Gemelli digitali per il supporto alla manutenzione e al monitoraggio delle infrastrutture

Gemelli digitali per la manutenzione e il monitoraggio delle infrastrutture: come passare alla manutenzione predittiva

Nel mondo delle infrastrutture, dove sicurezza, efficienza e sostenibilità devono convivere in equilibrio, la manutenzione rappresenta oggi una delle sfide più complesse. Strade, ponti, dighe e gallerie costruite decenni fa operano ben oltre la loro vita utile di progetto, mentre la domanda di mobilità cresce a ritmo costante.

Secondo il World Economic Forum, entro il 2040 serviranno investimenti globali per oltre 15.000 miliardi di dollari solo per mantenere e ammodernare le infrastrutture esistenti. In questo scenario, l’innovazione digitale non è più un’opzione, ma una necessità strategica.

La crescente digitalizzazione del settore delle costruzioni – spinta dall’adozione del BIM e dalle tecnologie di monitoraggio intelligente – sta aprendo la strada a un nuovo paradigma: il Digital Twin, o “gemello digitale”.

Si tratta di una replica virtuale dinamica e aggiornata in tempo reale dell’infrastruttura fisica, capace di integrarne geometria, comportamento strutturale, condizioni ambientali e dati di esercizio. Un sistema che, grazie alla convergenza tra sensori IoT, modelli informativi e intelligenza artificiale, permette di prevedere criticità, ottimizzare la manutenzione e prolungare la vita utile delle opere.

Il mercato globale dei digital twin è in piena espansione: secondo MarketsandMarkets, nel 2025 supererà i 73 miliardi di dollari, con tassi di crescita annua vicini al 60%. E se i settori pionieri – come l’aerospaziale, l’automotive e il manifatturiero – hanno già dimostrato l’efficacia di questa tecnologia, oggi anche il mondo delle infrastrutture civili sta vivendo una fase di rapida trasformazione. Il digital twin consente di passare da una manutenzione “a calendario” a una manutenzione predittiva e data-driven, riducendo i costi operativi fino al 30% e migliorando sensibilmente la sicurezza.

Le infrastrutture, infatti, sono soggette a un continuo degrado dovuto a sollecitazioni meccaniche, variazioni termiche, corrosione e fenomeni ambientali estremi. Disporre di un modello digitale che ne riproduce in tempo reale il comportamento significa anticipare i problemi anziché reagire a essi, supportando decisioni più rapide, mirate e sostenibili.

In questa prospettiva, i gemelli digitali rappresentano un passaggio fondamentale verso un nuovo modo di concepire la manutenzione: intelligente, integrata e proattiva. Una rivoluzione che non riguarda solo la tecnologia, ma il modo stesso in cui pensiamo, costruiamo e gestiamo le infrastrutture del futuro.

Il Digital Twin e le tecnologie abilitanti

Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale dinamica di un sistema reale, capace di riprodurne in modo fedele le caratteristiche geometriche, fisiche e funzionali, e di aggiornarne continuamente lo stato attraverso dati provenienti dal mondo reale. Non si tratta semplicemente di un modello tridimensionale o informativo, ma di un ecosistema digitale vivo, in cui informazioni, modelli e sensori dialogano in tempo reale per restituire una visione integrata dell’opera fisica durante tutto il suo ciclo di vita.

Rispetto ai modelli BIM, ormai diffusi nel settore AECO, il digital twin rappresenta un salto di paradigma. Mentre un modello BIM è tipicamente un contenitore di dati statici che viene aggiornato manualmente, il gemello digitale è un sistema evolutivo, che apprende e si aggiorna autonomamente in funzione delle condizioni operative dell’infrastruttura.

Una simulazione tradizionale, infatti, ci racconta cosa potrebbe accadere; un digital twin, invece, ci dice cosa sta realmente accadendo in quel momento, fornendo una fotografia dinamica e predittiva del comportamento strutturale e funzionale di un’opera.

Le tecnologie abilitanti del Digital Twin

La realizzazione di un digital twin efficace si fonda sulla convergenza di più tecnologie abilitanti, ognuna delle quali contribuisce a un aspetto specifico del suo funzionamento. Tra le principali:

• Internet of Things (IoT): sensori, dispositivi e reti intelligenti installati sull’infrastruttura raccolgono dati fisici (vibrazioni, temperatura, deformazioni, flussi di traffico, umidità, corrosione, ecc.) e li trasmettono in tempo reale al modello digitale.
  
• Edge e Cloud Computing: i dati vengono elaborati localmente (edge) per risposte rapide e nel cloud per analisi avanzate e archiviazione massiva. Questa architettura consente di gestire flussi continui di informazioni senza sovraccaricare la rete.
  
• Big Data e Analytics: i dataset provenienti dai sensori, dai modelli BIM e da altre fonti vengono aggregati, normalizzati e analizzati per identificare pattern, correlazioni e tendenze di degrado.
  
• Intelligenza Artificiale e Machine Learning: algoritmi predittivi trasformano i dati in conoscenza, stimando l’evoluzione delle condizioni dell’opera, individuando anomalie e suggerendo strategie di manutenzione ottimizzate.
  
