Digital Twin e Asset Management System: l’approccio metodologico per la gestione delle reti infrastrutturali

L’articolo descrive le attività svolte nell’ambito del progetto pilota di integrazione tra l’attuale sistema di Asset Management di SINA e il Digital Twin dell’opera, con l’introduzione di nuove “dimensioni BIM” e la predisposizione di una struttura capace di accogliere dati fisici reali sul modello gemello digitale.

Il progetto, promosso da SINA S.p.A. – Società di Ingegneria del Gruppo ASTM, è stato realizzato in collaborazione e grazie alle competenze specialistiche di ARCHIMEDE S.r.l. .

Gli obiettivi del progetto pilota sono lo sviluppo di metodologie strutturate ed innovative per la gestione dinamica delle infrastrutture utilizzando i gemelli digitali, la gestione programmata della manutenzione dei ponti autostradali e l’impostazione di una piattaforma di Asset Management BIM-oriented per la determinazione della manutenzione predittiva specifica per SINA, ossia, per le Concessionarie facenti parte del Gruppo ASTM.

Tale piattaforma viene utilizzata come tecnologia abilitante delle analisi volte alla gestione della sostenibilità e della sicurezza (dimensioni BIM 7D e 8D) per le singole opere esistenti e per la loro rete infrastrutturale di appartenenza. Il tutto è stato realizzato tenendo presente anche i principi contenuti nelle Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti del MIT pubblicate inizio 2020.

All’interno dell’articolo vengono descritti metodologie, pratiche operative, rischi e opportunità nell’ambito dell’applicazione di metodi e strumenti digitali (modellazione dell’asset con strumenti BIM, piattaforme di collaborazione, dashboards, impostazione metriche a supporto dei sistemi di Asset Management System, ecc.) per la realizzazione del progetto ed il raggiungimento degli obiettivi prefissati.

Infrastrutture: integrazione tra un sistema di Asset Management e il Digital Twin dell’opera

ARCHIMEDE S.r.l. e SINA S.p.A. hanno implementato, fin dal 2001, strumenti di supporto decisionale per la gestione delle reti infrastrutturali.

La collaborazione, nata per poter utilizzare i dati raccolti con la dettagliata metodologia ispettiva SINA, ha permesso di applicare sistemi di Bridge Management System (BMS) sulle reti gestite dal Gruppo ASTM, tra i quali il sistema di BMS sviluppato dalla AASHTO (American Association Of State Highway And Transportation Officials).

A seguito della pubblicazione delle recenti Linee Guida del Ministero dei Trasporti nel 2020 per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti, che introducono, insieme all’approccio multilivello delle verifiche di sicurezza, anche i sistemi di BMS e la modellazione BIM, le due società hanno sviluppato il progetto pilota descritto nell’articolo che unisce le esperienze maturate in tali ambiti e adotta un “criterio multilivello” anche per la modellazione BIM.

Il progetto pilota 

Lo scopo principale del progetto pilota è stato perciò strutturare una metodologia di riorganizzazione delle informazioni attualmente presenti nella piattaforma BMS di SINA, da utilizzare come supporto decisionale per ispettori, tecnici, enti gestori, agenzie di controllo della sicurezza, estendendo la metodologia di rappresentazione e di organizzazione del dato sia all’intero patrimonio (opere e reti infrastrutturali) gestito da SINA che anche ad altri patrimoni infrastrutturali.

Il progetto pilota: la modellazione BIM per creazione del gemello digitale dell’asset in ambito ispettivo, l’integrazione col Sistema Ispettivo Opere SINA (SIOS) e l’evoluzione del relativo Bridge Management System.

Lo scopo del progetto pilota consiste nell’integrare l’attuale sistema di Bridge Management di SINA, le cui informazioni sono basate sul Sistema Ispettivo Opere SINA (SIOS), ed il modello gemello digitale, realizzato seguendo le indicazioni della metodologia BIM.

Obiettivo principale lo sviluppo di una metodologia per la gestione dinamica delle infrastrutture, della manutenzione ordinaria e di quella predittiva, in ottica di Asset Management. Per far ciò il team di specialisti coordinato da Archimede S.r.l., ha approfondito la metodologia di modellazione dei dati delle ispezioni visive su alcuni viadotti, per i quali erano già disponibili modelli BIM realizzati utilizzando Autodesk Revit, anche se sviluppati con modellazione con obiettivi di tipo progettuale.

Tali modelli sono stati, pertanto, modificati e aggiornati per ottenere il livello di fabbisogno informativo (LOG, LOI, documentazione) utile alla digitalizzazione ed alla modellazione dei dati ispettivi (USO DEL MODELLO: ISPETTIVO/GESTIONALE/ASSET MANAGEMENT).

