RICERCA ITALIANA     

METODOLOGIE E PROCESSI INNOVATIVI PER LA GESTIONE DELLA QUALITA' DELL'INFORMAZIONE IN RETI DI SENSORI

Università degli Studi di Trento

Abstract

Scopo principale del programma di ricerca è lo studio, la progettazione e la validazione di metodologie e/o di processi innovativi per la gestione della conferma metrologica di reti di sensori, e per la valutazione dei rischi associati a processi decisionali in cui vengono utilizzati dati di misura.
Le reti di sensori sono da alcuni anni uno dei principali oggetti di studio della comunità scientifica nell'ambito dell'ingegneria dell'informazione. L'attenzione dello studio è però rivolta soprattutto a problemi di tipo tecnologico e/o di comunicazione tra i nodi della rete, mentre le problematiche legate alla garanzia della qualità dell'informazione fornita dai sensori non sono state ancora adeguatamente considerate. Tale aspetto diventa cruciale quando le informazioni fornite sono usate in processi decisionali. In questo caso occorre garantire una gestione efficace ed efficiente dell'intero sistema di misurazione, che può essere correttamente affrontata solo se vengono considerate appropriate strategie di conferma metrologica.
In tale contesto, il progetto presentato si propone di fornire soluzioni ai seguenti problemi metrologici:
- gestione ottima dello stato di conferma metrologica di un sistema di misurazione basato su reti di sensori;
- studio dell'effetto dell'incertezza di misura sull'esito di un processo decisionale e definizione di regole decisionali ottime.

Da questo progetto ci si attende, a fronte di un rigoroso lavoro di approfondimento metodologico, sia risposte teoriche di validità generale ai problemi sopra menzionati, sia una validazione sperimentale in alcune applicazioni significative, di notevole attualità e interesse sul piano scientifico, sociale ed industriale.
L'applicazione a tali contesti dei risultati metodologici ottenuti, oltre a fornire una validazione sperimentale delle analisi teoriche eseguite, avrà una ricaduta immediata nella loro fruizione da parte di industrie, servizi e agenzie interessate. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Dario PETRI Università degli Studi di TRENTO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Scopo principale del programma di ricerca è lo studio, la progettazione e la validazione di metodologie e/o di processi innovativi per la gestione della conferma metrologica di reti di sensori, e per le valutazione dei rischi associati a processi decisionali in cui vengono utilizzati dati di misura.
Le reti di sensori sono da alcuni anni uno dei principali oggetti di studio della comunità scientifica dell'ingegneria dell'informazione. L'attenzione dello studio è però rivolta soprattutto a problemi di tipo tecnologico e/o di comunicazione tra i nodi della rete, mentre le problematiche legate alla garanzia di qualità dell'informazione fornita non sono state ancora adeguatamente considerate. Tale aspetto diventa cruciale quando le misure prodotte dalla rete sono usate in decisioni critiche, riguardanti ad esempio la tutela dell'ambiente e/o della salute della popolazione, oppure quando la struttura della rete è intrinsecamente complessa (a causa ad esempio dell'estensione geografica e/o dell'elevata sensibilità a fattori ambientali), oppure nel caso in cui i costi intrinseci e di gestione della rete siano rilevanti.
Per assicurare che le misure ottenute presentino un livello qualitativo conforme alla criticità della situazione, occorre garantire una gestione efficace ed efficiente dell'intero sistema di misurazione. Tale gestione può essere ottenuta adottando strategie di conferma metrologica in linea di principio indipendenti dalla specifica applicazione cui la rete di sensori è finalizzata. È pertanto possibile affrontare molte problematiche che si riscontrano nella gestione di reti di sensori, tra loro anche diverse, mediante lo stesso approccio metodologico.
In tale contesto, il progetto qui presentato si propone di fornire soluzioni ai seguenti problemi metrologici di importanza strategica per lo sviluppo della società dell'informazione:
- gestione ottima dello stato di conferma metrologica di un sistema di misurazione basato su reti di sensori;
- studio dell'effetto dell'incertezza di misura sull'esito di un processo decisionale e definizione di regole decisionali ottime.