• Simulazioni fisico-numeriche: modelli matematici e di calcolo agli elementi finiti (FEM, CFD, ecc.) permettono di replicare il comportamento dell’infrastruttura sotto carichi reali o eventi estremi.
  
• BIM e modellazione informativa: la struttura geometrica e informativa dell’opera costituisce il “contenitore” del digital twin, integrando dati geometrici, materiali, componenti e relazioni spaziali.
• Realtà aumentata (AR) e virtuale (VR): tecnologie immersive che consentono di visualizzare e interagire con il gemello digitale, facilitando attività di ispezione, formazione e manutenzione in campo.
• GIS e sistemi di georeferenziazione: contestualizzano il digital twin nel territorio, permettendo l’analisi integrata con fattori ambientali, climatici e infrastrutturali circostanti.
  
• Blockchain e sicurezza dei dati: garantiscono la tracciabilità e l’integrità dei dati lungo il ciclo di vita dell’infrastruttura, aspetto cruciale nei progetti pubblici e nei sistemi multi-attore.

Un ecosistema complesso e dinamico

Ogni gemello digitale è un sistema di sistemi, la cui architettura varia in base a scala, ambito e obiettivi. Può rappresentare un singolo componente (ad esempio un giunto o un sensore), un’intera infrastruttura, o persino un territorio interconnesso di opere.

Non esiste un digital twin “standard”: ogni applicazione richiede una integrazione ad hoc di dati, modelli e strumenti, un vero processo di system integration che unisce competenze di ingegneria, informatica, data science e gestione dell’asset.

Realizzare un gemello digitale, quindi, non significa solo adottare nuove tecnologie, ma sviluppare una nuova cultura operativa, orientata ai dati, alla collaborazione interdisciplinare e alla gestione continua del ciclo di vita dell’infrastruttura.

Tra i diversi approcci alla costruzione di un digital twin, uno dei più efficaci che possiamo citare è il gemello digitale basato su modelli BIM.

In questo caso, il gemello digitale si sviluppa a partire da un modello informativo BIM, arricchito progressivamente da dati operativi. Il BIM fornisce la base geometrica e semantica, mentre i sensori e i sistemi di monitoraggio aggiungono la dimensione dinamica.

Il risultato è un modello tridimensionale “intelligente” in grado di visualizzare in tempo reale lo stato dell’opera, di gestire documentazione e manutenzioni programmate, e di supportare decisioni operative. Questo approccio è ideale per il facility management e la gestione integrata dell’asset.

Le piattaforme Trimble Connect e Tokbo per la generazione del gemello digitale

Nel contesto della progettazione e manutenzione delle infrastrutture, la creazione di un digital twin operativo nasce dall’integrazione di più livelli tecnologici: modellazione informativa, ambienti di collaborazione e sistemi di monitoraggio IoT.

La combinazione tra le piattaforme Trimble Connect e Tokbo, ulteriormente potenziata dal modulo Document Controller sviluppato da Harpaceas, rappresenta un esempio concreto di come questi livelli possano convergere in un ecosistema digitale unico, scalabile e realmente operativo.

Dal modello informativo al gemello digitale

Un tipico flusso di lavoro digitale per la gestione di un’opera esistente o per la realizzazione di un nuovo progetto parte dalla costruzione di un modello informativo tridimensionale, strutturato in formato IFC e capace di descrivere con precisione geometrie, materiali e relazioni tra componenti.

Le moderne tecniche di modellazione parametrica consentono di simulare rapidamente l’asset e di aggiornare il modello in modo dinamico, favorendo un’accurata rappresentazione del comportamento reale dell’opera.

In una fase successiva, i modelli digitali vengono importati in un ambiente di dati connesso e collaborativo (AcDat o Common Data Environment – CDE), che garantisce un’unica fonte di verità e un accesso controllato alle informazioni da parte di tutti gli stakeholder del progetto: progettisti, gestori, manutentori, ispettori e committenza.

È proprio in questo ambiente integrato che il modello BIM può evolvere in digital twin, arricchendosi di dati di campo, informazioni documentali, rilievi e flussi di monitoraggio continuo.

Trimble Connect come piattaforma di collaborazione e visualizzazione

Trimble Connect è una piattaforma cloud-based per la collaborazione multidisciplinare che consente di visualizzare, gestire e condividere modelli 3D, documenti tecnici e dati di progetto in un contesto integrato. La piattaforma è agnostica rispetto ai formati (supporta IFC, RVT, DWG, PDF, LAS e molti altri) e interoperabile con i principali software di progettazione e gestione.

All’interno di Trimble Connect, i modelli IFC possono essere arricchiti con metadati dinamici provenienti da sensori o da sistemi esterni, trasformando un modello statico in un gemello digitale informativo e interattivo.

Il processo di arricchimento si basa su tre livelli principali:

1. Dati geometrici e informativi (BIM) – rappresentano la struttura di base del modello digitale.
2. Dati di monitoraggio (IoT) – informazioni in tempo reale provenienti da sensori installati sull’opera (ad esempio vibrazioni, deformazioni, temperatura, corrosione, ecc.).
   