Le ulteriori attività eseguite per raggiungere gli obiettivi di progetto sono state la sperimentazione di differenti soluzioni tecnologiche e di strumenti operativi, oltre che modalità di gestione dei dati derivanti dai flussi dati da attività ispettive e la creazione di un sistema di supporto decisionale in ottica di BMS, con il valore aggiunto, in ottica di gestori, ispettori e tecnici, dell’individuazione della soluzione tecnologica migliore per poter visualizzare ed interrogare sia i modelli BIM, sia le informazioni ad essi collegate, senza necessità di specifici tool di modellazione.

Le principali attività

Le attività svolte, nella realizzazione del progetto pilota e sulla base degli obiettivi prefissati, sono state, in estrema sintesi, le seguenti:

• predisposizione della base dati (WBS, parametrizzazione e creazione dei template) in modo da definire un approccio adattabile ed adottabile per più tipologie di opere e strutture (ottica di Asset Management);
• aggiornamento dei modelli BIM ai fini ispettivi, con contestuale definizione ed implementazione delle linee guida per la modellazione delle opere. Tale approccio ha lo scopo di poter integrare il modello BIM al dato ispettivo (allineamento tra modello degli elementi con la codifica utilizzata in ambito ispettivo);
• creazione dei parametri per la registrazione e modellazione delle anomalie;
• identificazione della modalità di visualizzazione dei dati ispettivi sui modelli, attraverso lo sviluppo di una apposita piattaforma collaborativa;
• integrazione del modello BIM con la modellazione geometrica delle anomalie registrate durante le attività ispettive in Microsoft Power BI, attraverso all’applicativo Vcad;
• definizione e creazione di dashboard a supporto della visualizzazione ed analisi della struttura
• dell’opera e delle anomalie rilevate sugli elementi ispezionati;
• elaborazione dei dati ispettivi per scopi di BMS, in particolare per la definizione di metriche di
• valutazione dell’indice di salute (HEALTH INDEX)
• Identificazione delle opportune dashboard di visualizzazione dei dati BIM e dei dati di degrado di cui ai punti precedenti, per fornire uno strumento di supporto decisionale in ottica di Bridge Management con impostazione di analisi predittive, di gestione dei budget e dei livelli di servizio.

Gli strumenti operativi adottati

Gli strumenti operativi utilizzati sono stati:

• Autodesk Revit 2020 e 2021 per la modellazione dei viadotti,
• Microsoft Power Bi quale strumento di business intelligence per la gestione e visualizzazione in dashboard dei dati ,
• Vcad di BLogic per l’integrazione dei modelli in Microsoft Power BI,
• Solibri Office per la visualizzazione dei modelli in formato IFC e degli elementi nei diversi stati di servizio e per la creazione di opportune quantity takeoff a supporto dell’ispezione.

L’attuale Sistema Ispettivo Opere SINA e relativo BMS (SIOS)

SINA, per l’esecuzione dell’attività di ispezione delle opere si basa su un metodo proprio – SIOS – che prevede la registrazione puntuale (tipologia, estensione, gravità e posizione) dei degradi ogni elemento tipico del ponte (o di altra opera presente sull’infrastruttura) e l’assegnazione di un indicatore di livello di degrado puntuale per ogni elemento e per ogni successivo livello di aggregazione degli elementi (sia fisico, per campata ed opera, che logico, per tipologia strutturale dell’elemento e delle campate) che definisce infine lo stato del ponte con un valore che permette di mettere a confronto tra loro tutte le opere di una infrastruttura o di altre reti infrastrutturali.

Il metodo di ispezione SINA, supportato da soluzioni informatiche sviluppate ad hoc, consente di:

• avere dati di ispezione dettagliati ed oggettivi per ogni elemento dell’opera, completi anche di rappresentazione grafica degli elementi e dei degradi rilevati;
• disporre di un archivio storico (database interrogabile) dei degradi e dei livelli di degrado calcolati, al fine di monitorare l’evoluzione nel tempo e di predisporre previsioni sull’evoluzione di questi valori;
• ordinare, raggruppare, mediare, determinare i valori massimi e minimi ed effettuare calcoli statistici sia su elementi che difetti e gli indicatori di livello di degrado del singolo elemento, di gruppi o dell’opera nel suo complesso;
• definire lo stato reale della struttura, utilizzando valori di livello di degrado, valutando il contesto in cui si localizza l’opera, la gravità dell'ambiente e sulla base anche dei risultati di speciali prove sui materiali ed, eventualmente, di speciali indagini tecniche;
• definire le priorità di intervento sul breve/medio periodo in funzione di: indici rappresentativi degli stati di condizione degli elementi strutturali, elaborazioni statistiche valori indice e analisi di serie storiche;
• avere dati utili per l'analisi dei costi dei lavori di riparazione e la relativa quantificazione.

