Con l’emanazione nel 2020 delle “Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza e il monitoraggio dei ponti esistenti” e successiva revisione del 2022 (nel seguito LG Ponti), sono state definite a livello nazionale le metodologie di analisi e le frequenze ispettive di ponti e viadotti delle reti stradali e autostradali italiane. In particolare, a valle della determinazione della Classe di Attenzione (CdA) dell’opera, ottenuta tramite un approccio multilivello, si perviene alla definizione del numero e della tipologia di ispezioni visive da eseguire su ciascun ponte annualmente.
Nei casi peggiori (CdA Alta o Medio-Alta), è prevista un’ispezione da eseguirsi trimestralmente da parte di ispettori qualificati, che devono visionare tutte le componenti di una singola opera, segnalando eventuali difettosità su di essa presenti.
L’esecuzione di tali ispezioni prevede, in accordo con le LG Ponti, per ciascuna componente dell’opera, “un accurato rilievo fotografico, rilievo geometrico e rilievo dei principali fenomeni di degrado presenti…e l’esame sia dell’estradosso sia dell’intradosso del ponte in ogni loro elemento in modo da avere una visibilità completa ed adeguata dell’opera…”.
Ne consegue che per ciascun ponte o viadotto sia necessario analizzare a “distanza ravvicinata” tutti i componenti strutturali (ossia travi, trasversi, pile, spalle, appoggi, ecc.), richiedendo una attività in campo estremamente onerosa per ogni gestore.
Austostrade per l’Italia gestisce circa 3.000 km di autostrade e, a causa della particolare e complessa struttura orografica del territorio nazionale, presenta un numero molto elevato di opere d’arte (circa 2.000 ponti e viadotti ed altrettanti cavalcavia). Tali opere sono state costruite, per la maggior parte, tra il 1955 e il 1990, e più in particolare circa il 75% tra il 1960 e il 1990. Conseguentemente tali strutture hanno inevitabilmente risentito degli effetti del tempo e dell’incremento dei carichi su di esse transitanti, e necessitano dunque di essere analizzate e ispezionate attentamente, per poter identificare e dunque intervenire sugli eventuali fenomeni di degrado in corso che possano compromettere le performance dell’opera.
L’ispezione di ponti e viadotti tramite l’utilizzo di droni
Negli ultimi anni, lo sviluppo sempre più rapido di nuove tecnologie digitali ha suscitato particolare interesse verso tutti gli strumenti che possano essere di supporto alle attività di controllo delle infrastrutture, fornendo numerosi vantaggi rispetto ai metodi classici, attualmente in uso.
Tra queste, l’utilizzo di Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR), comunemente noti come droni, può consentire di effettuare ispezioni visive remotizzate, fornendo un valido ed efficace ausilio alle attività di sorveglianza ordinarie. In particolare, le nuove tecnologie sviluppate in ambito fotografico e lidar, hanno permesso di associare ad un drone macchine fotografiche ad altissima risoluzione e scanner lidar di altrettanta potenza, consentendo di eseguire rilievi molto dettagliati delle opere.
L’impiego di droni permette di ottenere molteplici benefici rispetto alle ispezioni eseguite tradizionalmente. In primo luogo, vi è una notevole riduzione dei tempi e dei costi legati ad una singola ispezione, che può essere eseguita molto più rapidamente e con minore effort legato al post-processamento degli output ispettivi. In secondo luogo, l’impiego dei droni abbatte in maniera considerevole gli impatti sull’esercizio dell’infrastruttura e dunque sulla sicurezza degli operatori e degli ispettori stessi, soprattutto nei casi in cui, a causa della morfologia del territorio e/o delle caratteristiche geometriche delle strutture, sia necessario l’utilizzo di mezzi speciali quali piattaforme elevatrici, by-bridge, ecc..
Le ispezioni, inoltre, risultano essere più performanti e beneficiano di una migliore qualità degli output; infatti, utilizzando droni è possibile raggiungere e ispezionare anche i punti più remoti dell’infrastruttura, difficilmente raggiungibili con normali mezzi d’opera, e collezionare immagini e informazioni di alta qualità e facile fruizione, oggettive e ripetibili nel tempo, minimizzando la soggettività legata all’esperienza e alla competenza dei singoli ispettori.
La piattaforma ARGO 3D
Il rilievo eseguito su un ponte o viadotto mediate l’utilizzo di un drone consente di ottenere una elevata mole di dati, tipicamente non strutturati, che è necessario elaborare e organizzare adeguatamente, al fine di rendere possibile l’ispezione remota di un’opera.
A tale scopo, Movyon, in qualità di operatore tecnologico del gruppo Autostrade per l’Italia, ha sviluppato la piattaforma Argo 3D, per la memorizzazione, catalogazione e fruizione di dati fotografici e geometrici acquisiti tramite rilievi aerei o terrestri, abilitando tutte le funzionalità necessarie per eseguire l’ispezione da remoto di un’opera. ARGO 3D è parte di ARGO, la piattaforma estesa di asset management per il monitoraggio e la gestione del ciclo di vita delle opere.
Il software di Argo 3D è stato testato sperimentalmente su circa 30 opere della rete Autostrade per l’Italia, sulle quali è stato eseguito un rilievo laser-scanner e fotogrammetrico con droni e ricostruito il modello digitale. Tale modello è stato messo a disposizione del gestore per eseguire analisi di dettaglio sulle componenti strutturali e testare l’efficacia del processo ispettivo remotizzato.
