Информационное моделирование объектов транспортной инфраструктуры

Цифровая трансформация организаций РФ имеет ежегодный рост на 37% и подразумевает переход на цифровые бизнес-процессы и данные в электронном виде. Минстрой России готовится к использованию технологии информационного моделирования (ТИМ) с 2023 г. Однако только 25–30% организаций близки к завершению трансформации, большинство в начале этого пути. Для объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) ТИМ включают в себя программно-технические средства, документы, результаты, процессы и участников процесса поддержания на всех этапах их жизненного цикла.

ТИМ для объектов транспортной инфраструктуры обеспечивает создание, сбор, накопление, обработку, контроль, хранение, представление и распространение информации в виде цифровых информационных моделей (ЦИМ) и электронных документов. Иногда считают, что ТИМ – это лишь красивая 3D-картинка, а основное предназначение модели – презентовать ОТИ заказчику, чтобы он мог увидеть, как будет выглядеть объект. Отсюда появилось понятие "псевдоТИМ", когда проектировщик перерисовывает чертежи в компьютерную картинку, не наполняя модель данными.

ТИМ используется на различных стадиях жизненного цикла объектов транспортной инфраструктуры, когда вся информация о нем рассматривается как единый комплекс, как ЦИМ. Очевидно, что ОТИ неизмеримо сложнее, чем жилые дома, на которые и была сориентирована разработка BIM-технологии. Особенно это ощущается в условиях повышенного уровня рисков, когда ОТИ как объект стратегической или критической инфраструктуры становится целью военных или террористических деструктивных воздействий. Потому к этому классу объектов должно применяться риск-ориентированное информационное моделирование (РО ТИМ). Далее рассмотрим его использование на стадиях жизненного цикла объектов транспортной инфраструктуры.

РО ТИМ на стадии предпроектной подготовки ОТИ

Стадия предпроектной подготовки – обоснование экономической целесообразности проекта ОТИ. Обычно при подготовке проекта ОТИ определяются его экономические, технические характеристики, целесообразность реализации. С помощью ЦИМ объекта транспортной инфраструктуры и информационных систем, основанных на нейронных сетях и машинном обучении, возможно получать информацию по расположению ОТИ в границах застройки земельного участка и влиянию различных факторов на его свойства.

С целью повышения эффективности применения РО ТИМ на данной стадии необходимо разработать типовые решения, стратегии и регламентирующие документы, базирующиеся на лучших практиках ТИМ. С формированием ЦИМ появляется возможность автоматизировать расчеты, подключения к инженерным сетям (водоснабжение, канализация, электроснабжение, связь), подготовить техническое задание для проведения изысканий. Лучшие практики ТИМ показывают, что применение РО ТИМ обеспечивает следующие преимущества:

• концепт-модель будущего объекта транспортной инфраструктуры c возможностью трансформации на следующую стадию без потери данных;
• многовариантное проектирование;
• автоматизированное получение ТЭО;
• оптимальное размещение ОТИ в условиях существующей застройки;
• возможность оценки стоимости объекта транспортной инфраструктуры на ранних стадиях строительства;
• оперативное изменение и воплощение концепции проекта планировки и объемно-планировочного решения ОТИ в 3D-модели, что сокращает трудозатраты на обновление ценовой информации до 30%;
• удобная визуальная оценка предлагаемых проектных решений, что позволяет сделать проект объекта транспортной инфраструктуры и ценообразование на 100% прозрачнее для подрядчиков;
• возможность изучения нескольких вариантов и выбор оптимального решения на основе проектных данных и оценочной стоимости строительства, что снижает погрешность инвестиционных расчетов до 20%;
• предварительный анализ энергоэффективности, видимости, инсоляции, планировки территории ОТИ, что позволяет повысить качество документации.

РО ТИМ на стадии проектирования ОТИ

Стадия проектирования подразумевает получение исходно-разрешительной документации для проведения изысканий, проектирования. При этом на ней часто сталкиваются со следующими моментами:

• коллизиями проектирования из-за отсутствия общей информации по проекту;
• непоследовательной и неполной передачей данных, когда смежные специалисты не получают актуальных изменений проекта ОТИ;
• срывами сроков из-за внесения изменений и новых данных предпроектных изысканий.

