Espoossa 23.11.2020
Valvoja: Professori Mikael Rinne Ohjaaja: DI Frans Horn
Diplomityöntiivistelmä
Tekijä Työn nimi
Maisteriohjelma Koodi
Työn valvoja Työn ohjaaja(t)
Päivämäärä Sivumäärä Kieli
Tiivistelmä
Avainsanat
Master programme Code Thesis supervisor
Thesis advisor(s)
Date Number of pages Language
Abstract
Keywords
sittelyn. Työ on toteutettu Sitowise Oy:ssä osana Raide-Jokerin projektityötä ja haluan kiittää projektia työn rahoittamisesta.
Haluan kiittää työn valvojaa, professori Mikael Rinnettä innostuksesta ja näkökulmista niin tämän työn kuin koko opintojeni aikana. Myös työni ohjaajana toiminut Frans Horn ansaitsee suuren kiitoksen opastuksesta, kärsivällisyydestä sekä rohkeudesta kehittää alan toimintatapoja. Heidän lisäksi haluan kiittää YIT:n Janne Isomäkeä, Reijo Kososta ja Miikka Vehkamäkeä työn tutkimusaineiston keräämisestä ja kommenteista. Suuri kiitos myös muille työtä tukeneille ja kommentoineille.
Viimeisenä haluan kiittää Sitowise Oy:n Kalliotilat ja Tunnelit -osastoa sekä tietenkin ystäviä ja läheisiä tuesta tämän työn ja opintojeni aikana.
Espoo 23.11.2020 Jaakko Aho
Tiivistelmä Abstract Alkusanat Sisällysluettelo Lyhenteet
1 Johdanto ... 1
1.1 Työn taustat ja tavoitteet ... 1
1.2 Tutkimusmenetelmät ... 2
1.3 Työn rajaus ... 2
2 Kalliorakentaminen ... 3
2.1 Tunnelirakentaminen ... 3
2.2 Kalliorakennussuunnittelu... 5
2.3 Kalliorakentamisen laitteet ... 5
2.4 Measurement while drilling ... 7
2.4.1 MWD-teknologian nykytila ... 7
2.4.2 IREDES ... 8
3 Tiedonsiirto ja käsittely sekä tietomallintaminen ... 10
3.1 Tietomallintaminen ... 10
3.2 Koordinaatistot ja mittalinjat ... 11
3.2.1 Mittalinja ... 11
3.2.2 EUREF-FIN-koordinaatisto ... 12
3.2.3 WGS84-koordinaattijärjestelmä ... 13
3.2.4 Korkeusjärjestelmät ... 13
3.2.5 Paikalliset koordinaatistot ... 13
4 Vaatimukset kehitettävälle järjestelmälle ... 15
4.1 Toiminnalliset vaatimukset ... 16
4.2 Laadulliset vaatimukset... 16
4.3 Reaaliaikainen tilannekuva ... 17
5 Järjestelmän ratkaisut ... 18
5.1 Raide-Jokeri... 18
5.2 Tutkimusaineisto ... 19
5.3 Käytettävät ohjelmistot ... 19
5.4 Yleiskuvaus järjestelmästä ... 21
5.5 Tiedon yhtenäistäminen ... 21
5.5.1 Koordinaatistomuunnokset ... 22
5.5.2 Metatietojen samaistaminen ... 22
5.6 Yhtenäinen tallentaminen... 23
5.7 Toteumatietojen laskeminen ja yhdistäminen suunniteltuun tietoon... 30
5.7.1 Louhinta ... 30
5.7.2 Lujitus ... 32
5.7.3 Injektointi ... 34
5.8 Tiedon visualisointi pistepilven avulla ... 34
5.9 Tiedon visualisointi kuvaajin ... 35
5.10 Digitaalisen luovutusaineiston muodostaminen ... 37
6 Järjestelmän toteutuksen arviointi ... 39
6.1 Ratkaisuiden toimivuuden arviointi ... 39
6.2 Ratkaisuiden tarpeellisuuden arviointi ... 41
6.3 Luotettavuuden arviointi ... 42
7.1.1 Lähtötiedon merkitys kalliorakentamisessa ... 46 7.1.2 Tunnusten määrittäminen parametrisoidulle lujitukselle ja injektoinnille 47 7.1.3 Toteumatiedon laajempi kokonaisuus ... 48 8 Yhteenveto ja johtopäätökset ... 50 Lähdeluettelo ... 51
C3D Autocad Civil 3D
EUREF-FIN ETRS89-koordinaattijärjestelmän suomalainen realisaatio
EPSG Alunperin European Petroleum Survey Group -organisaation luoma koor- dinaattijärjestelmien määrittelyyn käytettävä aineisto
EVRS European Vertical Reference System, euroopanlaajuinen korkeusvertaus- järjestelmä
GK Gauss-Krüger -projektio
GPS Global Positioning System, maailmanlaajuinen paikallistamisjärjestelmä IREDES International Rock Excavation Data Exhange Standard
MWD Measurement While Drilling, porauksen aikainen porausparametrien mit- taaminen ja tallentaminen
NAP Normaal Amsterdams Peil, korkeusvertausjärjestelmien lähtötaso OGP The International Association of Oil and Gas Producers
UML Unified Modeling Language, graafinen mallinnuskieli UTM Universal Transverse Mercator -projektio
WGS84 World Geodetic System 1984 -koordinaattijärjestelmä XML Extensible Markup Language, merkintäkielien standardi
YIV Yleiset inframallivaatimukset
1 Johdanto
Yksi kalliorakennusalan erityispiirre on, että merkittävä osa suunnittelun lähtötiedosta on saatavilla vasta rakentamisen aikana. Louhinnan edetessä paljastuvista kallio-olosuhteista kerätään tietoa muun muassa rakennusgeologisten kartoitusten avulla. Tämän tiedon avulla suunniteltuja ratkaisuja tarkennetaan vastaamaan todellisia kallio-olosuhteita. Tä- ten kalliorakennesuunnittelulla on merkittävä rooli myös louhinnan aikana. Tehokkaan yhteistyön mahdollistamiseksi kommunikointi urakoitsijan ja suunnittelijan välillä tulee olla sujuvaa.
1.1 Työn taustat ja tavoitteet
Infrarakennusalalla tietomallintamista on kehitetty viime vuosina aktiivisesti. Alalla ta- voitellaan, että vuoteen 2025 mennessä suunnittelu- ja tuotantoprosessit ovat kauttaaltaan digitalisoituja. (Perälä, 2020.) Tietomallintamista on hyödynnetty kalliorakentamisen alalla jotain vuosia. Vaikka yksittäisissä työvaiheissa tietoa tuotetaan jo varsin tehok- kaasti, on eri toimijoiden välillä usein tietokatkoksia. Merkittävä osa kalliorakennesuun- nittelun lähtötiedosta saadaan vasta toteutusvaiheessa, joten suunnitelmia joudutaan tar- kentamaan työn aikana.
Kalliorakennustyössä monet työvaiheet keskittyvät kallioon poratun reiän ympärille. Pa- nostus, lujituspultit ja injektoinnit vaativat kaikki kallioon poratun reiän. Reiät porataan usein modernilla porajumbolla, joka kerää dataa porauksesta, esimerkiksi mittaamalla tunkeumanopeutta. Lisäksi porauksesta tallennetaan metadataa, kuten sijainti- ja aikatie- toa. Tätä MWD (measurement while drilling) -dataa voidaan hyödyntää rakentamisen ja suunnittelun tukena. Tässä työssä porauksesta syntyvä data on jaettu kahteen osaan. Po- rausparametrien mittausdataa kutsutaan tässä työssä MWD-dataksi. Porareikiin liittyvää sijainti- ja aikatietoa sekä metatietoa kutsutaan porauksen toteumatiedoksi. Porauksen ai- kaisen tiedonkeruun etuna on, että dataa voidaan kerätä ilman merkittäviä keskeytyksiä tunnelilouhintaan. Tämän työn tarkoituksena on selvittää, miten porauksen toteumadataa voidaan hyödyntää kalliorakentamishankkeissa eritoten kalliorakennesuunnittelun näkö- kulmasta.
MWD-datan hyödyntämisestä on tehty jo tutkimuksia, jossa pyritään määrittämään po- rausdatan yhteyttä kallioparametreihin. Aikaisempi tutkimus on kuitenkin keskittynyt lä- hes yksinomaan juuri kallioparametrien määrittämiseen. Etenkään reikiin liittyvän aikaan ja sijaintidataan liittyvän toteumatiedon hyödyntämistä on tutkittu vain vähän.
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten porausdataa voidaan hyödyntää suunnitte- lussa ja projektinhallinnassa. Tutkimuksen aikana tarkastellaan, millaista porauksen to- teumadataa porajumbo tuottaa ja voidaanko tätä dataa muokata tehokkaasti hyödynnettä- vään muotoon. Tämä sisältää raakadatan jäsentämisen järkevään tietorakenteeseen, koor- dinaatistomuutokset yhtenäiseen muotoon sekä mahdollisen käsin syötettävän tiedon li- säämisen. Lisäksi tarkastellaan, miten tarkkaa data on sekä millaisia virheitä dataan liit- tyy. Työssä tavoitteena on myös selvittää, miten toteumadata voidaan yhdistää suunnitte- lutietoon.
Työn tärkeimpinä tavoitteina on selvittää:
Voidaanko porauksen toteumadataa hyödyntää suunnittelutyön tehostamisessa?
Miten toteumadata voidaan käsitellä helposti käytettävään muotoon?
Voidaanko toteumadatasta muodostaa louhintojen, lujitusten ja injektointien to- teumadataa?
Saavutetaanko toteumadatan tehokkaalla käsittelyllä hyötyä tunnelihankkeessa eritoten kalliorakennesuunnittelun näkökulmasta?
Tutkimuksen aikana käytännön osuutena pyritään luomaan järjestelmä, jonka avulla da- tan käsittely, analysointi ja tallentaminen on luontevaa. Järjestelmän kehittämisen aikana tutkitaan:
Miten dataa tulisi käsitellä ja tallentaa?
Millaisissa sovelluksissa toteumadataa voidaan hyödyntää?
Miten luotettavaa toteumadata sekä järjestelmän tuottama tieto on?
1.2 Tutkimusmenetelmät
Tutkimus jakautuu kirjallisuuskatsaukseen ja käytännön osuuteen. Kirjallisuuskatsauk- sessa selvitetään kalliorakennesuunnittelun menetelmiä ja prosessia. Katsaus perehtyy kalliorakentamisen työvaiheisiin ja niiden asettamiin rajoitteisiin sekä tietomallintami- seen, tiedonsiirtoon ja paikkatietoon liittyviin konsepteihin. Tämän lisäksi kirjallisuus- katsauksessa perehdytään MWD-mittaukseen sekä siitä saatavan datan sisältöön, raken- teeseen ja luotettavuuteen.
