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After the pandemic period due to the spread of COVID-19, staff of the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV) with diversified skills and coming from different geographical areas has planned and organized the participation of the Institute in the XXXVI edition of the Futuro Remoto popular scientific event occurred in Naples from 22 to 27 November 2022, finally back in presence. Starting from the theme indicated by the organizers - called “Equilibrium” - the working group has developed a proposal entitled “Earth: in constant search for equilibrium”. The proposal has been articulated so as to start from the observation of the internal disequilibria that make the Earth a planet in continuous movement, up to the manifestations of the earth’s dynamics producing a significant impact on human life, such as volcanic eruptions, earthquakes and climate changes. These themes have been illustrated with models, demonstrations with scientific instruments, interactive exhibits and videos. Thanks to the activities carried out, the visitors have been able to exchange their points of view with the INGV staff, developing reflections on the proposed topics. Very important for the successful interaction between the INGV personnel involved and the public was the climate of collaboration and harmony created thanks to proactive attitudes, professionalism and skills of the staff who have planned, organized and participated in the event., Dopo il periodo pandemico legato alla diffusione del COVID­19, personale dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) con diverse competenze e proveniente da diverse aree geografiche ha progettato e organizzato la partecipazione dell’Istituto alla XXXVI edizione della manifestazione divulgativa “Futuro Remoto”, che si è svolta a Napoli dal 22 al 27 novembre 2022, finalmente tornata in presenza. Partendo dal tema indicato dagli organizzatori – denominato “Equilibri” – il gruppo di lavoro ha formulato una proposta intitolata “Terra: alla costante ricerca di un equilibrio”. La proposta è articolata in un percorso che parte dall’osservazione dei disequilibri globali che rendono la Terra un pianeta in continuo movimento, fino alle manifestazioni della dinamica terrestre che hanno grande impatto sulla vita dell’uomo come le eruzioni vulcaniche, i terremoti e i cambiamenti climatici. Questi temi sono stati illustrati con plastici, dimostrazioni con strumentazioni scientifiche, exhibit interattivi e video. Grazie alle attività svolte, i visitatori si sono confrontati con il personale INGV presente, sviluppando riflessioni sulle tematiche proposte. Molto importante per la riuscita interazione tra i ricercatori coinvolti e il pubblico è stato il clima di collaborazione e affiatamento che si è creato grazie a atteggiamenti proattivi, alla professionalità e alle diverse competenze del personale che ha organizzato, realizzato e partecipato all’evento.

The signal acquisition, especially in geophysics, produces a huge amount of data. This obviously depends by the instrument used, the sampling rate employed and the precision required. Communication infrastructures play an important role in realtime use of the signal acquired, but they are not always able to meet the needs in terms of transmission speed and energy consumption, so they make impossible using telemetry. In such cases, data compression can help us and, especially if it is made ad hoc, can solve the problem. The algorithm below described uses the relationship between low and high frequency signal components to reduce the amount of data, highlighting the useful information., L’acquisizione di segnali, in particolar modo geofisici, produce una quantità di dati enorme. Ciò dipende ovviamente dal tipo di strumento utilizzato, dal passo di campionamento impiegato e dalla precisione che si vuole raggiungere. Le infrastrutture di comunicazione ricoprono un ruolo importante nell’utilizzo in realtime del segnale acquisito, ma non sempre riescono a soddisfare i fabbisogni in termini di velocità di trasmissione e consumo energetico, rendendo impossibile l’utilizzo della telemetria. In tali casi può essere d’aiuto la compressione dei dati che, se realizzata ad hoc, riesce a risolvere il problema. L’algoritmo di seguito descritto sfrutta la relazione tra le componenti del segnale a bassa e ad alta frequenza per ridurre la quantità di dati, mettendo in evidenza la quantità d’informazione realmente utile.

