IT202100025799A1 - Metodo per il controllo delle deformazioni delle attrezzature tramite inclinometro - Google Patents

Description

Metodo per il controllo delle deformazioni delle attrezzature tramite inclinometro

La presente invenzione riguarda un metodo per il controllo delle deformazioni delle attrezzature tramite inclinometro o altro adeguato sensore, denominato RE.T.I.M.(REal Time Inclination Measurement).

Il campo dell?invenzione ? quello delle costruzioni di attrezzature stradali e ferroviarie, in particolare quello delle barriere di sicurezza, delle barriere antirumore, disposte lungo le infrastrutture di trasporto al fine di ridurre il livello di inquinamento acustico, delle barriere integrate sicurezza e rumore, delle barriere frangivento, degli schermi visivi, dei cartelloni pubblicitari, dei pannelli di segnaletica e delle strutture per il trasporto di energia.

Stato della tecnica

Lungo le infrastrutture di trasporto (strade e ferrovie) di varia tipologia e categoria vengono installate diverse attrezzature, tra cui barriere di sicurezza, barriere antirumore, barriere integrate, barriere frangivento, schermi visivi, cartelloni pubblicitari, segnaletica verticale e strutture per il trasporto di energia. Tutti questi prodotti (di seguito ?attrezzature?) sono soggetti all?obbligo di certificazione per potere essere installate lungo le infrastrutture di trasporto. Per i prodotti rientranti nella normativa comunitaria, tale certificazione ? costituta dalla marcatura CE. Per poter ottenere quest?ultima ? necessario che una attrezzatura possegga alcuni requisiti minimi in merito alla funzionalit? ed agli elementi strutturali. La valutazione delle caratteristiche prestazionali iniziali, quelle cio? per le quali l?attrezzatura viene certificata, non tiene conto della eventuale perdita nel tempo dovuta ad agenti esterni. Infatti, nella pratica queste attrezzature sono soggette a carichi dinamici ciclici, come il vento, le oscillazioni degli impalcati dei viadotti, i passaggi continuativi di veicoli, su strada e ferrovia, che inducono nella struttura carichi dinamici di lunga durata, difficilmente verificabili preliminarmente con analisi teoriche o con prove sperimentali. Non ? infatti raro che queste strutture, soggette a carichi di fatica, sul medio lungo periodo perdano le loro caratteristiche iniziali, che ne avevano consentito la certificazione, e possano tramutarsi in oggetti rappresentanti un potenziale pericolo per gli utenti, per la possibilit? di distacchi anche parziali.

Per ovviare a questo problema ? necessario disporre di metodologie e tecniche precise, il pi? possibile oggettive ed automatiche, di monitoraggio, con diagnosi e prognosi delle parti pi? a rischio delle attrezzature stradali e ferroviarie, per stabilire un livello affidabile di prevenzione del rischio strutturale di rottura di alcune parti che possano compromettere la sicurezza degli utenti.

? sentito quindi il bisogno di trovare una soluzione tecnica che sia economica nella sua realizzazione, il cui montaggio non comporti una variazione al disegno dell?attrezzatura certificata, che sia nello stesso tempo ecosostenibile e riesca a fornire una misura dinamica della deformazione da correlare ad una condizione di sicurezza che assicuri la stabilit? strutturale e fornisca un segnale di attenzione o di pericolo qualora venga superato un valore di soglia predefinito.

? inoltre essenziale che questo controllo possa essere esercitato anche per tratti estesi di infrastruttura da remoto, adottando cio? tecniche Internet of Things (IoT).

Scopo e oggetto dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un metodo e relativo sistema di misura dinamica delle deformazioni di un dispositivo infrastrutturale attraverso l?utilizzo di un sensore di deformazione, da applicare in posizione predefinita sullo stesso dispositivo infrastrutturale, che superi gli inconvenienti e risolva i problemi della tecnica nota.

E? oggetto della presente invenzione un metodo e relativo sistema secondo le allegate rivendicazioni.

Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione dell?invenzione

Lista delle figure

L?invenzione verr? ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui:

- la figura 1 mostra uno schema architetturale generale della presente invenzione;

- la figura 2 mostra in (a) una immagine della scatola di connessione dell?inclinometro, in (b) l?inclinometro con le direzioni di misura ed in (c) i due componenti uniti pronti all?utilizzo, secondo l?invenzione;

- la figura 3 mostra un grafico dell?angolo di inclinazione misurato in funzione del tempo, in un primo esperimento di test secondo l?invenzione; - la figura 4 mostra un grafico dell?angolo di inclinazione misurato in funzione del tempo, in un secondo esperimento di test secondo l?invenzione su una barriera campione in cui l?inclinometro non aveva un?installazione corretta;

- la figura 5 mostra un grafico dell?angolo di inclinazione misurato in funzione del tempo, in un secondo esperimento di test secondo l?invenzione su una barriera campione in cui l?inclinometro aveva un?installazione corretta;

- la figura 6 mostra un diagramma di flusso esemplificativo di una forma di realizzazione del metodo secondo l?invenzione;

- la figura 7 mostra in modo ingrandito il blocco dell?analisi FEM del diagramma di flusso di figura 6;

- la figura 8 mostra in modo ingrandito il blocco di aggregazione di dati ed informazioni del diagramma di flusso di figura 6;