Проектирование объектов транспортной инфраструктуры с применением риск-ориентированной ТИМ позволяет решить следующие задачи:

• качественное проектирование согласно установленным срокам;
• создание информационной модели;
• ускорение коллективной работы территориально удаленных коллективов;
• координация всех разделов;
• ускорение получения проектной и рабочей документации;
• отслеживание изменений проекта, возможность отслеживания лиц, внесших изменения в данные, и идентификации способов внесения изменений в цифровую информационную модель.

3D-картинка

3D-картинка – это первый уровень риск-ориентированного ТИМ-моделирования. Любой элемент внутри ТИМ-модели можно выделить и получить информацию о его свойствах, но только ту, которую заложил создатель модели. Различные наборы данных внутри ТИМ-модели называют слоями. 3D-слой – это не визуализация, а модель с проверенными инженерными решениями, в которой смоделировано воздействие окружающей среды на объект транспортной инфраструктуры. 3D-модель проверяется на коллизии: автоматически выявляются, например, пересечения инженерных коммуникаций.

РО ТИМ – это связь данных и документов внутри модели. Если в ТЗ изменилась этажность здания, в ТИМ-модели автоматически меняется все вплоть до сметной документации, и вручную не надо ничего переделывать. Риск-ориентированная ТИМ обеспечивает:

• устранение ошибок в проекте ОТИ за счет сборки всех разделов в едином пространстве;
• устранение потерь проектной информации при передаче данных между проектными подразделениями и платформами за счет работы в едином информационном пространстве;
• повышение эффективности коллективной работы за счет работы с единой информацией по проекту ОТИ, что позволяет ускорить сроки проектирования до 30%;
• повышение наглядности и качества передаваемой информации за счет использования ЦИМ, что позволяет ускорить сроки согласования и принятия решений до 50%;
• уменьшение сроков рассмотрения технических вопросов и принятия решений до 20%;
• поиск проектных ошибок на ранних стадиях разработки проекта за счет проверки коллизий в сводных ЦИМ, что позволяет сократить непредвиденные расходы до 90%;
• повышение эффективности управления ресурсами и процессами до 35% за счет внесения изменений в цифровую информационную модель унифицированной и актуальной проектной документации.

РО ТИМ на стадии строительно-монтажных работ ОТИ

Стадия строительно-монтажных работ – это проектно-изыскательские и пусконаладочные работы, возведение или реконструкция объекта транспортной инфраструктуры, ввод в эксплуатацию. Основные проблемы на этой стадии:

• большое количество документации на бумажных носителях, препятствующей получению актуальной информации о проекте ОТИ;
• внесение изменений и контроль качества строительства, сопряженные с заполнением и согласованием большого массива документов;
• трудности с хранением и использованием архивов рабочей документации (информацию о строительстве практически невозможно использовать).

4D – время

К 3D-модели можно привязать график производства работ и онлайн видеть, какие сроки поставлены по той или иной конструкции (они окрашиваются разными цветами в зависимости от срока сдачи).

5D – стоимость

Сметы можно сдавать на госэкспертизу в электронном виде, а потом применять в ТИМ-моделях. При этом можно отслеживать не только деньги заказчика, но и внутренние расходы, контролировать договоры с подрядчиками.

Цифровая информационная модель аккумулирует сведения об элементах ОТИ и решения, принятые в проектной документации. В случае возникновения вопросов и неувязок со смежными разделами позволяет обмениваться заданиями и замечаниями. Применение риск-ориентированной ТИМ решает задачи:

• взаимодействия проектировщика со строителями;
• подготовки организации и управления строительством;
• оптимизации календарного и сетевого графика производства работ;
• расчета стоимости строительства;
• расчета потребности в материалах;
• организации и управления строительством;
• осуществления строительного надзора;
• отслеживания динамики выполнения работ;
• сравнения плана и факта;
• контроля отклонений (совмещение облака точек с моделью).

Результаты анализа можно загрузить на площадке в модель и систему обработки данных, отправить в проектную организацию для подготовки актов и документов, относящихся к строительному контролю. Он позволяет увидеть результат сразу же и принять обоснованное решение о необходимости дальнейших действий.