Like most monitoring stations, even those belonging to the Etna magnetic network use solar energy to work. The energy system is standalone and therefore formed by an array of solar panels and batteries managed by an electronic charger. At the beginning of 2003, due to the out of production of the regulator used up until then, the BGM10 TYPHOON C.E.P.U. (Efficient Powerful Stable Voltage), the entire network was affected by a forced upgrade that highlighted a weakness never found before. The solar regulator, which seemed similar to many others, turned out to be more unique than rare and its replacement created problems in the following years. Using many regulators and with different characteristics has highlighted the need to tackle the problem seriously. An in ­depth study has led to a solution that uses common components [Sicali et al, 2016] creating the basis for more effective and controlled maintenance, while at the same time becoming independent of what the market offers. It has also allowed us to classify a new source of noise, allowing it to be identified and eliminated whenever it occurs again. This form of noise was treated very well already by Fois, [2011] and by Benedetti [Benedetti, 2016] who provided a solution replacing the PWM (Pulse Width Modulation) regulator with a linear one. Completely open solutions surely have the advantage of being able to be modeled according to their own needs [Sicali et al., 2016], despite the fact that replacing a regular commercial with a built car is a company that requires a lot of effort. In fact there are applications that require particular functionalities such as load control [Sicali et al., 2013] and the performance of the system, depending on the recharge algorithms, could be compromised., Come la maggior parte delle stazioni di monitoraggio anche quelle afferenti alla rete magnetica dell’Etna utilizzano l’energia solare per funzionare. Il sistema energetico è di tipo standalone (a isola) e quindi formato da un array di pannelli solari e di batterie gestite da un regolare elettronico di carica. All’inizio del 2003, a causa dell’uscita di produzione del regolatore fino ad allora usato, il BGM10 TYPHOON C.E.P.U. (Efficient Powerful Stable Voltage), l’intera rete è stata interessata da un ammodernamento forzato che ha messo in evidenza una debolezza mai riscontrata prima. Il regolatore solare, che sembrava simile a molti altri, si rivelò più unico che raro e la sua sostituzione creò problemi negli anni a seguire. Utilizzare molti regolatori e con diverse caratteristiche ha evidenziato la necessità di affrontare il problema seriamente. Uno studio approfondito ha portato a una soluzione che utilizza componenti comuni [Sicali et al., 2016] creando le basi per una manutenzione più efficace e controllata, rendendosi allo stesso tempo indipendenti da ciò che offre il mercato. Ha permesso inoltre di classificare una nuova fonte di rumore, permettendone l’identificazione e l’eliminazione ogni qual volta si presentasse nuovamente. Tale forma di rumore è stata trattata egregiamente già da Fois [Fois, 2011] e da Benedetti [Benedetti, 2016] che hanno fornito una soluzione sostituendo il regolatore PWM (Pulse Width Modulation) con uno lineare. Le soluzioni completamente aperte sicuramente hanno il vantaggio di poter essere modellate secondo i propri bisogni [Sicali et al., 2016], nonostante ciò sostituire un regolare commerciale con uno autocostruito è un’impresa che richiede molti sforzi. Difatti ci sono applicazioni che richiedono particolari funzionalità come il controllo delle utenze [Sicali et al., 2013] e il rendimento del sistema, dipendente dagli algoritmi di ricarica, potrebbe essere compromesso.

Nel 1997 esisteva già la rete magnetica del M.te Etna. Con il sistema Mag-Net [Del Negro et al, 1998, 1999, 2002] si è cercato di rinnovarla risolvendo i problemi fino ad allora aperti. I problemi maggiori riguardavano soprattutto la gestione dell’alimentazione e la continuità del dato. In commercio esistevano già sistemi pronti all’uso che richiedevano solo qualche adattamento però ritrovandosi con un sistema chiuso (black box) per cui l’evoluzione è pressoché impossibile [Sicali et al, 2016]. Si è scelto in alternativa di realizzare su un sistema completamente aperto, Mag-Net, assecondando una visione futuristica e di lungo periodo. Dalla progettazione primordiale si è passati alla sua realizzazione e successivamente a uno studio sistematico durato 20 anni, durante il quale si è cercato di valutare il sistema quando più oggettivamente è possibile. Negli anni si è arrivati a definire i tre concetti di stabilità, efficienza e automatismo [Sicali et al, 2016] che hanno permesso di far evolvere negli anni Mag-Net (figura 1) finché si è potuto ed arrivare a definire un nuovo sistema di acquisizione IDRA (Interactive Device for Remote Acquision) (figura 2) che risolvesse totalmente i problemi.

Ogni sistema di acquisizione ha la necessità di sincronizzare le misure prodotte allo scopo di facilitarne l’analisi [Sicali et al, 2016/B]. La sincronizzazione solitamente avviene attraverso l’uso di sistemi GNSS (Global Navigation Satellite System) e nel loro rappresentante più conosciuto il GPS. Seppur quest’ultimo, risulti essere il più versatile e universale, ciò nonostante possiede alcune limitazioni che a volte ne impediscono l’utilizzo. I problemi maggiori derivano dall’antenna utilizzata per captare il segnale radio, vero punto debole di tutto il sistema. In luoghi molto ostili potrebbe essere difficile utilizzare e mantenere un’appendice esterna come l’antenna GPS, a causa soprattutto di scariche da fulmine. Diversamente, potrebbe essere più semplice mantenere una trasmissione su fibra ottica o cavo in rame, utilizzando sistemi già presenti, collaudati e più sicuri, eventualmente mantenuti e pagati da terzi. Il sistema proposto è consigliato soprattutto per quei sistemi, che non possono gestire direttamente l’NTP (Network Time Protocol) [RFC 5905, 2010] e hanno la necessità di un segnale hardware esterno di tipo IRIG-B [IRIG-B, 2004].

