Использование цифровых двойников для прокладки тоннелей и в строительстве подземных сооружений

Инженерное оборудование для горнопроходческих работ является важным комплексным оборудованием с высоким классом сложности. Оно играет важнейшую роль для строительства инфраструктуры, прокладке железных дорог, при строительстве метро, в городском строительстве, водном хозяйстве, горнодобывающей промышленности и для проектов национальной обороны.

Условия, в котором горнопроходческие комплексы эксплуатируются часто характеризуются высокой неопределённостью, различной повышенной нагрузкой на грунт, высоким давлением грунтовых вод и другими характеристиками, которые трудно охарактеризовать с помощью простой математической физической модели. Сложная структура подземного инженерного оборудования, процесс эксплуатации которого включает в себя моделирование взаимодействия машин и грунта, требует нестандартно высоких вычислительных затрат.

Являясь свежей инновацией, которая преодолевает разрыв между физическим и виртуальным миром сложных продуктов, технология применения цифровых двойников предоставляет новый способ решения проблем проектирования, производства, эксплуатации и технического обслуживания подземного инженерного оборудования для удовлетворения требований сложных подземных условий посредством моделирования, мониторинга, диагностики и прогнозирования, оптимизации и контроля.

Немецкий университет Баухаус создал общую систему информационного моделирования туннелей, предложил основанный на численном моделировании метод прогнозирования осадки грунта и разработал интерактивную систему отображения процесса определения времени осадки грунта, вызванного строительством туннеля. Многие компании, занимающиеся прокладкой туннелей и подземным строительством, уделяют большое внимание исследованиям и применению технологии DigitalTwin. Учёные, из упомянутого выше университета, создали в 2020 году решение под названием «Tunnelware» на немецком языке, в котором проектировщик, подрядчик, эксплуатирующая организация и технический персонал, участвующий в прокладке и обустройстве туннеля, могут совместно диагностировать рабочее состояние подземного инженерного оборудования на протяжении всего времени его эксплуатации.

Китайские специалисты использовали технологию цифровых двойников для прогнозирования срока службы туннелей с шумовым барьером (NBT - Noise Barrier Tunnel), в которой была реализована система получения информации от датчиков-гироскопов для анализа изменения поведения физического компонента, а для быстрого прогнозирования срока службы использовался простой численный метод. Портал «Neanex BIM» содержит виртуальное представление двойника реального физического туннеля, по которому можно перемещаться в 3D и отображать всю необходимую информацию для выделенного отдельного актива/элемента конструкции. Программное обеспечение использует графическую технологию (NoSQL) для обработки больших объёмов данных, и полностью основано на облачных вычислениях, представляя собой готовые к использованию дополнительные компоненты для приложений Autodesk (CAD). Информация обрабатывается посредством инструментов системного проектирования и соответствующих интерфейсов платформы данных для совместного использования в цепочках поставок в рамках данных открытых стандартов. Исследования при помощи цифровых двойников в подземном инженерном оборудовании на сегодняшний день являются важнейшей частью для мониторинга состояния, включая наблюдение за изменением характеристик и ключевых технологий. В более старых конструкциях, для которых не закладывались возможности создания цифрового двойника на стадии проектирования, полная информация о состоянии во время всего использования может отсутствовать, поскольку некоторые результаты исследований получены с веб-сайтов или технической документации компаний, осуществлявших строительство.

Существует множество исследований о механизме воздействия оборудования для горнопроходческих процессов на окружающую среду. Для этого создаются приложения, в которых специалисты обобщили и разработали прогноз движения грунта на основе полевых измерений и исследований на местах реальных проектов. Особенно важными эти приложения становятся при ведении работ в мягком грунте. Не обошла цифровизация и проектные изыскания для многоэтажного строительства – строители применили комплекс ПО для мягких грунтов при возведении свайных фундаментов. Они оценили движение свободного грунта на основе аналитического метода и наложили эти перемещения на сваю для вычисления отклика сваи. Также был использован для расчётов метод конечных элементов (FEM - Finite Elements Model) и полевые наблюдения, чтобы получить представление о поведении грунта вокруг экранов баланса давления на Землю. Однако эти механизмы не были пока учтены в моделях цифровых двойников для строительства подземных тоннелей метро, что привело к неполному отображению всех особенностей поведения внешних факторов в моделях DT для этой отрасли. И это пока не гарантирует достоверный уровень моделирования для метростроя.

Именно поэтому, такие проблемы, как оптимизация проектирования на основе моделирования в сочетании со сложной сервисной средой и точным прогнозированием, а также сопоставлением состояния строительных работ с геологической средой на этапе ввода в эксплуатацию, все ещё остаются нерешёнными. Для точного построения модели для каждого проекта необходимо изучить построение экологических данных в цифровой форме, сделать сопоставление геологической среды и рабочего состояния конкретного оборудования, а также применить технологии на основе искусственного интеллекта для геоэкологического прогнозирования и предупреждения возможных неисправностей как самого оборудования, так и возводимых конструкций.