- la figura 9 mostra in modo ingrandito il blocco del sistema IoT di sensori del diagramma di flusso di figura 6;

- la figura 10 mostra in modo ingrandito il blocco del modello AI del diagramma di flusso di figura 6; - la figura 11 mostra in modo ingrandito il blocco del sistema di gestione e controllo del diagramma di flusso di figura 6;

- la figura 12 mostra (l?asse orizzontale indica genericamente il tempo e l?asse verticale quantitativamente l?angolo di inclinazione) una proiezione temporale di stabilit? di una infrastruttura estratta dai modelli previsionali secondo l?invenzione, la proiezione individuando una forbice di possibili evoluzioni della struttura in termini di condizione di stato al fine di informare preventivamente il gestore dell?infrastruttura di un potenziale allarme qualora i valori predetti dai modelli raggiungano soglie di attenzione e di pericolo precedentemente individuate;

- la figura 13 mostra un grafico da un ulteriore esperimento in cui ? fornito l?andamento temporale dell?inclinazione e della velocit? del vento, nel caso di una barriera non istallata correttamente, secondo l?invenzione;

- la figura 14 mostra un grafico da un ulteriore esperimento in cui ? fornito l?andamento temporale dell?inclinazione e della velocit? del vento, nel caso di una barriera istallata correttamente, secondo l?invenzione;

- la figura 15 mostra un esempio di risultato di simulazione di sollecitazione applicata su un montante di una struttura da monitorare in termini di deformazione plastica effettiva;

- la figura 16 mostra un ulteriore esempio di risultato di simulazione di sollecitazione su un montante di una struttura da monitorare in termini di stato tensionale (Criterio di Von Mises); e - la figura 17 mostra un ulteriore esempio di risultato di simulazione di sollecitazione su un montante di una struttura da monitorare in termini di forze trasmesse ai quattro tirafondi di ancoraggio del montante al cordolo in calcestruzzo. Si specifica qui che elementi di forme di realizzazione differenti possono essere combinati insieme per fornire ulteriori forme di realizzazione senza limiti rispettando il concetto tecnico dell?invenzione, come il tecnico medio del ramo intende senza problemi da quanto descritto.

La presente descrizione inoltre fa riferimento alla tecnica nota per la sua implementazione, riguardo alle caratteristiche di dettaglio non descritte, come ad esempio elementi di minore importanza usualmente utilizzati nella tecnica nota in soluzioni dello stesso tipo.

Quando si introduce un elemento si intende sempre che pu? essere ?almeno uno? o ?uno o pi??.

Quando si elenca una lista di elementi o di caratteristiche in questa descrizione si intende che il trovato secondo l?invenzione ?comprende? oppure alternativamente ?? composto di? tali elementi. Tali elementi della lista vanno intesi come utilizzabili singolarmente o in combinazione nell?invenzione.

Due o pi? tra le parti (elementi, dispositivi, sistemi) sotto descritte possono essere associate liberamente e considerate come kit di parti secondo l?invenzione.

Forme di realizzazione

Architettura generale

Facendo riferimento alla Fig. 1, secondo un aspetto dell?invenzione, un dispositivo infrastrutturale (come ad esempio una barriera acustica lato strada) viene dotato di un insieme 100 di sensori (ad esempio inclinometri, ma anche accelerometri o altri sensori di spostamento e/o deformazione, essendo lo spostamento di elementi strutturali indicativo di una deformazione, per cui il termine ?sensore di deformazione? ? inteso ricomprendere tutti i casi) 110 atti alla misura dinamica delle deformazioni dello stesso, come ad esempio inclinometri (in caso di inclinometri fissati ad una barriera stradale, la grandezza fisica misurata ? l?inclinazione della barriera rispetto al piano viabile), a bassa potenza e costo, e posizionati convenientemente su elementi di massima deformazione nell?ambito dello stesso dispositivo infrastrutturale, ovvero su elementi strutturali potenzialmente soggetti ad azioni dinamiche ripetute.

I sensori inclinometri (o di deformazione in generale) 112 sono collegati ad un gateway, denominato WiFi Sensor Hub 111 anch?esso a bassa potenza e costo, formando opzionalmente il sensore integrato 110 il quale trasmette i dati in wireless ad un Sistema di Controllo Centrale su server 300 tramite Internet 200 realizzando una rete di sensori collegati tra loro tramite un hub di analisi e controllo proprio dei sistemi Internet of Things (IoT). L?architettura IoT permette una scalabilit? del sistema fino a poter controllare numerose e complesse attrezzature o infrastrutture.

I dati dei sensori inclinometri collegati con il WiFi Sensor Hub nel 110 sono trasmessi in tempo reale attraverso Internet 200 ed un servizio web 400 ad un Sistema di Controllo Centrale 300 dove vengono registrati in un archivio 500, monitorati e processati in 700 tramite opportuni algoritmi per confrontare il valore reale di deformazione dell?attrezzatura con dei valori di riferimento e quindi classificato in uno tra i livelli di ammissibilit?, attenzione e/o pericolo. In base ai risultati del confronto ? possibile stabilire in un ordine il livello della condizione di stato (ammissibile, attenzione e/o pericolo) e quindi la priorit? degli interventi di manutenzione, emettendo eventuali notifiche 600.

