L’infrastruttura è un valore sociale, in quanto elemento per collegare le comunità e gli ambienti, e la manutenzione è un bisogno strategico, perché l’Italia gestisce un patrimonio infrastrutturale tra i più antichi al mondo.
Saper coniugare il bene delle comunità, le risorse e i costi per garantire la sicurezza di questo patrimonio porta gli sviluppi verso metodologie di gestione e nuove tecnologie a supporto dei processi decisionali.
ETS si sta muovendo in questa direzione in quanto Società di ingegneria civile che opera nel settore dei trasporti stradali e ferroviari con una forte spinta sull’innovazione (www.etsingegneria.it).
In particolare, l’area Ricerca & Sviluppo si pone l’obiettivo di affermare nuove tecnologie e processi per la diagnostica delle gallerie, la mappatura dei versanti, la gestione delle priorità e del rischio dell’infrastruttura, attraverso la stretta collaborazione con Associazioni, Università ed Enti di Ricerca.
La gestione e la manutenzione di gallerie
La pianificazione delle risorse, degli ambienti e la gestione delle gallerie esistenti è una sfida centrale per i Paesi industrializzati.
L’esito positivo di tale sfida dipende in modo significativo dal fatto che gli obiettivi siano articolati con successo in modo comprensibile, visibile e completo, e basati su dati chiari, ripetibili e oggettivi.
La gestione delle gallerie non può prescindere dall’uso e dagli utenti dell’infrastruttura: per questo motivo è fondamentale attribuire un ruolo fondamentale all’utente, come singola persona, gruppo di persone, autorità che utilizzano e gestiscono l’infrastruttura, e ambiente in cui essa è calata e interagisce.
L’utente assolve un ruolo socioeconomico urgente che richiede maggiore trasparenza e l’eventuale coinvolgimento nel tavolo decisionale; ciò è possibile solo con processi comprensibili e oggettivi.
Tuttavia, non è ancora consueta una gestione attenta ed efficace delle gallerie che includa tutti gli attori e tutte le attività relative all’ispezione, pianificazione, progettazione, costruzione e manutenzione. Pertanto, una corretta gestione richiederebbe un approccio organizzato e sistematico per valutare e analizzare tutte le informazioni acquisite: è in questo contesto che si inserisce il MIRET (Management and Identification of the Risk for Existing Tunnels).
MIRET – Management and Identification of the Risk for Existing Tunnels
MIRET è una metodologia, una tecnologia e un processo per la gestione digitale e integrata di galleria e infrastruttura.
È innanzitutto una nuova filosofia “del costruire” che ha conquistato la fiducia di Esperti internazionali dell’ingegneria geotecnica che ne hanno premiato il valore con il titolo di migliore innovazione digitale ai Ground Engineering Awards 2020 (Digital Innovation) e di Innovation Leader del DITECFER Railway Contest 2021, diventando un’estensione naturale nell’approccio a diversi progetti e flussi, dal dissesto idrogeologico al cambiamento climatico.
Il processo combina innovativi sistemi di rilievo multidimensionale mobile mapping, analisi geotecniche e strutturali, intelligenza artificiale e analisi di rischio, tutto in un unico processo e ambiente di analisi integrata, per permettere a tutti gli attori del processo una gestione automatizzata e preventiva delle infrastrutture.
L’approccio generale è incentrato in un flusso di lavoro integrato in grado di collegare e manipolare i dati di indagine-ispezione nel tempo, standardizzando i processi e i linguaggi. Proprio da qui parte il nostro viaggio nel MIRET: dai rilievi, dalle indagini e dalle ispezioni.
Rilievo e ispezione (SI)
Per il rilevamento multidimensionale, ETS Srl ha sviluppato un sistema Mobile Mapping proprietario: ARCHITA [1], che consiste in un veicolo su cui sono installati diversi sensori, quali laser scanner, georadar, termocamere e fotografie ad alta definizione, in questo modo con un unico passaggio è possibile acquisire un numero consistente di informazioni rappresentative dello stato di fatto di una infrastruttura.
