Digitalizace Podzemní laboratoře Josef

Projekt Digitalizace Podzemní laboratoře Josef má za cíl vytvořit komplexní digitální ekosystém, který umožní efektivní sběr, správu a vyhodnocování dat v reálném čase. Díky tomu bude možné nejen zefektivnit experimentální výzkum a výuku na pracovišti Fakulty stavební ČVUT, ale také přispět k rozvoji moderních metod řízení, monitoringu a bezpečnosti podzemních staveb.

Digitalizace zároveň otevírá cestu k novým projektům zaměřeným na simulace, virtuální prohlídky včetně propojení s mezinárodními výzkumnými projekty. Podzemní laboratoř Josef se tak stává nejen fyzickým Testbedem pro podzemní stavby (NCS4.0), ale i digitální testovací a demonstrační platformou pro inovace, která propojuje vědeckou sféru, průmysl a studenty v oblasti podzemních technologií.

Projekt Digitalizace reaguje na výzvy budoucího moderního stavebnictví se zaměřením na podzemní stavby, jehož cílem je:

zavést komplexní systém digitální správy, provozu a monitoringu laboratoře
integrovat senzory, měřící přístroje a datové platformy do jednotného prostředí
umožnit analýzu a vizualizaci dat prostřednictvím digitálního modelu (Digital Twin)
podpořit bezpečnost, efektivitu a udržitelnost provozu podzemních staveb
vytvořit vzdělávací a výzkumnou platformu propojující akademickou sféru, průmysl a studenty.

Myšlenka Digitalizace byla prvně diskutována na akci Robotika v podzemí v červnu 2024. Konečným cílem je praktická aplikace digitálního dvojčete štoly Josef (součást Podzemní laboratoře Josef), a to na platformě vyvinuté a spravované na ČVUT v Praze.

Digitální dvojče bude integrovat veškeré informace o štole včetně v něm probíhajících experimentů v reálném čase. Zároveň bude umožňovat obousměrnou komunikaci – řízení štoly přímo z prostředí virtuálního dvojčete.

Jednou z klíčových charakteristik projektu je tvorba standardizovaných otevřených dat, která budou zároveň představovat zdrojovou informační platformu pro všechny plánované experimenty, robotizaci a platformu pro možné simulace a optimalizace provozního i výzkumného charakteru.

Podzemní laboratoř Josef (pracoviště FSv ČVUT) má ambice stát se prvním digitálním online pracovištěm podzemního důlního díla v ČR. Díky přesnějšímu sběru a analýze dat, rychlejší simulaci i sdílení výsledků se zároveň posílí vědecká činnost v geotechnice.

Etapizace projektu

Projekt Digitalizace probíhá v logických etapách a veškerá jeho data jsou ukládána do společného datového prostředí (Common Data Environment).

Vedle funkce úložiště, jako jednoho místa pravdy, je CDE využíváno ke komunikaci při řízení projektu digitalizace. Výhodou CDE je možnost otevírání a práce nejen nad dokumenty jako nosiči informací ale s informacemi uvnitř těchto dokumentů přímo pracovat. Je možné prolnout informace z 2D výkresů, mračen bodů a z více BIM modelů, přidávat negrafické informace k objektům BIM modelů, doplňovat anotace, kóty, a ukládat připravené pohledy na dané soubory.

Etapa 1

vyplnění neznalostí o štole a transformace dat do BIM modelu

Etapa 1.a

– prostorový model těla štoly a hlavních stavebně-konstrukčních částí

První etapou je konsolidace všech dostupných informačních zdrojů. V minulých letech se v rámci spolupráce s Katedrou speciální geodézie FSv ČVUT nashromáždila celá řada mračen bodů (point cloud) s různou přesností a hustotou bodů pořízených statickými laserovými skenery. Souhrnně popisovalo štolu jen několik situačních výkresů ve 2D zobrazení, které nedávaly potřebné informace o prostorovém uspořádání ani komplexní informace o důlním díle.

Pro digitalizaci bylo potřeba některé oblasti podzemí znovu zaměřit s větší hustotou mračen bodů – např. bývalá kompresorovna, velín nebo spojovací chodba mezi páteřní štolou a kompresorovnou. Zároveň se skenovaly dosud nezaměřené části – např. prostory tzv. mašinkárny, dále rozrážky v Čelině ve výšce +40m, bývalá prachárna a tzv. houbičky. Kromě statických skenerů byl pro doměřování použit ruční skener Emesent. Pro zaměření portálů a přilehlého terénu byl použit dron.

Všechna mračna byla transformována do souřadnic S-JTSK a nahrána do společného datového prostředí.

Následně byla mračna segmentována na mračna obálky štoly a na mračna prvků infrastruktury. Z mračen obálky byl vytvořen trojúhelníkový model chodeb a mračna prvků jsou využita pro identifikaci jednotlivých prvků a jejich modelování v CAD SW. Trojúhelníkové modely byly vytvořeny ve 3 různých stupních podrobnosti k zajištění jejich efektivního využití v různých situacích.

Samostatnou kapitolou byla digitalizace existujícího schodiště v prostoře bývalého sypáku v podzemní části Čelina. Jedná se o železnou konstrukci o celkové výšce 40 m tvořenou jednotlivými podestami, schodnicemi a zábradlím. Vzhledem k nepravidelnosti svislého vymezujícího prostoru, který schodiště kopíruje, jsou všechny části schodiště atypické. Liší se vzdálenosti a tvary podest, délky a typy zábradlí a výškové rozestupy schodnic. Pro dosažení prostorové věrnosti bylo proto přistoupeno k modelování každého jednotlivého prvku schodiště samostatně dle podkladu mračna bodů.