Tutkimuksen käytännön osuuden aikana pyritään selvittämään, miten porauksen toteuma- tietoa voidaan hyödyntää eritoten kalliorakennesuunnittelun tarpeisiin. Käytännön osuu- dessa pyritään kehittämään järjestelmä, jolla porauksen toteumatietoa voidaan muokata, tallentaa ja analysoida. Tutkimusaineistona käytetään Raide-Jokerin Patterimäen tunnelin louhintatyömaalta muodostuvaa porauksen toteumatietoa. Järjestelmän kehittämisen ai- kana pyritään arvioimaan järjestelmän luotettavuutta ja tarpeellisuutta.
1.3 Työn rajaus
Työssä keskitytään MWD-datan tiedonsiirtoon ja käsittelemiseen liittyvien prosessien kehittämiseen. Tämä sisältää datan muokkaamisen tehokkaasti hallittavaan muotoon sekä analysointiin liittyen perustyökalujen luomisen. Datan hyödyntämisessä keskitytään si- jainti- ja aikatiedon käsittelyyn, eikä esimerkiksi kallioparametrejä tulkita MWD-datasta.
Koska työn pilottiprojektina käytetään tunneliurakkaa, ei työssä perehdytä avolouhintaan liittyviin ratkaisuihin. Työn aikana kehitetyn järjestelmän hyötyjen, toimivuuden ja jat- kokehityksen arvioimisessa painotetaan eritoten kalliorakennesuunnittelun tarpeita.
2
2.1 Tunnelirakentaminen
Suomessa lähes kaikki tunnelilouhinta toteutetaan poraus ja räjäytys -menetelmällä. Me- netelmä muodostuu vakiintuneista työvaiheista. Työvaiheet toistuvat työjärjestyksessä syklisesti. Louhinnan työjärjestys Heiniön (1999) mukaan käsittää seuraavat työvaiheet:
mittaus, poraus, panostus, räjäytys, tuuletus, lastaus, rusnaus ja lujitus.
Nykyään kaksi ensimmäistä vaihetta (mittaus ja poraus) ovat käytännössä lähes yhtenäi- nen työvaihe. Nykyaikainen porajumbo paikannetaan sijaintiinsa esimerkiksi takymetrin avulla. Näin porajumbo pystyy määrittämään porakaavion sijainnin perän suhteen. Täten perinteisiä perän seinä- ja keskilinjojen sekä korkeuden ja suunnan merkintöjä ei tarvita.
(Koskinen, 2014).
Poratut katkoreiät panostetaan räjähdysaineella. Katkon räjäytyksen jälkeen perä tuulete- taan, irronnut louhe lastataan poisviemiseksi ja seinät sekä holvi rusnataan. Louhinnan lisäksi kalliorakentamiseen liittyy vahvasti kalliolujitukset (ja tuentarakenteet) sekä vuo- tovesien hallinta.
Kalliolujitukset voidaan jakaa ruiskubetoniin sekä kalliopultituksiin. Kalliopultitukset si- tovat kalliolohkot toisiinsa. Täten kallio kestää itsenäisenä rakenteena siihen kohdistuvat kuormitukset. (Väylävirasto, 2019). Kalliopultit voidaan jakaa juotettuihin pultteihin, mekaanisesti kärkiankkuroituihin pultteihin sekä kitkapultteihin (RIL266-2014, 2014).
Pultteja voidaan käyttää ennakkolujituksena ennen louhintaa kallion löyhtymisen estä- miseksi (Väylävirasto, 2019). Tarvittaessa ennakkolujitukset voidaan tietyin kriteerein hyväksyä myös lopullisiksi lujituksiksi. Lopulliset kalliopultitukset voidaan asentaa kal- lio-olosuhteiden mukaan joko heti louhinnan jälkeen ennen seuraavan katkon louhintaa tai myöhempänä ajankohtana. Pultin asentamisen työvaiheet riippuvat pulttityypistä. Juo- tetuille pulteille asentamisen työvaiheet ovat pulttireiän poraus ja pultin asentaminen juot- tamalla. Kitkapulttien työvaiheet ovat pulttireiän poraus ja pultin asentaminen valmista- jan ohjeiden mukaan. Mekaanisesti kärkiankkuroitujen pulttien asentaminen jakautuu pultin kiinnittämiseen mekaanisella kärkiankkurilla ja pultin juottamiseen. Pultin juotta- minen voi tapahtua joko pultin kiinnittämisen yhteydessä tai myöhemmin. (RIL266- 2014.)
Ruiskubetoni on toinen yleisesti käytettävä kalliolujitusmenetelmä. Ruiskubetonin toi- minta perustuu itse rakenteen kapasiteettiin, sekä kallion holvaantumisen paranemiseen sen täyttäessä louhitun kalliopinnan epätasaisuuksia (Väylävirasto, 2019). Ruiskubeto- nointia käytetään sekä työnaikaisessa että lopullisessa lujituksessa. Työnaikainen ruisku- betonointi mahdollistaa työturvallisuuden ylläpitämisen sekä louhinnan jatkamisen ilman kallion sortumia. Lopullinen ruiskubetonointi voidaan suorittaa vasta merkittävästi lou- hinnan jälkeen. (Pöllä, 1988.)
Kalliorakentamisessa vuotovesiä hallitaan sekä tunnelin rakenteille aiheutuvan haitan es- tämiseksi että tunnelin ympäristön pohjavesiolosuhteiden muutoksien minimoimiseksi.
Vuotovesiä hallitaan tiivistysratkaisuilla, joilla pyritään vähentämään vesivuotoja ja kui- vatusratkaisuilla, jotka pyrkivät ohjaamaan vuotovesiä tunnelin toiminnallisuuden lisää- miseksi. (Väylävirasto, 2019.) Tiivistysratkaisuihin kuuluvat injektoinnit sekä vesitiiviit rakenteet. Kuivatusratkaisuista tyypillisimpiä ovat ruiskubetonin salaojat, vedeneristys- rakenteet sekä vuotoa ohjailevat reiät ja muut rakenteet.
Kallioinjektoinnit voidaan jakaa esi- ja jälki-injektointeihin. Injektoinnissa kallioon po- ratun reiän kautta syötetään paineella joko sementtipohjaista tai kemiallista injektointiai- netta. Esi-injektoinnissa injektointireiät porataan vielä louhimattoman tunnelin ympärille.
Reiät ovat tyypillisesti 15-25 metriä pitkiä ja 5-8° kulmassa tunneliin nähden. (Atlas Copco, 1999.) Jälki-injektoinnit suoritetaan tyypillisesti louhintapintaan nähden kohti- suoriin muutamien metrien pituisiin reikiin. Jälki-injektoinnit tulee kuitenkin aina suun- nitella kohdekohtaisesti (Väylävirasto, 2019).
Injektointitarvetta arvioidaan suunnitellun tiivistysstrategian mukaan esimerkiksi tunnus- telureikiin tehtävien kokeiden avulla. Tyypillinen koe on vesimenekkimittaus. Tarvitta- essa voidaan myös määrittää systemaattinen esi-injektointi ilman kokeita. Tiivistysstra- tegian perusteella louhinnan aikana voidaan toteuttaa esimerkiksi systemaattinen esi-in- jektointi, esi-injektointi injektointitarpeen kriteerien täyttyessä tai jälki-injektointi vuoto- kohdissa. (Väylävirasto, 2019.)
Kalliorakentamisen aikana lujituksen ja tiivistyksen toteutus monimutkaistaa louhinta- prosessia. Tämän seurauksena aiemmin esitelty tyypillinen louhinnan työjärjestys voi- daan esittää myös hieman laajemmin:
1. Tunnustelureikien poraaminen
2. Tunnustelureikien vesimenekkikokeet 3. Mikäli injektointikriteeri täyttyy:
a. Esi-injektointireikien poraus b. Esi-injektointi
4. Kallio-olosuhteiden vaatiessa:
a. Ennakkopultitus 5. Katkon reikien poraus 6. Panostus
7. Räjäytys 8. Tuuletus 9. Lastaus 10. Rusnaus
11. Mahdollinen rakennusgeologinen kartoitus 12. Kallio-olosuhteiden vaatiessa:
a. Työnaikainen ruiskubetonointi b. Työnaikainen pultitus
i. Pulttireikien poraus
ii. Pulttien asentaminen ja juottaminen 13. Seuraavan/seuraavien katkojen louhinta
14. Vuotovesien hallinnan vaadittaessa:
a. Jälki-injektointireikien poraus b. Jälki-injektointi
15. Lopullinen pultitus
a. Pultinreikien poraus
b. Pulttien asentaminen ja juottaminen 16. Ruiskubetonin salaojien asentaminen 17. Lopullinen ruiskubetonointi
Koska myös seuraavien katkojen aikana toistuu osittain samat työvaiheet, on niiden kro- nologiseen järjestykseen asettaminen varsin monimutkaista. Kompleksisuutta lisää enti- sestään geometrialtaan monimutkaiset kalliorakennushankkeet, jotka saattavat sisältää lu- kuisia yhtäaikaisia louhintaperiä, joissa kyseiset työvaiheet ovat käynnissä.
Louhitun tilan tilavuus voidaan määrittää Infra 2015 Rakennusosa- ja hankenimikkeistö Määrämittausohjeen mukaisesti joko teoreettisena kiintotilavuutena tai todellisena kiin- totilavuutena. Teoreettinen kiintotilavuus lasketaan suunnitellun teoreettisen kallionpin- nan sisäpuolelle jäävänä tilavuutena. Todellinen kiintotilavuus määritellään louhinnan
jälkeen todellisen kalliopinnan sisäpuolelle jäävänä tilavuutena, jolloin tähän on huomi- oitu myös yli- ja alilouhinta. Näiden lisäksi louhinnan tilavuuteen liittyy myös todellinen irtotilavuus, joka määritetään kuljetusvälineen lavatilavuuden avulla. (Rakennustieto Oy, 2015.)
2.2 Kalliorakennussuunnittelu
Tunnelihankkeen suunnittelu etenee vaiheittain. Väyläviraston Kalliotunnelin kalliotek- ninen suunnitteluohje määrittää suunnittelulle seuraavat vaiheet:
1. Esiselvitys 2. Yleissuunnitelma 3. Tie- tai ratasuunnitelma 4. Rakennussuunnitelma
Rakennussuunnitelmavaihe jakaantuu työnaikaiseen rakennussuunnittelua täydentävään suunnitteluun sekä kallioteknisen seurannan. (Väylävirasto, 2019.) Kalliorakennesuun- nittelun tehtäväluettelo KAT18:sta kalliorakennushankkeen tehtäväkokonaisuudet on määritelty tarkemmin:
1. Tarveselvitys 2. Hankesuunnittelu 3. Suunnittelun valmistelu 4. Ehdotussuunnittelu 5. Yleissuunnittelu 6. Rakennuslupatehtävät 7. Toteutussuunnittelu 8. Rakentamisen valmistelu 9. Rakentaminen
10. Käyttöönotto 11. Takuuaika
Kalliorakenteiden suunnittelussa käytetään yleisesti empiirisiä, analyyttisiä sekä numee- risia menetelmiä (Seppälä, 2019). Empiirisistä menetelmistä yleisimmin käytössä on Q- lukuun perustuva taulukkomitoitus. Analyyttiset ja numeeriset menetelmät pyrkivät mal- lintamaan kallion käyttäytymistä teorian avulla. (Seppälä, 2019; Väylävirasto, 2019.) Me- netelmien lähtötietona käytetään kallioparametrejä, jotka määritetään varovaisen keskiar- von periaatteella.
