Progetto LASMON - Il monitoraggio diffuso del territorio per affrontare i cambiamenti climatici

Cambia il clima, cambia il territorio, evolve la tecnologia

La continua antropizzazione del territorio e gli effetti delle variazioni climatiche in progressivo aumento negli ultimi anni generano spesso situazioni ad alto rischio legate alla presenza di fenomeni franosi che minacciano centri abitati ed infrastrutture. Il monitoraggio di fenomeni franosi rappresenta una strategia in crescente sviluppo sia a vasta scala – per conoscere e gestire un territorio e comprenderne l’evoluzione – sia a livello puntuale, come elemento di valutazione dell’integrità delle opere di ingegneria e conseguentemente di mitigazione dei rischi per la popolazione. La possibilità di disporre di sistemi di monitoraggio dei fenomeni di dissesto geo-idrologico che siano allo stesso tempo semplici ma con elevato contenuto tecnologico e che permettano una rapida installazione risulterebbe particolarmente utile per adattarsi ai nuovi scenari che il cambiamento climatico ci imporrà nei prossimi decenni. La presenza di sistemi pervasivi potrebbe migliorare il livello di conoscenza degli effetti climatici sui fenomeni di instabilità di origine gravitativa, soprattutto in territori molto particolari come quelli di alta quota, che possono essere considerati dei geo-indicatori delle variazioni climatiche in atto.

Il progetto LASMON: Landslide Smart Monitoring Network

Il Progetto LASMON è un progetto di ricerca e sviluppo applicativo cofinanziato dai fondi POR FESR 14/20 «Poli di innovazione – 2016 Linea A», di durata 24 mesi (gennaio 2018 – dicembre 2019) che si propone di realizzare una rete intelligente di sensori per il monitoraggio delle frane finalizzata alla sicurezza delle infrastrutture e alla gestione delle emergenze. 

L’unione di più competenze: la squadra

LASMON nasce dalla collaborazione di tre imprese piemontesi appartenenti ai Poli di Innovazione della Regione Piemonte, specializzate nella realizzazione ed installazione di sistemi di monitoraggio:

• GD Test s.r.l. (capofila del Progetto, PI, Polo di Innovazione CLEVER), società operante dal 1995 nel settore delle tecnologie e dei servizi di supporto alla realizzazione di grandi opere di geo-ingegneria e di monitoraggio geologico, strutturale e ambientale;
• Capetti Elettronica s.r.l. (PI, Polo di Innovazione CLEVER e ICT), attiva dal 1973 e specializzata nella progettazione e nella produzione di strumentazione elettronica per il rilevamento dati tra cui sonde, datalogger e reti di sensori wireless (WSAN);
• C-Labs s.r.l. (PI, Polo di Innovazione ICT), fondata nel 2002 vanta una pluriennale esperienza nel campo dell'elettronica e dell'informatica, con particolare attenzione al settore delle telecomunicazioni.

Completano il gruppo di lavoro i ricercatori del CNR-IRPI di Torino, da sempre impegnati nello sviluppo e applicazione di sistemi di monitoraggio dei fenomeni di dissesto idrogeologico impiegati nelle attività di supporto tecnico scientifico al Dipartimento della Protezione Civile Nazionale in qualità di Centro di Competenza.

Obiettivi ed innovazioni del progetto LASMON

Obiettivo del progetto è lo sviluppo di sistemi di monitoraggio geotecnico, ambientale e strutturale in grado di creare reti di monitoraggio diffuse e a basso impatto, provvisti di un’intelligenza che risieda in un dispositivo “controllore” di campo, da utilizzare sia in fase di emergenza che come elemento di controllo permanente e distribuito di aree e strutture critiche, potenzialmente soggette a fenomeni di dissesto idrogeologico.

In Tabella 1 sono riassunti i risultati attesi, letti attraverso le innovazioni ed evoluzioni introdotte da questo sistema di monitoraggio. Questi obiettivi possono essere raggiunti solamente attraverso la concezione di nuovi elementi hardware e software dotati di intelligenza locale e capacità decisionale. Oltre che nella fase di acquisizione dei dati, il sistema prevede innovazioni anche per quanto riguarda la restituzione dei dati, attraverso una piattaforma Web-GIS con funzionalità appositamente sviluppate per consentire la massima flessibilità nella consultazione ed il coinvolgimento di utenti a differenti livelli di esperienza.

Architettura e funzionamento del sistema di monitoraggio

Il sistema si compone di un’infrastruttura locale autonoma (onsite) costituita da una rete di sensori ed un apparato di comunicazione in grado di compiere attuazioni e controlli anche in assenza di comunicazione con l’infrastruttura remota (offsite), dove invece risiedono lo spazio di archiviazione e la piattaforma per la pubblicazione dei dati (Figura 1).

