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Il ruolo della scansione laser nell’ingegneria integrata

Benché le tecnologie di scansione laser abbiano alle proprie spalle una storia consolidata, l'ultimo decennio è stato accompagnato dall'ottimizzazione di tecnologie e processi che hanno saputo offrire nuovo slancio ad un settore tradizionalmente legato al rilievo topografico e architettonico andando ad interessare anche l'ambito dell'ingegneria integrata con particolare riguardo al recupero (revamping) all'adeguamento normativo di risorse altrimenti destinate alla dismissione.

Il laser scanning in impiantistica

La scansione laser 3D è una risorsa estremamente versatile e diffusa tradizionalmente legata all'ambito del recupero architettonico e del rilievo topografico / geomatico che, da oltre un decennio, ha trovato via via una crescente applicazione anche in ambiti differenti, come quello dei montaggi industriali e non ultima l'analisi impiantistica (es. estrattiva, produttiva e/o di processo) volta ad un metodico recupero di risorse in termini di adeguamento normativo e di ottimizzazione funzionale (revamping).

Com'è noto, questa tecnologia permette di acquisire in modo rapido e accurato le dimensioni, la geometria e i dettagli di strutture / attrezzature complesse, fornendo un'ampia gamma di dati relativi al contesto reale che possono essere utilizzati per riprogettare, affinare e in sintesi preservare sistemi altrimenti destinati alla sostituzione (ovvero ad una completa dismissione), anticipando molte delle criticità che l'intervento esecutivo potrà presentare sia in termini di costi che di mezzi.

Con ciò, è significativo riconoscere come il laser scanning possa, innanzitutto, contribuire da un lato a ridurre i tempi di pianificazione gestionale e dall'altro  a massimizzare l'affidabilità d'intervento, sia durante la fase di studio di fattibilità preliminare che in quella ispettiva / manutentiva a medio-lungo termine, favorendo  eventualmente  la definizione di circostanze di esercizio ottimali volte a comprimere le tempistiche di fermo-impianto.

Sempre in un'ottica di lungo termine, infine, sono facili da intuire le ricadute positive in materia di sicurezza occupazionale se consideriamo anche soltanto la sensibile riduzione delle ore/uomo destinate alla fase di rilievo tecnico-dimensionale in presenza (e della conseguente esposizione al rischio di infortunio, specie in ambienti confinati e/o a rischio d'incidente rilevante) a fronte della possibilità, una volta che i dati derivanti dalle scansioni abbiano consentito la creazione e l'aggiornamento di un modello digitale predittivo giudicato affidabile (es. digital twin) di fornire un riferimento condiviso che vada a snellire non solo il flusso di lavoro delle tradizionali discipline tecniche (es. analisi stress e strutturale, in primis), ma si possa integrare con tutte le funzioni di gestione dell'impianto stesso (HSE, logistica ecc.).

Come funziona il laser scanning?

All'atto pratico, la tecnologia di scansione laser 3D si basa sull'impiego di un dispositivo elettro-ottico meccanico che rileva autonomamente gli oggetti circostanti nella loro esatta collocazione spaziale (ossia, nelle tre dimensioni): perché questo avvenga, si ricorre solitamente ad un sistema che non altera in alcun modo le superfici esaminate, ma ne stima la posizione rispetto alla fonte di emissione sulla base di diversi fattori come il tempo di ritorno (Time of Flight - TOF) o la variazione di fase.

In questo modo, è possibile raccogliere un'articolata sequenza di input digitali in un lasso di tempo relativamente contenuto (pochi minuti per ogni singola posizione di scansione), generando quindi una cosiddetta "nuvola di punti" (un insieme di coordinate dimensionali nello spazio), che costituiscono la rappresentazione informatica dell'ambiente scansionato.

Figura 1 - Nuvola di punti (a sinistra) e modello derivato (a destra) [Fonte: WESCAN Solutions, 2023].
Figura 1 - Nuvola di punti (a sinistra) e modello derivato (a destra) [Fonte: WESCAN Solutions, 2023].

