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BIM e Digital Twin per la sicurezza stradale

L’implementazione del BIM al fine di proporre interventi migliorativi per prevenire gli eventi incidentali o ridurre le loro conseguenze

BIM e Digital Twin per la sicurezza

BIM e Digital Twin per la sicurezza stradale.

L’analisi di sicurezza delle infrastrutture viarie è un argomento di grande attualità, che richiede sempre maggiore attenzione specialmente in ambito urbano, ove la rilevante presenza di utenti vulnerabili come ciclisti e pedoni aumenta in maniera considerevole l’entità del rischio legato a un eventuale sinistro.

Con l’intento di migliorare le condizioni di sicurezza stradale nei contesti urbani e periurbani, è bene adottare un approccio proattivo al problema: in altre parole, è necessario analizzare le caratteristiche dell’ambiente stradale, individuare potenziali elementi di rischio, identificare le più efficaci contromisure di sicurezza stradale al fine di prevenire gli incidenti e mitigarne le conseguenze.

Questo approccio consente di superare e in parte integrare il più tradizionale approccio reattivo, basato sulla sola analisi del dato incidentale, che si è ormai dimostrato non del tutto efficace.

Il presente articolo illustra un estratto di un lavoro sviluppato durante il Corso di Sicurezza Stradale e Grandi Rischi, tenuto dal Prof. Alessandro Calvi presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre nell’ambito della Laurea Magistrale in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e Trasporti.

L’obiettivo principale del Corso consiste ormai da anni nell’effettuazione di vere e proprie analisi di sicurezza, in questo caso incentrate su un’intersezione stradale in ambito urbano, tramite lo studio delle caratteristiche funzionali e strutturali della stessa, l’ispezione in sito del caso di studio assegnato e la redazione di un report finale al fine di proporre interventi migliorativi per prevenire gli eventi incidentali o ridurre le loro conseguenze.

Un esempio di BIM
1. Un esempio di implementazione del BIM per interventi migliorativi e prevenire eventi incidentali o ridurne le conseguenze

Numerosissimi sono stati, negli anni, gli ambiti analizzati anche grazie alla “disponibilità” di numerose intersezioni o situazioni di interesse che una metropoli come la città di Roma mette a disposizione. In questo frangente, il caso studio identificato è situato presso il Lido di Ostia, quartiere a Sud del Comune di Roma, inquadrato amministrativamente nel Municipio X.

Nello specifico, la viabilità che converge nel nodo realizza il passaggio delle direttrici Via del Mare e Via Ostiense alla zona di Lido di Ostia denominata Lido Nord. I rami dell’intersezione a quattro braccia corrispondono a Via delle Baleniere, che la attraversa da Nord a Sud, Via delle Molucche e Via delle Canarie (Figura 2).

Nell’ambito dello svolgimento dell’esercitazione progettuale prevista dal Corso, il gruppo di lavoro composto dagli scriventi Luca Bertolini, Jhon Romer Diezmos Manalo, Antonio Napolitano ed Emidio Sabato ha ritenuto utile e di particolare interesse la ricerca di procedure valide per implementare la metodologia BIM nelle analisi di sicurezza stradale previste dalle apposite Normative [1 e 2], al fine di rendere più efficace ed efficiente il processo di prevenzione e protezione dai rischi incidentali.

Tali applicazioni sono state svolte in uno scenario di assoluta assenza di riferimenti applicativi nazionali e internazionali, il che le pone come avanzata attività di ricerca applicata oltre che come elementi addizionali alla consolidata attività progettuale.

La volontà del gruppo di lavoro è stata quella di dare continuità alle attività di implementazione di processi BIM-oriented già sviluppati in precedenza in ambiti però distinti, anche in conformità con le recenti disposizioni normative nazionali, le quali prevedono l’implementazione di tali processi nell’ambito della progettazione delle infrastrutture viarie [3 e 4].

È infatti da tempo che vengono investigate da Ricercatori e studenti della sezione di Ingegneria Civile del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre, diverse possibili applicazioni BIM sulle infrastrutture di trasporto.