L?utilizzo dell?IoT consente di inviare informazioni su ogni evento critico al Sistema di Controllo Centrale, anche a notevole distanza sfruttando la rete internet, per elaborare tutte le informazioni necessarie per definire azioni correlate alla condizione di stato di una determinata attrezzatura sulla quale sono state rilevate deformazioni oltre un determinato livello.

Il valore numerico della deformazione, ai fini di una pi? efficace pianificazione degli interventi, rappresenta una misura dello stato di condizione dell?elemento della attrezzatura. Questo valore che ? determinato a livello di elemento dell?attrezzatura pu? essere aggregato per gruppi omogenei di elementi della stessa attrezzatura o di attrezzature simili ed estesi a livello di Rete.

In tal modo l?attrezzatura ed i dispositivi installati (inclinometri e WiFi Sensor Hub) sul campo si comportano come un sistema intelligente con funzioni di misura e di trasmissione dei segnali per la visualizzazione e la tempestiva segnalazione di eventuali allarmi che anticipano ad operatori in postazioni remote una situazione pericolosa dovuta al superamento della deformazione rispetto ad un valore prestabilito.

I livelli di soglia di attenzione e di pericolo sono definiti dai risultati della simulazione numerica del fenomeno rilevato che tiene conto di una o pi? tipologie dell?attrezzatura (schema statico, materiale, geometria), della pericolosit? dello scenario (carico del vento diretto ed indotto dal flusso dei veicoli nel caso di infrastrutture stradali) e dell?esposizione (composizione e valori del traffico veicolare nel caso di infrastrutture stradali).

Il livello di deformazione dell?elemento dell?attrezzatura monitorata ? aggiornato in tempo reale tenendo traccia (ad esempio nello stesso archivio 500) della sua evoluzione nel tempo e, al variare del livello di deformazione, viene aggiornato di conseguenza il suo livello di attenzione e quindi l?indice di pericolosit? e l?ordine della priorit? degli interventi di manutenzione. ? possibile, inoltre, tramite l?applicazione di modelli predittivi, prevedere l?evoluzione della condizione di degrado dell?elemento della struttura e quindi fornire utili informazioni per la pianificazione nel breve medio termine degli interventi.

Il metodo, una volta implementato, si configura in un sistema di monitoraggio strumentale dello stato di salute(SHM- Structural Health Monitoring) in grado di identificare il livello di deformazione strutturale dell?attrezzatura in modo rapido ed affidabile colmando una lacuna esistente nell?attuale gestione della manutenzione delle attrezzature in questione, non essendo presenti sul mercato sistemi di monitoraggio con caratteristiche similari.

Si specifica qui che, nonostante uno degli obiettivi sia quello dell?organizzazione degli interventi manutentivi, l?effetto tecnico dell?invenzione comprende la determinazione dello stato di buon funzionamento dell?infrastruttura monitorata, e quindi riguarda una predizione di comportamento della stessa infrastruttura, a prescindere dalle conseguenti misure di intervento.

I sensori

Facendo riferimento alla Fig. 2, un inclinometro 112 utilizzabile secondo l?invenzione ? fissabile ad un elemento di accoppiamento 111 alla struttura da monitorare, formando un insieme di sensore di deformazione 110, anche brevemente indicato come ?sensore?. Il sensore di acquisizione ha un basso consumo energetico e con un piccolo dispositivo di energy harvesting (pannello solare) si pu? ottenere un?autonomia praticamente infinita. Il sensore pu? essere installato in qualsiasi punto della barriera o dispositivo infrastrutturale da monitorare ma ? preferibile che sia fissato sul montante della barriera o elemento critico dell?infrastruttura. Per poter inviare i dati sul server cloud, il sensore ha bisogno di una connessione ad Internet tramite rete WiFi. Esso pu? essere compatibile con qualsiasi dispositivo per la connessione ad Internet con rete WiFi su banda 2.4 GHz (hotspot WiFi portatili).

Facendo riferimento alla Fig. 3, i dati di test acquisiti da un inclinometro sul montante di una barriera lato strada mostrano una regolarit? nella variazione dell?inclinazione del montante, dimostrando come una sollecitazione ripetuta della struttura viene correttamente rilevata dal sensore.

In riferimento alla Fig. 4, si mostra una prima fase di un differente esperimento, in cui si ? notato come la barriera, nonostante sia non correttamente fissata alla pavimentazione, mantenga una inclinazione corretta a meno di non subire folate di vento, come si evidenzia nella parte destra del grafico. La struttura, soggetta a vento forte, mostra una variazione dell?inclinazione del montante molto evidente.

In una seconda fase dell?esperimento, con i montanti della barriera correttamente fissati alla pavimentazione, non si notano variazioni nel segnale mostrato nella Fig. 5, sottolineando la buona condizione della barriera.

Dai dati sperimentali ottenuti si nota come il sensore utilizzato secondo l?invenzione sia in grado di evidenziare la condizione della barriera dalla sola misura dell?inclinazione del montante.

Metodo di analisi dati

In generale, il metodo dell?invenzione pu? sfruttare in modo sinergico l?impiego di moderne tecnologie quali: (1) Modelli di simulazione FEM per la determinazione dei livelli attesi di deformazione in funzione della tipologia dell?attrezzatura (tipologia stabilita sulla base di un insieme di parametri fisici, ad esempio schema statico, materiale, geometria), della pericolosit? dello scenario (ad esempio carico del vento diretto ed indotto dal flusso dei veicoli) e dell?esposizione (ad esempio composizione e valori del traffico veicolare).

