Strade che dialogano con le automobili, lampioni che forniscono informazioni sul traffico, sensori che monitorano costantemente e in tempo reale lo stato di un ponte. Le infrastrutture intelligenti e connesse si stanno diffondendo sempre di più, contribuendo al rinnovamento della mobilità in Italia. L’utilizzo della tecnologia, infatti, è ormai indispensabile per rendere il patrimonio infrastrutturale italiano più moderno, efficiente e sicuro. Tutto ciò nell’ottica di una sempre maggiore diffusione delle smart city: un mercato, questo, che, secondo i dati dell’Osservatorio della School of Management del Politecnico di Milano, nel 2022 ha toccato la cifra di 900 milioni di euro. L’89% delle amministrazioni pubbliche che hanno avviato almeno un progetto in ottica smart city manifesta l’interesse a voler continuare ad investire in questo settore. A farla da padrone sono le applicazioni smart più consolidate, come la smart mobility (21%). Più nel dettaglio, le persone intervistate lamentano soprattutto difficoltà nel trovare parcheggio (54%), pessime condizioni del manto stradale (53%), eccessivo livello di traffico e trasporto pubblico carente (entrambi al 37%). È chiaro, dunque, come le priorità suggerite dai cittadini siano fortemente legate ai temi della mobilità smart: un’esigenza sentita dal 41% degli interpellati.
Tutti i progetti smart passano necessariamente dalla presenza di infrastrutture digitali e fisiche intelligenti e connesse, che permettano uno scambio di informazioni e dati tra le varie componenti smart e garantiscano performance elevate e costanti. Infatti, senza interoperabilità e scambio di informazioni anche il migliore progetto innovativo potrebbe non portare ai risultati sperati. E da questo punto di vista giocano un ruolo fondamentale la connettività, l’Internet of Things e i sensori. Questi ultimi, in particolare, possono, in linea di massima, essere installati in qualunque tipo di infrastruttura (semafori, asfalto, colonnine di ricarica, edifici, pali della luce, bidoni dei rifiuti). Ma è poi necessario che i dati raccolti vengano condivisi e utilizzati per migliorare la qualità dei servizi offerti e, perché no, ridurre le preoccupazioni dei cittadini associate, ad esempio alla sicurezza. In questo senso l’intelligenza artificiale sarà sempre più importante e potrà essere applicata nei modi più diversi, a partire dai sistemi di trasporto pubblico automatizzati, passando per la gestione dei rifiuti e il monitoraggio ambientale. Grazie all’analisi dei big data e all’apprendimento automatico, l’intelligenza artificiale può, infatti, aiutare a ottimizzare i flussi di traffico per ridurre le emissioni di CO2. In questo modo, le smart city possono diventare non solo più efficienti ma anche più rispettose dell’ambiente.
Gli sviluppi di questo tipo di progetti sono pressoché illimitati, e già oggi ci sono numerosi esempi interessanti. Ad esempio, molte città, come Verona, di cui si parla più avanti, hanno adottato semafori intelligenti, progettati per ridurre gli ingorghi, tagliare i tempi di attesa e rafforzare la sicurezza. Questo grazie a sensori e telecamere, che permettono ai semafori di rilevare la presenza di veicoli, pedoni e ciclisti agli incroci. Inoltre, essendo connessi alla rete, possono comunicare con un sistema centrale di gestione del traffico: in questo modo è possibile ottimizzare la temporizzazione regolandola anche in base all’ora del giorno o al giorno della settimana. Un uso massiccio di questo tipo di semafori sarebbe importante poiché permetterebbe di minimizzare i ritardi e rendere il traffico più fluido, contribuendo così a un minore consumo di carburante e ottenendo una conseguente riduzione delle emissioni. Infatti, inquina molto di più un’automobile ferma in coda, piuttosto che una in movimento. Altre città, soprattutto quelle molto attrattive per il turismo, utilizzano, invece, i sensori per rilevare i flussi di persone nell’arco dell’anno. In questo modo è possibile capire quali aree sono più frequentate e quali meno, dando modo a chi si occupa di pianificazione urbana di ridefinire la destinazione d’uso di una determinata zona o evidenziare le aree sovraffollate. In altri casi ancora, sono le stazioni di ricarica per veicoli elettrici, a diventare intelligenti: tramite specifici sensori possono, infatti, raccogliere dati sui modelli di utilizzo, i consumi energetici e i picchi di domanda. Analizzando queste informazioni è poi possibile ottimizzare le posizioni delle stazioni di ricarica e gestire le risorse energetiche in maniera più efficiente.
