RICERCA ITALIANA     

Sistemi di previsione e controllo di eventi franosi:

integrazione di reti distribuite di sensori locali, tecniche di telerilevamento e modelli meteo-idro-geologici.

Università degli Studi de L'Aquila

Abstract

Il progetto si basa sulle competenze complementari dei tre Centri di Eccellenza per la Ricerca CETEMPS, DEWS e TELEGEOMATICA, che si combinano in modo sinergico per risolvere un problema di grande rilevanza sociale, il monitoraggio e controllo dei pendii instabili. Il carattere innovativo della presente proposta è principalmente costituito dall'impiego di sensori in situ o da remoto per l'acquisizione di grandezze che in modo diretto o, più spesso, indiretto possono essere utilizzate come dati di ingresso per sistemi di elaborazione dei dati raccolti, orientati all'identificazione dello stato di rischio di innesco del fenomeno franoso in un pendio instabile. Rispetto ai metodi attualmente utilizzati nell'ambito di interesse, la presente proposta si differenzia per il fatto che, ricorrendo all'impiego di reti di sensori wireless dense (ovvero caratterizzate da un numero elevato di nodi-sensore) e tecniche di telerilevamento, potrà consentire una sensibile riduzione dei costi, tipicamente elevati, delle attuali soluzioni di monitoraggio, grazie allo sviluppo di modelli e algoritmi capaci di estrarre le informazioni di interesse dall'analisi spaziale e temporale dei dati raccolti.

Il progetto si compone di cinque Work Package (WP). Il WP0 si propone di identificare, raccogliere e catalogare i requisiti del sistema di monitoraggio e controllo oggetto del progetto. I WPs 1, 2 e 3 contengono le attività condotte dai CER coinvolti. Tali attività si integrano nel WP4, che rappresenta l'ambiente unificante per gli altri quattro. I WP 1, 2 e 3 sono, principalmente, assegnati ai Centri di Eccellenza DEWS, TELEGEOMATICA e CETEMPS, rispettivamente. Tali WP, a loro volta, sono composti da due tipologie di Task, una metodologica e una applicativa, come verrà meglio descritto nel seguito. La struttura del progetto prevede una collaborazione tra i WP via via più intensa durante lo svolgimento delle attività: questo aspetto sarà specificamente gestito nell'ambito del WP4. Lo sviluppo di un dimostratore consentirà di mostrare come sia possibile predire uno smottamento data l'evoluzione spaziale e temporale delle condizioni atmosferiche e dello stato del terreno.

