RICERCA ITALIANA     

Metodi ed Algoritmi integrati per la diagnostica Non Distruttiva di Beni Architettonici

Politecnico di Bari

Abstract

Il progetto si propone di realizzare un sistema multisensoriale per la diagnostica non distruttiva di murature in grado di integrare tecniche tradizionali e non tradizionali con metodologie di interpretazione "cooperativa" dei dati acquisiti. Un sistema, cioè, integrato di acquisizione dati e gestione delle informazioni e delle conoscenze in grado di evidenziare le caratteristiche dell'opera muraria per fornire una valutazione dello stato oggettivo e ripetibile, e classificare e misurare le tipologie di difetto individuato.
Il principale risultato del progetto sarà un pacchetto software di elaborazione intelligente e interpretazione facilitata per l'operatore dei dati acquisiti da un sistema multisensoriale dei dati.
Lo sviluppo del progetto si articola in tre linee di sviluppo e prevede una forte interazione e integrazione tra i 5 gruppi di ricerca. Ogni Unità elaborerà dati teorico-sperimentali distinti che saranno poi condivisi con le altre Unità ed integrati nel software intelligente quale prodotto finale del progetto.
Ottimizzazione di tecniche diagnostiche non distruttive tradizionali. Le Unità coinvolte utilizzeranno strumenti di indagine distinti quali la termografia ad infrarossi (UR1), le tecniche ultrasoniche (UR2) e le soniche (UR4), ed effettueranno analisi teoriche e sperimentali per individuare le modalità di testing in grado di fornire le informazioni più efficaci ed efficienti per l'individuazione dello stato di un bene architettonico ai fini della loro integrazione.
I risultati attesi permetteranno l'individuazione delle difettosità tipiche delle strutture murarie e la predisposizione di una struttura muraria di prova. Una fase di pre-processing e di feature extraction permetterà l'allineamento dei dati ottenuti dalle singole tipologie di misura e una "multisensor data collection".
Sviluppo di metodologie di indagine ND innovative.
Le UR n. 3 e 5 svilupperanno procedure di modellazione delle murature, svilupperanno sensori scalari o vettoriali per l'acquisizione di dati a radiofrequenza, nelle gamme più opportune per l'analisi delle strutture murarie, progetteranno antenne e geometrie di schiere con applicazioni a RF e nel sonico/ultrasonico.
L'obiettivo è realizzare una procedura di progettazione del sistema di trasmissione-ricezione, per garantire prestazioni ottimali in termini di affidabilità e di flessibilità diagnostica nell'individuazione di difetti nella struttura muraria.
I modelli numerici realizzati dalle UR3 e UR5 saranno validati dai dati reali ottenuti dalle indagini condotte dalle UR1, UR2 e UR4.
Questa linea di ricerca prevede i seguenti risultati: sviluppo di sensori e contemporanea simulazione basata su modelli numerici., ottimizzazione di sensori sonici, ultrasonici, scalari e/o vettoriali (schiere) per l'analisi di strutture murarie, implementazione e validazione di modelli numerici.
Integrazione e interpretazione delle informazioni. Diagnosi della struttura.
Le UR 1 e 4, attraverso tecniche di Soft Computing, elaboreranno le informazioni ottenute dal sistema multisensoriale realizzato, procedendo a una combinazione scientifica delle misure. L'obiettivo è quello di realizzare una procedura di Data Fusion e Decision Fusion per la caratterizzazione diagnostica dello stato dell'oggetto in esame.
Tutte le 5 unità saranno coinvolte nella fase finale del progetto per un test su una struttura realizzata ad hoc. Questa linea di ricerca prevede i seguenti risultati: Clustering di dati multidimensionali per l'estrazione delle classi e aggiornamento delle tecniche di pre-processing delle singole sedi, armonizzazione dei risultati al fine di realizzare le procedure per l'addestramento delle reti neurali, rilevazione e classificazione dei difetti basata su tecniche di clustering cooperativo e tecniche di Data Fusion e Decision fusion.
