L’IA viene utilizzata già da tempo e con enorme successo in molti settori: industria manifatturiera, diagnostica medica, e-commerce, videogame e così via. Inutile dire che l’intelligenza artificiale (AI) è tra le innovazioni tecnologiche che – con un grande impatto – stanno guidando la trasformazione digitale di tutto il settore dell’ingegneria civile e non solo, aprendo la strada a nuove tecniche per ottenere progetti più affidabili, più economici e più efficienti così come nella gestione dei cantieri apportando anche un maggior livello di sicurezza, tema ancor oggi più che mai attuale.
Peraltro, le potenzialità dell’intelligenza artificiale nella progettazione di opere civili cresce ulteriormente utilizzando la modellistica BIM.
L’applicazione dell’intelligenza artificiale nell’ingegneria civile si riferisce all’utilizzo di sistemi computerizzati molto avanzati che hanno lo scopo di semplificare e automatizzare i processi di progettazione e costruzione delle opere.
Nel suo significato più ampio, l’intelligenza artificiale (AI) rappresenta la disciplina scientifica che si occupa dello studio, della progettazione e dell’implementazione di tecnologie che sono in grado di imitare le capacità cognitive di un essere umano. Esempi comuni di sistemi intelligenti, che hanno la capacità di comprendere gli interessi e le richieste degli utenti, e fornire delle risposte adeguate alle loro esigenze, sono gli assistenti vocali, gli impianti domotici, i motori di ricerca, i navigatori satellitari, ecc..
Ora più che mai, stiamo assistendo allo sviluppo ed alla diffusione di sistemi intelligenti nel campo dell’ingegneria civile; grazie a questi sistemi, in grado di imparare dai propri errori e svolgere attività simili a quelle eseguite dagli esseri umani, è possibile risolvere gran parte delle problematiche legate alla realizzazione di edifici ed infrastrutture.
Prima di analizzare le diverse applicazioni dell’AI nell’ingegneria civile è utile richiamare sinteticamente quali sono le tecniche di apprendimento su cui basa questa tecnologia.
AI e modellistica BIM
I vantaggi nella progettazione, nella costruzione e nella gestione delle opere civili trasformano il settore dell’AEC:
- migliore pianificazione del progetto per individuare la soluzione progettuale ottimale;
- semplificazione del processo di rilievo: con l’impiego dei droni è possibile scattare foto aeree del cantiere, necessarie a garantire una più efficiente gestione del progetto e a tracciare lo stato di avanzamento dei lavori;
- controllo tempi e costi di costruzione: potendo prevedere facilmente qualsiasi rischio o imprevisto, è possibile adottare misure per ottimizzare il rispetto dei tempi e dei costi di costruzione;
- riduzione del rischio di incidenti sul lavoro: i lavori più pericolosi possono essere eseguiti dai robot, i quali sono programmati per imparare dalle interazioni con l’ambiente circostante;
- incremento dell’efficienza e della produttività: i robot e le macchine edili a guida autonoma possono svolgere attività ripetitive (come la saldatura, la costruzione di muri, i getti di calcestruzzo) in modo efficiente e rapido, e senza la necessità di fermarsi.
- migliore gestione della manutenzione: l’integrazione tra sistemi intelligenti e tecnologie IoT garantisce una gestione ottimizzata dei processi di manutenzione e contribuisce ad allungare il ciclo di vita di edifici e infrastrutture.
