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Nuove Linee Guida per il monitoraggio e la manutenzione delle infrastrutture

Sistemi SHM, Open e Big Data, la urgente necessità di una policy di garanzia: un focus sui temi che il MIT sta affrontando nell’ambito dell’AINOP

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Con la recente firma da parte del Ministro delle Infrastrutture e dei Trasporti sul Decreto Attuativo (del Decreto “Genova”), prende il via ufficialmente l’AINOP, l’Archivio Informatico Nazionale delle Opere Pubbliche per il monitoraggio delle opere in Italia e l’interoperabilità delle Amministrazioni coinvolte.

La manutenzione delle infrastrutture svolge un ruolo di notevole importanza in considerazione anche degli alti costi necessari sia per garantire un adeguato livello della loro sicurezza, che per la loro incidenza sull’economia del Paese e sulla qualità di vita dei cittadini.

Sono opere complesse, soggette nel tempo ad alterazioni delle proprie caratteristiche che ne possono pregiudicare le prestazioni se non si interviene con un’adeguata e continua attività di controllo e manutenzione.

A tale obiettivo contribuiscono sia la ricerca sui materiali che le nuove tecniche costruttive, ma anche l’applicazione di nuove strategie di manutenzione che fanno uso di nuovi strumenti e sistemi con un ampio utilizzo delle tecnologie in ambito ICT (Information & Communication Technology).

  • Linee Guida
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In particolare i moderni sistemi di SHM (Structural Health Monitoring) svolgono un ruolo primario nel poter monitorare in modo continuo lo stato di salute della struttura, consentendo una migliore ed efficiente manutenzione e, soprattutto, segnalando in anticipo le condizioni che possono portare a un dissesto/collasso della stessa.

È in questi termini che il MIT sta operando affinché non solo Ansfisa, ma tutti i Gestori delle infrastrutture viarie operino adottando le più avanzate metodologie e applicazioni.  

L’importante ruolo dei sistemi SHM

Per quanto riguarda il settore dell’ingegneria civile, si sta assistendo ad un sempre maggiore impiego dei risultati dell’ingegneria della manutenzione nel settore industriale, con particolare riferimento ai sistemi SHM.

Infatti svolgono oggi un ruolo di primissimo piano operando come “sistemi di supporto alle decisioni critiche” per la manutenzione. Possono impiegare dispositivi (sensori/attuatori) e apparati posizionati a terra, ma anche far uso di sistemi satellitari o aerei (droni).

Sono in grado di trattare, con varie tecniche di elaborazione (di recente si stanno applicando anche quelle di IA-Intelligenza Artificiale), numerose quantità di informazioni locali a cui possono aggiungersi quelle prelevate da altre banche dati (utilizzo di Big Data).

L’impiego di sistemi non terrestri è previsto per il monitoraggio di grandi opere o per aree estese su cui risiedono più opere strutturali (ponti, edifici ecc.). In particolare, quelli basati su droni vengono impiegati essenzialmente per automatizzare le ispezioni visive.

La complessità di un sistema SHM è legata alla natura e alla dimensione dell’opera da monitorare e alla necessità di effettuare un monitoraggio costante. Infatti, ci possono essere casi in cui bastano pochi sensori collegati a un semplice apparato di acquisizione, analisi e presentazione dei dati per eseguire controlli puntuali e riferiti a un preciso intervallo temporale.

L’introduzione dei sistemi SHM può consentire di individuare, in modo anticipato, errori di progetto o di esecuzione, controllare lo stato di salute della struttura anche sulla base dell’andamento dinamico del carico a cui è sottoposta (lavoro a fatica), localizzare problemi/difetti, produrre i dovuti allarmi e, anche se resta ancora molto lavoro da fare, valutare la vita residua dell’opera.

Ciò comporta un evidente efficientamento della spesa per le manutenzioni ordinarie, riducendo sensibilmente a lungo andare, le manutenzioni straordinarie. Tipicamente la strategia per la manutenzione adottata nell’ingegneria civile si basa principalmente sulla rivelazione di danni esistenti, emersi nel corso di ispezioni visive lungo un prefissato intervallo di tempo (alcuni anni).

I sistemi SHM consentono l’adozione di una nuova strategia basata sul monitoraggio continuo e la possibilità di automatizzare le ispezioni visuali. Ovviamente l’intervento dell’operatore umano rimarrà fondamentale, potendo contare però sull’importante supporto, ausilio di innovativi strumenti tecnologici.

