Das Fast Tunnel Modelling Tool für Untertagebauwerke
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
20 Short Paper
Das Fast Tunnel Modelling Tool für
Untertagebauwerke
Fast Tunnel Modelling Tool for Subsurface Structures
Peter Hofer1, Clemens Strauß2, Julian Eder3, Lukas Hager3, Robert Wenighofer4,
Michael Nöger4, Stefan Fuchs5
1TheresianischeMilitärakademie · peter.hofer@bmlv.gv.at
2Institut
für Militärisches Geowesen
3Laabmayr & Partner ZT GesmbH
4Montanuniversität Leoben
5Dürr Austria GesmbH
Zusammenfassung: Der Erfolg der Bewältigung komplexer Einsätze unter Tage hängt wesentlich von
der Vorbereitung auf dieses sehr spezielle Einsatzumfeld ab. Dabei ist das virtuelle Betreten des Unter-
tagebauwerks vor dem Einsatzbeginn entscheidend. Das Fast Tunnel Modelling Tool unterstützt die
Visualisierung dort, wo keine digitalen Daten vorhanden sind. Die Integration weiterer Daten des Tun-
nel Information Modelling und Lüftungssimulationen reichern diese Visualisierung an und erhöhen den
Wert der Darstellung.
Schlüsselwörter: Komplexe Einsätze unter Tage, Fast Tunnel Modelling, Tunnel Information Model-
ling (TIM), Lüftungssimulation, Procedural Tunnel Generation
Abstract: The success of managing complex underground operations depends to a large extent on prep-
aration for this very special operational environment. In this context, virtual entry into the underground
structure before the start of the operation is crucial. The Fast Tunnel Modelling Tool supports visual-
ization where digital data is not available. The integration of further Tunnel Information Modelling
data and ventilation simulation enriches this visualization and increases its value.
Keywords: Complex SubTerranean/SubSurface Operations, Fast Tunnel Modelling Tool, Tunnel Infor-
mation Modelling (TIM), ventilation simulation, Procedural Tunnel Generation
1 Bedarf
Einsätze gegen einen gewaltbereiten Gegner in verzweigten untertägigen Infrastrukturen bei
fehlender Beleuchtung und Belüftung stellen ein komplexes Szenario dar (Hofer, 2018). Für
die Vorbereitung auf und die Bewältigung von derartigen Herausforderungen gewinnen Ex-
tended Reality (XR) Anwendungen stark an Bedeutung. Diese Anwendungen ersetzen den
unmittelbaren Karten/Gelände-Vergleich, der für einen geübten Kartenleser ansonsten sehr
aufschlussreich ist (Hofer et al., 2020), durch einen Blick in ein virtuelles Gelände. Aus der
teilweise eingeschränkten Verfügbarkeit der erforderlichen Daten für die Modellerstellung
erwuchs seitens der SubSurface Operations Cell (SSOC) (Hofer, 2020a) der Bedarf, diese
bereits in den frühen Phasen einer Alarmierung und Bereitstellung von Kräften für einen
Einsatz nutzbar zu machen. Darüber hinaus ergeben sich noch eine Reihe anderer Anwen-
dungsmöglichkeiten zur Erhöhung der Resilienz von Untertagebauwerken, der Vorbereitung
und Führung komplexer Einsätze oder zur Optimierung von Planungsprozessen.
AGIT ‒ Journal für Angewandte Geoinformatik, 7-2021, S. 20-25. © Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH ·
Berlin · Offenbach. ISBN 978-3-87907-707-6, ISSN 2364-9283, eISSN 2509-713X, doi:10.14627/537707003.
Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der
Creative Commons Attribution Lizenz verbreitet wird (http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/).P. Hofer et al.: Das Fast Tunnel Modelling Tool für Untertagebauwerke 21 Das S6-Modell 1 dient der gesamtheitlichen Beurteilung von Safety und Security Aspekten von Untertagebauwerken und der Optimierung der interdisziplinären, zivil-militärischen Ein- satzführung bei komplexen Lagen unter Tage (Hofer, 2020b). Das Fast Tunnel Modelling Tool (FTMT) erlaubt die Überprüfung ausgewählter Aspekte der Safety und Security zu Pla- nungsbeginn in einer virtuellen Ansicht um konkretere Leitlinien für die Planung festzulegen. Die Ergebnisse der Planung werden präziser und durch die Reduktion von Fehlplanungen erhöht sich die Planungsqualität. Durch die Einarbeitung analoger sowie digitaler 2D-Pläne erlaubt das FTMT auch die rasche Wiederherstellung von 3D-Modellen, wenn die Daten aufgrund des Bauwerksalters nicht digital verfügbar sind. Darüber hinaus kann in der Vor- projektphase ein Untertagebauwerk für einen Auftraggeber oder die Öffentlichkeitsarbeit rasch und unkompliziert visualisiert und von diesem in einer XR-Umgebung begangen wer- den. 2 Tunnelmodellierung und Lüftungssimulation Die für eine Modellierung nötigen, grundlegenden Strukturmerkmale sind (1) der Verlauf der Tunnelachsen, definiert durch eine möglichst große Anzahl von Bezugspunkten, die nach Lage und Höhe exakt festgelegt werden können, sowie (2) die Regelquerschnitte. Die Dar- stellung der Bearbeitungen erfolgt auf Datenbasis des Zentrums am Berg (ZaB 2), dem unter- tägigen Forschungszentrum der Montanuniversität Leoben am steirischen Erzberg. Hier wer- den Anlagen der unterschiedlichen Verkehrsträger, wie zweispurige Straßentunnel, Eisen- bahntunnel sowie Bestandsstollen des Erzbergs bereitgestellt und repräsentieren damit genau die Situation heterogener Datenbestände. 2.1 Fast Tunnel Modelling Tool Basierend auf dem oben angeführten Bedarf, wird innerhalb des NIKE 3 Projekts (Theresia- nische Militärakademie, 2021) das Fast Tunnel Modelling Tool – FTMT (Laabmayr & Part- ner ZT GesmbH, 2021b) entwickelt. Die Dauer der Erstellung von dreidimensionalen, geore- ferenzierten Tunnelmodellen auf Basis zweidimensionaler Planvorlagen (Abb. 1) beträgt in Abhängigkeit von Bauwerksgröße und Datenbereitstellung bis zu einigen Stunden. Dabei hat im Einsatzfall die Geschwindigkeit Priorität vor der Genauigkeit, zumal eine Detaillierung mit fortschreitendem Einsatz und Verfügbarkeit weiterer Daten (genaue Lage von Querschlä- gen, Nischen, …) die Genauigkeit Schritt für Schritt erhöht. Abb. 1: Datenfluss FTMT; Grafik: Laabmayr 1 Safety and Security Strategies for Subsurface Service Structures. 2 https://www.zab.at 3 NIKE steht für Nachhaltige Interdisziplinarität bei Komplexen Einsätzen unter Tage.
22 AGIT – Journal für Angewandte Geoinformatik · 7-2021
Das FTMT findet immer dort Anwendung, wo keine 3D-Daten verfügbar sind, wovon bei
der großen Mehrheit der bestehenden Anlagen ausgegangen werden muss.
Die Tunnelgenerierung im FTMT folgt dem Ablauf von Datenbeschaffung – Datenimport –
Nachzeichnen von Plänen – Export. Die Datenbeschaffung erfolgt aus den Beständen der
Betreiber, die beispielsweise für weitgehend alle österreichischen Straßentunnelanlagen,
Alarm & Einsatzpläne verfügbar haben. Analoge Pläne werden durch Scannen oder Konver-
tierung in ein gängiges Bildformat übertragen. Diese Bilddateien werden im zweiten Schritt
in die Software importiert, wo die Georeferenzierung durch manuelles Einpassen über leicht
ersichtliche Bezugspunkte (z. B. Straßen) durchgeführt wird. Die Tunnelachsen werden an-
schließend manuell in ihrer Lage mithilfe von Bezier-Splines (Shikin & Plis, 1995) nachge-
zeichnet. Dabei wird dynamisch, basierend auf einem zuvor ausgewählten Tunnelquer-
schnitt, ein 3D-Mesh erstellt. Hierfür wird eine Auswahl von üblichen Tunnelquerschnitten
(z. B. Straßentunnel, zwei Fahrstreifen, mit/ohne Zwischendecke) vorgehalten. Die Auswahl
erfolgt basierend auf der Kenntnis des Einsatzortes und den vorhandenen Plänen. Übliche
Bauwerkselemente, wie zum Beispiel Pannenbuchten, Querschläge oder ähnliches können
als Blöcke eingefügt und mit den Tunnels verbunden werden. Letztendlich wird die Tunnel-
anlage in ihrer absoluten Höhe eingepasst. In der Regel sind zu Beginn die Eintrittspunkte
(Portale) in ein Untertagebauwerk nach Lage und Höhe exakt bestimmbar und mit fortschrei-
tender Verfügbarkeit der Pläne können auch weitere Punkte lagerichtig eingepasst werden
(Abb. 2).
Abb. 2:
3D-Darstellung und
Übersicht FTMT am
Beispiel ZaB;
Grafik: Laabmayr;
Daten: ZaB, data.gv.at
Das Modell wird anschließend im FBX-Format exportiert. Dieses Format ist zur späteren
Visualisierung in XR-Lagebild Systemen wie dem Subsurface Operations Mission Tool –
SOMT (Laabmayr & Partner ZT GesmbH, 2021a) geeignet.
