FAAS: un sistema automatico per l'allarme sismico. FAAS: an automatic system for seismic alerting

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1 Bragato P.L., Govoni A. Dip. Centro Ricerche Sismologiche di Udine Osservatorio Geofisico Sperimentale di Trieste FAAS: un sistema automatico per l'allarme sismico Riassunto. FAAS (Friuli Automatic Alert System) è un sistema automatico per l'allarme sismico che opera in connessione con la rete sismometrica del Friuli-Venezia Giulia ai fini del controllo continuo della sismicità regionale. Il sistema verifica la registrazione di nuovi eventi, ne valuta la rilevanza per la regione e, nel caso sussistano le condizioni di allarme, ne dà comunicazione via fax e via posta elettronica alla Protezione Civile regionale, alle Prefetture e ad altri istituti sismologici, allertando inoltre tramite telefono un sismologo in turno di reperibilità. Tra i destinatari dei messaggi sono previsti anche moduli software remoti che realizzano funzioni specifiche. Tra questi, il sistema per il monitoraggio sismico attivo presso la sala operativa della Protezione Civile Regionale del Friuli-Venezia Giulia. FAAS: an automatic system for seismic alerting Abstract. An automatic alert system named FAAS (Friuli Automatic Alert System) has been developed at the Friuli-Venezia Giulia seismic network (NE Italy) in order to monitor seismicity in the region, to evaluate conditions for alerting and, if the case, to notify authorities as well as other seismological institutions with the focal parameters of the earthquakes. Messages are sent via fax and , while a telephone call is placed to a seismologist who can intervene at the acquisition center in order to refine data analysis and to follow the seismic sequence. Messages are sent also to remote software modules which implement specific functions. Among these, a graphical interface to monitor seismic activity which has been installed at the operation center of the regional rescue organization. 1. Introduzione Sempre più spesso le amministrazioni locali e le istituzioni che finanziano le reti sismiche in Italia richiedono che queste ultime siano in grado di fornire un servizio di allarme rapido per la prima localizzazione dei terremoti di maggior rilievo. E' questo il caso della rete del Friuli-Venezia Giulia (Fig.1), una rete sismometrica locale attiva dal 1977 e gestita dal Dipartimento Centro Ricerche Sismologiche di Udine (CRS) dell'ogs di Trieste nell'ambito di una convenzione con il Dipartimento di Protezione Civile della Regione Autonoma Friuli- Venezia Giulia. Al fine di soddisfare questa esigenza presso il CRS è stato sviluppato un sistema automatico per l'allarme sismico denominato FAAS (Friuli Automatic Alert System) che riunisce capacità autonome di riconoscimento ed elaborazione degli eventi sismici con quelle di comunicazione. Alla base del suo progetto vi è l'idea di fornire i dati di localizzazione a diverse classi di utenti che possono differire per interessi e competenza sismologica nonché per le modalità di connessione (telefono, fax, posta elettronica, Internet, collegamenti dedicati ed interfacce grafiche specifiche). Al fine di permettere una crescita modulare del sistema, tra i destinatari dei messaggi sono stati previsti anche moduli software remoti che realizzano funzioni specifiche e che comunicano con il nucleo di FAAS mediante messaggi di posta elettronica opportunamente strutturati. Tra questi, già realizzato ed in funzione, un sistema grafico per il monitoraggio sismico installato presso la sala operativa della Protezione Civile del Friuli Venezia Giulia, mentre è in corso di messa a punto il modulo per l aggiornamento automatico della pagina WWW del dipartimento.