L’inquadramento territoriale
2. L’inquadramento territoriale del contesto di analisi

Diverse di queste esperienze sono state pubblicate anche su numeri precedenti di questa rivista [5, 6 e 7 con https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/le-potenzialita-del-bim-applicate-alla-progettazione-delle-infrastrutture-viarie/, https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/applicazioni-bim-per-le-infrastrutture-di-trasporto/ e https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/possibili-implementazioni-del-approccio-bim-nelle-fasi-di-gestione-e-manutenzione-delle-infrastrutture-di-trasporto/, così come altri lavori legati al TIS Roma 2019 [8, 9 e 10]. L’attenzione è ricaduta su una tematica strettamente connessa alle questioni di sicurezza stradale in ambito urbano. 

Le azioni preliminari

Ai fini di una corretta e funzionale pianificazione e programmazione degli interventi, si è proceduto con lo studio dello stato attuale dell’area di interesse, individuando tutti gli asset significativi dell’ambiente urbano che sono stati poi trasferiti in un database geografico, il quale ha costituito la base per la successiva digitalizzazione del modello BIM.

I dataset degli asset sono stati caratterizzati dalle informazioni registrate durante le ispezioni in sito, eseguite secondo predefiniti protocolli e in giorni e orari differenti al fine di caratterizzare la zona anche in riferimento al flusso veicolare presente.

Le rilevazioni in sito sono state effettuate procedendo a piedi e a bordo di un autoveicolo munito di videocamera, al fine di produrre un reportage foto e video descrittivo dell’ambiente urbano.

Facendo riferimento alle schede di ispezione fornite dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti [11], sono state prodotte delle schede aggiuntive che si adattassero più accuratamente al contesto urbano sottoposto a indagine.

Seguendo un approccio proattivo, sono state individuate le principali problematiche dell’area successivamente codificate in base alla loro localizzazione e alla tipologia (Figura 3), così da consentirne facilmente l’identificazione una volta riportate nel report finale; quest’ultimo contiene, tra l’altro, anche l’elenco dei rischi e degli interventi necessari alla loro prevenzione o mitigazione.

La codificazione delle problematiche
3. La codificazione delle problematiche

Tali considerazioni sono state prodotte anche mediante il supporto di un’analisi incidentale, svolta facendo riferimento ai dati forniti in modalità “open” da Roma Capitale e integrati da quelli prodotti dalla Polizia di Roma Capitale, al fine di ottenere un database completo di incidenti localizzati e con la specificità delle manovre eseguite.

A seguito dell’indicazione delle diverse modalità con cui ciascuna problematica riscontrata può essere risolta o mitigata, sono stati predisposti tre possibili scenari di intervento.

La gestione degli interventi, e dunque la progettazione e la valutazione dei loro costi, è stata condotta con un approccio che, oltre ad offrire una realistica rappresentazione dell’eventuale scenario futuro, ha consentito di effettuare diverse verifiche su spazi, ingombri e visibilità, ottenendo dei risultati maggiormente affidabili.

L’integrazione del modello con i dati geografici prodotti e disponibili ha poi reso possibile simulare delle situazioni di esercizio e, in prospettiva, anche delle situazioni in seno a una eventuale cantierizzazione degli interventi, potendo prevedere le fasi costruttive e il posizionamento dei mezzi di cantiere.

Il tutto a vantaggio della pianificazione degli interventi, della viabilità interrotta e per identificare fin da subito eventuali criticità, osservando preventivamente gli effetti della loro attuazione sul modello digitale per anticipare eventuali problematiche ed eseguire azioni correttive direttamente sul modello BIM.

La digitalizzazione del contesto urbano in ambiente BIM

Nella successiva fase delle lavorazioni si è proceduto con la digitalizzazione dell’ambiente urbano, partendo dalla riproduzione dello stato attuale e passando, in seguito, alla realizzazione dei modelli digitali degli scenari di intervento.