3. Dati gestionali e documentali – report ispettivi, prove in situ, manuali tecnici, fotografie e video associati direttamente agli oggetti 3D.

La piattaforma consente la personalizzazione delle visualizzazioni: è possibile rappresentare graficamente grandezze fisiche tramite mappe cromatiche o indicatori numerici, gestire livelli di allerta e confrontare serie temporali per monitorare l’evoluzione delle condizioni dell’infrastruttura.

Un ulteriore vantaggio è la capacità di gestire accessi differenziati e flussi di lavoro collaborativi. Ogni utente può operare in base ai propri permessi, con possibilità di assegnare attività e segnalazioni ad esempio tramite il formato BCF (BIM Collaboration Format), esportabili come report. In questo modo, l’intero processo di gestione, controllo e manutenzione può essere tracciato e condiviso in tempo reale tra tutti i partecipanti.

Il ruolo di Harpaceas e il modulo “Document Controller”

Per ampliare ulteriormente le funzionalità di Trimble Connect nel contesto della manutenzione e del monitoraggio infrastrutturale, Harpaceas ha sviluppato un plug-in dedicato: il Document Controller. Questo modulo, completamente integrato nella piattaforma Trimble Connect, consente una gestione avanzata dei documenti tecnici e delle informazioni di campo, arricchendo ulteriormente il modello informativo.

Le principali funzionalità del Document Controller includono il collegamento diretto di documenti (schede tecniche, relazioni, certificati, fotografie, video) agli oggetti del modello 3D; l’integrazione di schede ispettive digitali e risultati di prove non distruttive; l’associazione di dati da piattaforme IoT esterne, come sistemi di monitoraggio strutturale e ambientale; la gestione del versioning e la tracciabilità dei documenti, con storico completo delle modifiche.

Grazie a queste funzionalità, il Document Controller trasforma Trimble Connect in un hub informativo evoluto, in grado di connettere modelli, sensori, report e processi gestionali in un unico ambiente integrato.

L’integrazione con Tokbo: dalla connessione sensoriale al gemello predittivo

Il passo successivo verso un vero digital twin operativo è la connessione diretta con la sensoristica di campo. In questo contesto si inserisce l’integrazione tra Trimble Connect e Tokbo, una piattaforma IoT avanzata sviluppata per il monitoraggio intelligente di giunzioni bullonate.

Tokbo è un sistema di monitoraggio all’avanguardia che prevede l’installazione di un insieme di sistemi di fissaggio sensorizzati, dai bulloni alle rondelle, adattandosi al tipo di giunzione utilizzata dal cliente.

I sensori sono stati progettati per consentire il monitoraggio di più dimensioni, al fine di avere una panoramica la più possibile completa sullo stato dei giunti. I dati monitorabili possono essere la forza di serraggio, il cui monitoraggio consente di verificare eventuali decadimenti nel tempo; la temperatura (in particolare, poter leggere i dati al netto delle variazioni climatiche esterne), lo stato oscillatorio (per una puntuale analisi delle vibrazioni) ed infine le misure di inclinazione (al fine di identificare variazioni nella posizione del giunto).

I sistemi di fissaggio sensorizzati (vedi figura seguente) vengono connessi ad un gateway, il quale invia costantemente e in tempo reale i dati sulle rilevazioni alla piattaforma proprietaria di Tokbo o integrandoli in piattaforme cliente, dove vengono immagazzinati, visualizzati ed analizzati, e messi a disposizione sia del team di Tokbo che del cliente, per un’agile consultazione. Il tutto, supportato da modelli di intelligenza artificiale in grado di rilevare pattern di anomalie allarmanti, prevedendo il guasto prima che si verifichi.

Con Tokbo è possibile impostare soglie di tolleranza personalizzate oltre le quali si rischia di incorrere in problemi strutturali. Superate tali soglie, il sistema invia in automatico due tipi di notifiche, warning e alert, a seconda del livello di gravità, per segnalare al cliente la necessità di inviare una squadra di manutenzione e intervenire per tempo, evitando che l’evento dannoso si manifesti, o contenendone l’impatto.

Si tratta di una personalizzazione che parte dalla varietà di sistemi di fissaggio sensorizzabili, all’installazione realizzata nei punti critici dell’infrastruttura monitorata, fino alla regolazione delle soglie di tolleranza per alert e warning. Una soluzione pensata e sviluppata per rispondere alle mutevoli esigenze del cliente.

Il sistema è disponibile nelle versioni wired e mild-wireless; la prima si connette direttamente alla rete elettrica a disposizione, e consente di collegare fino a 256 sensori; la seconda, invece, comprende un sistema di cablaggio diretto dove l’alimentazione è fornita mediante dei pannelli solari, svincolandosi dalla necessità di una rete elettrica a cui connettersi.

Alcuni esempi dei diversi tipi di sistemi di fissaggio sensorizzabili da Tokbo.

 ..Continua la lettura nel PDF.

Nel pdf si continua parlando di:

• Il caso in esame: ponte ferroviario in acciaio su un canale artificiale
  
• Le risultanze dall’attività di monitoraggio
  
• La piattaforma Trimble Connect - Tokbo