Ennen rakentamisen aloittamista lähtötietoina käytetään esimerkiksi kalliotutkimusten sekä rakennusgeologisten maastokartoitusten tuloksia. Rakentamisen aikana lähtötietojen määrä kasvaa merkittävästi ja tämän seurauksena suunnitellun lujituksen oikeellisuus tar- kistetaan ja tarvittaessa päivitetään vastaamaan todellisia kallio-olosuhteita. Rakennusge- ologinen kartoitus on tärkein rakentamisen aikainen lähtötiedon lähde. Kartoitus toteute- taan louhinnan edetessä ja dokumentoidaan. (Väylävirasto, 2019.)
2.3 Kalliorakentamisen laitteet
Suureen osaan kalliorakentamisen työvaiheista liittyy poraaminen. Poraus toteutetaan usein nykyaikaisella peränajolaitteella eli porajumbolla. Porajumbot on varustettu 1-4 puomilla ja ovat käyttövoimaltaan sähköhydraulisia tai harvemmin dieselhydraulisia.
(Hakapää & Lappalainen, 2009.)
Porajumbojen automatiikan hyödyntäminen on lisääntynyt kalliorakentamisessa. Eri as- teisilla automaatioratkaisuilla voidaan helpottaa porajumbon käyttäjän toimintaa. Kehit-
tynein automatiikan aste on täysautomatiikka. Tämän avulla porajumbo toteuttaa itsenäi- sesti suunnitellun porakaavion perusteella louhittavat reiät. Täysautomatiikkaa alkeelli- sempia toteutuksia ovat esimerkiksi yhdensuuntaisautomatiikka, joka säilyttää syöttölait- teen suunnan reikien välillä sekä lusta-automatiikka, joka estää kiinniporautumisen. (Ha- kapää & Lappalainen, 2009.)
Kaivoksissa ja satunnaisissa tunnelilouhintakohteissa voidaan käyttää myös maanalaista tuotantoporauslaitetta. Tuotantoporauslaite on rakenteeltaan hyvin samankaltainen kuin porajumbo. Tuotantoporauslaitteessa on kuitenkin peränajolaitteita lyhyempi syöttölaite sekä laitteisto jatkotankojen käsittelyyn. Näin tuotantoporauslaitteella voidaan porata 360 astetta kattavia viuhkoja ja jopa 50 metriä pitkiä reikiä. (Hakapää & Lappalainen, 2009.) Lujituspulttien manuaalisen asentamisen lisäksi pultituksissa voidaan käyttää mekanisoi- tuja pultituslaitteita. Nämä laitteet pystyvät suorittamaan kaikki pultituksen työvaiheet.
(Hakapää & Lappalainen, 2009.)
Tarkan sijainnin määrittämiseksi porajumbot navigoidaan esimerkiksi takymetrin avulla.
Näin porajumbo voi erilaisten anturien avulla mitata puomien liikettä ja määrittää porat- tujen reikien sijainnin. Järjestelmän avulla porajumbon sijainti saadaan määritettyä yhden senttimetrin tarkkuudella (Atlas Copco, 2015). Navigoinnin seurauksena voidaan tunne- lijumbolla, tuotantoporauslaitteella sekä pultituslaitteella tallentaa tietoa työn toteutumi- sesta. Alkeellisimmillaan tämä tieto on esimerkiksi reiän alku- ja loppupisteen sijaintietoa sekä porauksen aikatietoa. Edistyneemmissä sovelluksissa toteumatietoon voidaan lisätä suunnitellun porakaavion sisältämää tietoa, kuten yksilöiviä tunnuksia ja tyyppejä.
Reiän sijainti ja aikatiedon lisäksi moderni tunnelijumbo voi tallentaa porauksen aikaisia porausparametrejä. Porausparametrien mittauksen ja tallentamisen mahdollistamaa jär- jestelmää kutsutaan MWD- eli measurement while drilling -järjestelmäksi. MWD-järjes- telmiä on käsitelty laajemmin kohdassa 2.4.
Kalliotunnelikohteissa ruiskubetonia käytetään kalliopultitusten ohella kallion lujittami- seen. Ruiskubetonointi voidaan toteuttaa joko kuiva- tai märkäseosmenetelmällä. Käsi- ruiskutuksen rinnalla käytetään tarkoitukseen rakennettuja ruiskubetonointijumboja.
Nämä mahdollistavat ruiskutustehojen kasvattamisen ja automatisaation lisäämisen. (Ha- kapää & Lappalainen, 2009.) Porajumbojen tapaan myös kehittyneillä ruiskubetonilait- teilla voidaan tallentaa tietoa toteutuneesta ruiskubetonoinnista. Ruiskubetonoinnin muuttujia, kuten suuttimen sijaintia ja massan parametrejä voidaan monitoroida samaan tapaan porajumbojen kanssa. Mittausdataa voidaan käyttää sekä automatisoinnin mahdol- listamiseksi että laadunvalvonnan edistämiseksi. (Beer, 2010.) Suuttimen sijaintitiedolle ei yksinään ole merkittäviä käyttökohteita. Tärkeimmät sovellukset yhdistävät suuttimen sijaintitiedon tunnelin geometriatietoon. Tunnelin geometrian mittaamiseksi voidaan käyttää esimerkiksi laserkeilaimia. Pistepilviaineistosta muodostetun pinnan avulla auto- matisaation ja laadunvalvonnan sovellukset ovat mahdollisia. (Beer, 2010.)
Ruiskubetonikerroksen paksuuden mittaaminen on merkittävä automaattisen laadunval- vonnan sovellus. Kerroksen paksuutta voidaan arvioida suuttimen liikkeiden ja pump- pausparametrien avulla sekä mitata esimerkiksi laserkeilaimien avulla. Jälkimmäisessä sovelluksessa ruiskubetonoitava pinta keilataan ennen ja jälkeen ruiskubetonoinnin. Kei- lattuja pintoja vertaillaan toisiinsa kerrospaksuuden määrittämiseksi. (Beer, 2010.) Myös injektointi- ja panostustyöhön on kehitetty erikoistuneita työvälineitä. Sementti- pohjaisten aineiden injektointikalusto koostuu sekoittimesta, välihämmentimestä, pum- pusta, mittalaiteista sekä injektointireikään asetettavasta mansetista. Injektointimassa se- koitetaan sekoittimessa ja ohjataan välihämmentimen kautta pumpulle. Pumpun paineis- tama injektointimassa syötetään reikään mansetin lävitse. Datarekisteröintilaitetta tulee
käyttää tiiveysluokissa A ja AA. Laite tallentaa injektoinnin aikana virtausnopeutta, pai- netta sekä massamäärää. Lisäksi injektoinneista tallennetaan metatietoja kuten reiän nu- mero ja injektointimassan tietoja. Tallennettavat tiedot riippuvat käytettävästä tiiveys- luokasta ja ne on esitelty tarkemmin ohjeessa BY53 Kalliotilojen injektointi. (BY53, 2006.)
Panostustyössä käytetään käsipanostamisen ohella eritoten bulk-räjähteiden panostami- seen kehitettyjä laitteita. Panostuksessa voidaan käyttää panostusajoneuvoja, jotka on va- rustettu varsinaisella panostuslaitteistolla. Bulk-emulsiopanostuslaitteiden avulla panos- tus on lisännyt panostuksen mekanisointia sekä tarkentanut panostuksen dokumentointia.
(Hakapää & Lappalainen, 2009.)
2.4 Measurement while drilling
Moderni tunnelijumbo monitoroi ja tallentaa poraukseen liittyviä parametrejä. Tämä MWD-data muodostuu varsinaisista porausparametreistä, kuten esimerkiksi tunkeutu- misnopeudesta ja iskupaineesta sekä reikään liittyvästä tiedosta, kuten tunniste- sijainti- ja aikatiedosta. (van Eldert, 2018). Sijaintitiedon keräämiseksi porajumbo navigoidaan esimerkiksi takymetrin avulla. Tämän lisäksi jumbon puomien liikettä mitataan erinäisin anturein, jolloin puomien sijainti voidaan määrittää.
Reikien sijaintitiedon tarkkuus on riippuvainen porajumbon navigoimisen ja puomien an- tureiden tarkkuudesta. Parhaimmillaan poratun reiän sijainnin tarkkuus on alle 1 sentti- metri (Atlas Copco, 2015). Navigoinnissa sijaintivirhettä voi aiheuttaa esimerkiksi vial- linen takymetri ja pisteverkon sisältämät virheet. Puomien antureiden virheet aiheutuvat antureiden viallisuudesta tai puutteellisesta kalibroinnista. Näiden lisäksi reiän sijaintitie- don tarkkuus voi heikentyä inhimillisen virheen seurauksena.
Molemmat Suomessa yleisimmin käytettävien porajumbojen valmistajat tarjoavat omaa ohjelmistoratkaisua porauksen optimointiin sekä MWD-datan käsittelyyn. Ohjelmistorat- kaisut mahdollistavat muun muassa porakaavioiden luomisen, porauksen optimoimisen sekä esimerkiksi lähtevyysanalyysien tekemisen.
2.4.1 MWD-teknologian nykytila
Tietoteknisten ratkaisuiden kehittyessä 1990-luvulta alkaen on measurement while dril- ling (MWD)-tekniikasta muodostunut varteenotettava menetelmä kallio-olosuhteiden ar- vioimisessa (Schunnesson, 1998). Tekniikan kehittymisen myötä on voitu todeta, että MWD-datan ja geologisten kartoitusten välillä on selkeitä korrelaatioita. Schunnesson (1996) totesi RQD-parametrin ja MWD-datan välille yhteyden skandinaavisessa hyvässä kalliossa. MWD-datasta muodostetun kalliolaatuarvion todettiin kuitenkin vastaavan pa- remmin in-situ -tilannetta, sillä louhinta räjäyttämällä vaikuttaa tunnelin holvipinnan kal- liolaatuun (Schunnesson, 1996). Myös kallion litologisia rajoja sekä kallion rakoilua ja ruhjeita voidaan arvioida MWD-datan perusteella. Data tulee kuitenkin normalisoida, sillä mitattavat parametrit ovat riippuvaisia toisistaan, mittauspisteen syvyydestä reiässä, sekä käyttäjän toiminnasta. Esimerkiksi, reiän pidentyessä tunkeumanopeus heikentyy.