Per inizializzare le operazioni si sono definiti alcuni oggetti parametrici che potessero, una volta integrati tra loro, riprodurre digitalmente un qualsiasi contesto urbano, e che potessero essere riconfigurati a seconda degli interventi proposti nella zona di analisi. Mediante l’utilizzo di tali strumenti è stato possibile riprodurre digitalmente le strade presenti nell’intorno dell’intersezione esaminata (Figura 4).

L’intersezione
4. Il confronto tra la rappresentazione digitale dell’intersezione (a sinistra) e lo stato reale dell’intersezione (a destra)

Si è dunque proceduto con la realizzazione di un modello digitale che contenesse gli elementi informativi rappresentanti l’arredo stradale (dalla segnaletica verticale ed orizzontale, alle fermate del trasporto pubblico, fino ai percorsi pedonali e ciclabili).

Questo ha permesso, nelle fasi successive, di realizzare un modello dello stato attuale che riproducesse nel dettaglio la condizione effettivamente presente in sito. Sfruttando il database GIS predisposto in fase di analisi e le entità puntuali, lineari e areali in esso presenti e riferite alle varie componenti dell’ambiente stradale, si è potuto far corrispondere a queste entità il modello del rispettivo elemento di arredo urbano.

Tali modelli, come nel caso del pacchetto della pavimentazione stradale parametrica, contengono informazioni riferite agli oggetti che vanno a riprodurre, ad esempio, il materiale con il quale sono composti o la data di installazione di un determinato componente.

I modelli BIM composti finora possono quindi essere integrati in un contesto realistico, importando i dati in essi contenuti al fine di realizzare la riproduzione digitale dell’area di studio.

Questa può essere la base di analisi ulteriori, semplificate dalla riproduzione tridimensionale degli elementi e dalle informazioni in essi contenuti. L’obiettivo della procedura, difatti, è esattamente quello di realizzare un ambiente urbano digitale che possa essere monitorato e aggiornato continuamente, il quale possa fungere da base per analisi su eventuali interventi manutentivi o di riconfigurazione dello stato attuale, in un’ottica di flusso informativo continuo nel tempo, nel quale sia scongiurata la perdita di dati e informazioni riguardanti lo stato delle opere analizzate (Figura 5).

Il workflow del processo
5. Il workflow del processo sviluppato

Risulta fondamentale ricorrere ad una strategia che consenta un efficace scambio di informazioni all’interno di questo processo, in modo da ottenere in un unico ambiente tutte le informazioni atte a garantire un adeguato modello informativo ottimizzato grazie alla gestione tra i vari operatori che intervengono nelle analisi della sicurezza stradale, garantendo anche l’interoperabilità richiesta dalle disposizioni normative recepite nel nostro Paese [3 e 4].

Partendo dallo stato attuale, si è proposta una raccolta di interventi per risolvere le problematiche di sicurezza stradale messe in luce nelle analisi svolte.

Gli interventi sono stati suddivisi per scenari e per ognuno di essi è stato redatto un computo metrico, effettuato sulle risultanze quantitative della progettazione delle soluzioni adottate e calcolato un beneficio in termini monetari, che ha tenuto conto del risparmio sul costo sociale legato all’incidentalità.

Sono stati predisposti tre scenari di intervento che riportano in parte misure tra loro alternative e in parte misure che possono essere comuni a più modalità di intervento.

Il primo scenario, come per gli altri, vede rispettate le prescrizioni sulle problematiche generali della zona e si configura come uno scenario a costi di intervento ridotti rispetto alle altre proposte e non mina in maniera evidente la configurazione attuale dei luoghi.

Il secondo scenario di intervento prevede, in corrispondenza degli incroci analizzati, la realizzazione di una serie di attraversamenti avanzati, atti a migliorare la visibilità reciproca tra pedone e autovettura. Inoltre, viene programmato l’inserimento di due attraversamenti rialzati su Via delle Baleniere e di barriere parapedonali.

L’intervento di maggior impatto (scenario 3) consta nella realizzazione di una rotatoria compatta, progettata anche al fine di ridurre le velocità operative ed i punti di conflitto delle manovre previste nell’intersezione (Figura 6).