Il caso del nuovo ponte di Genova
Una delle infrastrutture intelligenti e connesse in ambito urbano più interessanti è senza dubbio il ponte San Giorgio di Genova, sostituto del vecchio Ponte Morandi. La struttura, infatti, dispone di oltre 240 sensori, molti dei quali sono dotati di fibra ottica, che monitorano silenziosamente e continuamente lo stato dell’opera, trasformando in tempo reale ogni sussulto o vibrazione, torsione o dilatazione in cifre e algoritmi, grafici e misure per monitorare la sicurezza dell’infrastruttura. Il ponte è anche dotato di un sistema di automazione robotica per l’ispezione e la pulizia, pannelli fotovoltaici, 7 centrali di deumidificazione, il cui obiettivo è evitare la formazione di fenomeni di formazione di rugiada che potrebbe causare episodi di corrosione dell’acciaio, e illuminazione, scandagliati 24 ore su 24.
I sensori hanno permesso la creazione di un gemello digitale del ponte, che ne riproduce tutte le caratteristiche fisiche in tempo reale. Le informazioni vengono raccolte da un sistema di supervisione e acquisizione dati (Scada) elaborato da Seastema e basato sul software proprietario Marine portal evolution. La sala di controllo, il vero cuore del nuovo ponte, è collocata in un fabbricato, all’apparenza anonimo ma estremamente tecnologico, vicino alla galleria Coronata: qui ci sono due postazioni computer e server per gestire in tempo reale gli impianti tecnologici. Il pannello sinottico e la grafica multifinestra permettono di visualizzare eventuali cali di prestazione, guasti e malfunzionamenti sia degli apparati infrastrutturali che di servizio connessi. Il ponte viene controllato sia negli spostamenti longitudinali che trasversali: l’infrastruttura si muove, infatti, di circa 20 cm verso ponente e verso levante, poi di circa 5 cm verso monte e verso mare. Alla sala di controllo arrivano i dati di 70 inclinometri, 50 accelerometri e altrettanti estensimetri che monitorano le sollecitazioni strutturali sull’impalcato metallico e sulle parti in calcestruzzo: “l’unità di acquisizione e interrogazione del sistema invia dal fabbricato tecnologico un segnale a luce laser lungo la dorsale in fibra ottica che percorre tutta la ‘carena’ del ponte” – spiega Giovanni Cusano, project manager di Cetena, società del gruppo Fincantieri che si è occupata della collocazione degli apparati di misurazione e controllo per il monitoraggio strutturale – “il sensore riflette l’impulso quando lo riceve, modificandone la lunghezza d’onda in base alla sua posizione. Dal confronto con il valore atteso si può capire se c’è stata una trazione o una compressione (estensimetri), una vibrazione o un movimento (accelerometro) oppure un’inclinazione (inclinometro) della struttura”. Seguendo lo storico di questi parametri, che vengono misurati in microepsilon, ovvero metri al secondo quadro e millesimi di grado, e sono registrati e visualizzati sullo Scada, è possibile capire se qualcosa non va intervenendo con una manutenzione mirata. Entrando più nel dettaglio, ad esempio, gli estensimetri elettrici, grandi quanto un francobollo, sono in grado, al variare di una resistenza elettrica al loro interno, di misurare le deformazioni della struttura su cui sono posizionati quando viene trazionata, estesa o compressa. Un altro esempio sono le otto piastre di pesatura dinamica dei veicoli collocate su ciascuna corsia: larghe 1,5 metri, sono dotate di celle di carico a fibra ottica Weight in motion e sono in grado di misurare i chilogrammi caricati sull’asse di ogni veicolo in transito. In questo modo è possibile conoscere in ogni momento il peso totale presente sul ponte. Informazioni che, abbinate alle immagini riprese da quattro telecamere, permettono di individuare i veicoli in transito con un carico superiore al consentito. I 30 sensori di spostamento a tecnologia radar, senza parti in movimento usurabili, sono situati nei punti di congiunzione fra impalcato e piloni e misurano in tempo reale lo spostamento relativo di ciascun piede metallico rispetto al proprio target, collocato sulla pila in cemento. Questo serve a tenere sotto controllo lo scivolamento dell’impalcato causato dalle variazioni di temperatura. Il ponte, infatti, non ha quei giunti di dilatazione che fanno sussultare i veicoli sui viadotti, perché le 19 campate sono saldate in una travata unica. Gli unici giunti sono all’inizio e alla fine del ponte: proprio per questo gli appoggi sulle pile permettono un leggero scivolamento dell’impalcato per assecondare la deformazione