SENSEI, il maestro del sensing

Il progetto europeo che usa le fibre ottiche come sensori distribuiti per monitorare ambiente e sismi, migliorando anche la qualità delle reti dati

Una rete intelligente per l’ascolto del pianeta

Le fibre ottiche sono l’infrastruttura più diffusa sul nostro pianeta, con prospettive di ulteriore crescita per gli anni a venire, e le potenzialità di un loro utilizzo per il monitoraggio ambientale hanno destato l’interesse di scienziati, operatori di rete e istituzioni. Esse si estendono infatti dalle aree densamente popolate a quelle più remote del nostro pianeta, come mari e oceani, dove gli strumenti di rilevamento convenzionali sono pochi e di difficile installazione. L’utilizzo della rete come sensore permetterebbe una copertura più capillare della Terra rispetto ai sistemi di monitoraggio attualmente in uso ed è particolarmente attraente in vista di applicazioni quali lo sviluppo di sistemi di allerta, la supervisione delle infrastrutture critiche e il monitoraggio sismico.

Cecilia Clivati

Quando il disturbo diventa informazione

Il sensing in fibra ottica si basa su un principio molto semplice: le fibre ottiche sono immerse nell’ambiente e qualunque evento esterno ne può alterare le caratteristiche fisiche, inducendo deformazioni, torsioni, o variazioni della densità del vetro di cui sono composte. A loro volta, queste deformazioni si riflettono sui segnali ottici che trasmettiamo. Nell’ambito delle normali comunicazioni, questi fenomeni vengono considerati dei disturbi, ma se cambiamo prospettiva ci rendiamo conto che possono dirci molte cose su quanto avviene nell’ambiente intorno alla fibra.

Tecnologie avanzate ma con limiti da superare

Negli ultimi decenni sono state proposte diverse tecniche per rilevare le deformazioni meccaniche dei cavi installati, le più avanzate delle quali consentono di mappare la deformazione lungo il percorso di un cavo con una risoluzione di pochi metri. Tuttavia, la maggior parte di queste tecniche ha una portata inferiore a 200 km e si basa sul lancio di impulsi laser e l’analisi del segnale retro-diffuso; pertanto, non è compatibile con l'architettura convenzionale della rete, che è unidirezionale. Al contrario, la possibilità di interrogare fibre usate simultaneamente per il traffico dati, senza modifiche all’infrastruttura esistente, garantirebbe l’applicabilità del sensing in fibra a livello globale, trasformando davvero la rete delle telecomunicazioni in un enorme sensore distribuito. Ulteriori sfide riguardano l’interpretazione e il trattamento dei dati raccolti: la misura delle deformazioni è infatti solo il primo passo per lo sviluppo di un sistema di sensing globale basato su fibra. Occorre sviluppare la capacità di trasferire ed orchestrare in maniera efficiente i dati raccolti da più sensori ed interpretarli distinguendo eventi potenzialmente pericolosi (un segnale di terremoto, lavori stradali che rischiano di rompere il cavo), per attivare tempestivamente allarmi o azioni correttive.

SENSEI: un progetto europeo per ascoltare il pianeta

Per rispondere a queste sfide è partito a dicembre 2024 il progetto SENSEI (Smart European Networks for Sensing the Environment and Internet quality), finanziato dall’Unione europea nell’ambito del programma Horizon Europe per 3 anni. Il progetto è coordinato dall’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) e vede la partecipazione di GARR, oltre ad altri 13 partner da sei Paesi europei che includono enti di ricerca e università, esperti in fotonica, telecomunicazioni e geofisica, compagnie private ed operatori di rete.

Il progetto ha un duplice obiettivo: sviluppare la tecnologia necessaria per utilizzare la fibra ottica come un sensore distribuito e migliorare la qualità della trasmissione dati, sempre sfruttando i benefici derivanti da un monitoraggio avanzato dell’infrastruttura. Le attività si concentrano su quattro linee di ricerca che affrontano tutti gli aspetti del sensing in fibra, secondo il paradigma per cui la rivelazione di un evento deve essere seguita dalla sua interpretazione e deve guidare un’azione.