I dati grezzi così ottenuti costituiscono una notevole mole di informazioni che vanno a ricomprendere differenti elementi d'interesse (es. caratteristiche superficiali, trame, colori ecc.) e rappresentano la fonte di informazioni per successive elaborazioni oltre che per ottenere diversi tipi di output utilizzabili in ambito esecutivo (es. modelli tridimensionali, planimetrie, montaggi e sezioni, P&ID, immagini statiche o video).

Una campagna di rilievo è solitamente articolata in fasi sequenziali per permettere di eseguire molteplici acquisizioni da diverse angolazioni / posizioni, combinandone i risultati per definire un modello 3D completo e accurato.

I sistemi di scansione a tempo di volo (TOF) e quelli a modulazione di fase (Phase-Shift Laser Scanning) risultano, di solito, adatti al rilievo di superfici di dimensioni medio-grandi con dettaglio massimo pari a 4-5 mm e un campo d'azione che va dal mezzo metro ai 2 Km.

È notevole la diffusione di nuovi sistemi di mappatura e digitalizzazione basati su tecnologia SLAM (Simul-taneous Localization and MApping). Questa nuova famiglia di strumenti utilizza la scansione laser per creare in tempo reale la mappa dettagliata di un ambiente servendosi di algoritmi che combinano i dati di ritorno generati da laser, telecamere e altri sensori per raccogliere informazioni utilizzabili in una notevole varietà di applicazioni.

In quest'ottica, l'aspetto focale è legato alla simultaneità, per l'appunto, delle funzioni di localizzazione (ossia, dell'esatta determinazione della posizione del sensore nell'ambiente) e di mappatura secondo un processo continuo, perfezionato iterativamente man mano che si raccolgono nuovi riscontri.

Uno dei principali vantaggi dei sistemi SLAM, quindi, è che possono essere impiegati senza il bisogno di informazioni pregresse (es. tracciati, rilievi ecc.) né di altre cognizioni preliminari legata al contesto da scansionare, rendendo possibile confrontarsi con ambienti sconosciuti e/o dinamici in cui i metodi di rileva-mento tradizionali potrebbero essere troppo lenti, o persino inapplicabili.

Figura 2 - Scansione 3D in impianto [Fonte: WESCAN Solutions / 3Units Technologies, 2023].
Figura 2 - Scansione 3D in impianto [Fonte: WESCAN Solutions / 3Units Technologies, 2023].

In generale, la versatilità dei sistemi SLAM è anche una delle ragioni che li rende particolarmente diffusi nei settori della robotica e dei mezzi a guida autonoma, specie se associati a forme più o meno strutturate di IA cui demandare:

  • la calibratura preliminare dei dispositivi secondo modelli di apprendimento iterativo (deep learning) al fine di ridurre il "rumore di fondo" durante il rilievo in campo compensando i problemi generati dall'eventuale presenza di superfici di difficile lettura (es. in movimento, trasparenti, scarsamente riflettenti ecc.);
  • la tempestiva correzione di errori e incongruenze migliorando l'affidabilità attesa del processo di gene-razione della nuvola di punti, nell'intento di comprimere i tempi di successiva rielaborazione anche di un terzo rispetto ai modelli tradizionali.

Ad oggi, grazie alla riduzione di dimensione e di peso, i sistemi di scansione laser possono essere facilmente trasportati manualmente, ovvero montati su autoveicoli in movimento e/o droni per consentire il rilievo in quota anche in aree altrimenti difficili da ispezionare (es. rack, camini, colonne ecc.).

Figura 3 – Nuvola di punti da mobile laser scanner - Modello As-Built [Fonte: WESCAN Solutions / 3Units Technologies, 2023].
Figura 3 – Nuvola di punti da mobile laser scanner - Modello As-Built [Fonte: WESCAN Solutions / 3Units Technologies, 2023].

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