(Schunnesson, 1998.) MWD-dataa voidaan analysoida yhden tai useamman porauspara- metrin perusteella. Useamman parametrin perusteella voidaan muodostaa laskettuja pa- rametrejä, jotka kuvaavat esimerkiksi kiven kovuutta tai rakoilua (Koskinen, 2014; van Eldert et al, 2017). Tämän tapaisten analyysien avulla voidaan kallio-olosuhteista saada kohtalaisen luotettavaa tietoa ennen rakentamista toteutettujen pohjatutkimusten tueksi (van Eldert et al. 2019).
Suomessa MWD-datan hyödyntämistä on tutkittu vain vähän. Esa Koskinen tutki vuonna 2014 porausdatan hyödyntämistä kalliolaadun ja räjäytystulosten ennakoinnissa. Hänen
mukaansa laskettujen parametrien ja kallio-olosuhteiden muutoksien välillä on selviä kor- relaatioita. Lisäksi epäonnistuneiden räjäytystulosten ja lasketun parametrin avulla oli yh- teys. Räjäytystulosten ennakoinnissa tulisi hyödyntää etenkin esi-injektointien MWD-da- taa, sillä katkonporauksesta saatavaa dataa ei yleensä ehditty analysoimaan ennen panos- tamisesta. (Koskinen, 2014.) Suomessa porausdatan hyödyntämistä on tutkittu myös kal- lio-olosuhteiden määrittämisen ulkopuolella.
Joonas Hakkila selvitti porausdatan hyödyntämistä porarin ammattitaidon kehittämisen apuna. Porajumbon tuottamaa porausdataa voitiin käyttää porauksen tehokkuuden mit- taamiseen. Lisäksi poraustarkkuuden määrittäminen toteutuneen porauksen ja suunnitel- lun porakaavion avulla nähtiin mahdolliseksi. Työn aikana poratun katkon reunareikien MWD-data avattiin tasolle, jolloin esimerkiksi tunkeumanopeutta voitiin visualisoida vä- rin avulla. Reikämatoksi kutsuttu visualisointityökalu on esitetty kuvassa 1. Reikämaton avulla porauksen aikana tulkittuja havaintoja voitiin havainnollistaa. Täten porari pystyi kehittämään kykyä kuvailla porattavaa kalliota. (Hakkila, 2014.)
2.4.2 IREDES
Kaivos- ja kalliorakentamisen työlaitteet tuottavat merkittävän määrän dataa. Tiedon te- hokkaan käytettävyyden maksimoimiseksi tulee tietoa pystyä siirtämään laitteiden ja so- vellusten välillä helposti. Tästä syystä tiedonsiirron standardoinnille on ilmennyt merkit- tävä tarve työlaitteiden digitalisaation lisääntyessä. IREDES-standardi (International Rock Excavation Data Exhange Standard) on kehitetty mahdollistamaan eri laitevalmis- tajien ja sovellusten välinen tehokas tiedonsiirto. (Atlas Copco, 2015; Mueller, 2005.) IREDES-standardi käyttää XML-merkintäkieltä, joka mahdollistaa tiedon lukemisen sekä on helposti käsiteltävissä ohjelmallisesti. IREDES-standardi koostuu kolmesta ta- sosta. -taso määrittää yleiset usean profiilin hyödyntämät objektit.
plication -taso määrittää eri tarkoituksiin, kuten suunnittelutiedon tai toteuma- tiedon siirtoon tarkoitetut profiilit. -taso määrittää yksittäisten työ- laitteiden tiedonhallintaan tarvittavat profiilit. (Mueller, 2005.) IREDES-standardin mu- kainen arkkitehtuuri on esitetty kuvassa 2.
Tiedonsiirron standardoinnilla saavutetaan useita etuja. Standardi mahdollistaa tiedon- siirron useiden eri toimijoiden välisen tiedonsiirron. IREDES-standardoinnin tavoitteiksi määritellään (Mueller, 2005):
Datapohjaisen (kaivos)prosessihallinnan integrointi usean valmistajan laitteiden muodostamaan laitekantaan.
Kuva 1 Katkon reikämatto, joka on muodostettu avaamalla katkon reunareiät tasoon. Jokainen sa- rake kuvaa reunareikää, pystyakselilla on mittauspisteen sijainti perästä. Solun värillä kuvattu tun- keumanopeutta. (Hakkila, 2014)
Yksittäisten laitevalmistajien ja ohjelmistokehittäjien rajapintojen kehittämisen kustannusten pienentäminen.
Automaattiseen louhintaprosessien hallintaan tarkoitettujen järjestelmien ja ohjel- mistojen markkinoiden laajentaminen.
Louhintaprosessissa syntyvän datan hyödyntäminen kustannusten hallinnassa ja tuotannonohjauksessa.
Avoin tiedonsiirto louhinnan tuotantoympäristössä.
Kuva 2 IREDES-standardin arkkitehtuurikaavio (Mueller, 2005)
3 Tiedonsiirto ja käsittely sekä tietomallintaminen
Tässä luvussa käsitellään työn kannalta oleellisimpia tiedonsiirtoon ja -hallintaan liittyviä teorioita. Nämä käsittävät tietomallintamiseen liittyvät teoriat sekä paikantamiseen liitty- vien koordinaatistojen ja korkeusjärjestelmien määrittämisen. Tunnelirakentamisessa si- jainnin määrittämiseen käytetään mittalinjaan perustuvaa järjestelmää sekä erilaisia ta- sokoordinaatistoja ja muita koordinaattijärjestelmiä. Näihin on perehdytty laajemmin kohdassa 3.2.
3.1 Tietomallintaminen
Viimeisen vuosikymmenen aikana digitalisaatio on mahdollistanut myös rakennusalan tuottavuuden kasvun sekä lisännyt rakentamisen laatua ja mahdollisuuksia. Alalla ollaan siirtymässä perinteisestä dokumenttipohjaisesta tiedonsiirrosta tietomallintamiseen.
(Borrmann et al. 2018).
Suomessa rakennusalalla tietomallilla tarkoitetaan kattavaa digitaalista tuotetietoa ra- kennettavasta kohteesta. Tietomalli koostuu sekä kohdetta kuvaavasta 3D-geometriasta sekä liittyvästä informaatiosta, kuten esimerkiksi kohteen materiaaleista, tyypistä, kus- tannuksista sekä suhteesta muihin kohteisiin. (Borrmann et al. 2018.) Suomessa infrara- kentamisen sanastoa on kerätty mallintamiseen, tiedonsiirtoon ja tiedon yhteiskäyttöön sekä standardointiin liittyen InfraBIM-sanastoon (Serén, 2014). Sanastossa rakennuksen tietomalli määritetään olevan tuotetietojen kokonaisuus. Rakennuksen ja rakennusprosessin elinkaaren aikaisten tuotetietojen Samaan tapaan inf- ramalli määritetään: tuotemalli. Yhteisesti sovitun inframallin tietomää- rittelyn (Serén, 2014.) Edellä mainittujen termien lisäksi tietomallintami- seen liitetään usein myös rakennuksen tuotemallintamisen englanninkielinen vastine building information model eli BIM.
Yleisesti infrarakentamisen tietomallintamista on kehitetty melko laajasti. Tietomallin- tamisen perusteena toimii mallinnusvaatimukset, nimikkeistö ja formaatit. buil-
dingSMART Finland on kehittänyt inframallien vaatimuksia ja nimikkeistöjä Suomessa.
Ensimmäinen versio yleisistä inframallivaatimuksista (YIV2015) julkaistiin 2015. Vaa- timuksia on sittemmin kehitetty. Viimeisin versio inframallivaatimuksista on YIV2019.
YIV2019 koostuu vaatimuksista niin lähtötiedolle, suunnittelulle kuin rakentamiselle.
(YIV2019.) InfraBIM-nimikkeistö määrittää infrarakenteiden ja mallien numerointi- ja nimeämiskäytännöt.
Kalliorakennusalalla tietomallintamista on pyritty kehittämään etenkin viimeisen 10 vuoden aikana. Vuonna 2013 Frans Horn tutki rakennustuotemallintamiseen liittyviä tietoteknisiä ratkaisuja sekä infra-alan silloisia valmiuksia tietomallipohjaiseen toteutuk- seen. Lisäksi vertailemalla kahta suunnitteluohjelmistoa hän selvitti kalliotilojen pinto- jen mallintamisen mahdollisuuksia. Tutkimuksessaan Horn (2013) totesi, että maanalai- sen louhinnan muotoja voidaan mallintaa tehokkaasti ja tuotemalleilla voidaan saavuttaa merkittäviä hyötyjä esimerkiksi paremman yhteensovituksen tuodessa aikasäästöjä.
Louhinnan ja ruiskubetonin geometrian mallintamisessa on kuitenkin vielä ongelmia, sillä muotojen mallintaminen on osin työlästä ja tehotonta (Roinisto, 2017).
Louhinnan muotojen mallintamisen lisäksi myös kalliolujitusten tietomallintamista on tutkittu. Kalliopultituksista pystytään muodostamaan tietomalli, mutta mallin muokkaa- minen ei ollut täysin sujuvaa. Lisäksi geometrialtaan monimutkaisemmat alueet, kuten risteykset, profiilin vaihtumisalueet sekä viisteet aiheuttivat ongelmia. (Pihlström, 2018.)
Tietomallintamisen hyödyntämistä myös rakentamisen aikana on tutkittu. Rakentamisen aikana syntyy merkittäviä lisäkustannuksia puutteellisesta tiedonsiirrosta (Kivimäki &
Heikkilä, 2015; Matthews et al. 2015). Ajantasaisen tiedon puute, työn dokumentoinnin hitaus sekä puutteelliset suunnitelmat aiheuttavat lisätyötä ja täten kustannusten ja aika- taulun ylittymisiä. Rakentamisen aikana tietoa voidaan kerätä esimerkiksi laserkeilaa- malla (Wang et al. 2014), mittaustiedosta (Kivimäki & Heikkilä, 2015) tai keräämällä dataa manuaalisesti sovelluksiin (Matthews et al. 2015). Kerättyä tietoa voidaan yhdis- tää sekä vertailla suunnitteluaineistoon ja tällöin mahdollisia rakennusvirheitä voidaan huomata (Kivimäki & Heikkilä, 2015).
Tietomallien käyttö rakennusvaiheessa on mahdollistanut myös 3D-koneohjauksen, lä- hes reaaliaikaisen toteumien hallinnan sekä toteumamallien tuottamisen. Avolouhin- nassa poravaunuun integroidut 3D-ohjausjärjestelmät ovat johtaneet tuotantotehojen kasvamiseen, sekä merkittävään hyötyyn projektihallinnan ja työturvallisuuden kannalta (Vaaramaa, 2013).