All the units will be involved in the final stage of the project to realize a test on ad hoc structure. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe ACCIANI Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

La valutazione dello stato di conservazione e della vulnerabilità rispetto ai rischi strutturali, in particolare sismici, del patrimonio artistico e architettonico è una questione particolarmente importante nel nostro Paese. L'elevato numero di opere in muratura, la loro estrema differenziazione tipologica e costruttiva sul territorio nazionale e le difficoltà nel valutare le loro caratteristiche meccaniche e strutturali rendono necessario lo sviluppo di adeguate tecniche diagnostiche, possibilmente non distruttive, per valutare i rischi di dissesti statici o di collassi se soggetti ad azioni sismiche.
In particolare, per manufatti di interesse storico/artistico l'indagine conoscitiva dello stato della struttura può richiedere la conoscenza degli aspetti costitutivi dell'opera e dello stato di conservazione.
Le modalità per la diagnosi e il controllo non distruttivo (ND) di murature provengono da numerosi settori differenti e utilizzano tecniche molto diverse tra loro, in grado di fornire alcune informazioni necessarie alla diagnosi dello stato della struttura in esame.
D'altra parte la valutazione dello stato di una struttura è spesso effettuato sulla base di informazioni parziali o di bassa affidabilità e gioca un ruolo essenziale la sensibilità, l'esperienza e la capacità deduttiva del professionista nel dare un differente peso ai vari indici disponibili per ottenere informazioni finali. Infatti l'applicazione di tali tecniche è molto spesso fatta con modalità non corrette a causa, per esempio, della scarsa risoluzione e precisione dei risultati delle indagini, dovute a strumenti matematici poco avanzati, alla soggettività delle interpretazioni dei risultati stessi delle prospezioni da parte dell'operatore, al quale si richiede ampia esperienza nel settore, all'impossibilità dell'utilizzo congiunto di dati e risultati provenienti da sistemi multisensore.
Queste osservazioni e le competenze acquisite dalle Unità di Ricerca proponenti hanno condotto alla redazione di questo progetto il cui obiettivo è quello di realizzare un sistema multisensoriale per la diagnostica non distruttiva di murature di particolare pregio che sia in grado di integrare tecniche diagnostiche tradizionali e non tradizionali con metodologie di interpretazione "cooperativa" dei dati acquisiti.
Si propone lo sviluppo di un sistema integrato di acquisizione dati e gestione delle informazioni e delle conoscenze in grado di evidenziare le specifiche caratteristiche dell'opera muraria in modo automatico e completo. Tale sistema sarà in grado di fornire una valutazione oggettiva e ripetibile dello stato di conservazione, ed inoltre di classificare e misurare le tipologie di difetto individuato.
Le attività del progetto sono caratterizzate da una forte complementarietà ed integrazione delle competenze delle unità partecipanti. Aspetto fondamentale del progetto è l'attività sperimentale. Ogni unità infatti svilupperà le proprie attività sulla base di indagini sperimentali effettuate con strumenti che utilizzano principi fisici diversi tra loro, apportando, quindi, un contributo complementare rispetto alle altre e indispensabile per la completezza del progetto.
L'individuazione delle modalità di interscambio e di allineamento di dati multisensoriali ne consentirà la condivisione e l'utilizzo da parte di tutte le unità. Inoltre, la disponibilità di tutti i dati dei diversi sensori disponibili richiederà una fase di studio per la definizione di tipologie di difetto che siano tipici target di una o più tecnica di indagine e presumibilmente non di altre, in modo da poter testare le capacità del sistema proposto di superare le limitazioni di ciascuna singola tecnica di indagine e dimostrare le capacità e i limiti della tecnica proposta.
I test richiederanno la realizzazione di una struttura ad hoc e l'acquisizione di dati utilizzando i diversi sensori nelle condizioni migliori di acquisizione di ciascuna tecnica, individuate in una prima fase di studio da ciascuna sede.
Il principale risultato del progetto sarà un pacchetto software di elaborazione intelligente che permetterà una più semplice interpretazione dei dati acquisiti da un sistema multisensoriale da parte dell'operatore.
La ricerca proposta si articola in tre linee di sviluppo:
a) Ottimizzzazione di tecniche diagnostiche non distruttive tradizionali.
