Digital Twin nel settore AECO: ruolo e applicazioni lungo il ciclo di vita

Il tema del Digital Twin (DT) continua ad attirare l’attenzione di professionisti e ricercatori in numerosi settori industriali. Oggi questa tecnologia è ampiamente utilizzata per fornire rappresentazioni digitali evolute di oggetti, sistemi e processi, consentendo simulazioni sempre più affidabili del loro comportamento operativo lungo l’intero ciclo di vita.

Già alla fine degli anni 2010, diverse analisi di mercato – tra cui quelle di Gartner – indicavano il Digital Twin come una delle tecnologie destinate a entrare stabilmente nei processi aziendali, in particolare in ambito Internet of Things (IoT).

A distanza di alcuni anni, tali previsioni si sono in larga parte concretizzate: entro la metà degli anni 2020, il Digital Twin è diventato uno strumento chiave per molte grandi organizzazioni, non solo come supporto alla progettazione, ma anche per l’ottimizzazione operativa, la manutenzione predittiva e il decision-making basato sui dati.

Il mercato globale del Digital Twin è tuttora in forte crescita. Questa espansione è trainata dai risultati già ottenuti in settori altamente industrializzati come l’Automotive, dove i veicoli virtuali permettono di ridurre tempi e costi di sviluppo; l’Aerospace, che utilizza gemelli digitali per migliorare affidabilità e prestazioni degli asset; e il Manufacturing, dove l’integrazione con tecnologie di realtà aumentata, realtà virtuale e intelligenza artificiale supporta il monitoraggio della produzione e la gestione della supply chain.

Anche il settore AECO non è estraneo a questa evoluzione. La crescente digitalizzazione dei processi, l’adozione di metodologie BIM mature e la diffusione di sensori e piattaforme dati stanno favorendo un cambiamento di paradigma simile a quello già osservato nelle industrie manifatturiere. Il divario tra il mondo delle costruzioni e gli altri settori industriali si sta progressivamente riducendo.

Un Digital Twin (DT, d’ora in avanti nel presente articolo) può essere definito come la rappresentazione digitale dinamica di un oggetto o sistema reale. In quanto “gemello”, esso deve essere in grado di integrare e restituire, in un ambiente virtuale, informazioni geometriche, fisiche, funzionali e operative provenienti dall’opera reale, aggiornandosi nel tempo.

Grazie all’utilizzo di un DT è possibile ricostruire e monitorare metriche complesse di una struttura fisica in un ambiente digitale, sperimentare scenari alternativi e analizzare gli effetti delle decisioni prima che queste abbiano impatti sull’opera reale. Per questo motivo, i Digital Twin risultano particolarmente efficaci in tutti quei contesti in cui la comprensione, la previsione e il controllo di sistemi complessi rappresentano fattori critici di successo.

  

Prerequisiti essenziali che costituiscono un Digital Twin

Tre sono i prerequisiti essenziali per poter attivare un DT: prodotti fisici nello spazio reale; prodotti virtuali nello spazio virtuale; connessioni di dati e informazioni, che fluiscono in modo automatico e continuo legando insieme prodotti virtuali e reali. Idealmente, il gemello digitale contiene tutte le informazioni dell'oggetto fisico: è una rappresentazione di tutti i suoi aspetti; non si tratta solo di una rappresentazione meccanica o geometrica di un bene, ma di una rappresentazione che include tecnologie, dati operativi, collegamenti a sensori e informazioni di stato.

Il DT utilizza quattro tecnologie per raccogliere e archiviare dati in tempo reale e per ottenere informazioni da elaborare, allo scopo di fornire indicazioni e creare una rappresentazione digitale di un oggetto fisico. Queste tecnologie includono l’Internet of Things (IoT), l’Intelligenza Artificiale (AI), l’Extended Reality (XR) e il Cloud. A seconda del tipo di applicazione in cui è chiamato in causa, un DT può utilizzare in modo più o meno approfondito una di queste tecnologie.

