Digital Twin, il mondo delle copie virtuali nelle costruzioni

Alessandro Vitale, architetto e co-fondatore di DVision Architecture, società bresciana di architettura, racconta quali vantaggi e criticità si riscontrano nella realizzazione e gestione del cosiddetto gemello digitale, il digital twin.

In questa intervista il mondo della copia virtuale viene spiegato con precisione, attraverso il funzionamento dell’opera e la professionalità del progettista messa al servizio della fase della raccolta dati.

Cosa è esattamente il digital twin?

Alessandro Vitale

Partiamo da una definizione: il digital twin è la rappresentazione digitale aggiornata di un asset fisico in esercizio.

Tale concetto presuppone tre componenti, l’oggetto fisico, l’oggetto virtuale e l’insieme dei flussi di dati dall’uno all’altro che mantengono il secondo aggiornato rispetto al primo, e che possiamo identificare come la connessione tra i due. L’analisi del gemello digitale aggiornato stimola valutazioni e genera azioni che impattano modificando l’oggetto fisico.

Il digital twin non è una simulazione, ma è una sorta di alter ego virtuale di un oggetto, la descrizione di un insieme di dati di funzionamento, comportamento simulato, comportamento reale, condizioni del contesto di lavoro che rappresentano lo stato corrente di un componente o di un sistema rispetto ad un comportamento atteso (di progetto). 

L’aspetto più interessante è che può essere applicato non solo alla fisica degli oggetti ma ai fenomeni e per estensione ai luoghi. Ad esempio, è possibile sviluppare un gemello digitale tanto di un particolare elemento impiantistico, per monitorarne la performance attraverso i dati di funzionamento, quanto di una sala concerti, di un edificio direzionale o di qualsiasi altro spazio, per studiarne il funzionamento anche attraverso i comportamenti delle persone che lo vivono.

Che differenza c’è con la simulazione?

Alessandro Vitale

La simulazione parte da una “formula matematica”, da un modello a monte, e permette di ipotizzare, o meglio calcolare, lo svilupparsi di un fenomeno. Con una elevatissima potenza di calcolo e sufficienti formule per computare compiutamente un fenomeno, tenendo conto di tutti i fattori perturbanti di un sistema non isolato, potremmo simulare senza errori qualsiasi cosa. In realtà non abbiamo questa capacità; per situazioni reali, sappiamo che l’interazione e l’interrelazione dei fenomeni è molto complessa, e fattori ambientali esterni possono perturbare il fenomeno stesso rendendo la simulazione del comportamento non fedele al reale. 

Il digital twin non si basa solo su una simulazione, ma sull’insieme di formule e algoritmi relazionati ai dati derivanti dal corrispondente fenomeno reale studiato, compresi i dati contestuali, e porta a perfezionare iterativamente il modello di funzionamento simulato rendendo nel tempo la previsione di comportamento più attendibile.

Quale ruolo hanno i dati nel digital twin?

Alessandro Vitale

Il gemello digitale si attua attraverso una raccolta di dati grazie a sensori installati sul campo che leggono i valori di una serie di fenomeni all’interno dell’edificio/manufatto, che possono essere di tipo ambientale (variazioni di temperatura, condizioni del sito, numero di utenti che entrano ed escono da un varco, numero di utenti medi che fruiscono di un luogo, la misura della qualità dell’aria del luogo) o intrinseci al funzionamento dell’entità fisica (dati di esercizio dei macchinari).

Qualsiasi tipo di dato che viene raccolto concorre a ricreare la versione virtuale aggiornata dell’oggetto che si sta analizzando. 

Come viene applicato?

Alessandro Vitale

Il digital twin nasce per analizzare e comprendere il comportamento di un componente, sistema o insieme di sistemi complessi al fine di decidere se e come intervenire ottimizzando il progetto, i prodotti o i processi sottesi all’entità analizzata.

Nel settore delle costruzioni una delle applicazioni più concrete del modello digitale ad oggi è la manutenzione predittiva dei sistemi impiantistici. La modellizzazione del funzionamento teorico di un componente viene interlacciata agli stream di dati provenienti dai sensori che sondano il componente ed il contesto in cui è inserito, al fine di approssimare iterativamente il reale comportamento dell’oggetto fisico e predirne con significativa attendibilità il punto di fallimento operativo, così da poter programmarne la sostituzione prima di incorrere nel problema, abbattendo il rischio di fermo macchina dei relativi costi. 

In sinesi l’obiettivo è monitorare criticamente per decidere quando intervenire al fine di mantenere o incrementare le performance a livelli ottimali. In senso lato è un approccio che punta ad aumentare la l’efficienza, la produttività e la redditività di un asset.

Quando nasce il digital twin?

Alessandro Vitale

Va precisato che il digital twin non viene generato, se non in parte, dal progettista in quanto le sue attività si concentrano sulla definizione dell’oggetto fisico, sulla sua ideazione, sulla sua progettazione; in questo senso egli semplicemente concorre alla creazione del gemello digitale. 