Si intende impostare l'attività di studio, sviluppo e sperimentazione secondo la metodologia di progetto che va sotto il nome di Platform Based Design (PBD) [44], articolata come segue. Al più alto livello di astrazione si definiscono i requisiti del sistema di monitoraggio e, sulla base di questi, dei modelli e dei fenomeni da monitorare, nonché dei protocolli di comunicazione tra gli elementi che compongono il sistema, si evincono dei requisiti da imporre alla piattaforma di monitoraggio. Dal basso, a partire da una possibile implementazione costituita dall'insieme di una WSN, da Reti Pubbliche (wired o wireless), Satelliti, WEB, ecc., si procede a configurare la piattaforma stessa per rispettare i requisiti di interfaccia. Questa impostazione consente di suddividere le attività dei WP1, WP2 e WP3 in Task metodologici e applicativi. I primi saranno dedicati alla definizione dei modelli dei fenomeni di interesse, alla definizione delle metodologie di monitoraggio, allo studio delle problematiche dei protocolli di comunicazione in una rete di dispositivi embedded quale quella in oggetto (routing power aware, codifica distribuita di sorgente, energy scavenging e tutte le varie soluzioni presenti in letteratura per mantenere un elevato grado di efficienza funzionale della rete, rispettando il vincolo dei bassi consumi dal punto di vista energetico). Da questi deriverà una descrizione del sistema, indipendente dalle effettive modalità di implementazione, caratterizzata da una serie di prestazioni (servizi) richiesti alla sottostante piattaforma di monitoraggio. I Task applicativi, d'altra parte, avranno proprio il compito di configurare la piattaforma di monitoraggio in modo tale che questa sia in grado di fornire le prestazioni (servizi) richieste. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Maria Domenica DI BENEDETTO Università degli Studi de L'AQUILA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli obiettivi del progetto sono di due tipi, metodologici e applicativi. Relativamente ai primi, il progetto mira allo sviluppo di nuove metodologie di monitoraggio e controllo dei pendii instabili, sulla base della disponibilità di dati acquisiti direttamente sul campo mediante una o più reti di sensori wireless e da remoto mediante tecniche di telerilevamento. Le misure effettuate sul campo riguarderanno le principali grandezze fondamentali: temperatura ed umidità del suolo a differenti livelli di profondità, temperatura e pressione atmosferica, ecc. Quelle relative alle tecniche di telerilevamento puntano principalmente a valutare l'entità e la localizzazione degli eventi di precipitazione piovosa che rappresentano una delle forzanti principali dei fenomeni franosi. A partire dalle misure acquisite e da opportuni modelli, che legano le grandezze suddette allo stato di stabilità del pendio, è possibile, mediante opportune elaborazioni, stimare il livello di rischio di innesco del fenomeno franoso. Risulta, inoltre, evidente che la definizione e la validazione di modelli dello stato del terreno, della risposta dei pendii alle precipitazioni anche severe e localizzate a monte dei pendii interessati, dello stato del terreno al variare delle condizioni di umidità del suolo, temperatura dell'aria e del suolo, pressione atmosferica rappresentano degli obiettivi fondamentali del progetto, essendo ad essi legato il corretto ed affidabile funzionamento dell'intero sistema di monitoraggio, controllo e previsione.
In base a quanto evidenziato, gli obiettivi dei task metodologici vanno dalla definizione di modelli di previsione delle frane, principalmente basati su osservazioni incrociate di dati microclimatici e di eventuali misure dirette (mediante accelerometri, inclinometri o altro) in casi reali, facendo ricorso a dati preesistenti, oppure a misure da effettuare sul campo, allo studio delle soluzioni protocollari e di calcolo più efficienti rispetto al vincolo dei consumi energetici per l'adozione di una rete wireless ad hoc di sensori per il monitoraggio ambientale di tali grandezze, capace di una elevata autonomia senza richiedere alcuna infrastruttura pre-esistente e che, una volta configurata e dispiegata, necessiti del minimo intervento umano. In particolare, per raggiungere quest'ultimo obiettivo, è necessario operare sia una attività di simulazione delle soluzioni più promettenti in letteratura, sia una sperimentazione sul campo di una piattaforma di rete sufficientemente flessibile da garantire lo studio delle prestazioni in ambienti operativi ostili quali quelli di interesse per il progetto, ovvero zone ostili esposte alle intemperie degli agenti atmosferici (pioggia, fango, caldo, freddo, ...).