(2) Algoritmi e modelli di previsione (Deep Learning e/o Big Data Analisys) sulla base dei quali ? possibile riconoscere le anomalie comportamentali dei parametri associati alla presenza di deformazioni.

(3) Internet of Things (IoT) che facilita il monitoraggio in tempo reale ed in continuo di tutti gli elementi strutturali delle attrezzature controllate e facilita la scalabilit? del sistema di monitoraggio.

Una volta ottenuti i risultati tecnici del monitoraggio, ovvero lo stato corrente di deformazione dei dispositivi o elementi di infrastruttura, si pu? organizzare la gestione della manutenzione sulla base di tali risultati e delle informazioni associate alla attrezzatura tramite una piattaforma BIM (Building Information Model), quest?ultima dotata di un archivio contenente i parametri delle attrezzature (tipologie, pericolosit? ed esposizione) per la definizione dei livelli ammissibili di attenzione e/o di pericolo. Inoltre, grazie all?interoperabilit? della piattaforma BIM, ? possibile condividere i dati con le varie figure responsabili dell?attrezzatura.

Grazie all?utilizzo di queste tecnologie, in possibile combinazione con altre che verranno specificate in maggior dettaglio nella descrizione che segue, il sistema RE.T.I.M. permette di gestire reti complesse di attrezzature.

Il metodo dell?invenzione pu? trarre vantaggio da una integrazione di alcune altre nuove tecnologie quali: nodi di edge computing, interfacce avanzate per l?acquisizione di dati, l?implementazione di basi dati esterne (meteo, traffico, ecc.), interoperabilit? tra i sistemi, sistemi di elaborazione delle informazioni (big data e analisi), sistemi di gestione dei dati, applicazioni web e servizi su piattaforme cloud.

In particolare, facendo riferimento alla Fig. 6, i macroblocchi del metodo 700 secondo una forma realizzativa vantaggiosa comprendono:

- macroblocco di analisi FEM 710;

- macroblocco di aggregazione dati e informazioni 720; - macroblocco di algoritmo esperto 730;

- macroblocco di IoT sensori 750; e

- macroblocco di gestione e controllo 740.

Nel seguito, verranno descritti i blocchi che li compongono.

Analisi FEM

In riferimento alla Fig. 7, in questo macroblocco 710 sono definite le caratteristiche geometriche e le dimensioni delle sezioni ricavate dai disegni tecnici e/o da rilievi in sito, le caratteristiche del materiale (ad esempio nel caso di elementi in acciaio: snervamento, carico di rottura, allungamento a rottura, curva sigmaepsilon. Qualora non fossero disponibili tali informazioni, si considera la classe di acciaio indicata nei disegni tecnici), le condizioni di vincolo di installazione e montaggio degli elementi dell?unit? strutturale (informazioni estratte dal manuale di installazione, ad esempio nel caso di barriere acustiche installate su cordolo in calcestruzzo: tipo di resina utilizzata per l?ancoraggio, classe e dimensioni dei tirafondi) e opzionalmente risultati sperimentali di prove di carico eseguite su strutture campione utilizzabili per la calibrazione iniziale del modello FEM. Si definiscono anche le equazioni dinamiche della struttura da monitorare.

Attraverso la modellizzazione e la simulazione della struttura, si ricavano le condizioni di ammissibilit? dello stato della struttura da monitorare.

Nel caso delle barriere antirumore da installare su rilevato stradale la struttura ? composta da montanti con relative piastre di ancoraggio alla base, da tirafondi e da pannelli antirumore, mentre nel caso della barriera integrata di sicurezza stradale ai componenti sopra indicati vanno aggiunti quelli relativi alla barriera di sicurezza stradale che sono la lama, i correnti ed i distanziatori. Altre strutture stradali e non sono ugualmente contemplate dall?invenzione.

L?input 711 del blocco FEM pu? comprendere dei parametri caratteristici del sito (lunghezza delle attrezzature da monitorare, tipologia del traffico veicolare, azione del vento), nonch? le caratteristiche fisiche e meccaniche della struttura da monitorare.

L?output del blocco 711 pu? comprendere la geometria e una o pi? tra caratteristiche meccaniche degli elementi della struttura da monitorare e condizioni di vincolo da schematizzare nel successivo modello FEM, come ad esempio uno o pi? tra geometria, materiali, collegamenti bullonati, disegno dell?installazione (la geometra riguarda le componenti strutturali della barriera, il disegno dell?installazione la distanza della stessa dal bordo strada).

Il blocco 712 riceve il suo input dal blocco 711. La modellizzazione FEM nel blocco 712 schematizza, secondo gli elementi previsti dal metodo di calcolo agli Elementi Finiti, le componenti dell?attrezzatura da monitorare, compresa la definizione dei vincoli e delle sollecitazioni esterne (ad esempio traffico e/o vento) in termini di distribuzione del carico, valore della spinta massima, punto di applicazione e frequenza di sollecitazione. Il vento prodotto dal flusso veicolare pu? essere determinato secondo formule empiriche.

