILK jest Liniowy System Referencyjny (LRS), czyli model sieci kolejowej, stanowiący jednolite odniesienie dla map, schematów i innych systemów informatycznych PKP. Moduł Dokumentacja ma wspomagać gromadzenie i zarządzanie dokumentacją, z wersjonowaniem i kontrolą korzystania z nieautoryzowanych kopii. System oparty na technologii Bentley ProjectWise stanowi repozytorium dokumentów w różnych formatach tekstowych i graficznych, związanych przez georeferencje z lokalizacjami na podstawie współrzędnych rzutowanych na sieć kolejową (model LRS).
Opisane wyżej systemy mają zapewnić sprawniejsze, szybsze i efektywniejsze pozyskiwanie wiarygodnych i aktualnych informacji o sieci kolejowej [3]. Nie jest to BIM, choć z pewnością są to działania zmierzające do zbudowania cyfrowego, skalowalnego i otwartego systemu informacji przestrzennej o sieci kolejowej. Nawet jeśli udałoby się zbudować model cyfrowy sieci kolejowej, wszelkie działania w tym kierunku skupiają się na trasowaniu linii kolejowej, infrastrukturze kolejowej, układzie torowym. Brak natomiast zdecydowanych działań w kierunku budowy kompleksowego modelu BIM integrującego wszystkie branże, w tym systemy sterowania ruchem kolejowym.
Rys. 1. Przykład wdrożenia GIS w PKP PLK (pakiet ArcGIS) (źródło: [10])
Mimo bardzo ambitnych planów dotyczących informatyzacji i cyfryzacji dokumentacja projektowa urządzeń srk, w której posiadaniu jest PLK, cechuje w wielu przypadkach tradycyjna forma graficzna (format rastrowy) i wątpliwa aktualność. Nierzadko są to stare plany schematyczne, zeskanowane z analogowych kopii niskiej jakości. Nawet jeśli taki zbiór dokumentów można szybką odnaleźć i przejrzeć, to pozyskanie z niego danych wymaga zazwyczaj ich przepisania (przerysowania) na potrzeby przygotowania projektu. Wdrożenia nowych systemów, choć można oceniać pozytywnie, są działaniami mocno spóźnionymi i niewystarczającymi. Po pierwsze istnieje potrzeba bardziej efektywnego projektowania, szybszego dostępu do informacji, elastycznego kształtowania zbioru danych o obiekcie. Po drugie istnieją możliwości techniczne i organizacyjne zbudowania modelu sieci kolejowej i zarządzania nim. Nie powinny to już być jedynie dwu- lub trójwymiarowe odwzorowania wykonane w technologii GIS czy CAD, ale wielowymiarowe, skalowalne,
wielobranżowe modele informacyjne infrastruktury kolejowej, czyli de facto modele BIM. PKP PLK (i inni zarządcy infrastruktury, np. Metro Warszawskie) powinni rozpocząć prace przygotowawcze do wdrożenia tego typu rozwiązań.
Skalowalność modelu umożliwia elastyczne przejście od skali makro linii kolejowej, do skali mikro poszczególnych urządzeń srk. Wielobranżowość (kompleksowość) wyraża się uwzględnieniem w modelu danego fragmentu sieci kolejowej, wszystkich urządzeń i systemów kolejowych, które tworzą spójną całość z infrastrukturą torową. Jednym z systemów, który należy uwzględnić, jest system sterowania ruchem kolejowym.
Model BIM dla kolei powinien nie tylko posiadać moduł odpowiedzialny za zarządzanie dokumentacją, ale w istocie sam stanowić dokumentację – dostępną, choć centralnie zarządzaną, kontrolowaną i aktualizowaną. Ze względu na wielobranżowość niezwykle ważne byłoby zarządzanie dostępem do ściśle określonych zasobów zgodnie z przyjętym schematem organizacji danych. Ochrona informacji poufnych, kontrola wprowadzonych zmian i weryfikacja ze stanem faktycznym na obiekcie powinna stanowić kwestię kluczową w zarządzaniu danymi. Zarządzany centralnie model mógłby zmniejszyć ryzyko wystąpienia błędu i utraty kontroli nieautoryzowanymi kopiami dokumentacji. Dla każdego obiektu na sieci kolejowej istniałby jeden model (reprezentacja cyfrowa modelu wraz z kopiami zapasowymi), a na konkretne potrzeby możliwe byłoby wygenerowanie z modelu dokumentacji w tradycyjnej formie (plik *.pdf lub wydruk). Docelowo wydruk nie byłby potrzebny, ale zastąpiony dostępem online do najbardziej aktualnego modelu BIM.
