Цифровизация данных инженерно-геологических изысканий. Взгляд изнутри

Введение

Цифровизация охватывает все сферы нашей жизни, и, хотя инженерно-геологическая сфера считается консервативной, она не является исключением. Теоретически, этот процесс должен охватывать все этапы и процессы в инженерно-геологических изысканиях и исследованиях: от локальных баз данных до трёхмерных геологических моделей больших территорий, от разработки технического задания и программы изысканий до передачи результатов изысканий проектировщикам, в экспертизу и в ИСОГД. Цифровое представление информации должно обеспечить непрерывное взаимодействие между участниками процесса, автоматизировать технологические процедуры и упростить работу как геологов, так и проектировщиков, экспертов. Однако на практике возникают вопросы – готовы ли геологи выполнять задачи специалистов IT-сферы и нужно ли им это? Не приведет ли цифровизация к дублированию данных в машиночитаемом и человекочитаемом вариантах, а главное, к выполнению двойной работы и так максимально загруженных инженеров-геологов?

Вопросы цифровизации геологической отрасли не являются новыми. За последние пять-шесть лет было опубликовано множество материалов на эту тему, например [1, 2], проводились тематические сессии и конференции, крупнейшая из которых – «Автоматизация и цифровизация инженерно-геологических изысканий и геотехнического проектирования. Опыт применения перспективных технологий» была организованна журналом Геоинфо и проходила 16.10.2024 г. в Москве. Оценка нынешнего положения цифровой трансформации изыскательской отрасли в основном носит сдержано оптимистичный характер, однако многие специалисты отмечают, что процесс цифрового преобразования инженерной геологии связан с рядом проблем, таких как: формальный подход к цифровизации, разрозненность исходных данных, нормативные неопределённости, проблемы импортозамещения, технологическое отставание, отсутствие общепринятых стандартов и классификаторов, нехватка квалифицированных кадров… Этот список можно продолжать. Кроме того отметим, что в настоящее время запрос на переход к цифровому обмену инженерно-геологической информацией исходит не от создателей этой информации (изыскательских организаций) и даже не от её основных потребителей (проектировщиков), а от государственных органов и экспертных учреждений.

Основные понятия и нормативные требования

Для начала разберемся с основными понятиями и требованиями нормативных документов.

В Градостроительном кодексе РФ [3], основополагающем документе, регулирующем градостроительную деятельность на территории России, сказано, что на всех этапах жизненного цикла строительных объектов, включая этап выполнения инженерных изысканий (далее – ИИ), должна быть подготовлена информационная модель объекта капитального строительства (далее – ИМ). ИМ в соответствии с кодексом – совокупность взаимосвязанных сведений, документов и материалов об объекте капитального строительства в электронном виде.

В соответствии с СП 333.1325800.2020 [4] на этапе ИИ должна формироваться инженерная цифровая модель местности (ИЦММ), представляющая из себя совокупность взаимосвязанных результатов ИИ (инженерно-геодезических, инженерно-геологических и др.). ИЦММ состоит из моделей рельефа, инфраструктуры, инженерных сетей и объёмной геологической модели. Правила создания и ведения этой модели указаны в Постановлении Правительства РФ [5], согласно которому на этапе выполнения ИИ в ИМ включается отчетная документация о выполнении инженерных изысканий и приложения к ней в соответствии с другим постановлением от 2006 года [6]. Графическая часть отчёта дополняется ИЦММ в случае, если такое требование установлено соответствующим заданием и/или договором [5].

Таким образом, ИМ результатов изысканий представляет собой традиционный отчёт, преобразованный в электронный формат. На первый взгляд, практика передачи изыскательских данных в формате PDF (либо в проприетарных форматах) заказчикам и в экспертизу привычна и понятна. Однако, есть нюансы. Во-первых, в соответствии с этими же правилами [5], сведения, документы и материалы, включаемые в ИМ, должны предоставляться в государственные информационные системы в формате XML. А во-вторых, если в задании на изыскания указано, что графическая часть отчета должна содержать ИЦММ, придется строить и защищать в экспертизе объемную геологическую модель

Форматы предоставления результатов изысканий

Итак, что же представляет собой формат XML и есть ли у него альтернативы? XML (eXtensible Markup Language, что значит «расширяемый язык разметки») – широко используемый язык разметки, машиночитаемый формат, который также понятен и человеку. XML-файл имеет иерархическую структуру и состоит из элементов, атрибутов, текстовых блоков и других компонентов, которые определяют его состав и функциональность. Структура и типы данных, которые могут в нем содержаться, определяются XML-схемой, которая задает перечень элементов и накладывает ограничения на содержимое и значения. Среди преимуществ формата XML является его доступность, открытая спецификация, поддержка многими программными средствами.