L?output di questo blocco ? il modello FEM completo dell?attrezzatura da monitorare, ovvero la mesh 3D di calcolo. A questa vanno aggiunte le leggi costitutive (equazioni differenziali ad esempio del comportamento elasto-plastico con eventuale effetto strain rate) dei materiali, opzionalmente lo schema dei collegamenti e contatti interni alla struttura, e le sollecitazioni da applicare, che servono al blocco successivo 713. Questo blocco prevede la simulazione numerica con solutore FEM della dinamica dell?attrezzatura quando ? sottoposta alle sollecitazioni.

L?input di questo blocco comprende il modello FEM dell? attrezzatura, comprensivo del sistema di sollecitazione, definito nel precedente blocco 712, mentre l?output comprende il calcolo dell?angolo di inclinazione ammissibile (o altro parametro di deformazione) dell?attrezzatura dovuto al comportamento elastico della struttura in condizioni ottimali di installazione sotto l?azione delle sollecitazioni esterne e dell?angolo di inclinazione massima in condizioni di installazione che non garantiscono pi? la stabilit? della attrezzatura (per esempio un errato serraggio dei bulloni di ancoraggio del montante che determinano delle oscillazioni superiori a quelle ammissibili).

Il blocco successivo 714 fornisce le condizioni di ammissibilit? dell?attrezzatura da monitorare. In questo blocco sono parametrizzate le condizioni di ammissibilit? di funzionamento della attrezzatura in funzione delle sue caratteristiche geometriche, delle propriet? meccaniche del materiale.

? Input: geometrie attrezzatura e le caratteristiche meccaniche delle strutture definite e relativa misura delle deformazioni ammissibili.

? Output: livelli delle condizioni ammissibili (attenzione) e di massima deformazione (pericolo).

Sistema IoT di sensori

In riferimento alla Fig. 9, nel macroblocco 750 si combinano le informazioni del sistema RE.T.I.M. secondo l?invenzione comprendente i dispositivi di infrastruttura ed i sensori, con i dati acquisiti da questi ultimi. Il sistema complessivo pu? comprendere anche una struttura unitaria da monitorare ed un solo sensore, senza necessit? di un vero e proprio sistema IoT.

Nel blocco 751 sono acquisite le informazioni che riguardano le caratteristiche geometriche, fisiche e meccaniche delle componenti delle attrezzature (stradali e ferroviarie) installate per la definizione della configurazione dal sistema secondo l?invenzione comprendente i dispositivi IoT ed i sensori. Sono definiti il numero dei punti di misura, i punti di installazione sull?attrezzatura, la spaziatura tra i punti di misura, i requisiti funzionali (modalit? di acquisizione, processamento e visualizzazione dei dati del sistema secondo l?invenzione e i requisiti prestazionali (tra cui opzionalmente tempo di acquisizione, e tempo risposta, numero dei livelli di allarme) del sistema secondo l?invenzione.

Il blocco 751 fornisce in uscita uno schema di configurazione del sistema IoT per tronco omogeneo e un piano di installazione.

Nel successivo blocco 752 viene eseguita l?installazione delle componenti del sistema secondo l?invenzione, le quali comprendono: sensori (inclinometri e/o accelerometri, opzionalmente sensori di traffico e veicolari), dispositivi di acquisizione e trasmissione dati (wireless sensors Hub) su cloud e sistema di alimentazione autonoma (ad esempio, fotovoltaico).

L?ingresso del blocco comprende i requisiti funzionali e prestazionali, lo schema della configurazione del sistema IoT per la specifica applicazione, il disegno di assieme del sistema IoT, il piano di installazione e la lista dei componenti del sistema IoT secondo l?invenzione. L?uscita ? la configurazione del sistema IoT secondo l?invenzione.

Nel successivo blocco 753, viene effettuata l?acquisizione in tempo reale dei dati dai sensori (deformazione/inclinazione, vento, traffico, ecc.): in questo blocco viene eseguito il processo autonomo di acquisizione dei dati dai sensori collegati (preferibilmente wired) al dispositivo wireless sensor Hub.

L?ingresso ? la configurazione del sistema IoT, l?uscita comprende i dati acquisiti, con frequenza predefinita ed impostata, ad esempio sul dispositivo wireless sensor Hub.

Nel successivo blocco 754, viene effettuata la trasmissione dei dati su cloud, ad esempio attraverso il Wireless sensor Hub: avviene la trasmissione in cloud 755 dei dati di deformazione/inclinazione, ecc. previsti in fase di configurazione del sistema IoT.

Ovviamente l?ingresso ? costituito dai dati dai sensori e l?uscita comprende i dati trasmessi relativi alla deformazione e/o inclinazione nel tempo.

Aggregazione dei dati e informazione

In riferimento alla Fig. 9, nel macroblocco 720 si aggregano i dati e si applica un algoritmo per il calcolo della condizione di stato.

A tal fine, si possono opzionalmente acquisire dati meteo e di traffico nel blocco 723.

