Najnowsze technologie pomagają w planowaniu przyszłości zapory Glen Canyon

Zapora Glen Canyon w stanie Arizona dostarcza niezbędną wodę i elektryczność mieszkańcom znacznej części zachodu Stanów Zjednoczonych. Zbudowano ją jednak pół wieku temu i widać już zużycie spowodowane upływem czasu w połączeniu z dużą zmiennością poziomu wody w ekstremalnych warunkach pogodowych. Pracownicy zarządzającego zaporą Bureau of Reclamation wykorzystują techniki rejestrowania rzeczywistości i modelowania 3D do badania stanu zapory i utrzymywania jej sprawności jeszcze przez wiele pokoleń. Prace tej amerykańskiej agencji rządowej wskazują jednocześnie nowe możliwości wykorzystywania nowoczesnych technologii do zapewnienia ochrony krytycznym obiektom infrastruktury na całym świecie.

David Winslow (z prawej) w elektrowni zapory Glen Canyon. Zdjęcie za zgodą BoR/Autodesk.

Woda i energia elektryczna dla zachodnich stanów

Kongres Stanów Zjednoczonych utworzył Bureau of Reclamation w 1902 r. jako nową agencję, której zadaniem było nawadnianie zbyt suchych dotąd terenów, aby umożliwić ich użytkowanie. Obecnie agencja zarządza 492 zaporami w 17 zachodnich stanach i co roku dostarcza ponad 31 milionom ludzi około 38 bilionów litrów wody. Jest też drugim co do wielkości krajowym producentem odnawialnej energii hydroelektrycznej, generującym co roku 40 miliardów kilowatogodzin.

Od utworzenia agencji minęło już ponad sto lat, a jej misja wciąż ewoluuje. Poza dostarczaniem wody i elektryczności mieszkańcom zachodnich Stanów Zjednoczonych agencja musi też chronić swoje obiekty przed niszczycielskim wpływem czasu. „Te obiekty mają ogromne znaczenie dla kraju” — mówi David Winslow, menedżer ds. CAD i inżynier w oddziale Bureau of Reclamation w Salt Lake City w stanie Utah. „Naszym zadaniem jest utrzymywanie konstrukcji, które mają istnieć jeszcze przez setki lat. Nas już nie będzie, a te budowle będą nadal stać. Do tego konieczne jest jednak ich prawidłowe użytkowanie i konserwacja”.

David Winslow (z prawej) w elektrowni zapory Glen Canyon. Zdjęcie za zgodą BoR/Autodesk.

Globalne wyzwanie utrzymania infrastruktury

Zapora Canyon Dam została ukończona w 1963 r. jako jeden z wielu takich obiektów powstających na całym świecie od lat 50. do lat 70. XX wieku.
W ciągu trzech dekad wybudowano wtedy około tysiąca zapór zapewniających energię elektryczną, dostawy wody i bezpieczeństwo powodziowe milionom ludzi na całym świecie, w tym Wysoką Tamę Asuańską w Egipcie oraz zapory Kurobe w Japonii, Idukki w Indiach, Ilha Solteira w Brazylii i Contra w Szwajcarii.

W tamtych czasach nie było jeszcze oprogramowania CAD, które mogłoby wspomagać projektowanie tych gigantycznych konstrukcji. Zapora Glen Canyon, jedna z największych zapór betonowych na świecie, „została zaprojektowana z wykorzystaniem suwaków logarytmicznych i tabel trygonometrycznych” — mówi Winslow. „Wszystkie rysunki powstawały ręcznie na stołach kreślarskich”. Ponieważ istnieją tylko papierowe projekty i schematy konstrukcyjne, specjaliści Bureau of Reclamation mają ograniczone informacje na temat wpływu starzenia się materiałów, czynników pogodowych i ekstremalnych zmian poziomu wody na stan zapory.

