Soluzioni per la digitalizzazione delle infrastrutture

Vista l’esigenza stringente che coinvolge gestori e progettisti di attuare una digitalizzazione spinta delle infrastrutture, CSPFea presenta la sua riflessione sullo stato dell'arte dello sviluppo tecnologico per questa tipologia di opere nella quale vengono illustrati i quattro pilastri fondamentali della digitalizzazione delle infrastrutture.

Vengono infine presentate le soluzioni software per migliorare la progettazione e la digitalizzazione di ponti, viadotti e tunnel.

Tra emergenza del fare ed efficacia delle soluzioni

Negli ultimi anni alcuni avvenimenti catastrofali accaduti ad opere infrastrutturali della rete viaria italiana hanno rafforzato la convinzione che la digitalizzazione, già promossa da numerose iniziative nazionali e alcune Leggi, potesse concorrere a risolvere molti gravi problemi.

Le iniziative di “boost” dell’economia, a seguito della crisi generata dalla pandemia, con ingentissimi fondi (PNRR) legati ad una Agenda europea che si basa su criteri quali la digitalizzazione e le politiche green, hanno creato quasi una aberrazione del mercato (ed una spinta inflazionistica) verso soluzioni così innovative che non dimostrano ancora la loro efficacia. Il riferimento va all’Ingegneria 4.0, come l’abbiamo battezzata in un evento oramai arrivato al suo secondo anno , con la spinta a portare concetti dell’Industria 4.0 verso il mondo delle Costruzioni, il digital twin, i processi digitali, i device IoT, l’Artificial Intelligence. Tutti temi di ricerca, che sono oggi prepotentemente spinti sul mercato da un poderoso flusso di investimenti a breve termine. Se da un lato appare una opportunità, dall’altro solleva enormi problematiche e domande.

È evidente, almeno a chi scrive, che le situazioni di emergenza non sono mai la condizione ideale per lanciare riforme e rivoluzioni del modus operandi, per una serie di motivi, tra i quali la inefficienza economica delle misure intraprese in sede emergenziale, la sperimentazione e l’innovazione tecnologica che vengino pressate dalla mancanza di tempo, l’insufficiente analisi di cosa è andato storto laddove si è manifestata una situazione di emergenza .

Ci si deve quindi interrogare, da ingegneri, se nella rivoluzione digitale sono contenuti i punti fermi della buona ingegneria, domandandosi quali sono tali punti fermi, chiedendosi quanto conosciamo i dettagli implementativi delle nuove tecnologie digitali, quanto sappiamo utilizzarle e se non sia necessario stilare piani di apprendimento e buone pratiche, così come si è fatto per tecnologie oramai consolidate come il calcolo numerico nell’ambito della simulazione dei fenomeni fisici di nostro interesse, quali ad esempio l’ingegneria strutturale, la wind engineering, il plant, le simulazioni energetiche, etc.

A molti ingegneri, come a chi scrive, appare indispensabile aprire le black box che la tecnologia ci fornisce per avere una totale trasparenza dei processi, degli algoritmi, dei dati e dei risultati derivanti, in una logica mutuata dall’Agenzia internazionale indipendente NAFEMS, che si occupa della qualità delle simulazioni numeriche.

È il momento dell’InfraBIM: la digitalizzazione è “narrativa” o realmente “4.0”?

Facciamo chiarezza. La Tabella che segue definisce alcune parole chiave che sono continuamente utilizzate anche fuori contesto soprattutto dai marketing Teams delle Corporations e delle Big Tech.

Trovo di grande utilità il dialogo con aziende come Cognilytica, autrice di questa tabella, che profonde grandi risorse nel comprendere e divulgare concetti spesso mal compresi. Come CSPFea ci piace, nel nostro piccolo, seguirne l’esempio a vantaggio dei nostri Clienti.

Ritengo di poter elencare una serie di problemi aperti che si presentano nell’utilizzo di tecnologie digitali mediante alcune domande.

Siamo veramente pronti per l’era “4.0” del settore AEC?

Gli stakeholders del settore delle Costruzioni (che riassumiamo nell’acronimo Architectural, Engineering and Construction, AEC) ovvero gli ingegneri, i geometri, i produttori, gli installatori, i manutentori, i proprietari (owners), hanno una adeguata conoscenza de processi alla base della digitalizzazione? Conoscono adeguatamente gli strumenti al punto di saper selezionare lo strumento più adatto? Sanno controllare i risultati del loro lavoro?

