Appunti di Infrastrutture intelligenti

Corso di laurea triennale in ingegneria civile

Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica

Appunti Propedeutici

Infrastrutture Intelligenti

Professori

Lucia Tsantilis

Fabio Pareschi

Isabella Consolati Alunno

Matteo Castronovo

2024-2025

Sommario

L’elaborato raccoglie e organizza in modo sistematico i principali concetti affrontati nel corso di

offrendo una sintesi chiara e coerente delle tecnologie e dei metodi

Infrastrutture Intelligenti,

che caratterizzano i moderni sistemi infrastrutturali. Vengono introdotti i fondamenti dell’inge-

gneria delle infrastrutture smart, con particolare attenzione ai sensori, ai sistemi di monitoraggio,

alla digitalizzazione delle reti e all’integrazione tra infrastruttura fisica e piattaforme digitali.

Sono analizzati i principi dello dell’acquisizione e gestione dei dati, dei modelli

smart sensing,

di analisi per il monitoraggio strutturale e funzionale, e delle tecniche di comunicazione machine-

to-machine e Internet of Things. Il documento approfondisce inoltre le logiche di automazione e

controllo, gli algoritmi di supporto alle decisioni, i gemelli digitali (digital e le strategie di

twin)

manutenzione predittiva basate su dati e modelli.

L’approccio seguito integra nozioni teoriche e applicazioni pratiche, includendo esempi tipici

relativi a infrastrutture di trasporto, reti energetiche, sistemi idrici e opere civili. L’elaborato si

propone come strumento di supporto allo studio e alla comprensione dei processi che guidano la

trasformazione delle infrastrutture tradizionali in sistemi intelligenti, resilienti ed efficienti, in linea

con i principi dell’ingegneria moderna e della gestione sostenibile del territorio.

Si precisa che il presente elaborato è stato redatto a scopo personale e non è stato

visionato né approvato dal docente del corso. Il nome viene riportato per il solo scopo

identificativo del corso.

Indice

1 Infrastrutture di trasporto intelligenti 3

1.1 Finalità delle infrastrutture di trasporto intelligenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Monitoraggio infrastrutturale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Espansione delle funzioni dell’infrastruttura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Decreto 28 febbraio 2018 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Cambiamenti climatici e infrastrutture di trasporto – Adattamento 6

2.1 Infrastrutture di trasporto di tipo tradizionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Sovrastrutture Stradali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2 Sovrastrutture Aeroportuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.3 Sovrastrutture Stradali su supporto artificiale . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.4 Sovrastrutture ferroviarie di tipo flessibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.5 Sovrastruttura ferroviaria su supporto artificiale . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Progettazione di infrastrutture resilienti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 CC - Aumento delle temperature massime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 CC - Innalzamento delle temperature medie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.3 CC - Aumento delle precipitazioni intense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.4 CC - Aumento dell’aridità e della siccità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.5 CC - Innalzamento del livello dei mari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.6 CC - Aumento delle velocità dei venti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Cambiamenti climatici e infrastrutture di trasporto – Mitigazione 10

3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Strumenti di Analisi e Certificazione Ambientale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2.1 Analisi del Ciclo di Vita (LCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2.2 Sistemi di Certificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.3 Salvaguardia delle Risorse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.1 Uso di Materiali Riciclati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.2 Materiali Bio-based . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.3 Materiali Auto-riparanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4 Ottimizzazione Energetica delle Infrastrutture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4.1 Fase d’Uso: Emissioni e Consumi Energetici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4.2 Effetti Urban Heat Island (UHI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4.3 Cool Pavements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.5 Tecnologie di Costruzione e Manutenzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 La sicurezza nella progettazione delle infrastrutture di trasporto 12