2 Figura 1. Rete sismometrica del Friuli Venezia Giulia. La rete si compone di 15 stazioni velocimetriche collegate via radio con la stazione di acquisizione di Udine. Di esse, 11 sono dotate di sensore verticale, 4 di sensore tridimensionale. Per quel che riguarda il campionamento, 13 stazioni sono campionate ad 62.5 Hz mentre 2 stazioni sono campionate a 125 Hz. L acquisizione avviene per mezzo di un sistema LENNARTZ MARS88/RC. Nei riquadri sono raffigurati i dettagli dei dispositivi installati presso ciascuna stazione remota ed presso la stazione centrale. Il sistema di allarme deve integrarsi con le normali procedure di elaborazione in uso presso il CRS e finalizzate alla realizzazione di bollettini preliminari e definitivi. Allo scopo FAAS è stato dotato di un'uscita verso il programma di analisi di dati sismologici PITSA (Sherbaum & Johnson, 1993) per mezzo del quale il sismologo può controllare e raffinare l'analisi automatica. 2. Problematiche legate all'acquisizione dati Il monitoraggio sismico in tempo reale pone vincoli riguardo la scelta del canale di comunicazione, il quale deve garantire la massima affidabilità ed essere quindi il più possibile indipendenti da infrastrutture a terra che potrebbero essere danneggiate dai terremoti. D'altra parte è necessario disporre di una banda di comunicazione sufficientemente ampia (la rete del Friuli-Venezia Giulia nella sua attuale configurazione (Fig.1) produce 29kbit/s di soli dati). In questo contesto, quella della comunicazione via radio è sicuramente una delle soluzioni più valide, sebbene il ricorso ad essa sia fortemente scoraggiato dalla scarsità delle frequenze disponibili e dalla difficoltà burocratiche frapposte alla concessione delle licenze. Nel caso della rete del Friuli-Venezia Giulia si è cercato una soluzione di compromesso, che

3 minimizzasse il numero di frequenze necessarie al costo di un ritardo accettabile nell'acquisizione. La soluzione è costituita da un sistema di comunicazione basato sul passaggio di token che consente a più stazioni di condividere una stessa frequenza. In questo modo, l'acquisizione dati dall'intera rete (15 stazioni) richiede l'utilizzo di tre sole frequenze. Questa scelta ha un forte impatto sulle prestazioni del sistema automatico di allarme. Infatti, il ritardo indotto dalla condivisione delle frequenze è tale che l'acquisizione di una porzione di dati sufficiente alla localizzazione di un terremoto richiede circa 6 minuti. Ciò fa si che le prime segnalazioni vengano inviate in circa 8 minuti. Nonostante questa limitazione il sistema di allarme è comunque compatibile con finalità di protezione civile e di organizzazione di eventuali soccorsi. 3. Descrizione del sistema di allarme Il sistema FAAS si compone di tre moduli funzionali denominati rispettivamente "Analyser", "Decision Maker" e "Communicator" realizzati sotto forma di processi UNIX indipendenti comunicanti tra loro per mezzo di scambio di file (Fig.2). I tre processi sono eseguiti sulla stessa macchina dell'acquisizione dati. Le funzioni sono così ripartite: Analyser: preleva i dati dal sistema di acquisizione e verifica la presenza di eventi significativi mediante un meccanismo di coincidenza tra stazioni. Effettua quindi tutti i passi di elaborazione, che vanno dalla stima della frequenza dominante del segnale, al picking delle onde P ed S, alla localizzazione, alla stima della magnitudo. Come vedremo, la frequenza dominante è il parametro considerato dal Decision Maker al fine di scartare eventi troppo lontani ed al di fuori delle capacità di localizzazione del sistema di allarme. Tale frequenza viene calcolata in maniera approssimata sulla base del numero medio di attraversamenti dello zero al secondo. Il picking delle onde P viene effettuato sulla base dell'algoritmo di Baer e Kradolfer (1987), mentre per il picking delle S viene utilizzata una tecnica originale descritta in questo stesso volume. Per quel che riguarda la magnitudo, vengono calcolate sia una magnitudo da durata M D (sulla base delle formule di Rebez e Renner (1991)) che la magnitudo da ampiezza M L. Quest'ultima viene ottenuta applicando la formula di Richter (1935) log(a)-log(a 0 ) alla massima ampiezza A rilevata sul tracciato di un sismometro Wood-Anderson, tracciato ottenuto per simulazione a partire da dati velocimetrici. La simulazione avviene sulla base della procedura numerica suggerita da Tento (1995). La localizzazione degli eventi viene infine effettuata per mezzo del programma HYPO71 (Lee & Lahr 1975). Tutti i risultati dell'elaborazione vengono sintetizzati in un report che viene passato al Decision Maker. Decision Maker: sulla base del report fornitogli dall'analyser questo modulo classifica l'evento, ne valuta il grado di rilevanza per la regione monitorata e ne stabilisce il livello di allerta. Un evento viene considerato al di fuori della portata di localizzazione del sistema se la sua frequenza dominante è inferiore ai 2.5 Hz (il che equivalente a stabilire una portata di localizzazione di circa 250km). Sulla base dell'affidablità della localizzazione e della magnitudo dell'evento, viene quindi definito il livello di allarme, che può essere 1 (evento locale di bassa magnitudo), 2 (evento fuori dalla portata di localizzazione del sistema) o 3 (evento ben localizzato con magnitudo maggiore a 2.8). Il livello di allarme ed i parametri di localizzazione e magnitudo vengono forniti in input al modulo Communicator.

