Digitalizace Podzemní laboratoře Josef

Co je Podzemní laboratoř Josef?

Štola Josef je unikátním podzemním dílem, které je situováno cca 60 km od Prahy v těsné blízkosti Slapské přehrady. Původně se jednalo o průzkumné dílo zlatých ložisek. Sestává z více než 8 km štol a rozrážek pod kopcovitým terénem (mocnost nadzemní vrstvy 0–180 m) přístupných přímo z úrovně terénu. Velkou výhodou je tak snadný přístup bez nutnosti fárání pod terén. Ražba štoly Josef probíhala v letech 1981–1991, poté byla těžba zlata i s ohledem na dopad na životní prostředí vyhodnocena jako neekonomická a štola byla zakonzervována.

Na začátku milénia byla znovuotevřena jako univerzitní experimentální Podzemní laboratoř Josef (dále jen PL Josef). PL Josef je pracovištěm Centra experimentální geotechniky (dále jen CEG) pod Fakultou stavební ČVUT v Praze. Vlastníkem podzemního díla zůstává Ministerstvo životního prostředí.

Významný podíl výzkumných, vývojových a ověřovacích činností zde prováděných je ve vztahu k jaderné bezpečnosti. Konkrétně se jedná o spolupráci se SÚRAO – problematika plánovaného podzemního úložiště jaderného odpadu. Ostatní experimenty jsou zaměřeny na materiálový výzkum v reálných geologických podmínkách či skladování energií v podzemí. Aktuálně se ve spolupráci s průmyslovými partnery řeší projekty spojené a automatizací a robotizací v podzemí.

Výzkum v PL Josef je tak velmi různorodý a je potřeba pro jednotlivé experimenty zabezpečit dostatečné technické a technologické zázemí. Jak ale zajistit plynulý a bezpečný provoz takové díla? Jak zajistit efektivní řízení desítek výzkumných projektů prováděných v 8 km štol podzemní laboratoře?

Potřeba digitalizace

Ve světě nadzemního stavitelství jsou dnes samozřejmou odpovědí procesy digitalizace a tvorba digitálního pasportu (v podobě digitálních informačních modelů dále jen BIM modelu). Aplikace těchto metod u podzemních staveb není běžná. A už vůbec ne u komplexního díla, jakou je Podzemní laboratoř Josef. Neexistuje standardizace toho, co by se mělo zaznamenávat a v jaké formě. To byl také důvod, proč po dobu více než 20 let provozu PL Josef vznikala ad-hoc data potřebná pro určitý jeden aspekt provozu či realizaci konkrétního jednoho experimentu. Tato data nebyla vždy vzájemně kompatibilní a nešlo je znovu použít pro další experiment/činnost.

Změnu přinesl projekt digitalizace PL Josef, který má za cíl transformovat PL Josef na digitálně řízené pracoviště. Ultimátním cílem projektu je vznik tzv. digitálního dvojčete (dále jen DD) – štoly a experimentů v něm řízených. Podstatou DD je vzájemná oboustranná vazba – realita zjištěná v laboratoři (např. teplota v rozrážce, pokles hutněného bentonitu v experimentu apod.) se automaticky přenáší na dvojče a naopak - (např. vypnutí světel ve dvojčeti automaticky vypne světla v podzemní laboratoři).

Cesta k vytvoření digitálního dvojčete není přímočará. Vždyť i přes mnohé reklamní proklamace DD zatím neexistuje ani u jediné pozemní stavby (často je termín DD chybně zaměňován s termínem BIM modelu).

Proces digitalizace

Prvním krokem digitalizace byla revize a zpracování již existujících informačních zdrojů. Byly revidovány desítky TB dat mračen bodů a výkresů vytvořených v průběhu let. Zatímco některé oblasti laboratoře byly v průběhu let zmapovány opakovaně v různé kvalitě, některé oblasti nebyly zaznamenány vůbec. I u zmapovaných míst však často chyběla zásadní informace – geoprostorové lokalizace. Proto byla provedena řada dodatečných laserových skenování doplňující znalostní mezery v 8 km štol.

Současně s revizí datových zdrojů proběhla implementace společného datového prostředí CDE TrimbleConnect. Tím začal být řízen informační tok celého projektu. Řízeným způsobem se začaly distribuovat a shromažďovat nejen data vzniklá v rámci CEG, ale také od desítek dalších spolupracujících subjektů.

Druhým krokem bylo vytvoření BIM modelu celé štoly a později i jednotlivých experimentů. Klíčové bylo identifikovat, které prvky PL Josef mají být modelovány a jak. Vznikl tak jedinečný standard pro BIM model podzemního díla. Standard vyšel z mezinárodně uznávaného datového modelu IFC (Indurstry Foundation Classes, ISO 16739). Součástí standardu je též členění objektů. PL Josef je ve srovnání s klasickými pozemními budovami příliš rozlehlá – 8 km rozrážek, jen páteřní štola chodba je dlouhá téměř 2 km.