Le tecniche AI utilizzate nell’ingegneria civile
A differenza dei normali software, le macchine dotate di intelligenza artificiale hanno l’abilità di:
- percepire il mondo che le circonda e raccogliere dati e informazioni utili;
- comprendere la realtà percepita, collegando in maniera logica le informazioni raccolte;
- compiere autonomamente operazioni (informatiche o meccaniche), decidendo di agire senza alcun comando da parte dell’uomo;
- apprendere in base al risultato delle proprie azioni, migliorandosi e imparando dai propri errori. La capacità di apprendimento automatico viene sviluppata attraverso le tecniche di seguito riportate:
- calcolo evolutivo. Basato su concetti di biologia evolutiva, viene ampiamente utilizzato nell’ingegneria civile per affrontare problemi di ottimizzazione e per automatizzare la produzione dei progetti;
- reti neurali. Sono modelli matematici costituiti da neuroni artificiali che riflettono il comportamento del cervello umano. Le reti neurali consentono ai programmi informatici di riconoscere modelli e risolvere problemi comuni. In ambito ingegneristico vengono utilizzate per migliorare i processi decisionali, effettuare previsioni, eseguire analisi dei dati, monitorare le strutture, controllare il movimento di robot, ecc.;
- sistemi fuzzy. Il termine “fuzzy” significa “sfocato” e si riferisce alla capacità di questi sistemi di gestire input imprecisi o vaghi, impiegando un modo di ragionare che si avvicina a quello degli esseri umani (i quali non sempre adottano una logica rigorosa e ben definita). La logica fuzzy aiuta i sistemi informatici utilizzati nell’ingegneria civile a gestire input e output inesatti, e consente di modellare i tempi, i costi e i rischi di costruzione. I sistemi fuzzy vengono utilizzati anche per la valutazione della qualità dei progetti infrastrutturali;
- sistemi esperti. Sono delle applicazioni tecnologiche capaci di risolvere problemi appartenenti a un dominio specifico, e che possono raggiungere o addirittura superare le prestazioni umane di un esperto che opera in quel determinato settore. I sistemi esperti vengono utilizzati soprattutto nell’ingegneria edile e geotecnica, per analizzare i consumi energetici degli edifici o effettuare delle indagini geologiche.
Le sei applicazioni più importanti
La progettazione intelligente
La costruzione di un’opera civile (come un ponte, un edificio, una strada o una ferrovia) richiede quasi sempre un’attenta pianificazione preliminare. Gli strumenti e i software abilitati all’IA possono assistere i progettisti ad estrarre e analizzare automaticamente i dati necessari alla progettazione (come le proprietà dei materiali, i dati energetici, le caratteristiche ambientali, ecc.).
L’intelligenza artificiale può essere utilizzata anche per i processi basati su metodologia BIM (Building Information Modeling). L’integrazione tra BIM e AI consente di creare, tramite l’ausilio di appositi software di BIM Authoring e BIM Tools, dei modelli digitali completi delle informazioni necessarie per eseguire analisi del progetto, creare automaticamente disegni e relazioni, programmare i lavori, simulare il comportamento delle strutture, ecc..
In fase di progettazione, gli algoritmi intelligenti possono essere utilizzati anche per analizzare differenti alternative progettuali (tramite il cosiddetto generative design), valutare soluzioni efficienti sotto il profilo delle risorse e creare piani di esecuzione a basso rischio.
Un’ulteriore applicazione consiste nella simulazione dei progetti in realtà virtuale o aumentata. Queste simulazioni hanno lo scopo di fornire al cliente una visione completa e realistica del prodotto finale, e di raccogliere suggerimenti per possibili miglioramenti.
L’analisi dei tempi e dei costi
Gli algoritmi di apprendimento automatico consentono agli Ingegneri civili di avere un quadro chiaro sulle stime dei costi e permettono di formulare budget più accurati, sulla base dei risultati ottenuti nei progetti precedenti e tramite lo studio delle previsioni future. Oltre a prevedere un eventuale superamento dei costi, l’intelligenza artificiale consente anche di programmare le tempistiche per la realizzazione del progetto, tenendo conto degli eventuali rischi.
La gestione del processo di costruzione
Nel corso della fase costruttiva, le Imprese possono utilizzare robot basati sull’intelligenza artificiale dotati di telecamere, che sono in grado di muoversi autonomamente attraverso il cantiere per acquisire immagini 3D. Con l’aiuto delle reti neurali, queste immagini possono essere confrontate con i dati e le informazioni provenienti dal modello BIM, allo scopo di tracciare lo stato di avanzamento del progetto.