termica con uno scorrimento, misurato dai sensori a tecnologia radar. Le pile, a loro volta, sono dotate di accelerometri e inclinometri alla testa, alla base e sul plinto sotto terra, per controllare che restino verticali e non si deformino sotto l’azione del vento, monitorando che cosa succede nelle fondamenta in calcestruzzo, anche in caso di scosse sismiche. E proprio alla misura dell’incidenza del vento, sono dedicati tre anemometri a ultrasuoni collocati a inizio, fine e metà ponte, abbinati a una centralina meteo e a 25 sensori di temperatura. Si tratta di cilindri di 15 centimetri per 15, che emettono e ricevono ultrasuoni: dal ritardo e dalla deviazione del segnale si ottiene il valore dei nodi e la direzione della raffica. Parametri molto importanti in una valle, la val Polcevera, battuta da variabili correnti di tramontana e scirocco. Tutti questi sensori trasmettono i dati al sopracitato Scada che ne permette la visualizzazione. Ma, per ottenere una visione d’insieme, servono gli algoritmi, che permettono, tra l’altro di sapere che cosa sta succedendo sul ponte in tempo reale.
Un altro aspetto decisamente innovativo del nuovo ponte è la presenza di robot. La sorveglianza visiva della struttura rimane infatti cruciale. E, in questo senso, i tecnici sono coadiuvati da due coppie di robot che si muovono sulle parti esterne e inferiori per l’ispezione del viadotto nelle zone meno raggiungibili (Robot Inspection) e per la pulizia delle barriere antivento e dei pannelli solari (Robot Wash). I robot sono formati da strutture miste in alluminio e in fibra di carbonio – realizzate adottando la tecnologia della più grande stampante 3D al mondo realizzata dal Gruppo Camozzi, la macchina MasterprintTM-, da attuatori e da componenti elettronici. Il progetto è nato da una proposta dello studio di Renzo Piano, l’Istituto Italiano di Tecnologia lo ha poi ideato e brevettato come primo sistema robotico di ispezione automatico al mondo. I robot possono essere considerati a tutti gli effetti dei sensori mobili. I robot Inspection, scorrendo sulla rotaia lungo il ponte, muovono un braccio retrattile di 17 metri per arrivare trasversalmente al centro della carreggiata, scattando 170mila fotografie sui 20mila metri quadri di superficie, circa 20mila in 12 ore: queste foto vengono poi confrontate con quelle fatte la volta precedente per evidenziare eventuali anomalie, spostamenti o saldature che potrebbero saltare. Inoltre, nel caso servisse un’osservazione più approfondita per una macchia sospetta, una corrosione o vernici deteriorate, è possibile montare un terzo braccio verticale dotato di telecamera multispettrale per l’analisi chimica. Grazie al lavoro costante dei robot si ottiene un timelapse che mostra l’evoluzione dei fenomeni di degrado. Questo sistema permette, infatti, di portare la telecamera in luoghi prima non raggiungibili e garantisce l’oggettivazione della misurazione, che quindi non dipenderà più dall’interpretazione dei singoli addetti che effettuano ispezioni a distanza di anni l’uno dall’altro, correndo peraltro diversi rischi fisici. Si tratta di un buon esempio di meccatronica cognitiva alla base anche del funzionamento del robot Wash, dotato di 56 ruote e sensori per monitorare la trasparenza dei vetri delle barriere antivento. Essendo equipaggiati con anemometri e accelerometri i robot conoscono l’ambiente circostante e possono decidere in autonomia quando entrare in azione, riutilizzando l’acqua piovana, quella di condensazione raccolta sull’infrastruttura oppure un soffio d’aria, nei periodi secchi. “Oltre a mantenere una leggerezza estetica del ponte lavando vetri alti tre metri, il robot Wash manterrà la funzionalità dei pannelli fotovoltaici che alimentano gli impianti tecnologici, eliminando polvere e detriti dalla loro superficie – spiega Ferdinando Cannella, coordinatore della Robotica industriale dell’Istituto italiano di tecnologia – Sapranno in quale direzione muoversi in base al vento, per consumare meno energia, dove si trova l’altro robot e dove sono le stazioni di ricarica più vicine, posizionate ogni 200 metri”. I quattro robot sono alimentati da batterie agli ioni di litio e possono essere comandati anche dalla control room tramite wi-fi. Il progetto che li riguarda ha riscosso un tale successo da piazzarsi secondo agli European Robotics Technology Transfer Award 2022, il più prestigioso riconoscimento in ambito di tecnologia e technology transfer europeo conferito in occasione del Robotics Forum ERF di Rotterdam.