L’unità di acquisizione remota del sistema Mag-Net [Del Negro et al, 2002] impiega una motherboard in formato PC/104 compatibile con lo standard IBM (ISA), per questo può utilizzare ed eseguire I sistemi operativi di un normale PC. Fin dall’inizio è stato utilizzato l’MS-DOS che grazie alla sua semplicità ha permesso di risolvere molti problemi di stabilità però lasciando al software applicativo di gestione l’onere di gestire I diversi task. Ogni task si autoregola permettendo agli altri di funzionare molto similmente a ciò che accade in un sistema operativo di tipo preemptive (senza pre-rilascio) chiamato anche cooperative multitasking. Ciò comporta non pochi problemi soprattutto nella ripartizione delle risorse. Accade molto spesso che un task ostacoli un altro perchè viene sovraccaricato di lavoro. Si è deciso di ricercare una soluzione al problema della ripartizione non equa delle risorse sostituendo l’MS-DOS con un sistema operativo costruito ad hoc per un sistema di monitoraggio nello specifico per il sistema Mag-Net, multiprogrammato e con rilascio di risorse. La progettazione del nuovo sistema deve prescindere dall’hardware che può negli anni cambiare e divenire obsoleto, come è già successo più volte per I PC/104. L’utilizzo di un’architettura IBM ha permesso nel corso degli anni di velocizzare lo sviluppo software che poteva avvenire su un normale PC che diveniva un vero e proprio laboratorio di test per il sistema di gestione Mag-Net. La progettazione del nuovo sistema operativo deve poter preservare quanto più possibile tale vantaggio permettendo di velocizzare lo sviluppo utilizzando un normale personal computer. Per questo si è deciso di impiegare un ambiente simulato che sostituisse l’hardware durante lo sviluppo. Il 90% del codice sarà realizzato (come già successe in Mag-Net) in C/C++ [Sicali et al, 2016] e verrà completamente provato nell’ambiente simulato. Solo il 10% del software sarà dipendente dall’hardware, dovrà essere scritto in ASSEMBLY e provato direttamente sull’hardware. Utilizzare il C/C++ ha permesso di riutilizzare la totalità del software già scritto per il sistema Mag-Net.

L’utilizzo di acquisitori sempre più veloci e frequenze di acquisizione sempre più alte richiedono reti di comunicazione all’avanguardia per il trasferimento dei dati. I sistemi di videosorveglianza producono diverse centinaia di MB al giorno che, con una normale linea GSM o radio a 9600 bps non si riesce a trasferire. Non sempre si possono gestire infrastrutture di rete studiate ad hoc e proprietarie, molte volte si ha l’esigenza e la necessità di utilizzare ISP commerciali. Soprattutto i costi di mantenimento e realizzazione delle infrastrutture di rete orientano verso l’utilizzo di reti commerciali. Le reti mobili di ultima generazione, come UMTS (3G) e LTE (4G), utilizzano protocolli di comunicazione tipo Internet e fanno largo uso del packet switch per ottimizzare l’occupazione di banda. Rispetto ai modem GSM, che erano identificate univocamente da un numero telefonico, i nuovi dispositivi di trasmissione, router/modem, impiegano un indirizzo, che pur essendo pubblico, non è statico, e può cambiare spesso. Questo perché il protocollo IPv4 [Wikipedia, IPv4] non ha disponibili abbastanza indirizzi per tutti i dispositivi ed allo stesso tempo ci sono molti IP condivisi tra dispositivi non collegati. Per ovviare al continuo mutamento degli indirizzi si ha la necessità di associare l’indirizzo numerico IP al nome di dominio testuale utilizzando le tecnologie DNS [Wikipedia, Domain Name System]. A differenza dell’IP il nome di dominio è assegnato univocamente su Internet da organizzazioni internazionali e non subisce variazioni. Il primo utilizzo dei modem UMTS risale all’installazione dei primi dilatometri sul M.te Etna [Sicali et al., 2013], alla fine del 2011. In seguito all’utilizzo di tali strumenti si è sentita l’esigenza di dare una soluzione al problema della rotazione degli indirizzi IP, che diventava ogni giorno un problema sempre più serio.