Wdrożenie BIM na polskiej kolei, choćby nawet poparte zaangażowaniem wszystkich największych wykonawców inwestycji i biur projektowych, nie będzie możliwe bez odpowiednio silnego, czynnego udziału PKP PLK. Dotyczy to także zmian w przepisach, stworzenia katalogu standardów i wymagań, utrzymania centralnej bazy danych oraz ram techniczno-organizacyjnych dla wdrożenia BIM na szeroką skalę.
3. ZASTOSOWANIE TECHNIKI 3D W PROJEKTOWANIU
URZĄDZEŃ SRK
Wprowadzenie modelowania 3D jest jednym z pierwszych etapów wdrożenia BIM w projektowaniu i zarządzaniu obiektem. Zastosowanie technik 3D w projektowaniu urządzeń srk (zwłaszcza w Polsce, ale nie tylko) nie rozpowszechniło się na większą skalę. Można wyróżnić następujące przyczyny takiego stanu rzeczy:
specyficzna forma dokumentacji projektowej systemów sterowania ruchem kolejowym, w której podstawowe rysunki opisują rozmieszczenie urządzeń na płaskiej powierzchni (plan schematyczny, plan kontroli niezajętości) lub stanowią płaskie schematy montażowe (np. schematy obwodów elektrycznych);
tradycyjne podejście do projektowania i przyzwyczajenia projektantów z równoczesną obawą przed zmianami o charakterze rewolucyjnym;
brak regulacji prawnych, norm i standardów;
niedostateczne uwzględnienie w projektowaniu srk urządzeń innych branż;
brak odpowiedniego oprogramowania bądź nieuwzględnienie w oprogramowaniu CAD lub BIM przestrzennego aspektu projektowania infrastruktury, w tym srk.
Tym niemniej, technika 3D może być wykorzystana w projektowaniu systemów sterowania ruchem kolejowym. Na potrzeby uporządkowania rozważań o możliwościach wykorzystania techniki 3D, a następnie BIM w projektowaniu systemów srk wprowadzono pomocniczo trzy poziomy organizacji urządzeń srk na obiekcie (rysunek 2):
poziom 1: model obszaru linii i stacji kolejowej z urządzeniami zewnętrznymi srk; poziom 2: model obiektu kubaturowego z urządzeniami wewnętrznymi srk; poziom 3: model urządzeń wewnętrznych srk.
Poziom 1: model obszaru linii i stacji kolejowej z urządzeniami zewnętrznymi srk – obejmuje obiekty liniowe i stacyjne infrastruktury kolejowej (w tym także linie metra), tunele, obiekty mostowe, wraz z urządzeniami i połączeniami zewnętrznymi srk. Projektowanie 3D w tej skali powinno uwzględnić ukształtowanie terenu (w oparciu o NMT – numeryczny model terenu), dane pozyskiwane ze stale aktualizowanych baz danych GIS, odwzorowanie rzeczywistych relacji przestrzennych między obiektami. Konfiguracja urządzeń srk zależy od układu funkcjonalnego posterunku i przebiegu linii w planie i przekroju, skrajni budowli, układu sieci elektroenergetycznych i infrastruktury technicznej.
