Condividi, , Google Plus, LinkedIn,

Stampa

Pubblicato in:

Fibre ottiche e intelligenza artificiale per monitorare autostrade, ponti e gallerie

Viaggiare in sicurezza grazie al brevetto of di NTSG - New Tech System Generation

L’Italia torna a farsi notare in Europa grazie alla soluzione OF (Optical Fibre) brevettata nel 2015 dalla NTSG – New Tech System Generation (http://www.ntsgen.com/), un sistema in grado di rilevare e misurare le deformazioni in 2D e 3D di un oggetto di qualsiasi forma e di natura rigida o semirigida, basato sulla tecnologia a fibre ottiche sensing.

Il sistema è già attivo su diversi tratti stradali ed entro la fine del 2021 saranno almeno 42 le applicazioni distribuite su circa 500 km della rete autostradale italiana sotto costante monitoraggio.

“Se oggi, e nel prossimo futuro, gli automobilisti potranno sentirsi più sicuri in viaggio è grazie ad un innovativo sistema a fibre ottiche, la cui licenza di brevetto è della NTSG – spiega l’Imprenditore Paolo Persi del Marmo.

Fibre ottiche
1. Fibre ottiche e intelligenza artificiale per monitorare autostrade

La sicurezza su strade, ponti e gallerie è sempre più di attualità ed è possibile solo grazie a sistemi che garantiscono un monitoraggio continuo. Il controllo è di tipo infrastrutturale, ovvero rileva la deformazione verticale e trasversale di ogni campata, le misure di spostamento e rotazione delle pile, delle spalle e degli appoggi dei ponti, fino a determinare i modi di vibrare dell’opera”.

Il sistema OF consente di determinare e misurare lo stato tensionale della struttura e di rilevare parametri come compressione, allungamento, curvatura, carico, torsione, vibrazione, pressione, spostamento, corrosione, inclinazione e temperatura.

È facile intuire che le applicazioni di questo brevetto possono essere innumerevoli e solo per il segmento autostradale sono stati realizzati quattro sistemi specifici. L’utilizzo di sensori in fibra ottica, di dimensioni ridottissime, ne permette l’installazione all’interno dei materiali rendendoli completamente integrati con l’oggetto da monitorare.

Il team di Ingegneri della NTSG ha implementato, in un software proprietario, il modello di calcolo definito dal brevetto OF che misura, in tempo reale, i valori dei parametri sopracitati partendo dall’analisi tensionale e utilizzando i dati rilevati dai sensori ottici.

Fibre ottiche
2. La soluzione OF (Optical Fibre) è un sistema che rileva e misura le deformazioni in 2D e 3D di un oggetto di qualsiasi forma e di natura rigida o semirigida, basato sulla tecnologia a fibre ottiche sensing

OF Bridge

Il sistema definisce la configurazione ottimale per il monitoraggio delle grandezze necessarie a caratterizzare lo stato tensionale di un ponte, le sue deformazioni e il suo deperimento nel tempo.

Ha come primo obiettivo quello di misurare lo stato tensionale delle campate, la freccia verticale e trasversale delle campate, le vibrazioni verticali e trasversali delle campate, la deformazione delle campate per effetto della temperatura, le rotazioni delle pile, lo spostamento delle spalle, il carico transitante e una stima della vita residua dell’opera.

Queste misure sono basilari per definire il comportamento e lo stato di salute del ponte, rimanendo il fatto che la configurazione dei sensori necessari a realizzare queste misure varia in funzione della tipologia e della struttura dell’opera.

Inoltre, il sistema OF Bridge può essere personalizzato rispetto all’opera e alle sue peculiarità, realizzando misure integrative e specifiche dei punti critici della struttura.

Il sistema prevede sezioni di misura in campata, su pile, spalle, fondazioni e altro in base alle caratteristiche tecniche del ponte. L’acquisizione e l’analisi dei dati è di tipo statico e dinamico ed è in grado di misurare anche le sollecitazioni ad alta frequenza.

OF Bridge è attualmente applicato su diversi ponti e viadotti italiani e stranieri, opere in capo ai principali Concessionari stradali e autostradali.

  • La planimetria dei sensori sul viadotto
    3 La planimetria dei sensori sul viadotto
    3. La planimetria dei sensori sul viadotto
  • L’installazione del sistema di monitoraggio
    4 L’installazione del sistema di monitoraggio
    4. L’installazione del sistema di monitoraggio presso un cavalcavia in provincia di Lecco

OF Tunnel

Il sistema di monitoraggio ha come primo obiettivo quello di misurare lo stato tensionale, le deformazioni longitudinali, le convergenze della galleria, oltre alle pressioni interstiziali, i carichi sulla sezione di galleria, il movimento del terreno in prossimità della struttura e il suo deperimento nel tempo.