Problem ten dotyczy nie tylko zapory Glen Canyon — według danych Banku Światowego ponad połowa z istniejących obecnie na świecie 58 000 dużych zapór jest użytkowana od co najmniej 50 lat. Konieczność znalezienia lepszych narzędzi do utrzymywania zapór i zwiększania ich odporności jest zatem wyzwaniem globalnym.

Zapora Glen Canyon w latach 60. Zdjęcie za zgodą Bureau of Reclamation.

„Potrzebny był sposób na odejście od zarządzania obiektem na podstawie tysięcy rysunków 2D. Tak naprawdę potrzebowaliśmy szczegółowego modelu 3D zapory Glen Canyon, zboczy kanionu, obszaru zbiornika powyżej zapory, rzeki poniżej zapory i całej elektrowni, włącznie z elementami wewnętrznymi”.

— David Winslow, menedżer ds. CAD i inżynier, Bureau of Reclamation

Diagnozowanie stanu starzejącej się zapory przy użyciu najnowszych technologii

We współpracy z Autodesk pracownicy Bureau of Reclamation wybrali najlepsze narzędzia i techniki, które pozwoliły stworzyć szczegółowy, cyfrowy model 3D całej konstrukcji: wirtualną zaporę Glen Canyon. W odróżnieniu od papierowej dokumentacji 2D dane 3D mają głębię i są osadzone w wyraźnie widocznym kontekście. Co więcej, dane cyfrowe są dynamiczne, podczas gdy stary schemat na papierze pokazuje tylko migawkę z przeszłości. Modele cyfrowe można na bieżąco aktualizować i symulować na nich nowe scenariusze, a wszelkie zmiany odnotowywane na przestrzeni dekad i wieków można porównywać z początkowym zestawem danych.

Dysponując modelem 3D, pracownicy Bureau of Reclamation zyskaliby ogromne nowe możliwości zarządzania funkcjonowaniem i konserwacją zapory Glen Canyon. Znacznie łatwiej byłoby lokalizować, diagnozować i naprawiać bieżące uszkodzenia, jak również przewidywać przyszłe usterki i zapobiegać im.

Ale jak stworzyć model komputerowy konstrukcji, która powstała wiele lat przed oprogramowaniem CAD? Odpowiedzią są techniki rejestrowania rzeczywistości.

„Potrzebny był sposób na odejście od zarządzania obiektem na podstawie tysięcy rysunków 2D. Tak naprawdę potrzebowaliśmy szczegółowego modelu 3D zapory Glen Canyon, zboczy kanionu, obszaru zbiornika powyżej zapory, rzeki poniżej zapory i całej elektrowni, włącznie z elementamiwewnętrznymi”.

— David Winslow, menedżer ds. CAD i inżynier, Bureau of Reclamation

Rejestrowanie ogromnych ilości danych z gigantycznego stanowiska

Rejestrowanie rzeczywistości polega na zebraniu danych na temat określonego obiektu, w tym jego wyglądu, wymiarów, kształtu i lokalizacji,
i utworzeniu na ich podstawie modelu komputerowego. Wykorzystując środki ze swojego programu naukowo-technicznego, agencja Bureau of Reclamation zleciła firmie Autodesk zarejestrowanie niezbędnych danych
i wygenerowanie modeli 3D, a pracownicy agencji bacznie obserwowali stosowane procedury i procesy. W sierpniu 2016 r. pracownicy Bureau of Reclamation i Autodesk przystąpili do rejestrowania danych dotyczących zapory, dokumentując cały obiekt przy użyciu skanerów laserowych (lidarowych), hydrolokacji i kamer.

Zespół Autodesk zeskanował i sfotografował całą zaporę wraz z otoczeniem — wykonanie tego ogromnego zadania wymagało pełnego tygodnia pracy po
12 godzin na dobę. Pracownicy rejestrowali obrazy oraz pomiary wewnętrzne i zewnętrzne elektrowni wodnej, ścian samej zapory od strony zbiornika i rzeki, szczytu zapory, terenu w pobliżu zapory, a nawet niektórych obiektów dla zwiedzających. Łącznie wykonano 700 skanów lidarowych oraz tysiące zdjęć
i filmów zarejestrowanych z ziemi, wody i powietrza z wykorzystaniem całej gamy zaawansowanych narzędzi.