Poziom szczegółowości na potrzeby srk powinien obejmować: odwzorowanie układu torowego stacji i torów szlakowych;
odwzorowanie urządzeń zewnętrznych srk w skali, ich gabarytów, cech wizualnych i lokalizacji na obiekcie, w stanie zasadniczym (i opcjonalnie każdym możliwym); odwzorowanie zewnętrznej sieci kablowej ze wskazaniem zróżnicowania poziomów
ułożenia kabli w terenie, zagłębienia studzienek kablowych, gabarytów armatury; odwzorowanie świateł sygnalizatorów na potrzeby analizy ich widoczności z symulacją
obserwacji przez maszynistę włącznie;
odwzorowanie lokalizacji i wielkości obiektów kubaturowych, masztów telekomunikacji kolejowej oraz pozostałej infrastruktury towarzyszącej.
Poziom 2: model obiektu kubaturowego z urządzeniami wewnętrznymi srk – obejmuje budynek (lub budynki) nastawnicowni i przekaźnikowni, względnie kontener (kontenery), które stanowią obiekty wydzielone z przestrzeni, z zainstalowanymi wewnątrz urządzeniami wewnętrznymi srk, a także: stacje metra, budynki dworców. Projektowanie 3D w tej skali powinno uwzględnić rozmieszczenie pomieszczeń, ich powierzchnie, kubatury, wszystkie przejścia kablowe między pomieszczaniami, kanały i przepusty kablowe, miejsca ustawienia szaf, stojaków i stanowisk operatorskich. Konfiguracja urządzeń srk zależy od układu i wielkości pomieszczeń, instalacji wewnętrznych, lokalizacji urządzeń wentylacyjnych, oświetlenia, przyłączy elektroenergetycznych. W przypadku pomieszczenia dyżurnego ruchu także od orientacji obiektu, oświetlenia, aranżacji. Szczególnie w przypadku budowy nowych obiektów istotne jest uwzględnienie wszystkich potrzeb przestrzennych i środowiskowych dla urządzeń srk.
Poziom szczegółowości na potrzeby srk powinien obejmować:
odwzorowanie lokalizacji i gabarytów szaf, stojaków i tablic srk w pomieszczeniach zarówno w planie, jaki i rzucie pionowym;
odwzorowanie wewnętrznej sieci kablowej ze wskazaniem przydziału kanałów, korytek kablowych i przepustów;
odwzorowanie lokalizacji i konfiguracji stanowisk operatorskich z uwzględnieniem zasad ergonomii, dopuszczalnych wymiarów, dostępności.
Rys. 2. Poziomy organizacji urządzeń srk na potrzeby modelowania 3D – opis w tekście (źródło: opracowanie własne)
Poziom 3: model urządzeń wewnętrznych srk – obejmuje wyposażenie szaf, stojaków, tablic i kaset zarówno jako pojedyncze urządzenia wewnętrzne, jak i funkcjonalno-przestrzenne zestawy urządzeń, wraz z połączeniami wewnętrznymi, a także urządzenia zasilające i teletechniczne z połączeniami zasilającymi i cyfrowej transmisji danych. Projektowanie 3D w tej skali powinno uwzględniać wszystkie cechy geometryczne szaf i stojaków, wraz z organizacją półek, korytek, przyłączy. Konfiguracja urządzeń na tym poziomie zależy głównie od organizacji urządzeń srk na poziomie 2.
Poziom szczegółowości na potrzeby srk powinien obejmować:
odwzorowanie urządzeń wewnętrznych srk w skali, ich gabarytów, cech wizualnych i lokalizacji w szafach, na stojakach, w kasetach, na stanowiskach operatorskich; odwzorowanie wewnętrznej sieci kablowej ze wskazaniem punktów przyłączenia
poszczególnych kabli (złączy, gniazd) i z ich parametrami elektrycznymi;
odwzorowanie numeracji i oznaczeń urządzeń, podzespołów, połączeń, oraz ich logicznego grupowania i funkcjonalno-przestrzennej organizacji.
Wizualizacja 3D stanowi nie tylko narzędzie do prezentacji obiektu, ale przede wszystkim płaszczyznę wykrywania i usuwania kolizji, optymalizacji struktury przestrzennej instalacji, oceny widoczności i fizycznej dostępności obiektów. Projektowanie w 3D powinno uwzględnić koordynację międzybranżową i ułatwić prowadzenie instalacji należących do różnych systemów, które technicznie niezależnie, bywają rozmieszczane wspólnie na stosunkowo niewielkiej przestrzeni, co wymaga wielu uzgodnień. Można przypuszczać, że wdrażanie projektowania w 3D systemów sterowania ruchem kolejowym będzie w pierwszej kolejności realizowane na stacjach metra, obiektach mostowych, tunelach, wielopoziomowych dworcach, dużych stacjach pasażerskich. Na małych i średnich stacjach kolejowych taka potrzeba nie będzie jeszcze z pewnością równie silnie dostrzegana.