Relativamente agli obiettivi applicativi, il progetto si propone di realizzare un dimostratore, direttamente sul campo, costituito da una rete di sensori, da una stazione Gateway che consente di interfacciare questa rete di sensori con la rete internet tramite, ad esempio, il servizio GPRS sulla rete GSM, da un sistema per la presentazione dei dati e per la gestione della rete stessa via web (si veda figura), da un sistema di telerilevamento che fornisce mappe di precipitazione derivanti dall'integrazione dei dati osservati dalle reti di sensori, dalle misure da radar e da satellite, da un sistema di elaborazione, definizione e previsione dei livelli di rischio.
Per la realizzazione della rete di sensori si prevede l'adozione della piattaforma MOTES basata su un sistema operativo open source specifico per tali sistemi embedded, dalle spiccate caratteristiche di compattezza ed efficienza, noto con il nome significativo di TinyOS, programmata con un applicativo, denominato TinyDB che, opportunamente modificato, sarà impiegato per accogliere le funzionalità definite dai tasks precedenti, relative al livello di comunicazione protocollare tra i nodi, e consentirà all'utente l'accesso alla rete sfruttando un linguaggio naturale fatto di primitive di alto livello simile all'interrogazione di una base dati.
Al contrario, per la realizzazione dell'interfaccia di accesso alla rete di monitoraggio da WEB si prevede l'utilizzo della tecnologia JAVA, la quale garantisce al tempo stesso una elevata modularità e portabilità su diversi sistemi dello stesso codice secondo la ben nota filosofia Write Once Run Anywhere. Allo stesso modo il server WEB servirà anche da elemento di raccolta dei dati storici, utili per la costruzione e la validazione dei vari modelli statistici di analisi del sistema. Il gateway, infine, dovrà essere dotato di opportune funzionalità per garantire un accesso ai sensori sufficientemente sicuro ed affidabile nonostante le condizioni in cui la rete si troverà ad operare, nonché di elementi strategici quali, ad esempio, la possibilità di inviare all'utente del servizio immagini acquisite in tempo reale mediante l'uso di una fotocamera ad esso collegata.
Inoltre, grazie alle caratteristiche peculiari della rete di sensori stessa che verrà impiegata, sarà possibile eliminare ingombranti e scomodi cablaggi tipici delle reti multi sensore fino ad oggi impiegate.

In sintesi, il sistema di monitoraggio che si intende realizzare, oltre ai dati misurati, sfrutterà i risultati prodotti dai task metodologici (modelli, algoritmi e protocolli) al fine di consentire l'analisi, il monitoraggio e la previsione dell'approssimarsi di condizioni di rischio per pendii instabili. E' opportuno sottolineare che, contrariamente a quanto accade per gli attuali sistemi di monitoraggio fondati principalmente sulla misurazione di indicatori diretti del movimento delle frane, il presente progetto mira a valutare il livello di rischio di distacco di una frana a partire dall'osservazione di grandezze legate indirettamente ai fenomeni che inducono il fenomeno franoso stesso. Per questo motivo, grande cura sarà dedicata allo sviluppo di modelli affidabili dei fenomeni di interesse.

La calibrazione e la validazione del sistema proposto sarà effettuata sfruttando le esperienze e le conoscenze maturate in passato dal Centro TELEGEOMATICA con sistemi di monitoraggio convenzionali. Tra questi, a titolo di esempio, si può citare il Mobile Mapping System, MMS, dotato di GPS, EGNOS, INS di alta qualità, per monitorare la stabilità di versanti attraverso i quali corre una strada. Il MMS è dotato di camere digitali che sia mettono in evidenza fessurazioni nella pavimentazione della strada, sia registrano una parte dei versanti laterali. Il sistema INS, integrato "tight" al GPS, fornisce i parametri di orientamento esterno per la restituzione fotogrammetrica. E' inoltre dotato di laser scanner trasversale, che può mettere in evidenza variazioni grossolane (alcuni centimetri) di forma del versante. Attualmente il sistema è montato su un furgone. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La combinazione di fattori geografici, geologici e climatici rende l'Italia uno dei territori europei più soggetti alle frane.
L'Italia condivide con USA, India e Giappone il primato delle maggiori perdite economiche: per ognuno di questi Paesi i "costi delle frane" (diretti e indiretti) assommano ad una cifra che si stima oscillante tra 1 e 5 miliardi di dollari all'anno.
Tra le cause dei fenomeni franosi troviamo [37] le precipitazioni intense e/o prolungate ed il repentino scioglimento delle nevi. L'esperienza insegna, infatti, che nella grande maggioranza dei casi le condizioni "tipiche" di innesco siano caratterizzate da un periodo di piogge persistenti (15-20 giorni), ma rientranti nella norma stagionale, a cui si "sovrappone" un evento di carattere eccezionale di breve durata (2, 3 giorni).
Tuttavia, la modellizzazione dell'afflusso e del deflusso delle acque in terreni ad orografia complessa rappresenta una frontiera ambiziosa dell'attuale ricerca in geofisica e, in particolare, in idrologia. A differenza dell'approccio al modello idrologico a parametri concentrati, basato su modelli semplici a cascata spazio-indipendenti, la comunità scientifica si è concentrata sullo sviluppo di modelli spazialmente a parametri semi-distribuiti ovvero a parametri completamente distribuiti. Se da una parte ciò ha consentito la rappresentazione dello stato del terreno in un modo più realistico e geograficamente dipendente, dall'altro la caratterizzazione ad alta risoluzione dei parametri geo-morfologici e idro-geologici risulta un aspetto critico sia dal punto vista della misura in situ che della sua eventuale parametrizzazione. Ad oggi presso il Centro di Eccellenza CETEMPS, dove è in atto tale studio, vengono acquisite le osservazioni sulle precipitazioni dalle reti di sensori dell'ARSSA e dell'Istituto Idrografico della Regione Abruzzo. Nelle zone non coperte dai sensori, la pioggia viene stimata da osservazioni radar e osservazioni da satellite. Il semplice schema di scorrimento, insieme alla ricostruzione, su base oraria dei campi di precipitazione, può essere usato per la valutazione di un indice di allarme esondazione che si mostra adatto ad individuare i segmenti della rete drenante che sono sottoposti a maggiore stress in caso di eventi severi.