La realizzazione di un tale sistema richiede uno sforzo multidisciplinare, perché non si tratta solo di posizionare sensori/attuatori e raccogliere ed elaborare dati, ma di conoscere il modello strutturale dell’opera stessa, le sollecitazioni, i meccanismi di degrado e i criteri per la valutazione del suo stato.

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Il monitoraggio dello stato di salute di una struttura di Ingegneria Civile, come quello di un ponte, comporta la valutazione dell’effetto di azioni di tipo fisico, meccanico e chimico che incidono sulla sua durabilità (sovraccarichi, azioni del vento, cicli termici naturali gelo-disgelo, agenti chimici ambientali come quelli che causano la corrosione delle armature del calcestruzzo armato da carbonatazione/cloruri, terremoti, esplosioni, incendi, ecc.).

Per le nuove costruzioni la maggior parte dei sensori/attuatori possono essere immersi direttamente (resi “embedded”) negli elementi della struttura, dando vita a quella che può essere considerata una SMS (Smart Materials/Structure).

Per le costruzioni presenti i sensori/attuatori sono tipicamente sistemati sugli elementi esistenti. Sono numerosi i progetti nel mondo che mirano a realizzare nuove infrastrutture sospese secondo i canoni “smart” ormai consolidati in molti altri settori della tecnica.

Uno “Smart bridge”, realizzato con l’aggiunta in fase di progettazione di reti di sensori, renderà l’infrastruttura un sistema ciberfisico. Il modello ciberfisico consiste nel simulare in un ambiente digitale parallelo, l’evoluzione temporale della struttura sulla base dei dati raccolti e di poter prevedere il suo comportamento in differenti fasi future, sotto le sollecitazioni di diversi carichi e delle condizioni ambientali (ad esempio incidenti, terremoti, ecc.) con diverso livello di probabilità anche simulando le prestazioni della struttura in relazione ai differenti interventi di manutenzione eseguibili. Tutto questo è già una realtà in altri Paesi.

Gli strumenti tecnologici necessari sono tutti disponibili e sono in linea con la denominazione di “Industria 4.0”. Cosa occorre fare dunque? Non ci sono dubbi: occorre programmare sistematicamente la prevenzione infrastrutturale.

Con questo approccio si può prevedere che ogni nuova infrastruttura e così anche gli interventi di manutenzione straordinaria debbano introdurre un sistema di diagnostica e prevenzione degli eventi rischiosi. 

L’architettura di un sistema SHM

Un sistema SHM può impiegare dispositivi e apparati sistemati a terra (sistema SHM terrestre) e/o di sensori alloggiati come payload su satelliti per la Earth Observation o su aerei (impiego di elicotteri o droni).

Il limite maggiore della modalità da satellite risiede nel fatto che la natura e la tempistica di acquisizione (anche diversi giorni) dei dati consentono solo un monitoraggio di tipo statico.

In altri termini, si riescono a valutare bene i fenomeni di deformazione localizzata ma non si possono, ad esempio, valutare le vibrazioni a cui la struttura è soggetta. Per queste ragioni, recentemente si tende a integrarli con sensori/attuatori a terra, ovvero con sistemi SHM terrestri.

È recente l’intenzione del Governo italiano di far realizzare all’ASI (Agenzia Spaziale Italiana) e al CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) un sistema satellitare per il monitoraggio delle infrastrutture del Paese.

Per i sistemi aerei, la soluzione basata su SAPR (Sistema Aeromobili a Pilotaggio Remoto), che fa uso di APR (droni), è quella che si sta maggiormente affermando.

I sensori del loro payload possono essere videocamere o termocamere ad alta definizione, sensori multispettrali, Lidar (Laser Imaging Detection and Ranging). I vantaggi e i limiti di questi sistemi sono in buona parte comuni a quelli di tipo satellitare: spesso impiegati solo per ispezioni visive in supporto alle attività di monitoraggio con o senza sistemi SHM terrestri con cui possono essere bene integrati.

In riferimento ai sistemi terrestri, va detto che possono essere realizzati per effettuare sia il monitoraggio statico che quello dinamico. Anche il neo Archivio Informatico Nazionale delle Opere Pubbliche (AINOP) istituito dal Decreto “Genova” e sviluppato dal MIT, è divenuto un tassello fondamentale nel garantire la completezza e la piena condivisione delle informazioni relative a un’opera pubblica in generale.