4. PROPOZYCJA WDROŻENIA BIM W PROJEKTOWANIU
URZĄDZEŃ SRK
Realizacja BIM dla obiektów kolejowych z założenia powinna obejmować pełny model obiektu, w którym system sterowania ruchem kolejowym wraz z całą instalacją kablową srk stanowi tylko jeden z wielu systemów na stacji, szlaku czy obiekcie kubaturowym. Warto w tym miejscu dodać, że liczba i poziom skomplikowania systemów i instalacji na wszelkich obiektach wzrasta i uzgodnienia międzybranżowe stają się poważnym wyzwaniem dla projektantów i koordynatorów dużych projektów infrastrukturalnych. W tym kontekście wdrożenie BIM może przynieść oszczędności czasowe i finansowe dla inwestorów, których nie należy ignorować skupiając się na projektowaniu tylko własnego systemu.
Za szczególnie istotny aspekt projektowania w oparciu o BIM należy uznać możliwość planowania rozmieszczenia urządzeń i prowadzenia połączeń kablowych w odniesieniu do instalacji innych branż znajdujących w tej samej przestrzeni. Oznacza to konieczność odwzorowania pełnej infrastruktury kolejowej: torowej, teletechnicznej, elektrotrakcyjnej, elektroenergetycznej, obiektów inżynieryjnych, budynków zaplecza technicznego i wielu innych na potrzeby uwzględniania wszystkich zależności między systemami, punktów stycznych i kolizji. Ma to na celu realizację stawianego coraz częściej postulatu pełnej koordynacji międzybranżowej w trakcie projektowania, budowy i eksploatacji obiektu.
Koordynacja międzybranżowa w oparciu o BIM może dotyczyć dwóch przypadków: projektowania instalacji srk jako nowego komponentu w już istniejącym obiekcie, co
oznacza konieczność dostosowania się do sytuacji zastanej bez możliwości istotnej ingerencji w istniejące instalacje, inne elementy i konstrukcję obiektu;
projektowania całego obiektu od podstaw, łącznie z systemem srk, co oznacza możliwość pełnej koordynacji i dwukierunkowej wymiany informacji o potrzebach i ograniczeniach pomiędzy projektantami systemu srk a projektantami innych branż. W wyżej opisanym kontekście, BIM dla systemu srk powinien opierać się na zasadach przyjętych dla projektowania obiektu infrastrukturalnego jako całości, które stanowią kontynuację dobrych praktyk stosowanych w najbardziej rozwiniętym i klasycznym już segmencie kubaturowym BIM. Ze względu na specyfikę systemów srk i ich największe podobieństwo pod względem struktury fizycznej do innych sieci i instalacji, należy wykorzystać doświadczenia we wdrażaniu BIM w zakresie instalacji elektrycznych, telekomunikacyjnych i informatycznych. Jako przykład takiego wdrożenia można wskazać projekt Crossrail w Londynie [6].
