Dottorando: Ciro Fusco

Tutor: Prof.ssa Paola di Mascio - DICEA

Cotutor: Prof.ssa Mara Lombardi - DICMA

L’incremento della sicurezza nelle gallerie stradali

attraverso l’ottimizzazione dei sistemi

elettrici ed elettronici

Ammissione al III anno

Dalle prime fasi all’Indoor Positioning (IPS)

L’attività di ricerca è mossa dalla possibilità di

aumentare la sicurezza delle gallerie stradali attraverso

l’incremento prestazionale, sia in termini di affidabilità

che di funzioni, dei sistemi elettrici ed elettronici presenti

o realizzabili nell’infrastruttura stessa.

L’analisi dei sistemi, sia in condizioni ordinarie che di

emergenza, realizzata con un approccio olistico del

sistema impianti-galleria-utenza, ha permesso di

individuare alcune criticità per diversi elementi suscettibili

di significativi miglioramenti.

Ad esempio, i sistemi utilizzati per il supporto all’esodo

pedonale, in quanto si ritiene che le tecniche attualmente

adottate per facilitare l’esodo (indicazioni sui percorsi)

siano tecnologicamente superate e in alcuni casi

inadeguate.

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Indoor Positioning (IPS)

E’ opportuno dotare l’infrastruttura di un moderno

sistema informativo in grado di fornire indicazioni, anche

di tipo dinamico, sul miglior percorso da seguire per

abbandonare la galleria, sia in condizioni ordinarie che in

caso di emergenza, in relazione alla posizione e alle

caratteristiche dell’evento incidentale.

E’ stato quindi sviluppato un sistema di localizzazione

e navigazione interno all’infrastruttura (Indoor

Positioning System - IPS) a supporto dei sistemi

informativi attualmente presenti in galleria.

I sistemi di localizzazione indoor, adottati in

applicazioni di sicurezza in ambiente confinato, dovranno

necessariamente offrire adeguati livelli di fidatezza e

sostenibilità economica.

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Indoor Positioning con dispositivi Beacons BLE

L’analisi sullo stato dell’arte dei sistemi di localizzazione

indoor utilizzati in ambienti ordinari ha suggerito lo sviluppo di

un sistema IPS basato su dispositivi Beacons BLE e fruibile

anche attraverso l’utilizzo di un comune smartphone

compatibile bluetooth 4.0.

I beacons BLE sono dei dispositivi elettronici a basso costo,

aventi dimensioni dell’ordine di una moneta, che utilizzano la

tecnologia BLE (Bluetooth low Energy) per trasmettere

periodicamente segnali radio (nell’intorno dei 2.4 GHz)

contenenti modeste quantità di dati, captati ed elaborati da uno

o più ricevitori mobili, posti a distanze variabili da pochi

centimetri a qualche decina di metri.

Questi dispositivi, nati inizialmente per fornire all’utente

informazioni commerciali e pubblicitarie, vengono oggi utilizzati

in diversi ambiti, in quanto si prestano a numerose applicazioni,

tra cui anche quelle, in via di sviluppo, di Indoor Positioning.

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Indoor Positioning con dispositivi Beacons BLE

La localizzazione indoor con dispositivi

beacons BLE si basa sull’elaborazione dei

cosiddetti valori RSSI (Received Signal

Strength Indicator), ovvero sull’intensità dei

segnali radio captati dal ricevitore e relativi ad

ogni singolo beacon, identificato dal sistema in

modo univoco.

Per l’elaborazione delle radio triangolazioni

e la restituzione di dati spaziali necessari a

posizionare il soggetto nell’ambiente, il

sistema IPS necessita di un accurato

posizionamento dei beacons e di un’apposita

applicazione, precaricata sul ricevitore, che

dovrà possedere in memoria la mappa

dell’ambiente con associate le posizioni

d’installazione di ogni singolo beacon.

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RSSI in funzione della distanza: alcune criticità

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by Han Zou et al.; BlueDetect: An iBeacon-Enabled Scheme for Accurate and Energy-Efficient Indoor-Outdoor Detection

and Seamless Location-Based Service; Sensor 22 February 2016: DOI: 10.3390/s16020268

RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari

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RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari

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RSSI in funzione della distanza: rilievi preliminari

Perché Beacons BLE in galleria?