Sulla base di quanto sopra esposto, ci si propone di affrontare le problematiche menzionate con un rigoroso lavoro di approfondimento metodologico che consenta di trovare soluzioni teoriche di validità generale, applicabili alla conferma metrologica di una qualsivoglia rete di sensori ed ai processi decisionali che conseguono all'impiego, in ambito sia industriale, sia ambientale e sociale, di valori misurati con un determinato livello di incertezza stimata. Parallelamente agli aspetti teorici e metodologici, sarà considerato anche un certo numero di applicazioni significative, di notevole attualità e interesse sul piano scientifico, sociale ed industriale, che consentano di verificare sperimentalmente la validità delle soluzioni proposte. L'applicazione a tali contesti dei risultati metodologici ottenuti, oltre a fornire una validazione sperimentale delle analisi teoriche eseguite, permetterà la loro immediata fruizione da parte di industrie, servizi e agenzie interessate, costituendo quindi un'interessante ricaduta del progetto proposto. <<<

Risultati parziali attesi

Si riportano di seguito le principali innovazioni rispetto allo stato dell'arte attese al termine della prima fase della ricerca:
M.1) Implementazione delle metodologie di progetto nel prototipo relativo all'applicazione A.2 (Unità di ricerca 3).
M.2) Identificazione e modellizzazione delle diverse sorgenti di incertezza e implementazione di procedure analitiche e tecniche Monte Carlo per stimare l'effetto delle sorgenti di incertezza sul risultato di algoritmi di stima (Unità di ricerca 2 e 3).
M.3) Modelli induttivi per la verifica dello stato di conferma metrologica di una rete di sensori e relativi moduli software (Unità di ricerca 4). Procedure software per la taratura remota di una rete di sensori basate sull'approccio degli agenti mobili (Unità di ricerca 1).
M.4) Espressioni e/o algoritmi per la determinazione dell'intervallo di ri-taratura ottimo (Unità di ricerca 4).
M.5) Espressioni che legano i rischi del produttore e del consumatore all'incertezza di misura (Unità di ricerca 4).
A.1) Criteri per la localizzazione dei sensori in una rete elettrica e predisposizione di un sistema di misura distribuito; esecuzione dei primi test di validazione del sistema di misura (Unità di ricerca 2).
A.2) Avanzata realizzazione di un prototipo di sistema ad architettura distribuita formato da una unità centrale e quattro unità remote per la rilevazione e la caratterizzazione di eventi transitori (Unità di ricerca 3).
A.3) Applicazione delle procedure di taratura al prototipo per la misura di profili di temperatura (Unità di ricerca 1).

Diffusione dei risultati

- incontri semestrali di coordinamento delle attività di ricerca delle singole unità
- report semestrali pubblicati sul sito web del progetto
- pubblicazioni in atti di congressi nazionali e internazionaliSi riportano di seguito le principali innovazioni rispetto allo stato dell'arte attese al termine della seconda fase della ricerca:
M.1) Applicazione di tecniche per la stima dell'affidabilità di singoli nodi della rete e dell'intera rete di sensori (Unità di ricerca 3).
M.2) Applicazione delle tecniche di stima dell'incertezza ai prototipi realizzati per le applicazioni A.1) e A.2) (Unità di ricerca 2).
M.3) Criteri e metodologie per la verifica on-line dello stato di conferma metrologica di una rete di sensori e relativi moduli software (Unità di ricerca 4). Procedure per la verifica della conformità metrologica di una rete di sensori (Unità di ricerca 1).
M.4) Criteri e metodologie per la gestione del processo di taratura di una rete di sensori e realizzazione di un relativo pacchetto software per la diffusione dei risultati in ambito industriale (Unità di ricerca 4).
M.5) Criteri per la definizione di regole decisionali e realizzazione di un relativo pacchetto software per la diffusione dei risultati in ambito industriale (Unità di ricerca 1 e 4).
A.1) Caratterizzazione sperimentale di un prototipo di una rete di sensori che implementi le tecniche selezionate per il monitoraggio di reti di distribuzione dell'energia con generazione distribuita (Unità di ricerca 2).
A.2) Completamento della rete di sensori per la rilevazione e la caratterizzazione di eventi transitori e del software di controllo (Unità di ricerca 3).
A.3) Criteri per la validazione sperimentale della procedura di taratura per sistemi distribuiti di tomografia acustica (Unità di ricerca 1).