Le Unità coinvolte faranno uso di metodologie di indagine nelle quali si sia già sviluppata una competenza quali la termografia ad infrarossi, le tecniche soniche e ultrasoniche. L'obiettivo è quello di individuare le modalità di testing in grado di fornire le informazioni più efficaci ed efficienti (feature) per l'individuazione dello stato di un bene architettonico.
I risultati che si intendono raggiungere al termine di questa linea di ricerca sono:
− individuazione delle difettosità tipiche delle strutture murarie;
− predisposizione di una struttura muraria di prova;
− acquisizione dati tramite termocamere IR, strumentazione sonica e ultrasonica.
− simulazione basata su modelli numerici.
− pre-processing e feature extraction delle singole tipologie di misura;
− allineamento dei dati e multisensor data collection.
b) Sviluppo di metodologie di indagine ND innovative.
Le Unità interessate svilupperanno procedure di modellazione delle strutture murarie, svilupperanno sensori scalari o vettoriali (schiere) per l'acquisizione di dati a radiofrequenza, nelle gamme più opportune per l'analisi delle strutture murarie, progetteranno antenne e geometrie di schiere con applicazioni in RF e nel sonico/ultrasonico.
L'obiettivo risiede nella definizione e nella implementazione di una procedura di progettazione ottimizzata del sistema di trasmissione-ricezione, al fine di individuarne le caratteristiche ed i parametri che garantiscano prestazioni ottimali in termini di affidabilità e di flessibilità diagnostica nell'individuazione di difetti nella struttura muraria.
I risultati attesi sono:
− sviluppo di sensori scalari e/o vettoriali (schiere) per l'analisi di strutture murarie;
− progettazione di un codice ad elementi finiti valido sia in ambito elettromagnetico sia in ambito ultrasonico.
− simulazione delle tecniche di analisi ultrasonica e a microonde di una struttura muraria per la definizione delle frequenze più opportune da utilizzare;
− progetto e sviluppo di antenne e geometrie di schiere con applicazioni in RF e nel sonico/ultrasonico;
− sviluppo di un dimostratore (hardware e software).
c) Integrazione e interpretazione delle informazioni. Diagnosi della struttura.
Le Unità coinvolte, attraverso tecniche di Soft Computing, elaboreranno le informazioni ottenute dal sistema multisensoriale realizzato con sensori eterogenei (acustici, elettromagnetici, termici), procedendo a una combinazione scientifica delle misure.
L'obiettivo è quello di realizzare una procedura di Data Fusion e Decision Fusion per la caratterizzazione diagnostica dello stato dell'oggetto in esame.
Al termine di questa linea di ricerca si intendono ottenere i seguenti risultati:
− clustering di dati multidimensionali per l'estrazione delle classi e aggiornamento delle tecniche di pre-processing delle singole sedi;
− armonizzazione dei risultati al fine di realizzare le procedure per l'addestramento delle reti neurali;
− rilevazione e classificazione dei difetti basata su tecniche di clustering cooperativo;
− ricorso a tecniche di Soft Computing e Data Fusion per la rilevazione e la classificazione dei difetti;
− realizzazione di piattaforma decisionale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La tutela dei manufatti di particolare interesse storico-artistico presuppone una serie di indagini per acquisire dati sugli aspetti costitutivi dell'opera, sullo stato di conservazione e sugli eventuali processi di alterazione e degrado.
Tale raccolta di informazioni deve essere effettuata in maniera sistematica e scientifica in modo da consentire una diagnosi accurata dei danni che si sono creati e dei meccanismi che provocano il deperimento delle opere in modo da intervenire con i rimedi più efficaci ed appropriati al caso.
Quanto più la diagnosi si basa su dati certi e ricerche approfondite, tanto più è possibile attuare misure preventive e limitare le azioni sulla struttura muraria. L'attuale tendenza è senza dubbio quella di impiegare il massimo dello sforzo alla prevenzione, il che implica la capacità di monitorare l'eventuale degrado. Inoltre, poiché prolungato nel tempo, tale monitoraggio deve prevedere l'impiego di tecniche il più possibile non invasive.