4.1 Sicurezza attiva e passiva in ambito infrastrutturale . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.2 Sicurezza nella progettazione aeroportuale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2.1 Sicurezza Attiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2.2 Sicurezza Passiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.3 Sicurezza nella progettazione stradale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.3.1 Sicurezza Attiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.3.2 Sicurezza Passiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.4 Sicurezza nella progettazione ferroviaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1

Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

4.4.1 Sicurezza Attiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.4.2 Sicurezza Passiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5 Il ruolo dell’elettronica nelle moderne infrastrutture di trasporto 25

5.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2 Internet delle Cose (IoT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2.1 Smart City e Mobilità Intelligente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2.2 Smart Car e Comunicazione Veicolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2.3 Sensoristica e Ottimizzazione dei Flussi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.4 Caratteristiche degli Oggetti Smart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.5 Big Data e IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.3 Infrastruttura di Rete 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.3.1 Prestazioni e Architettura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.3.2 Architetture Flessibili e Spettro Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4 Intelligenza Artificiale (AI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.1 AI e IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.2 Tecnologie Emergenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.3 Esempi Applicativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.4 Classificazione dei Sistemi di Intelligenza Artificiale . . . . . . . . . . . . . . 27

5.5 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6 Parte umanistica/sociale 29

6.1 Definizione e Contesto delle Infrastrutture Intelligenti . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1.1 Gli Attori e i Processi Trasformativi Contemporanei . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Infrastrutture, Stato e Costruzione della Nazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.2.1 Casi di Studio Storici: Le Ferrovie Americane e l’Autostrada del Sole . . . . 30

6.3 Dallo Spazio Nazionale allo Spazio Transnazionale: Le Politiche Europee dei Trasporti 31

6.3.1 La Politica dei Corridoi e la Nascita della Rete TEN-T . . . . . . . . . . . . 31

6.3.2 Struttura e Concetti Chiave della Strategia TEN-T . . . . . . . . . . . . . . 31

6.3.3 Interazione tra Unione Europea e Stati Membri . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.4 La Sostenibilità Ambientale nel Quadro TEN-T e dell’Antropocene . . . . . . . . . 32

6.5 Studio di Caso: La Linea ad Alta Velocità Torino-Lione . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.5.1 Descrizione del Progetto e Cronologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.5.2 Le Ragioni dei Sostenitori del Progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.5.3 Le Criticità Sollevate dagli Oppositori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.5.4 Il Movimento NO TAV e la Risposta Istituzionale . . . . . . . . . . . . . . 34

6.6 La Partecipazione Pubblica nei Processi Decisionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.6.1 Livelli, Attori e Metodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.7 La Dimensione Digitale: Politiche dei Dati e Sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.7.1 La ”Data Economy” e il Capitalismo della Sorveglianza . . . . . . . . . . . 35

6.7.2 Il Quadro Normativo Europeo: GDPR e AI Act . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.7.3 Implicazioni per il Mondo del Lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2

Capitolo 1

Infrastrutture di trasporto

intelligenti

Le sono l’insieme delle opere civili e dei sistemi di controllo e/o

infrastrutture di trasporto

di comunicazione, necessari all’esercizio di un modo di trasporto che si svolge su un determinato

territorio. Possono essere distinte in:

• Infrastrutture Stradali;

• Infrastrutture Ferroviarie;

• Infrastrutture Aeroportuali;

• Infrastrutture Portuali;

• Infrastrutture Idroviarie;

• Infrastrutture Funiviarie.

Il MIT2018 – Ministero Infrastrutture e Trasporti – definisce:

• infrastrutture stradali per le quali è compiuto un processo di trasformazione

Smart Road:

digitale;

• strade sostenibili, di qualità, innovative e inclusive, che sfruttano e gui-

Strade Intelligenti:

dano il cambiamento, trasformando il tradizionale rapporto tra veicoli, guidatori e ambiente

stradale.