Il nuovo viadotto San Giorgio può dunque essere una risposta efficace allo stato preoccupante delle infrastrutture italiane testimoniato dai ponti crollati a San Rocco al Porto (Piacenza, 2009), Annone Brianza (Como, 2016), Camerano (Ancona, 2017), sull’A6 Torino-Savona (2019), Albiano Magra (La Spezia, 2020) e dal cedimento nella galleria Berté (Genova, 2019): una situazione causata da anni di usura, dissesto idrogeologico, eventi metereologici estremi e un traffico sempre più pesante rispetto all’epoca in cui le opere son state progettate. Non a caso, la stessa Anas si è lanciata nel mondo dei sensori, aprendo a fine 2019 quattro bandi di gara di tre milioni ciascuno per il monitoraggio di un centinaio di ponti e viadotti. Anche qui, accelerometri e software saranno protagonisti, aiutando a comprendere meglio le proprietà dinamiche delle strutture.
Altri esempi dall’Italia e dal mondo
Verona è stata la prima città italiana a dotarsi di semafori intelligenti che danno il via libera alle ambulanze in codice rosso in avvicinamento. Tutto questo grazie a “Vai 118 – Viabilità Assistita Intelligente“, un sistema gestito dalla centrale della mobilità del Comune. Il suo funzionamento è basato sul dialogo costante tra le due centrali operative, quella comunale della Mobilità e quella del 118. Le ambulanze e i mezzi di soccorso in servizio sono monitorati costantemente dalla Centrale grazie ai palmari presenti a bordo. Il servizio Vai 118 si attiva nei casi di emergenza, ovvero quando il 118 assegna ad un’ambulanza una missione in codice rosso. Infatti, a questo punto il sistema elettronico di coordinamento della flotta 118 invia in tempo reale al sistema di gestione semaforica del Comune la posizione mediante gps. Così le ambulanze vengono visualizzate e monitorate lungo tutto il percorso dalla Centrale, che interviene predisponendo il verde quando i mezzi si trovano ad una distanza di circa 100 metri da un semaforo presente lungo il loro percorso.
Ritornando a Genova, la giunta ha recentemente approvato il progetto ‘Intelligent Urban Mobility’: si tratta di un’infrastruttura tecnologica per la raccolta dei dati e la creazione di nuove strategie di pianificazione urbana. L’obiettivo è quello di ridurre l’inquinamento e la congestione, favorire l’utilizzo del trasporto pubblico, dei veicoli elettrici e della sharing mobility, e garantire l’equità di accesso ai servizi a tutti i cittadini. Il sistema utilizza le più avanzate tecnologie IoT e di elaborazione dei dati combinandole con le più moderne tecnologie software e di intelligenza artificiale. Un sistema, dunque, che fornisce al cittadino servizi di mobilità a valore aggiunto e, alla pubblica amministrazione, sistemi di supporto alle decisioni e sistemi per l’attuazione di azioni di governo nel settore dell’ambiente e della mobilità. Più nel dettaglio, il progetto Intelligent Urban Mobility si concentra sulle seguenti funzionalità: sistemi che implementano Zone a Traffico Limitato (ZTL dinamica), sistemi di monitoraggio dei flussi di traffico in ambito cittadino, sistemi di gestione avanzata del parcheggio in aree aperte non presidiate con indirizzamento dinamico dell’utenza ai parcheggi (Smart Parking), sistemi di monitoraggio della mobilità ciclabile (Smart Bike), ottimizzazione delle consegne di ultimo miglio (City Logistics), semaforica intelligente e sistemi implementanti la sicurezza stradale, sistemi di comunicazione tra infrastruttura e veicolo (Smart Road) in ambito cittadino, piattaforma dati, per la raccolta, aggregazione, correlazione, indicizzazione e statistica dei dati provenienti dai sistemi di campo realizzati nel progetto e da ulteriori sorgenti di dato disponibili in ambito cittadino, piattaforma di governo della mobilità che fornisce strumenti di supporto alle decisioni per gli operatori e i decisori del Comune, Control Room fisica per l’accesso agli strumenti applicativi del Sistema Smart City Genova e gestione delle operazioni e manutenzione del Sistema Smart City Genova fino a dicembre 2027.
