Il Gemello Digitale a supporto del monitoraggio delle infrastrutture attraverso l'uso del BIM e dei sensori IOT

Visto l’interesse strategico di cui sono rivestite le infrastrutture di trasporto per il mantenimento delle funzioni vitali della società e dell’economia del Paese, è opportuno che le azioni di manutenzione e la predisposizione di un sistema di monitoraggio siano attività non eseguite quando l’opera è già sede di un dissesto evidente, ma come un insieme di processi finalizzati ad evitare tali situazioni, anche e soprattutto per tutto il patrimonio esistente.

Il BIM e l’utilizzo di sistemi innovativi di acquisizione e trasmissione dati possono rappresentare un utile approccio alla progettazione, pianificazione ed utilizzo dei sistemi di gestione e monitoraggio, sia per le opere esistenti che per quelle di nuova realizzazione. 

La metodologia BIM a supporto degli obiettivi del processo di monitoraggio strutturale 

Nel caso di strutture esistenti il monitoraggio serve a valutare le condizioni strutturali e l’integrità della struttura stessa, consentendo di mantenere sotto controllo eventuali fenomeni di degrado che si possono sviluppare a seguito di eventi catastrofici o durante la vita della struttura. La loro comprensione e valutazione può costituire un valido aiuto nella corretta definizione degli interventi di manutenzione e, inoltre, permette una riduzione esponenziale dei tempi di ripristino in caso di eventi naturali come terremoti.

La scelta di dotare le infrastrutture di una fitta rete di strumenti che siano in grado di acquisire e rilevare dati e parametri è orientata alla creazione di un sistema di monitoraggio integrato che possieda un elevato livello di automazione delle procedure previste.

Al capitolo 4 della norma UNI/TR 11634 – Linee guida per il monitoraggio strutturale vengono riportati gli obiettivi e requisiti di progetto di un processo di monitoraggio strutturale, tra i quali:

• Modello numerico della struttura;

• Sistema di raccolta e gestione dei dati;

• Procedure di elaborazione dei dati;

• Procedure decisionali.

Il ricorso alla metodologia BIM ben si sposa con gli obiettivi descritti in quanto consente di strutturare un supporto, oltre che grafico, anche informativo e gestionale.

Il Building Information Modeling (BIM) è un processo che permette di creare un modello digitale multi-dimensione dell’intero asset che prende corpo ancor prima della costruzione e che poi evolve insieme all’opera durante la fase di costruzione ed esercizio divenendo il suo “gemello digitale” (Digital Twin) in un ambiente virtuale, assolvendo alla funzione di contenitore di tutte le informazioni che intervengono durante il ciclo di vita dell’opera e come sistema in cui identificare eventuali azioni da attuare per il mantenimento dell’integrità dell’infrastruttura.

Figura 1 – La logica di processo del monitoraggio strutturale dalla progettazione/rilievo alla gestione

La metodologia BIM, infatti, consente di gestire in maniera integrata il flusso informativo (geometrico, documentale e di dati) durante le fasi di progettazione, costruzione ed esercizio delle opere. Già in fase di costruzione in questo modo è possibile ottimizzare le attività di cantierizzazione fornendo simulazioni accurate delle fasi lavorative tramite simulazioni in grado di riprodurre il processo di costruzione nel tempo ed implementare il contenuto informativo di progetto di tutto ciò che non può essere noto prima della realizzazione dell’opera (ad es. la scheda tecnica delle componenti impiantistiche effettivamente installate, le caratteristiche meccaniche effettive dei materiali impiegati, la fase in cui l’elemento viene realizzato o installato, etc.) arricchendone così il patrimonio informativo, nell’ottica di definire il dato di base per i successivi usi del modello connessi all’ “Operation & Maintenance”.

Figura 2 – L’evoluzione nel ciclo di vita dal Modello BIM al Digital Twin dell’asset.

In questa ottica, il BIM, nella sua accezione di metodologia, è una fonte di dati chiave per lo sviluppo di un Digital Twin. Effettuata la predisposizione di sensori nell’opera da manutenere, attraverso il modello digitale è possibile, una volta identificate le grandezze più significative come vibrazioni e oscillazioni, gradienti termici tra differenti punti di controllo, come anche distanze tra più punti, monitorare la trasformazione nel tempo della situazione strutturale ed avere un controllo su come la struttura si evolve.

