Практика openBIM: онтология на службе строительства мостовых сооружений Норвегии

Многие из нас слышали о том, что открытые стандарты помогают лучше проектировать, строить и даже эксплуатировать объекты капитального строительства, но лишь единицы видели или работали с ними вживую. У большинства по-прежнему остаётся вопрос: зачем вообще нужны открытые стандарты, если работа в моновендорной среде позволяет добиваться существенных результатов? Специально для вас мы собрали уникальную подборку из международных проектов и расскажем, как openBIM работает на практике.

Первым в этой серии мы решили показать Норвежский проект строительства моста, финансируемый государственным заказчиком. Проект выполнялся большим числом участников в очень динамично изменяющейся среде нормирования и в нескольких САПР-системах. Всё это, а также необходимость контроля бюджетных средств, повлияло на выбор открытых стандартов, основанных на онтологии, для управления информацией о проектировании и ходе строительства.

О заказчике и требованиях

Руководство по инспектированию мостовых сооружений V440 издается Управлением общественных дорог Норвегии в формате PDF-документа. В 2019 году возникла потребность в переводе описанной в руководстве классификационной структуры в открытый машиночитаемый формат с целью позволить производителям программного обеспечения интегрировать её в свой продукт, а проектировщикам мостовых конструкций, использующим такое программное обеспечение, создавать IFC-файлы, отвечающие классификационной системе V440.

История Проекта

Инициатива запуска проекта принадлежит непосредственно Управлению общественных дорог Норвегии и связана со строительством длинного плавучего моста над широким фьордом Bjørnafjorden (Bjørnafjorden fjord crossing) на западном побережье страны. Данные о ходе строительных работ и показания датчиков передавались в открытый центр в режиме реального времени. Информационный центр получил название Bjørnafjorden Open Live Centre (BOLC). 

Для работы BOLC необходима универсальная классификационная система, согласующая входящие потоки данных. Для этой цели решено было применить классификацию, определённую в руководстве по инспектированию мостовых сооружений V440. Высокая вероятность пересмотра классификационной системы в течение срока реализации проекта не позволяла строго придерживаться единого программного решения, чтобы не зависеть от частоты обновления используемого пакета ПО. Поэтому классификационная онтология V440 разрабатывалась с помощью технологии связанных данных и веб-семантики (Linked Data and Semantic Web, LD/SW), поддерживаемых Международной организацией по стандартизации (ISO) и Консорциумом Всемирной паутины (W3C). Используемые в технологии форматы открыты и рассматривались как неотъемлемая часть openBIM.

Управление общественных дорог Норвегии обратилось в buildingSMART Norway за помощью в реализации этого инновационного технологического проекта и привлечения максимально возможного числа подходящих поставщиков программного обеспечения.

OpenBIM, открытые стандарты в проекте

В рамках проекта под openBIM понимались и IFC-форматы, и различные открытые форматы и стандарты, поддерживающие технологию связанных данных и веб-семантики (LD/SW). Использовались открытые форматы, предлагаемые Международной организацией по стандартизации и Консорциумом Всемирной паутины для определения онтологий и правил связывания; Turtle и SPARQL — для форматирования контента для конечной точки; а выгруженные из САПР в форматы с открытой спецификацией BIM-модели загружались в программные решения для проверки качества в формате IFC 2x3 и/или IFC4-файлов.

Таким образом, идея openBIM воплощена в использовании ifcOWL, IFC2x3, IFC4, открытых стандартов ISO и W3C и других. Помимо «базовых www-стандартов» к ним можно отнести: 

• среду описания ресурса (Resource Description Framework, RDF);
• RDF-cхему (Resource Description Framework Schema, RDFS);
• язык запросов RDF (Resource Description Framework Query Language, SPARQL);
• язык описания онтологий для семантической паутины (Web Ontology Language, OWL).

Ход Проекта

Важной частью проекта стала интеграция онтологии в программное обеспечение, в котором приняли участие 4 компании-производителя ПО. На этапе создания онтология V440 была привязана к онтологии ifcOWL для IFC 4.3, продемонстрировав, насколько легко с помощью технологии LD/SW можно связать национальные классификационные системы с определениями мостовых конструкций в отраслевых базовых классах (IFC) и интегрировать их в используемое программное решение. Полученные классифицированные модели были интегрированы в другие ПО для инспектирования мостовых сооружений, использующие IFC-формат.

Используемое Программное Обеспечение

ПО для определения и создания онтологии:

• MS Excel;
• Protégé;
• TopBraid Composer;
• GraphDB.

ПО для прототипирования и инспектирования:

• Areo;
• Quadri; 
• Tekla Structures; 
• StreamBIM. Solibri.

Проект был разделён на 3 этапа. Первый этап начался с перевода информации из PDF-руководства V440 в электронную таблицу, её структура могла быть легко экспортирована в TopBraid Composer для определения онтологии. Далее к ней применялись некоторые сценарии (SPIN) для дополнения её лучшими практиками в сфере онтологического моделирования, определёнными, например, в рамках текущей работы CEN/TC442 Semantic Modelling and Linking Standard. Онтология V440, основанная на открытых форматах RDF, RDFS и OWL, была разделена на две: первая представляла саму классификационную структуру, а вторая — связанные свойства. Они доступны по ссылкам: http://rdf.vegdata.no/V440/v440-owl,  http://rdf.vegdata.no/V440/v440-brudata-owl.

На втором этапе Управление общественных дорог Норвегии и проектная команда провели проверку  обеспечения качества онтологий, после чего опубликовали их на сервере. Также была опубликована конечная точка SPARQL, позволившая поставщикам программного обеспечения использовать язык запросов SPARQL для доступа к классификационной структуре. Запросы отправлялись к удалённому хранилищу GraphDB.

