Valutazione attuale: 5 / 5

Stella attivaStella attivaStella attivaStella attivaStella attiva
 
qcn_art_fig0Quake-Catcher Network (QCN) è una rete di rilevamento sismico che utilizza il calcolo distribuito per ottenere importanti informazioni sui terremoti colmando l'attuale carenza di stazioni sismiche tradizionali. Gli accelerometri microelettromeccanici (MEMS) rilevano vibrazioni all'interno del range di frequenze delle onde sismiche (0.1–20 Hz), quindi ogni PC connesso ad internet dotato di sensore MEMS (interno od esterno) può fare da stazione sismica. 
.
 
 
Sul numero di gennaio 2009 della rivista "Seismological Research Letters" è stato pubblicato un articolo dal titolo "Quake-catcher network: cittadini scienziati (come espandere gli orizzonti degli studi sulla sismologia)". Quanto segue ne è un corposo estratto.
 
 
 
Autori: Elizabeth S. Cochran, Jesse F. Lawrence, Carl Christensen, Ravi S. Jakka

INTRODUZIONE
QCN, quale progetto di calcolo distribuito, utilizza i cicli idle dei PC e i sensori MEMS per aumentare il numero di stazioni sismiche; questo potrà a breve fornire rilevamenti su terremoti di media ed elevata intensità in modo più rapido, più accurato e con una migliore caratterizzazione di quello che si riesce ad ottenere ora dalla rete tradizionale.
Presenteremo in questo articolo gli accelerogrammi e l'analisi di triggering di un terremoto da 5.1 Mb registrato dagli accelerometri MEMS di diversi laptop durante la fase di test del sistema QCN. In aggiunta presenteremo i vantaggi dell'utilizzo combinato di calcolo distribuito e degli accelerometri MEMS per il monitoraggio sismico; verranno illustrati anche gli algoritmi di individuazione dell'evento sismico (triggering).

QCN capitalizza il vantaggio principale del calcolo distribuito, cioè la possibilità di sfruttare un gran numero di processori a basso costo, allo scopo di fornire una ampia e fitta rete sismica. Benchè gli accelerometri MEMS siano meno sensibili dei sensori fissi tradizionali, un numero maggiore di stazioni è vantaggioso sia per lo studio dei terremoti sia, potenzialmente, per la prevenzione degli eventi sismici. Il calcolo distribuito riduce le spese generali perchè limita i costi della strumentazione, della gestione e della manutenzione che tipicamente possono essere associati a una rete sismica tradizionale.

Il calcolo distribuito quindi offre molti vantaggi al campo della sismologia. I dati vengono analizzati sui PC dei singoli utenti e solo una piccola parte di questi vengono trasferiti al server centrale per ulteriori approfondimenti. Questa procedura è diversa dall'approccio tradizionale in cui un flusso continuo di tracciati viene inviato al server centrale per le analisi. Effettuando le analisi là dove è posto il sensore (PC dell'utente) si può processare una grossa mole di dati sismici in meno tempo.
 
qcn_art_fig1
Figura 1: La distribuzione sul globo dei volontari mostra una certa concentrazione in Nord America e in Europa
 

CRESCITA DELLA RETE
QCN è cresciuto rapidamente nei primi mesi grazie alla scelta di comprovati tools computazionali e all'attività di coinvolgimento del pubblico. [...] In seguito BOINC ci ha permesso di raggiungere facilmente gli accelerometri dei PC di molti dei volontari collegati in rete.
Questo è il primo progetto scientifico documentato che utilizza il calcolo distribuito per monitorare e analizzare dati di sensori direttamente sui PC. [...] Altre comprovate tecnologie basate su internet danno a QCN validi dati riguardanti due delle basilari informazioni necessarie all'analisi dei segnali sismici: ora solare e posizione spaziale del sensore.
Alcuni precedenti lavori mostrano come gli accelerometri MEMS registrano dati sismici di buona qualità con una risposta in frequenza nel campo 0-250 Hz. [...]
 