Лазерное сканирование позволяет получить облако точек по выполненным объемам и автоматически проверить отклонения факта от модели. Применение РО ТИМ обеспечивает:

• наложение календарных графиков из программ планирования на модель, уменьшение задержек и простоев в строительстве до 40%;
• возможность создания и корректировки инвестиционного плана на основе точных цифровых данных, благодаря чему стоимость строительства сокращается до 10%;
• поиск и устранение пространственно-временных коллизий, что позволяет снизить риск возникновения непредвиденных затрат в будущем до 0%;
• доступ всех участников к информации с централизацией данных (связь проектного бюро, административно-управленческого персонала, строителей и подрядных организаций), что уменьшает сроки координации и согласования работ до 90%;
• отслеживание процессов ввода оборудования в эксплуатацию;
• обеспечение комплекса мер по цифровому строительному контролю, что позволяет в четыре раза быстрее устранять замечания по работам;
• обеспечение комплекса мер по охране труда, что позволяет сократить риск происшествий и нарушений на строительной площадке до 45%.

РО ТИМ на стадии эксплуатации ОТИ

Стадия эксплуатации – это оформление разрешительных и правоустанавливающих документов и эксплуатация ОТИ. Введение ОТИ в эксплуатацию связано с составлением технологических карт учета оборудования, графиков ремонтов, что требует большого количества времени и принятия малоэффективных решений.

На данной стадии РО ТИМ решаются следующие задачи:

• быстрый поиск информации по ОТИ;
• создание технологических карт оборудования;
• создание графиков обслуживания и обхода оборудования;
• связь с системами материального обеспечения;
• связь с системами эксплуатации.

6D – эксплуатация

После завершения стройки ТИМ-модель трансформируется в эксплуатационную модель посредством привязки к исполнительной документации. Слой 6D – фактическое состояние ОТИ. Практика показывает, что часть документации на объект транспортной инфраструктуры со временем потеряется и в ней не будут отражены непроектные решения. ТИМ-модель сохраняет информацию на любом этапе эксплуатации, в ней можно найти любой узел ОТИ и понять, как он устроен, какое оборудование использовалось, сколько оно стоило. Можно отслеживать эксплуатационные сроки работы оборудования и превентивно менять его.

При наличии цифровой информационной модели возможно осуществлять мониторинг конструкций, инженерных сетей и оборудования ОТИ. ЦИМ позволяет автоматизировать создание технологических карт, графиков обслуживания оборудования, получить цифровой двойник объекта транспортной инфраструктуры для учета нагрузки заполняемости и износа. Применение риск-ориентированной ТИМ обеспечивает:

• возможность получения и внесения информации по эксплуатируемому ОТИ, что позволяет сократить расходы на обслуживание до 15%;
• наглядность, наличие технологических карт оборудования в привязке с ЦИМ, что позволяет сократить время технического обслуживания до 25%;
• построение системы эксплуатации на основе точных цифровых данных об ОТИ, что позволяет сократить время простоя оборудования до 50%;
• увеличение скорости, повышение качества технического обслуживания, планового, капитального ремонтов за счет сокращения и оптимизации учета оборудования до 10%.

С помощью ЦИМ автоматизируется мониторинг состояния объекта транспортной инфраструктуры, планирование его технического обслуживания по состоянию.

РО ТИМ для выполнения мероприятий и проектных решений по защите ОТИ от угроз террористического характера

Особняком стоит использование риск-ориентированной ТИМ для выполнения мероприятий и проектных решений по обеспечению защиты ОТИ от угроз террористического характера и несанкционированного вторжения в соответствии со сводом правил СП 132.13330.2011 "Обеспечение антитеррористической защищенности зданий и сооружений. Общие требования проектирования" и Мероприятиями по обеспечению антитеррористической защищенности объектов (территорий) постановления Правительства РФ от 19.04.2019 г. № 471 "Об утверждении требований к антитеррористической защищенности объектов (территорий) Министерства транспорта РФ, Федерального агентства воздушного транспорта, Федерального агентства железнодорожного транспорта, Федерального агентства морского и речного транспорта, Федерального дорожного агентства, Федеральной службы по надзору в сфере транспорта, их территориальных органов, а также подведомственных им организаций и формы паспорта безопасности этих объектов (территорий)" (ПП РФ № 471).