Le tecniche più usate di monitoraggio diretto consentono, non da oggi tuttavia, di raccogliere dati quasi in tempo reale. Le prime esperienze risalgono all'inizio degli anni 80 con sistemi "total station" motorizzati, interroganti prismi riflettori posti in frana. Quindi ad intervalli veniva misurata la distanza da una postazione stabile a punti su versanti instabili. I dati venivano trasmessi via cavo ad un centro di controllo. Verso la fine degli anni 80, eventi disastrosi in Valtellina, fecero istituire un centro di monitoraggio polifrana, presso Sondrio, con sensori di vario tipo sui versanti a rischio, estensimetri, inclinometri, geofoni. All'inizio degli anni 90 si iniziò ad impiegare il GPS, e proprio in Valtellina l'Università di Trieste iniziò ad operare in tal senso in collaborazione con ISMES di Bergamo.
Il sistema GPS si prestava e si presta particolarmente bene per tale tipo di monitoraggio remoto, attraverso la trasmissione dei dati grezzi di fase ad un centro di elaborazione sede di un ricevitore GPS di riferimento. Alternativamente i dati grezzi del riferimento possono essere inviati ai ricevitori sui versanti, che provvedono ad elaborare le equazioni alle differenze seconde ed inviare al centro le soluzioni. E' possibile anche la elaborazione in forma RTK nei casi di movimenti veloci.
Il futuro sistema GALILEO come pure un rinnovato GLONASS, consentirà la disponibilità di segnali satellitari anche nei centri urbani e nelle valli strette.
In alcuni casi, anche nei decenni precedenti, venne impiegata la fotogrammetria per il monitoraggio di frane, ma le visuali spesso assai inclinate, la lontananza e l'orientazione rispetto al sole, ne rendevano difficile l'uso. Il laser scanner terrestre, erede della fotogrammetria, invece si presta assai bene per i casi di movimenti veloci. Il SAR è stato pure proposto sia da satellite che da terra in modalità interferenziale.
Soprattutto queste ultime tecniche richiedono il puntamento preciso dei satelliti su una zona da monitorare. L'impiego del satellite è anche previsto per l'individuazione di precipitazioni severe che possono innescare fenomeni franosi.

In definitiva, la possibilità di disporre di una piattaforma di monitoraggio ambientale, come quella che si intende proporre, che permetta le misurazioni climatiche e microclimatiche da terra, può essere di ausilio per calibrare i sistemi via satellite sopra descritti e, più in generale, può rappresentare una delle componenti essenziali di un moderno sistema di monitoraggio dei movimenti franosi.