3.2 Koordinaatistot ja mittalinjat
Tietomallintamiseen liittyy lähes aina sijaintitieto. Sijainnin määrittämiseen tunnelihank- keissa käytetään erinäisiä koordinaattijärjestelmiä. Linjamaisen luonteensa takia tunne- leissa usein hyödynnetään mittalinjaan sidottua paikantamista. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää geodeettisia koordinaatistoja, kuten EUREF-FIN-koordinaatistoon perustuvia ETRS-TM35FIN ja ETRS-GKn-tasokoordinaatistoja sekä GPS-järjestelmän käyttämää WGS84-järjestelmää. Tämän lisäksi projekteille saatetaan määrittää paikallinen projekti- koordinaatisto, joka sidotaan johonkin globaaliin koordinaatistoon määrittelemällä koor- dinaatistojen välinen siirto ja kierto. Tasokoordinaatistojen lisäksi korkeusaseman mää- rittämisessä hyödynnetään korkeusjärjestelmiä.
Eri koordinaattijärjestelmien tunnistamiseksi voidaan hyödyntää aineistoja, joihin koor- dinaattijärjestelmien määritelmät on tallennettu. Eräs tälläinen aineisto on International Association of Oil & Gas Producers (OGP) -järjestön ylläpitämä EPSG-aineisto, jossa koordinaattijärjestelmien tunnisteena käytetään numerokoodia. (Iliffe & Lott, 2008.) 3.2.1 Mittalinja
Tunnelisuunnittelussa usein käytetään paikantamisen työkaluna tunnelin pituussuuntai- sesti kulkevaa mittalinjaa. Mittalinja määrittää linjan vaakageometrian kaksiuloitteisella tasolla ja on sidottu koordinaatistoon vähintäänkin pääte- ja taitepisteistään. Kolmiulot- teisen sijainnin määrittämiseksi tarvitaan mittalinjan lisäksi pystygeometrian määrittävä tasaus. Tunnelin geometria määritetään poikkileikkausten avulla, jotka ovat kohtisuo- rassa mittalinjan suhteen. Sijainti mittalinjalla määritetään paaluluvun mukaan. Paaluluku voidaan määrittää juoksevaksi etäisyydeksi mittalinjan alkupisteestä tai sitomalla tietty- jen paalujen sijainnit paikalleen, jolloin pienet geometrian muutokset eivät muuta paalu- tusta koko linjalla. Sijainti tunnelissa voidaan esittää paaluluvun, sivusiirtymän mittalin- jasta ja pystysiirtymällä tasauksesta avulla. Näin määritetty sijainti voidaan myös melko helposti approksimoida globaaliin koordinaatistoon.
3.2.2 EUREF-FIN-koordinaatisto
EUREF-FIN on Suomessa käytettävä ETRS89-koordinaattijärjestelmän realisaatio (Hälki et al. 2009). Koordinaattijärjestelmä on kolmiulotteinen suorakulmainen järjes- telmä, jossa origo on määritetty maan keskipisteeseen, Z-akseli maan pyörimisakselin suuntaiseksi ja X-akseli 0-meridiaaniin. Koordinaattijärjestelmälle määritellään lisäksi vertausellipsoidi, jolla pyritään kuvaamaan maan muotoa (Häkli et al. 2009).
EUREF-FIN-koordinaatiston kanssa käytetään kahta karttaprojektiota. Koko maan kat- tava ETRS-TM35FIN karttaprojektio muodostuu UTM-karttaprojektiosta kaistassa 35.
(Häkli et al. 2009). UTM-karttaprojektio projisoi ellipsoidin poikittaisen lieriön pinnalle.
Projektio kuitenkin tuottaa mittakaavavirhettä, joka manner-suomessa on välillä -400..700 ppm. Projektiokaistan reunojen suurien mittakaavavirheiden takia rakentami- sessa ja kaavoituksessa käytetään myös asteen välein määriteltyä ETRS-GKn-tasokoor- dinaatistoja, jonka tunnuksessa n määrittää kaistan keskimeridiaanin asteluvun. Ta- sokoordinaatistoissa käytetään Gauss-Krüger-projektiota. (Häkli et al. 2009.)
Kuva 4 Gauss-Krüger ja UTM-projektioiden mittakaavavirhei- den käyttäytyminen. (Häkli et al. 2009.)
Kuva 3 Poikittaisen lieriöprojektion periaate (JHS154)
3.2.3 WGS84-koordinaattijärjestelmä
WGS84 on suorakulmainen koordinaattijärjestelmä, jonka origo on määritetty maan mas- sakeskipisteeseen. Koordinaatiston Z-akseli on pohjoisnavan suuntaan ja X-akseli nolla- meridiaanin suuntaan. Koordinaattijärjestelmän kanssa käytetään WGS84-vertausellip- soidia. (Mularie, 2000.) Järjestelmän viimeisin realisaatio on toteutettu vuonna 2001 ja näin ollen epookki on 2001.0 (Häkli et al, 2009).
3.2.4 Korkeusjärjestelmät
Tasokoordinaattien lisäksi sijainnin paikantamiseen liittyy oleellisesti korkeus. Suomessa korkeusjärjestelmät on luotu tarkkavaaituksilla. Jääkausien aiheuttaman maankohoami- sen seurauksena korkeusjärjestelmiä tulee ajantasaistaa. (Häkli et al. 2009.) Suomessa on käytetty neljää valtakunnallisesti määritettyä korkeusjärjestelmää (JHS163, 2019).
Suomen ensimmäinen tarkkavaaitus suoritettiin vuosina 1892 1910 ja sen perusteella muodostettiin NN-korkeusjärjestelmä. Korkeusjärjestelmän nollakorkeudeksi valittiin Helsingin Katajanokan siltaan kiinnitetyn vesiasteikon nollapiste (Häkli et al. 2009). Toi- sen tarkkavaaituksen perusteella muodostettiin ensin tilapäiseksi järjestelmäksi tarkoi- tettu N43. Myöhemmin toisen vaaituskierroksen tasoituksesta muodostettiin N60-järjes- telmä, jonka lähtökorkeudeksi määritettiin Helsingin teoreettinen keskivedenpinta vuo- den 1960 alussa. (Häkli et al. 2009.) Kolmannen tarkkavaaituksen perusteella on laadittu uusin valtakunnallinen korkeusjärjestelmä N2000, joka on Suomen EVRS (European Vertical Reference System) -realisaatio. Edeltävistä valtakunnallisista korkeusjärjestel- mistä poiketen N2000 on sidottu Kirkkonummella sijaitsevaan kiintopisteeseen, joka on määritetty EVRS:n mukaisesti NAP (Normaal Amsterdams Peil) -lähtötasoon. (JHS163, 2019.)
3.2.5 Paikalliset koordinaatistot
Paikkatiedon hallinnassa käytetään myös paikallista koordinaatistoa. Paikallinen koordi- naatisto määritetään usein suunniteltavien kohteiden pääpiirteiden suuntaiseksi ja kattaa koko suunnittelualueen (Autodesk, 2020). Paikallisen koordinaatiston yhteys esimerkiksi valtakunnalliseen tasokoordinaatistoon on määritetty paikallisen koordinaatiston origon sijainnin ja koordinaatistojen välisen kulman avulla (Kim et al. 2017).
Eräs paikallisen koordinaatiston erityistapaus on porakaavion koordinaatisto. Koordinaa- tiston x- ja z-akselit muodostuvat tason kohtisuoraan mittalinjaa vasten ja y-akseli on mittalinjan tangentin suuntainen. Porakaavion koordinaatiston origo sijaitsee tunnelin pe- rän muodostaman tason ja mittalinjan leikkauspisteessä. (IREDES, 2004b.) Huomion ar- voista porakaavion koordinaatiston mukaisten koordinaattien käsittelyssä on, että y-akse- lin positiivinen suunta sijaitsee aina perän louhimattomalla puolella kuvan 5 mukaisesti.
Kuva 5 Kahden porauksen porakaavion koordinaatiston määritelmät. Vasemmalla louhinta laske- van paalun suuntaan, oikealla louhinta kasvavan paalun suuntaan.
4
Tämän työn tarkoituksena on kehittää järjestelmä, jonka avulla porajumbon tuottamaa MWD-dataa ja sen sisältämää toteumatietoa voidaan hyödyntää mahdollisimman laajasti kalliorakentamisen eri osapuolten kesken. Järjestelmän kehittäminen tämän työn puit- teissa jakautuu kolmeen vaiheeseen: vaatimusten määrittelemiseen (luku 4), ratkaisuiden toteuttamiseen (luku 5) ja toteutettujen ratkaisuiden arviointiin (luku 6). Järjestelmällä tarkoitetaan eri komponenttien kuten sovellusten, ohjelmien, tiedostojen ja tietokantojen kokonaisuutta sekä niiden käsittelyyn liittyviä prosesseja. Käyttäjän käytettäväksi tarkoi- tettua ohjelmaa kutsutaan sovellukseksi (TEPA-termipankki).
Tässä luvussa pyritään kuvaamaan järjestelmälle asetettuja sisäisiä ja ulkoisia laadullisia sekä toiminnallisia vaatimuksia. Kuvailussa raakadatan käsittely ja tiedon hyödyntämi- nen mallein ja visualisoinnein on eritelty omiksi kokonaisuuksiksi.
Sekä tulevat käyttäjät että olemassa olevat järjestelmät asettavat vaatimuksia kehitettä- välle prosessille (Sommerville, 2007). Vaatimukset järjestelmälle voidaan jakaa toimin- nallisiin ja laadullisiin vaatimuksiin. Toiminnalliset vaatimukset kuvaavat suoraan järjes- telmän toimintaa. Näillä pyritään kuvailemaan, millaisia toimintoja järjestelmällä on sekä miten se vastaa syötteisiin. Laadulliset vaatimukset pyrkivät rajaamaan esimerkiksi toi- mintojen käytettävyyttä, ohjelman suorituskykyä tai vakautta. Laadulliset määritelmät voivat myös kuvata rajoitteita esimerkiksi käytettäviä tietolähteitä sekä ohjelman käyt- töönoton ja jatkokehityksen tarpeita. (Sommerville, 2007.)
Suomessa buildingSMART Finland (bSF) on julkaisut Yleiset inframallivaatimukset 2019 (YIV2019), jotka yhdessä infranimikkeistön ja formaattien kanssa pyrkivät kehittä- mään koko infra-alan mallinnuskäytäntöjä (buildingSMART Finland, 2019). Tämän työn aikana kehitettävä järjestelmä liittyy osittain myös tietomallintamisen prosesseihin, jonka seurauksena järjestelmän toiminnassa on pyritty huomioimaan YIV2019.
