Cos’è un gemello digitale? Il mondo del costruito tra modelli e megadati

• Che cos’è un gemello digitale?
• Che cos’è un gemello digitale per l’Architettura, l’Ingegneria e le Costruzioni?
• BIM e gemelli digitali
• La storia dei gemelli digitali
• I 5 livelli di gemelli digitali
• I 4 vantaggi dei gemelli digitali
• Il futuro dei gemelli digitali

 

Vent’anni fa, quando Stephen Spielberg cominciò ad adattare Minority Report di Philip K. Dick per il grande schermo, il regista riunì i più brillanti esperti di scienza e tecnologia per aiutarlo a preconizzare le città del futuro. La versione cinematografica di Washington nel 2025 rappresentava una città decisamente tenebrosa, ma i residenti potevano godere delle comodità prodotte dalle tecnologie digitali intelligenti: auto senza conducente, annunci pubblicitari personalizzati tramite scansione della retina e case controllate con un comando vocale.

Due decadi fa, quelle profezie ‘tech’ sembravano esageratamente futuristiche, ma molte si sono avverate: computer comandati a gesti, annunci web mirati e frigoriferi che ordinano il latte quando finisce.

Oggi, gli edifici intelligenti sanno dove vivete, quali sono i vostri orari e persino quanto zucchero mettete nel caffè. Man mano che le città e gli edifici diventano più intelligenti e autonomi, altrettanto lo sono gli strumenti utilizzati per progettarli, gestirli e condurne la manutenzione.

Non è un segreto che il settore Architettura, Ingegneria e Costruzioni (AEC) è in ritardo rispetto ad altre attività produttive quando si tratta di aprirsi alla digitalizzazione e di adottare processi decisionali basati sui dati. Ma qualcosa sta cambiando, poiché i professionisti del settore si rendono conto che per andare avanti devono iniziare a pensare – e lavorare – in modo diverso.

Mentre l’Internet delle cose (IoT), l’Intelligenza artificiale (IA) e le tecnologie di cloud computing guidano la trasformazione digitale del settore AEC, i gemelli digitali stanno guadagnando terreno. Gli strumenti stanno diventando più potenti, e i progettisti e i proprietari stanno iniziando a capire come poter ottimizzare il mondo del costruito.

Che cos’è un gemello digitale?

Un gemello digitale è la rappresentazione digitale di un oggetto o di un ambiente fisico, come un’auto, un ponte o un edificio. Immaginatelo meno come un modello 3D tradizionale e più come un modello di informazioni. È un comune modello di riferimento di dati che viene creato durante la fase di pianificazione e abbraccia ogni fase del ciclo di vita di un progetto, dalla progettazione alla produzione e alla costruzione, al funzionamento e alla manutenzione, fino al suo futuro utilizzo o riutilizzo.

A differenza dei modelli di dati statici, i gemelli digitali sono entità dinamiche e “vive” che si evolvono in tempo reale. Imparano, si aggiornano e comunicano con le loro controparti fisiche, scambiando dati durante il ciclo di vita della risorsa tramite l’IA, l’apprendimento automatico e le tecnologie IoT. Armati di simili simulazioni dinamiche, gli utenti di questi gemelli virtuali possono scongiurare i problemi prima che si verifichino, esplorare nuove opportunità e pianificare il futuro.

Che cos’è un gemello digitale per l’Architettura, l’Ingegneria e le Costruzioni?

Nel settore AEC, i gemelli digitali sono una replica vera e propria delle risorse costruite e dei loro sistemi.

Il gemello digitale potrebbe assumere la forma di:

• un edificio
• un elemento infrastrutturale, ad esempio un ponte
• un ecosistema articolato di risorse connesse, ad esempio una rete ferroviaria, un complesso di uffici o una città

Come funziona un gemello digitale nel settore delle costruzioni

Nell’industria delle costruzioni, i gemelli digitali elaborano informazioni quali:

• dati operativi per gli impianti HVAC e MEP (meccanici, elettrici e idraulici)
• ricambi e dati di manutenzione
• dati ambientali raccolti attraverso sensori IoT

In una costruzione nuova, il gemello digitale viene creato nella fase iniziale del progetto, quando i team AEC e i proprietari lavorano insieme per definire gli obiettivi delle prestazioni e i risultati desiderati. Man mano che il progetto procede, i dati vengono continuamente raccolti e mappati nel modello, utilizzando una piattaforma come Autodesk Tandem.

