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Bureau of Reclamation

Captura de realidade e modelos 3D ajudam a proteger infraestrutura crítica

THE FUTURE OF MAKING THINGS

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Fotos gentilmente cedidas pelo Bureau of Reclamation

Ferramentas de alta tecnologia formam a base para o futuro da represa Glen Canyon Dam

A represa Glen Canyon Dam, no Arizona, é essencial para o fornecimento de água e energia ao oeste dos Estados Unidos. Mas, após meio século de serviço, o desgaste e as oscilações do fluxo de água causadas pelo clima hostil mostraram seus efeitos. A captura de realidade e a modelagem 3D estão ajudando o Bureau of Reclamation a avaliar a condição da represa e a protegê-la para as gerações futuras. No processo, este órgão do governo dos EUA está mostrando como a nova tecnologia pode ajudar a preservar infraestruturas críticas em todo o mundo.

David Winslow (à direita) na usina de energia Glen Canyon Dam. Foto gentilmente cedida por BOR/Autodesk.

Levamos água e energia para o oeste

O Congresso dos Estados Unidos criou o Bureau of Reclamation em 1902, com o objetivo de recuperar terras áridas para uso humano através de irrigação. A agência hoje mantém 492 barragens em 17 estados do oeste e fornece mais de 37 bilhões de metros cúbicos anuais de água para mais de 31 milhões de pessoas. Eles são o segundo maior produtor de energia hidrelétrica renovável do país, gerando anualmente mais de 40 bilhões de quilowatts/hora de eletricidade.

Hoje, mais de um século após sua fundação, sua missão está evoluindo. Além de sustentar as comunidades do oeste dos Estados Unidos, seu objetivo é recuperar seus próprios recursos desgastados pelo tempo. “Estas instalações são muito importantes para o país”, diz David Winslow, gerente de CAD e engenheiro civil do Bureau of Reclamation em Salt Lake City, Utah. “Estamos encarregados de gerenciar algo que vai se manter por séculos no futuro. Muito depois de nós, essas estruturas ainda estarão aí. Mas elas precisam ser operadas e mantidas adequadamente.”

David Winslow (à direita) na usina de energia Glen Canyon Dam. Foto gentilmente cedida por BOR/Autodesk.

Manutenção de infraestruturas: um desafio global

A represa Glen Canyon Dam foi concluída em 1963, em meio à febre de construção de represas em todo mundo ocorrida entre as décadas de 1950 e 1970. Cerca de mil represas foram concluídas por ano naquele período, entre elas Assuã Alta, no rio Nilo, Egito, Kurobe, no Japão, Idukki, na Índia, Ilha Solteira, no Brasil, e Verzasca, na Suíça, para levar eletricidade, água e controle de inundação a regiões de todo o mundo.

Naquele tempo, não havia CAD para ajudar a criar esses grandes projetos de infraestrutura. Glen Canyon, uma das maiores de represas no mundo, “foi desenvolvida com réguas de cálculo e tabelas trigonométricas", diz Winslow. “Todos os desenhos foram criados manualmente, em tabelas de desenho.” Só tínhamos planos em papel e plantas, e o Reclamation tinha visão limitada dos efeitos causados por desgaste, clima e as mudanças extremas no fluxo de água na condição da represa.

Este problema não é exclusivo de Glen Canyon: segundo o World Bank, mais de metade das mais de 58.000 grandes represas no mundo estão em operação há pelo menos 50 anos. A necessidade de encontrar melhores ferramentas para manutenção e resiliência é, claramente, um desafio mundial.

Represa Glen Canyon Dam nos anos 1960. Foto gentilmente cedida pelo Bureau of Reclamation.

“Precisávamos sair do modelo de gerenciamento das instalações com milhares de desenhos 2D. O que realmente precisávamos para Glen Canyon era um modelo 3D abrangente da represa, das paredes do desfiladeiro, da área do reservatório acima da represa, do rio abaixo e da usina de energia, dentro e fora."