2.2 TIM-Integration
Das Tunnel Information Modelling (TIM) unterliegt derzeit einer Standardisierung, die na-
tional und international nicht an einzelnen Stellen konzentriert ist. Für den österreichischen
Raum zeichnet sich eine Zustimmung zu einer auf Bauteile bezogenen 3D-Modellierung ab.P. Hofer et al.: Das Fast Tunnel Modelling Tool für Untertagebauwerke 23
Diese Bauteile repräsentieren beispielsweise das Ergebnis von Abschlägen, in denen mit ei-
nem Zyklus des Lösens des Gebirges und des Stützmitteleinbaus ein Hohlraum geschaffen
wird, oder die Betonage einzelner Blöcke in der Innenschale. Diese 3D-Modellierung erfolgt
in unterschiedlichen Planungsstufen beziehungsweise der Bauausführung des Tunnelprojekts
und spiegelt ausgiebig die Baumethode wider. Sie ist ein Faktor, der das FTMT in Zukunft
vermehrt beeinflussen wird, und kann am Zentrum am Berg aufgrund der digitalen Daten-
verfügbarkeit gut erprobt werden. Die Standardisierung von Verknüpfungspunkten der ein-
zelnen Blöcke im TIM wird die laufende Aktualisierung der Georeferenzierung in der Mo-
dellerstellung im FTMT beschleunigen.
Die TIM-Integration zielt zudem auf die Verfügbarkeit von Tunnelbetriebsdaten ab, welche
vom übergeordneten Tunnelsteuerungssystem bereitgestellt werden. Diese Daten können un-
terstützend für die Einsatzführung herangezogen werden. Tunnelbetriebsdaten sind sowohl
Informationen von Sensoren, die im Tunnel implementiert wurden, als auch aktuelle Be-
triebszustände, welche ihren Ursprung in einem Ereignis haben. Ereignisse sind zum Beispiel
ein Brand in einer Betriebsstation oder im Tunnel, sowie etwaige andere nicht dem Normal-
zustand entsprechende Situationen, welche automatisch bestimmte Reaktionen im Tunnel-
steuerungssystem (z. B. Lüftungsprogramme) auslösen und für ein umfassendes Lagebild
von Nutzen sein können.
2.3 Modellierung untertägiger Strukturen im GIS – Initial HTML Model
Ergänzend zum zuvor beschriebenen Prozess ermöglichen digitale Pläne bzw. gescannte
Analogpläne die Modellierung im Geoinformationssystem (GIS). Die in den Plänen zu fin-
denden Hektarmarken oder vergleichbare koordinative Ankerpunkte lassen eine Georeferen-
zierung dieser Pläne zu. Im Anschluss werden die Bauwerke digitalisiert: Entweder die Ach-
sen bei linienhaften Bauwerken oder flächenhafte Grundrisse bei komplexen Strukturen.
Werden in einem anschließenden Arbeitsschritt die Höhenniveaus der einzelnen Ebenen des
Bauwerkes als horizontaler Koordinatenwert den digitalisierten Elementen zugewiesen, kön-
nen diese lage- und höhenrichtig in ein Geländemodell eingepasst werden (Abb. 3).
Abb. 3: Zylindrische Modellierung der Sohle Dreikönig und des Zentrums am Berg auf
Grundlage des geologischen Söhligschnittes in HTML-basierter 3D-Darstellung;
Grafiken: Strauß; Daten: VA Erzberg, ZaB, data.gv.at.24 AGIT – Journal für Angewandte Geoinformatik · 7-2021
Die volumenhafte Darstellung dieser Elemente z. B. mit Qgis2threejs 4 erfolgt je nach ihrer
Komplexität: Bauwerksachsen werden als Achse zylindrischer Darstellungen genutzt und
die Grundrisse komplexer Bauwerke werden entlang der Höhen-Achse extrudiert. Die dazu
notwendigen vertikalen Achsverläufe bzw. Bauwerkslichten sind in den Betreiberplänen er-
sichtlich. Das 3D-modellierte untertägige Bauwerk kann als Initial HTML Model (Abb. 3)
für eine erste Beurteilung verwendet werden (Hofer et al., 2020). Es eignet sich aber im
Gegensatz zum FTMT nicht für die Visualisierung in einer virtuellen Realität.
2.4 Lüftungssimulation
Eine besondere Herausforderung eines Einsatzes unter Tage stellen die atmosphärischen Be-
dingungen dar. Besonders die Ausbreitung von gefährlichen Gasen unterschiedlichen Ur-
sprunges bedeuten ein hohes Sicherheitsrisiko für die Einsatzkräfte und anwesende Zivilper-
sonen. Um Veränderungen durch äußere Einflüsse in der untertägigen Atmosphäre vorhersa-
gen und die Wirksamkeit notwendiger Maßnahmen abschätzen zu können, wird in der SSOC
die im Bergbau verbreitete Bewetterungssimulationssoftware VentSim 5 eingesetzt, die eben-
falls mit den grundlegenden Strukturmerkmalen Tunnelachse und Regelquerschnitt arbeitet.