Quando la costruzione viene consegnata al proprietario, il gemello virtuale raccoglie i dati operativi che possono essere utilizzati per mettere a punto le prestazioni e gestire la manutenzione a lungo termine, oltre a supportare la dismissione e l’uso futuro.

Poiché il gemello digitale si evolve continuamente con i dati forniti dal suo gemello fisico, può eseguire simulazioni e previsioni in risposta alle condizioni in tempo reale. Nell’industria delle costruzioni, il gemello digitale potrebbe servire, ad esempio, ad allineare la facciata solare di un edificio per seguire il percorso del sole o modificare il flusso d’aria interno per ridurre al minimo la diffusione di agenti patogeni.

Per ottimizzare le risorse costruite, i gemelli digitali possono essere impiegati in diversi altri modi:

• configurare gli spazi di vendita al dettaglio per trarre vantaggio dai modelli di acquisto
• automatizzare le operazioni di indoor farming per favorire condizioni di crescita ottimali
• prevedere i problemi di manutenzione nelle raffinerie di petrolio
• progettare gli spazi sanitari per agevolare un flusso efficiente dei pazienti e le necessità del personale

I gemelli digitali sono in grado di collegare i flussi del lavoro di progettazione e costruzione

Dal punto di vista del flusso di lavoro, i gemelli digitali sbloccano i dati abitualmente intrappolati in silos (o in file cartacei). Di conseguenza, i team sono più strettamente collegati durante l’intero ciclo di vita di un progetto, dalla progettazione allo smantellamento. Siccome integrano dati statici, (ad esempio le specifiche dei componenti e i programmi di manutenzione) con dati dinamici (come i tassi di occupazione e le condizioni ambientali), i gemelli digitali permettono a tutti, dai progettisti ai proprietari, di prendere decisioni più informate mirate a ottimizzare le prestazioni e il ciclo di vita della risorsa.

 

BIM e gemelli digitali

Il BIM (Building Information Modeling) guida la digitalizzazione dell’industria delle costruzioni, utilizzando modelli multidisciplinari e collaborazioni cloud per informare la progettazione e la gestione delle risorse costruite, nonché gli impianti al loro interno.

I gemelli digitali realizzano il pieno potenziale del BIM, collegando dati e processi con una gestione dinamica, in tempo reale e bidirezionale delle informazioni. I gemelli digitali possono essere creati senza il BIM, ma esprimono appieno le loro potenzialità con i flussi di lavoro integrati e la condivisione delle informazioni che già alimentano il processo BIM: avvalersi del BIM fin dall’inizio è il modo più efficiente per usufruirne.

Il futuro del BIM e i gemelli digitali

In the future, most digital twins will be integrated into the BIM process to give everyone better insights in a standardized environment. The value of these insights extends beyond any single project; captured data can be fed back into the planning and design phases of new projects, applying data learning to continually improve them.

Città intelligente e gemelli digitali: un’accoppiata naturale

I gemelli digitali non sono circoscritti a singole istanze. Integrando più gemelli digitali, i progettisti possono costruire un ecosistema connesso e ottimizzare le prestazioni di quel sistema nel tempo.

Quando non ci si limita alla singola risorsa, si può iniziare a considerare il suo potenziale più ampio in termini economici, sociali e ambientali. Immaginate di costruire una smart city che possa essere gestita analizzando e ottimizzando il consumo di energia, le reti wireless, il trasporto pubblico, i sistemi di sicurezza e le prestazioni delle infrastrutture – tutto in tempo reale – attraverso la modellazione di geodati e sensori IoT. Le città intelligenti possono persino adattarsi alle mutevoli condizioni climatiche ed eseguire simulazioni per rispondere a emergenze come pandemie e disastri naturali.