— David Winslow, Gerente de CAD e engenheiro civil, Bureau of Reclamation

 

Novas ferramentas de tecnologia para diagnosticar desgastes na represa

O Reclamation consultou a Autodesk para selecionar as melhores ferramentas e técnicas para criar um modelo digital 3D detalhado da estrutura: uma Glen Canyon Dam "virtual". Dados tridimensionais oferecem profundidade e contexto muito além do que seria possível em documentos 2D em papel. E os dados digitais são dinâmicos: eles não ficam congelados no tempo como uma planta antiga. Modelos digitais podem ser atualizados, novos cenários podem ser simulados e as mudanças podem ser medidas de acordo com o conjunto de dados original para os próximos séculos.

Com um modelo 3D, o Reclamation teria um novo e imenso conjunto de recursos para ajudar a gerenciar e manter a represa Glen Canyon Dam. Seria mais fácil encontrar, diagnosticar e corrigir danos atuais, e também prever e evitar outros no futuro.

Mas como é possível criar um modelo em computador para uma estrutura construída antes do CAD? Resposta: captura da realidade.

“Precisávamos sair do modelo de gerenciamento das instalações com milhares de desenhos 2D. O que realmente precisávamos para Glen Canyon era um modelo 3D abrangente da represa, das paredes do desfiladeiro, da área do reservatório acima da represa, do rio abaixo e da usina de energia, dentro e fora."

— David Winslow, Gerente de CAD e engenheiro civil, Bureau of Reclamation

 

Capturar uma infinidade de dados em um local imenso

A captura da realidade envolve a coleta de dados sobre um objeto, imagens e medidas de tamanho, forma e posição, e sua compilação no computador. O Reclamation, usando o financiamento do seu programa para ciência e tecnologia, contratou a Autodesk para coletar os dados necessários e produzir modelos 3D enquanto funcionários do Reclamation observavam os procedimentos e processos. Em agosto de 2016, o Reclamation e a Autodesk iniciaram a captura de dados da represa, usando scanners a laser (conhecidos como Lidar), sonar e câmeras para documentar o site.

A equipe da Autodesk digitalizou e fotografou a represa e seus arredores, um grande empreendimento que demorou uma semana com 12 horas de trabalho/dia. Os membros da equipe capturam imagens e medidas do interior e no exterior da planta, na hidrelétrica, nas faces acima e abaixo da represa, na crista da barragem, na paisagem circundante e, até mesmo, em parte do centro de visitantes. Foram coletadas 700 digitalizações Lidar e milhares de fotografias e vídeos, capturando solo, água e ar com o uso de um arsenal de ferramentas avançadas.

Fotos gentilmente cedidas por BOR/Autodesk.

Winslow (à esquerda) observa a equipe do projeto usando um scanner a laser para capturar medidas e imagens 3D de alta precisão da represa e das paredes do desfiladeiro.

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A tecnologia a laser, ou Lidar, captura medidas da imensa represa enviando pulsos de luz e medindo o tempo de retorno à origem.

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No reservatório de Lake Powell, a e-Trac, empresa parceira da Autodesk, guia um veículo operado remotamente (ROV) que usa sonar para digitalizar as superfícies submersas da represa.

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De um helicóptero usado para evacuação em emergências, membros da equipe Autodesk tiraram fotografias aéreas sobrepostas do cenário para converter em modelos digitais 3D, em um processo chamado fotogrametria.

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Membros da equipe Autodesk digitalizaram o imponente interior do espaço principal de geração da hidrelétrica usando um drone montado com uma câmera.

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Membros da equipe Autodesk digitalizaram o imponente interior do espaço principal de geração da hidrelétrica usando um drone montado com uma câmera.

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Fotos gentilmente cedidas por BOR/Autodesk.

Modelo da represa Glen Canyon Dam, criado com o Autodesk ReMake.