YIV2019 jakaa vaatimukset ja ohjeet neljään osaan. Ensimmäinen osa käsittelee tieto- mallipohjaiselle hankkeella asetettuja yleisiä vaatimuksia. Tässä osassa määritellään hankkeen vaiheet sekä tehtävät ja roolit. Lisäksi yleinen osa sisältää dokumentoinnin, tiedonhallinnan, nimeämisten sekä yleisiä malliteknisiä vaatimuksia. Viimeksi mainitut vaatimukset käsittävät esimerkiksi mittayksiköihin, nimikkeistöihin ja formaatteihin liit- tyviä määrityksiä. (buildingSMART Finland, 2019.)
Yleisten tietomallivaatimusten toinen osa asettaa lähtötietoon liittyvät vaatimukset.
Osassa määritellään päivittyvä lähtötietomalli ja sen toteutukseen liittyvät vaatimukset.
(buildingSMART Finland, 2019.) Osa on sinänsä työn kannalta oleellinen, sillä porauk- sesta syntyvä MWD-data voidaan tulkita työnaikaisen suunnittelun lähtötiedoksi.
Kolmas osa määrittelee tietomallipohjaiseen suunnitteluun liittyvät vaatimukset. Tässä osassa esitetään vaatimukset esimerkiksi tarkkuuksille, yhdistelmämalleille, määrä- ja kustannuslaskennalle sekä luovutusaineistolle. (buildingSMART Finland, 2019.)
Neljäs ja viimeinen osa määrittelee vaatimukset rakentamiselle. Nämä käsittävät määrit- telyt mallipohjaisen rakentamisen lähtökohdille, työkoneautomatiikalle, laadunvalvon- nalle sekä luovutusaineistolle. Lisäksi YIV2019 määrittää vaatimuksia rakentamisen ai- kana esimerkiksi tiedonsiirtoformaateille, lähtötietoaineiston hallinnalle sekä toteuma-ai- neistolle (buildingSMART Finland, 2019).
4.1 Toiminnalliset vaatimukset
Järjestelmälle voidaan asettaa melko selkeät toiminnalliset vaatimukset etenkin raakatie- don käsittelyn ja tallentamisen suhteen. Järjestelmän toiminnallisiksi vaatimuksiksi voi- daan ainakin määrittää:
Järjestelmä pystyy lukeman IREDES-tiedostoja
IREDES-standardin mukaisten tiedostojen käsittely vähentää laitevalmistajakoh- taisten ratkaisuiden tuottamia rajoituksia tiedon käsittelyssä.
Järjestelmä käsittelee tietoa projektin koordinaatistossa
Sijaintitieto on oleellinen osa porareikiin liittyvää mallintamista. Näin ollen jär- jestelmän pitää pystyä tuottamaan halutussa projektikoordinaatistossa esitettyä tietoa.
Järjestelmä hallitsee reikiin liittyvän metatiedon
Järjestelmän tulee pystyä lukemaan ja jäsentelemään reikiin liittyvä metatieto, ku- ten reikätyyppi tai porauksen mittalinja. Lisäksi järjestelmä pystyy tarvittaessa luokittelemaan metatietoa. Metatiedon tulee myös olla tallennettu yhtenäiseen muotoon ja järjestelmä pystyy käsittelemään puutteellisia tai virheellisiä metatie- toja.
Järjestelmä tallentaa tiedon yhtenäiseen muotoon, josta tietoa on helppo hakea Tieto on tallennettu yhtenäisesti ja loogisesti. Tieto on jäsennelty järkevästi. Tie- toa tulee pystyä viemään useaan sovellukseen.
Järjestelmä käsittelee duplikaatit ja hallinnoi saman tiedon tuomisen useaan ker- taan
Visualisoinnit ja mallit hyödyntävät aina ajantasaisinta dataa
Visualisointeja ja malleja ei tarvitse päivittää manuaalisesti. Ajantasaisimman tie- don käyttäminen on suoraviivaista ja selkeää. Visualisointien ja mallien toteutta- miseksi tietoa ei tarvitse tallentaa erilleen varsinaisesta tallennusratkaisusta.
Tieto pystytään visualisoimaan tehokkaasti
Järjestelmä pystyy visualisoimaan tallennettua tietoa selkeästi. Visualisoinnit kä- sittävät 2D-kuvaajia, karttaratkaisuja sekä 3D-malleja. Visualisoinnit ovat selke- ästi ryhmiteltyjä ja niiden sisältöä voidaan jakaa metadatan perusteella.
Järjestelmä pystyy määrittelemään oleellisia tunnuslukuja tiedon pohjalta
Tunnuslukujen avulla voidaan seurata esimerkiksi louhinnan, lujituksen ja injek- toinnin etenemistä.
4.2 Laadulliset vaatimukset
Tärkeimmät laadulliset vaatimukset järjestelmälle liittyvät tiedonkäsittelyn sujuvuuteen ja tiedon rajapintoihin. Lisäksi järjestelmän muokattavuudella on suuri painoarvo. Laa- dullisiksi vaatimuksiksi järjestelmälle voidaan määrittää ainakin:
Porajumbon tuottaman IREDES-datan käsittely on suoraviivaista
Järjestelmä pystyy tehokkaasti lukemaan porajumbojen tuottaman datan ja käsit- telemään sen analysoinnin kannalta sopivaan muotoon ilman merkittävää käyttä- jän tekemää manuaalista työtä. Lisäksi datan lukeminen on nopeaa ja ajantasainen tieto on kaikkien komponenttien käytettävissä.
Tiedon jakaminen ja käyttöoikeuksien hallinta eri osapuolten kesken on helppoa Tehokkaan tiedon hyödyntämisen kannalta on oleellista, että tieto on sitä tarvitse- vien käytettävissä. Toisaalta tiedon käyttöoikeus on rajattu vain projektin osapuo- lille.
Tiedon käsittely ja analysointi on tarkkaa
Järjestelmän tekemät koordinaatistomuunnokset, toteuma- ja suunnittelutiedon sovittamiset ja muu tiedon käsittely ovat kalliorakentamisen kannalta riittävän tarkkaa. Tiedon käsittelyssä ja analysoinnissa syntyvät virheet sijainti- ja metatie- toon laskevat merkittävästi järjestelmän luotettavuutta. Kalliorakentamisen kon- tekstissa sijaintitiedon tarkkuusvaatimuksena puhutaan pääasiassa muutamista senteistä, mutta jotkin kohteet voivat vaatia tarkempaa sijaintitietoa.
Järjestelmän komponentit ovat yhtenäisiä
Yhtenäinen termistö, yhdenmukainen tietojoukkojen väritys ja toimintaperiaate lisäävät järjestelmän käytettävyyttä merkittävästi. Täten järjestelmän käyttäminen on helpompaa ja inhimilliset virheet vähenevät.
4.3 Reaaliaikainen tilannekuva
Reaaliaikainen tilannekuva ei ole tarkasti määritettävissä. Tilannekuvalla voidaan tarkoit- taa esimerkiksi karttakuvaa, tai laajaa raporttia tilanteen kehittymisestä. Tilannekuvaa kuitenkin aina käytetään tilannetietoisuuden ylläpitämiseen ja päätöksenteon tukemiseen.
Rakennusalalla tilannekuvaa hyödynnetään tuottavuuden lisäämiseksi. Tehokas tiedon- käsittely ja hyödyntäminen mahdollistavat organisaation yhdenmukaisen ja sujuvan toi- minnan sekä nopean reagoinnin muutoksiin. (Perälä, 2020.)
Tarve reaaliaikaisen tilannekuvan tarjoaville järjestelmille vaihtelee rakentamisen eri osa- puolten suhteen. Henri Perälän (2020) mukaan etenkin tilaajan ja koneohjaus- ja ohjel- mistoyritysten edustajat näkevät reaaliaikaisen tilannekuvan merkityksen suurena. Toi- saalta etenkin urakoitsijoiden edustajat totesivat työmaakierrosten olevan riittävä tapa ti- lannetietoisuuden ylläpitämiseen. Lisäksi infrahankkeiden moninaisuus ja kustannukset nähtiin tilannekuvan tarjoavien järjestelmien esteinä. (Perälä, 2020.)
5
Järjestelmän kehittämisen aikana määritettiin järjestelmän komponentit sekä niiden väli- set yhteydet. Työn tutkimusaineistona käytettyä IREDES-standardin mukaista dataa on esitelty kohdassa 5.2. Datan muokkaaminen on oleellinen osa järjestelmän toimintaa ja siihen liittyviä komponentteja. Raakatiedon yhtenäistämistä on käsitelty kohdassa 5.5 ja tiedon sovittamista suunnitteluaineistoon kohdassa 5.7.
Toteumatiedon hyödyntämisen kannalta tärkeimmät työssä kehitetyt ratkaisut ovat tiedon visualisointi pistepilvillä ja kuvaajilla. Näitä on käsitelty kohdissa 5.8 ja 5.9. Lisäksi alus- tavien toteumamallien muodostamista digitaalisen luovutusaineiston tarpeisiin on eritelty kohdassa 5.10.
5.1 Raide-Jokeri
Sovelluksen kehittämisessä käytetty aineisto on Raide-Jokerin Patterimäen tunnelin ra- kentamisessa muodostunutta porauksen MWD-dataa. Raide-Jokeri on Helsingin Itäkes- kuksen ja Espoon Keilaniemen yhdistävä pikaraitiotielinja (Raide-Jokeri, 2015). Patteri- mäen tunneli sijaitsee Helsingissä Pajamäessä. Pikaraitiotielinja kulkee noin 300 metriä pitkässä kalliotunnelissa (Raide-Jokeri, 2019). Tunneli louhitaan 50 metriä pitkän työtun- nelin kautta (Raide-Jokeri, 2020a). Tutkimuksessa käytettävä aineisto kattaa sekä työtun- nelin että varsinaisen ratatunnelin.
Kuva 6 Patterimäen tunnelin sijainti (punainen piste) Raide-Jokerin linjalla. (Raide-Jokeri, 2020c, muokattu)
Raide-Jokeri toteutetaan allianssimallilla. Allianssimallissa hankkeen osapuolet tilaaja, suunnittelija ja toteuttaja suunnittelevat ja toteuttavat projektin yhdessä. Samalla osapuo- let jakavat projektiin liittyvät riskit ja hyödyt. (Raide-Jokeri, 2020b.)
5.2 Tutkimusaineisto
Tutkimusaineisto on viety IREDES-formaattiin iSure-ohjelmalla. Vieminen jakaa yhden porauksen yhteen DRPQuality-tiedostoon sekä useaan DRMWD-tiedostoon. Porauksella tarkoitetaan yhtenäistä usean reiän porausta, kuten katkoa tai lujitusviuhkojen porausta.
