АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДСЧЕТА ОБЪЕМОВ СВАЛОЧНОГО ТЕЛА ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОБЪЕКТА РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ В СРЕДЕ AUTODESK CIVIL 3D В СВЯЗКЕ С DYNAMO Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Автоматизация подсчета объемов свалочного тела при разработке мероприятий по рекультивации объекта размещения отходов в среде Autodesk Civil 3D в связке с Dynamo

СО CS

о

CS

о ш m

X

3

<

m О X X

Шлыков Константин Олегович

ассистент, аспирант ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», kshlykov.urfu@gmail.com

Фомин Никита Игоревич

директор института, заведующий кафедрой, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», ni.fomin@urfu.ru

Никагосов Дмитрий Вадимович

ассистент, аспирант ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, nikvd97@gmail.com

Каландадзе Илья Кахаевич

ассистент, аспирант ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», ilia.kalandadze@yandex.ru

Объектом исследования является объект захоронения отходов, подлежащий рекультивации. Предметом исследования является возможность ускорения разработки проекта по рекультивации объекта захоронения отходов при помощи средств автоматизации на этапе расчета объемов свалочного тела. При помощи ПО для инфраструктурного проектирования Autodesk Civil 3D была получена цифровая модель рельефа свалочного тела и было написано средство автоматизации подсчета объемов.

В статье описана методика, алгоритм, математическая модель и основные методы разработки средства автоматизации при помощи средства визуального программирования Dynamo. Новизна исследования заключается в описании методов реализации средств автоматизации и технологий информационного моделирования в контексте рекультивации объектов захоронения отходов. По результатам апробации было выявлено, что применение разработанного скрипта позволяет ускорить этап подсчета объемов свалочного тела на более, чем 90%. Средство автоматизации обладает высокой степенью масштабируемости и может быть применено для решения других задач по подсчету объемов тех или иных сооружений и конструкций. Ключевые слова: Dynamo, подсчет объемов, рекультивация, объекты захоронения отходов, автоматизация, технологии информационного моделирования, свалочный грунт

Введение

По состоянию на 2021 год, 87 % отходов вывозятся на объекты захоронения (полигоны, свалки) [1]. Данный способ обработки отходов в ближайшее время останется наиболее массово используемым в ближайшем будущем. В соответствии с действующими нормативными документами, такими как СП320.1325800.2017 «Полигоны для твердых коммунальных отходов. Проектирование, эксплуатация и рекультивация» [2] и «Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов» [3], любой из объектов захоронения отходов должен быть рекультивирован после окончания эксплуатации.

На этапе рекультивации объекта захоронения отходов (полигона, свалки) выполняется целый ряд мероприятий, включающий в себя упорядочивание свалочного тела, выполнение противофильтрационного экрана, устройства дренажных систем, а также устройство системы дегазации [2,3]. Все эти мероприятия являются по сути земляными работами с большими объемами свалочного, инертного и материкового грунтов. При разработке сметной документации на рекультивацию объекта захоронения отходов составляется ведомости объемов работ, на основании которых формируется сметная документация.

В то же время, во всем мире активными темпами развиваются технологии информационного моделирования. По состоянию на 2023 год, в Российской Федерации на рынке строительства у 12% застройщиков внедрены технологии информационного моделирования (ТИМ) [4]. При этом в странах Европы доля застройщиков достигает 60 - 80%. [5, 6] Как мы видим, процесс цифровизации в Российской Федерации находится на начальном этапе.

Одним из понятий, которое появилось благодаря развитию ТИМ, является «цифровой двойник» - эквивалент здания, сооружения или иного объекта, выполненный в цифровой среде. Из данного эквивалента мы можем извлечь все необходимые данные для последующей обработки, например, для расчета объемов и последующей финансовой оценки. Также, одним из немаловажных преимуществ создания «цифровых двойников» является визуализация объекта до начала строительства [7].

Технологии информационного моделирования открывают большой спектр возможностей по автоматизации процессов разработки проектной, рабочей и иной документации. Подсчет объемов грунта является трудоемким процессом, особенно когда его необходимо посчитать в определенной локации.

Мероприятия по дегазации напрямую зависят от объемов грунта, располагающихся в близости от единичной скважины дегазации, что изложено во многих отечественных и зарубежных методиках. [8]. Исходя из этого, требуется разделять массив отходов на десятки самостоятельных блоков с заданным шагом и координатами, что при ручном является трудоемкой задачей [9].

Одним из методов решения данной проблемы является увязка средств визуального программирования и программного обеспечения для инфраструктурного проектирования.