XML-схема геологических данных для г. Москвы была разработана в ГБУ «Мосгоргеотрест», утверждена и опубликована на сайте Москомархитектуры [7]. Основными элементами являются: горные выработки (включая скважины), описание слоёв грунтов, замеры уровней водоносных горизонтов, результаты полевых и лабораторных испытаний, инженерно-геологические элементы. Фрагмент схемы показан на рисунке 1. Все многократно применяемые элементы модели (такие как возраст и наименование грунта, показатели свойств, наименование водоносных горизонтов и комплексов, виды полевых/лабораторных испытаний грунтов и многие другие) сведены в справочники. Ввиду того, что Мосгоргеотрест работает в основном на территории г. Москвы, справочники XML-схемы имеют региональную специфику, т.е. характерны для территории города, но могут быть легко дополнены или модифицированы для любых геологических условий любого региона страны. Поэтому очень важна разработка классификаторов грунтов (стратиграфического, литологического, водоносных горизонтов и комплексов) для всех регионов РФ.

Рис. 1. Фрагмент XML-схемы геологических данных (в режиме Schema)

В настоящее время ФАУ «Главгосэкспертиза России» разрабатываются и, вероятно, в скором времени будут утверждены XML-схема задания на производство инженерных изысканий и XML-схема отчета по инженерно-геологическим изысканиям. Кроме XML-схем разрабатываются программы-редакторы для составления XML-файлов, которые значительно упрощают заполнение документов. XML-файл технического задания будет содержать информацию обо всех участниках проектно-изыскательских работ, видах, целях, задачах и особенностях инженерных изысканий, сведениях об объекте и экологической обстановке территории. XML-файл отчета по инженерно-геологическим изысканиям будет включать в себя разделы в соответствии с п. 4.39, 6.2.2.3, 6.3.1.5 и 6.3.2.5 [8].

Программа-редактор (интерфейс программы задания на производство инженерных изысканий показан на рисунке 2) позволяет создавать подразделы, заголовки, таблицы, подгружать текстовые блоки, изображения и файлы разных типов. Однако, эта технология не позволит создать ИЦММ (модель геологического строения).

Рис. 2. Интерфейс программы-редактора, разработанной ФАУ «Главгосэкспертиза России» для формирования задания на производство изысканий

Что же из себя представляет геологическая часть ИЦММ? В соответствии с СП 333.1325800.2020 [4] на стадии инженерно-геологических изысканий в ИЦММ должны включаться скважины, геологические слои, грунты, подземные воды, геолого-литологическое строение, свойства грунтов. Однако, никакого описания технологии построения ИЦММ или спецификации её структуры этот документ не содержит.

В связи с тем, что не существует единых правил составления ИЦММ, а в соответствии с требованиями нормативных документов [3, 9] ИМ должна создаваться и передаваться в экспертизу, ГАУ «Московская областная государственная экспертиза» и ГАУ «Центр государственной экспертизы» Санкт-Петербурга в 2023 году выпустили собственные требования к ИЦММ, описывающие в том числе правила построения и ведения ИМ геологического строения [10, 11]. В качестве основного формата предоставления результатов инженерных изысканий в этих требованиях предлагается формат IFC.

IFC – открытый формат, определяющий международные стандарты импорта и экспорта данных, относящихся к объектам капитального строительства, их элементам и свойствам, на всех этапах жизненного цикла объектов. Он используется для обмена информацией между различными программами, поддерживающими технологию ИМ при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, но не предназначен для хранения геологических данных. В IFC не предусмотрены специальные классы для объектов изысканий, такие как выработки, испытания, геологические слои, уровни подземных вод. Все элементы инженерных изысканий относят к классу природных объектов – IfcGeographicElement. К этому же классу относят элементы рельефа, гидрографии, озеленения и многие другие сущности.

Правила геометрического моделирования результатов изысканий в требованиях Московской области и Санкт-Петербурга в целом схожи. Геологические слои в скважине моделируются как цилиндр условной толщины высотой, равной мощности слоев. Скважина представляет собой совокупность слоев. Уровни воды в скважине моделируются как поверхности диаметром равной цилиндру слоев в скважине, на отметке равной высоте положения установившегося уровня. Геологические слои и уровни вод вне скважин моделируют как объемные элементы и поверхности соответственно. Название грунтов и вод и их свойства являются семантическими атрибутами геологических слоев и уровней вод.