Jokaista reikää kohden on luotu erillinen DRMWD-tiedosto, joka sisältää yksilöivän tie- don reiästä sekä itse porauksen mittausdatan. Tämän diplomityön kannalta merkittävämpi tiedosto on jokaisen porauksen DRPQuality-tiedosto. Tämä tiedosto sisältää poraukseen liittyvän metadatan. Tieto on jaettu IREDES-formaatin mukaisiin elementteihin:
GenHead Yleiset tiedot, kuten tiedoston luontiaika ja poraukseen käytetyn lait- teiston tiedot.
SiteHead Työmaan määrittämät tiedot, kuten katkon numero ja paaluluku ReportId DRPQuality-tiedoston yksilöivä tunnus
StartLogTime Porauksen aloitusaika EndLogTime Porauksen lopetusaika
PlanIdRef Porauksessa käytetyn porauskaavion tiedostonimi
ReferenceData Poraukseen liittyvä referenssitieto, kuten mittalinjan nimi PositionQuality Sijainnin ominaisuustieto, porauskaavion ja projektikoordinaa- tiston välinen muunnosmatriisi
DrillQuality Porauksen ominaisuustieto, kuten jokaisen reiän yksilöivä tieto, alku- ja loppupiste sekä tyyppitieto.
GenTrailer Tiedoston päättävät tiedot, tiedoston sulkemisaika ja varmistusluku Esimerkki DRPQuality-tiedostosta on esitetty liitteessä 1.
DRMWD-tiedoston sisältö on eritelty elementteihin:
GenHead Yleiset tiedot
StartLogTime Katkon porauksen aloitusaika EndLogTime Katkon porauksen lopetusaika
PlanRefId Porauksessa käytetyn porauskaavion tiedostonimi MWDHoleId Reiän tunnus
QualityReportIdRef Vastaavan DRPQuality-tiedoston tunnus CompactMWDdata luettelo mittaustuloksista
GenTrailer Tiedoston päättävät tiedot
Esimerkki DRMWD-tiedostosta on esitetty liitteessä 2.
Maanalaiset olosuhteet luovat haasteita tutkimusaineiston tehokkaaseen siirtämiseen tun- nelijumbosta järjestelmän käytettäväksi. Tiedonsiirto voidaan toteuttaa työmaahenkilös- tön toimesta fyysisesti muistitikulla. Tällöin IREDES-standardin mukaiset tiedostot siir- retään käsin esimerkiksi projektin pilvipalveluun. Vaihtoehtoisesti tunnelityömaalle voi- daan rakentaa langaton tietoverkko, jolloin tietojen noutaminen porajumbosta voidaan toteuttaa työpisteeltä. Raide-Jokerin työmaalla tutkimusaineiston tiedonsiirtoon jumbosta järjestelmään käytettiin molempia toimintatapoja.
5.3 Käytettävät ohjelmistot
Tiedon käsittelyn apuna tässä työssä on käytetty useita eri ohjelmistoja. Käytettävät oh- jelmistot ovat valikoituneet työn aikana tehtyjen kokeiluiden perusteella. Lisäksi on py- ritty painottamaan Sitowisen Kalliotilat ja tunnelit -osaston jo ennestään käyttämiä ohjel- mistoja. Tässä luvussa ei kuitenkaan ole tarkoitus vertailla eri ohjelmistoja, vaan tarjota yleiskatsaus käytettäviin ohjelmistoihin. Käytetyille ohjelmistoille on myös vaihtoehtoja, mutta niihin ei tässä työssä perehdytä tarkemmin.
Python
Python on tulkattu, korkean tason olio-ohjelmointikieli. Ohjelmointikieltä kehittää ja yl- läpitää itsenäinen, voittoa tavoittelematon Python Software Foundation -organisaatio (python.org, 2020). Python-ohjelmointikieltä voidaan laajentaa pakettien avulla. Tämän työn kannalta tärkeimmät Python-paketit ovat jäsennellyn, taulukkomuotoisen datan kä- sittelyn mahdollistava Pandas, XML-dokumenttien käsittelyä helpottava xml.etree.Ele- mentTree sekä graafisen käyttöliittymien luomiseen tarkoitettu PyQT. Tämän työn kon- tekstissa Python-ohjelmointikielen tilalla voidaan käyttää muita ohjelmointikieliä, kuten Java, C# tai VBA sekä esimerkiksi R- tai MATLAB-ohjelmistoja.
Microsoft Access
Microsoft Access (myöhemmin Access) on Microsoft Office -ohjelmistopakettiin kuu- luva tietokantasovellus. Access on työpöytätietokanta, joka tallentaa tiedon yhteen tie- dostoon. Tiedon tallentamiseen voidaan käyttää myös muita työpöytätietokantoja, kuten SQLiteä tai serveripohjaisia tietokantojajärjestelmiä. Tallennusmuodon valintaan on pe- rehdytty tarkemmin kappaleessa 5.6.
Trimble Connect
Trimble Connect on rakennushankkeiden tiedonhallintaan tarkoitettu yhteiskäyttöalusta.
Trimble Connect tallentaa tiedon pilvipalveluun ja tieto on täten kaikkien osapuolten käy- tettävissä. (Buildpoint.fi, 2020; Härkönen, 2018.)
CloudCompare
CloudCompare on 3D-pistepilvien muokkaamiseen ja käsittelyyn tarkoitettu ohjelma.
Ohjelma mahdollistaa pistepilvien meta- ja väritietojen käsittelyn, sekä muokkausten ku- ten harventamisten, rajausten ja pilvien yhdistämisen. Lisäksi CloudCompare:ssa on mahdollista tehdä analyysejä esimerkiksi vertailemalla pilveä toiseen pilveen tai pintaan.
(CloudCompare.org, 2020.) Potree
Potree on selainpohjainen pistepilvien katseluun tarkoitettu palvelu. Palvelu mahdollistaa suurienkin pistepilviaineistojen striimauksen, jolloin käyttäjän ei tarvitse ladata aineistoa.
(Schuetz, 2016). Potree-palvelua käytettiin tässä työssä pistepilviaineistojen esittämiseen Trimble Connect -ohjelmassa.
Civil 3D
Civil 3D (myöhemmin lyhennetty C3D) on Autodeskin kehittämä infrarakentamiseen suunnitteluun tarkoitettu ohjelmisto. Ohjelmiston toiminnallisuuksiin kuuluu muun mu- assa pintojen ja luiskien mallintaminen, väylien ja putkistojen suunnittelu, massalaskenta sekä parametrisoitu suunnittelu ja piirustustuotanto. (Horn, 2013; Autodesk, 2020.) Power BI
Power BI on Microsoftin kehittämä tiedon yhdistämiseen ja visualisointiin tarkoitettu oh- jelmisto. Power BI:n tärkein toiminnallisuus on eri lähteistä tulevan tiedon muokkaami- nen yhtenäiseksi ja tämän tiedon visualisointi. Power BI:n muodostaa työpöytäsovellus Power BI Desktop, SaaS (software as a service) -palvelu Power BI -palvelu sekä Power BI -mobiilisovellukset. Power BI Desktop työpöytäsovellusta käytetään eritoten tietojen muokkaamiseen sekä visualisointien ja raporttien luomiseen. Power BI -palvelun ja mo- biilisovelluksien käyttötarkoitus on tiedon jakaminen ja analysointi. (Microsoft, 2020.)
5.4 Yleiskuvaus järjestelmästä
Tässä työssä kehitettävä järjestelmä koostuu useista komponenteista. Komponentit voi- daan jakaa lähtötietoihin, tiedon tallentamiseen liittyviin komponentteihin ja tietoa hyö- dyntäviin komponentteihin. Tämän työn aikana kehitetyn järjestelmän rakenne on kuvattu diagrammissa 7.
Lähtötiedoiksi luettavat komponentit ovat porajumbosta saatava MWD- ja toteumadata sekä niiden käsittelyyn tarvittava python-ohjelma. Lisäksi järjestelmän lähtötietona käy- tetään lujitusten, injektointien ja geometrian suunnitteludataa. Järjestelmän ydin on tieto- kanta, joka on tärkein tiedon tallentamiseen liittyvä komponentti. Tietokanta mahdollistaa keskitetyn tiedon hallinnan ja täten ajantasaisen tiedon käyttämisen jokaisessa kom- ponentissa.
Tämän työn aikana tiedon hyödyntämiseen kehitettiin kolme komponenttia: MWD-da- tasta muodostettu pistepilven visualisointi Trimble Connect -sovelluksessa, visualisoinnit Power BI -sovelluksessa sekä toteumamallien muodostaminen. Edellä mainittujen kom- ponenttien lisäksi tulevaisuudessa on mahdollista kehittää muita komponentteja. Toi- saalta tarvittaessa myös muita lähtötietoja voidaan lisätä järjestelmään.
5.5 Tiedon yhtenäistäminen
Tiedon yhtenäistäminen mahdollistaa tiedon tehokkaan hyödyntämisen. Tällöin tiedon sisältämät mahdolliset virheet sekä vaihtelevat tavat tiedostomuodoissa, koordinaatis- toissa ja jäsentelyssä eivät monimutkaista tiedon käyttämistä. Tiedon yhtenäistämisessä tärkeimmät työvaiheet ovat koordinaattimuunnokset, jäsentelyn muokkaaminen sekä me- tatietojen sisällön luokittelu.
Kuva 7 Järjestelmän rakenne. Vihreällä lähtötietoina toimivat komponentit, punaisella tietokanta- komponentti ja sinisellä tietoa hyödyntävät komponentit
5.5.1 Koordinaatistomuunnokset
DRPQuality-tiedostoissa porareikien alku- ja loppupiste on tallennettu porauskaavion koordinaatistoon. Koordinaatistojen välinen muunnos voi sisältää kiertoa, siirtoa sekä skaalausta. Pisteen sijainnin muunnos projektikoordinaatistosta porakaavion koordinaa- tistoon on määritelty PositionQuality-elementissä muunnosmatriisina. Muunnosmatriisi porakaavion koordinaatistosta projektikoordinaatistoon saadaan kyseisen matriisin kään- teismatriisina. Näin ollen porakaaviossa olevat koordinaatit voidaan muuttaa pro- jektikoordinaatistoon muunnosmatriisin pistetulona kaavan 5.1 mukaisesti.
(IREDES, 2004b.)
missä on pisteen koordinaatit projektikoordinaa-
tistossa
on kierron parametrit muunnosmatriisissa
on siirron parametrit muunnosmatriisissa
on pisteen koordinaatit porakaavion mukaisessa koordinaatistossa Samaan tapaan yksittäisen MWD-mittauspisteen sijainti voidaan määrittää projektikoor- dinaatistossa. Mittauspisteiden tieto on tallennettu porareiän mukaisessa sylinterikoordi- naatistossa, jossa sijainti määritetään syvyyden , säteen ja atsimuuttikulman avulla.