La memorizzazione dei dati
Il primo passo per rendere fruibili i dati acquisiti sul campo è catalogarli e organizzarli in modo che siano facilmente accessibili da remoto, ovvero tramite web. La piattaforma Argo 3D mette infatti a disposizione dei tecnici un portale web sviluppato ad hoc per il caricamento dei dati grezzi acquisiti in sito, rendendoli utilizzabili per la successiva elaborazione.
Il portale guida alla catalogazione dei dati secondo criteri prestabiliti, che permettono di automatizzare sia una prima fase di validazione dei dati grezzi collezionati dal drone, sia la successiva elaborazione di questi ultimi, al fine di produrre elaborati maggiormente informativi quali, ad esempio, il gemello digitale dell’opera.
La ricostruzione del gemello digitale
Il fulcro delle elaborazioni eseguite sui dati è la produzione del gemello digitale, attraverso il quale è possibile eseguire l’ispezione dell’opera da remoto, comodamente dal proprio ufficio. Utilizzando opportune tecniche di fotogrammetria, è possibile ricostruire il modello 3D dell’opera rilevata, utilizzando le foto e le scansioni lidar raccolte, ottenendo un vero e proprio gemello digitale del ponte, con altissima risoluzione sia in termini di accuratezza e precisione del rilievo geometrico, sia in termini di texture.
La fruizione agevole del modello 3D con tale livello di risoluzione è resa possibile grazie a moderne tecniche di rendering 3D in multi-risoluzione, che consentono di navigare con facilità modelli anche molto dettagliati, riuscendo ad eseguire una ispezione completa in tempi molto rapidi.
La creazione del gemello digitale dell’opera produce inoltre un altro dato fondamentale a corredo della ricostruzione, ovvero vengono calcolati precisamente la posizione e l’orientamento della fotocamera che ha effettuato il rilievo fotografico.
Ciò consente non solo di vedere esattamente come è stata eseguita la copertura fotografica dell’opera, ma anche di alternare la navigazione tra modello 3D e foto in maniera intuitiva; a titolo esemplificativo cliccando sul modello 3D sarà possibile vedere tutte le foto che hanno fotografato il punto selezionato e cliccando su una foto sarà possibile vedere dove è stata scattata nello spazio.
L’ispezione remota e l’integrazione con BIM
La piattaforma Argo 3D mette inoltre a disposizione degli ispettori un applicativo Web che prevede, oltre alla visualizzazione del gemello digitale dell’opera, la possibilità di eseguire misurazioni ed inserire annotazioni di vario genere direttamente sul modello 3D, al fine di individuare e catalogare i difetti di un’opera.
Gli ispettori, infatti, grazie alla tecnologia di rendering in multi-risoluzione, saranno in grado di effettuare zoom molto ravvicinati sulle componenti dell’opera, mantenendo un altissimo grado di dettaglio e consentendo quindi l’individuazione di eventuali difetti direttamente sul modello 3D.
Una volta individuata la presenza di un difetto, è possibile localizzarlo precisamente usando un tool di disegno che consente di tracciare un poligono sulla geometria 3D, identificando esattamente l’ingombro del difetto stesso. Al poligono tracciato è associata un’informazione circa la tipologia di difetto rilevata, che viene automaticamente memorizzato in uno specifico database per successive analisi.
Per arricchire questo processo, il gemello digitale è corredato di un modello BIM dell’opera, suddiviso nelle parti costituenti il manufatto, che permette di associare un’informazione semantica alla locazione del difetto, ovvero la componente del ponte su cui il difetto è stato riscontrato. In questo processo, l’operatore ha sempre a disposizione anche le foto scattate dal drone come ausilio all’individuazione dei difetti.
L’identificazione automatica dei difetti
La ricostruzione del gemello digitale è affiancata da un’altra elaborazione fondamentale, ovvero l’individuazione automatica di difetti grazie all’utilizzo di tecniche di Intelligenza Artificiale.
L’utilizzo di moderne reti convoluzionali profonde per la segmentazione semantica di immagini o la cosidetta “object detection” (ovvero individuazione di elementi di interesse tramite “bounding box”) permette di suggerire, all’apertura dell’applicativo di ispezione remota, una serie di difetti che dovranno poi essere confermati o rigettati dall’operatore umano.
Il software di identificazione automatica dei difetti, sviluppato e integrato in Argo 3D da Movyon, è in grado di riconoscere ad oggi cinque classi di difetti sul calcestruzzo: fessure, armatura scoperta, vespai, efflorescenze e macchie di umidità, mentre si sta lavorando per incrementare tale numerica. Sono state utilizzate circa 15.000 immagini, di cui circa il 30% generato sinteticamente, per addestrare e poi testare gli algoritmi di intelligenza artificiale, che sono attualmente in grado di identificare i difetti con altissima precisione.
Sfruttando la sinergia tra foto e modello 3D, i difetti suggeriti dall’AI saranno visualizzabili sia nelle foto sia direttamente nel gemello digitale, fornendo una localizzazione accurata del difetto nelle tre dimensioni. Tale capacità di localizzare esattamente i difetti nelle tre dimensioni consente di osservare e analizzare lo storico dei difetti e confrontare i diversi rilievi svolti nell’arco dei mesi o degli anni, ottenendo un potente strumento per analisi di tipo predittivo/previsionale, da utilizzarsi per una ottimizzazione nella pianificazione degli interventi manutentivi sulle opere.
Andrea Baldacci – Computer Vision Specialist di Movyon, Gruppo Autostrade per l’Italia
David Buggiani – Responsabile Infrastructure Management di Movyon, Gruppo Autostrade per l’Italia
Marzia Malavisi – Responsabile Structural Monitoring di Movyon, Gruppo Autostrade per l’Italia