В статье рассмотрена научно-производственная проблематика цифрового обмена инженерно-геологическими данными в условиях перехода строительной отрасли к технологиям информационного моделирования. Показано, что действующая практика представления результатов инженерно-геологических изысканий и специальных инженерно-геологических (геотехнических) исследований остаётся фрагментированной и преимущественно основана на табличных, CAD и закрытых программно-зависимых форматах. Это затрудняет автоматизированное использование инженерно-геологических данных в расчётных комплексах, геоинформационных системах и цифровых информационных моделях объектов капитального строительства (ЦИМ ОКС).
Выполнен сравнительный анализ основных групп обменных форматов, применимых для передачи инженерно-геологической и геопространственной информации: XML, JSON, GML, AGS, DIGGS, GeoSciML, Geo3DML, ГИС-форматов, CAD-форматов и IFC 4.3. Сопоставление выполнено по критериям машиночитаемости, поддержки трёхмерной геометрии, семантической полноты, передачи фактических данных и метаданных, открытости спецификации, программной независимости и пригодности для интеграции в ЦИМ ОКС.
Установлено, что ни один из рассмотренных форматов не обеспечивает в полной мере комплексную цифровую передачу инженерно-геологической информации на всех этапах её формирования и использования: от анализа фондовых материалов, обработки исходных полевых и лабораторных данных до построения верифицированной и валидированной трёхмерной инженерно-геологической модели. Такая модель должна формироваться с учётом геологических закономерностей, принципов инженерно-геологической типизации грунтовых массивов и требований действующих нормативных документов. Отдельной проблемой остаётся передача атрибутивных характеристик грунтов, метаданных и сопутствующей информации с сохранением исходного содержания и прослеживаемой связи между фактическими результатами изысканий, их инженерно-геологической интерпретацией и трёхмерной инженерно-геологической моделью. Сохранение такой связи необходимо для корректного использования данных проектировщиками, специалистами по геотехнике, техническими заказчиками, строительными и эксплуатирующими организациями, а также органами государственной и негосударственной экспертизы.
Обоснована необходимость перехода от разрозненного файлового обмена к многоуровневой архитектуре управления инженерно-геологическими данными. Такая архитектура должна обеспечивать хранение верифицируемых фактических данных, формирование интерпретированной инженерно-геологической модели, передачу параметров грунтов и расчётных характеристик в специализированные программные комплексы, интеграцию инженерно-геологической информации в ЦИМ ОКС, а также подготовку цифровых материалов для последующей проверки и использования в органах государственной и негосударственной экспертизы.
Цифровая трансформация строительной отрасли, начало которой в России приходится на середину 2010-х годов, основана на внедрении технологий информационного моделирования (ТИМ) и требует пересмотра подходов к обмену данными между всеми участниками строительного процесса, в том числе при проведении проектных и изыскательских работ [1, 2]. Инженерно-геологические изыскания, являющиеся основанием принятия проектных решений, в этом контексте оказались в сложном положении. С одной стороны, инженеры-геологи формируют значительные объемы данных, полученных в результате изыскательских и исследовательских работ и строят на них инженерно-геологические модели 2D, 2.5D и 3D. С другой – отсутствие единых стандартов обмена приводит к тому, что эти данные и инженерно-геологические модели не могут быть максимально полно интегрированы в цифровые информационные модели объектов капитального строительства (ЦИМ ОКС) и, следовательно, полностью использованы при проектировании [3, 4].
Целью настоящей статьи является анализ существующих обменных форматов инженерно-геологических данных и оценка их пригодности для передачи фактических данных, пространственной геометрии геологических тел, атрибутивной информации и интеграции инженерно-геологических моделей в цифровую информационную модель объекта капитального строительства.