Queste misure sono realizzate con una configurazione di sensori definita in base alla geometria della galleria, all’accuratezza che si vuole ottenere, e alla tipologia della galleria, sia essa di nuova costruzione o esistente.

Altre misure possono essere integrate per il monitoraggio interno e all’esterno della galleria, personalizzando la configurazione dei sensori del sistema. Gli strumenti in fibra ottica possono essere installati nel primo strato o nel definitivo durante la fase di costruzione della galleria, garantendo in questo una maggior protezione e longevità del sistema di misura in fibra ottica.

Il sistema OF Tunnel è già attivo su alcune gallerie italiane e straniere e sarà installato entro la fine del 2022 su tre gallerie di nuova costruzione.

  • La sicurezza in galleria è sempre di attualità
    5 La sicurezza in galleria è sempre di attualità
    5. La sicurezza in galleria è sempre più di attualità
  • La sezione di misura delle deformazioni longitudinali
    6A La sezione di misura delle deformazioni longitudinali
    6A. La sezione di misura delle deformazioni longitudinali
  • La sezione di misura delle convergenze
    6B La sezione di misura delle convergenze
    6B. La sezione di misura delle convergenze

OF Fan

Definisce il monitoraggio in tempo reale delle grandezze necessarie a misurare lo stato di salute dei ventilatori in galleria, identifica potenziali anomalie e ne verifica le performance.

Il sistema ha come primo obiettivo quello di misurare i movimenti fuori piano, lo spettro delle vibrazioni, i cedimenti dei supporti di ancoraggio, la spinta del ventilatore. Queste misure sono realizzate con una configurazione di sensori certificata nel rispetto delle Norme legate a questi apparati.

L’analisi dei dati acquisiti da questo sistema è di tipo dinamico e sulla base dei valori misurati il sistema è in grado di attivare azioni di controllo sugli apparati e sulle loro funzionalità operative.

OF Fan è integrabile al sistema OF Tunnel, permettendo di avere, con una stessa infrastruttura di sistema, maggiori informazioni su quanto accade in galleria. Ad oggi è stato applicato in gallerie autostradali e sarà a breve applicato in gallerie stradali.

  • Impianto del sistema al fornice Ovest
    7A Lo schema di impianto del sistema al fornice Ovest
    7A. Lo schema di impianto del sistema di monitoraggio dei ventilatori: il fornice Ovest
  • Impianto del sistema al fornice Est
    7B Lo schema di impianto del sistema al fornice Est
    7B. Lo schema di impianto del sistema di monitoraggio dei ventilatori: il fornice Est

OF Wim

Ha come primo obiettivo quello di misurare il peso dei mezzi transitanti, la direzione, la velocità, il numero degli assi del mezzo e la discriminazione del tipologico del mezzo.

Queste misure sono realizzate applicando al di sotto del manto stradale due linee di sensori, annegate nell’asfalto, che rilevano la forza applicata dai mezzi durante il loro transito sopra queste linee sensibili.

Il sistema acquisisce quindi, in modo dinamico, le misure per poter discriminare anche il peso dei mezzi che transitano ad alta velocità. OF Wim è integrabile al sistema OF Bridge ottenendo informazioni strutturali abbinabili ai carichi transitanti effettivi.

La combinazione dei due sistemi permette di condividere l’infrastruttura di trasmissione dati e gli apparati attivi, ottimizzando i costi di attivazione e di manutenzione del sistema.

Questo sistema è già attivo in corrispondenza di alcuni caselli autostradali e sarà installato entro la fine dell’anno in itinere e in corrispondenza di altri caselli e ponti.

La manutenzione del sistema

Un punto di forza fondamentale dei Sistemi OF consiste nell’abbattimento dei costi di manutenzione ordinaria. Grazie all’utilizzo della tecnologia ottica, lo scambio dei dati avviene attraverso la trasmissione di segnali luminosi all’interno della fibra di vetro con bassissimo coefficiente di usura: il deperimento d’uso della fibra ottica è su scala secolare.