Использование РО ТИМ на стадии обеспечение защиты объектов транспортной инфраструктуры от угроз террористического характера и несанкционированного вторжения включает в себя мероприятия, представленные ниже.

7D – проектные решения инженерно-технической укрепленности ОТИ

Это совокупность мероприятий, направленных на усиление конструктивных элементов ОТИ, его помещений и технических средств, обеспечивающих необходимое противодействие несанкционированному проникновению в охраняемую зону, взлому и другим преступным посягательствам с целью предотвращения криминальных проявлений и противоправных действий, обеспечения антитеррористической защищенности, в том числе инженерной укрепленности специальных помещений для хранения и работы со служебной информацией ограниченного доступа.

8D – системы антитеррористической защищенности ОТИ

Это размещение на ОТИ инженерно-технических средств охраны, систем видеонаблюдения, средств связи, систем оповещения и экстренной эвакуации, технических систем (средств), направленных на обнаружение радиоактивных, взрывчатых веществ, токсичных химикатов, отравляющих веществ и патогенных биологических агентов, в том числе при их получении посредством почтовых отправлений, оружия, боеприпасов, наркотических средств и других опасных предметов и веществ.

9D – информационная модель сценариев (мероприятий) антитеррористической защиты ОТИ

Основной задачей мероприятий является оперативное реагирование сил безопасности (охраны) объекта транспортной инфраструктуры на сигналы от средств контроля безопасности, а также персонала, посетителей и пассажиров. Цифровая информационная модель сценариев антитеррористической защиты ОТИ, путей передвижения сил безопасности (охраны) ОТИ, МВД, МЧС, ФСБ разрабатывается с использованием искусственного интеллекта на основе анализа оценки уязвимости ОТИ, анализа моделей нарушителя и сценария его действий.

РО ТИМ для запроектных аварий

В связи с тем что риски, в том числе военные и террористические, растут, а технологии их парирования отсутствуют, особое внимание при разработке уровней 7D, 8D, 9D уделяется поиску лучших практик – РО ТИМ для запроектных аварий¹ (ЗА). Они отбираются с учетом исключительных условий в техническом задании на проектирование, полученных на основе анализа ЗА, возможных источников ее возникновения, сценариев развития и тяжести последствий. Такие лучшие практики включают в себя управление авариями, осуществление на ОТИ и окружающей территории мероприятий для глубокоэшелонированной защиты объекта транспортной инфраструктуры, персонала и населения. При этом, если исходя из устройства и местонахождения ОТИ возможность запроектной аварии не исключена, то независимо от ее вероятности для нее разрабатываются меры по управлению аварией. На основе определения запроектной аварии любое исходное событие, приводящее к проектной аварии, становится исходным и для запроектной, если оно сопровождается дополнительными отказами систем безопасности или ошибочными действиями персонала и сил безопасности ОТИ.

Концепция управления запроектными авариями впервые сформировалась в качестве дополнительного, четвертого, уровня глубокоэшелонированной защиты после аварии на Чернобыльской АЭС. Последствия таких аварий значительно тяжелее последствий, допустимых для проектных аварий. Хотя вероятность ЗА весьма мала, события 08.10.2022 г. показали, что их необходимо учитывать в проектах не только АЭС, но и критических и стратегических ОТИ, таких как Крымский мост. Раньше ЗА считались гипотетическими и не рассматривались в проектах, но сейчас концепция безопасности требует их учета в проектах, ограничивая их последствия с помощью мер управления. Эти меры направлены на предотвращение перехода проектных аварий в запроектные и на ослабление, локализацию и ликвидацию их последствий. Это происходит в условиях:

• военных и террористических рисков;
• природных и техногенных воздействий на объект транспортной инфраструктуры и системы его безопасности;
• нештатной работы систем безопасности;
• ошибок действия персонала и сил безопасности ОТИ.