BIM dla urządzeń i systemów sterowania ruchem kolejowym można organizować na kilku poziomach różniących się stopniem szczegółowości, mając jednocześnie na uwadze spójny model całości. Poziomami organizacji danych modelu mogą być te, zdefiniowane w poprzednim punkcie artykułu dotyczącym projektowania 3D. Jest to podejście nieco odmienne od tradycyjnego wyróżniającego dwie grupy urządzeń: zewnętrzne (odpowiednik poziomu 1) i wewnętrzne (poziomy 2 i 3). Zaletami podziału na trzy poziomy są m.in.: uwzględnienie silnych związków funkcjonalno-przestrzennych z kubaturami obiektów
budowalnych i instalacjami innych branż, które stanowią przedmiot tego samego modelu, i powinny być przedstawiane w jednolity sposób;
uwzględnienie różnic w zakresie i charakterze informacji opisujących duże obiekty kubaturowe a opisujących poszczególne urządzenia techniczne (np. komputery); zwiększenie elastyczności zarządzania urządzeniami srk z możliwością regulowania
dostępu do określonych obszarów danych modelu (cyfrowej reprezentacji modelu). Przedstawione wyżej podejście nie jest jedynym, jakie można zastosować do organizacji modelu informacji o systemie srk i może być poddane dalszej dyskusji. Podział na trzy poziomy nie wyklucza możliwości stosowania tradycyjnego podejścia grupującego urządzenia srk na wewnętrzne i zewnętrzne. W tabeli 1 przedstawiono wybrane cechy charakteryzujące poszczególne poziomy organizacji modelu BIM dla systemów srk.
Tablica 1 Charakterystyczne cechy poziomów BIM dla srk
Cecha Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 maksymalny zasięg sieć kolejowa obiekt kubaturowy grupa szaf/stojaków
minimalny zasięg urządzenie zewnętrzne urządzenie wewnętrzne element wykonawczy
typowy zasięg posterunek ruchu / szlak przekaźnikownia szafa/stojak
powiązanie z GIS tak, najlepiej w oparciu o NMT tylko w zakresie lokalizacji budynku nie dotyczy powiązanie /współwystępowanie z innymi instalacjami
tak, dotyczy szczególnie sieci kablowej
tak, dotyczy sieci kablowej i lokalizacji urządzeń w ograniczonym zakresie – urządzenia są autonomiczne podstawowe podkłady (cyfrowe modele wejściowe) NMT, plan sytuacyjny, plan kanalizacji kablowej model architektoniczno-budowlany budynku
modele cyfrowe szaf, stojaków, urządzeń, dane techniczne
wygenerowana dokumentacja
plan schematyczny, plan tras kablowych, zapis zależności plany rozmieszczenia urządzeń, plany połączeń plany rozmieszczenia urządzeń, schematy obwodów, zestawienia BIM to modelowanie wielowymiarowe. Projektowanie w 3D zostało opisane w poprzednim punkcie niniejszego artykułu. Jednak postrzeganie BIM jedynie jako wizualizacji 3D obiektu byłoby nieporozumieniem. Dla pełnego przedstawienia idei BIM w modelowaniu obiektów srk należy opisać kolejne wymiary (aspekty).
Wymiar czwarty (4D) odnosi się do parametrów czasowych etapów życia obiektu: okresu projektowania, realizacji i eksploatacji. Na etapie projektowania i budowy należy opisać elementy składowe czasami wykonania, dostawy, montażu, uruchomienia i odbioru, tak by możliwa byłą interpretacja modelu jako kompletnego harmonogramu uwzględniającego czasowe zamknięcia fragmentów układu torowego, fazowanie robót, zmiany zależności, tymczasowe zasady organizacji ruchu, opóźnienia i ich wpływ na postęp prac. Parametry czasowe urządzeń odnoszące się do czasu ich bezawaryjnej pracy czy średnie oczekiwane czasy zdatności stanowią podstawę do realizacji założeń wymiaru siódmego (7D).
Wymiar piąty (5D) odnosi się do szacowania kosztów projektowania, realizacji i eksploatacji obiektu. W zasadzie już na etapie przygotowania przetargu i opracowywania przedmiaru robót można wykorzystać możliwości, jakie daje opisanie poszczególnych urządzeń srk i połączeń fizycznych i logicznych atrybutami określającymi koszt zakupu, montażu i utrzymania. Przypisanie wartości tych kosztów do wszystkich typów urządzeń srk, jakimi dysponują projektanci i inwestorzy, pozwala na przeprowadzenie wielu
symulacji finansowo-ekonomicznych, optymalizację konfiguracji i dobór typu urządzeń srk według kryterium kosztowego. Na etapie projektowania i budowy pozwala stale kontrolować wydatki z przyjętego budżetu i realizację kolejnych pozycji planu finansowego. Problem może stanowić niechęć niektórych producentów urządzeń srk i dostawców danych aplikacyjnych do ujawniania cen i innych szczegółowych informacji finansowych.