Il 4 aprile 2008 il progetto QCN ha rilasciato una beta-release del software anche per PC portatili Macintosh mentre recentemente sono stati aggiunti anche i modelli THINKPAD e ci si aspetta che il numero dei volontari cresca non appena si potranno aggiungere i modelli di altri produttori (i.e. Hewlett-Packard, Acer).

Stiamo anche lavorando per supportare un accelerometro poco costoso (circa 50 dollari) con interfaccia USB, da poter usare con i PC desktop.
 
A partire dal luglio 2009 il QCN potrà contare su 1100 accelerometri USB sparsi tra scuole e musei della California. Questi nuovi sensori USB forniranno al progetto una ossatura stabile in quanto i sensori potranno funzionare in modo continuo; attualmente infatti il software gira solamente quando i laptop sono inattivi per evitare il rumore di fondo procato dall'uso della tastiera. Gli accelerometri USB possono essere montati a pavimento, meglio se in qualche modo connessi a movimenti del terreno sebbene attraverso la struttura dell'abitazione. In futuro anche altri apparecchi dotati di accelerometri (telefoni, orologi) potranno contribuire a QCN.

qcn_art_fig2 Figura 2: Le registrazioni di un PowerBook durante un terremoto di magnitudo 5.1 Mb (in rosso) e uno di magnitudo 4.2 Mb (in nero). Sono visualizzate l'ampiezza (A) in funzione della frequenza, la componente verticale (B) e il suo valore assoluto (C) su base temporale.
 
 
ALGORITMI DI TRIGGERING (individuazione dell'evento sismico)
QCN è progettato per monitorare rapidamente un gran numero di sensori sismici utilizzando i PC direttamente collegati agli accelerometri sia per la raccolta dati sia per il calcolo degli algoritmi di triggering. L'algoritmo confronta il valore misurato dell'accelerazione con la media registrata nei precedenti 60 secondi e determina se il segnale è fuori dalla norma. Quando l'intensità del segnale misurato (distinguendo tra componente orizzontale e verticale) è maggiore di tre volte rispetto alla deviazione standard dei precedenti 60 secondi, allora al 99% sappiamo che il segnale misurato non è rappresentativo del "rumore di fondo" registrato nel precedente minuto.
In questi casi il PC collegato al sensore invia un trigger al server QCN indicando esattamente l'ora, l'ampiezza del segnale, l'indirizzo IP e altre informazioni pertinenti.
NOTA: la deviazione standard indica quanto mediamente si discostano i dati raccolti rispetto alla media generale; per fare un esempio se la magnitudo degli eventi sismici varia da 0,5 a 2,5 allora si potrebbe dire che la media è 1,5 e la deviazione standard è 1, un "vero" terremoto con magnitudo 6 avrebbe una differenza dalla media di 6-1,5=4,5 ben più grande di 1 e sarebbe segnalato al server.
 
Dato che il trigger incorpora poche informazioni, non certo tutto il tracciato dell'onda sismica, potrà essere inviato al server QCN molto rapidamente: tipicamente in meno di 4 secondi dagli Stati Uniti e meno di 5 dal resto del globo. Il numero di trigger registrati dai singoli sensori attualmente variano in modo significativo, da 0 a 800 al giorno con una media di 35 al giorno. L'intera registrazione dell'onda sismica viene inviata al server centrale solo ad avvenuta conferma del terremoto, in questo modo il server non è soggetto a un carico eccessivo di dati in ingresso.
Il PC collegato al sensore cancella i suoi dati solamente quando il server conferma di averne una copia digitale, o è stata verificata l'inesistenza dell'evento sismico, o è trascorsa una settimana dal trigger.