Diffusione dei risultati

- incontri semestrali di coordinamento delle attività di ricerca delle singole unità
- report semestrali pubblicati sul sito web del progetto
- pubblicazioni su riviste specializzate e in atti di congressi nazionali e internazionali
- diffusione di pacchetti software realizzati, anche presso industrie e laboratori di taratura interessati, nell'ottica di promuovere il trasferimento tecnologico dei risultati ottenuti <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Rilevanza della ricerca proposta

Le reti di sensori stanno ormai assumendo un ruolo essenziale per il miglioramento delle prestazioni di apparati tecnologici e di prodotti industriali e, in generale, permettono di aumentare il livello della qualità di vita delle persone, anche attraverso il monitoraggio di parametri ambientali o di situazioni di rischio.
Nel prossimo futuro è previsto che gli ambienti e gli oggetti che ci circondano saranno intimamente integrati con sistemi intelligenti, la cui presenza non sarà percepibile dalle persone. Il sistema scomparirà cioè all'interno dell'ambiente o dell'oggetto in cui è integrato, e assumerà un ruolo simile a quello dell'elettricità: un mezzo invisibile e pervasivo che permette di aumentare notevolmente le capacità di svolgere efficientemente ed efficacemente le diverse attività quotidiane [1], [2], riducendone fatica, rischi, tempi e costi ed aumentandone la resa. In accordo con questa prospettiva, il VI programma quadro dell'Unione Europea prevede una serie di azioni strategiche volte a promuovere l'evoluzione delle tecnologie atte a migliorare l'integrazione tra i sistemi a "intelligenza diffusa" e l'ambiente [3], [4], [5].
Le reti di sensori rappresenteranno quindi un fattore dello sviluppo socio-economico di importanza strategica. In ambito sociale, ad esempio, sarà possibile accedere in modo semplice e naturale a numerosi servizi e applicazioni, relative alla salute, alla mobilità, alla sicurezza, al tempo libero, alla tutela del patrimonio culturale ed al monitoraggio dell'ambiente o di ogni potenziale situazione di rischio. In molti settori industriali, inoltre, l'impiego di sistemi intelligenti e interattivi nei processi di produzione o nei prodotti rappresenta già ora un irrinunciabile vantaggio competitivo. Sono note, ad esempio, le applicazioni dell'elettronica nell'industria automobilistica, ma le tecnologie dell'informazione hanno recentemente trovato interessanti applicazioni anche in alcuni settori dell'agricoltura. Oltre ai benefici appena evidenziati, l'impatto delle tecnologie dell'informazione nei diversi contesti dell'attività umana promuove costantemente nella società l'interesse per i metodi e le tecniche di descrizione quantitativa propri della metrologia. Si pensi, ad esempio, come l'interesse per la salute stimoli l'attenzione delle persone verso la definizione ed il controllo di parametri ambientali considerati dannosi, oppure come l'evoluzione della competitività a livello internazionale porti le aziende a focalizzare sempre più l'attenzione sul controllo e sul miglioramento della qualità dei processi e dei prodotti.
In questo contesto, il processo di taratura di una rete di sensori sta assumendo sempre maggior rilevanza in tutti i settori in cui i risultati delle misurazioni sono utilizzati per prendere decisioni critiche da un punto di vista economico o sociale. Questa situazione si verifica nelle misurazioni industriali finalizzate a garantire la qualità del prodotto, e in misurazioni ambientali, dove la presenza di inquinanti nell'aria (includendo l'inquinamento acustico ed elettromagnetico), nell'acqua e nel suolo deve essere rilevato e quantificato.
La necessità di garantire la tracciabilità dei risultati di misura è affermata, oltre che dalla buona prassi metrologica, anche dalla normativa relativa ai sistemi di gestione della qualità. A questo riguardo, la sezione 7.6 della norma UNI EN ISO 9001:2000 [6], denominata "Tenuta sotto controllo dei dispositivi di monitoraggio e di misurazione" afferma, in modo molto esplicito, la necessità di garantire la tracciabilità della strumentazione impiegata nei sistemi di produzione e di sorveglianza. La norma UNI EN ISO 14001 [7], relative ai sistemi per la gestione ambientale, non obbliga, come la precedente, a verificare periodicamente lo stato di conferma metrologica del sistema di misurazione, ma sottolinea comunque la necessità di assicurare la "qualità metrologica" delle misurazioni eseguite. Inoltre, la normative in vigore è piuttosto precisa nella definizione delle competenze generali richieste nei laboratori di test e taratura [8], raccomandando che il risultato di misura contenga esplicitamente anche l'incertezza ad esso associata [9].