Il modello BIM e scenario di intervento
6. Il modello BIM in contesto realistico (a sinistra) con relativo scenario di intervento (a destra)

La metodologia BIM ha reso la redazione di computi metrici estimativi efficiente e dinamica. Disporre di un modello BIM ha consentito, infatti, di tenere sotto controllo ogni azione riducendo notevolmente la possibilità di effettuare errori anche nel calcolo dei costi di realizzazione: si fa riferimento, riguardo tali aspetti, alla “quinta” dimensione (5D) del BIM.

Grazie al livello di dettaglio ottenuto nella modellazione degli elementi si è potuto contare sul modello digitale per la quasi totalità delle lavorazioni e si è quindi ridotto al minimo l’uso di tecniche semplificative per la stima delle quantità, ottenendo un grado di precisione nella stima dei costi più elevato rispetto a quanto conseguibile sfruttando tecniche tradizionali.

Tutto questo, a vantaggio anche di futuri monitoraggi che potrebbero definire nuovi scenari d’intervento con nuovi costi di realizzazione, e conseguentemente un aggiornamento dinamico del modello BIM a seguito dei nuovi interventi effettuati sull’ambiente stradale. 

Conclusioni e sviluppi futuri

Il processo finora illustrato si configura all’interno di un più ampio quadro metodologico, che punta alla digitalizzazione delle città metropolitane. Il cosiddetto Urban Digital Twin si integra, infatti, in una procedura di rigenerazione urbana secondo un’ottica di Smart City.

A riguardo, si vuole ricordare l’iniziativa messa a punto dal Comune di Roma in merito al piano strategico “Roma Smart City 2030” [12], ove tra i principali obiettivi fissati vi è quello di raggiungere una città sempre più sostenibile ed efficiente anche dal punto di vista della sicurezza stradale.

Urban digital twin
7. Il tema dello Urban Digital Twin rappresenta la migliore soluzione per ottenere città sempre più Smart monitorate costantemente grazie all’acquisizione di dati (Big Data) provenienti da tecnologie di intelligenza artificiale, implementando i possibili scenari e raggiungendo un approccio di gestione delle infrastrutture urbane funzionale

Quanto proposto si configura quindi come una prima applicazione della metodologia BIM nel settore della sicurezza stradale, segnatamente nell’ambito urbano e con un approccio integrato rispetto a quello tradizionale con una forte connotazione proattiva.

Permane l’ambizione di integrare soluzioni ancora più innovative che possano determinare una standardizzazione del metodo, al fine di ottimizzare le attività di gestione del patrimonio infrastrutturale urbano del nostro Paese.

In questo contesto, il tema dello Urban Digital Twin rappresenta la migliore soluzione al fine di ottenere città sempre più Smart, monitorate costantemente grazie all’acquisizione di dati (Big Data) provenienti da tecnologie di intelligenza artificiale come i sistemi IoT, sensori GPS e altre reti che, integrate continuamente e dinamicamente al modello BIM, permetteranno a quest’ultimo di aggiornarsi costantemente in base al flusso di informazioni raccolte, implementando i possibili scenari e raggiungendo un approccio di gestione delle infrastrutture urbane funzionale, dalla progettazione alla gestione.

Un altro aspetto che appare importante citare riguarda la possibilità di utilizzare le informazioni e in generale i modelli digitali per condurre nel tempo diverse valutazioni di sicurezza stradale, magari anche quelle basate sulla stima di una sicurezza intrinseca dell’infrastruttura.

I dati e i modelli garantiranno una fonte importante per eseguire questo tipo di analisi che solitamente utilizzano proprio le caratteristiche, geometriche e non, degli elementi della strada per produrre una valutazione di rischio.

Ricordando la strada intrapresa dall’UE con la recente Direttiva [2], una metodologia in grado di integrare il più possibile approcci innovativi come il BIM garantirà senza dubbio un efficientamento di tutti i processi, una gestione più trasparente e, non meno importante, un miglioramento delle condizioni di sicurezza derivanti dalla possibilità di agire più rapidamente ed in maniera proattiva, garantendo al tempo stesso un continuo monitoraggio delle condizioni di sicurezza e dell’efficacia di soluzioni implementate.