1 / 1

David Winslow (po lewej) obserwuje pracę zespołu używającego skanera laserowego do uzyskania precyzyjnych pomiarów 3D i danych wizualnych zapory i ścian kanionu.
Do wykonania pomiarów całego ogromnego terenu zapory wykorzystano skaner laserowy (lidar), którego działanie polega na wysyłaniu impulsów światła i mierzeniu czasu powrotu ich odbić.
Na powierzchni zbiornika Lake Powell personel współpracującej z Autodesk firmy e-Trac używa zdalnie sterowanego pojazdu do skanowania podwodnych powierzchni zapory metodą hydrolokacji.
Z pokładu helikoptera ratowniczego pracownicy Autodesk wykonali szereg zachodzących na siebie zdjęć lotniczych okolicy, które następnie konwertowano na cyfrowe modele 3D technikami fotogrametrycznymi.
Pracownicy Autodesk zeskanowali gigantyczne wnętrze głównej hali generatorów hydroelektrowni, używając drona z zamontowaną kamerą.
Zespół Autodesk wykonał również skany wnętrza osłony generatora w miejscach, gdzie turbiny przemieszczają wodę przez zaporę.

Zdjęcia za zgodą BoR/Autodesk.

David Winslow (po lewej) obserwuje pracę zespołu używającego skanera laserowego do uzyskania precyzyjnych pomiarów 3D i danych wizualnych zapory i ścian kanionu.

1/6

Do wykonania pomiarów całego ogromnego terenu zapory wykorzystano skaner laserowy (lidar), którego działanie polega na wysyłaniu impulsów światła i mierzeniu czasu powrotu ich odbić.

2/6

Na powierzchni zbiornika Lake Powell personel współpracującej z Autodesk firmy e-Trac używa zdalnie sterowanego pojazdu do skanowania podwodnych powierzchni zapory metodą hydrolokacji.

3/6

Z pokładu helikoptera ratowniczego pracownicy Autodesk wykonali szereg zachodzących na siebie zdjęć lotniczych okolicy, które następnie konwertowano na cyfrowe modele 3D technikami fotogrametrycznymi.

4/6

Pracownicy Autodesk zeskanowali gigantyczne wnętrze głównej hali generatorów hydroelektrowni, używając drona z zamontowaną kamerą.

5/6

Pracownicy Autodesk zeskanowali gigantyczne wnętrze głównej hali generatorów hydroelektrowni, używając drona z zamontowaną kamerą.

6/6

Zdjęcia za zgodą BoR/Autodesk.

Model zapory Glen Canyon utworzony w programie Autodesk ReMake.

Przekształcanie danych w modele cyfrowe

Skanowanie zapory Glen Canyon pozwoliło uzyskać niezwykłe obrazy i miliony punktów danych w formie szczegółowych, fotorealistycznych chmur punktów 3D. Na podstawie zdjęć wykonanych przez zespół opracowano modele fotograficzne poprzez łączenie zachodzących na siebie obrazów technikami fotogrametrycznymi. Do połączenia wszystkich surowych danych w jedną całość posłużył program ReCap Pro, w którym stworzono większą i bardziej szczegółową chmurę punktów.

Uzyskana chmura punktów została importowana do programu Revit, po czym zbudowano model techniczny 3D obejmujący wszystkie elementy i podzespoły zapory, od stalowych elementów konstrukcyjnych po generatory hydroelektryczne. W modelu połączono stare dane z nowymi — stare schematy 2D zostały połączone ze szczegółowymi danymi chmur punktów, dzięki czemu użytkownicy mają obraz nie tylko poszczególnych części zapory, ale również ich współdziałania jako systemów.