L’InfraBIM, ovvero il Building Information Modeling (modellazione informative dei modelli di costruzione) dei ponti e viadotti è una “scatola magica” già a disposizione dell’industria AEC? 

Data la longevità delle opere infrastrutturali, l’InfraBIM è in grado di sopravvivere all’obsolescenza dei prodotti digitali? I dati che raccogliamo sono gestiti dai BIM Tools in una forma organizzata adeguata alle necessità di oggi e di domani?

Le procedure InfraBIM, oltre che i budget ad esse allocati, sono adeguati? 

Stiamo cioè prevedendo adeguatamente il costo della produzione accurata di tali strutture di dati? È sufficiente l’obbligatorietà di Legge  a innescare un percorso virtuoso che porti i modelli informativi ad essere sufficienti ai BIM uses di oggi e di domani e non solamente utili agli scopi immediati di coloro che li redigono?

Che ruolo ha la digitalizzazione e con essa l’InfraBIM nell’Economia Circolare e nella Sostenibilità?

Ovvero, possono dei processi digitali realmente migliorare il profilo di sostenibilità di un’opera infrastrutturale come i Ponti e i Viadotti, siano essi esistenti o di nuova concezione e progettazione? Quando il digitale passa da strumento di sostenibilità a strumento di “green washing”? Gli ingegneri hanno una qualche responsabilità in un uso strumentale dei processi digitali a fine ambientale o debbono sentirsi esentati da tale liability?

Il grande “hype” che i media ci stanno fornendo (complici il mondo dei Big Tech) sulla soluzione dei problemi da parte dei “big data” e dell’Intelligenza Artificiale  e la grande aspettativa creata da tutto il mondo tecnologico che accompagna l’industria AEC (di cui chi scrive è parte, in quanto software vendor) devono probabilmente essere inquadrati dalla pratica ingegneristica nella quale l’ingegnere si è sempre assunto la responsabilità delle decisioni (a volte nel bene e a volte nel male).

Figura 1: NAFEMS, ASME, “What is Validation and Verification?” 

Al Congresso sui Ponti e Viadotti, EUROSTRUCT 2021 (European Association on Quality Control of Bridges and Structures), tenutosi presso l’Università di Padova, una vetrina brillante delle ricerche e delle tecnologie disponibili nella sicurezza e manutenzione di Ponti e Viadotti, mi hanno colpito due interventi sull’interpretazione dei dati di monitoraggio continuo (indubbiamente big data) di ponti e viadotti. Il primo, di Manzini et Al. ripone una fiducia elevata negli algoritmi di Machine Learning (ML) sviluppati dagli autori grazie ad una Rete Neurale basata su librerie di ML open source, l’altro, di Nocera et Al. che utilizza le basi teoriche della statistica stocastica per l’interpretazione dei dati avendo come riferimento, comunque, dei modelli semplificati derivati dalla Scienza delle Costruzioni (“stick model”) fondati sulle condizioni di equilibrio e le consolidate leggi fisiche della meccanica.

Poco infatti sappiamo, come ingegneri, circa l’affidabilità e la possibilità di Verification & Validation (torneremo su questo concetto in seguito) sia perché non vi sono buone pratiche in merito (a differenza del calcolo numerico mediante il Metodo agli Elementi Finiti ), sia perché il mondo dell’AI è popolato da Ingegneri Informatici e raramente da Ingegneri Civili, sia perché la trasparenza degli algoritmi di AI (reti neurali, machine learning) è decisamente insufficiente a causa delle politiche di non disclosure dei Big e Small Tech.

In qualità di software vendor legati alle soluzioni per il calcolo strutturale di ponti e viadotti, noi di CSPFea abbiamo sempre creduto alle Buone Pratiche per la simulazione numerica  e riteniamo di dover lavorare altrettanto su Buone Pratiche di Modellazione InfraBIM, nonché di Artificial Intelligence in Civil Engineering. La proposta è quella di lanciare un working group, in un futuro prossimo, per definire delle Buone Pratiche nell’applicazione dell’IA al mondo dell’Ingegneria Civile che passino per la trasparenza di algoritmi e dati e della loro analisi anche da gruppi indipendenti, come d'altronde si opera con la figura del Collaudatore.

Solo in questo modo si può parlare di Scienza, uscendo dalla narrazione e dal marketing dei Produttori e Sviluppatori. Dobbiamo sempre ricordare la differenza tra scienza e la tecnologia: in un recente libro sulle criticità dei big data, Jathan Sadowski ci ricorda quanto il cammino della Tecnologia sa ben diverso da quello della Scienza.