Per la acquisizione di tali dati, si adoperano oggi metodi diversi che comprendono l'osservazione visiva personale, il rilievo geometrico, ed i metodi sperimentali.
Fra questi metodi, le tecniche sperimentali consentono di approfondire e verificare le informazioni acquisite nelle prime due indagini, in modo da analizzare lo stato di fatto al di sotto della superficie apparente. Esse permettono di distinguere e misurare: la struttura dell'opera, le discontinuità, gli strati, i materiali costituenti, gli elementi chimici ed i composti, gli elementi in tracce.
La base per molte procedure automatiche di test non distruttivi (NDT) deriva dai settori della medicina, aerospazio e geofisica. Metodi efficaci per distinguere regioni di differente struttura muraria includono tecniche soniche, ultrasoniche, analisi con onde Elettromagnetiche e analisi mediante termografia infrarossa.
Lo studio dei metodi sonici è stato prevalentemente incentrato su applicazioni mediche o di ingegneria dei materiali per analisi in laboratorio [2, 3]. L'analisi di manufatti di pregio ha avuto inizio nei primi anni '90 [4-8] ed è tutt'oggi eseguita con notevoli approssimazioni a discapito dell'accuratezza dei risultati. I risultati poco accurati ottenuti si possono anche spiegare considerando che finora l'interpretazione delle prospezioni ha avuto forte carattere soggettivo. Ciò ha contribuito a formare l'opinione comune che l'applicazione di tali metodologie all'analisi di opere murarie di pregio non possa fornire risultati affidabili. Dotando, invece, la tecnica in esame degli strumenti opportuni, essa acquisisce notevoli potenzialità diagnostiche. Le misure soniche forniscono, infatti, informazioni strettamente relazionabili ai parametri elastici della struttura, cruciali per le indagini di stabilità e la valutazione della durabilità dell'opera. I principali vantaggi del metodo sono da identificarsi nella rapidità dell'acquisizione e nell'elevata profondità di penetrazione d'indagine, grazie al range di frequenze utilizzato (1-20 kHz).
Nell'ambito di tecniche d'indagine quali quelle soniche, la forma d'onda acquisita non è direttamente utilizzabile per l'analisi della struttura. Pertanto si rende necessaria una modellazione inversa per estrarre l'informazione utile dai segnali rilevati. In tale contesto è essenziale la decennale esperienza maturata dall'unità 4 [9-14].
Accanto a queste sono di notevole interesse le prove ultrasoniche che utilizzano una banda di frequenza che varia da 20 kHz a 1000 MHz. Tali onde non riescono a essere trasmesse da mezzi gassosi, per cui sono sfruttate per l'individuazione di microfessure che riescono a riflettere il fronte d'onda; per contro, il segnale ultrasonico risulta attenuato per via della sua lunghezza d'onda troppo piccola in confronto alle dimensioni dei componenti la muratura [15-17].
Recentemente le tecniche ad ultrasuoni si sono affermate anche nell'analisi non distruttiva nei diversi settori dell'ingegneria. In particolare nel caso di impianti con sistemi di condutture sono state utilizzate onde ultrasoniche guidate dalle pareti delle condutture stesse. La presenza di eventuali segnali riflessi viene utilizzata per rilevare eventuali difetti o altre caratteristiche delle tubature. In tale contesto, il gruppo di ricerca 2 utilizzerà le competenze, maturate in passato. Tale unità ha messo a punto una rappresentazione equivalente a due porte di sistemi ad onde guidate per la diagnostica di tratti di condutture non accessibili [18].