Управление ЗА разделяется между 7D (РО ТИМ проектных решений инженерно-технической укрепленности ОТИ), 8D (РО ТИМ систем антитеррористической защищенности ОТИ) и 9D (РО ТИМ сценариев (мероприятий) антитеррористической защиты ОТИ). Для реализации могут использоваться технические средства, предназначенные для обеспечения безопасности при проектных авариях или для уменьшения последствий ЗА. Действия и технические средства, описываемые в 7D, 8D и 9D, образуют четвертый уровень глубокоэшелонированной защиты объекта транспортной инфраструктуры. Они должны разрабатываться для реализации ПП РФ № 471, но исключение коллизий дублирования и пересечения проектных решений и мероприятий по обеспечению защиты, приводящих к взаимному ослаблению, возможно только при использовании РО ТИМ в автоматическом режиме.

Вероятностный анализ безопасности

При разработке 7D, 8D и 9D необходимо учитывать, что основой оценки уязвимости ОТИ, включающей в себя сценарии актов незаконного вмешательства (АНВ), является вероятностный анализ безопасности. Это касается и сценариев АНВ, приводящих к тяжелым повреждениям ОТИ, рассматриваемых как ЗА. Вероятностный анализ безопасности применяется также для оценки эффективности оценочных критериев и мер по управлению запроектными авариями. Он позволяет выявить уязвимые места ОТИ (элементы ОТИ и систем его безопасности, процедуры деятельности персонала и сил безопасности), которые являются вероятными причинами аварии ОТИ в больших масштабах, чем при проектных авариях. Перечни ЗА, на основе анализа которых разрабатываются меры по управлению такими авариями, не могут разрабатываться только на основе вероятностных критериев. Эти перечни должны также учитывать необходимость такого управления ЗА, когда все события не являются вероятностными, то есть целиком и полностью определяются причинами.

Концепция безопасности базируется на этом подходе, а вероятностный является его дополнением. Анализ безопасности объекта транспортной инфраструктуры проводится на основе определения для каждого отказа порядка развития проектных аварий и их последствий. Однако для запроектных аварий такой подход не может быть применен, так как они возникают при непроектных исходных событиях, или при появлении дополнительных отказов сверх единичного отказа систем безопасности, или ошибочных действиях персонала и сил безопасности. Из-за этого количество возможных сценариев ЗА неограниченно, и для его сокращения применяется симптомно-ориентированный подход, а не событийно-ориентированный, применяемый для проектных аварий. Чтобы учесть весь комплекс ЗА, симптомы или признаки аварийного состояния ОТИ cравниваются с последствиями, превышающими принятые для проектных аварий, и промежуточными состояниями, приводящими при их развитии к аварийным состояниям.

Аварийные состояния ОТИ

Аварийные состояния, то есть степень повреждения элементов ОТИ, его инженерной укрепленности и систем безопасности, характеризуются уровнями тяжести. Они не связываются с конкретными сценариями деструктивных воздействий, так как одни и те же аварийные состояния могут образоваться при воздействии по различным сценариям. Переход от аварийных сценариев к аварийным состояниям сужает спектр ЗА при условии ограничения количества рассматриваемых состояний повреждения элементов ОТИ, его инженерной укрепленности и систем безопасности ОТИ. Шкала аварийных состояний по нарастанию уровней тяжести охватывает весь диапазон нарушений: элементов ОТИ и систем его безопасности, деятельности персонала и сил безопасности и их сочетаний.

Если аварийные состояния не удается идентифицировать как самостоятельные, то они включаются в состав других состояний. Самостоятельные аварийные состояния ОТИ связываются с критическими функциями безопасности, прекращающими развитие аварийного процесса или предотвращающими переход аварийного состояния в состояние с большим уровнем тяжести. Анализ связи ЗА и соответствующих им аварийных состояний проводится по аналогии с анализом для проектных аварий.

Разработка 7D, 8D и 9D

Наиболее сложной с постановочной точки зрения является проблема оптимального распределения между 7D, 8D и 9D решений по защите ОТИ от угроз террористического характера. Это связано с постоянным изменением рисков и угроз, с одной стороны, и инновационной деятельностью в сфере обеспечения безопасности, с другой. Названия 7D, 8D и 9D носят в известной степени условный характер и применительно к конкретным ОТИ могут иметь различное наполнение. Их содержание диктуется видом ОТИ, конкретными условиями его размещения и эксплуатации. Разработка ЦИМ 7D, 8D и 9D конкретных ОТИ на всех этапах их жизненного цикла ведется в тесном контакте со специалистами в сфере безопасности, с привлечением специалистов в области риска.