Volgendo lo sguardo all’estero salta all’occhio la città di Las Vegas, che dispone della più ampia connessione 5G privata degli Stati Uniti. Ciò, insieme a tecnologie IoT e di automazione, permette alla metropoli di offrire a cittadini e turisti numerosi benefici, come illuminazione stradale intelligente, sistemi di sicurezza migliori per veicoli a guida autonoma e soluzioni creative per percorrere l’ultimo miglio, riducendo così la congestione stradale e rendendo il flusso del traffico più efficiente.
Sempre oltreoceano, uno degli esempi più interessanti è la città di Perth, in Australia, che ha costruito un centro operativo per la rete stradale all’avanguardia, grazie al quale, oggi, è in grado di gestire, prevedere e rimodulare qualsiasi ambiente di traffico: dalle autostrade ad alta velocità, alle strade urbane fino ai lavori di costruzione suburbana e alla pianificazione di eventi complessi che possono avere un impatto importante sulla mobilità.
Tornando in Europa, anche il Centro di controllo del traffico di Mosca è un esempio significativo: si tratta di un sistema che è oggi in grado di monitorare in tempo reale più di 40mila semafori, 185 schermi informativi, oltre 3mila fotocamere e telecamere e 3.900 sensori. Un’iniziativa che ha seguito la creazione di un gemello digitale della città e quella di una piattaforma integrata di Mobility as a service a disposizione dei cittadini. La città russa sta anche lavorando all’implementazione di un sistema di comunicazione veicolo-infrastruttura (V2I), che, per esempio, consentirà, tramite una connessione wireless, ai veicoli di condividere dati con semafori e segnaletica stradale, utilizzando sensori incorporati e dispositivi di rilevamento.
L’autostrada di Enea
Nell’ambito del programma “Ricerca di Sistema Elettrico” (Rse) finanziato dal Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, al Centro Ricerche Casaccia a Roma Enea ha realizzato un prototipo di autostrada intelligente e connessa. Nelle intenzioni dell’Ente per le nuove tecnologie, l’energia e l’ambiente l’infrastruttura dovrebbe poter contare su 22 impianti di illuminazione collegati alla fibra e in grado di comunicare via wifi con un veicolo elettrico a guida autonoma. In questo modo verrebbe creato un sistema di comunicazione completo con un’innovativa infrastruttura di elaborazione e supporto alle decisioni. La Smart Road Enea si estende per circa mezzo chilometro e ha una larghezza di 6 metri. L’infrastruttura è in grado di raccogliere dati dai 22 lampioni intelligenti e dai veicoli in transito, indirizzandoli poi verso un sistema urbano avanzato per l’elaborazione e il supporto alle decisioni chiamato CipCast (Critical Infrastructure Protection risk analysis and forecast). Si tratta di uno strumento basato su un sistema Gis (Geographic Information System), che crea in tempo reale delle mappe, ideali per gestire situazioni di attenzione e allerta, ma utili anche per pianificare la ricarica in modo ottimale. Inoltre, la comunicazione può avvenire anche in direzione opposta, ovvero da CipCast al veicolo: ad esempio, il sistema può inviare ai mezzi in transito messaggi riguardanti situazioni di pericolo, come problemi sulla rete stradale causati da eventi meteorologici estremi o calamitosi. Il veicolo elettrico che percorre questo prototipo di autostrada è dotato di sensori in grado di rilevare posizione, velocità, particolato, stato di carica della batteria e condizioni della strada. Inoltre, le telecamere, le boe Bluetooth e le apparecchiature di connessione montate sui 22 lampioni intelligenti consentono di osservare e misurare la densità del traffico veicolare e pedonale, l’illuminazione naturale e le concentrazioni di inquinanti. In questo modo è possibile, ad esempio, regolare l’intensità luminosa dei lampioni in base al traffico e alle condizioni meteo, portando a un risparmio energetico e a un impatto ambientale ridotto. Inoltre, per implementare le funzionalità intelligenti della strada, alcuni lampioni sono stati dotati di punti di accesso Wi-Fi, collegati alla rete Ict del Centro Casaccia tramite fibra ottica, per comunicare con il veicolo autonomo in strada e scambiare dati per la sperimentazione.