4 FRIULI AUTOMATIC ACQUISITION SYSTEM ALERT SYSTEM ANALYSER P and S-picking PITSA location magnitude evaluation SIGNAL DATABASE dominant frequency estimation DECISION MAKER location quality analysis parameter value selection decision for alerting COMMUNICATOR receiver selection message production and sending alert level selection SUN Sparc10 computer link ( , file transfer) telephone line (fax, telephone call) authorities, seismological institutions, remote software modules, seismologist at home Figura 2. Architettura del sistema FAAS. Communicator: dato il livello di allarme determina il gruppo di utenti che devono essere allertati. Per ciascun utente genera il tipo di messaggio più appropriato e lo inoltra lungo il canale di comunicazione predefinito. Nel caso di eventi del livello 1, il sistema invia un messaggio di posta elettronica contenente i dati di localizzazione ai componenti del CRS. In caso di eventi del livello 2, per i quali non esiste una localizzazione affidabile, si limita ad inviare i picking delle P via posta elettronica ad altre istituzioni sismologiche. Il livello 3, infine, rappresenta il livello di allarme generale, in corrispondenza al quale viene allertata la sala operativa della protezione civile regionale (mediante il sistema di monitoraggio descritto al successivo punto 4), vengono inviati fax alle Prefetture nonché messaggi di posta elettronica alle altre istituzioni sismologiche. Il sistema effettua quindi una chiamata al telefono cellulare del sismologo in turno di reperibilità che può quindi intervenire presso il Centro per verificare il buon funzionamento del sistema di allarme e seguire l'evoluzione del fenomeno.

5 4. Il sistema di monitoraggio presso la sala operativa della Protezione Civile del Friuli-Venezia Giulia A complemento del sistema automatico di allarme è stato realizzato ed installato a Palmanova (a circa 15 km da Udine) presso la Sala Operativa Regionale (SOR) della Protezione Civile del Friuli-Venezia Giulia un sistema per il monitoraggio sismico che consiste essenzialmente in una workstation posta in collegamento con la rete di calcolo del CRS mediante una linea dedicata a 64kbit/s e sulla quale viene eseguito un programma per la visualizzazione dei sismogrammi in corso di registrazione e per la rappresentazione grafica delle localizzazioni elaborate dal sistema automatico di allarme. Nel dettaglio, il sistema di allarme comunica alla workstation presso la SOR tutti i dati riguardanti lo stato dell'acquisizione e i risultati dell'elaborazione effettuate tramite messaggi opportunamente strutturati. Questi messaggi vengono interpretati e resi in forma grafica da un'applicazione denominata "qkmonitor" sviluppata per UNIX in ANSI C sfruttando le librerie grafiche MOTIF (Fig.3). Lo scopo dell'applicazione è quello di fornire ad un utente, anche non specializzato, le informazioni principali sullo stato di funzionamento della rete sismometrica ed una interfaccia grafica intuitiva per accedere ai dati comunicati dal sistema di allarme. Il programma supporta anche un secondo livello di interattività, più specialistico, riservato al personale del CRS che dovesse intervenire presso la SOR. A questo livello è possibile ad esempio effettuare il picking manuale e la rilocalizzazione degli eventi. Figura 3. L interfaccia grafica "qkmonitor", il modulo software remoto in funzione presso la Sala Operativa Regionale (SOR) della Protezione Civile del Friuli-Venezia Giulia. Il programma, che è stato sviluppata come un'applicazione desktop a tutto schermo, gestisce tre finestre con funzionalità specifche:

6 Stato dell'acquisizione: è la finestra posta nell'area inferiore dello schermo. Visualizza in tempo reale i sismogrammi registrati dalle diverse stazioni della rete ricampionati ad 1Hz. I sismogrammi scorrono sincronizzati nel tempo e rimangono visibili per tutta l'ora successiva al momento della registrazione. Mappa epicentrale: è collocata nell'area superiore a sinistra dello schermo. Rappresenta i confini regionali e la dislocazione delle stazioni della rete. Per ciascun allarme comunicato rappresenta l'epicentro con un cerchi proporzionale alla magnitudo. Lista degli allarmi: visualizza, nell'area superiore a destra, i dati principali di tutti gli allarmi ricevuti (data, località, magnitudo e numero di riferimento del corrispondente comunicato inviato via fax). Selezionando con il mouse un evento, si ottiene la visualizzazione dell'epicentro sulla mappa a sinistra. Con il doppio click del mouse è inoltre possibile visualizzare il comunicato inviato via fax alle prefetture. Alla ricezione di un nuovo allarme la lista viene aggiornata e viene attivata una segnalazione sonora che rimane attiva fino all'intervento dell'operatore. A questa stessa finestra appartiene la barra con il menù "System" tramite il quale è possibile accedere alla modalità di interazione esperta a cui si è fatto riferimento in precedenza. 5. Conclusioni Quella presentata è la prima versione del sistema di allarme FAAS che soddisfa ai requisiti di base di elaborazione e segnalazione di eventi sismici in tempi inferiori ai 10 minuti. L'abbattimento di questi tempi richiede una completa revisione delle modalità di acquisizione, cosa che allo stato attuale non appare prospettabile. Il sistema può invece essere migliorato per quel che riguarda l'inserimento di un più sofisticato criterio di individuazione degli eventi che permetta di discriminare scosse anche molto ravvicinate nel tempo (meno di un minuto). Si sta inoltre prendendo in considerazione il problema della saturazione dei sensori in caso di forti terremoti. Da valutazioni empiriche, infatti, si desume un livello di saturazione della rete attorno a magnitudo 5. Si sta quindi valutando la possibilità di installare anche una serie di stazioni accelerometriche (almeno 4). 6. Ringraziamenti Si ringrazia tutto il personale del CRS per l'aiuto fornito nella messa a punto del sistema. Si ringraziano in particolare i tecnici per lo svolgimento del servizio di reperibilità connesso al funzionamento dell'allarme sismico. La Rete Sismometrica del Friuli Venezia Giulia riceve il contributo della Regione Autonoma Friuli-Venezia Giulia - Direzione Regionale della Protezione Civile nell'ambito di una convenzione relativa a "Studio della sismicità regionale e gestione della rete di controllo sismico del territorio regionale a fini di protezione civile" (contratto 95/96). Bibliografia Baer, M. & Kradolfer, U., An automatic phase picker for local and teleseismic events, Bull. seism. Soc. Am., 77,

7 Lee, W. H. K. & Lahr, J. C., HYPO71 (REVISED): A computer program for determining hypocenter, magnitude, and first motion pattern of local earthquakes, U. S. Geol. Surv. Open-File Report , 100pp. Rebez, A & Renner, G., Duration magnitude for the Northeastern Italy seismometric network. Boll. di Geof. Teorica ed Applicata, 33, Richter, C.F., An Instrumental Earthquake Magnitude Scale, Bull. seism. Soc. Am., 25, Sherbaum, F. & Johnson, J., PITSA, Programmable Interactive Toolbox for Seismological Analysis, IASPEI Software Library Vol. 5. Tento, A., Simulazione della registrazione di un sismografo Wood-Anderson ottenuta da dati velocimetrici a corto periodo, Rapporto Tecnico, IRRS-CNR, Milano. Testo controllato dal Dott. Alessandro Roncato del Dipartimento di Informatica dell Università di Venezia