I principali motivi che hanno portato a scegliere questi dispositivi quale base di sviluppo per un sistema

IPS di galleria sono i seguenti:

Caratteristiche hardware e software relativamente semplici che si traducono positivamente in affidabilità di

funzionamento e in generale negli aspetti di una moderna progettazione RAMS

Possibilità di realizzare sistemi a radio frequenza molto distribuiti che consentono, con opportune

configurazioni, di ottenere un’elevata indipendenza funzionale tra i singoli dispositivi o tra piccoli gruppi di

dispositivi, anche in caso di perdita per guasto o incidente dei restanti elementi costituenti il sistema

Fruibilità delle applicazioni senza la necessità di utilizzare terminali mobili dedicati, in quanto risultano

sufficienti i comuni smartphone compatibili bluetooth 4.0, sia con sistemi operativi Android che iOS

Consumo energetico molto ridotto, caratteristica significativa anche per gli aspetti relativi all’alimentazione di

sicurezza

Dimensioni e peso trascurabili che consentono numerose soluzioni di installazione

Installazione semplice e manutenzione ridotta

Basso costo

Possibile implementazione di altre tecnologie di supporto alla localizzazione, ad esempio sistemi inerziali

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Prove sperimentali per valutare sul campo il comportamento

A fronte degli aspetti positivi sono da tenere in

considerazione criticità tipiche dei sistemi a radio frequenza,

relative alla propagazione del segnale, alla variabilità del

comportamento radio in relazione alle caratteristiche ambientali,

agli ostacoli, all’orientamento del ricevitore e alla presenza di

interferenze elettromagnetiche.

Il sistema di localizzazione con beacons BLE pur

consentendo architetture distribuite facilmente ottimizzabili e

l’applicazione di algoritmi di compensazione, non sempre è in

grado di fornire risultati accurati e precisi, in quanto negli

ambienti reali i segnali risentono di fattori di disturbo che

influiscono sui valori RSSI, restituendo errori di

localizzazione non sempre accettabili in relazione allo

scopo applicativo.

Al fine di valutare, se pur in modo preliminare, l’impatto di

queste criticità, molto variabili e spesso difficilmente modellabili,

si è ritenuto opportuno studiare il comportamento del sistema

attraverso alcune sperimentazioni di base effettuate

direttamente in galleria e in un ambiente ordinario, a scopo di

confronto.

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Sapienza (ambiente ordinario di confronto)

Galleria stradale di 150 m - Framura (SP)

Alcuni dettagli sulla sperimentazione

Le sperimentazione ha beneficiato del supporto

dell’azienda Blueup Srls - Colle Val d'Elsa (SI), che ha

fornito i dispositivi beacons con alcuni applicativi di

base, e della disponibilità del comune di Framura (SP),

nella figura del Sindaco Sig. Andrea Da Passano, che

ha autorizzato la prova in una galleria stradale del

comune, lunga circa 150 m e larga circa 8 m, situata in

prossimità della stazione ferroviaria

I beacon sono stati posizionati in parete in due distinti

tratti di galleria. I dispositivi identificati in blu sono stati

posizionati a 3 m da terra, mentre quelli color rosso a

1,5 m. La distanza in parete tra i dispositivi è stata

fissata a 10 m circa (sfalsati tra parete sx e dx). Le due

diverse altezze da terra sono state individuate per

studiare il comportamento in considerazione di diversi

aspetti, quali ad esempio: propagazione del segnale,

interferenze veicolari, opportunità di alimentazione e

controllo cablato, vulnerabilità a urti e incendi.

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Alcune immagini delle fasi preparatorie

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Un riscontro sperimentale sull’accuratezza della

localizzazione in galleria

La riga verde vicino ad un beacon rappresenta la posizione di una uscita

di sicurezza, simulata in galleria con un cartello segnaletico e con delle

luci color verde. Il cerchio azzurro vicino alla riga verde indica la posizione

dell’operatore durante la prova. La posizione individuata dal sistema di

localizzazione può essere confrontata con la posizione reale di uno degli

operatori (figura 2). La freccia verde indica la posizione dell’uscita di

emergenza simulata. Dalle due immagini si può apprezzare l’accuratezza

del risultato riscontrato durante questo specifico test.

