Digital Twin: il gemello digitale dell’opera

La digitalizzazione e il concetto di gemello digitale 

Il percorso della digitalizzazione sta facendo vivere al settore delle costruzioni una vera e propria evoluzione, che si concretizza attraverso l’impiego di metodi e strumenti a supporto dei professionisti lungo tutto il ciclo vita di un’opera, sia essa di tipo edile oppure infrastrutturale. Questo si traduce anche in un progressivo passaggio dall’impiego di veicoli informativi tradizionali, quali gli elaborati, all’utilizzo di modelli digitali come vere e proprie virtualizzazioni del progetto nelle varie fasi che si susseguono.

All’interno di questo scenario, negli ultimi anni si è fatto strada il concetto di Digital Twin, anche noto come “gemello digitale” dell’opera. Ma cosa si intende esattamente con questa espressione? 

Tralasciando l’attributo “Digital”, il quale ovviamente si esplicita da solo, è interessante piuttosto focalizzare l’attenzione sul termine “Twin”, “gemello” appunto.

Figura 1 – Esempio di Digital Twin di una stazione ferroviaria (Fonte: LocLab Consulting)

Che cosa è il Gemello digitale?

Rispetto ad altre terminologie associate alla digitalizzazione e al Building Information Modeling, questo particolare aspetto vuole in effetti sottolineare come effettivamente si abbia a che vedere con un clone digitale di un edificio o di un’infrastruttura. Esso deve essere in grado, da un lato, di rappresentare l’opera, permettere la navigazione al suo interno oltre che una certa interazione con i suoi componenti; dall’altro, nel corso del suo ciclo vita, deve perfino potersi modificare e comportare in accordo a quanto avviene alla controparte nel mondo reale.

Ed è qui il vero obiettivo dei Digital Twin: modelli virtuali in grado di cambiare la propria natura sulla base di input esterni che rappresentano gli eventi che impattano sull’opera nel mondo reale, trasferiti ad esso mediante una molteplicità di alternative. Ciò si traduce in dati ed informazioni assimilati dal gemello digitale e ad esso inviati da differenti sorgenti, siano esse azioni manuali o input dell’utente piuttosto che specifici sensori (sismici, di temperatura, di umidità…) posizionati sull’opera reale, in sito.

È facile quindi immaginare come ciò possa positivamente impattare sull’intero ciclo vita di un cespite, dalla sua ideazione e progettazione, alla fase di costruzione fino a tutto ciò che concerne la gestione, fruizione e manutenzione. Il tutto tenendo conto dei vari soggetti e delle loro responsabilità, siano essi progettisti, contractor, gestori, proprietari...

Dal punto di vista tecnico va sottolineato come spesso i gemelli digitali vengano realizzati anche avvalendosi di tecnologie afferenti all’industria del gaming, con il beneficio di poter ottenere modelli navigabili estremamente realistici, molto leggeri e particolarmente intuitivi da utilizzare.

Anche attraverso la scalabilità del dettaglio grafico in base al punto di osservazione, risulta possibile includere in pochi megabyte Digital Twin di opere anche molto grandi (ad esempio un grattacielo) oppure caratterizzate da un importante sviluppo sul territorio (es. una linea ferroviaria da decine di chilometri).

Figura 2 – Esempio di dettaglio di un gemello digitale in ambito ferroviario (Fonte: LocLab Consulting)

Questi modelli possono essere realizzati sulla base di differenti set di informazioni: interessante sottolineare come siano disponibili tecnologie in grado di realizzare Digital Twin anche a partire da delle semplici fotografie piuttosto che da riprese video dell’edificio. Ovviamente anche disegni, modelli e nuvole di punti possono essere un input ma non sempre si hanno queste informazioni a disposizione, specie se si tratta di edifici con una certa storia alle spalle. 

Applicazioni e applicativi per l’utilizzo di Digital Twin

Ciò apre le porte a una molteplicità di soluzioni specifiche per le varie esigenze, traducendosi nella realizzazione di gemelli digitali per, ad esempio, il coinvolgimento degli stakeholder, includendo diversi scenari di intervento all’interno di uno stesso gemello digitale. In questo modo il modello diventa anche uno strumento di discussione o dibattito pubblico.