L’intera infrastruttura di monitoraggio è modulare e può essere adattata ad una molteplicità di casi applicativi (Figura 2). Sulla base degli scenari operativi, vengono identificati i parametri di maggior efficacia per il problema in oggetto e la miglior combinazione di sensori da utilizzare per il monitoraggio. Viene quindi composta la rete di sensori che si interfaccerà con l’unità di controllo installata in campo e con la piattaforma Web-GIS per la pubblicazione dei dati. Le logiche di controllo per la gestione degli stati dei sensori e delle eventuali emergenze sono operate dal controllore intelligente, che sintetizza i dati provenienti dai diversi sensori e calcola un «Indice di Criticità del sito».

Reti di monitoraggio diffuse: i primi risultati ottenuti

Il primo campo applicativo scelto per sperimentare il sistema prototipale sviluppato è stato un contesto di opere di protezione passiva (barriere paramassi) di una strada di alta montagna soggetta al rischio di caduta di blocchi dal versante roccioso retrostante.

Questo ambiente applicativo presenta differenti tipologie di scenari operativi sui quali è possibile testare le funzionalità del sistema in modalità di monitoraggio sia statico che dinamico: le condizioni di stabilità del versante roccioso, il verificarsi di eventi di distacco e caduta massi e il riconoscimento di falsi allarmi, l’operatività delle barriere durante gli eventi e le loro condizioni funzionali residue.

Configurazione operativa del kit di sensori

Per questo scenario operativo è stata individuata una configurazione base di sensori per comporre il kit adatto al monitoraggio. Il modulo base per questo caso studio si riferisce ad un generico tratto di rete Rn composto da 3 montanti (Mi, Mi+1, Mi-1) e 2 campate (Ci+1, Ci-1).

Con riferimento allo schema in Figura 3 sono stati installati:

• sonda accelerometrica per la misura dell’accelerazione risultante sul montante (ACC);
• clinometro biassiale per la misura della rotazione del montante attorno agli assi X e Y (CLI);
• trasduttore di posizione (estensimetro) a filo potenziometrico (EXT) e trasduttore di posizione (encoder) contascatti incrementale a filo (CRD) per monitorare le deformazioni delle campate;
• celle di carico di differente tipologia per il monitoraggio del carico sulle funi di controvento e di bordo;
• stazione meteo per la correlazione dei dati rilevati con gli eventi meteorici;
• webcam per il controllo visivo del campo prova nel suo complesso e la verifica ottica degli eventi registrati.

Il kit di sensori si appoggia in sito su una rete di comunicazione wireless con tecnologia WSAN (Wireless Sensor and Actuator Network) WineCap che invia i dati acquisiti ad una unità di controllo posta nel luogo monitorato (sistema onsite).

Oltre alla rete WSAN, il sistema di monitoraggio utilizza (Figura 4):

• una rete WiFi dedicata al controllo delle webcam ed al trasferimento delle immagini in campo;
• una rete GSM/GPRS per la comunicazione e l’invio dei dati al sistema remoto (offsite)

L’unità di controllo (PLC, Programmable Logic Controller) analizza i dati acquisiti secondo delle logiche di controllo grazie alle quali può in piena autonomia gestire controlli (eventi di allarme, riconoscimento falsi allarmi) ed attuazioni (invio di messaggi, chiusura di barriere, interazioni con sensori della rete) limitando gli interventi di manutenzione o di interruzione della viabilità.

Logiche di sito e attivazione stato di allerta

Le logiche di controllo per la gestione degli stati dei sensori sono operate dal PLC, che calcola un «Indice di Criticità del sito» ottenuto in funzione:

• dello stato di funzionamento della rete misura;
• dello stato di funzionamento dei singoli sensori;
• della presenza di «anomalie» nella lettura dei sensori rispetto ad una condizione di quiete.

Il sistema analizza non solo i dati provenienti dai singoli sensori, ma segue delle logiche di validazione per cui un evento reale necessariamente modifica lo stato di un gruppo di sensori installati nella medesima area. Definendo dei valori di importanza ai singoli sensori, viene calcolato un “Indice di Criticità Globale” attraverso una combinazione pesata di tali valori. Il sistema è così in grado di valutare se si tratti di un allarme vero o di uno falso e di fornire una prima valutazione circa la reale criticità dell’evento occorso.

In questo specifico contesto applicativo – essendo il crollo in roccia l’evento più probabile e di conseguenza l’urto di blocchi con le barriere – si è stabilito che fosse il sensore accelerometrico a fungere da “sentinella”, fornendo il segnale di input per il processo di verifica dello stato di criticità globale del sito.

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