Il sistema necessita del solo servizio di manutenzione straordinaria, in caso di danneggiamento del cavo di fibra, causato da agenti esterni, o di anomalie nelle letture registrate dai sensori, dovute, nella maggior parte dei casi, al cedimento del materiale di supporto ai sensori. La manutenzione richiesta dal sistema è di tipo programmatico, mirato e si basa sulle informazioni registrate dai sensori stessi.

Schema di impianto del sistema di pesa dinamica
8. Lo schema di impianto del sistema di pesa dinamica

L’architettura del sistema OF

Il sistema si compone di pochi ma fondamentali elementi hardware:

  • una o più catene in fibra ottica, ciascuna con un numero di sensori (massimo 100 per fibra) determinato dalla geometria del ponte da monitorare e dal grado di accuratezza richiesto;
  • caratteristica peculiare della tecnologia FBG (Fibre Bragg Grating) è il cablaggio in serie, su un unico cavo ottico, di sensori che misurano grandezze diverse (per esempio estensimetri, accelerometri, sensori di temperatura, ecc.);
  • una o più macchine di acquisizione (ognuna con uno o più canali ottici a cui collegare le catene) con dimensioni e frequenza di campionamento variabili in funzione delle specifiche dell’applicazione;
  • un’unità logica contenente il software di analisi dati, collegata o integrata alla macchina di interrogazione.

I dati elaborati dal sistema sono gestiti, archiviati e visualizzati tramite una piattaforma software; la visualizzazione può essere effettuata in tempo reale tramite diversi apparati di controllo.

La piattaforma fornisce anche un modulo di analisi predittiva per l’ottimizzazione delle attività di manutenzione della struttura monitorata.

L’architettura del sistema OF
9. L’architettura del sistema OF

I vantaggi della tecnologia in fibra ottica e dei sistemi OF

L’utilizzo di sensori in fibra ottica offre notevoli vantaggi rispetto all’impiego di strumenti di misura elettrici o digitali, in quanto garantiscono:

  • elevato grado di sensibilità e risoluzione dinamica;
  • immunità alle interferenze generate da campi elettromagnetici (perché utilizzano segnali luminosi);
  • immunità alla corrosione e possibilità di utilizzo in ambienti umidi, acquatici e salmastri;
  • resistenza al calore (fino a 800 °C);
  • elevato livello intrinseco di sicurezza (non utilizzano corrente elettrica, non aumentano di temperatura e non producono scintille o fiamme);
  • stabilità nel tempo: assenza di deriva dello zero di calibrazione;
  • affidabilità e ripetibilità delle misure;
  • versatilità: possibilità di misurare diverse grandezze;
  • capacità di multiplexing: possibilità di installare, in serie, su una singola fibra ottica, fino a 100 sensori di tipologie differenti, riducendo il numero di cavi da utilizzare;
  • minima intrusione: le ridotte dimensioni dei sensori ottici ne consentono l’installazione in spazi minimi e l’inserimento all’interno di materiali compositi;
  • acquisizione dati a grande distanza: l’unità di controllo può essere posizionata fino a 100 km dall’oggetto da monitorare, senza inficiare l’accuratezza della misura;
  • ridotti costi di manutenzione.

Il software di analisi dati in real time e la piattaforma di archiviazione e visualizzazione dei dati

I sistemi di monitoraggio OF sono corredati di un software per analisi dati in tempo reale, sviluppato e prodotto dalla NTSG. Il software acquisisce i dati grezzi generati dai sensori in fibra ottica e dall’interrogatore ottico, li trasforma in variazioni tensionali (strain) e li elabora per ottenere le grandezze ingegneristiche.

Fibre ottiche
10. Lo schema di principio della piattaforma OF-IoT

I modelli di calcolo utilizzati per determinare queste grandezze sono implementati nel software di analisi dati e validati da un Ente terzo. Il software a sua volta invia tutte le informazioni elaborate alla piattaforma di archiviazione, analisi e visualizzazione dati che permette di studiare, rispetto al tempo, i dati raccolti, confrontarli con gli attesi, elaborare analisi predittive, configurare soglie di allarme per valori assoluti e relativi.

Per i sistemi di tipo OF è stata sviluppata la piattaforma dedicata OF-IoT che si interfaccia con il Sistema di monitoraggio e soddisfa i requisiti di:

  • configurazione sistema;
  • archiviazione/interpretazione dati;
  • monitoraggio a Run Time delle grandezze acquisite (definizione di threshold con azioni warning/danger associate;
  • generazione reportistica.

>  Se questo articolo ti è piaciuto, iscriviti alla Newsletter mensile al link http://eepurl.com/dpKhwL  <