Преимуществами формата IFC для результатов ИИ являются возможность объединить инженерно-геологическую информацию с другими элементами проекта (такими как конструктивные элементы здания и коммуникации) и широкие возможности описания сложных геометрических структур.  Основной недостаток, перечеркивающий на сегодня все преимущества – отсутствие общепринятой спецификации описания геологических структур и данных.

Визуализация формата IFС в программе BIMvision показан на рисунке 3.

Рис.3. Визуализация формата IFС

Для удобства сравнения форматов XML и IFC мы свели их особенности в таблицу 1.

Таблица 1. Сопоставление возможностей и особенностей форматов XML и IFC

Способы формирования ИЦММ

Так как же геологам удовлетворять все требования правовых документов по информационному моделированию? На наш взгляд, есть два пути решения этой проблемы. Первый и самый простой – дождаться реализации функционала программ для обработки результатов инженерно-геологических изысканий. Так, ООО «Компания «Кредо-диалог» уже реализовала функционал создания и экспорта трехмерной модели в комплексе ТИМ-Кредо [12], и можно ожидать, что и другие производители специализированного программного обеспечения со временем будут реализовывать подобные модули.

Организации, которые не используют распространенные программы для обработки результатов изысканий (к которым относится и ГБУ «Мосгоргеотрест»), будут вынуждены заниматься разработкой и внедрением таких модулей в свои технологические процессы самостоятельно или с привлечением подрядных IT-организаций.

В силу специфики своей работы ГБУ «Мосгоргеотрест» пришлось отказаться от объектно-ориентированного подхода в работе в пользу регионального. Региональный подход позволяет в полной мере использовать весь потенциал колоссального объема фондовых данных, накопленных в Москве за период геологического изучения и хозяйственного освоения. В архивах организации содержатся данные о геологическом строении и гидрогеологических условиях Москвы с 1944 года. Это обширный массив информации, собранной в результате инженерно-геологических изысканий. Для его обработки применяются авторские алгоритмы, основанные на учете истории осадконакопления и позволяющие сформировать трехмерную информационную модель геологического строения. Модель основывается не только на инженерно-геологических исследованиях и испытаниях, но и на данных дистанционного зондирования Земли, сведениях о геоморфологии, геологических процессах, данных архивной топографической съемки (цифровая модель восстановленного рельефа). Описание скважин, результаты полевых и лабораторных испытаний сводятся и собираются в СУБД PostgreSQL. Визуализация фрагмента модели показана на рисунке 4.

Рис. 4. Фрагмент трехмерной геологической модели

Практическое значение трехмерной геологической модели

Для устойчивого и сбалансированного развития города, в целях информационного обеспечения органов власти и согласованности принимаемых решений, было принято Постановление от 11 марта 2024 года № 438-ПП «О цифровом мастер-планировании территории города Москвы», одним из мероприятий которого является создание Цифрового двойника, включающего трехмерную геологическая модель.

Цифровой двойник – это цифровая модель предполагаемого или реального физического продукта, объекта или процесса (называемого физическим двойником), которая служит цифровым аналогом этого продукта для таких целей, как моделирование, интеграция, тестирование, мониторинг и техническое обслуживание [13-15]. В каком-то смысле, геологическая составляющая Цифрового двойника города – это развитие не новой идеи постоянно действующей цифровой модели городской среды [16, 17], технические возможности для полноценной реализации которой появляются только сейчас.

Цифровой двойник города служит инструментом для принятия обоснованных решений в области градостроительства, управления ресурсами и обеспечения безопасности населения. В качестве примера практической задачи, решаемой с помощью данной системы, можно привести расчет объемов грунтов, доступных для использования в качестве строительного материала при проходке котлована станционного комплекса Московского метрополитена (см. рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент модели для подсчета объемов изымаемых грунтов

Модель позволила оперативно оценить, объем песка, суглинка, глины, который будет извлечен при проходке котлованов и может быть в дальнейшем использован для обратной засыпки и планировке территории.

При решении задач, требующих подготовки литолого-генетических моделей, осуществляется локальная детализация на основе использования технологий машинного обучения. Более подробно эта технология описана в публикации [18].

Еще один вариант представления данных Цифрового двойника – заключение об инженерно-геологических условиях участка благоустройства или строительства. Заключение формируется автоматически и представляет собой PDF-файл с описанием геологического строения, гидрогеологических условий, инженерно-геологических процессов, предварительной характеристики физических и физико-механических свойств грунтов, исчерпывающего набора геологических карт в масштабе 1:10 000 и геологических разрезов (см. рис 6).