La condizione di stato di riferimento della condizione ammissibile dell?attrezzatura pu? essere descritta e valutata attraverso una combinazione ponderata dei valori di deformazione, vento e traffico e dei loro parametri statistici:

in cui il vettore definisce i pesi da attribuire ad

ogni misura (deformazione/inclinazione, vento e

traffico). I vettori colonna della matrice indicano i

valori ammissibili desunti dalla analisi FEM e i loro

parametri statistici predefiniti:

formazione/inclinazione massima ammissibile

Valore medio di deformazione ammissibile

Dev. standard di deformazione ammissibile

: Vento massimo ammissibile

: Valore medio di vento ammissibile

: Dev. standard di vento ammissibile

: Traffico massimo ammissibile

: Valore medio di traffico ammissibile

: Dev. standard di traffico ammissibile

la matrice riporta quindi i valori di riferimento,

medi e la deviazione standard ammissibili delle

componenti di deformazione/inclinazione, vento e

traffico. La matrice potrebbe avere differenti

dimensionalit? a seconda dei parametri di interesse

monitorati. E? possibile quindi che i vettori abbiano

una sola componente, ad esempio il valore massimo

ammissibile di deformazione. E? anche possibile che i

differenti valori dei parametri caratteristici siano

combinati in maniera non-lineare.

Il sistema di analisi secondo l?invenzione nel blocco

721 calcola la condizione di stato rappresentativa delle condizioni di sicurezza dell?attrezzatura, per ogni Tronco Omogeneo (tratte che hanno barriere che presentano le stesse geometrie e caratteristiche meccaniche). I tronchi omogenei dell?attrezzatura sono l?insieme delle attrezzature che si trovano in condizioni analoghe o simili tra loro in funzione delle caratteristiche geometriche, di traffico e di vento. Quindi ogni condizione di stato di ammissibilit? ? riferita ad ogni tronco omogeneo.

Il blocco 721 riceve come input:

1. le condizioni ammissibili (attenzione) e di massima deformazione (pericolo) per tipologia della attrezzatura, per caratteristiche del vento e del traffico;

2. i dati acquisiti sul campo dai sensori (deformazione/inclinazione o equivalenti);

3. i dati meteo e traffico (opzionali);

4. i dati dei modelli previsionali (opzionali);

Le variabili del sistema di analisi secondo l?invenzione sono:

a) la deformazione/inclinazione o equivalenti; ed opzionalmente:

b) il traffico (traffico giornaliero medio e percentuale di traffico pesante); e/o

c) il vento (direzione ed intensit?).

Il sistema secondo l?invenzione aggrega i dati (ad esempio deformazione/inclinazione, traffico e vento) in tipologie predefinite. Le tipologie (I, II, III, si veda sotto) sono definite in funzione dell?intervallo di variazione dei valori.

L?uscita del blocco 721 comprende i valori delle condizioni di stato definite da una combinazione dei valori di deformazione, vento e traffico:

Dopo il calcolo della matrice di cui sopra, le condizioni di stato ammissibili per tronco omogeneo sono memorizzate in un database nel blocco 722, suddivise per tronco omogeneo. Questo calcolo pu? essere fatto per una o due (o pi?) condizioni di stato di soglia, ad esempio una prima soglia di attenzione che da luogo al vettore e una seconda soglia di pericolo che da luogo al vettore Nel seguito, quando si forniscono esempi per il caso con una sola soglia, si

intender? o alternativamente

Sistema di gestione e controllo

In riferimento alla Fig. 11, nel macroblocco 740 si verificano le condizioni di sicurezza e si generano i corrispondenti notifiche (in caso di superamento della soglia di ammissibilit? e/o pericolo) e report.

Anzitutto, nel blocco 741 si ricevono i dati aggiornati da cloud su web service.

? possibile nel blocco 742 visualizzare i dati aggiornati acquisiti dal cloud.

Nel blocco 743 si procede alla verifica della condizione di sicurezza, ovvero al confronto dei dati: in questo blocco la condizione di stato reale

relativa ad una attrezzatura o tronco omogeneo viene calcolata e confrontata con la corrispondente condizione di stato di riferimento nella quale sono stabilite le soglie di attenzione e di pericolo:

Le componenti della matrice sono omogenee a quelle della matrice di sopra, ma derivano da misure istantanee dei sensori, ovvero la prima riga ? costituita dai valori massimi di deformazione in un determinato intervallo di tempo di acquisizione dati, la seconda riga dai valori medi nello stesso intervallo e la terza riga dalle deviazioni standard delle misure sempre nell?intervallo.

Possono verificarsi i seguenti casi.

Se il valore assoluto di di attenzione il sistema di gestione e controllo non fornisce alcun segnale nel blocco 744.

Se di attenzione allora il sistema fornisce un segnale di attenzione nel blocco 745.

Se invece di pericolo allora il sistema fornisce un segnale di pericolo nel blocco 745.

Alternativamente al confronto tra i moduli dei vettori, ? possibile confrontare anche solo una o pi? componenti dei vettori.

Gli ingressi del blocco sono quindi le condizioni ammissibili e le soglie di attenzione e di pericolo. L?uscita comprende le condizioni di stato e la generazione di notifiche di attenzione e pericolo dopo il confronto con Possono inoltre essere generati dei report con priorit? di interventi di manutenzione nel blocco 746.

Esempio applicativo

Si fornisce di seguito un esempio di attuazione del processo descritto in questo brevetto.

Si vuole applicare il sistema RETIM su una barriera acustica installata in un laboratorio.

Si acquisiscono inizialmente i disegni tecnici della barriera e il manuale di installazione. Da tali documenti si estraggono le caratteristiche necessarie per eseguire una analisi FEM della struttura al fine di ricavare le condizioni ammissibili di deformazione/inclinazione (Blocco 710).