Wymiar szósty (6D) odpowiada parametrowi energii. W przypadku urządzeń srk ograniczenie zużycia energii ma mniejsze znaczenie niż np. w budownictwie mieszkaniowym, natomiast można zawrzeć w modelu informacje opisujące zużycie energii i optymalizować niektóre rozwiązania wg tego kryterium.
Wymiar siódmy (7D) umownie obejmuje etap użytkowania (eksploatacji) obiektu. W przypadku urządzeń srk szczególnie istotne jest opisanie elementów modelu cyfrowego (urządzeń) wskaźnikami określającymi oczekiwany czas zdatności, przewidywany czas do następnej naprawy, legalizacji lub wymiany. Model 7D powinien stanowić zestaw praktycznych wytycznych dla sekcji eksploatacji, przydatnych do sporządzenia planu (instrukcji) utrzymania urządzeń srk na obiekcie. Pomaga zarządzać procesem utrzymania urządzeń srk w danej sekcji, umożliwia transparentność działania brygad remontowych, ułatwia wymianę bądź naprawę zużytych i uszkodzonych elementów.
Mając na uwadze powyższe postulaty, należy rozumieć projektowanie urządzeń i systemów srk w oparciu o technologię BIM, jako tworzenie pełnej cyfrowej reprezentacji tych urządzeń, z uwzględnieniem znacznie większej liczby atrybutów je opisujących (graficznych i niegraficznych) niż w tradycyjnym podejściu. Podejście tradycyjne należy w tym przypadku rozumieć jako projektowanie dwuwymiarowe z symboliczną reprezentacją urządzeń srk i połączeń między nimi. Atrybuty graficzne opisują obiekty BIM na poziomie 3D, zaś wyższe poziomy BIM realizowane są poprzez opis obiektów atrybutami niegraficznymi. Samo odwzorowanie systemu srk w 3D (jako jednej z wielu instalacji budowlanych), bez atrybutów niegraficznych opisujących parametry elektryczne, logiczne i funkcjonalne byłoby dalece niewystarczające. Co więcej, model urządzeń srk, powinien uwzględniać relacje między poszczególnymi elementami, a nawet przebiegi i stany elementów w drodze przebiegu. Wówczas, w odróżnieniu od statycznych modeli budynków, model BIM systemu srk posiadałby pewne cechy modeli dynamicznych, co ułatwiłoby analizy funkcjonalno-ruchowe i symulacje ruchu dla zadanego fragmentu sieci kolejowej.
W zakresie wyboru standardu wymiany modeli BIM dla systemów srk należy kierować się kompatybilnością ze standardami określonymi dla pozostałych branż infrastruktury kolejowej (o ile zarządca infrastruktury je wprowadzi i nie pozostawi tego problemu do rozwiązania dla prywatnych dostawców oprogramowania). Jednym ze standardów wymiany modeli jest IFC (ang. Industry Foundation Classes) i rzeczywiście może być używany do wymiany danych między aplikacjami różnych producentów. Warto jednak zwrócić uwagę na standard BCF (ang. BIM Colaboration Format), który w pewnym sensie stanowi rozszerzenie IFC zorientowane na wychwytywanie w modelu kolizji międzybranżowych. BCF jest bowiem standardem opartym na XML (ang. Extensible Markup Language), co potencjalnie pozwala wykorzystać do tworzenia modeli BIM-srk języki oparte na XML, w tym railML – dedykowany dla zastosowań kolejowych [8].