I robot da costruzione intelligenti consentono invece di eseguire una vasta gamma di attività relative al cantiere (come il tracciamento delle fondazioni, l’esecuzione di scavi, la realizzazione di murature, la costruzione di elementi complessi, ecc.). Se utilizzate correttamente, queste macchine hanno il potenziale per ridurre i costi del progetto, migliorare l’efficienza, aumentare la sicurezza e consentire ai lavoratori di concentrarsi su attività meno ripetitive e massacranti. Tra le tecnologie più innovative impiegate nella fase di costruzione, ritroviamo anche la stampa 3D basata sull’intelligenza artificiale.
Questa tecnologia permette di automatizzare gran parte del processo di costruzione perché consente di “stampare” elementi costruttivi e oggetti 3D di grandi dimensioni ad alta velocità e con grande precisione.
L’identificazione e la mitigazione dei rischi
L’AI può aiutare gli ingegneri civili a identificare potenziali pericoli nel processo di costruzione e ad implementare misure utili per il controllo del rischio. Le telecamere e le reti abilitate all’intelligenza artificiale possono, infatti, monitorare costantemente tutte le aree del cantiere e consentire agli ingegneri di valutare l’uso delle apparecchiature, monitorare i progressi e analizzare tutte le attività in tempo reale.
Il Facility Management
Una volta che il progetto è stato completato, i gestori delle strutture possono affidarsi all’AI per monitorare i consumi energetici, ottimizzare le prestazioni degli impianti, programmare la manutenzione predittiva, migliorare i protocolli di salute e sicurezza, ecc.. Tutte queste applicazioni sono rese possibili dall’integrazione dell’intelligenza artificiale con le moderne tecnologie dell’Internet of Things (IoT).
Il monitoraggio della salute strutturale
I sistemi intelligenti possono essere utilizzati per monitorare lo stato di salute dei manufatti e dei progetti infrastrutturali su larga scala (come ponti, gasdotti, dighe, ecc.). Attraverso l’installazione di sensori intelligenti è possibile, infatti, acquisire misurazioni periodiche e attuare strategie di sorveglianza continua che consentono di valutare la vulnerabilità delle strutture e di mantenere un elevato livello di sicurezza ed efficienza nel tempo.
Si ricorda che in ciascuno di questi casi d’uso il potenziale dell’intelligenza artificiale non può essere sfruttato se non si ha a disposizione di una serie di informazioni attendibili relative ai progetti di costruzione. Tali informazioni possono essere reperite solo attraverso l’utilizzo della metodologia BIM.
Il futuro dell’intelligenza artificiale nell’ingegneria civile
L’intelligenza artificiale può essere considerata come la forza trainante per la futura trasformazione digitale del settore delle costruzioni. I risultati incoraggianti ottenuti dalle attuali applicazioni dell’AI nell’ambito dell’ingegneria civile aprono la strada verso scenari di utilizzo ancora più vasti.
Numerose Aziende hanno già sperimentato la produzione di robot capaci di costruire strutture in condizioni estreme, in modo da limitare l’intervento dell’uomo in situazioni particolarmente rischiose o pericolose. Oltre a rafforzare la gestione della sicurezza, i sistemi intelligenti potranno essere impiegati per costruire città sempre più smart, migliorare l’efficienza del lavoro, ottimizzare i percorsi di trasporto, ecc..
Naturalmente, le sfide da affrontare per una più ampia diffusione dell’intelligenza artificiale nell’ingegneria civile sono ancore molte, e includono i costi di implementazione abbastanza elevati e la produzione di sistemi capaci di agire e apprendere solo nell’ambito per il quale sono stati progettati.
Tuttavia, l’AI ha dimostrato di avere il potenziale per trasformare in meglio il settore delle costruzioni, e non c’è dubbio che assisteremo presto alla sua adozione su larga scala.
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