В рамках данной статьи, будет рассмотрена автоматизация подсчета объемов свалочного грунта в ПО Autodesk Civil

3D при помощи средств визуального программирования Dynamo в контексте рекультивации несанкционированной свалки твердых бытовых отходов.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования была выбрана территория несанкционированной свалки, находящаяся на территории Российской Федерации. Были получены инженерно - геологические и инженерно - геодезические изыскания в рамках выполнения проекта по рекультивации объекта размещения отходов.

Первым этапом являлось построение на основании полученных изысканий цифровой модели местности (ЦММ), которая представляет собой цифровую модель рельефа между литосферой и атмосферой. В ЦММ не включаются деревья, инфраструктурные и иные сооружения - по сути, данная модель является «голой землей» [10].

Дополнительно требуется моделирование объема и границ, соответствующих инженерно-геологических элементов для последующего подсчета и обработки.

Основными инструментами в ПО Autodesk Civil 3D, которые используются для моделирования местности на первом этапе, являются «точки», «горизонтали», «структурные линии» и «границы местности». Структурная линия - наиболее важный инструмент, поскольку при помощи него осуществляется указание характерностей рельефа и принудительная триангуляция поверхности [11].

Вторым этапом, в рамках выполнения проекта по рекультивации было получено упорядоченное свалочное тело (Solid), путем перемещения свалочного грунта в одну локацию. 3D -изображение свалочного тела изображено на рис. 1.

Рисунок 1. 3D - модель упорядоченного свалочного тела

Solid обладает характеристиками объема, площади, и иными характеристиками. Примером Solid является призма, шар, куб и так далее.

3D - тело получается из двух поверхностей - низа и верха свалочного тела.

Данный элемент можно обрабатывать различными инструментами, встроенными в программное обеспечение, в том числе и при помощи средств визуального программирования.

Третий этап - разработка скрипта в среде визуального программирования Dynamo for Civil 3D. Целью данного скрипта является получение объема каждого из множества 3D-тел с заданным шагом разбивки и координатами и экспорт данных, необходимых для последующего использования в Excel.

В общем случае математическую модель можно представить в виде стандартной формулы вычисления объема при помощи интегрирования:

Угв

(1)

= ХоЯ/о [(.Х,у,г)йхйуйг, где: п-количество одиночных 3D-тел; V - объем 3D-тела;

х,у, г -декартовы координаты точек, составляющих 3D-тело;

Количество одиночных 3й - тел п (с округлением до целого в большую сторону) определяется, в зависимости от принятого шага сетки вычисления объемов:

\ Хщп-у — Х-т/п | I (2)

(м); (м); '

XI I I у1

где: ^тах ~

максимальная координата по оси X свалочного тела ХтЫ - минимальная координата по оси Xсвалочного тела

тела (м);

1

(м);

-максимальная координата по оси У свалочного -минимальная координата по оси У свалочного тела

Х1 - шаг разбивки по оси X (м); - шаг разбивки по оси У (м);

В рамках исследования шаг был принят одинаковым - как правило, шаг скважин дегазации принимается одинаковым в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Для корректной работы скрипта необходимо предварительно создать пустой х!з файл для записи данных, предназначенных для экспорта.

Пошаговая последовательность выполнения скрипта изображена на рисунке 2_

Импорт цифровой модели свалочного тела

Jw -К,„„ — Получение точек границ и сортировка по Х,У (Поиск минимальных точек, как реперных) —

х, ... Создание точек с определенный шагом от реперных точек по направлениямХ,У ... У,

Создание сетки ортогональные плоскостей по полученным точкам

Создание сетки ортогональных плоскостей по полученным точкам

Разрезка свалочного тела на отдельные ЗЦ-тела

Подсчет объема и средней высоты л-ной фигуры

Визуализация полученных результатов, экспорт в Lxcd

Рисунок 2. Пошаговая последовательность работы скрипта

Основные методы, применявшиеся при создании данного скрипта:

1. Для поверхностей TIN:

a. Selection.SurfaceByName- выбор поверхности, относящейся к свалочному 3D-телу, для получения границ;

b. Surface.Boundaries - получение границ поверхности, создание кривой для поиска точек X и Y с минимальными координатами;

2. Для работы с массивами данных (тип данных «List»): a. List.Firstltem; List.Lastltem - для получения первого и

последнего элемента в списке соответственно;

I I

О

ГО

>

п.