Le figure 15 e 16 forniscono rispettivamente i risultati dell?analisi FEM in termini di deformazioni plastiche e tensioni sul montante al fine di valutare l?entrata in campo di plasticit? del materiale e conseguentemente il livello di ammissibilit? di deformazione/inclinazione.

La figura 17 riporta lo stato tensionale sui tirafondi che vincolano la piastra di base al cordolo in calcestruzzo. Tale analisi ? funzionale alla valutazione delle sollecitazioni trasmesse al cordolo in calcestruzzo e alla resina utilizzata per il fissaggio dei tirafondi.

Le condizioni di ammissibilit? che scaturiscono da questa analisi prendono in considerazione la situazione pi? critica tra quelle sopra descritte (deformazione plastica del montante o cedimento del vincolo alla base).

Dai risultati delle simulazioni FEM si sono individuate tre tipologie di deformazione, come nella seguente tabella di esempio:

La tipologia I corrisponde ad una deformazione ammissibile. La tipologia II indica una condizione in cui la struttura si deforma elasticamente e non compromette la funzionalit? e la sicurezza della struttura. La tipologia III indica una deformazione plastica della struttura che non garantirebbe la funzionalit? e la sicurezza della struttura.

In riferimento alla tabella qui sopra, le tipologie di vento utilizzate per questa applicazione sono parametri basati sulle condizioni di vento tipiche della zona in cui ? installata la barriera. La tipologia I corrisponde ad una condizione di vento moderato, la tipologia II di vento forte, la tipologia III di burrasca. Di seguito si riporta la tabella delle condizioni possibili di vento e deformazione/inclinazione.

Dalla combinazione dei risultati estratti dalla simulazione FEM e (opzionalmente) dai dati ambientali, si ricavano i parametri che definiscono le matrici

Le matrici e indicano i dati di

deformazione vento e traffico di attenzione e pericolo per la struttura. Nell?esempio, la struttura ha un?inclinazione massima ammissibile di 2? e un valore medio ammissibile di 1.5 con una deviazione standard pari a 0.1. Le condizioni di vento indicano una velocit? istantanea e media ammissibile di 15 m/s e una deviazione standard pari ad 2. I dati di traffico non sono da considerare per una installazione in laboratorio. Il vettore P ? settato empiricamente (a seconda del materiale o di altre condizioni della struttura) per dare il giusto peso ai parametri: le condizioni del vento sono utilizzate opzionalmente in aggiunta alle misure di deformazione/inclinazione. Se i dati acquisiti in tempo reale superano i valori di almeno il sistema RE.T.I.M. notifica tale condizione della struttura.

E? preferibile installare 1 sensore per montante dell?attrezzatura da monitorare, tuttavia il numero dei sensori dipende dalla configurazione.

Su questa configurazione si sono effettuate due sessioni di misura. La prima con i montanti della barriera fissati correttamente a terra, la seconda con i montanti non correttamente ancorati alla pavimentazione.

Sulla base dei dati raccolti, sono stati calcolati i vettori per le due sessioni di prova. Nella condizione di corretta installazione della barriera si ? ottenuto, ad esempio, per un punto di misura del grafico in figura 5:

mentre nella condizione di errato ancoraggio dei montanti (grafico in figura 4):

Essendo una installazione effettuata in laboratorio, i dati di traffico non sono disponibili e quindi non utilizzati per questo esperimento. Secondo i calcoli effettuati nelle fasi precedenti, le condizione di stato di attenzione e pericolo per questa barriera sono:

Quindi nel primo caso:

Invece nel secondo caso:

Quindi, il sistema RETIM avverte i responsabili del superamento della soglia di attenzione.

Modelli predittivi di degrado

Facendo riferimento alla Fig. 10, in questo macroblocco 730 si utilizzano dei modelli di degrado per scopi predittivi del collasso della struttura monitorata.

Nel blocco 731 si utilizzano curve di degrado che rappresentano l?andamento nel tempo della condizione di stato di sicurezza dell?attrezzatura. Come tutti i modelli di degrado, essi rappresentano la tendenza al degrado della struttura valutata in base alla sua deformazione/inclinazione.

Il modello previsionale acquisisce la condizione di stato corrente di ciascun punto di misura nel tempo dal blocco precedente. I dati aggregati delle ore precedenti sono confrontati con quelli attuali per calcolare una tendenza della condizione di stato e sono quindi confrontati con la condizione di stato di riferimento per mettere in evidenza le eccedenze.

Invece di utilizzare dei metodi statistici per il calcolo della previsione di collasso della struttura, il sistema secondo l?invenzione fa uso di algoritmi esperti, quali il machine learning (e.g. Hochreiter, S., and J. Schmidhuber. "Long short-term memory." Neural computation. Vol. 9, Number 8, 1997, pp.1735?1780) al fine di ottenere una serie di modelli previsionali non lineari basati sulle condizioni di stato precedentemente acquisite e calcolate.

La proiezione estratta dagli algoritmi esperti individua nel blocco 732 una forbice di possibili evoluzioni della struttura in termini di condizione di stato al fine di informare preventivamente il gestore dell?infrastruttura di un potenziale allarme qualora i valori predetti dai modelli raggiungano le soglie di attenzione e di pericolo precedentemente individuate.