In seguito alla sua prima definizione (in ambito industriale) il concetto di digital twin fu articolato in tre tipologie, il DTP o prototipo digitale esistente prima della controparte fisica utilizzato per la progettazione della stessa, la DTI intesa come il gemello della singola istanza di oggetto realizzata, la DTA cioè l’insieme aggregato delle singole DTI i cui dati sono utili per analisi orizzontali sull’asset al fine di indagare e comprendere meglio il prodotto basandosi su dati forniti dalle istanze installate in contesti d’esercizio differenti.

Secondo questa definizione, trasponendo il concetto di digital twin nel settore AEC, le fasi di progettazione e realizzazione dell’opera gestite in BIM coincidono con la DTP. 

Per chiarire, se posizioniamo l’opera su una barra del tempo, da sinistra verso destra, a sinistra sta il progettista che realizza il prototipo digitale, al centro l’impresa con la fase realizzativa che ha lo scopo di traghettare il prototipo digitale nella realtà costruendo l’opera e a destra troviamo l’alter ego virtuale o digital twin, che è ad uso e consumo della committenza, del gestore, dell’operatore che dovrà farsi carico dell’asset immobiliare lungo il ciclo di vita, durante le fasi manutentive, e decidere se e quando agire con interventi localizzati o migliorie estese al progetto. 

Il digital twin, in quanto tale, nasce solo quando l’opera esiste e dunque quando il progetto è stato realizzato. Se non c’è l’opera non è possibile completare il gemello digitale. Manca la materia prima su cui posizionare i sensori per sviluppare l’alter ego dell’edificio, manca il fenomeno da studiare e non è possibile realizzare DTI e DTA. 

Il concetto di digital twin compiuto si attua perciò solo con la messa in esercizio dell’opera e con l’avvio della raccolta di dati, l’innesco delle simulazioni e il monitoraggio dello “stato di funzionamento” del manufatto studiato.

Il digital twin è un generatore di conoscenza?

Alessandro Vitale

Il termine “studiato” non è qui utilizzato casualmente. Uno degli obiettivi principali del gemello digitale nel settore, almeno ad oggi, abbiamo detto essere l’analisi/monitoraggio dell’opera, così da definire in via predittiva il momento migliore di intervenire sostituendo il componente o il sistema usurato e garantire la costante funzionalità del manufatto.

Dal giorno zero i dispositivi di rilevamento iniziano a trasmettere le informazioni e a creare una banca dati. La banca dati contiene informazioni utili a comprendere i comportamenti evolutivi e la performance dell’opera nel tempo e nello spazio: da come gli elementi componenti l’opera si trasformano, si degradano, a come i materiali e gli impianti performano in funzione delle diverse condizioni ambientali del sito di progetto, a come muta l’utilizzo degli spazi da parte degli utenti in funzione di fattori propri (dimensioni dei luoghi, acustica, comfort termico, accessibilità dei locali, ecc) ed esterni al progetto (variazioni stagionali, variazioni atmosferiche, fattori ambientali stressanti, ecc). 

Si intuisce perciò come il digital twin possa essere una fonte inesplorata e preziosa di informazioni per una comprensione sempre più profonda delle architetture.

Qual è il ruolo del progettista quando si parla di gemello digitale?

Alessandro Vitale

Tale conoscenza permette, se canalizzata correttamente attraverso un approccio di “backpropagation“, di migliorare iterativamente la progettazione degli edifici, andando ad esempio ad incidere sulla scelta di soluzioni tecnologiche maggiormente efficaci, sulla migliore applicazione delle stesse in funzione dei fattori contestuali o delle condizioni di esercizio; o ancora andando a formare una più completa consapevolezza nel progettista sull’effettivo utilizzo degli spazi e dei luoghi da parte degli utenti, indirizzando la progettazione verso edifici più rispondenti a tali comportamenti, o innescando la progettazione di meccanismi orientati a mutare il comportamento stesso degli utenti.

Quindi, se le informazioni raccolte grazie ai digital twin tornassero a disposizione dei progettisti, e più in generale della comunità tecnica che si occupa di progettare e realizzare architetture, si potrebbe accrescere la comprensione dei luoghi, dei fruitori dei luoghi, delle tecnologie e delle interrelazioni tra loro esistenti; da tale consapevolezza potrebbe scaturire un processo di affinamento dell’insieme di regole che ci permettono di immaginare, sviluppare, calcolare e perché no verificare il progetto di un edificio, abilitando simulazioni più aderenti al reale comportamento/invecchiamento dell’opera e permettendoci di raggiungere, a tendere, una progettazione più adatta ai luoghi e agli usi per cui l’opera è richiesta, una progettazione più resiliente, più adattiva e reattiva ai mutamenti.

Ecco che, con questa visione, il digital twin diventa nuovamente di competenza del progettista, della progettazione, per renderla più efficace e più efficiente, migliore. Se al momento l’applicazione del digital twin a un’opera contribuisce ad allungare il ciclo vita attraverso la manutenzione predittiva, in un futuro si potrebbe sviluppare una visione molto più lungimirante, quella di ottimizzare la capacità di progettare analizzando i comportamenti e il rendimento di quanto progettato ex post, a valle del progetto, attuando finalmente il vero concetto e potenziale del digital twin.