Per determinare se una serie di trigger rappresenta un "probabile terremoto" il server QCN utilizza un filtro simile a quello utilizzato dai PC dei volontari. Il server verifica se la frequenza di trigger provenienti da una certa area geografica supera di 6 volte il valore della deviazione standard (dello stesso parametro, trigger al secondo) per quell'area, considerando la media degli ultimi 10 minuti. In questo caso se gli orari dei trigger possono essere rappresentati su una mappa come una propagazione d'onda circolare da un'unica origine allora l'evento è identificato come "probabile terremoto". [...]
 
qcn_art_fig3Figura 3. Terremoto di Reno. (A) Posizione dei sensori nella regione (triangoli neri), i due laptop QCN (triangoli blu), epicentro del terremoto (stella rossa). (B) Registrazione digitale dei due sensori regionali a banda larga (in nero) e dei due sensori dei laptop QCN (in blu) in ordine dal più vicino al più lontano dall'epicentro del terremoto. Tutte le registrazioni dei sensori regionali (eccetto il WCN) sono tagliate e questo rende priva di fondamento qualsiasi stima della magnitudo. 
 

IL TERREMOTO DI RENO
QCN ha avuto molte opportunità di testare il programma client e il suo algoritmo di triggering durante il terremoto verificatosi vicino a Reno, nel Nevada, il 26 aprile 2008 e durante il recente terremoto del 19 luglio 2008 in California. Noi ci concentreremo sull'evento di Reno.

Il 26 aprile alle 06:40:10.95 UTC un terremoto di magnitudo 5.1 colpisce la zona ad ovest di Reno. Due laptop connessi a QCN, situati a 10.7 e 23.5 km dall'ipocentro del terremoto, inviano al server i loro trigger rispettivamente 3 e 6 secondi dopo l'inizio del terremoto. Questi due laptop avevano iniziato a supportare QCN solo un paio di giorni prima. Sebbene uno solo dei due volontari avesse avvertito il terremoto, entrambi i PC ne avevano misurato le vibrazioni e le avevano comunicate al server. I trigger sono stati registrati sul database di QCN entro 8 secondi e dati completi sono stati scaricati sul server entro 48 ore.

A seguito del terremoto sono state inviate ai due volontari delle richieste per informazioni addizionali. Solo uno dei due ha risposto, il proprietario del sensore con sigla QCN-811. Ha detto che le misurazioni sono state effettuate con il laptop posto su un tavolo malfermo al piano terra della sua casa. Molti degli abitanti della sua via hanno riferito di aver avvertito il terremoto ma non vi sono stati danni a cose o persone come riportato sul sito "Did you feel it ?" dove l'evento è registrato come un sisma del 4° grado sulla scala Mercalli.
Entrambi i volontari avevano inserito la posizione esatta dei loro laptop utilizzando le API QCN Google ben prima dell'evento e in questo modo hanno migliorato di molto l'accuratezza dell'informazione sulla posizione dei sensori.

Il rapporto tra il segnale misurato e il rumore di fondo osservato per i due laptop è inferiore a quello dei sensori permanenti e questo sia a causa dell'elevato rumore di fondo degli accelerometri inseriti nei laptop Macintosh (più o meno 8 mG per i modelli con processore PowerPC e 1 mG per i più recenti modelli con processore Intel), sia per il non ottimale accoppiamento tra il sensore e il suolo. Gli accelerogrammi MEMS forniscono una registrazione continua dell'evento.
QCN ha fornito la migliore registrazione 3D del terremoto di Rino del 28 aprile 2008 !

In futuro, se altri PC si uniranno a QCN, si potranno fare delle triangolarizzazioni dei trigger e si potrà determinare anche l'ipocentro del terremoto quasi in tempo reale (ndr: l'ipocentro di un terremoto è il suo vero punto di origine mentre l'epicentro è la sua proiezione verticale sulla superficie terrestre). [...]
 
 


Per commentare questo post nel forum devi effettuare il login

Articoli

Written on 11/02/2019, 11:13 by boboviz
boinc-workshop-2019Anche quest'anno si terrà il Boinc Workshop, dal 9 al 12 Luglio a Chicago. La partecipazione è libera e gratuita.

Ultime dal Blog

Written on 19/06/2017, 14:38 by boboviz
addio-lugano-bellaCari sodali scaccolatori,come alcuni di voi sanno, il sottoscritto, oltre ad essere appassionato di Boinc, è anche "appassionato" di HPC e, visto che il...