Ключевыми особенностями российской отрасли в области цифрового информационного моделирования в инженерно-геологических изысканий являются:
Специалистам по проектированию (конструкторам, генпланистам, дорожникам, сметчикам) результаты инженерно-геологических изысканий нужны как цифровая среда для автоматизации моделирования и расчетов, подсчетов объемов и визуализаций. Их главные требования заключаются в прямой интеграции моделей инженерно-геологических массивов в расчетные комплексы (ЛИРА-САПР, SCAD, SiO2D, Нелинейность и др.) и ТИМ-платформы (Revit, Civil 3D, Renga и др.) без потери геометрии геологических тел и их атрибутов [6, 9].
Реализация этой интеграции возможна при соблюдении ряда ключевых условий, которые в общем виде применимы к любому современному обменному формату инженерно-геологических данных:
Обеспечить выполнение этих условий на практике призваны стандартизированные форматы обмена данными. Именно они определяют, насколько эффективно информация будет транслироваться между различными программными комплексами. Однако на сегодняшний день в мировой и отечественной практике сложились принципиально разные подходы к стандартизации таких форматов, причём форматы существенно различаются как по решаемым задачам, так и по уровню абстракции.
Многообразие применяемых форматов целесообразно разделить на группы по их назначению – по тому, какой тип инженерно-геологической информации они призваны передавать. Можно выделить шесть групп: (A) базовые сериализационные технологии; (B) специализированные инженерно-геологические («западная» школа геотехники использует термин «геотехнические», что на взгляд авторов некорректно) форматы фактических данных; (C) форматы проинтерпретированного геологического строения и 3D-геологического моделирования; (D) ГИС-форматы общего назначения; (E) CAD-форматы; (F) интеграционные форматы информационного моделирования зданий (BIM, Building Information Modeling) / ТИМ (рис. 1). Приведённый порядок групп отражает функциональное назначение форматов, а не строгое возрастание уровня интеграции: группы A–B описывают преимущественно фактические данные, группы C–D – проанализированные, проинтерпретированные данные, смоделированное геологическое строение и его пространственное представление, а группа F – объектно-семантическую модель, пригодную для прямой интеграции в ЦИМ ОКС. Особое положение занимают CAD-форматы (группа E): несмотря на широкую распространённость, они остаются на низком уровне формализации семантики – атрибутика объектов фиксируется неунифицированно (через слои, блоки и подписи), а геометрия не связана с объектными классами, поэтому по уровню пространственно-семантической интеграции CAD-форматы стоят не ближе, а дальше от целевой ЦИМ, чем ГИС- и геологические форматы.
Рис. 1. Классификация обменных форматов данных, применяемых в инженерно-геологических исследованиях и изысканиях, по функциональным группам (A–F)
XML (eXtensible Markup Language) и JSON (JavaScript Object Notation) в инженерно-геологических изысканиях являются не самостоятельными прикладными стандартами, а универсальными техническими средствами, на базе которых создаются специализированные форматы. По XML-схеме можно перевести отчеты по изысканиям и данные полевых и лабораторных исследований в строго структурированный, машиночитаемый вид [4, 7].
Особое место занимает формат GML (Geography Markup Language) – словарь OGC на базе XML, специально предназначенный для описания географических объектов и их геометрии. Именно на GML построены такие прикладные геологические и геотехнические форматы, как GeoSciML, Geo3DML и DIGGS. Понимание этого факта важно – значительная часть рассматриваемых ниже форматов представляет собой не конкурирующие технологии, а предметные словари над общей основой XML/GML.
AGS (Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists) – специализированный текстовый формат, ставший фактическим стандартом обмена инженерно-геологическими данными в Великобритании и ряде стран Содружества. Стандарт разработан в 1991 г. и является эталоном для обмена результатами полевых и лабораторных исследований грунтов [12, 13]. Он фиксирует «сырые» фактологические данные.
DIGGS (Data Interchange for Geotechnical and Geoenvironmental Specialists) – международный открытый формат на базе XML/GML, развиваемый Geo-Institute Американского общества инженеров-строителей (American Society of Civil Engineers, ASCE) при участии Федерального управления автомобильных дорог США (Federal Highway Administration, FHWA), Геологической службы США (United States Geological Survey, USGS) и ряда транспортных ведомств США; актуальная версия – 3.0 [26, 27]. В отличие от AGS построен на геопространственной основе GML, что обеспечивает встроенную геометрию в двух- и трёхмерном пространстве и геопривязку точек наблюдений.
