Un concetto di gemello digitale rende i cieli urbani più sicuri
La manutenzione degli aeromobili moderni tipicamente si basa su programmi per l’intera flotta derivati dalle ipotesi di progettazione del caso peggiore. Ciò significa che ogni aereo di una categoria viene sottoposto a manutenzione e ritirato dal servizio allo stesso tempo, indipendentemente dalla sua effettiva storia operativa. «Questo approccio standardizzato è costoso e dispendioso», afferma il coordinatore del progetto AVATAR(si apre in una nuova finestra), Marek Vančo, dell’azienda ceca EVEKTOR(si apre in una nuova finestra). «I velivoli che hanno avuto un uso inferiore alla media vengono ritirati dal servizio prematuramente, mentre quelli sottoposti a condizioni più severe a volte sono monitorati in modo inadeguato tra un’ispezione e l’altra.»
Un gemello digitale per analisi in tempo reale
Il progetto AVATAR, finanziato dall’UE, si proponeva di ottimizzare il funzionamento e la manutenzione dei veicoli aerei esistenti attraverso un monitoraggio continuo in tempo reale e di sostenere l’impiego sicuro di materiali e design innovativi. Per raggiungere questo obiettivo, l’équipe del progetto ha sviluppato un framework scalabile di gemello digitale per la gestione in tempo reale della salute e dell’uso delle strutture. Un gemello digitale è una replica virtuale di un sistema che si aggiorna in tempo reale usando dati ricavati dai sensori, dall’intelligenza artificiale e dalle analisi. «Il framework è stato costruito attorno a tre componenti integrate», spiega Zahra Sharif Khodaei dell’Imperial College(si apre in una nuova finestra), Regno Unito, che in AVATAR ha assunto il ruolo di coordinatrice scientifica. «In primo luogo, un sistema di rilevamento fisico IoT fornisce una misurazione continua, leggera e in situ della risposta strutturale durante il volo.» Il secondo componente è un sistema di previsione virtuale con apprendimento automatico probabilistico per la diagnosi dei danni in tempo reale, mentre il terzo è una piattaforma di comunicazione dati sicura che collega i sistemi fisici e virtuali attraverso l’edge computing sull’asset e l’elaborazione cloud. «Insieme, questi componenti creano una replica virtuale continuamente aggiornata di ogni singolo velivolo, che riflette la sua storia operativa effettiva piuttosto che un’ipotesi di progettazione generica», aggiunge Sharif Khodaei.
Analisi post-volo e analisi aggregata del volo
Tutti e tre i componenti sono stati integrati in una piattaforma operativa cloud. Questa a sua volta ha fornito analisi post-volo e aggregate per due profili di utente distinti: l’analista strutturale e il pilota. L’équipe del progetto ha poi dimostrato l’efficacia del concetto di gemello digitale, attraverso voli di prova di un velivolo con equipaggio di EVEKTOR e test di laboratorio con droni. «Ognuno di essi rappresentava una filosofia di progettazione strutturale diversa e quindi richiedeva una configurazione di gemello digitale distinta», spiega Sharif Khodaei. Sono stati raccolti ed elaborati dati reali in volo attraverso l’intera pipeline di gemelli digitali, convalidando per la prima volta il framework in condizioni operative reali. «Le prossime sfide sono la scalabilità e la commercializzazione», aggiunge Vančo. «Tutti e tre i componenti principali, la pelle di rilevamento IoT, il sistema di previsione virtuale e la piattaforma di comunicazione, sono pronti per un ulteriore sviluppo verso prodotti certificati e distribuibili in commercio.»
Progettazione ingegneristica, realtà operativa e sicurezza
L’équipe del progetto AVATAR ritiene che la sua innovazione rappresenti un cambiamento fondamentale nel modo di pensare al rapporto tra progettazione ingegneristica, realtà operativa e garanzia di sicurezza. Riducendo i tempi di fermo non necessari, la manutenzione predittiva su condizione potrebbe tradursi in prezzi dei biglietti più bassi e in operazioni più sostenibili. «In termini di progettazione di aeromobili, la disponibilità continua di dati di uso reale potrebbe accelerare la certificazione di nuovi materiali e configurazioni, compresi i progetti in composito e ibrido-elettrici che definiranno la prossima generazione di aviazione sostenibile», osserva Sharif Khodaei. A lungo termine, il beneficio più profondo potrebbe essere quello della mobilità aerea urbana. Quando gli aerotaxi elettrici e i veicoli aerei autonomi inizieranno a operare in aree sovraffollate, l’accettazione da parte del pubblico dipenderà dalla loro sicurezza dimostrabile e verificata costantemente. «La struttura del gemello digitale sperimentata da AVATAR fornisce esattamente questo: una garanzia di integrità strutturale in tempo reale e basata su prove per ogni veicolo, per ogni volo», osserva Vančo. «Questa capacità sarà essenziale per integrare in modo sicuro i veicoli aerei innovativi nell’ambiente urbano e per costruire la fiducia del pubblico.»