Рис. 6. Заключение о геологическом строении по данным модели

В обозримом будущем планируется реализация XML-представления автоматизированного заключения (частично совпадающего со структурой изыскательского отчета, но содержащего предварительные прогнозные, а не фактически измеренные данные). Это позволит автоматизировать градостроительные процессы при планировании изыскательских работ, принятии предварительных проектных решений и мастер-планировании.

Одно из преимуществ Цифрового двойника заключается в оперативном учете изменений городской среды. Немногие города подвержены такой степени трансформации природных условий, как Москва. Это хорошо видно на примере сопоставления геологических карт, построенных специалистами-геологами при проведении крупномасштабного картографирования геологической среды [19] и автоматически сформированных на основе данных Цифрового двойника (см. рис. 7).

Рис. 7. Геологические карты на участок Воробьевых гор и Лужников в г. Москве а) карта четвертичных отложений, построенная геологом в рамках проекта геологического картографирования территории г. Москвы; б) автоматически построенная карта четвертичных отложений

На карте четвертичных отложений, сформированной на основе данных Цифрового двойника, видно, что уточнились тело оползня, зона распространения слабых пойменных грунтов.

Проблема централизованного сбора инженерно-геологической информации

Выше показано, что, региональный подход к цифровизации результатов инженерно-геологических изысканий, в отличие от объектного, обеспечивает накопление инженерно-геологических данных и позволяет осуществлять многократное использование геологической информации. И, если срок использования физических и физико-механических свойств грунтов жестко ограничен действующими нормативными документами [8] (к слову, этот вопрос требует отдельного исследования, которым авторы занимаются в настоящее время), то данные о геологическом строении в этом отношении не ограничены.

Между тем, сегодня сбор информации в территориальные фонды практически не осуществляется. Эта функция не возлагается на органы экспертизы, а в существующие ИСОГД по-прежнему осуществляется передача PDF-документов, дальнейший доступ изыскателей к которым ограничен. Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют механизмы проверки целостности данных и их кондиционности при приемке в ИСОГД и, казалось бы, цифровизация отрасли и внедрение машиночитаемых форматов – отличная возможность для внедрения этих механизмов. Однако, пока движение в эту сторону незаметно.

Выводы

1. Цифровизация и информационные технологии играют все более значимую роль в повседневной работе инженеров-геологов, начиная от сбора архивных данных по площадке изысканий и заканчивая сопровождением отчета при прохождении экспертизы. Трансформация данных в цифровой вид обеспечивает автоматизацию процессов обработки и в перспективе делает возможным автоматизацию процесса интеграции геологической информации в проектную документацию.

2. В настоящее время существует нормативная неопределенность в вопросах формирования ИЦММ по результатам инженерных изысканий. Государству необходимо обратить внимание на проблему разработки более четких правил формирования ИЦММ, чтобы избежать неоднозначной трактовки понятий, неопределенности при работе с данными данных и обеспечить возможность единообразной формы предоставления выходной инженерно-геологической информации.

3. Создание единой информационной среды на основе геоинформационных систем, а также внедрение машиночитаемых форматов, таких как XML, способствует обмену данными между участниками процесса изысканий, проектирования и строительства, что приведет к сокращению ошибок, сроков работ и увеличению их качества.

4. Инженерно-геологические данные, полученные в результате проведения изысканий – значимый источник информации, который необходимо интегрировать в общую информационную систему градостроительства. В единой системе будет удобно выполнять экспертизу технической документации, оценивая достоверность и достаточность результатов инженерных изысканий. Единый фонд данных изысканий должен быть использован органами государственной власти для более эффективного управления территориями.