GeoSciML (Geological Sciences Markup Language) – разработка Международного союза геологических наук (IUGS) и Открытого геопространственного консорциума (OGC) [14, 15]. В отличие от AGS, ориентированного на «сырые» данные, GeoSciML описывает интерпретированное геологическое строение геологического пространства: геологические тела, структуры, разрезы, тектонические нарушения, в том числе используя и интегрируя с геологическими картами. Построен на базе GML и описывает геологическое строение через концепции GeologicUnit, EarthMaterial, GeologicStructure и др.
Geo3DML – китайский стандарт обмена 3D-геологическими моделями, утверждён Геологической службой Китая в 2015 году; представляет собой открытый язык разметки на базе XML/GML для кодирования и передачи трёхмерных геологических моделей [29]. Построен по иерархическому принципу (проект → модель → карты и разрезы → визуализация), поддерживает поверхности (TIN) и твердотельные тела, объединяя семантическую, геометрическую и визуальную информацию (в том числе стили отображения).
ГИС-форматы могут использоваться как промежуточные инструменты для передачи пространственной геометрии и атрибутов. Их удобно различать по типу геометрии: векторные, растровые и воксельные (объёмные) или точки, линии, полигоны. Важно подчеркнуть, что круг ГИС-форматов не исчерпывается Shapefile, а классические векторные форматы по своей природе являются преимущественно двумерными (2D) или так называемыми 2.5D-поверхностями, у которых каждой точке плана соответствует единственная отметка высоты и поэтому они ограничено передают полноценные объёмные геологически тела, для отображения которых чаще всего используют твердотельные формы.
CAD-форматы доминируют в практике инженерных изысканий в России при подготовки инженерно-геологических карт и разрезов, используются как носители геометрии геологических тел, однако имеют принципиальные ограничения по семантике.
Отдельного пояснения требует вопрос привязки атрибутов к CAD-объектам, поскольку современные CAD-среды формально допускают такую привязку. В частности, Autodesk Civil 3D позволяет «вязать» атрибутивную информацию к объектам DWG с помощью нескольких механизмов:
– Property Sets (наборы свойств) – основной механизм Civil 3D (с версии 2017). Property Set представляет собой контейнер пользовательских данных, привязываемый к объектам или их стилям и не являющийся нативным свойством объекта; наборы свойств можно применять практически к любому типу объектов (точки, поверхности, элементы) и заполнять вручную, автоматически или по формуле, после чего они хранятся внутри файла DWG [38, 39].
– Атрибуты блоков (block attributes) – классический механизм AutoCAD, представляющий собой текстовые поля, встроенные в элементы чертежа, применимые только к блокам (например, к условным знакам скважин), и не распространяющийся на линии и полигоны.
– Расширенные данные (XData) и Object Data – низкоуровневые механизмы программной привязки произвольных данных к сущностям; не отображаются в стандартной панели свойств и извлекаются командой XDLIST либо средствами разработки.
Принципиально важно, что все перечисленные механизмы являются проприетарными надстройками над форматом, а не частью открытой спецификации DWG/DXF. При передаче в нейтральный обменный формат или в ПО другого вендора семантическая составляющая, как правило, утрачивается [40]. Кроме того, отсутствует стандартизованная предметная схема инженерно-геологических атрибутов: состав полей произвольно задаётся исполнителем, что не обеспечивает машиночитаемой межорганизационной совместимости. Таким образом, CAD-форматы могут выступать носителем геометрии и ограниченной, программно-зависимой атрибутики, но не полноценным семантическим форматом обмена данными цифровой информационной модели инженерно-геологического массива (ЦИМ ИГМ).