Inoltre, l’acquisizione dei dati avviene con limitato disturbo della circolazione del traffico, in quanto il sistema permette di rilevare l’intera galleria a velocità sostenuta (i.e. 15-30 km/ora) con un unico passaggio. La ricostruzione di geometria e stato di consistenza della galleria avviene con dati più oggettivi, chiari e ripetibili.
Questi presupposti sono fondamentali per la fase di rilievo e ispezione, spesso all’apice nel processo MIRET, in quanto ripetibile con ciclicità, o in fase di post-operam, per raccogliere e analizzare i dati in diversi istanti temporali. Solo in questo modo l’ispezione riesce a diventare uno strumento di monitoraggio dello stato dell’opera d’arte per attuarne un’analisi predittiva e oggettiva.
Analisi dei difetti (DA)
Il sistema di acquisizione fotografico e termografico installati su ARCHITA consente di ottenere una ricostruzione fotografica e termografica ad alta risoluzione del rivestimento della galleria e di effettuare, a posteriori, un’analisi dei difetti di dettaglio.
Strumenti chiave di tale processo sono i cataloghi dei difetti e il relativo algoritmo di combinazione dei parametri considerati, al fine di giungere ad indici sintetici rappresentativi dello stato di fatto dell’infrastruttura.
Al giorno d’oggi c’è una grande varietà di cataloghi e metodi tra i Committenti: a causa di ciò, si riscontrano spesso differenze nelle scelte decisionali o più in generale nel sistema di gestione e pianificazione della infrastruttura, mentre nel MIRET i diversi cataloghi e metodologie sono unificati in uno standard unico, che si pone come sistema di ordine, piuttosto che come ulteriore strumento in aggiunta a quelli disponibili.
Successivamente, i difetti vengono digitalizzati attraverso uno specifico ambiente software in modo da ottenere output in formati digitali standard.
I dati in questo formato possono essere integrati con quelli delle prove puntuali e delle ispezioni tradizionali. I difetti sono elaborati statisticamente e combinati per ottenere indici di facile lettura, sia per l’intera galleria, sia per settori della stessa.
L’acquisizione dello stato di fatto e la mappatura digitale dei difetti rientrano, nel processo MIRET, nel flusso di lavoro standardizzato, ripetibile e oggettivo che consente un confronto temporale. Tali confronti consentono, inoltre, di generare modelli su cui basare una manutenzione predittiva fondamentale nell’ottica della pianificazione e della gestione delle risorse.
Il ruolo degli algoritmi
ETS Srl ha scelto di investire nello sviluppo di algoritmi di Intelligenza Artificiale (IA) per il rilevamento dei difetti [1]. Ad oggi, tale algoritmo è in grado di rilevare e segmentare i difetti legati alla presenza di acqua, di fessure e di distacchi nelle gallerie scavate in meccanizzato con rivestimento in conci prefabbricati.
Lo sviluppo parte dall’implementazione Crack SegNet [2], con una Rete Neurale Convoluzionale (CNN) in grado di rilevare automaticamente e segmentare alcuni difetti a partire dall’analisi delle immagini.
L’implementazione è stata effettuata in Python e C++ utilizzando la libreria software Tensorflow di Google che, tra le librerie a disposizione, aveva tempi di elaborazione migliori. Il training dell’algoritmo è stato svolto su un dataset di 100-1.000 immagini.
La validazione e i test su immagini non utilizzate nella fase di training mostrano una leggera sovrastima dei difetti da parte dell’IA, del 10% in più (in media) rispetto al rilevamento manuale.
Tale sovrastima è stata volutamente calibrata per ottenere valutazioni che, a vantaggio di sicurezza, non vadano a sottostimare le problematiche della galleria.