I gemelli digitali possono raccogliere e interpretare dati su elementi come la crescita della popolazione, le risorse naturali e le condizioni climatiche e sono pertanto in grado di favorire la costruzione di città più resilienti per rispondere meglio alle sfide globali.

Questo sta già accadendo in varie città del mondo. A Singapore, la piattaforma digitale 3D del progetto Virtual Singapore permette agli utenti di diversi settori di creare strumenti per risolvere le complesse sfide della città, dal miglioramento dei parchi allo sviluppo di percorsi di evacuazione. In India, la nuova capitale dello stato di Andhra Pradesh, Amaravati, è una “città intelligente” da 6,5 miliardi di dollari – creata utilizzando un gemello digitale che integra più di 1.000 set di dati per gestire il processo di autorizzazione, monitorare i progressi delle costruzioni e valutare il buon esito dei piani di progettazione nel clima estremo della città.

La storia dei gemelli digitali

Gli anni ‘60

L’idea dei gemelli digitali risale agli anni ’60, quando la NASA sviluppò la “tecnologia del mirroring” per simulare i sistemi usati nello spazio attraverso complesse repliche fisiche sulla terra.

Questi simulatori si sarebbero rivelati cruciali durante la missione dell’Apollo 13, quando gli ingegneri usarono 15 modelli controllati dal computer per valutare e ricreare le condizioni a bordo del veicolo spaziale, danneggiato a oltre 320.000 chilometri di distanza, usando quelle informazioni per guidare l’equipaggio sulla Terra in una delle missioni di salvataggio più epiche della storia americana.

Gli anni 2000

Il concetto di gemelli digitali nel ciclo di vita del prodotto è universalmente attribuito al Dottor Michael Grieves, chief scientist responsabile della produzione avanzata presso il Florida Institute of Technology, che ha introdotto l’idea nella conferenza della Society of Manufacturing Engineers del 2002. Lì, Grieves ha proposto un centro di gestione del ciclo di vita che conteneva la rappresentazione fisica, la rappresentazione virtuale e lo scambio di informazioni tra le due.

Se da una parte il potenziale dei gemelli digitali era chiaro, dall’altra la capacità di calcolo, la connettività e il puro immagazzinamento dei dati ne rendevano troppo costosa l’implementazione per la maggior parte delle industrie. Così, per decenni, l’idea è rimasta in bilico. Negli ultimi cinque anni, tuttavia, le tecnologie AI e IoT hanno reso il processo a portata di mano.

Gli anni 2020

Il mercato globale dei gemelli digitali dovrebbe raggiungere 48,2 miliardi di dollari (42,1 miliardi di euro) entro il 2026.

I gemelli digitali sono ben consolidati nella produzione, ma sono ancora piuttosto nuovi per l’industria AEC, che è meno standardizzata, più frammentata e storicamente lenta ad adottare processi digitali.

Ma, mentre l’industria delle costruzioni continua la sua trasformazione digitale,accelerata dai modelli remoti resi obbligatori dalla pandemia, le aziende lungimiranti stanno abbracciando l’idea che questi gemelli virtuali diventeranno essenziali per ogni fase di progettazione, costruzione e operazioni; molte di queste aziende hanno già iniziato a cercare soluzioni.

I 5 livelli di gemelli digitali

I gemelli digitali operano secondo cinque livelli di sofisticata complessità. I modelli più semplici integrano dati da varie fonti; il modello più avanzato è in grado di agire autonomamente.

Livello 1: gemello descrittivo

Il gemello descrittivo è una versione “viva” e modificabile dei dati di progettazione e costruzione, una replica visiva di una risorsa costruita. Gli utenti specificano che tipo di informazioni vogliono includere e che tipo di dati vogliono estrarre.