IFC (Industry Foundation Classes) – международный открытый стандарт объектно-ориентированных данных для ТИМ, развиваемый консорциумом buildingSMART и опубликованный как ISO 16739 [16, 17]. Предназначен для совместной работы различного ПО и обмена данными как по геометрии, так и по параметрам объектов; в основном применяется для обмена информацией между участниками проекта (архитекторами, конструкторами, проектировщиками, строителями, управленцами, эксплуатантами) [19].
Таблица 1. Сопоставление обменных форматов по ключевым критериям пригодности для цифрового инженерно-геологического моделирования
Примечание. Геометрия – максимальная размерность пространственного описания, которое формат способен переносить: Нет – пространственная привязка отсутствует; 2D – плоские контуры; 2.5D – поверхности (рельеф, кровля/подошва тел) с одной отметкой высоты на точку; 3D – произвольные трёхмерные тела; Полная 3D – полноценные объёмные (твердотельные/воксельные) модели; Растр – регулярная ячеистая плоская сетка. Семантика (атрибуты) – богатство встроенной модели свойств объектов: Нет – атрибуты не предусмотрены; Низкая – произвольные пары «ключ–значение» без отраслевой типизации; Средняя – структурированные атрибуты без специализированной геологической онтологии; Высокая – развитая предметная модель с типами объектов, свойств и связей. Классы данных (по умолчанию) – категории инженерно-геологических сущностей, которые формат поддерживает штатно, собственной предметной схемой, без разработки пользовательских структур: скважины (точки наблюдения), полевые испытания (включая CPT и др), лабораторные испытания, геофизические испытания, стратиграфия и геологическая интерпретация, карты/геометрия, метаданные. Помета «без отраслевой модели» означает, что формат переносит лишь геометрию и произвольные атрибуты, но не содержит готовых инженерно-геологических типов объектов. Расширяемость – штатные средства добавления новых типов данных без правки ядра формата: Полная – предусмотрен официальный механизм (модульные схемы, наборы свойств PSets, MVD (Model View Definition)); Ограниченная – расширение возможно, но в узких рамках или через внешние словари; «Через поля/таблицы/переменные» – расширение возможно только путём самостоятельного проектирования структур без отраслевой стандартизации; Слабая – лишь через слои/блоки без семантики; Нет – формат не расширяется.
Для наглядности те же форматы удобно расположить в координатах «открытость спецификации – поддержка 3D-геометрии и семантики» (рис. 2). Такое представление показывает, что наиболее перспективными для сквозного цифрового инженерно-геологического моделирования являются форматы из правого верхнего квадранта (IFC 4.3, Geo3DML), сочетающие открытость спецификации с поддержкой трёхмерной семантики, тогда как распространённые CAD-форматы (DWG/DXF, DGN) остаются в области закрытых решений.
Рис. 2. Позиционирование обменных форматов в координатах открытости спецификации и поддержки 3D-геометрии и семантики
Ключевой проблемой действующей системы обмена инженерно-геологическими данными и информации является отсутствие единого формата, который одновременно обеспечивал бы корректную передачу трёхмерной геометрии иерархической системы геологических тел, слагающих инженерно-геологические массивы, атрибутивного описания их свойств и состояний и исходных фактических данных (результатов наблюдений, замеров, испытаний, фотографий и т.п.), а также полных метаданных о происхождении и качестве исходной информации [3, 4, 9]. Как показывает таблица 1, используемые форматы ориентированы, как правило, на один из этих аспектов: либо на табличное представление результатов испытаний (AGS, DIGGS), либо на картографическое отображение интерпретированного геологического строения (GeoSciML), либо на геометрию объектов строительной части (CAD-форматы, частично IFC). В результате пространственно сложная, семантически насыщенная и сопровождаемая большим объёмом фактического материала инженерно-геологическая информация оказывается фрагментированной между несколькими несогласованными представлениями.