Digitalizzazione (DI)
Attraverso la combinazione di laser scanner e georadar di ARCHITA è possibile creare un modello 3D della galleria e associare le relative informazioni per impostare il gemello digitale in BIM, con le caratteristiche fisiche e funzionali dell’opera. La ricostruzione geometrica è utilizzata come strumento di supporto alle milestone della metodologia MIRET, ma anche come strumento di verifica a sé stante.
Pianificazione e progettazione (PD)
In questa fase si attualizzano le strategie decisionali e progettuali ai fini della manutenzione o della gestione ad opera dei Committenti in un ambiente informatizzato [3]. Nel MIRET, dopo aver statisticamente elaborato i dati difettologici e considerando ulteriori parametri che forniscono informazioni descrittive e analitiche sulle condizioni al contorno nelle quali l’opera è calata, si calcolano gli indici delle classi considerate [4].
Successivamente, gli indici vengono combinati tra loro attraverso un’Analisi Multicriteria Spaziale (SMCA) per delineare la pericolosità-vulnerabilità dell’opera.
L’obiettivo finale è la gestione e l’identificazione del rischio per le gallerie esistenti (MIRET).
Lavori e manutenzione (WM)
Nella fase di Lavori e Manutenzione si attuano le specifiche scelte determinate dalla fase di PD.
L’intervento contribuisce al sistema Galleria, riducendone il rischio e definendo un ulteriore istante di analisi della sua storia. Difatti, questo restituisce un nuovo punto di analisi da cui riprendere le fasi di SI, DA e far convergere la fase di PD euristicamente.
Monitoraggio (MO)
Il monitoraggio consente una valutazione in continuo, portando il sistema di analisi verso una struttura dinamica per la gestione degli asset da parte del Committente e delle scelte da effettuare nella fase di PD.
Questa milestone permette di poter aggiornare nel tempo i parametri presi in considerazione per il calcolo del rischio e di implementare modelli di analisi predittiva (fase PD) e manutenzione predittiva (fase PD-WM).
Conclusioni
Le pietre miliari del MIRET sono varie e complesse, così come le connessioni tra i suoi elementi. Si richiede esperienza, tecnica, multidisciplinarietà, innovazione e, soprattutto, equilibrio.
L’approccio sistemico-relazionale del MIRET attinge le soluzioni da tecnologie, strutture informatiche e processi all’avanguardia, legandoli a un’unificazione dell’approccio dei Committenti, i veri e necessari leader del cambiamento resiliente.
Il MIRET non è la risposta alla domanda di equilibrio, ma uno dei mezzi principali per veicolarla. La profonda conoscenza e l’uso consapevole delle risorse possono fare la differenza nell’impatto di un’opera o della sua manutenzione.
Gallerie, ponti, opere di sostegno, dissesto idrogeologico e infrastrutture sono solo alcuni degli elementi dove l’ingegneria e il valore tecnico devono essere l’equilibratore tra il grigio e il verde, applicando soluzioni flessibili che mirano alla resilienza dell’opera e alla sua perfetta integrazione con l’ambiente circostante per la durata del ciclo di vita (e oltre).
Bibliografia
[1] Foria et al. “Artificial intelligence and image processing in the MIRET approach for the water detection and integrated geotechnical management of existing mechanized tunnels: methodology, algorithm and case study”, In Rocscience International Conference, 2021.
[2] Y. Ren et al. – “Image-based concrete crack detection in tunnels using deep fully convolutional net-works”, Construction and Building Materials, vol. 234, 2020.
[3] F. Foria et al. – “Galleria Olmata, from survey to construction: an integrated design approach for the renewal of railway tunnels”, In World Tunnel Congress 2020.
[4]. F. Foria et al. – “Tunnel defects mapping and maintenance of existing tunnels with an innovative approach (MIRET): the case study of Genova-Ventimiglia railway line and Roma Metro lines”, in AFTES 2021.
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