I

го m

о

ю

2 О ГО

w

fO CS

0

CS

01

о ш m

X

3

<

m О X X

b. List.SortByFunction - для сортировки списка по заданной функции (в данном исследовании использовалась функция для сортировки по убыванию по значению X, Y)

c. List.Join - для объединения двух списков в единый (для получения массива ортогональных плоскостей X и Y).

3. Для работы с точками (тип «Point»):

a. Point. X; Point.Y - извлечение из существующих точек координат X и Y соответственно;

b. Point.ByCoordinates - создание точек Xmax; Xmin; Ymax; Ymin для создания сетки ортогональных плоскостей;

4. Для работы с плоскостями (тип «Plane», тип «Vector»):

a. Vector. X; Vector.Y- получение канонических векторов оси X (1,0,0) и оси Y (0,1,0) соответственно;

b. Plane. ByOriginNormal- гоздание плоскости, центрированной по корневой входной точке с входным вектором нормали (Vector.X или Vector.Y).

5. Для работы с телами (тип «Solid»):

a. Solid.SliceByPlanes - получение массива 3D - тел, разрезанных при помощи сетки плоскостей;

b. Solid. Volume - извлечение объема из получившихся 3D - тел;

c. Solid. Centroid - получение геометрического центра 3D - тела (для дальнейшего размещения в пространстве модели данных об объеме и средней высоте)

6. Для экспорта данных в ПО Microsoft Excel, визуализации данных в пространстве модели (типы «Text», «Data», «Geometry», «BoundingBox»):

a. Geometry.BoundingBox - получение объекта BoundingBox из массива 3D - тел, представляющего собой па-раллелипед, характеризующиеся точками максимальными и минимальными координатами X, Y, Z;

b. BoundingBox.ToCuboid- получение кубоида из объекта BoundingBox для получения геометрического центра 3D - тела при помощи метода Solid. Centroid;

c. Data.ExportExcel - запись данных объемов и средних высот массива 3D - тел в ПО Microsoft Excel;

d. Text.Create - визуализация данных объемов и средних высот массива 3D - тел в пространстве модели.

Стоит отметить, что существующих нодов, представленных в Dynamo for Civil 3D, недостаточно для полноценной работы скрипта.

Исходя из этого, дополнительно были созданы ноды на языке Python в ручном режиме для следующих процедур:

1. Создание массива точек для создания ортогональных плоскостей, в зависимости от заданного шага разбивки;

2. Создание массива данных по средней высоте отходов из массива 3D - тел, получившихся в результате разбивки ортогональными плоскостями.

Результаты

По результатам моделирования свалочного тела и проектирования скрипта при помощи средств визуального программирования пользователь получает следующие выходные данные:

1. Сетку 3D - тел, получаемую в зависимости от шага разбивки;

2. Таблицу в ПО Microsoft Excel с данными по объему и средней высоте массива отходов в каждом 3D - теле (см. рисунок 4);

3. Визуализированные данные, аналогичные пункту 2, показанные в пространстве модели в ПО Autodesk Civil 3d (см. рисунок 5).

Рисунок 4. Графическое представление результатов расчета в пространстве модели в ПО Autodesk Civil 3D.

* А в

Volume Average height

556.1935 1.640483779

634.3367 1.535966641

4.291936 0.010729839

123.1019 0.307754695

465.5524 1.163330379

747.9197 1.869799139

783.9309 1.959827162

779.4603 1.943650324

70S. 3996 1.763493956

668.5157 1.671289337

673.3195 1.634543337

633.4543 1.703635764

2407.038 6.017595269

17В6.473 4.466131541

1332.943 4.707369376

1826.207 4.565517329

1704.612 4.261530794

1576.166 3.940415391

1417.444 3.543611246

1257.651 3.144128016

1101.147 2.752367522

599.3196 1.499543924

Рисунок 5. Выходные данные после экспорта результатов в Microsoft Excel

Скорость работы данного скрипта зависит от следующих факторов:

1. Геометрические характеристики обрабатываемого объекта (в данном исследовании площадь объекта составила 8,25 га);

2. Шаг разбивки массива отходов.

~ 35 £

£ &30

О

D.Z5

F ZG EL is

15Н15 M Шаг

J-îkID гл участтв. ы

Рисунок 6. Диаграмма времени работы средства автоматизации в зависимости от шага разбивки участка.

В рамках исследования были измерены временные затраты на выполнение скрипта, в зависимости от шага разбивки массива отходов. Результаты представлены на рисунке 6.

При выполнении вручную указанных операций в ПО Autodesk Civil 3D, требуется выполнить следующие процедуры:

1. Создание ячейки при помощи структурных линий с габаритами, соответствующими шагу разбивки (в рамках исследования принято 20 м);

2. Поднятие на поверхности, соответствующих верху и низу свалочного тела, структурных линий при помощи инструмента «Поднять на поверхность».