Следует подчеркнуть, что наиболее полно к роли «сквозного» формата приближается IFC 4.3, объединяющий геометрию и атрибутику (см. раздел F). Однако и он обладает ограниченными встроенными возможностями описания геологических сущностей – исходного фактического материала и метаданных о происхождении данных, а его поддержка в отечественном ПО ещё не завершена. Поэтому корректнее говорить не об абсолютном отсутствии подходящего формата, а об отсутствии единого формата, охватывающего весь жизненный цикл данных «от точки наблюдения до расчётной модели». Наличие множества частичных форматов приводит к потере связей между элементами этой цепочки и снижает прозрачность инженерно-геологического обоснования проектных решений или научных выводов о пространственно-временных инженерно-геологических закономерностях.
Второй блок проблем связан с несоответствием между развивающейся практикой цифрового инженерно-геологического моделирования и существующей нормативной базой, ориентированной преимущественно на традиционную отчётную форму представления результатов изысканий [22, 23]. Разрабатываемые XML-схемы федерального и регионального уровня [7, 18] структурируют состав текстовых разделов и табличных приложений отчётов, но не содержат требований к цифровым информационным моделям инженерно-геологических массивов, их структуре, уровню детализации, правилам формирования и ведения и правилам использования в расчётных и ТИМ-комплексах и при управлении строительством и эксплуатацией ОКС [4]. Кроме того, на данном этапе внедрения XML-схем недостаточно проработан формат представления результатов полевых и лабораторных испытаний. Их цифровая передача должна обеспечивать не только выгрузку числовых значений, но и сохранение структуры унифицированных форм, предусмотренных действующими нормативными документами: паспортов, журналов испытаний и иных форм первичной и итоговой отчётной документации.
На практике это приводит к тому, что исполнители инженерно-геологических изысканий (и/или специальных инженерно-геологических исследований) вынуждены, с одной стороны, выполнять построение 3D-моделей для нужд проектировщиков и расчётчиков во внутренних форматах применяемых ими программных комплексов, а с другой – подготавливать «цифровую выдачу» строго в рамках нормативно регламентированных XML-структур, которые с этими моделями формально не связаны [4, 8]. В результате цифровая инженерно-геологическая модель не становится юридически значимым документом, что снижает мотивацию заказчиков и исполнителей вкладываться в развитие ЦИМ ИГМ [1, 2].
Третья группа проблем связана с фрагментацией ПО, используемого для моделирования результатов инженерно-геологических изысканий и исследований [5, 6]. На рынке доминируют проприетарные комплексы, ориентированные на отдельные задачи (камеральная обработка результатов буровых работ и испытаний грунтов, построение разрезов и 3D-моделей, подготовка отчётов), каждый из которых использует собственные внутренние форматы и лишь частично поддерживает экспорт в открытые стандарты. Выход за пределы такой экосистемы требует множества ручных операций, конвертаций, чрезвычайно сложен и трудоёмок и практически всегда сопровождается серьезной потерей информации [13]. Это особенно критично при длительных проектах с разными цифровыми платформами у изыскателей, проектировщиков, экспертизы, строителей, заказчиков, а также при передаче данных в государственные фонды [7, 18]. В итоге выбор инструмента моделирования определяет не только форматы хранения, но и саму возможность повторного использования данных, что полностью противоречит целям цифровой трансформации, а по факту и противодействует ей [1].
Фрагментация усугубляется тем, что внутренние форматы большинства комплексов имеют закрытую, официально не опубликованную схему: даже будучи текстовыми, они не задают фиксированного словаря сущностей – собственно инженерно-геологических (инженерно-геологические массивы и инженерные сущности для получения инженерно-геологических данных), информационных (логи испытаний и результаты интерпретаций), инженерных конструкций и грунтовых сооружений (фундаменты, коммуникации, насыпи и т.п.) и их атрибутов (общих классификаторов показателей состава, структуры, свойств, состояний инженерно-геологических сущностей), единого для разных производителей. В результате нарушается требование однозначности (каноничности) семантической схематизации: одни и те же инженерно-геологические данные (например, описание геологического тела, результат испытания или граница геологического тела состояния) в разных комплексах кодируются по-разному – разными наборами полей, единицами измерения и классификаторами. Именно поэтому конвертация между форматами требует ручного сопоставления (mapping) полей и не может быть полностью автоматизирована. Решением являются форматы с открытой, формально заданной схемой и фиксированным словарём терминов (прежде всего на базе AGS и DIGGS с их безусловной адаптацией к российским нормам), в которых способ представления каждой сущности регламентирован и единствен. Что касается IFC, то единого словаря инженерно-геологических сущностей в нём пока нет: стандарт предоставляет лишь небольшой набор подходящих классов.