Le informazioni acquisite per mezzo di procedure d’ispezione e sistemi di monitoraggio, in generale, devono garantire la richiesta dei software CMMS e delle procedure adottate per la gestione senza appesantire i modelli informativi e i CDE: le numerose informazioni superflue potrebbero comportare una gestione molto complessa dei modelli e dei dati con conseguenze anche sulla stabilità dei sistemi informatici utilizzati.

Sensori IoT ed architettura del sistema di monitoraggio strutturale 

Le metodologie di monitoraggio strumentale si basano sull’installazione di reti di sensori gestiti da sistemi “smart” che consentono di acquisire i dati provenienti dal campo e di elaborarli, identificando, attraverso opportuni algoritmi, lo stato di evoluzione dell’opera. In tal modo, il sistema è capace di effettuare autodiagnosi e di trasmettere informazioni all’operatore. 

Figura 3 – Architettura del sistema tecnologico

L’infrastruttura del sistema di monitoraggio delle opere civili quali ponti e viadotti è costituita da elementi di campo quali Sensori IoT che effettuano il rilevamento della grandezza da misurare e da una piattaforma Cloud per la raccolta dei dati provenienti dal campo. L’applicativo Server interfacciato con il Cloud consente l’analisi e l’interpretazione dei dati, nonché la visualizzazione dei dati raccolti visualizzati direttamente sul modello digitale dell’opera (Digital Twin).

In generale le tipiche applicazioni IoT non necessitano di trasmissioni dati continue, ma solo a fronte di variazioni delle grandezze misurate e non richiedono bitrate elevati. Tali caratteristiche vengono soddisfatte dalle tecnologie di rete LPWAN (Low Power Wide Area Networks) che richiedono una ridotta potenza di trasmissione e garantiscono un ridotto consumo della batteria dei dispositivi. 

I vantaggi del sistema di monitoraggio IoT

L’utilizzo di un sistema di monitoraggio IoT comporta i seguenti vantaggi:

• Elevata affidabilità delle informazioni;

• Basso consumo di energia da parte dei sensori IoT;

• Monitoraggio di infrastrutture difficilmente accessibili;

• Abbattimento dei costi per cavidotti, scavi e cablaggi;

• Trasmissione delle informazioni in tempo reale sullo stato dell’infrastruttura sottoposta a monitoraggio.

• Sicurezza attraverso un alto livello di protezione dei dati trasmessi dai dispositivi IoT.

Una gestione sistematica ed intelligente del dato 

Lo sviluppo di soluzioni per la gestione dei contesti di monitoraggio e manutenzione di infrastrutture utilizzando strumenti BIM è fondamentale per migliorare i processi attuali in termini di sicurezza strutturale e risorse coinvolte in essi. I sistemi di gestione devono essere visti come una delle diverse componenti che determinano la soluzione tecnologica adottata per la gestione dell’infrastruttura e non come singola soluzione: tali sistemi richiedono ingenti quantità di informazioni per cui dovranno essere definiti processi standard per l’acquisizione e l’interpretazione delle stesse durante l’intero ciclo di vita dell’opera. 

Un’organizzazione sistematica ed intelligente è necessaria per una corretta fruizione delle informazioni: esse devono essere gestite e referenziate ai modelli informativi rappresentativi dell’opera. 

I processi di creazione o gestione dell’informazione devono però essere preceduti da una fase d’identificazione di specifici obiettivi ed usi in relazione a particolari scenari applicativi.

L’approccio di ritagliare le informazioni per il caso d’uso specificato è adottato anche negli ultimi aggiornamenti normativi che suggeriscono un passaggio dal un concetto di LOD a quello di Level of Information Need. Ciò comporta una specializzazione dei modelli informativi, i quali sono sviluppati in funzione delle informazioni necessarie per lo specifico use cases d’interesse. Dunque, non si chiede più al modello informativo, disciplinare o aggregato, di rappresentare informazioni relative ad ogni finalità possibile, ma bensì si richiede tutto ciò sia relativo e necessario agli scopi e obiettivi specifici. Questo nuovo concetto, peraltro, in maniera molto generale, distingue tra aspetti geometrici, informativi e documentali, con un altro riferimento sintetico alla suddivisione possibile dei contenuti anche in strutturati, semi-strutturati e non strutturati.

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