Transformação de dados em modelos digitais

As digitalizações da represa Glen Canyon capturaram imagens inacreditáveis e milhões de pontos de dados em nuvens de pontos 3D fotorrealistas. Foram criados modelos de fotos com base nas fotografias da equipe, mesclando fotos sobrepostas em um processo chamado fotogrametria. Para reunir todos os dados brutos, a equipe usou o ReCap Pro (Inglês) para compilar uma nuvem de pontos maior e mais abrangente.

Após importar a nuvem de pontos para o Revit, a equipe construiu um modelo 3D técnico que foi preenchido com componentes individuais da represa do aço estrutural aos geradores hidrelétricos. Este modelo combina o antigo e o novo, mapeando e reunindo antigos desenhos 2D e dados avançados de nuvem de pontos, para que os usuários possam entender não só preços e peças da represa, mas como eles se encaixam como sistemas.

Na fase final do projeto, a equipe técnica importará o modelo técnico para o InfraWorks e adicionará dados fluxos de dados em tempo real sobre o desempenho da represa: o volume de água lançado, por exemplo, e de eletricidade gerado. O resultado será uma representação virtual dinâmica da represa, que ajudará os operadores a identificarem riscos que precisem ser atacados e oportunidades que possam ser exploradas.

Modelo da represa Glen Canyon Dam, criado com o Autodesk ReMake.

Previsão do futuro

O Reclamation usará seu modelo 3D dinâmico da represa Glen Canyon Dam como ferramenta para operadores e funcionários de todos os níveis de capacitação. “Este será um modelo multiuso”, diz Winslow. Ele também oferece novas maneiras para educar o público: por exemplo, compartilhando passeios em vídeo pela represa virtual, especialmente em áreas que os visitantes não podem acessar em segurança. A agência planeja criar modelos 3D semelhantes para suas outras represas, possivelmente incluindo a Hoover Dam, em Nevada, e a Grand Coulee Dam, em Washington.

E o mais importante o modelo é uma ferramenta essencial na preparação para as incertezas do futuro. “O fluxo de água e o clima variam de um ano para outro, e não sabemos exatamente o que teremos em termos de fluxo no reservatório”, diz Winslow. "Estamos buscando entender como podemos melhor fornecer água para o futuro do país, não só no restante deste século, mas depois." E ele finaliza: "O modelo 3D dinâmico é uma ferramenta que pode ser usada em diferentes áreas para nos ajudar a gerenciar melhor as instalações com o passar do tempo”.

O modelo 3D, com base em milhões de pontos de dados, fornece uma visualização precisa da barragem e da área circundante.

Um membro da equipe captura o amplo espaço da represa Glen Canyon Dam com um dispositivo Lidar. Foto gentilmente cedida por BOR/Autodesk.

Ferramentas de tecnologia com impacto global

Hoje, operadores de represas de todo o mundo devem se preparar para um futuro incerto. Estão em andamento iniciativas de reabilitação de represas "vintage" como a Glen Canyon. Entre elas estão Kariba, na África, concluída em 1959, Oroville, na Califórnia, concluída em 1968, e Burdekin, na Austrália, concluída em 1987. Há também programas nacionais para atualizar barragens na Indonésia, Índia, Armênia e no Vietnã. O processo de criação do modelo 3D iniciado na barragem Glen Canyon Dam, diz Winslow, “pode ajudar proprietários e operadores em todo o mundo a melhorarem o trabalho de operação e gerenciamento de suas instalações no futuro.”

Em Glen Canyon e outras represas desgastadas, para não mencionar usinas elétricas, pontes, portos e outros itens de infraestrutura crítica, a captura da realidade e os modelos digitais 3D são ferramentas dinâmicas que ajudam a visualizar, monitorar instalações, monitorar sua integridade e prever seu desempenho futuro. Resultado: um trabalho de manutenção melhor e mais econômico, que ajuda a aumentar a durabilidade da infraestrutura.

Um membro da equipe captura o amplo espaço da represa Glen Canyon Dam com um dispositivo Lidar. Foto gentilmente cedida por BOR/Autodesk.