Per quel che riguarda le tecniche basate su onde elettromagnetiche, la rilevazione del campo riflesso da discontinuità dovute alle caratteristiche costruttive dell'edificio o a difetti presenti nella struttura consente di ottenere informazioni utili alla diagnostica. Infatti, variando la frequenza dell'onda trasmessa, in genere compresa tra 100 MHz e 3 GHz, è possibile esplorare la struttura sotto indagine a diversi livelli di profondità. Esistono, tuttavia, problematiche connesse alla banda utile delle antenne utilizzate (in genere una in trasmissione e una in ricezione [19][20]), al loro posizionamento (in genere manuale, in prossimità dei vari punti di interesse) [21], all'interpretazione dei dati ed alla loro elaborazione a fini diagnostici [22]. Le tecniche basate su onde elettromagnetiche sono in genere basate su sensori singoli e solo in casi limitati si fa uso di configurazioni multicanale, soprattutto in ricezione [23]. In tale contesto, il gruppo di ricerca 3, indagherà sulle possibilità offerte dalle tecniche di trattamento dei segnali delle schiere di sensori (o "array processing") emerse nelle ultime due decadi e che sono state usate in diverse applicazioni [24].
In generale l'obiettivo dell'array processing è quello di stimare i parametri significativi di un fenomeno fisico mediante la fusione di informazioni spaziali e temporali, dedotte dal campionamento di un campo ondulatorio tramite un insieme di sensori opportunamente disposti. Il campo è ipotizzato come generato da un numero finito di emettitori e contiene informazioni sui parametri caratteristici dei segnali emessi. In questo contesto, le informazioni note a priori sul sistema di acquisizione dei dati (per esempio la geometria dell'array, le caratteristiche dei sensori, ecc ) vengono opportunamente sfruttate per migliorare le prestazioni dell'intero sistema. I metodi sviluppati si sono dimostrati particolarmente efficaci in numerosi problemi reali, per esempio nella localizzazione di sorgenti in applicazioni radar e sonar. Un settore in cui l'utilizzo di tecniche proprie dell'array processing potrebbe fornire risultati di notevole interesse applicativo è proprio quello delle indagini non distruttive per la diagnostica dello stato di costruzioni murarie.
Le immagini termografiche ad infrarossi forniscono una rappresentazione visiva dell'energia irradiata da un oggetto. L'analisi con l'uso di foto-camere ad infrarossi può essere considerato un approccio in pratica "globale", che permette una valutazione rapida di ampie regioni di muratura senza che sia necessario un accesso diretto ad essa. In una condizione del flusso termico si avranno differenze superficiali della temperatura nelle vicinanze di materiali con differenti densità, capacità termiche e/o conduttività termica, queste variazioni superficiali della temperatura sono misurate con telecamere sensibili all'infrarosso in un intervallo tra 0.76 ed i 30 mm. Sviluppato originariamente per scopi militari negli anni ‘60 in anni recenti la termografia ad infrarossi è stata ampiamente usata per la valutazione delle caratteristiche delle murature [25-30] includendo:
anomalie sotto-superficiali così come lacune, incrinature in prossimità della superficie o schegge incipienti;variazioni costruttive di strutture murarie;
perdita o spostamento di isolamento di strutture murarie;
aumento dell'umidità per capillarità;
fuoriuscita di aria e variazioni del contenuto di umidità;
caratteristiche nascoste da stucchi o affreschi, così come aperture nascoste o precedenti interventi;
cavità interne, così come condotte, canali o ciminiere;
presenza di intercapedini stuccate all'interno di costruzioni murarie rinforzate;
ponti termici di ostruzioni di malta in cavità murarie di drenaggio.
L'esame ad infrarossi può essere condotto sia con un approccio attivo sia con un approccio passivo. La termografia attiva realizza un riscaldamento forza ed omogeneo della muratura usando una sorgente di calore esterna come la luce solare oppure un banco di radiatori termici. L'immagine registrata durante il riscaldamento oppure il raffreddamento (dopo la rimozione della sorgente di calore) fornisce l'informazione sulle anomalie in prossimità della superficie [31]. Le indagini passive sono più utili per localizzare i difetti più profondi all'interno della sezione muraria, riferendosi alla differenza di temperatura attraverso la sezione muraria per sviluppare elaborare il trasferimento di calore a regime attraverso quest'ultima. Le differenze di temperatura a cavallo delle murature sono dell'ordine dei 10°C e generalmente forniscono modello termico rapidamente fruibile.