Livello 2: gemello informativo

Si tratta di un ulteriore livello di dati operativi e sensoriali. Il gemello cattura e aggrega dati definiti e li verifica per assicurare il regolare funzionamento comune.

Livello 3: gemello predittivo

Questo gemello può usare i dati operativi per ottenere informazioni dettagliate: pensate a una macchina che segnala quando è il momento di cambiare l’olio.

Livello 4: gemello multidisciplinare

Questo gemello simula scenari futuri basandosi sull’elaborazione delle probabilità.

Livello 5: gemello autonomo

Questo gemello ha la capacità di imparare e agire per conto degli utenti.

È importante notare che i livelli 1 e 2 sono attualmente in uso nel settore AEC. I livelli 3, 4 e 5, arricchiti con dati provenienti in tempo reale da sensori incorporati e tecnologie IoT, sono nella fase primordiale.

Oltre il nuovo costruito: intervento intelligente

I gemelli digitali non sono circoscritti alle nuove costruzioni; un gemello digitale può essere applicato a un edificio o a un’infrastruttura esistente per ottenere informazioni sul suo funzionamento e sull’uso potenziale.

Quando si applica un intervento intelligente a una struttura esistente, si migliorano le prestazioni, si riduce l’incertezza e si gestiscono meglio i rischi. È facile capire come questo vada a vantaggio di tutti nella catena del valore: appaltatori, fornitori, investitori, proprietari e occupanti dell’edificio.

Integrare un gemello digitale in una struttura costruita può risultare impegnativo, specialmente se non esistono file digitali. La cattura della realtà tramite la scansione laser o la fotogrammetria può colmare la lacuna, creando un modello di nuvola di punti con un alto grado di precisione. Recentemente è stata utilizzata la cattura della realtà per creare un gemello digitale della cattedrale di Notre Dame de Paris per facilitare i lavori di ristrutturazione dopo il devastante incendio del 2019.

Implementare i gemelli digitali nelle strutture esistenti

È più semplice implementare i gemelli digitali in alcuni tipi di risorse esistenti – come, ad esempio, un impianto idrico – dotate di sistemi più esposti. Qualunque sia la risorsa, è un investimento che vale la pena fare se si vuole che quella risorsa sia più conveniente, più sostenibile e più resiliente a lungo termine. Applicati a sistemi più ampi, i gemelli digitali possono aiutare le società a diventare più sostenibili, agili e reattive alle richieste in evoluzione.

I 4 vantaggi dei gemelli digitali

I gemelli digitali offrono vantaggi a breve e a lungo termine. A breve termine, i vantaggi si concentrano sul funzionamento, fornendo una singola fonte di attendibilità utile a ridurre costi, rischi e incertezze e a massimizzare l’efficienza. A lungo termine, i gemelli digitali estendono il valore del BIM attraverso il ciclo di vita della risorsa.

1. Per i proprietari: decisioni più intelligenti, migliore ROI

Quando i dati sono nascosti in sistemi scollegati, è difficile per i proprietari monitorare, gestire e infine usufruire del pieno valore delle proprie strutture. I gemelli digitali aiutano i proprietari ad adottare decisioni commerciali più opportune fin dalla fase di pianificazione e progettazione, consentendo loro di attingere a dati consistenti ed esplorare scenari in grado di ottimizzare le prestazioni e prolungare il ciclo di vita dei loro investimenti.

2. Per i manager: operazioni più fluide, manutenzione più facile

Fin dall’inizio, i proprietari e gli operatori possono avviare il funzionamento efficiente delle risorse costruite nell’ottica della manutenzione, evitando di doversi cimentare con una documentazione confusa (o mancante).

Disponendo solo di dati analogici non classificati e scollegati, per i proprietari e gli operatori diventa un’impresa ardua giungere a una soluzione integrata per il monitoraggio, la gestione e la messa a punto di una risorsa costruita. Di conseguenza, i proprietari e gli operatori non sono in grado di usufruire dei vantaggi degli edifici intelligenti, poiché si ritrovano con dati e sistemi isolati, informazioni imprecise, mancanza di trasparenza e scarsa conoscenza delle prestazioni della propria costruzione.