Näin reiän taipumaa voidaan paikantaa koordinaatistoon. Nykyisellään porajumbot eivät kuitenkaan kykene porakruunun sijainnin mittaamiseen aloituspisteen jälkeen (Miguel, 2018). Täten laskennassa reiän oletetaan olevan suora ja syöttöpituuden oletetaan vastaa- van syvyyttä, säteen ja atsimuuttikulman ollessa nolla. Mittauspisteen paikka voidaan las- kea reiän alku- ja loppupisteen avulla kaavan 5.2 mukaisesti.
missä on mittauspisteen koordinaatit projektikoordinaatistossa on reiän alkupisteen koordinaatit projektikoordinaatistossa on reiän loppupisteen koordinaatit projektikoordinaatistossa on mittauspisteen sijainti syvyysakselilla reiän mukaisessa sy- linterikoordinaatistossa
on reiän pituus eli alku- ja loppupisteen välinen etäisyys 5.5.2 Metatietojen samaistaminen
IREDES-formaatin tiedostot sisältävät edelleen jonkin verran käsin syötettyä tietoa. Esi- merkiksi mittalinja syötetään käsin. Tämän seurauksena on mahdollista, että tiedostoon merkitty mittalinjan tunnus ei vastaa projektissa olemassa olevia mittalinjoja. Tällöin mit- talinjojen yleisimmistä käytetyistä epävirallisista tunnuksista voidaan pitää kirjaa mitta- linjan tunnuksen samaistamiseksi. Kohdatessa epävirallinen mittalinjan tunnus voidaan käyttäjä myös pakottaa valitsemaan tunnusta vastaava virallinen mittalinja. Tällöin kir- jaus epävirallisista tunnuksista voidaan pitää ajantasaisena. Vaatimuksena tälle on, että mittalinjojen viralliset nimet on tallennettu ohjelmaan.
Reiän tyyppi määräytyy porausdatassa IREDES-standardin mukaisesti. Tyyppi määrite- tään TypeOfHole-elementissä taulukossa 1 alatyyppi-sarakkeessa esitetyillä muuttujilla.
Koska tyypin määrittelyt ovat tarkkoja, määritellään reiälle ryhmitelty tyyppi sekä IREDES-standardin mukainen alatyyppi.
Taulukko 1 IREDES-standardin mukaiset reikätyyppien nimet (IREDES, 2004a)
Tyyppi Alatyyppi Määritelmä
Louhinta Contour Reunareikä
Bottom Pohjareikä
SecondContour Apulinjan reikä
EasersHole Kenttäreikä
CutHole Aukaisureikä
ReamingHole Panostamaton avarrusreikä
Injektointi Probe Tunnustelureikä
InjectionHole Injektointireikä
Grout Injektointireikä
Lujitus BoltHole Lujituspultin reikä
Muu Casing Suojaputkessa porattu reikä
Others Jokin muu reikä
Undefined Reikä, jolle ei ole määritetty tyyppiä
5.6 Yhtenäinen tallentaminen
Tiedon hyödyntämisen kannalta on tärkeää, että tieto on projektin asianmukaisten osa- puolten käytettävissä sekä selkeästi jäsenneltyä. Tiedon yhtenäinen tallentaminen mah- dollistaa jäsennellyn tiedon hallinnan, yhtenäisen tiedon hyödyntämisen ja minimoi se- kalaisiin toimintatapoihin liittyvän tiedon katoamisen riskin. Lisäksi eri osapuolten ja oh- jelmien ei tarvitse erikseen käsitellä raakatietoa.
Tämän työn aikana selvitettiin sekä tiedosto- että tietokantapohjaisia ratkaisuja. Tiedos- topohjaisissa ratkaisuissa järjestelmän käyttämä tieto tallennetaan erillisiin tiedostoihin.
Nämä tiedostot voivat olla esimerkiksi teksti- tai taulukkomuodossa.
Tietokannalla tarkoitetaan laajasti tietokannanhallintajärjestelmän hallitsemaa tiedon joukkoa. Tyypillisin tietokannan muoto on relaatiotietokanta. Tässä työssä termillä tie- tokanta tarkoitetaan juuri relaatiotietokantaa. Relaatiotietokannassa tieto on jäsennelty re- laatioiksi eli kaksiulotteisiksi tauluiksi. Tieto on tallennettu tauluihin tietueina eli riveinä.
Yhden tietueen sarakkeet eli kentät kuvaavat tietueen ominaisuuksia. (Ullman & Widom, 2014.) Esimerkki yksinkertaisesta Reiät-taulusta on esitetty taulukossa 2. Relaatiotieto- kantojen suurin hyöty saavutetaan relaatioalgebran avulla, jolla voidaan muodostaa uusia relaatioita olemassa olevien relaatioiden perusteella (Ullman & Widom, 2014).
Taulukko 2 Esimerkki Reiät-taulusta
Reikätunnus ReportID Tyyppi Pituus
3134-1 DRPQuality_114D28866-1_3134 Contour 5,26
3134-3 DRPQuality_114D28866-1_3134 CutHole 4,81
3136-1 DRPQuality_114D28866-1_3136 BoltHole 3,53
Tiedosto- ja tietokantapohjaisen tallentamisen välillä on eroavaisuuksia. Tiedostopoh- jainen tallentaminen soveltuu hyvin yksikertaisille listamaisille tietorakenteille. Tieto- kanta pystyy kuitenkin käsittelemään paremmin monimutkaisia datan sisältämiä yhteyk- siä. Lisäksi tietokannan avulla tietorakenteessa olevan tiedon päällekkäisyys vähenee.
Monimutkaisen tiedon hallinnassa viite-eheydellä on suuri merkitys. Esimerkiksi tässä työssä kehitettävässä järjestelmässä jokaisen reiän tulee kuulua johonkin katkoon. Viite- eheyden ylläpitämiseksi tarkistetaan, että esimerkiksi katkoa poistettaessa poistetaan myös siihen liittyvät reiät. Viite-eheyden hallinta on yksinkertaisempaa tietokannan avulla. (Manning, 2015.) Tiedostot ovat kuitenkin tietokantoja helpommin muokatta- vissa ja niiden lukeminen sekä kirjoittaminen on usein tietokantaa nopeampaa.
Tietokanta voidaan toteuttaa monella skaalalla. Suuri osa tietokannoista on toteutettu eril- lisenä palvelinprosessina. Toisaalta tietokanta voidaan toteuttaa myös ilman erillistä pal- velinta. (SQLite, 2020a.) Tälläisiä tietokantoja kutsutaan työpöytätietokannoiksi. Työ- pöytätietokantoja voidaan toteuttaa esimerkiksi Microsoft Access ja SQLite -ohjelmis- toilla (Microsoft, 2020; SQLite, 2020b). Tämän työn aikana järjestelmän tiedon tallenta- miseen hyödynnettiin MS Access -työpöytätietokantaa.
MWD-raakadatan suora käyttäminen on haasteellista. Sekä DRPQual- että DRMWD-tie- dostot sisältävät osittain tarpeetonta tietoa ja osa tiedosta vaatii laskentaa tehokkaan hyö- dyntämisen mahdollistamiseksi. Tämän seurauksena tieto on tallennettu muokatussa muodossa tietokannan mukaisiin tauluihin.
Tietokannassa jokaiselle kentälle on määritetty tietotyyppi. Kenttä voi sisältää esimer- kiksi merkkijonon, totuusarvon tai numeron. Lisäksi tietotyypin avulla voidaan määrittää kentän koko. Työn kannalta oleelliset MS Accesissa määritetyt tietotyypit ovat:
int:kokonaisluku välillä -32 768 32767, koko 2 tavua
double:desimaaliluku välillä -1,797E-10308 1,797E10308, koko 8 tavua short text:merkkijono, pituus maksimissaan 255 merkkiä
datetime:aika ja päivämäärä bool:totuusarvo
Tallentamisessa DRPQual-tiedostojen tieto jaetaan ensisijaisesti kahteen tauluun:Katkot jaReiät. Katkot-taulu sisältää nimensä mukaisesti katkoon liittyvän tiedon, jossa jokainen katko on eritelty omaan tietueeseen. Tässä tapauksessa katkolla tarkoitetaan yhtä lou- hinta- lujitus- tai injektointireikien sarjaa. Mikäli yksi DRPQual-tiedosto sisältää useam- paa reikätyyppiä, jaetaan reiät kahteen katkoon. Jokainen reikä on tallennettuReiät-tau- luun.Reiät-taulun rakenne on esitetty taulukossa 3 jakatkot-taulun rakenne taulukossa 4.
Taulukko 3Reiät-taulun kentät sekä niiden tyypit ja selitteet
REIÄT
Tyyppi Nimi Selite
short text Reikätunnus MWD-datan reportID ja reikäID
short text Katkotunnus Katkon tunnus: reportID ja LOUH/LUJ/INJ short text ReikäID Reiän numero porauksessa
datetime Aloitusaika Porauksen aloitusaika datetime Lopetusaika Porauksen lopetusaika
short text Tyyppi Louhinta/Lujitus/Injektointi/Määrittelemätön short text Alatyyppi IREDES-standardin mukainen tyyppi, kts. 5.5.2
double Pituus Yksikkö: m3
double DRP_Alku_X
double DRP_Alku_Y
double DRP_Alku_Z
double DRP_Loppu_X
double DRP_Loppu_Y
double DRP_Loppu_Z
double WCS_Alku_X
double WCS_Alku_Y
double WCS_Alku_Z
double WCS_Loppu_X
double WCS_Loppu_Y
double WCS_Loppu_Z
double WGS84_Alku_X
double WGS84_Alku_Y
double WGS84_Loppu_X
double WGS84_Loppu_Y
Toistaiseksi reiän alku- ja loppupisteiden sijainti tieto on tallennettu kolmella tavalla: po- rakaavion mukaisessa koordinaatistossa, projektikoordinaatistossa (Raide-Jokerin ta- pauksessa on ETRS-GK25, EPSG: 3879) ja WGS84-koordinaattijärjestelmässä (EPSG:
4326). Taulussa on käytetty etuliitteitä koordinaattien erottelemiseksi: DRP-etuliitteellä tarkoitetaan porakaavion mukaista koordinaatistoa, WCS-etuliitteellä projektin koordi- naatistoa ja WGS84-etuliitteellä WGS84-koordinaatistoa. Tämä on tehty sijaintitiedon käsittelyn helpottamiseksi, jotta jokaisen tietoa käsittelevän sovelluksen ei tarvitse tehdä itse koordinaatistomuunnoksia. Ratkaisun myötä tietokantaan tallennetaan kuitenkin päällekkäistä tietoa, mikä lisää tietokannan kokoa vaikuttaa tiedon muokkaamista. Toi- saalta koordinaatistomuunnoksiin liittyy aina virheen riski, jolloin muunnosten keskittä- minen voi lisätä tiedon luotettavuutta.