L'interpretazione delle immagini ad infrarosso portano attraverso l'interpretazione di un utente esperto alla determinazione del significato delle anomalie termiche. Ovviamente a questo scopo l'esperienza dell'operatore è essenziale così come la comprensione dei fenomeni fisici sottostanti i processi di trasferimento del calore e le "performance" della muratura. Sotto diverse condizioni di riscaldamento e di raffreddamento, per esempio, sezioni che contengono lacune interne possono mostrare sia regioni più calde sia regioni più fredde. Le variazioni di temperatura possono anche sorgere a causa di differenze nei materiali contenuti nella muratura, della struttura superficiaale, dell'emissività del materiale o da riflessioni da sorgenti di calore nelle vicinanze.
La termografia IR offre notevoli potenzialità, sia per le prove in laboratorio che quelle in situ. Questa tecnica, consolidata in vari ambiti dell'industria manifatturiera, ha registrato negli anni recenti un consolidamento del suo utilizzo per quanto concerne opere civili in calcestruzzo e nei ponti [32-35]. Peraltro essa offre potenziali vantaggi se applicata a strutture in muratura di particolare rilevanza storica, essendo assolutamente non invasiva e di facile applicazione. Inoltre permette di valutare informazioni per definire il comportamento statico delle strutture murarie sottoposte a vari interventi di rimaneggiamento sovente celati da finiture superficiali non rimovibili. Infatti essa offre immagini immediatamente leggibili degli strati che giacciono sotto gli intonaci senza la rimozione degli stessi [36].
Quasi tutti i metodi precedentemente esposti non possono essere portata avanti solo utilizzando dati sperimentali a causa del grande numero di variabili che potrebbe portare ad un numero troppo elevato di dati da classificare ed interpretare. Pertanto i problemi di propagazione ed interazione delle onde elastiche in materiali solidi ai fini di effettuare ispezioni non distruttive dovrebbero essere investigati utilizzando codici di calcolo basati su modelli numerici.
A questo proposito è importante l'attività dell'unità 5 che negli ultimi anni si è principalmente rivolta allo studio teorico e sperimentale di metodi numerici per il calcolo di campi elettromagnetici [37-40]. L'unità 5 intende sviluppare un codice ad elementi finiti sia per il calcolo del campo elettromagnetico (EM) prodotto dallo scattering di un'onda EM generata da un'antenna trasmittente (in genere
operante nel campo delle microonde) posta in prossimità della struttura muraria, sia per il calcolo del campo di spostamenti di un'onda ultrasonica prodotta da un opportuno strumento generatore.

E' bene sottolineare che non esiste una sola tecnica in grado di evidenziare tutte le possibili caratteristiche di interesse sullo studio di una struttura complessa e composita come può essere una struttura muraria. E' quindi necessario integrare opportunamente i dati misurati dai diversi strumenti nonché le conoscenze degli esperti.
L'obiettivo della ricerca che l'intero gruppo propone è proprio quello di creare un sistema di "gestione integrata di informazioni" orientato al monitoraggio dei beni architettonici.
Si propone cioè un sistema integrato di acquisizione dati e gestione delle informazioni in grado di evidenziare le specifiche caratteristiche dell'opera muraria, in modo completamente automatico. Per il conseguimento di tale obiettivo, accanto alle tecniche di acquisizione illustrate, saranno utilizzate tecniche di processamento intelligente dell'informazione come le tecniche di Soft Computing (SC), le tecniche di Decision Fusion e le tecniche di Knowledge-Based Clustering. Per lo sviluppo di questa parte della ricerca ci si avvarrà delle competenze specifiche maturate dai gruppi di ricerca 1 e 4 nel settore del processing di dati di tipo neurale e fuzzy. In particolare, l'unità n.4 ha maturato notevole esperienza nel campo delle tecniche neurali, sia nell'ambito degli algoritmi di apprendimento [41, 42] che delle applicazioni diagnostiche [43-48], ottenendo notevoli riconoscimenti accademici ed il finanziamento di numerosi progetti da parte di Enti Pubblici e Privati. L'unità di Ricerca n.1 affronterà il problema della elaborazione congiunta di informazioni provenienti da sensori differenti con tecniche di clustering collaborativo. <<<