I gemelli digitali assicurano un flusso digitale che unisce i dati aggregati in modo semplice, svolgendo compiti come il tracciamento delle operazioni di manutenzione e l’ottimizzazione del consumo di energia, liberando da queste incombenze gli operatori che potranno concentrarsi sul proprio lavoro.

I dati degli impianti sono in continua evoluzione. Grazie ai gemelli digitali, i dirigenti sono in grado di sapere quando e chi effettua le modifiche. Possono persino prevedere i cicli dei materiali e della manodopera, riducendo gli sprechi e migliorando la sicurezza.

 

3. Per le aziende AEC: più valore significa più affari

Non c’è dubbio: quando le aziende del settore AEC possono offrire più servizi e più valore, si aggiudicano più progetti. “I nostri clienti AEC hanno maggiori opportunità di offrire di più ai proprietari in termini di dati consegnabili”, dice Robert Bray, senior director e general manager di Autodesk Tandem. “E al di là della specifica consegna, nel caso di una risorsa digitale che riflette il modello del costruito, questa può collegarsi ai sistemi operativi e saper rispondere alle domande del proprietario”.

Quasi l’80% (PDF, p. 6) del lifetime value di una risorsa si realizza nelle operazioni. Quanto più le aziende AEC possono collaborare con i proprietari per impostare le priorità e le aspettative di performance, tanto più valore apportano nell’ottimizzazione del loro investimento attraverso un maggiore risparmio energetico, una migliore manutenzione e una migliore qualità della vita per gli occupanti.

4. Per tutti: il valore a lungo termine

Man mano che i gemelli digitali si affermano nel settore AEC, i progettisti e i proprietari possono studiare strategie a lungo termine sulle prestazioni dei loro beni e sulle implicazioni a lungo raggio. In futuro, i gemelli digitali potrebbero formare le fondamenta delle città perché queste diventino più resistenti alle sfide globali, dalla crescita sbalorditiva (PDF, p. 1) della popolazione mondiale e la diminuzione delle risorse naturali alla prossima pandemia.

Il futuro dei gemelli digitali

Poiché i gemelli digitali incorporano sempre più l’IA e l’apprendimento automatico, con l’espansione delle capacità del software si evolveranno da strumenti concettuali a strumenti più intelligenti e autonomi.

Il mercato dei gemelli digitali sta crescendo grazie all’adozione delle tecnologie IoT. Secondo MarketsandResearch, fino al 91% delle piattaforme IoT offrirà possibilità di gemellaggio digitale entro il 2026, e il gemellaggio digitale diventerà uno standard nell’abilitazione delle applicazioni IoT entro il 2028.

Le città progressive si stanno via via aggregando: il mercato delle soluzioni supportate dai gemelli digitali nelle città intelligenti dovrebbe raggiungere i 3,77 miliardi di dollari entro il 2026. E ABI Research prevede che ci saranno più di 500 gemelli digitali di città intelligenti in funzione entro il 2025.

La realizzazione della piena potenzialità di questi ecosistemi intelligenti e connessi è ancora molto lontana, ma le aziende lungimiranti stanno cercando il modo per iniziare a pianificare sin da ora questi modelli. Mentre la trasformazione digitale continua a rimodellare il settore AEC, si provvede ad affinare gli strumenti facendo emergere le migliori pratiche, permettendo ai progettisti e agli ingegneri di uscire dai silos.

I dati esistono già; la sfida è integrare in strumenti comuni le informazioni non standardizzate provenienti da diverse fonti e trovare il modo di impiegare quei dati per le esigenze del settore AEC. Coloro che oggi privilegiano lo sfruttamento dei dati, partono avvantaggiati nel cammino che li porterà a realizzare con successo il mondo del costruito del futuro.

Un ringraziamento speciale all’autrice Sarah Jones per aver effettuato ulteriori ricerche e aver scritto questo articolo di accompagnamento.