На первом этапе проводится анализ АНВ с высокими уровнями тяжести последствий, вызванных одним из трех условий или их комбинацией: не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями, отказами систем безопасности, реализацией ошибочных решений персонала. То есть результат АНВ рассматривается как ЗА. Вначале анализируются типовые сценарии проведения АНВ на ОТИ и соответствующие им аварийные сценарии (из оценки уязвимости). Затем в обратном порядке с использованием дискретно-событийного моделирования производится анализ от комплекса связанных с ними аварийных состояний к не учитываемым для проектных аварий (в результате типового АНВ) исходным событиям, отказам систем безопасности, ошибочным действиям персонала и сил безопасности. Это позволяет сформировать узкий перечень запроектных аварий ОТИ и комплекс соответствующих им нарушений, позволяющих реализовать АНВ, приводящие к авариям с высокими уровнями тяжести. Для этого перечня ЗА ОТИ разрабатывается комплекс мер по управлению аварией. Отличие перечня ЗА ОТИ в том, что перечень для проектных аварий создается в технических заданиях на проектирование ОТИ еще до начала проектирования.

При разработке 7D, 8D и 9D используются руководства по управлению ЗА ОТИ для информационного обеспечения действий персонала и сил безопасности, определения приоритетов для каждого уровня тяжести и активации функций безопасности в процессе ЗА. При этом выполняется анализ:

• характерных сценариев, приводящих к аварийным состояниям и ЗА;
• перечней аварийных состояний;
• аварийных сценариев, подлежащих дальнейшему анализу.

На основании анализа определяется эффективность выполнения критических функций безопасности и последствия их невыполнения, а также временные и параметрические характеристики. Они позволяют выявить возможность перехода аварийных состояний при соответствующих начальных условиях к ЗА. При этом разработка перечня запроектных аварий и их расчетный анализ играют вспомогательную роль.

Сочетание подходов

Решение проблемы запроектных аварий на объектах транспортной инфраструктуры в процессе его РО ТИМ базируется на сочетании вероятностного подхода и подхода, согласно которому все процессы в ОТИ не случайны, а вызываются конкретными причинами, что соответствует требованиям к обеспечению безопасности ОТИ как стратегически и критически важных объектов в условиях военных и террористических рисков. РО ТИМ с использованием агентного имитационного моделирования позволяет на ЦИМ воспроизвести ЗА ОТИ на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между его элементами, сымитировать поведение ОТИ во времени и получить устойчивую статистику, не прибегая к экспериментам на реальном объекте. Временем в ЦИМ ЗА ОТИ можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для процессов с медленной изменчивостью. Использование системной динамики имитационного моделирования ОТИ на различных стадиях его жизненного цикла приводит к увеличению результативности процессов и их унификации.

Долгосрочные эффекты

Применение риск-ориентированной ТИМ позволяет избежать большого количества разногласий между участниками проекта, обеспечить лучшие результаты, снизить риски, ускорить принятие решений, повысить достоверность и доступность информации о проекте, предоставить всем заинтересованным лицам доступ к данным. РО ТИМ снижает издержки и позволяет сделать процессы более прозрачными. За счет высоких показателей эффективности применения возможно их внедрение не только в новых проектах, но и применение при восстановлении объектов транспортной инфраструктуры, в том числе и таких, по которым утрачена исходная документация.

Риск-ориентированные технологии информационного моделирования, апробируемые на всех этапах жизненного цикла объектов транспортной инфраструктуры, будут увязываться с проблемами развития и применения этого подхода на других уровнях и структурах (отрасль, регион). 

¹ Запроектная авария вызывается не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями или дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности сверх единичного отказа, реализацией ошибочных решений персонала. К запроектным относятся гипотетические аварии, характеризующиеся весьма малой вероятностью такого события, но значительными последствиями.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 6/2022

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Фото: asninfo.ru