Литература

1. 1. Королев В.А., 2021. О задачах цифровизации и искусственного интеллекта в инженерной геологии. Инженерная геология, Том ХVI, № 1, с. 10–23, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2021-16-1-10-23.
2. 2. Болдырев Г.Г., Барвашов В.А., Шейнин В.И., Каширский В.И., Идрисов И.Х., Дивеев А.А., 2019. Информационные системы в геотехнике — 3D-геотехника. Геотехника, Том XI, № 2, с. 6–27, https://doi.org/10.25296/2221-5514-2019-11-2-6-27.
3. 3. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29 декабря 2004 г. № 190-ФЗ.
4. 4. СП 333.1325800.2020 «Информационное моделирование в строительстве. Правила формирования информационной модели объектов на различных стадиях жизненного цикла».
5. 5. Постановление Правительства Российской Федерации от 17 мая 2024 г. № 614 «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов».
6. 6. Постановление Правительства Российской Федерации от 19 января 2006 г. N 20 «Об инженерных изысканиях для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства».
7. 7. Распоряжение Москомархитектуры по основной деятельности № 133 от 19.01.2023«Об утверждении и внедрении обновленной версии XML-схем данных по инженерным изысканиям при формировании и ведении информационной модели».
8. 8. СП 47.13330.2016 (актуализированная редакция СНиП 11-02-96) «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения».
9. 9. Постановление Правительства РФ от 5 марта 2021 г. N 331 "Об установлении случаев, при которых застройщиком, техническим заказчиком, лицом, обеспечивающим или осуществляющим подготовку обоснования инвестиций, и (или) лицом, ответственным за эксплуатацию объекта капитального строительства, обеспечиваются формирование и ведение информационной модели объекта капитального строительства".
10. 10. Санкт-Петербургское государственное автономное учреждение «Центр государственной экспертизы» (СПб ГАУ «ЦГЭ»). Рекомендации по формированию технического задания на выполнение инженерных изысканий с применением технологий информационного моделирования. Требования к цифровым информационным моделям результатов инженерных изысканий.  Редакция 1.0, Санкт-Петербург, 2023, https://www.spbexp.ru/upload/iblock/1c1/kb52h4t0b43ks24l1q5kcbzw6g5ms5nq/trebovaniya_k_tsim_rii_red_1.0_25_09_2023_.pdf
11. 11. Государственное автономное учреждение Московской области «Московская областная государственная экспертиза». Требования к цифровым информационным моделям результатов инженерных изысканий, представляемым для проведения экспертизы. Редакция 3.1, Москва, 2023, https://www.spbexp.ru/upload/iblock/1c1/kb52h4t0b43ks24l1q5kcbzw6g5ms5nq/trebovaniya_k_tsim_rii_red_1.0_25_09_2023_.pdf
12. 12. Коледа С.А. Технологии информационного моделирования КРЕДО. Инженерные изыскания // Геопрофи. - 2023. - №3. - С. 28-31.
13. 13. Moi, Torbjшrn; Cibicik, Andrej; Rшlvеg, Terje (2020-05-01). "Digital twin based condition monitoring of a knuckle boom crane: An experimental study". Engineering Failure Analysis. 112: 104517. doi:10.1016/j.engfailanal.2020.104517. hdl:11250/2650461. ISSN 1350-6307.
14. 14. Jump up to:a b Haag, Sebastian; Anderl, Reiner (2018-01-01). "Digital twin – Proof of concept". Manufacturing Letters. Industry 4.0 and Smart Manufacturing. 15: 64–66. doi:10.1016/j.mfglet.2018.02.006. ISSN 2213-8463.
15. 15. Boschert, Stefan; Rosen, Roland (2016), Hehenberger, Peter; Bradley, David (eds.), "Digital Twin—The Simulation Aspect", Mechatronic Futures: Challenges and Solutions for Mechatronic Systems and their Designers, Cham: Springer International Publishing, pp. 59–74, doi:10.1007/978-3-319-32156-1_5, ISBN , retrieved 2024-03-16.
16. 16. Осипов В.И., Миронов О.К., Беляев В.Л. Постоянно действующая ГИС геологической среды как инструмент для обоснования градостроительного проектирования объектов инфраструктуры (на примере г. Москвы) // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 159—172
17. 17. Зеегофер Ю.О., Клюквин А.Н., Пашковский И.С., Рошаль А.А. Постоянно действующие модели гидролитосферы территорий городских агломераций (на примере Московской агломерации). М.: Наука, 1990. 198 с.
18. 18. Применение технологий машинного обучения для литологического расчленения трёхмерных Геологических моделей / Р. Ю. Жидков, В. С. Рекун, Н. В. Абакумова и др. // Сергеевские чтения. Региональная инженерная геология и геоэкология. Выпуск 25. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (28-29 марта 2024 г.). — Геоинфо, Москва: 2024. — С. 364–368.
19. 19. Антипов А.В., Осипов В.И. (ред.), 2012. Инновационный проект по крупномасштабному специализированному геологическому картографированию территории города Москвы. В кн. Инженерные изыскания для строительства: практика и опыт Мосгоргеотреста. Проспект, Москва, с. 154-180.