Ключевым направлением развития цифровых инженерно-геологических моделей представляется формирование сквозной цепочки обмена данными, в которой специализированные инженерно-геологические форматы, формат IFC 4.3 и национальные XML-схемы Минстроя РФ рассматриваются не как конкурирующие, а как взаимодополняющие элементы единой модели данных [4, 17]. При этом IFC 4.3 отвечает за объектно-пространственное представление инженерно-геологических массивов (ЦИМ ИГМ) в составе ИМ ОКС [19, 20], как независимой подсистемы геологического пространства (инженерная цифровая модель геологического пространства (ИЦМГП)). Надо отметить, что на сегодня данные инженерно-геологических изысканий в нормативной документации (СП 333.1325800.2020 [10], ГОСТ Р 10.00.00.01 [43]), удивительным, но абсолютно нелогичным образом, включены как часть в инженерную цифровую модель местности (ИЦММ), что в целом нарушает логическую картину, в которой объекты реального мира располагаются над поверхностью рельефа, составляя местность, и под ней, составляя геологическое пространство.
Формат XML отвечает за машиночитаемое представление результатов изысканий и проектной документации преимущественно для целей экспертизы, а также межведомственного обмена и строятся на основе опубликованных в сети Интернет XML-схем в полу- или полностью автоматическом режиме [7, 8].
Анализ современных тенденций цифровой трансформации инженерно-геологических изысканий позволяет выделить несколько ключевых направлений развития.
Во-первых, ожидается дальнейшее развитие и практическое закрепление профиля IFC 4.3 для инженерно-геологических задач. Появление специализированных классов (IfcGeotechnicalStratum, IfcBorehole и др.) уже позволяет описывать 3D-геометрию геологических тел, их стратиграфические и инженерно-геологические характеристики, а также привязку к расчётным схемам и элементам конструкций [20, 21]. Однако необходимо учитывать, что IFC изначально создавался как формат описания строительных объектов, а не геологического пространства, и даже расширенная геотехническая схема версии 4.3 не покрывает всего многообразия инженерно-геологических сущностей с их строением, составом, свойствами и состоянием. Поэтому само по себе наличие геологических классов в IFC ещё не обеспечивает однозначности: при отсутствии жёстких правил разные вендоры и специалисты будут заполнять одни и те же классы (например, IfcGeotechnicalStratum) по-разному, и проблема неоднозначности кодирования возникнет уже внутри самого IFC. Именно поэтому необходима разработка национальных или отраслевых профилей обмена – определений представления модели (Model View Definition, MVD) и спецификаций информационных требований (Information Delivery Specification, IDS), – открытых и официально опубликованных спецификаций, которые жёстко формализуют состав, структуру и качество данных в IFC-моделях инженерно-геологических массивов и тем самым задают требуемую каноничность для последующего использования в расчётных комплексах и ТИМ-платформах [11, 24].
Во-вторых, будет усиливаться роль национальных XML-схем как нормативного слоя цифровой среды строительства. Минстрой России публикует и регулярно обновляет XML-схемы для сметных расчетов, проектной документации, заключений экспертизы и исполнительной документации, а также анонсирует схемы для отчётов об инженерных изысканиях [7, 8, 25]. Перспективным является интеграционный сценарий, в котором 3D-модель инженерно-геологического массива формируется и развивается в формате IFC 4.3, а необходимая для экспертизы атрибутивная информация автоматически транслируется в XML-документы, соответствующие национальным XML-схемам. Аналогичный подход уже реализуется, например в Москве, где для архитектурно-градостроительных решений, вместе с IFC-моделью требуется предоставлять ведомости в формате XML. [11, 18].