На сайте GitHub была размещена вся информация, необходимая участникам для реализации третьего этапа проекта, включая материалы для начала работы, и добавлена возможность задавать вопросы. 

На заключительном этапе привлекались поставщики программного обеспечения, готовые включить предоставленные онтологии в свои продукты. Для создания прототипа был выбран процесс openLAB Interoperate, адаптированный buildingSMART Norway. Это рабочие группы продолжительностью несколько месяцев, в рамках которых участники развивают свои программные решения, а также, обмениваются информацией и опытом. Процесс проходил с мая по июнь 2020 года, в нём приняли участие 10 компаний, 4 из которых (BuildingPoint Scandinavia, Rendra, Trimble solutions Sandvika и Areo) интегрировали использование онтологий V440 в свои решения. Совместная работа началась с рабочей встречи и краткого курса о технологии связанных данных и веб-семантик. Дважды были организованы рабочие группы с демо-презентациями решений и обсуждением вопросов, возникающих при связывании онтологий V440 с ifcOWL и экспорте полученных BIM-моделей в виде допустимых классифицированных файлов IFC. К завершению ОpenLAB Interoperate был организован открытый семинар, на который были приглашены все отраслевые организации Норвегии, на нём присутствовали представители 30 компаний. Участники продемонстрировали разработанные решения и поделились опытом; победителем в соревновании, организованном для участников, стала компания Areo.

Работа над проектом началась в августе 2019 года и завершилась в августе 2020 года, бюджет составил 920 000 NOK.

Итоги проекта 

Производственный процесс показал высокую эффективность. Классификация V440 была интегрирована четырьмя провайдерами, документация, размещённая на GitHub, оказалась для них простой и понятной, а интеграция заняла мало времени: первая классификация была интегрирована в программное решение примерно через сутки. Поставщики протестировали конечную точку SPARQL, а также, загрузку turtle-файлов по ссылкам для более глубокой интеграции в свои решения. Полученные BIM-модели были экспортированы в формате IFC-файлов и проверены на Solibri. 

Технология связанных данных и веб-семантики (LD/SW) на протяжении многих лет оставалась неотъемлемой частью технологической платформы внутри buildingSMART, ей было обусловлено и создание ifcOWL, однако, она не получала широкого применения за пределами альянса. Модернизация инициативы отраслевых базовых классов (IFC) заставила обратить внимание на архитектуру, в основе которой лежат web-сервисы, и на LD/SW технологию в частности, а описанный проект стал отличной иллюстрацией того как быстро провайдеры ПО могут интегрировать использование онтологий связанных данных и веб-семантики в свои решения в том случае, когда они опубликованы в открытом, стандартизированном и хорошо задокументированном формате. 

Проект продемонстрировал пользу от переноса классификационной системы из цифрового документа (PDF-файла) в открытый машиночитаемый формат, лёгкость интеграции хорошо задокументированных онтологий в ПО для создания IFC-моделей, преимущества использования  LD/SW технологии для связывания различных онтологий с установлением правил их связывания. Кроме того, был разработан простой и понятный процесс моделирования онтологии на базе электронной таблицы в Excel и на базе Top Braid Composer.

Одной из задач проекта было привлечь провайдеров программного обеспечения к более широкому использованию LD/SW технологии. С этой целью был проведён ряд мероприятий, включая бизнес-завтрак с участием 50 представителей отрасли и презентация проекта на отраслевых конференциях. Важно было показать заинтересованным провайдерам, как они могут интегрировать LD/SW технологию для применения внешних требований к BIM-модели, созданной с помощью их программного решения. Четыре разработчика программных решений приняли активное участие в проекте на этапе создания прототипа интеграции и включили предложенную онтологию в свои продукты. Ссылки на онтологии сегодня опубликованы на официальном сайте Управления общественных дорог Норвегии для руководства V440. Несколько крупных консалтинговых компаний и национальных организаций отрасли также приняли участие в проекте в качестве заинтересованных сторон (стейкхолдеров) и посетили рабочие группы. Итоги проекта были восприняты ими как инновация в сфере организации национальной проектной работы по стандартизации BIM-моделей.

 Дальнейшее развитие

Задачей проекта было протестировать и создать прототип использования технологии связанных данных и веб-семантик на базе существующего программного обеспечения. Однако, LD/SW как технологическая платформа предоставляет практически безграничные возможности для openBIM в результате связывания и объединения различных онтологий. В рамках проекта было создано несколько наборов правил для соединения онтологии V440 с онтологией  ifcOWL для IFC 4.3. На следующем этапе можно будет связать национальную классификационную систему мостовых конструкций с определениями типов объектов в международных отраслевых базовых классах (IFC Bridge). 

Очевидным следующим шагом также было бы создание онтологии руководства по классификации повреждений мостовых конструкций, V441, на базе процесса разработки, осуществлённого в рамках проекта, и дальнейшее её связывание с онтологией V440.

Кроме того, в норвежских руководствах зачастую можно найти большое количество иллюстраций, которые полезно было бы связать с элементами из онтологии. Иллюстрации послужат ценным дополнением внутри ПО и полезной справочной информацией для пользователей.

В заключении

Проект наглядно показывает, что применение открытых стандартов является одним из ключевых факторов успеха в заданных ограничениях. И если заказчик встаёт на позицию обязательности использования таких стандартов, особенно с целью прозрачности расходования бюджетных средств, то эффект от проекта становится ощутимым не только для всех участников текущей работы, но и для последующих, возможно, более сложных проектов.