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È pertanto fondamentale che tale piattaforma si integri perfettamente nei processi di monitoraggio delle infrastrutture, con uno scambio continuo, tramite l’interoperabilità e la cooperazione applicativa dei dati tecnici progettuali, economiciamministrativi, dello stato e del grado di efficienza, dell’attività di manutenzione ordinaria, e che i processi di acquisizione dei dati di interesse avvenga secondo un’architettura strutturata in cinque macro-elementi:

  • sensoristica applicata agli oggetti per generare dati;
  • connettività per trasmettere i dati;
  • infrastrutture digitali cloud ed edge;
  • piattaforme Big Data di raccolta dati abbinate a strumenti predittivi basati su intelligenza artificiale ovvero algoritmi di machine learning;
  • applicazioni mobile o web per fruire dei dati.

Open e Big Data e loro utilizzo

Per quanto riguarda lo sviluppo tecnologico dei sistemi SHM, certamente per le strutture complesse sarà diffuso l’uso dei Big Data e dell’IA debole (ad esempio reti neurali artificiali).

Qui si aprono diverse questioni di non poca rilevanza, prima tra tutte la necessità di promuovere nuove soluzioni a tutela dei cittadini al fine di attuare una sempre più efficace politica pubblica dei Big Data e dell’economia digitale.

La natura trasversale delle problematiche dell’economia digitale ha portato l’Autorità Garante della Concorrenza del Mercato (AGCM), l’Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni (AGCOM) e il Garante per la protezioni dei dati ad attuare necessariamente azioni coordinate in un’ottica di protezione, di gestione e di accesso ai dati personali.

Le tre Autorità hanno avviato una indagine conoscitiva sui Big Data, da cui sono scaturite le Linee Guida di Cooperazionee raccomandazioni di policy che sono state pubblicate il 2 Luglio scorso.

L’indagine ha inteso approfondire le implicazioni in termini di privacy, regolamentazioni a tutela dei consumatori, misure antitrust e, soprattutto, il tema della gestione dei Big Data e delle misure da adottare nei confronti delle Big Tech. 

Una policy a tutela dei vari attori

Al fine di rendere “paritario” il rapporto tra utenti e operatori digitali, è necessaria una policy che stabilisca con quale modalità informare adeguatamente, puntualmente e repentinamente l’utente/consumatore in merito a finalità e regole di utilizzo dei dati ceduti a fronte del servizio offerto, oltre a permettere di esercitare consapevolmente le proprie scelte.

Tale policy dovrà considerare la portabilità e mobilità dei dati tra le diverse piattaforme attraverso l’adozione di standard aperti e interoperabili in un’ottica di sviluppo della competitività nei vari ambiti di valorizzazione economica del dato e a tutela dell’utente/consumatore.

È indispensabile garantire, da parte delle piattaforme digitali globali, misure atte ad aumentare la trasparenza in termini di proliferazione dei dati ed evitare quelle azioni che possono contribuire a rendere tali piattaforme sempre più potenti sul mercato fino ad essere in grado di determinare effetti restrittivi della concorrenza.

Non meno “paritario” deve essere il rapporto tra le grandi piattaforme digitali e gli altri operatori che si avvalgono di tali piattaforme implementando una policy atta a rendere maggiormente trasparenti i criteri con cui vengono analizzati i dati ed elaborati in modo da garantire una negoziazione fair del valore del dato e il suo utilizzo commerciale.

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È fondamentale che l’apertura dei dati grezzi e il loro riutilizzo, non vadano a discapito del proprietario di quei dati. Di fatto i dati possono essere aggregati tra loro fornendo una interpretazione generale a giovamento o a danno di un soggetto. Da qui l’esigenza di regole maggiormente precise sull’utilizzo e sulle modalità degli Open Data.

La trasformazione digitale in atto ci pone di fronte alla “dematerializzazione” dei rapporti e dei processi economici che, se ben gestita, nel rispetto delle regole antitrust, di gestione e di protezione dei dati, ci condurrà verso la realizzazione di una struttura economica-sociale capace di generare maggiore equità.

È però necessario far comprendere che la digitalizzazione è un elemento fondamentale per la crescita di ogni Paese, adottando strategie e metodi condivisi per semplificare il presente e progettare il futuro.

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