Descrizione dello stato dell'arte

Coerentemente con le precedenti considerazioni, il processo di taratura periodica può essere considerato un processo critico sotto diverse prospettive, che comprendono problemi operativi legati alla taratura degli strumenti, alla stima dell'incertezza di misura e all'interpretazione di tale incertezza quando i risultati di misura devono essere usati per prendere decisioni.
Limitandosi ai problemi operativi, gli aspetti critici associati delle tarature periodiche sorgono ogniqualvolta il sistema di misurazione si basa sull'acquisizione e l'elaborazione di segnali provenienti da sensori distribuiti su un vasto territorio. È questa la tipica situazione dei sistemi di monitoraggio ambientale [10], o dei sistemi distribuiti per il monitoraggio della qualità dell'energia fornita o assorbita in una sezione di una rete elettrica di distribuzione [11]. In entrambi i casi, la taratura richiede di scollegare la strumentazione dal sistema, inviarla al laboratorio di taratura e, dopo che è stata tarata, installarla nuovamente nel sistema. In molti casi, specialmente nel monitoraggio ambientale, i sensori non sono facilmente accessibili; talvolta essi sono del tutto inaccessibili, come nel caso di sensori installati a bordo di satelliti. In ogni caso, quando attuabile, questo tipo di approccio comporta un notevole aumento dei costi di gestione del sistema, principalmente per i seguenti motivi [12], [13], [14], [15]:
- il costo della taratura, in termini di tempo, uso di strumentazione e indisponibilità del sistema per il tempo necessario alla taratura, incluso il tempo per il trasferimento da e per il laboratorio di taratura;
- la mancata conoscenza della durata temporale della validità della taratura;
- le difficoltà associate alla taratura di sistemi distribuiti su vaste aree geografiche e/o aree difficilmente raggiungibili.

Per ridurre il costo di gestione del sistema, sembrano essere promettenti due diversi approcci: sfruttare la ridondanza intrinseca nell'informazione fornita dai sensori e la taratura remota di tali elementi sensibili. Entrambe queste soluzioni richiedono di accedere remotamente ai sensori, non solo per estrarre l'informazione di interesse, ma anche per riconfigurarli sulla base dei risultati del confronto delle informazioni disponibili o della taratura. Lo stato dell'arte relativo ai sistemi di misura distribuiti e alle reti di calcolatori, compreso l'accesso wireless alla rete Internet, permette di accedere ai sensori in modo remoto e di verificarne facilmente l'accuratezza.
La garanzia che un sistema di misurazione si trovi in uno stato di conferma metrologica assume particolare rilevanza e criticità in dipendenza alle conseguenze delle decisioni prese sulla base dei dati forniti. Si pensi, ad esempio, all'impatto socio-politico di una gestione attiva del traffico urbano basata su un'indicazione non corretta dei livelli di inquinamento atmosferico, oppure all'impatto di un'ordinanza di evacuazione di un popoloso centro urbano emessa a seguito di un'errata valutazione nella presenza di contaminanti chimici o biologici nelle condotte idriche. Spesso viene però trascurato il fatto che l'esito di un processo decisionale non dipende solo dall'incertezza, ma anche dalle regole adottate per raggiungere la decisione. Il problema è come interpretare correttamente l'informazione fornita dal valore dell'incertezza quando il risultato di una misurazione viene confrontato con un prefissato valore di riferimento. Questo confronto deve essere eseguito in ogni decisione basata su misure, e riveste un ruolo critico e importante ogni volta che alla decisione assume un rilevante impatto economico o sociale. Il problema è ancora aperto. Attualmente la normativa fornisce solo pochissime indicazioni sulle modalità con cui trattare l'incertezza in un processo decisionale. L'argomento viene affrontato solo in una norma relativa alle specifiche geometriche dei prodotti [16]. Tuttavia, l'adeguatezza delle raccomandazioni contenute in tale norma nei casi in cui è coinvolta la salute umana è ancora argomento di discussione [17]. Una soluzione soddisfacente al problema è ancora lontana. A tale scopo, nuovi modelli matematici di processi decisionali in presenza di informazione incompleta sembrano fornire risultati promettenti. <<<