Sulla base di queste premesse, il campo di attività del progetto muove dallo sviluppo di una piattaforma di monitoraggio da realizzarsi mediante l'uso di reti ad-hoc wireless di sensori (Wireless Sensor Networks - WSN) che per la loro natura wireless distribuita garantiscono la possibilità di effettuare, mediante un'unica rete di comunicazione radio, un monitoraggio delle varie grandezze di interesse per la verifica e il controllo della stabilità dei pendii estremamente capillare, adattabile alle dimensioni dell'area da monitorare, facilmente e velocemente realizzabile, con elevata autonomia operativa (bassi consumi e, quindi, limitata richiesta di intervento umano sul sistema) e, soprattutto, a basso costo rispetto alle attuali soluzioni di monitoraggio. Allo stesso tempo la rilevazione dei dati metereologici (umidità, temperatura, ...) può essere di supporto alle attività di definizione dei modelli di previsione.
Nello specifico, lo sviluppo prevede di seguire i dettami di una nuova metodologia di progetto che va sotto il nome di Platform Based Design (PBD) [43], [51]. Secondo tale paradigma si perviene attraverso operazioni di raffinamenti iterativi all'individuazione della soluzione ottimale. Da una parte si definiscono i requisiti del sistema di monitoraggio e, quindi, i modelli dei fenomeni da monitorare, nonché i protocolli di comunicazione e gli algoritmi di elaborazione dei dati capaci di consentirne il soddisfacimento. Dall'altra, in maniera ortogonale alla precedente, a partire da una implementazione costituita dall'insieme di una o più WSN, da Reti Pubbliche (wired o wireless [44], [45]), Satelliti, WEB [46]-[49], ecc., si procede a configurare la piattaforma stessa perché fornisca agli algoritmi e protocolli precedentemente definiti i servizi da questi richiesti. Le due aree di sviluppo vengono raffinate in parallelo per arrivare all'individuazione di un sistema integrato di monitoraggio.
Nel delineare una base di partenza per l'attività complessiva del progetto di Ricerca, è opportuno considerare da una parte la modellistica dei fenomeni da monitorare e i relativi meccanismi di controllo, che appartiene alla parte "top-down" della metodologia PBD; dall'altra, lo sviluppo della piattaforma implementativa con particolare attenzione alle reti ad-hoc.
Per i modelli, ci si propone di utilizzare le tecniche afferenti all'area dei sistemi cosiddetti "ibridi", caratterizzati da modelli che combinano diversi domini semantici come il continuo, il discreto ed il distribuito. L'uso di tali modelli ha richiesto lo sviluppo di nuove teorie e di nuovi metodi di progettazione. In questi ultimi anni, i risultati sono stati rilevanti per il valore teorico e per le potenziali applicazioni (p.e. [52, 53]). Peraltro, lo stato generale delle conoscenze in questo campo è ancora limitato e, di conseguenza, l'applicazione a questo settore richiederà lo sviluppo di nuovi metodi.
Per quanto riguarda le reti ad-hoc, consideremo attentamente i risultati di studi recenti e le prospettive delineate per la futura ricerca (p.e. [8]). Tali reti sono costituite da un gran numero di nodi, ognuno dei quali è dotato di uno o più sensori fisici che rilevano una data grandezza da monitorare, di una unità di alimentazione, di una per l'elaborazione dei dati ed una per la gestione della comunicazione. I nodi potrebbero trovarsi ad operare in ambienti molto diversi tra loro (anche ostili) e, in generale, alcuni di essi potrebbero non occupare delle posizioni prestabilite e addirittura potrebbero essere mobili. Pertanto gli algoritmi e i protocolli previsti dovranno essere adattativi [2], [8].
La necessità per le WSN di nostro interesse di operare in zone spesso remote o difficilmente accessibili porta alla necessità di alimentare i nodi non da una rete di distribuzione, bensì mediante batterie. D'altra parte, si vuole garantire ad una WSN una durata massima di esercizio (senza che sia richiesto un intervento umano). Da qui nasce una vera e propria sfida tecnologica: la riduzione dei consumi di potenza, ad ogni livello dello sviluppo, dalla circuiteria elettronica utilizzata che preveda la possibilità di recuperare energia dell'ambiente circostante (energy scavenging) [31]-[36] alle tecniche di comunicazione implementate nell'intera pila protocollare.