3. Создание поверхности верха и низа отходов из полученных структурных линий;

4. Создание 3D - тела при помощи команды «Извлечь тело из поверхности» с указанием поверхностей верха и низа отходов;

5. Ввод команды «МАСС-ХАР» в командную строку, получение необходимых данных

На выполнение данной операции требуется в среднем 1 минута 30 секунд, на одно 3D - тело. Операцию требуется повторить 154 раза при шаге разбивки 20х20 м, исходя из этого временные затраты составят 231 минута. Отсюда выигрыш по времени составляет около 99%.

Говоря о масштабируемости, данный скрипт может применяться и для вычисления объемов по иным элементам: например, для вычисления объемов материалов для устройства дорожного полотна, благоустройства и так далее.

При соответствующем опыте пользователя и навыках в программировании на языке C#, данная процедура может быть реализована при помощи плагина, который может быть встроен в панель инструментов ПО Autodesk Civil 3D.

Заключение

В рамках исследования был создан скрипт, позволяющий автоматизировать процесс расчета объемов свалочного грунта для последующего расчета эмиссии биогаза и разработки мероприятий по дегазации. Повышение производительности составило более 99%, что показывает эффективность применения как технологий информационного моделирования, так и автоматизации прикладных задач при помощи средств визуального программирования. Полученное средство автоматизации обладает высокой степенью масштабируемости, и при должных навыках у проектных организаций может быть встроен в само программное обеспечение.

Литература

1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году. Государственный доклад. - М.: Минприроды России; МГУ имени М.В.Ломоносова, 2022. - 684 с.

2. СП 320.1325800.2017. Полигоны для твердых коммунальных отходов. Проектирование, эксплуатация и рекультивация : свод правил: утвержден и введен в действие Приказом Министерства строительства и коммунального хозяйства Российской Федерации от 17 ноября 2017 г. № 1555/пр : дата введения 2018-05-18 / подготовлен Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации // Техэксперт [сайт]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/556610331?section=text (дата обращения 09.07.2023).

3. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов : утверждено Министерством строительства Российской Федерации 5 ноября 1996 г. // Техэксперт : [сайт]. - URL:

https://docs.cntd.ru/document/1200006959 (дата обращения 09.07.2023).

4. Болотова, А. С. Анализ и перспективы развития BIM-технологий в Российской Федерации / А. С. Болотова, И. А. Денисов // Строительное производство. - 2023. - № 2. - С. 114118. - DOI 10.54950/2658534020232114. - EDN VFLAOA.

5. Отчет по исследованию «Уровень применения BIM в России 2019» / ООО «Конкуратор» : [официальный сайт]. -2019. - URL: http://concurator.ru/information/bim_report_2019.

6. Болотова, А. С. Проблемы внедрения технологии информационного моделирования в России/ А. С. Болотова, Я. И. Маршавина // Строительное производство. - 2021. - № 2. -С. 70-80. - DOI 10.54950/26585340_2021_2_70. - EDN PEYWAO.

7. Tuhaise V. Technologies for digital twin applications in construction / Tuhaise V., Tah J., Abanda F. // Automation in Construction. - 2023. - №152. - DOI 10.1016/j.autcon.2023.104931

8. Зеленцов, Д. В. Устройство системы пассивной дегазации массивов существующих объектов размещения отходов / Д. В. Зеленцов, А. А. Савельев, К. Л. Чертес // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. - 2015. - № 4(21). - С. 100102. - DOI 10.17673/Vestnik.2015.04.13. - EDN VDMELX.

9. Шлыков, К. О. Рекультивация полигонов и свалок ТБО. Расчет эмиссии биогаза при разработке мероприятий по дегазации / К. О. Шлыков, А. Г. Запрудин // Проблемы безопасности строительных критичных инфраструктур Safety2020 : Сборник статей VI Международной конференции, Екатеринбург, 05-06 ноября 2020 года. - Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2021. - С. 216-223. - EDN EGJXJA.

10. Digital Elevation Models: Terminology and Definitions / P.L. Guth, V.N. Adriaan, C.H. Grohmann [и др.] // Remote Sensing. - 2021. - Т. 13, № 18. - ISSN 2072-4292

11. Структурные линии // Autodesk Knowledge Network [Электронный ресурс]. URL: https://knowledge.autodesk.com/ru/support/civil-3d/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2020/RUS/Civil3D-UserGuide/files/GUID-FCCAF28A-506B-4773-9706-

DD1 F1F8CC933-htm.html (дата обращения: 09.07.2023).