Fotonica di precisione: il primo passo verso il sensing intelligente

Nel corso del primo anno, l’attenzione sarà focalizzata sullo sviluppo di tecniche fotoniche in grado di misurare le deformazioni della fibra con alta risoluzione e sensibilità e senza interferire con la trasmissione dati. Fra i tanti approcci possibili, il consorzio si concentrerà su quelli basati sulla rivelazione della fase dei segnali luminosi trasmessi e sfrutterà le tecniche di stabilizzazione interferometrica e controllo della coerenza sviluppate da INRIM e dal suo omologo francese (Laboratoire Temps Espace, parte di CNRS), che da tempo le utilizzano per la distribuzione metrologica dei segnali di tempo e frequenza.

Dalle profondità del mare ai crateri islandesi

Le attività proseguiranno nel corso del secondo anno con test sul campo in vari scenari: dai cavi sottomarini presenti nel Mar Mediterraneo all’ambiente vulcano-sismico islandese, fino alle aree fortemente sismiche del centro e sud Italia. In questo contesto sarà rilevante il ruolo degli operatori di rete, fra cui GARR in particolare, che dispone di un gran numero di fibre nelle zone di interesse, e delle infrastrutture metrologiche Italian Quantum Backbone, realizzata da INRIM in collaborazione con GARR, e REFIMEVE+ in Francia, per la distribuzione di tempo e frequenza nei due Paesi. Grazie al contributo di sismologi ed esperti di intelligenza artificiale e machine learning, sarà sviluppata la capacità di interpretare in maniera autonoma ed affidabile i dati raccolti, discriminare fra eventi di origine diversa ed estrarre informazione quantitativa.

E la trasmissione dati?

In parallelo, SENSEI punta a integrare il sensing nella normale architettura di rete, sfruttando come sensori anche i normali elementi che abilitano il traffico dati e che sono in grado di esporre in streaming i dati di telemetria. Tale approccio permetterà di raccogliere informazioni non solo sulle deformazioni dei cavi, ma anche sullo stato di salute e sui parametri operativi dei dispositivi. Si tratta di informazioni fondamentali per monitorare la qualità del traffico, riconoscere guasti e malfunzionamenti e rispondere quindi al secondo grande obiettivo di SENSEI: migliorare la qualità della trasmissione dati grazie a una supervisione avanzata dell’infrastruttura nel suo complesso. La gestione di questo enorme e continuo flusso di informazione che raccoglie dati da dispositivi diversi ed eterogenei fra loro richiederà un design apposito dell’architettura di rete e lo sviluppo di un modello digitale dinamico della rete stessa, continuamente aggiornato sui dati reali, grazie al quale sarà possibile predire scenari di evoluzione e valutare le azioni più vantaggiose.

Il futuro si dimostra: applicazioni reali al terzo anno

Infine, nel corso del terzo anno, verranno attivati dei dimostratori di sensing in fibra in ambiti rilevanti per i potenziali fruitori di queste tecnologie. Fra essi, si cita ad esempio l’operazione di una rete gestita da un sistema di intelligenza artificiale che raccoglie e processa in maniera continuativa i dati di telemetria per migliorare la qualità della trasmissione, gestire malfunzionamenti e massimizzarne l’efficienza. Si dimostrerà inoltre l’integrazione del sensing in fibra nel sistema di monitoraggio sismico nazionale italiano. In questo caso di studio, le registrazioni delle deformazioni della fibra completeranno i dati raccolti con sismografi convenzionali e contribuiranno alla localizzazione degli eventi sismici e alla stima della magnitudo.

Verso un sensing globale e scalabile

Grazie a una costante e profonda interazione fra sviluppatori, operatori e utenti, SENSEI punta a dimostrare tecnologie innovative per il sensing (hardware e software) che tengano conto dei requisiti di acquisizione necessari alle varie applicazioni nel rispetto dei limiti delle infrastrutture di rete attuali. Il consorzio è infatti fermamente convinto che l’utilizzo della rete esistente, in coesistenza col traffico dati, e l’integrazione architetturale dei dispositivi di sensing nei sistemi di gestione siano i punti cardine per garantire la scalabilità del sensing in fibra a livello globale e la sua concreta applicabilità.