В-третьих, важным направлением станет методологическая и технологическая проработка сквозного потока данных от полевых и лабораторных наблюдений до ЦИМ ИГМ и ведомственных хранилищ [3, 6] (рис. 3). Речь идёт о выработке согласованных правил трансформации данных из специализированных инженерно-геологических форматов (AGS, DIGGS) [12, 13, 26] и внутренних форматов отечественных комплексов в набор согласованных представлений: ГИС-слоёв (включая воксельные модели свойств), 3D-геологических моделей, IFC-объектов и XML-документов. В рамках этого потока табличные форматы фактических данных (AGS/DIGGS) служат источником атрибутики и метаданных точек наблюдений, которые при построении 3D-модели привязываются к геометрии геологических тел и далее экспортируются в IFC и XML. Реализация подхода потребует создания отраслевых конвертеров и сервисов, поддерживающих единые классификаторы, системы координат и идентификаторы объектов; при этом проблема перехода между географическими и местными системами координат должна решаться на уровне этих сервисов как обязательное требование [11]. Обобщённая схема такого сквозного потока данных – от полевых и лабораторных наблюдений до интеграции в ИМ ОКС – с обозначением ключевой точки потери каноничности приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема сквозного потока данных от инженерно-геологических изысканий к ЦИМ ИГМ и ИМ ОКС с обозначением точки потери каноничности
Наконец, важной перспективой представляется апробация предлагаемой архитектуры в пилотных проектах по созданию ЦИМ ИГМ для крупных инфраструктурных и градостроительных объектов. Такие проекты позволят оценить технологическую реализуемость связки форматов (AGS/DIGGS/внутриотраслевые форматы → IFC 4.3 → XML-документы Минстроя РФ) и количественно показать эффект от перехода к ЦИМ ИГМ: снижение доли ручного ввода, уменьшение числа ошибок, повышение сопоставимости результатов изысканий и проектных решений, анализ геологических и инженерно-геологических рисков, особенно на стадиях финансового планирования.
Проведённый анализ показал, что используемые форматы представления и обмена инженерно-геологической информацией формируются как совокупность разнородных решений, ориентированных на отдельные стадии изысканий, и в целом не обеспечивают сквозной прослеживаемости данных от этапа полевых и лабораторных наблюдений до построения трёхмерных моделей, используемых при расчётах оснований, оценке устойчивости склонов и прогнозе последствий строительства [3, 6]. Специализированные инженерно-геологические форматы (AGS, DIGGS) достаточно полно описывают фактический материал, но практически не отражают пространственную структуру инженерно-геологических массивов; геологические и ГИС-ориентированные форматы (GeoSciML, Geo3DML) адекватно описывают геологическое строение, но слабо приспособлены для задач уровня конкретных объектов капитального строительства (строительной площадки); CAD-форматы передают геометрию, но лишены открытой семантики [12–15]. При этом важнейшей задачей становится разработка национальных классификаторов инженерно-геологических сущностей и адаптация или полная переработка форматов AGS и/или DIGGS под требования российской школы инженерно-геологических исследований и терминологическую базу, а также российский нормативные требования, включая, но не ограничиваясь ГОСТ 25100.
В этих условиях формат IFC 4.3 целесообразно рассматривать как ключевой элемент объектно-пространственного описания инженерно-геологических массивов в составе ИМ ОКС [17, 19]. Введение специализированных геотехнических классов создаёт возможность формализованного представления геометрии тел геологических тел, зон техногенно-нарушенного грунта, поверхностей кровли и подошвы стратиграфических подразделений, а также привязки к точкам наблюдений и местам отбора образцов [20, 21]. Это позволяет описывать инженерно-геологические условия и параметры грунтов (прочностные, деформационные, фильтрационные) непосредственно в структуре 3D-модели, ориентированной на расчёты напряжённо-деформированного состояния оснований, анализ фильтрационного режима и оценку геологического риска. Вместе с тем IFC 4.3 не подменяет собой национальные регламенты представления результатов изысканий [22, 23].