Un’altra applicazione potrebbe essere invece la predisposizione di Digital Twin per la simulazione di scenari, verifiche tecniche e comportamenti dell’opera attraverso input che consentano al modello di modificarsi in maniera dinamica (es. apertura porte, funzionamento macchinari, avvio lavorazioni, cambiamento condizioni climatiche, intelligenza artificiale…)

Non è raro poi che i suddetti modelli siano anche utilizzati come strumenti per attività di training e addestramento del personale tramite la cosiddetta gamification, anche attraverso il loro impiego all’interno di strumenti per la realtà virtuale. Ciò agevola le attività di formazione circa l’utilizzo o la fruizione del bene, la formazione di tecnici specializzati per contesti standard oppure per situazioni dove vi siano particolari condizioni di rischio.

Inoltre, gli stessi Digital Twin possono fungere da supporto alla progettazione, fornendo una base di partenza laddove non ci siano dati storici a disposizione, magari per un intervento di ristrutturazione su un edificio esistente di cui non si dispone di planimetrie, disegni o modelli dai quali partire.

Infine, pensando al tema dell’asset management, sarebbe anche possibile utilizzare il Digital Twin come un vero e proprio cruscotto digitale di gestione dell’opera in grado di interagire dinamicamente con altri database di gestione e manutenzione, ordini di acquisto o di lavoro, sistemi GIS….

A seconda dei casi ci troveremo dunque di fronte a modelli interattivi dotati di differenti funzionalità, tagliate su misura per le esigenze di chi si troverà ad operare con essi.

Alcuni gemelli digitali, ad esempio, potrebbero essere predisposti per una attività di navigazione al loro interno, unitamente a ulteriori funzionalità a supporto dell’utente nella ricerca del percorso migliore per raggiungere un certo reparto di un ospedale. Altri potrebbero invece aiutare il gestore di un immobile nel monitoraggio riguardo l’occupazione degli spazi, i consumi energetici di un edificio, la sicurezza, gli interventi di manutenzione….

Figura 3 – Possibile esempio di utilizzo di un Digital Twin con finalità legate alla manutenzione (Fonte: LocLab Consulting)

Tutto ciò viene reso possibile mediante un’opportuna configurazione del gemello digitale all’interno di particolari “player”, tool di interazione a servizio dell’utente e pronti all’uso, senza che siano necessari ulteriori software o installazioni. Essendo la facilità di utilizzo uno dei cavalli di battaglia del Digital Twin, ciò si traduce anche nella possibilità di utilizzare questi player sia su sistemi PC desktop ma anche tramite portali web piuttosto che su App per smartphone. Questo permette a tutti gli utenti coinvolti di poter interagire, ciascuno per le proprie responsabilità o finalità, al medesimo gemello digitale condiviso.  

L’esperienza di LocLab

In questo scenario di mercato, si cita ad esempio la società tedesca LocLab, partner di Harpaceas, specializzata proprio nella realizzazione e fornitura di Digital Twin su misura per le esigenze dei clienti. Il team si avvale dell'esperienza di oltre 3000 progetti di gemelli digitali e ha vari clienti in tutto il mondo.

Per ciascun modello è necessario un database, ma i processi di acquisizione dei dati possono essere molto diversi in termini di impegno e costo.

LocLab utilizza una tecnologia basata essenzialmente sulla "fotogrammetria terrestre" per creare modelli accurati e di alta qualità a un costo contenuto. Le fotografie scattate con una fotocamera digitale, in combinazione con una serie di misurazioni di riferimento, sono tutto ciò che viene richiesto per la creazione del Digital Twin. 

Si riportano di seguito due esempi per meglio descrivere alcuni ordini di grandezza in gioco. 

Considerando una stazione ferroviaria del centro città con circa 60.000 passeggeri al giorno e 14 binari a lunga percorrenza, sono necessarie circa tre ore-uomo per intraprendere una completa raccolta dati di tutte le aree pubbliche, comprese le aree esterne, gli atrii della stazione, tutte le piattaforme e i tunnel pedonali. 