Internet of Things (IoT): l’IoT fa riferimento a una rete estesa di connessioni tra oggetti, persone e sistemi digitali. I gemelli digitali utilizzano l'IoT come tecnologia di base in ogni applicazione. Oggi, la maggior parte delle piattaforme IoT di livello enterprise integra funzionalità di supporto alla creazione e all’aggiornamento di Digital Twin.L’IoT utilizza sensori per raccogliere dati da oggetti del mondo reale; i dati trasmessi dai dispositivi IoT possono essere utilizzati per creare e mantenere una duplicazione digitale di oggetti fisici. La replica digitale può quindi essere analizzata, manipolata e ottimizzata. Grazie ai sensori IoT è possibile aggiornare costantemente i dati e supportare le applicazioni DT nella creazione di una rappresentazione virtuale quasi in tempo reale di un oggetto fisico. Ogni gemello digitale utilizza quindi l’IoT come tecnologia primaria.

Il cloud computing si riferisce alla fornitura di risorse di archiviazione ed elaborazione dati accessibili tramite Internet. Il cloud computing supporta la generazione e la gestione di gemelli digitali attraverso tecnologie di data computing e cloud data storage. Consente di archiviare DT anche di grandi dimensioni, garantendo accesso distribuito ai dati e riducendo i tempi necessari per l’elaborazione delle informazioni.

Come disciplina dell'informatica, l’intelligenza artificiale mira a riprodurre alcune capacità tipiche dell’intelligenza umana al fine di supportare sistemi decisionali avanzati. Le principali aree di applicazione includono il riconoscimento di immagini e segnali, l’analisi dei dati e l’apprendimento automatico. Reti neurali, machine learning, deep learning e sistemi esperti consentono di analizzare automaticamente i dati raccolti dal DT, formulare previsioni sul loro andamento e suggerire azioni correttive per prevenire potenziali criticità.

Extended Reality (XR) è un termine generico utilizzato per descrivere tecnologie immersive come Realtà Virtuale (VR), Realtà Aumentata (AR) e Realtà Mista (MR). Queste tecnologie consentono di fondere il mondo fisico e quello virtuale, estendendo le modalità di interazione con i dati. L’Extended Reality permette di creare rappresentazioni digitali di oggetti che coesistono e interagiscono con il mondo reale. I gemelli digitali utilizzano le funzionalità XR per consentire agli utenti di visualizzare e interagire con i contenuti digitali in modo più intuitivo e immersivo.

 

  

Digital Twin e BIM

Pensando al settore delle costruzioni, l’utilizzo dei DT come strumento per generare repliche virtuali di asset fisici consente di innovare in modo significativo la gestione di beni e progetti.

I DT, in quanto modelli virtuali di un asset fisico, presentano evidenti analogie con il Building Information Modeling (BIM), metodologia ormai consolidata e largamente adottata dai professionisti del settore delle costruzioni.

Il BIM è la rappresentazione digitale di un oggetto fisico e delle sue caratteristiche funzionali. Esso fornisce una risorsa di conoscenza condivisa, consentendo di includere descrizioni geometriche, relazioni spaziali, informazioni geografiche, quantità e proprietà dell’opera.

L’implementazione del BIM lungo la catena del valore degli asset rappresenta uno dei principali fattori abilitanti del percorso che ha portato alla diffusione dei Digital Twin. Il BIM ha infatti introdotto cambiamenti rilevanti nei processi di progettazione e gestione di costruzioni e infrastrutture complesse. Tuttavia, la digitalizzazione del settore delle costruzioni va oltre il solo utilizzo del BIM.

Mentre il BIM fornisce prevalentemente dati statici, il DT, grazie alla connessione con la sensoristica, integra dati aggiornati nel tempo, consentendo a progettisti, responsabili della costruzione e committenti di monitorare l’opera durante le diverse fasi del suo ciclo di vita.

Attraverso l’impiego dei DT, i team di lavoro possono monitorare in modo più efficace il processo di costruzione, individuare potenziali criticità e adeguare le strategie operative, garantendo che i progetti siano completati in sicurezza, nel rispetto dei tempi, dei costi e dei requisiti qualitativi prefissati.