Dabei werden die Mittellinien der Tunnelachsen von üblichen CAD-Software Applikationen
mit VentSim unter Berücksichtigung von im Bergbau üblichen Querschnitten automatisch in
ein digitales Modell transferiert. Für die Simulation sind Eingangsparameter zur Beschrei-
bung und Berechnung der Atmosphäre erforderlich. Gemeinsam mit Steuerelementen für ge-
zielte Lüftungseingriffe (Wettertüren, Lüfter, Gasquellen, Brandlasten, Wetterwege) kann so
innerhalb von Minuten die Modellierung erfolgen. In der Kombination aus dem FTMT und
VentSim ergibt sich eine sehr effiziente Möglichkeit zur raschen Wettermodellierung in Un-
terstützung der Einsatzplanung auf Grundlage der spezifischen Querschnitte des Untertage-
bauwerks.
Abb. 4: Ausschnitt aus einer Wettermodellierung für das Zentrum am Berg unter Verwen-
dung von VentSim; Grafik: Nöger; Daten: VA Erzberg, ZaB.
4 https://github.com/minorua/Qgis2threejs
5 https://ventsim.com/P. Hofer et al.: Das Fast Tunnel Modelling Tool für Untertagebauwerke 25 3 Zusammenfassung und Ausblick Das Fast Tunnel Modelling Tool hat die Fähigkeit der SSOC in der Beurteilung der Lage unter Tage wesentlich gesteigert. Die Möglichkeit der raschen Erstellung eines zuverlässigen virtuellen Abbildes des Untertagebauwerks erhöht die Sicherheit für die eingesetzten Kräfte sowie betroffene Personen. Aber auch weitere Anwendungsbereiche profitieren von dieser Technik und belegen einerseits die Bedeutung von Interdisziplinarität sowie die weitreichen- den Möglichkeiten zivil-militärischer Zusammenarbeit. An dieser Schnittstelle wird das FTMT seine volle Stärke in der Anwendung im Rahmen des RApid Data Integration and Visualization (RADIV) Prozesses zur Erstellung eines truly comprehensive Common Opera- tional Picture (tcCOP) entfalten, jenem „wirklich umfassenden“ Lagebild, welches alle rele- vanten Akteure und deren Informationen einschließt. Literatur Hofer, P. (2018). Security unter Tage. Fähigkeitslücke im Wirkungsverbund der Anspruchs- gruppen. Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, (12), 540–544. Retrieved Dec 13, 2020, from doi:10.1007/s00501-018-0795-8. Hofer, P. (2020a). The Subsurface Operations Cell. High-Value Asset for Decision-Making in Complex SubTerranean/SubSurface Operations. Berg- und Hüttenmännische Monats- hefte, (12), 666–672. Retrieved Jan 24, 2020, from doi:10.1007/s00501-020-01060-4. Hofer, P. (2020b). S6-Safety and Security Strategies for Subsurface Structures. Preparing Security Forces for Subsurface Operations. In Virtual Conference Tunnel Safety and Ven- tilation 2020. Retrieved Jan 24, 2020, from https://www.tunnel- graz.at/assets/files/tagungsbaende/2020/07_Peter_Hofer_Tunnel2020_V_neu.pdf. Hofer, P., Strauß, C., Wenighofer, R., Eder, J., & Hager, L. (2020). Die Rolle von Virtual Reality in der Bewältigung militärischer Einsätze unter Tage. AGIT – Journal für Ange- wandte Geoinformatik, 6-2020, 126–131. Laabmayr, & Partner ZT GmbH (2021a). SOMT – Subsurface Operation Mission Tool. Retrieved Jan 22, 2021, from https://www.laabmayr.at/tunnel-plus/rd/somt-subsurface- operation-mission-tool/. Laabmayr, & Partner ZT GesmbH (2021b). FTMT – Fast Tunnel Modelling Tool. Retrieved Jan 22, 2021, from https://www.laabmayr.at /tunnel-plus/rd/ftmt-fast-tunnel- modeling-tool/. Shikin, E. V., & Plis, A. I. (1995). Handbook on splines for the user. Boca Raton: CRC Press. Theresianische Militärakademie (2021). NIKE – Nachhaltige Interdisziplinarität bei kom- plexen Einsätzen unter Tage. Retrieved Jan 23, 2021, from https://www.milak.at/forschung/subops.
Sie können auch lesen