Принципиально важно, что IFC изначально разрабатывался как формат описания строительных объектов, а не геологического пространства, поэтому его структура – даже в последней версии с геотехническими классами – не позволяет полностью описать всё многообразие инженерно-геологических данных и сущностей. Следовательно, само по себе применение IFC 4.3 не гарантирует однозначности представления данных: без открытой и официально опубликованной спецификации (профиля MVD/IDS), жёстко задающей каноничность семантической схематизации, одни и те же сущности будут кодироваться разными способами, и проблема несовместимости данных воспроизведётся уже на уровне самого IFC. Таким образом, ключевым условием пригодности формата для сквозного обмена является не столько наличие в нём инженерно-геологических сущностей, сколько наличие открытой, формально заданной и официально опубликованной спецификации, гарантирующей единый способ представления каждой сущности [11, 24], которая и будет продемонстрирована в результатах дальнейших исследований.
Наиболее обоснованной представляется концепция двухуровневого (двухконтурного) представления инженерно-геологической информации, в рамках которой IFC 4.3 и национальные XML-схемы функционируют как взаимодополняющие компоненты единой цифровой среды. На объектно-пространственном уровне формируется цифровая (трёхмерная) информационная модель инженерно-геологического массива, включающая иерархически соподчинённые геологические тела (стратиграфические, генетические, литологические и состояния), зоны специфических грунтов и процессов, поверхности подземных вод и пространственное распределение расчётных характеристик в формате IFC 4.3 [17, 20, 21]. На нормативно-отчётном уровне из этой модели и исходного фактического материала формируются машиночитаемые XML-документы, соответствующие действующим схемам и предназначенные для государственной экспертизы и ведения фондов [7, 8, 25].
Отдельно необходимо констатировать, что ЦИМ ИГМ в рамках формирования ИМ ОКС является подсистемой инженерной цифровой модели геологического пространства как независимой части ИМ ОКС, а никак не инженерной цифровой модели местности (ИЦММ). Мы все прекрасно понимаем, что это абсолютно разные сущности, то что скрыто от глаз человека и лежит ниже уровня земли и, то, что на виду и расположено выше уровня земли. В этой связи представляется необходимой незначительная корректировка ГОСТ Р 10.00.00.01 с добавлением нескольких определений. Одним из таким определений является – цифровая информационная модель инженерно-геологического массива (ЦИМ ИГМ) – объектно-ориентированная параметрическая трехмерная модель геологического пространства, являющаяся неотъемлемой и независимой частью информационной модели объекта капитального строительства (ИМ ОКС). Представляет собой иерархическую систему геологических тел, в том числе инженерно-геологических тел состояния, насыщенных атрибутивными инженерно-геологическими данными, представленная в объемно-блочном/конечно-элементном или твердотельном виде.
Реализация концепции предполагает решение ряда научно-методических и технологических задач: разработку национального профиля IFC 4.3 для инженерно-геологических моделей [11, 24]; формализацию требований к составу и качеству данных в виде машиночитаемых спецификаций, согласованных с XML-схемами [7, 8]; разработку типовых сценариев трансформации данных от полевых наблюдений и лабораторных испытаний (AGS/DIGGS) до ЦИМ ИГМ и XML-документов [3, 6, 13, 26]. Важным направлением является апробация подхода на пилотных объектах, в том числе в сложных инженерно-геологических условиях, с оценкой влияния внедрения ЦИМ ИГМ на качество прогнозирования, надёжность расчётов, а также эффективность государственной экспертизы. Результаты такой апробации могут стать основой для последующей стандартизации цифрового инженерно-геологического моделирования в контексте обеспечения экологической безопасности, управления строительной деятельности на всех этапах жизненного цикла ОКС, включая эксплуатацию и снос и устойчивого развития территорий.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Скопировать ссылку 
Vk 
Telegram 
Viber 
WhatsApp 
Оформить подписку