Le soluzioni DT nel settore delle costruzioni possono inoltre supportare il monitoraggio di ulteriori risorse, quali materiali, manodopera e attrezzature, migliorando la gestione della sicurezza e favorendo una pianificazione più efficiente delle attività e della logistica.

I gemelli digitali consentono di ottenere una visione più completa dell’asset, permettendo a gestori e proprietari di raccogliere e analizzare dati relativi alle prestazioni dell’opera.

In sintesi, l’utilizzo dei DT nel settore delle costruzioni presenta un elevato potenziale in termini di efficienza, riduzione dei costi, ottimizzazione dei tempi e sostenibilità.

Grazie ai DT, i modelli virtuali possono modificare il proprio stato in funzione di input esterni che rappresentano eventi reali trasferiti dall’opera fisica attraverso molteplici canali. I dati assimilati dal gemello digitale possono provenire da azioni manuali, input dell’utente o da sensori specifici (sismici, di temperatura, di umidità, ecc.) installati sull’opera in situ.

Questo approccio consente di influenzare positivamente l’intero ciclo di vita del cespite, dalla fase di ideazione e progettazione, passando per la costruzione, fino alla gestione, all’utilizzo e alla manutenzione, tenendo conto dei diversi attori coinvolti e delle relative responsabilità (progettisti, contractor, gestori e proprietari).

 

Tecnologie per realizzare un Digital Twin

Sono oggi disponibili numerose tecnologie in grado di supportare la realizzazione di un DT. Tra le più significative rientrano certamente quelle basate sull’utilizzo di modelli BIM, che prevedono l’adozione di strumenti di modellazione informativa affiancati da workflow di gestione dei dati strutturati.

Nel contesto di un progetto, un tipico flusso di lavoro prevede inizialmente la creazione di un modello informativo contenente dati dettagliati relativi alla costruzione e al funzionamento dell’opera. In questa fase assume crescente importanza l’utilizzo di tecniche di modellazione parametrica dei singoli componenti, che consentono di simulare rapidamente differenti scenari progettuali e di produrre modelli in grado di favorire l’assemblaggio dei componenti con elevata precisione. In presenza di configurazioni complesse o di interazioni tra elementi, risulta utile il ricorso a script dinamici per automatizzare operazioni di posizionamento e coordinamento.

 

 

Questa fase è generalmente seguita dalla creazione di un ambiente dati aperto e connesso, volto a favorire la collaborazione tra i diversi attori del team multidisciplinare e a garantire l’esistenza di un’unica fonte informativa. Il modello informativo condiviso consente di effettuare controlli dimensionali e geometrici, migliorando il corretto posizionamento dei componenti e apportando valore aggiunto alle attività di clash detection.

L’adozione di soluzioni BIM consente così di ridurre i costi di progettazione, migliorare il processo decisionale e rafforzare la comunicazione interdisciplinare.

Nell’approccio BIM-based, lo step fondamentale per giungere alla realizzazione di un Digital Twin è l’arricchimento del modello IFC. Alle informazioni derivate dal file IFC vengono integrate quelle provenienti dalla sensoristica installata sull’opera, rappresentata tramite oggetti dedicati inclusi in appositi modelli IFC. La visualizzazione dei dati avviene attraverso pannelli di consultazione, con rappresentazioni cromatiche e/o numeriche e finestre di pop-up che consentono di analizzare, anche a livello del singolo oggetto BIM, lo stato dei sensori.

 

 

Esiste un legame stretto tra DT, modellazione BIM e contenuti informativi. Per sviluppare un DT robusto, capace di generare valore nelle diverse fasi del ciclo di vita dell’opera, è necessario analizzare molteplici aspetti.

I DT devono essere in grado di elaborare dati significativi, strutturati in formati gestibili, leggibili e coordinati tra le diverse parti coinvolte nel processo edilizio. Si tratta spesso di flussi informativi difficilmente standardizzabili, che richiedono attività specifiche di system integration.