Ostatnią fazą prac będzie importowanie modelu technicznego do oprogramowania InfraWorks i dodanie rejestrowanych w czasie rzeczywistym strumieni danych opisujących bieżące parametry pracy zapory, na przykład ilość wypuszczanej wody lub generowanej energii elektrycznej. Efektem będzie dynamiczna reprezentacja wirtualna zapory umożliwiająca operatorom identyfikowanie potencjalnych zagrożeń i okazji do ulepszeń.

Model zapory Glen Canyon utworzony w programie Autodesk ReMake.

Przewidywanie przyszłości

Opracowany dla Bureau of Reclamation dynamiczny model 3D zapory Glen Canyon będzie cennym narzędziem dla operatorów i pracowników o różnych poziomach kwalifikacji. „To będzie model wielozadaniowy” — mówi Winslow. Dodatkową zaletą są nowe możliwości pokazywania informacji o zaporze, na przykład zwiedzania wnętrza wirtualnej zapory, w tym miejsc zwykle niedostępnych dla odwiedzających. Obecnie agencja planuje przygotowanie podobnych modeli 3D innych swoich obiektów, w tym być może zapory Hoovera w stanie Nevada i zapory Grand Coulee w stanie Waszyngton.

Co najważniejsze, model stanowi kluczowe narzędzie pomagające przygotować się na niepewną przyszłość. „Co roku mamy inne przepływy wody i warunki pogodowe, więc nigdy nie wiemy dokładnie, z jakim dopływem do zbiornika trzeba będzie sobie poradzić” — mówi Winslow. „Staramy się zrozumieć, jak w optymalny sposób dostarczać niezbędną dla kraju wodę — dziś, do końca tego stulecia i jeszcze dłużej”. Podkreśla też, że model 3D to „narzędzie przydatne w wielu różnych dziedzinach, dzięki któremu będziemy mogli lepiej zarządzać całym obiektem na przestrzeni wielu lat”.

Model 3D oparty na milionach punktów danych pozwala precyzyjnie zwizualizować zaporę i jej otoczenie.

Jeden z członków zespołu skanuje gigantyczną zaporę Glen Canyon urządzeniem lidarowym. Zdjęcie za zgodą BoR/Autodesk.

Narzędzia technologiczne o globalnym znaczeniu

Operatorzy zapór na całym świecie muszą odpowiednio przygotować się na niepewną przyszłość. Na całym świecie trwają prace związane z renowacją zapór podobnych do Glen Canyon pod względem wieku i technologii. Można tu wymienić zaporę Kariba w Afryce zbudowaną w 1959 r., zaporę Oroville
w Kalifornii z 1968 r. czy australijską zaporę Burdekin Falls ukończoną w roku 1987. Krajowe programy renowacji zapór uruchomiono między innymi
w Indonezji, Indiach, Armenii i Wietnamie. Jak mówi David Winslow, nowatorski proces tworzenia modelu 3D opracowany podczas prac przy zaporze Glen Canyon „może pomóc właścicielom i operatorom zapór na całym świecie
w skuteczniejszym eksploatowaniu i utrzymywaniu istniejących obiektów
w perspektywie wielu lat”.

Techniki rejestrowania rzeczywistości i cyfrowe modele 3D to dynamiczne narzędzia ułatwiające wizualizację obiektów, monitorowanie ich kondycji
i przewidywanie przyszłych parametrów pracy, co będzie mieć kluczowe znaczenie nie tylko dla starzejących się zapór w rodzaju Glen Canyon, ale również dla innych starzejących się obiektów krytycznej infrastruktury, chociażby elektrowni, mostów czy portów. Liczy się efekt: skuteczniejsza
i bardziej opłacalna konserwacja zwiększająca żywotność infrastruktury.

Jeden z członków zespołu skanuje gigantyczną zaporę Glen Canyon urządzeniem lidarowym. Zdjęcie za zgodą BoR/Autodesk.