5. MODEL BIM A AUTOMATYZACJA PROJEKTOWANIA
URZĄDZEŃ SRK
Automatyzacja projektowania może funkcjonować bez BIM, ale BIM bez automatyzacji jest trudny do realizacji. Pojęcie automatyzacji należy do dwóch etapów projektowania w oparciu o BIM. Pierwszym etapem jest stworzenie modelu informacji o obiekcie. Podczas tej fazy powstaje warstwa graficzna modelu, budowana jest baza danych, kształtowany jest harmonogram i kosztorys inwestycji. Automatyzacja pozwala znacznie przyspieszyć i ułatwić tworzenie modelu, począwszy od optymalnego rozmieszczania elementów grafiki a skończywszy na zautomatyzowanym generowaniu danych i zaawansowanych obliczeniach. Tworzenie modelu przez ręczne dodawanie elementarnych form graficznych (linii, okręgów, poligonów) byłoby absurdalne i przeczące podejściu obiektowemu. Drugi etap stanowi generowanie dokumentacji w rozumieniu zbioru arkuszy, dokumentów, wizualizacji, wyników obliczeń, w dowolnym momencie życia obiektu. Większość operacji polegających na pozyskaniu danych z modelu można przeprowadzić automatycznie.
Automatyzacja w ramach komputerowego wspomagania projektowania (CAD) stanowi jeden z ważniejszych nurtów w projektowaniu. W połączeniu z ideą BIM nabiera jednak zupełnie nowej jakości i staje się istotnym środkiem umożliwiającym w ogóle efektywne stosowanie cyfrowych modeli systemów srk. Tym bardziej interesująca staje się możliwość zautomatyzowanego kształtowania modelu systemu przy uwzględnieniu określonych kryteriów optymalizacji i automatyzacja nie tylko czynności, ale także decyzji projektanta.
Można wskazać następujące związki między automatyzacją a modelowaniem BIM: zautomatyzowane generowanie grafiki 2D i 3D tworzącej model poprzez interpretację
danych wejściowych i przekształcenie ich na grafikę, czyli m.in.
generowanie typowych układów torowych stacji na postawie wejściowych parametrów techniczno-ruchowych,
generowanie rozmieszczenia urządzeń w przekaźnikowni i nastawnicowni,
generowanie typowego rozmieszczenia pakietów wykonawczych, komputerów i pozostałych urządzeń wewnętrznych,
generowanie układu i parametrów technicznych sieci kablowej; w każdej z czynności należy uwzględnić możliwość ingerencji projektanta w model (celem dokonania odstępstw od rozwiązań uznanych za „typowe”) oraz możliwość optymalizacji wybranych parametrów według przyjętych kryteriów;
automatyczna aktualizacja modelu w oparciu o zmieniające się dane zewnętrzne (np. regulacje prawne, wytyczne, instrukcje, założenia techniczno-ruchowe);
automatyczna kontrola wartości określonych parametrów i dobór elementów zgodnych ze specyfikacjami (np. liczba zestyków przekaźnika danego typu);
automatyczne kształtowanie geometrii połączeń zgodnie z przyjętymi normami (np. minimalny promień gięcia kabla określonego rodzaju);
zautomatyzowane generowanie dokumentacji 2D na podstawie modelu 3D;
zautomatyzowane generowanie schematów obwodów, połączeń kablowych, rozszyć i planów kablowych na podstawie modelu 3D;
automatyczne generowanie raportów, kosztorysu, harmonogramu i innych danych wymienianych z systemami zarządzania projektami;
automatyczne generowanie sygnałów alarmowych w razie poważnych odstępstw od ustalonych wartości określonych parametrów modelu.
Istotą powiązania pojęcia „automatyzacji” z pojęciami „BIM” i „model” jest zautomatyzowane przetwarzanie danych, przekształcanie danych z postaci graficznej na postać tekstową i odwrotnie, pozyskiwanie danych o urządzeniach w dowolnej formie i szybki do nich dostęp w każdym momencie życia obiektu. Ze względu na poufność informacji o urządzeniach srk automatyzacja powinna iść w parze z wdrażaniem mechanizmów ochrony danych.
6. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono zagadnienie wdrożenia wielowymiarowego modelu informacji o obiekcie BIM w projektowaniu urządzeń i systemów srk (BIM-srk). Zaprezentowane podejście jest nowatorskie jak na obecnie praktykowane metody projektowania infrastruktury kolejowej w warunkach polskich, a szczególnie systemów srk. Niemniej BIM jako technologia modelowania cyfrowego obiektów w budownictwie kubaturowym, a ostatnio także liniowym w wielu krajach rozwija się bardzo dynamicznie, stanowiąc niejako naturalny etap ewolucji systemów CAD. BIM dla srk z powodu wielu nietypowych cech systemów srk oraz konieczności umiejscowienia ich wśród instalacji i urządzeń innych branż wymaga wyspecyfikowania specjalnych wymagań i standardów.