Automating the calculation of the volumes of the landfill in the development of measures for the reclamation of the waste disposal site in the Autodesk Civil 3D environment in conjunction with Dynamo Shlykov K.O., Fomin N.I., Nikagosov D.V., Kalandadze I.K.

Ural Federal University

JEL classification: L61, L74, R53

The object of the research is a landfill object to be reclaimed. The subject of the research is a possibility to speed up the development of the project on landfill object reclamation with the help of automation tools at the stage of calculation of the landfill body volumes. With the use of Autodesk Civil 3D infrastructure design software a digital elevation model of the landfill body was obtained and a tool for automating the calculation of volumes was written. The article describes the methodology, algorithm, mathematical model and basic methods of automation tool development by means of Dynamo visual programming tool. Novelty of the research lies in the description of methods for implementing automation tools and information modeling technologies in the context of reclamation of waste disposal facilities. According to the results of approbation it was revealed that the application of the developed script allows speeding up the stage of landfill body volume calculation by more than 90%. The automation tool has a high degree of scalability and can be applied to solve other tasks of calculating volumes of certain structures and constructions. Keywords: Dynamo, volume calculation, reclamation, landfill sites, automation,

information modeling technologies, landfill waste References

1. On the state and protection of the environment of the Russian Federation in 2021. State report. - M.: Ministry of Natural Resources of Russia; Moscow State University named after M.V. Lomonosov, 2022. - 684 p.

2. SP 320.1325800.2017. Landfills for municipal solid waste. Design, operation and reclamation: set of rules: approved and put into effect by the Order of the Ministry of Construction and Public Utilities of the Russian Federation dated November

X X О го А С.

X

го m

о

м о м

CJ

17, 2017 No. 1555 / pr: introduction date 2018-05-18 / prepared by the Department of Urban Development and Architecture of the Ministry of Construction and housing and communal services of the Russian Federation // Techexpert: [website]. - URL:

https://docs.cntd.ru/document/556610331?section=text (accessed 09.07.2023).

3. Instructions for the design, operation and reclamation of solid domestic waste landfills: approved by the Ministry of Construction of the Russian Federation on November 5, 1996 // Tekhekspert: [website]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200006959 (accessed 07/09/2023).

4. Bolotova, A. S. Analysis and prospects for the development of BIM technologies in the Russian Federation / A. S. Bolotova, I. A. Denisov // Construction production. - 2023. - No. 2. - P. 114-118. - DOI 10.54950/2658534020232114. -EDN VFLAOA.

5. Report on the study "The level of application of BIM in Russia 2019" / OOO "Konkurator": [official site]. - 2019. - URL: http://concurator.ru/information/bim_report_2019.

6. Bolotova, A. S. Problems of implementation of information modeling technology in Russia / A. S. Bolotova, Ya. I. Marshavina // Construction production. - 2021. - No. 2. - P. 70-80. - DOI 10.54950/26585340 2021 2 70. - EDN PEYWAO.

7. Tuhaise V. Technologies for digital twin applications in construction / Tuhaise V., Tah J., Abanda F. // Automation in Construction. - 2023. - №152. - DOI 10.1016/j.autcon.2023.104931

8. Zelentsov, D. V. On Technology Of Passive Degassing Of Solid Municipal Waste Landfill Facilities / D. V. Zelentsov, A. A. Savelyev, K. L. Chertes // SGASU Bulletin. Urban construction and architecture. - 2015. - № 4(21). - p. 100-102. -DOI 10.17673/Vestnik.2015.04.13. - EDN VDMELX.

9. Shlykov, K.O. Landfill recultivation. Calculation of biogas emission during development of degassing measures / K. O. Shlykov, A. G. Zaprudin // Safety Problems of Civil Engineering Critical Infrastructures Safety2020: Collection of articles of the VI International Conference, Yekaterinburg, November 05-06, 2020. - Yekaterinburg: Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 2021. - p. 216-223. - EDN EGJXJA.

10. Digital Elevation Models: Terminology and Definitions / P.L. Guth, V.N. Adriaan, C.H. Grohmann [and others] // Remote Sensing. - 2021. - T. 13, № 18. - ISSN 2072-4292

11. Structural lines // Autodesk Knowledge Network [Electronic resource]. URL: https://knowledge.autodesk.com/ru/support/civil-3d/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2020/RUS/Civil3D-UserGuide/files/GUID-FCCAF28A-506B-4773-9706- DD1F1F8CC933-htm.html (accessed 09.07.2023).