I quattro pilastri fondamentali della digitalizzazione di Ponti e Viadotti

Allo stato attuale dell’arte vi sono 4 “discipline” che stanno sviluppando soluzioni digitali per il progetto, la costruzione e la manutenzione dei Ponti e Viadotti. Si tratta di un passaggio che va oltre la definizione generica di “digital twin” che deriva da altri campi dell’ingegneria dove meglio si addice a “macchine” che modificano rapidamente il loro stato in real time. Il termine digital twin fu esteso dal mondo del manufacturing al mondo del built environment in un documento dal Centre For Digital Built Britain (“The Gemini Priciples”) una guida di principi per istituire il National Digital Twin.

Figura 2: Centre for Digital Built Britain, Principi istitutivi del National Digital Twin.

Nell’esaminare la Figura 2, si comprende come il digital twin possa essere un termine alquanto vago. 

Lo scopo della successiva Figura 3 è invece quella di portare la digitalizzazione delle infrastrutture nel concreto a concetti che trovano riscontro negli strumenti operativi nella pratica professionale, costruttiva e operativa di Ponti e Viadotti.

Figura 3: I quattro Pilastri della digitalizzazione di Ponti e Viadotti.

Cos'è Infrastructure Information Management (IIM), la piattaforma per la valutazione della sicurezza dei ponti stradali secondo le Linee Guida

IIM (Infrastructure Information Management) è una piattaforma informatica sviluppata da Gruppo Sismica, uno spin-off dell’Università di Catania, per la gestione automatizzata e centralizzata delle ispezioni e il management dello stato di salute di ponti e viadotti.

Questo strumento è stato concepito come supporto alle attività di censimento, ispezione e monitoraggio dei ponti esistenti e consente inoltre la valutazione della Classe di Attenzione (CdA) in applicazione dei livelli 0, 1 e 2 delle “Linee Guida per la Classificazione e Gestione del Rischio, la Valutazione della Sicurezza ed il Monitoraggio dei Ponti Esistenti" allegate al parere del C.S.LL.PP. n.88/2019 del 17.04.2020, di cui all’ordinanza n. 578 del 17/12/2020.

La piattaforma IIM garantisce l’accesso da qualsiasi dispositivo in tempo reale, consentendo la consultazione, l’ispezione e la generazione di schede report e statistiche.

Oltre a ciò, è possibile effettuare il censimento georeferenziato delle reti stradali e delle infrastrutture ad esse afferenti: ogni struttura è censita non solo considerando le informazioni di base (anno di costruzione, tipologia costruttiva, ecc.), ma anche indicando gli elementi (pila, spalle, appoggi, ecc.) e organizzando per categorie gli elaborati progettuali e gli approfondimenti successivi.

È prevista l’esportazione dei dati relativi al censimento dell’infrastruttura per l’alimentazione dell’archivio AINOP e dei dati richiesti dal Consorzio FABRE.

L’ispezione avviene mediante la compilazione di schede, dette schede di difettosità, che possono essere corredate da immagini di inquadramento dell’elemento strutturale e dello specifico difetto.

Il software non si limita solo all’archiviazione dei dati di censimento ed ispezione, ma li elabora per calcolare la classe di attenzione secondo la metodologia multilivello delineata dalle Linee Guida.

La piattaforma IIM consente l’esportazione in formato word delle schede compilate in fase di censimento ed ispezione dei ponti secondo i template forniti dal MIMS (Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibili).

IIM permette quindi la generazione assistita di un report dettagliato che riporta per ciascuna ispezione i flussi logici che hanno portato alla determinazione della classe di attenzione, corredato da opportuna documentazione fotografica catalogata per elemento, sotto-elemento e per tipologia del difetto.

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(IN ALLEGATO)

CHI È CSPFea 

CSPFea è nata come società commerciale di software di calcolo strutturale per il settore AEC di alto livello. La mission aziendale è quella di assistere società di ingegneria, affiancando professionisti ed aziende impegnate nel vasto settore dell’ingegneria civile, dell’architettura e delle costruzioni (AEC), aiutandoli a migliorare processi e metodi, capacità di analisi e di progettazione mediante la simulazione.

CSPFea vuole, inoltre, coinvolgere clienti, stakeholder e partner per creare una rete network e parlare di innovazione grazie a Forum Ingegneria 4.0, tramite un approccio di AEC System Integrator, che prevede l’affiancamento in ambito di digitalizzazione delle infrastrutture, sostenibilità delle costruzioni e innovazione nei processi aziendali in società d’ingegneria.