1.1 Finalità delle infrastrutture di trasporto intelligenti

Le delle infrastrutture di trasporto intelligenti sono;

finalità

• Aumento dei livelli di sicurezza e dei comfort dell’utenza;

• Aumento dell’efficienza del trasporto;

• Autodiagnosi dello stato dell’infrastruttura;

• Agevolazione della guida autonoma e dei sistemi di comunicazione;

• Minori impatti ambientali;

• Espansione delle funzioni dell’infrastruttura.

3

Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

1.2 Monitoraggio infrastrutturale

Per si intende il rilevamento, la localizzazione, l’identificazione

manutenzione infrastrutturale

e la quantificazione delle forme di danneggiamento. Stato attuale:

• Nella maggior parte dei casi programmato all’occorrenza con un approccio passivo;

• Principalmente focalizzato su ponti e gallerie.

1.3 Espansione delle funzioni dell’infrastruttura

Le delle infrastrutture intelligenti sono:

funzioni

• Produzione e raccolta di energia – pavimentazioni fotovoltaiche;

• Produzione e raccolta di energia – gestione del traffico;

• Produzione superfood, assorbimento CO e valore educativo;

2

• Raccolta e trasferimento di energia termica per mezzo di condutture;

• Ricarica elettrica senza fili in condizioni statiche – induzione elettromagnetica;

• Ricarica elettrica senza fili in condizioni dinamiche – induzione elettromagnetica;

• Segnaletica attiva – vernici fotoluminescenti;

• Segnaletica attiva – interattività, geometria variabile;

1.4 Decreto 28 febbraio 2018

Se definiscono le infrastrutture stradali per le quali è compiuto un processo di

Smart Road

trasformazione digitale orientato a introdurre:

• Piattaforme di osservazione e monitoraggio del traffico;

• Modelli di elaborazione dei dati e delle informazioni;

• Servizi avanzati ai gestori delle infrastrutture alla pubblica amministrazione e agli utenti

della strada;

• Un ecosistema tecnologico favorevole all’interoperabilità tra infrastrutture e veicoli di nuova

gestione.

Il è finalizzato:

processo di trasformazione digitale

• alla ai fini del miglioramento:

conoscenza dei flussi e delle condizioni di deflusso

1. della stradale e dell’assistenza al viaggio e alla guida;

sicurezza

2. della del traffico;

gestione

3. della avanzata ai viaggiatori;

informazione

4. della delle reti e della gestione degli scenari ordinari e di intervento.

resilienza

• alla con l’introduzione di soluzioni e servizi innovativi abilitati dalle

sicurezza stradale

tecnologie;

• alla con i

interoperabilità veicoli di nuova generazione,

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Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

Le del decreto sono:

finalità

• promuovere la valorizzazione del patrimonio infrastrutturale esistente;

• la realizzazione di infrastrutture utili;

• l’adeguamento della rete viaria nazionale coerentemente con il quadro comu-

tecnologico

nitario e internazionale di digitalizzazione delle infrastrutture stradali, anche a supporto di

veicoli connessi e con più avanzati livelli di assistenza automatica alla guida, nonché ridurre

l’incidentalità stradale e assicurare la continuità con i servizi europei C-ITS – Cooperative

Intelligent Trasportation Systems.

La Smart Road sono come:

classificate

• le infrastrutture appartenenti alla rete TEN–T, core e comprehensive, e co-

Tipologia I:

munque tutta la rete autostradale;

• le infrastrutture appartenenti al livello uno dello SNIT – Sistema Nazionale

Tipologia II:

Integrato Trasporti e non già classificate come Smart Road di tipo I.

I dell’osservatorio delle Smart Road sono:

compiti operativi

• studiare e promuovere l’adozione di strumenti metodologici ed operativi per monitorare gli

impatti del processo di digitalizzazione delle infrastrutture varie e della sperimentazione su

strada di veicoli autonomi;

• favorire un’estesa e approfondita discussione nazionale, in sinergia con i tavoli di confronto

internazionali, tesa a formare un consenso informato in preparazione della formulazione della

normativa, sui temi di interesse generale, tra i quali:

1. i temi etici legati all’introduzione dei veicoli a guida automatica;

2. i temi riguardanti i veicoli connessi e cooperativi, quali la proprietà dei dati, i modelli

di circolazione e l’uso efficace dei dati, la privacy e la riservatezza, la protezione di un

mercato concorrenziale;

3. la sicurezza dei sistemi automatizzati e connessi.