Bez zaangażowania głównych zarządców infrastruktury wprowadzenie jednolitych standardów na szeroką skalę, a wraz z nimi wdrożenie na poziomie centralnym BIM, może okazać się niemożliwe. Podobnie brak koordynacji we wprowadzaniu technologii CAD w projektowaniu srk skutkuje mnogością rozwiązań, przestarzałymi wytycznymi, brakiem centralnej bazy danych o systemach srk i dowolnością interpretacji niedookreślonych pojęć. Tymczasem, mimo znacznych kosztów wdrożenia BIM jest technologią, która pozwala na:
zwiększenie efektywności projektowania, budowy i eksploatacji systemu srk; zaoszczędzenie czasu poświęcanego na konsultacje i uzgodnienia międzybranżowe; przyspieszenie procesu aktualizacji, pobierania i wymiany danych;
kontrolę zarządzania danymi zgormadzonymi w jednej bazie danych modelu; zwiększenie możliwości i elastyczności generowania dokumentacji.
Automatyzacja budowy modelu cyfrowego i pozyskiwania z niego informacji dodatkowo przemawia za rozwojem narzędzi i standardów BIM w kierunku uniwersalnej platformy gromadzenia i przetwarzania danych o infrastrukturze kolejowej, w tym urządzeniach srk.
Bibliografia
1. Bohatkiewicz J., Biernacki S., Drach M., Jamrozik K., BIM w drogownictwie: perspektywy, możliwości i ograniczenia., II Międzynarodowa Konferencja i Targi BIM Projektowanie Przyszłości, Kraków, 4-5 marca 2015 (prezentacja)
2. Salamak M., Januszka M., Płaszczyk T., Technologia BIM+AR w zarządzaniu infrastrukturą kolejową, Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK RP, Oddział w Krakowie, nr 3(110), Kraków 2016
3. Świniarska, E. Łastowska-Siwek, A. System Informacji dla Linii Kolejowych narzędziem wspomagającym podejmowanie decyzji w PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Przegląd Komunikacyjny, nr 3-4, 2011
4. Tomana A., BIM: innowacyjna technologia w budownictwie: podstawy, standardy, narzędzia, PWB Media Zdziebłowski, Kraków 2016
5. Common BIM Requirements 2012 [http://www.en.buildingsmart.kotisivukone.com/3]
6. Driving industry standards for design innovation on major infrastructure projects [http://www.crossrail.co.uk/construction/building-information-modelling/]
7. Roadmap to Lifecycle BIM [https://www.buildingsmartcanada.ca/]
8. Schema railML.xsd [http://www.railml.org/files/download/schemas/2016/railML-2.3/documentation/railML.html#Link373]
9. System Informacji dla Linii Kolejowych (SILK) oraz System Referencyjny dla PKP PLK [http://www.shh.pl/silk_lrs-plk.dhtml]
10. Technologia GIS w PKP PLK [http://www.arcanagis.pl/technologia-gis-w-pkp-plk/]
THE POSSIBILITY OF IMPLEMENTATION OF BUILDING INFORMATION MODELLING (BIM) IN DESIGN FOR RAILWAY TRAFFIC CONTROL DEVICES
Summary: The article presents a proposal for the implementation of the technology of
multi-dimensional building information modelling (BIM) in the design for railway traffic control devices and systems. An evaluation of the possibility of introducing BIM on a large scale in the Polish conditions, an indication of significant limitations and specific circumstances. An analysis of signaling systems for the direct mapping of multi-level structure of the physical and functional scalable digital model. Attention was drawn to the necessary multi-branch (complexity) and multidimensionality (7D) modeling of railway infrastructure. Implementation of BIM should go hand in hand with automated design, or construction of the model and databases, and the ability to automatically generate documentation at every stage of life the object.