A tutto questo va anche aggiunto che i modelli digitali sono fondamentali per tutte le fasi di manutenzione e, più in generale, nell’asset management urbano ed extraurbano.

I modelli digitali
8. I modelli digitali sono fondamentali per tutte le fasi di manutenzione e, più in generale, nell’asset management urbano ed extraurbano

Ragionando in quest’ottica, nel Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre continuano le ricerche applicate all’ambito BIM in merito alla sicurezza stradale, potendo anche contare sull’ausilio di un simulatore di guida in realtà virtuale, che consente di effettuare studi avanzati riguardo il comportamento di guida degli utenti nei diversi contesti analizzati.

Il gruppo di ricerca, coordinato dallo scrivente Prof. Fabrizio D’Amico, intende estendere l’analisi svolta fino a questo momento, ed evidenziare i futuri sviluppi che dovrebbero essere implementati al fine di garantire il miglior processo possibile (per manifestazioni di interesse o richieste di informazioni è possibile contattare il gruppo di ricerca: biminside@uniroma3.it).

Bibliografia

[1]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.Lgs. 35 del 15/03/2011: “Attuazione della Direttiva 2008/96/CE sulla gestione della sicurezza delle infrastrutture”.

[2]. Parlamento Europeo e Consiglio, Direttiva (UE) 2019/1936 del 23/11/2019, che modifica la Direttiva 2008/96/CE sulla gestione della sicurezza delle infrastrutture stradale.

[3]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.M. 560 del 01/12/2017: “Modalità e i tempi di progressiva introduzione dei metodi e degli strumenti elettronici di modellazione per l’edilizia e le infrastrutture”.

[4]. MIMS – Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibile, D.M. 312 del 03/08/2021: “Modifiche al D.M. 560 del 01/12/2017”.

[5]. F. D’Amico, D. Presta – “Le potenzialità del BIM applicate alla progettazione delle infrastrutture viarie”, “Strade & Autostrade”, n° 126 Novembre/Dicembre 2017.

[6]. F. D’Amico, L. D’Ascanio, D. Presta, E. Schiattarella, M. C. De Falco, C. Ferrante – “Applicazioni BIM per le infrastrutture di trasporto: le attività del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre”, “Strade & Autostrade”, n° 138 Novembre/Dicembre 2019.

[7]. F. D’Amico, L. Bertolini, A. Napolitano – “Possibili implementazioni dell’approccio BIM nelle fasi di gestione e manutenzione delle infrastrutture di trasporto”, “Strade & Autostrade”, n° 148 Luglio/Agosto 2021.

[8]. F. D’Amico, D. Presta, C. Ferrante, L. D’Ascanio, M.C. De Falco, F. Tosti – “BIM for infrastructure: an efficient process to achieve 4D e 5D digital dimensions”, European Transport, Issue 77 (2020-Special Issue “TIS Roma 2019”).

[9]. F. D’Amico, A. Calvi, E. Schiattarella, M. Di Prete, V. Veraldi – “BIM and GIS data integration: a novel approach of technical/environmental decision-making process in transport infrastructure design”, AIIT 2nd International Congress on Transport Infrastructure and Systems in a changing world (TIS Roma 2019), 23rd-24th September 2019, Rome, Italy.

[10]. C. Ferrante, L. Bianchini Ciampoli, M.C. De Falco, L. D’Ascanio, D. Presta, E. Schiattarella – “Can a fully integrated approach enclose the drainage system design and the flood risk analysis?”, AIIT 2nd International Congress on Transport Infrastructure and Systems in a changing world (TIS Roma 2019), 23rd-24th September 2019, Rome, Italy.

[11]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.M. 137 del 02/05/2012: Linee guida per la gestione della sicurezza delle infrastrutture stradali ai sensi dell’art. 8 del Decreto Legislativo 15 Marzo 2011, n° 35, Roma Capitale, “Roma Smart City”, 09/03/2021.

[12]. Roma Capitale – “Roma Smart City”, 9/3/2021.

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