5

Capitolo 2

Cambiamenti climatici e

infrastrutture di trasporto –

Adattamento

Figura 2.0.1: Cambiamenti Climatici – CC

2.1 Infrastrutture di trasporto di tipo tradizionale

2.1.1 Sovrastrutture Stradali

Le sono generalmente in:

sovrastrutture stradali

Conglomerato Bituminoso Calcestruzzo

Scarsa diffusione in ambito stradale in Italia,

Circa il 95% delle sovrastrutture stradali in Ita- eccetto che per le pavimentazioni in galleria

lia è in conglomerato bituminoso .

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Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

Conglomerato Bituminoso

Il ha una composizione volumetrica composta da: aggregato lapi-

conglomerato bituminoso

deo, legante bituminoso e aria. Presenta un comportamento visco-elastico: vi è dipendenza dalla

temperatura e dal tempo di carico.

L’invecchiamento è dovuto agli effetti di ossidazione, volatilizzazione e polimerizzazione del

bitume, con conseguente aumento di rigidezza e fragilità della fase legante.

2.1.2 Sovrastrutture Aeroportuali

Le sono generalmente in:

sovrastrutture aeroportuali Calcestruzzo

Conglomerato Bituminoso Tipicamente impiegate nelle aree in cui il veli-

Tipicamente impiegate nelle aree in cui il ve- volo non è in movimento: piazzale di staziona-

livolo è principalmente in movimento: pista di mento e aree di rifornimento.

volo, raccordi, vie di rullaggio.

2.1.3 Sovrastrutture Stradali su supporto artificiale

7

Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

2.1.4 Sovrastrutture ferroviarie di tipo flessibile

2.1.5 Sovrastruttura ferroviaria su supporto artificiale

8

Corso di I.I. Politecnico di Torino ©Matteo Castronovo

2.2 Progettazione di infrastrutture resilienti

2.2.1 CC - Aumento delle temperature massime

Fenomeni che si verificano nelle pavimentazioni flessibili:

• Ormaiamento;

• Ridotta capacità portante;

• Essudazione del bitume;

• Fessurazione;

• Invecchiamento ossidativo.

Fenomeni che si verificano nelle pavimentazioni rigide:

• Rottura per compressione;

• Proiezione verso l’alto;

• Fessurazione.

Fenomeni che si verificano nelle ferrovie:

• Instabilità del binario;

• Variazione della geometria della catenaria.

2.2.2 CC - Innalzamento delle temperature medie

Fenomeni che si verificano nelle e

strade, ferrovie aeroporti:

• Ridotta capacità portante;

• Incremento dei danni derivanti dai cicli di gelo e disgelo;

• Fenomeni di instabilità.

2.2.3 CC - Aumento delle precipitazioni intense

Fenomeni che si verificano nelle e

strade, ferrovie aeroporti:

• Inondazione a causa di inadeguato sistema di drenaggio e innalzamento di falda;

• Fenomeni di instabilità.

2.2.4 CC - Aumento dell’aridità e della siccità

Fenomeni che si verificano nelle e

strade, ferrovie aeroporti:

• Fenomeni di ritiro delle terre;

• Problemi di salinità.

2.2.5 CC - Innalzamento del livello dei mari

Fenomeni che si verificano nelle e

strade, ferrovie aeroporti:

• Inondazioni;

• Problemi di corrosione e degrado dei materiali da costruzione.

2.2.6 CC - Aumento delle velocità dei venti

Fenomeni che si verificano nelle e

strade, ferrovie aeropor