Invece il processo di acquisizione dati per una città con una popolazione di circa 160.000 abitanti richiede circa 16 ore-uomo. 

Naturalmente, come parzialmente anticipato, è anche possibile elaborare dati provenienti da altre fonti e tecnologie, come riprese video da action cam, scansioni laser, nuvole di punti, rilievi di tipo tradizionale, formati CAD, dati GIS, etc. 

La modellazione 3D effettuata da LocLab è un processo semi-automatico basato su una cosiddetta ToolChain, una raccolta di algoritmi per l'elaborazione dei dati di input. Prima di tutto gli elementi vettoriali e successivamente gli oggetti vengono identificati nel modello digitale e vengono sostituiti dagli elementi corrispondenti della libreria di oggetti, in modo da garantire che il set di dati rimanga di dimensioni contenute. Tra le altre cose, vengono anche messi in atto processi di sincronizzazione dei dati e loro standardizzazione, la gestione di rilievi terrestri e fotogrammetrici, l’utilizzo di un software di riconoscimento dei pattern, nonché l'architettura della libreria oggetti e loro inserimento nel modello come istanze.

La libreria degli oggetti è infatti uno degli aspetti fondamentali per poter popolare il Digital Twin in maniera efficace, mantenendo una certa leggerezza in termini di fruizione. Gli oggetti sono elementi “gemelli” delle controparti reali, vengono inseriti nel modello in maniera automatizzata, tramite confronto e riconoscimento con gli elementi del mondo reale. Inoltre, a seconda delle esigenze, essi, oltre all’aspetto rappresentativo, sono la chiave per poter “dare vita” al Digital Twin. Ciò significa che gli oggetti sono di fatto elementi in grado di assumere comportamenti dinamici in base a opportune condizioni e/o input, con animazioni governate da leggi fisiche. Essi, inoltre, sono in grado di ospitare al proprio interno informazioni e schede tecniche allegate e posso anche fungere da punto di accesso per database informativi e servizi esterni ad essi strettamente associati (es. un oggetto rappresentante un quadro elettrico come punto di accesso per il database di controllo e manutenzione dell’apparecchiatura tecnica).

Figura 4 - Esempio di interazione tra oggetto del Digital Twin e database informativo esterno (Fonte: LocLab Consulting)

Il panorama internazionale

Questo ventaglio di possibilità mostra come i confini della digitalizzazione siano in realtà molto ampi e soprattutto che il mercato stia evolvendo con applicazioni tecnologiche impensabili solo fino a qualche anno fa.

Questo va inteso sia dal punto di vista della ampia varietà di soluzioni e alternative di interazione con i modelli digitali ma anche in una sempre crescente sartorialità delle tecnologie e dei servizi offerti per rispondere appieno e al meglio alle particolari esigenze dei clienti che operano nel mercato delle costruzioni (ma non solo).

Non è un caso dunque che attorno al tema ci sia forte interesse sia dal punto di vista degli enti di normazione che da parte delle organizzazioni che curano lo sviluppo di standard digitali per il mercato. A tal proposito si citano innanzitutto le attività svolte da parte di ISO (International Organization for Standardization) con i lavori in capo al comitato tecnico ISO/TC 184 Automation systems and integration che per il settore manifatturiero include attività specifiche proprio sul tema Digital Twin (ISO/TC 184/AHG 2). 

Inoltre, tra le altre, si ricorda anche buildingSMART International, organismo internazionale che per il settore costruzioni, che cura lo sviluppo di standard aperti openBIM quali Industry Foundation Classes (UNI EN ISO 16739). Esso infatti guarda con particolare interesse al tema dei gemelli digitali nei propri progetti di standardizzazione in corso, nei numerosi webinar divulgativi/tecnici - anche in partnership con un ente di riferimento per il GIS quale Open Geospatial Consortium (OGC) - e come, peraltro, si può evincere dalla riflessione riportata all’interno di questo articolo.