L?algoritmo esperto permette anche di analizzare i dati di ogni punto di misura e ottenere una stima dell?evoluzione dell?intera struttura. In questo modo si considera la resilienza caratteristica delle grandi strutture, cio? la capacit? della rete esposta a rischi di resistere, assorbire e recuperare in un determinato tempo e in modo efficiente la funzionalit? in termini di efficacia del contenimento e della capacit? di assorbimento della barriera.

Applicazioni del metodo

Il metodo secondo l?invenzione si applica a varie strutture infrastrutturali. Oltre all?esempio delle barriere a lato strada, si pu? fare l?esempio del monitoraggio di ponti; in questo caso, si pu? acquisire tramite sensori il valore del carico dinamico dei mezzi che transitano sul ponte.

Vantaggi dell?invenzione

L?uso dell?invenzione permette di superare gli attuali metodi di verifica delle attrezzature effettuati tramite ispezione visiva in loco. Inoltre, l?acquisizione continua dei sensori tramite sistema IoT consente di conoscere le condizioni di stato delle attrezzature in tempo reale e utilizzare gli stessi dati per valutare preventivamente la manutenzione e prevenire le condizioni di collasso.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma ? da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ci? uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo (700) per il monitoraggio delle deformazioni di strutture, comprendente le seguenti fasi: A. fornire (711) una serie di parametri fisici caratteristici e di equazioni dinamiche di una struttura da monitorare; B. effettuare (712) una modellizzazione agli elementi finiti, FEM, del sistema come definito dai parametri fisici caratteristici e dalle equazioni dinamiche della fase A, ottenendo una mesh della struttura da monitorare; C. effettuare (713) una simulazione FEM oppure utilizzare un algoritmo esperto per predire il comportamento di detta mesh sotto l?azione di una o pi? sollecitazioni esterne predefinite, ottenendo una serie di intervalli di variabilit? di detti parametri fisici caratteristici, ciascun intervallo di variabilit? essendo definito come vettore avente uno o pi? componenti; D. combinare (721) detti intervalli di variabilit? pesandoli con pesi predefiniti che sono funzione della geometria e/o delle caratteristiche meccaniche della struttura da monitorare, ottenendo un vettore di condizioni di stato di attenzione

   E. fornire una serie di sensori di inclinazione e/o deformazione su detto sistema da monitorare; F. acquisire dati da detta serie di sensori, per almeno un intervallo temporale predefinito, configurati per misurare detti uno o pi? parametri fisici caratteristici; G. determinare (743) un vettore di condizioni di stato reali di detto sistema sulla base di detti dati acquisiti nella fase F, il vettore di condizioni di stato reali avendo componenti corrispondenti a detto vettore della fase C; H. confrontare (743) detto vettore di condizioni di stato reali con detto vettore di condizioni di stato di attenzione e I. nel caso in cui il valore di almeno una di dette condizioni di stato in sia maggiore del corrispondente valore in emettere un allarme (745, 746).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto vettore della fase C comprende tre componenti con valori rispettivamente della condizione di stato massima, della condizione di stato media e della deviazione standard della condizione di stato, il confronto della fase H essendo effettuato rispetto ad una o pi? delle tre componenti o rispetto al modulo dei vettori.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui nella fase D viene determinato aggiuntivamente un vettore di condizioni di stato di pericolo , e nella fase I emessi rispettivamente un segnale di attenzione o un segnale di pericolo a seconda del risultato del confronto.
4. 4. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui dette una o pi? sollecitazioni esterne predefinite comprendono sollecitazioni atmosferiche ed in cui nella fase D il vettore di condizioni di stato di attenzione e/o pericolo e nella fase G il vettore di condizioni di stato reali sono calcolati anche sulla base di dati atmosferici acquisiti da corrispondenti sensori atmosferici.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detti dati atmosferici comprendono dati di vento.
6. 6. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detta struttura da monitorare ? una barriera lato strada.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui dette una o pi? sollecitazioni esterne predefinite comprendono parametri legati al traffico stradale, ed in cui nella fase D il vettore di condizioni di stato di attenzione e/o pericolo e nella fase G il vettore di condizioni di stato reali sono calcolati anche sulla base di dati di traffico acquisiti da corrispondenti sensori di traffico.
8. 8. Metodo secondo le rivendicazioni 5-7, in cui il vettore di condizioni di stato di attenzione e/o pericolo ed il vettore di condizioni di stato reali sono ciascuno una media pesata dei corrispondenti valori di deformazione o inclinazione, del vento e del traffico, utilizzando rispettivi vettori di pesi predefiniti.
9. 9. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui si effettua la seguente ulteriore fase: J. utilizzare una serie storica delle condizioni di stato reali in un modello previsionale o algoritmo esperto previsionale del degrado della struttura da monitorare, ottenendo valori futuri delle condizioni di stato reali e segnali di allarme e/o pericolo successivamente al confronto con dette condizioni di stato di attenzione e/o pericolo.
10. 10. Sistema (1000) per il monitoraggio delle deformazioni di strutture, comprendente un insieme (100) di sensori (110) installati su una struttura da monitorare, un collegamento senza fili (200) tra i sensori (110) e un server (300), il sistema essendo caratterizzato dal fatto di essere configurato per eseguire le fasi B-D ed F-I del metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 9.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui la struttura da monitorare ? una barriera stradale e detto insieme di sensori comprende sensori di deformazione, sensori di vento e sensori di traffico.