L'energia necessaria per inviare un pacchetto da un nodo A ad un nodo B è proporzionale a b*d^a, essendo d la distanza tra i nodi, a un coefficiente compreso tra 2 e 4 (4 in caso di comunicazione vicino al terreno) e b quantifica l'overhead per bit trasmesso. Si può dimostrare che è più conveniente dal punto di vista energetico utilizzare una rete di tipo multihop, nella quale i pacchetti vengono trasmessi attraverso piccoli salti intermedi piuttosto che realizzare una comunicazione diretta end-to-end tra i nodi. Si potrebbe pensare che la massima efficienza si ottiene con una rete in cui la comunicazione avviene con il numero più alto possibile di salti brevi. In realtà tale numero è limitato: si deve tenere in considerazione che ogni nodo impiega una certa energia per ricevere un bit e poi ritrasmetterlo. Quindi, se si vuole ridurre l'energia è importante ridurre il numero di bit trasmessi: occorrono tecniche di compressione. Nelle reti di sensori, data l'elevata densità dei nodi di cui sono tipicamente composte, spesso sussiste una correlazione spazio-temporale tra le misure: è necessario, quindi, rimuovere la ridondanza in modo da ottenere una descrizione congiunta efficiente dei dati. Sembrerebbe necessaria un'intensa attività di coordinamento tra i nodi, in realtà è possibile rimuovere tale ridondanza utilizzando tecniche di codifica distribuita [1]-[10], mediante le quali si possono comprimere i dati provenienti da un nodo utilizzando marginalmente (o affatto) le informazioni provenienti dagli altri nodi.
In una configurazione tipica di una rete di sensori, i nodi devono far pervenire le misure ad un nodo che rappresenta l'interfaccia con le altre reti (detto gateway). Da un nodo all'altro le informazioni vengono instradate secondo opportune regole. È quindi possibile prevedere l'aggregazione dei dati, usando funzioni in-network, ovvero integrate nell'algoritmo di routing [11]-[21], come la soppressione (cioè l'eliminazione dei duplicati), funzioni di minimo, massimo, media, o altri algoritmi più particolari come la codifica distribuita. Essendo l'elaborazione dei dati meno onerosa in termini energetici rispetto alla comunicazione, attraverso l'aggregazione si possono ottenere sostanziali risparmi energetici. Nel produrre soluzioni protocollari efficienti per tali reti di sensori occorre tenere presente i vincoli: in particolare, per applicazioni in cui è richiesta una certa mobilità dei nodi e collegamenti affidabili, si possono utilizzare protocolli di routing basati su algoritmi di tipo distance-vector, come DSDV [26], AODV [27], DSR [28], mentre dove è di assoluta importanza il tempo di vita della rete, e quindi il risparmio energetico, ma in cui si suppone bassa o nulla mobilità dei nodi, si possono considerare algoritmi di tipo directed-diffusion [25], zone routing protocol [24], energy aware routing [22], LEACH [23], o altri ancora [29], [30]. Alle soluzioni di natura protocollare vanno poi aggiunte ulteriori considerazioni circa l'effettiva messa in opera di tale rete. In particolare, occorre studiare particolari soluzioni legate al packaging dei nodi sensori nel nostro caso. Essi dovranno infatti essere capaci di operare in ambienti ostili (pioggia, neve, fango, caldo, freddo, ...), tenute presenti le particolari condizioni di impiego.
Circa la sperimentazione, è previsto l'utilizzo di una piattaforma sufficientemente flessibile per permettere il raggiungimento degli obiettivi ed una possibile scelta è costituita dalla famiglia dei Motes [39]. Questi nodi sono dispositivi programmabili, dotati di sistema operativo open source TinyOS [40] e di interfaccia radio di ultima generazione, nonché di un interessante applicativo preesistente per l'astrazione della rete di sensori come fosse un database [41], [42], mentre il packaging di questi stessi nodi è un problema che va studiato per l'occasione. <<<