 

Le informazioni che arricchiscono i modelli presentano caratteristiche eterogenee. È pertanto opportuno prevedere un’organizzazione logica dei dati (ad esempio secondo una WBS) già all’interno del modello BIM, al fine di semplificare l’archiviazione degli elaborati, migliorare la tracciabilità delle parti e garantire il rispetto della pianificazione. Risulta inoltre essenziale procedere a una gerarchizzazione delle informazioni: ogni opera è composta da differenti parti, ulteriormente suddivisibili in elementi principali e secondari. Nel caso di un’infrastruttura come un ponte, ad esempio, si possono individuare fondazioni, pile, spalle, travi principali, traversi, campate, giunti e appoggi, fino alla definizione dei singoli componenti.

 

Oltre agli attributi geometrici e informativi di primo livello, è possibile integrare collegamenti intelligenti a database o repository esterni. Un DT, infatti, gestisce una grande quantità di dati e risulta spesso più efficiente demandare alcune informazioni a sistemi esterni specializzati, come strumenti per la gestione delle ispezioni o della manutenzione.

Un’ulteriore tecnologia per la realizzazione di un DT prevede l’utilizzo di modelli di calcolo numerici, nei quali l’esecuzione automatica di analisi agli elementi finiti viene integrata con la calibrazione tramite dati di monitoraggio e analisi inversa. In questo caso, il modello numerico rappresenta l’oggetto virtuale principale, aggiornato nel tempo sulla base dei dati misurati dai sensori.

Il DT segue così l’evoluzione dell’opera monitorata, correlando indicatori utili alla valutazione della sicurezza e dello stato di salute. Attraverso algoritmi avanzati di intelligenza artificiale è possibile prevedere il comportamento futuro della struttura e ottimizzare le strategie di manutenzione.

I DT possono infine essere realizzati mediante tecnologie derivate dall’industria del gaming, che consentono la creazione di modelli navigabili altamente realistici, leggeri e intuitivi. Questi modelli possono essere generati a partire da differenti fonti informative, incluse fotografie o riprese video, risultando particolarmente utili nei casi in cui non siano disponibili modelli BIM o disegni dell’asset.

Tra le tecnologie di acquisizione più efficaci rientra la fotogrammetria terrestre, che consente di ottenere modelli accurati a costi contenuti. Il processo di modellazione 3D è semi-automatico e si basa su algoritmi dedicati all’elaborazione dei dati di input. Gli oggetti vengono riconosciuti e sostituiti con elementi presenti in librerie dedicate, al fine di mantenere il modello leggero e facilmente fruibile.

La libreria degli oggetti rappresenta un elemento fondamentale del DT: gli oggetti, gemelli delle controparti reali, sono inseriti automaticamente e possono assumere comportamenti dinamici, ospitare schede tecniche e fungere da punto di accesso a database e servizi esterni.

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FAQs

• Che cos’è un Digital Twin nel settore AECO?
  È una rappresentazione digitale dinamica di un’opera reale che integra modelli informativi, dati di monitoraggio e sistemi di simulazione per supportare le diverse fasi del ciclo di vita.
• Qual è la differenza tra BIM e Digital Twin?
  Il BIM fornisce una rappresentazione digitale prevalentemente statica dell’opera, mentre il Digital Twin integra dati aggiornati nel tempo, provenienti da sensori e sistemi esterni.
• È sempre necessario un modello BIM per realizzare un Digital Twin?
  Il BIM è uno dei principali abilitatori, ma un Digital Twin può essere costruito anche a partire da modelli numerici, rilievi digitali o altre fonti informative.
• In quali fasi del ciclo di vita il Digital Twin genera maggiore valore?
  Il Digital Twin risulta particolarmente efficace nella gestione e nella manutenzione dell’opera, ma supporta anche le fasi di progettazione e costruzione attraverso la simulazione di scenari alternativi.
  
• Quali tecnologie abilitano un Digital Twin?
  Le principali tecnologie includono Internet of Things, cloud computing, intelligenza artificiale, modellazione BIM ed Extended Reality, utilizzate in modo complementare a seconda dell’applicazione.
• Il Digital Twin è utile anche per opere e infrastrutture esistenti?
  Sì, è particolarmente utile per il monitoraggio strutturale, la gestione operativa e la manutenzione di opere già realizzate.