La manutenzione dei sistemi di monitoraggio remoto è importante poiché permette a un sistema di continuare a funzionare in modo continuo e duraturo. La stabilità dei sistemi dipende dal tipo di manutenzione che si esegue [Sicali et al., 2016]. La manutenzione copre diversi aspetti, dalla cura delle infrastrutture fino alla consistenza del software, passando per il benessere dell’hardware (elettronica). La cura delle infrastrutture deve essere effettuata in sito, per lo più realizzata come manutenzione ordinaria programmabile. Riguarda tutto ciò che risente delle intemperie e che è sottoposta a stress meccanici, di temperatura, ossidazione e corrosione. La manutenzione del software e dell’hardware, normalmente, viene effettuata di fronte a un problema già conclamato, che non si è potuto prevedere e/o programmare. Lo scopo del sistema esaminato di seguito è quello di aiutare, in una qualche misura, a prevedere i malfunzionamenti prima che si verifichino attraverso il constante monitoraggio di particolari segnali. Ciò che negli hard disk è stato realizzato attraverso l’adozione dei sistemi S.M.A.R.T [Wikipedia, Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology].

Si è approfittato della la diffusione capillare e dell’abbassamento massiccio dei costi dei sistemi di calcolo ad elevata efficienza (HPC) per ammodernare i server di acquisizione e archiviazione presenti nei centri di acquisizione dati [Del Negro et al., 2002]. Il sistema descritto nel testo è stato applicato con successo oltre al sistema Mag-Net [Del Negro et al., 2002] anche alla rete dilatometrica [Sicali & Bonaccorso, 2013]. L’ammodernamento dei due sistemi di monitoraggio, nonostante interessasse sia la parte hardware che software, è stato poco invasivo poiché entrambi i sistemi possiedono una struttura modulare [Sicali et al., 2016]. L’ammodernamento ha permesso di risolvere problemi oramai decennali come il posizionamento dei sistemi di acquisizione rispetto ai server di acquisizione, ottimizzando allo stesso tempo le risorse disponibili, sia computazionali che umane. La manutenzione è divenuta più semplice e meno dispendiosa in termini di tempo e costi. L’uso delle tecniche di virtualizzazione ci permette di manipolare a piacimento i sistemi e automatizzare alcune procedure altrimenti realizzabili solo intervenendo fisicamente. La possibilità di astrarre le componenti hardware degli elaboratori al fine di renderle disponibili al software in forma di risorsa virtuale, ci permette di eseguire operazioni che un tempo erano invasive, potenzialmente dannose oltre che dispendiose in termini di tempo (time consuming). Si pensi ad operazioni come la rimozione/sostituzione del disco fisso, della CPU o all’upgrade della RAM.

Nel monitoraggio e nella sorveglianza dei vulcani attivi ricoprono un ruolo di prim’ordine i sistemi di acquisizione dati. In commercio esistono già diversi sistemi pronti all’uso, utilizzabili per acquisire i più svariati tipi di segnali, quindi l’idea di progettare un nuovo sistema può sembrare alquanto strana. Ciononostante, molto spesso, non si riesce a trovare ciò di cui si ha bisogno e questo porta alla necessità di compiere qualche adattamento, ottenendo il più delle volte un sistema ibrido, instabile e troppo complesso. L’esperienza maturata negli anni ha permesso d’identificare poche decine di punti essenziali per il buon funzionamento dei sistemi di acquisizione. Questo documento nasce dalla necessità di riunire tali specifiche e ottenere un promemoria da seguire, sia in fase di progettazione che durante l’esame di un sistema esistente. Si può quindi utilizzare il documento anche per classificare qualunque sistema di acquisizione, in termini di affidabilità ed efficienza, che debba essere utilizzato in aree di estremo funzionamento. Le zone di estremo funzionamento sono tutte quelle in cui i parametri come la temperatura e l’umidità raggiungono valori limite, in cui possono essere presenti gas corrosivi, condizioni meteo estreme come alluvioni, neve, forte vento, tempeste di sabbia, e nel caso specifico dei vulcani, colate e fontane di lava. Le specifiche riportate in seguito derivano essenzialmente dall’esperienza maturata negli ultimi due decenni grazie all’osservazione quanto più oggettiva possibile del comportamento e dei problemi riscontrati nei sistemi dislocati sul M.te Etna e sull’Isola di Stromboli. Le specifiche sono riassunte sinteticamente nelle tabelle 1 e 2 allegate. Il testo non si prefigge lo scopo di esaurire completamente gli argomenti trattati ma di creare uno spunto di discussione sui sistemi di acquisizione. Dovrebbe permettere, soprattutto a chi non ha precedente esperienza sull’argomento, di evitare alcuni errori grossolani nella progettazione e di assicurarsi la buona riuscita di un progetto. Non sono importanti i dettagli poiché cambiano per ciascuna applicazione ma sono invece importanti le linee guida e la filosofia con cui si affronta il problema.