Prvky obvyklé pro klasické pozemní stavitelství byly modelovány nástrojem Revit – světla, vypínače, rozvodné skříně, přenosná hasicí zařízení, potrubní systémy, záporové stěny, nosníky, schodiště. Štoly, resp. rozrážky byly modelovány jako polygonální sítě ve třech různých úrovních detailu. K nim byla využita kombinace nástrojů – Cloud Compare (Obrázek 1 – CloudCompare), MeshLab, AutoCAD a Geomagic Wrap (Obrázek 2 – Geomagic wrap). Mračna bodů byla nejdříve vyčištěna, byla provedena kontrola jejich geolokace. Následně byly odebrány body modelovaných prvků (např. stavební konstrukce) tak, aby zůstala pouze plocha styku horniny a rozrážky/štoly. Odebrané body modelovaných prvků se později použili k jejich přesnému umístění.

Využití BIM modelu

BIM model PL Josef je v aktuálně „digitálním kmenem“, který se dále větví a zpřesňuje pro různá užití. Klíčové je, že informace v BIM modelu jsou standardizované, konzistentní a aktuální (Obrázek 3 – Pohled na štolu, Obrázek 4 – Prvky ve štole, Obrázek 5 – Řez schodištěm).

Využití pro experimenty

Každý experiment má svou konkrétní lokaci v PL Josef (Obrázek 6 – MATEO). Zpravidla se jedná o in-situ ověřovací experimenty. Je proto zásadní znát přístupovou cestu na lokaci, kapacity elektrické a datové sítě, možnosti odvětrání, instalované senzoriky, a především prostorového uspořádání rozrážky (část štoly, v které se experiment provádí).

To je klíčové především při plánování těchto experimentů. K jejich provedení je potřeba využití těžké vrtné a stavební techniky. V BIM modelu lze dopředu provést analýzy přístupu a přesného umístění experimentu.

Vzniklé modely experimentů jsou často poměrně podrobné. Například in-situ experiment ověřující materiálové vlastnosti bentonitu (výplňového materiálu nerezových kontejnerů jaderného odpadu) vyžaduje podrobné členění na jednotlivé výrobní díly. Navíc se sleduje i časové provedení. BIM model tak musí být členěn i podle toho, kdy se budou jednotlivé části realizovat – typicky se tak člení postupné záběry a hutnění vrstev bentonitu v průběhu experimentu.

Výsledkem je časoprostorová simulace provádění celého experimentu. Simulace graficky zobrazí rozdíly v plánovaném a skutečném provádění díla.

V neposlední řadě BIM model experimentu slouží jako výchozí datový uzel provazující různé jiné datové zdroje. Příkladem je senzorika snímající hodnoty teploty uvnitř bentonitu. Každé teplotní čidlo má svůj obraz v elementu BIM modelu. Informace z čidel jsou ukládány do časové databáze naměřených hodnot. Každý element BIM modelu potom odkazuje na konkrétní časovou řadu hodnot příslušného čidla.

Virtuální a rozšířená realita

Díky jednoznačné geolokaci a využití TrimbleConnect AR brýlí lze doplňovat okem viděnou realitu ve štole o další informace z modelu. Přímo na lokaci lze snadno dohledat aktuálně naměřené hodnoty CO₂, „vidět“ průzkumné vrty skrz horninu a mnoho dalšího.

Aktuálně se plánuje výuková virtuální prohlídka celé štoly. Bude tak možné nahlédnout do PL Josef online, vzdáleně. Na vybraných místech budou zájemci seznámeni s informacemi o jednotlivých experimentech a zajímavostmi vztahujícími se k hlavnímu směru výzkumu v PL Josef – výstavbě trvalého podzemního úložiště jaderného odpadu.

Přínos projektu digitalizace PL Josef

Digitalizace dnes zasahuje do všech oblastí stavební činnosti, nejinak je tomu v podzemí. K čemu je to dobré? To je častá otázka, kterou kladou praktici při prezentacích nových projektů spojených s digitalizací. Je potřeba zdůraznit, že PL Josef je univerzitní pracoviště, kterým ročně projdou stovky studentů jak z ČVUT, tak z jiných i mezinárodních univerzit. Myšlenka výuky moderních BIM / AI technologií s možností si vše otestovat na praktickém polygonu přímo v reálném podzemí nabízí inspirativní pojetí výuky. Propojení robotiky, geotechniky, BIM a digitalizace navíc otevírá nové možnosti spolupráce univerzitního pracoviště s průmyslovými podniky na řešení konkrétních úloh praxe.