La modellazione BIM per creazione del gemello digitale dell’asset in ambito ispettivo

WBS e predisposizione dei dati di base

La WBS del modello BIM in ambito ispettivo in Autodesk Revit è stata strutturata basandosi sulla convenzione SINA in otto livelli. L’utilizzo della struttura dati già presente in SINA nell’attuale BMS ha facilitato le attività di predisposizione del dato, per cui gli oggetti presenti nei modelli presentano un parametro relativo al codice elemento opera SINA così come codificato in SIOS e da qui l’utilizzo della struttura dati presente in un DB relazionale per la costruzione delle dashboard in Power BI a vari livelli di dettaglio: dall’opera nel suo insieme alla singola specifica anomalia rilevata in ispezione in un determinato anno. Rispetto alla struttura dati SINA si è comunque optato per includere alcuni livelli intermedi di aggregazione dei dati e degli oggetti per rispondere alle esigenze di valutazione dello stato di salute dell’opera e delle analisi di evoluzione del degrado e di criticità, per esempio: aggregazione degli elementi secondo le caratteristiche strutturali (sovrastruttura o sottostruttura) e non solo per tipologia elemento.

La struttura della WBS – come si leggerà in seguito – è stata utilizzata per riorganizzare il data model di input per la modellazione delle anomalie per ogni tipologia di elemento nei modelli BIM dei ponti del progetto pilota, oltre che per la creazione di apposite dashboard in Microsoft Power BI con le quali un utente (ispettore, gestore, tecnico, a seconda delle necessità e dei diritti di accesso) abbia visibilità immediata ed intuitiva di ogni elemento, delle tipologie di anomalie riscontrate durante le ispezioni, sia per gli elementi strutturali, sia per le opere accessorie.

Figura 1 – Dashboard “WBS” con tutti gli elementi selezionati sviluppata in Power BI ed integrata con la visualizzazione del modello Revit grazie alla componente VCad.

Figura 2 – dettaglio della Dashboard “WBS” con visualizzazione della WBS con filtro applicato sugli oggetti classificati come pile

Modello BIM dell’opera a fini ispettivi

I modelli BIM dell’opera realizzati a fini progettuali utilizzati per il progetto pilota sono stati adattati ai fini “ispettivi” seguendo le impostazioni date dalla definizione della WBS e la convenzione SINA relativa alla definizione degli elementi oggetto di ispezione.

I dati informativi gestiti ed archiviati in SIOS sono stati inseriti come parametri sia per la caratterizzazione degli elementi sia per la definizione delle anomalie su Autodesk Revit.

Il modello dati (AIM – Asset Information Model) è stato strutturato appositamente per permettere la gestione delle informazioni derivanti dall’attività ispettiva, ma è rimasto comunque integrabile, per le fasi di progettazione, impostando anche apposite schede informative per ciascun elemento. Nello specifico il modello dati permette di:

• modificare, eliminare e gestire le categorie in piena libertà, restando indipendenti da categorizzazioni imposte da software specifici (Revit).
• impostare l’organizzazione delle informazioni basata sulla realtà della Committenza da condividere l’intera catena di fornitura di SINA.
• rispettare la normativa in termini di OpenBIM e formati aperti.

Il risultato di questa attività è stata la definizione delle linee guida ed istruzioni operative per la realizzazione di modelli ai fini ispettivi e sviluppate in ottica di “messa a sistema” della metodologia sulle opere gestite da SINA col sistema SIOS.

Strategie di modellazione dei degradi

Per le attività proprie del progetto pilota, per verificare sia la fattibilità , sia l’opportunità di integrazione tra i dati presenti nel sistema SIOS di SINA ed il modello BIM, si sono sperimentate strategie differenti di modellazione in funzione di :

• livello di dettaglio del dato trattato,
• valutazione “costo-beneficio” dell’applicazione delle differenti modalità di modellazione in funzione dell’obiettivo.

Il modello ispettivo SIOS di SINA prevede la rilevazione di dettaglio delle anomalie riscontrate mediante osservazione visiva e/o strumentale, ovvero l’indicazione oggettiva del tipo di degrado, della sua gravità ed estensione, quest’ultima quantificata grazie alla digitalizzazione delle anomalie su schemi grafici 2D rappresentanti i singoli elementi, i con integrazione di prove geometriche e sui materiali.

Alla luce dei dati presenti in SIOS e loro livello di dettaglio, per la rappresentazione sul modello BIM, sono state sperimentate varie strategie di digitalizzazione delle anomalie, sia geometricamente, sia con parametri informativi, registrando pro e contro di ciascuna, per poi arrivare all’effettiva applicazione di due possibili metodi.

Questa impostazione metodologia è stata cruciale anche per permettere l’allineamento dei dati informativi con quelli parametrici e l’interrogazione bidirezionale dato/modello.

Il primo metodo sperimentato ha comportato la digitalizzazione di tutte le anomalie, sia geometricamente, sia con parametri informativi, andando a replicare sul modello 3D, seppur in modo approssimato, l’area e la posizione dell’anomalie rilevata e registrata su 2D.

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