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Figura 1

Figura 2

La figura 1 rappresenta uno

degli screenshot salvato durante

le prove, relativo allo schermo

dello smartphone utilizzato.

Dall’immagine si può osservare

una porzione della pianta di

galleria. I semicerchi rossi

rappresentano i beacons,

riportati in pianta al fine di poterli

utilizzare come riferimento

posizionale durante i test.

Nota: i risultati sperimentali saranno oggetto di analisi completa nei prossimi mesi di ricerca.

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Alcune immagini della sperimentazione

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Figura 1 Figura 2

Figura 3 Figura 4

Prova con Beacons a 1,5 m da terra

Figura 1 - test di navigazione

longitudinale: accuratezza soddisfacente

(errori entro 2-3 m)

Nota: a passo veloce si rileva un certo

ritardo nell’aggiornamento della posizione

Figura 2 - test di posizionamento statico,

nelle vicinanze di un beacon: accuratezza

elevata (errori entro 1-2 m)

Nota: si rilevano errori di accuratezza e

precisione simili ad ogni aggiornamento)

Figura 3 - test di navigazione

longitudinale tra i veicoli fermi: accuratezza

accettabile (errori entro 2-4 m)

Nota: a passo veloce si rileva un certo

ritardo nell’aggiornamento della posizione

Figura 4 - test ripetuti con sorgenti di

disturbo a 2.4 Ghz, poste a circa 1 m dallo

smartphone: non si sono rilevate

apprezzabili differenze rispetto a quanto

sopra descritto

Le funzioni IPS in studio per il supporto all’esodo pedonale

(condizioni ordinarie)

IPS, condizioni ordinarie, livello

prestazionale base

L’utente che ha la necessità di

abbandonare l’infrastruttura in

condizioni ordinarie, riceverà

indicazioni sulla sua posizione in

relazione alla pianta di galleria

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IPS, condizioni ordinarie, livello

prestazionale avanzato

L’utente che ha la necessità di

abbandonare l’infrastruttura in

condizioni ordinarie, riceverà

indicazioni sulla sua posizione in

relazione alla pianta di galleria con

l’indicazione delle distanze in gioco

Le funzioni IPS in studio per il supporto all’esodo pedonale

(condizioni di emergenza)

IPS, condizioni di emergenza,

livello prestazionale base

L’utente che ha la necessità di

abbandonare l’infrastruttura in condizioni

di emergenza, riceverà indicazioni sulla

sua posizione in relazione alla pianta di

galleria con l’indicazione del verso da

seguire (l’incendio non sarà visibile in

mappa)

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IPS, condizioni di emergenza,

livello prestazionale avanzato

L’utente che ha la necessità di

abbandonare l’infrastruttura in condizioni

di emergenza, riceverà indicazioni sulla

sua posizione in relazione alla pianta di

galleria con l’indicazione del verso da

seguire e delle distanze in gioco

(l’incendio sarà visibile in mappa).

Possibile implementazione di aspetti di

valutazione rischio

Ulteriori approfondimenti e sviluppi

A completamento del progetto si prevede di studiare ed eventualmente sperimentare,

mantenendo l’approccio RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) che

ha caratterizzato lo studio, adeguati sistemi di alimentazione e controllo dei dispositivi

beacons. In particolare, sarà analizzata l’applicazione di circuiti di sicurezza ad elevata

integrità funzionale, supportati eventualmente da alimentazioni autogene ad elevate

prestazioni, da integrare in ciascun beacon.

Il sistema di localizzazione di questo progetto si presta anche ad altre applicazioni,

alcune delle quali potrebbe essere oggetto di approfondimento. Si individuano sin d’ora

i seguenti ulteriori ambiti applicativi:

Supporto alla manutenzione, anche in merito ad aspetti di gestione certificata della

manutenzione

Supporto alle squadre di soccorso

Supporto alla guida, attraverso l’invio di informazioni a dispositivi preposti a bordo dei

veicoli

Supporto indoor al sistema di navigazione GPS

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Consuntivo e cronoprogramma previsto

IN

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Grazie per l’attenzione

IN

Framura (SP) – 13 ottobre 2018