Etapa 1.b

– BIM modely profesí

Model je tvořený jako federativní – je členěn jak prostorově, tak profesně. To zajišťuje možnost jeho dalšího rozšiřování podle instalovaných systémů.

Přidáním negrafických informací (výrobce, revize, instalace atd.) k jednotlivým modelům prvků (čidla, elektrické rozvodné skříně, vypínače, zásuvky, telefony, kamery, hasicí přístroje, rozvody elektro a vody atd.) vznikne vlastní BIM model.

Vzhledem k rozsáhlosti celé štoly a různorodosti instalovaných prvků byla implementace započata v čelbě štoly Mokrsko – západ (v bezprostřední blízkosti probíhajícího projektu MATEO – Optimalizace materiálů a technologií pro ukládání radioaktivních odpadů v hlubinných geologických úložištích).

Bude tak na jedné straně ověřena podpora projektu modelem a na druhé straně možnost integrace výzkumných informací do modelu.

Etapa 2

vznik digitálního stínu

Kompletizovaný model bude v dalším kroku importován do platformy digitálního dvojčete ČVUT v Praze. Souběžně s importem modelu začne napojování ve štole instalovaných prvků – čidel, senzorů a všech dalších prvků umožňujících digitální komunikaci. U systémů, které tuto komunikaci neumožňují, budou osazeny řídící prvky s možností digitální komunikace. Bude tak zajištěna plnohodnotná možnost monitoringu systémů štoly.

Etapa 3

přechod na platformu digitálního dvojčete

Postupnou evolucí platfomy digitálního dvojčete včetně předpokládaného využití technologie AI dojde k zapojení funkcionalit řízení model → realita. Tím bude umožněno komplexní řízení technologií uvnitř štoly bez nutnosti fyzické lidské přítomnosti. Tento princip je v naprosté synergii s nově realizovanými projekty autonomní robotizace.

Obecná teze

BIM (Building Information Modelling) je proces vytváření a správy dat o stavebním díle během celého jeho životního cyklu. Informační model budovy je v podstatě digitální model (digitální dvojče), který reprezentuje fyzický a funkční objekt s jeho charakteristikami.

Výměna a sdílení dat a údajů o stavebním díle probíhá pomocí otevřeného souborového formátu IFC (The Industry Foundation Classes), který je vyvíjen mezinárodním sdružením buildingSMART. Digitální model slouží jako otevřená databáze informací o objektu pro jeho navrhování, výstavbu a provoz po dobu jeho užívání.

EPSP

(Experimental Pressure and Sealing Plug)

Cílem projektu byla výstavba experimentální tlakové a těsnící zátky v žulovém masivu ve štole Josef. Těsnící zátky budou v hlubinném úložišti oddělovat již zaplněné prostory od prostor nezaplněných.

Experiment EPSP byl úspěšně postaven v polovině roku 2015. Souběžně se stavbou zátky byl kompletně dokončen i monitorovací systém – v experimentu a okolní hornině bylo instalováno cca 250 čidel.

Dnes dochází k jejímu rozebírání.

Neméně důležitým důsledkem digitalizace je postupné sjednocování používaných souřadnicových systémů. To zásadně ulehčuje práci s daty a jejich sdílení mezi různými výzkumníky, bez ohledu na to, jakými metodami byla původně získána.

Projekt RASH

Horninová akumulace sezónního tepla)

Cílem projektu je vývoj inovativních materiálů a technologií pro akumulaci tepla z hornin a návrh provozu energetického úložiště se zaměřením dostatečnou kapacitu i ekonomickou efektivitu uskladnění sezónně vyrobené energie a její následné využití.

Projekt INTES

(Inovativní systém pro ukládání tepelné energie na bázi recyklovaných odpadních surovin)

Ambicí projektu je vyvinout a ověřit možnosti skladování tepelné energie založené na up-cyklování odpadu vznikajícího ve slévárenských provozech. Pro potřeby projektu jsou uvažovány dvě variantní řešení s operační teplotou V1 < 400 °C a V2 < 800 °C.

Projekt MATEO

(Optimalizace materiálů a technologií pro ukládání radioaktivních odpadů v hlubinných úložištích)

Model experimentu MATEO detailně znázorňuje uspořádání testovacího modulu, který slouží k monitorování chování radioaktivních materiálů a interakci s okolním prostředím.

Barevná legenda a funkce jednotlivých prvků

Tmavě šedá (betonová deska): Pevná základna a podloží celého testovacího uspořádání.
Červená (topné těleso): Jádro experimentu simulující tepelnou zátěž (např. vyhořelé jaderné palivo).
Průhledná šedá (zhutněný bentonit): Ochranná bariéra ve tvaru válce, která obklopuje topné těleso. Slouží k izolaci a pohlcování vlhkosti.
Zelená (kontrolní vrty): Monitorovací vrty určené ke sledování změn v okolním masivu.
Modrá (čidla saturace): Senzory strategicky rozmístěné pro měření nasycení vodou.

Na horní ploše bentonitového válce je položeno masivní kovové víko. Protože bentonit při kontaktu s vlhkostí silně bobtná a zvětšuje svůj objem, je víko fixováno speciální nosnou konstrukcí. Tato konstrukce je pevně rozepřená přímo do stropu, čímž bezpečně zachycuje veškeré tlaky a udržuje celý experiment ve stabilní poloze. Jsou vidět první snahy o propojení geologie a BIM modelu (růžové linie).

Popis štoly Josef