Development of model-based process for navigation dredging

Abstract

In the fairway and dredging projects ordered by Finnish Transport Agency, the undeveloped data transfer and data utilization are aimed to be improved in the BIM-utilizing (Building Information Model) Dredging BIM project, of which this work is a part. BIM, or infraBIM on the area of civil engineering, means the whole of the parsed digital data of the product, in its whole life-cycle. In the model-based process, the current situation of the planning area is described in the initial model which becomes to the design model by adding the design data in it. The design model is edited to the as-planned model which is utilized in dredging monitoring systems. Furthermore, the as-designed model is compared to the as-built model, the measured data of the fairway is saved in the maintenance model, and the final situation of the fairway is described in the residual model.

The main purpose of this work was to develop the specification of the as-designed model for navigation dredging. The usability of the specification was found out by processing and modelling the data of Rauma fairway. Moreover, the possibilities to utilize and develop infraBIM guidelines, the source data of navigation dredging process and the data transfer based on the open format inframodel2 (IM2), were researched. The work focused on the phases of the construction design and the construction of the fairway. Finnish InfraBIM guidelines were applied on the modelling of the source data of Rauma fairway. In this work, details from the view of fairways were developed for these guidelines. The development work of the specification of the as-designed model was mainly based on the InfraBIM guidelines on the as-designed modelling of roads and highways. Also, the dredging contractors were heard to gather the information for the development works. The as-designed model contained definitions for the digital data needed for navigation dredging works, including fairway model, bathymetric and subsurface data, boulders and pits for buoy weights.

Concerning of the source data for dredging and planning works, remarkable needs were found for the development of the utilization of the measurements and also for the coverage and the programming of the investigations. The source data will be improved by increasing the amount of low-frequent soundings, the soil interpretations and the co-interpretations among the different investigation methods. Also, getting the investigations and the interpretations already in the early phases of the projects would be important. However, that is not always possible because of the economic reasons. The IM2 specification will also be improved by changing the cross section parameters of the fairways and by defining the point objects, such as boulders and safety devices.

For commissioning the model-based process and the IM2-based data transfer, at least the development of the dredging monitoring systems is demanded. Also, the specification of the IM2-format insufficiently was unambiguous, which lead to the problems in the data transfer. This work only applies on the area of the dredging of fairways. Also, the costs of the development and commissioning works could not be estimated. Therefore, the specification of as-designed model may have to be changed in the future due to the uncertainties in this work. However, the model-based way of processing is estimated to notably improve the ensemble of the source data of navigation dredging and its usability, clarity, quality and manageability.

Liikenneviraston tilaamien vesiväylähankkeiden ja ruoppauksen toimintaprosessia, kehittymätöntä tiedonsiirtoa ja -hyödyntämistä pyritään parantamaan tietomallintamisen avulla Dredging BIM -kehityshankkeessa, jonka osa tämä työ on. BIM (Building Infromation Model) eli tietomalli, infra-alalla vastaavasti infraBIM eli inframalli, tarkoittaa tuotteen koko elinkaaren aikaista, digitaalisen tiedon jäsennettyä kokonaisuutta. Vesiväylähankkeen tietomallipohjaisessa prosessissa alueen nykytilaa kuvaa lähtötietomalli, josta saadaan suunnittelutiedot lisäämällä suunnittelumalli. Suunnittelumallista jalostetaan ruoppaustyön koneohjauksessa hyödynnettävä toteutusmalli, jota voidaan edelleen verrata toteumatiedoista koottuun toteumamalliin. Väylän mitatut kuntotiedot tallennetaan ylläpitomalliin, lopullisen väylän tiedot jäännösarvomalliin.

Työn päätavoitteena oli kehittää väyläruoppauksen toteutusmallin muodostamismenetelmä, toteutusmallimäärittely. Menetelmän toimivuutta selvitettiin Rauman väylän aineistoa käsittelemällä ja mallintamalla. Lisäksi tutkittiin muun muassa InfraBIM-tietomallivaatimusten, väyläruoppauksen lähtötietojen sekä avoimeen inframodel 2 (IM2) -formaattiin perustuvan tiedonsiirron soveltamis- ja kehittämismahdollisuuksia. Työn pääpaino oli vesiväylän rakennussuunnittelu- ja toteutusvaiheissa. Rauman väylän lähtötietojen mallinnukseen sovellettiin InfraBIM-tietomallivaatimusluonnoksen lähtötieto-osuutta, jota kehitettiin vesiväylän kannalta. Väyläruoppauksen toteutusmallimäärittelyn kehityksen lähtökohtana oli InfraBIM-tietomallivaatimusluonnos tierakennuksen toteutusmallin muodostamiseen. Myös ruoppausurakoitsijoilta kerättiin kehittämistä avustavaa tietoa. Kehitetty määrittely sisälsi muun muassa kuvauksen väylämallista, syvyys- ja maaperätiedoista, poijupainokuopista, lohkareista sekä muusta ruoppaustyön pohjaksi digitaalisena toimitettavasta aineistosta.

Ruoppaustyön ja suunnittelun lähtöaineistossa havaittiin merkittävää kehitettävää mittaustulosten hyödyntämisessä sekä tutkimusten kattavuudessa ja ohjelmoimisessa. Lähtöaineiston parantamiseksi työssä ehdotettiin muun muassa matalataajuisten luotausten, maaperä- ja pohjanpintatulkintojen sekä eri tutkimusmenetelmien yhteistulkintojen lisäämistä. Mittauksia ja tulkintoja olisi myös hyvin tärkeää saada jo aikaisessa hankevaiheessa, mikä tosin ei aina ole taloudellisista syistä mahdollista. Tiedonsiirron parantamiseksi IM2-maarittelyyn ehdotettiin muutoksia vesiväylän poikkileikkausparametreihin. Lisäksi IM2-maarittelyyn ehdotettiin lisättäväksi kuvaukset pistemäisille, ominaisuuskoodatuille objekteille, kuten vesiväylän lohkaretiedot ja turvalaitteet.

Mallipohjaisen prosessin ja IM2-tiedonsiirron kayttöönotto vaatisi ainakin ruoppauksenvalvontajärjestelmien kehittämistä. Lisäksi IM2-formaatin sisällön määrittely ei ole vielä tarpeeksi yksikäsitteistä, mikä johti ohjelmistojen erilaisiin tapoihin käsitellä IM2-tiedostoja sekä tiedonsiirto-ongelmiin. Työn tulokset soveltuvat vesiväylien ruoppauksen mallinnukseen, mutta työhön liittyvien epävarmuuksien takia kehitettyjen menetelmien sisältöjä voidaan myöhemmin joutua muuttamaan. Tietomallipohjaisen toimintatavan arvioidaan huomattavasti parantavan ruoppaustyön lähtökohtana olevaa aineistoa, sen hyödynnettävyyttä, selkeyttä, hallintaa ja laatua, vaikka tietomallipohjaiseen prosessiin siirtymisen kustannuksia ei voitu vielä arvioida.