Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS

Apéndice
C
Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Evaluación local automatizada en tiempo real (ALERT)
El sistema ALERT fue desarrollado inicialmente en la década de 1970 por el Centro de
Pronósticos Fluviales de California-Nevada en Sacramento, California (U.S. Department of
Commerce, 1997a), y consiste de sensores meteorológicos e hidrológicos automatizados de
reporte de eventos, equipo de comunicación así como software y hardware de cómputo. En
su forma más simple, los sensores de ALERT transmiten señales codificadas, generalmente
a través de frecuencias de radio muy alta (VHF) y ultra alta (UHF), a una estación base, a
menudo por medio de uno o más sitios de relevo o de repetidoras de radio (referirse a la Figura
C.1 de U.S. Department of Commerce 1997b). La estación base, que consiste en equipo
receptor de radio y un microprocesador que corre el software ALERT, recopila estas señales
codificadas y las procesa convirtiéndolas en información hidrometeorológica significativa.
La información procesada puede ser mostrada en una pantalla de computadora según varios
criterios prestablecidos, con alarmas tanto visuales como audibles que se activan al alcanzar
estos criterios. Algunos sistemas tienen la capacidad de notificar automáticamente a individuos
o iniciar otras acciones programadas cuando se exceden los criterios prestablecidos.
Los sistemas ALERT son redes de sensores ambientales de eventos en una vía. Cada plataforma
de recolección de datos (PRD) está programada para transmitir una breve ráfaga de datos
cuando es detonada por cambios ambientales (por ejemplo, recibir 1 mm de lluvia o registrar
un cambio de 1 mm en la profundidad del río). Los transmisores modernos de ALERT también
pueden ser programados para proveer datos de series de tiempo.
El sistema ALERT estándar no se adapta bien para controles de supervisión, como operaciones
de compuertas, ya que es un sistema de una vía. Sin embargo, proveedores innovadores han
expandido el uso del protocolo para operar automáticamente luces intermitentes de alerta,
conectar y desconectar sitios de sensores remotamente y cambiar de repetidoras de radio
remotamente.
Un “evento” típico de ALERT es que un pluviómetro basculante señale la acumulación de 1
mm de lluvia. La PRD envía un mensaje de 4-bytes utilizando modulación por desplazamiento
de frecuencia a 300 baudios. La ráfaga de datos real es un pulso de 133 milisegundos de
duración que contiene un número de 13 bits (0 a 8191) que identifica el sensor y un número de
11 bits (0 a 2047) que codifica el valor de los datos. El software en el sitio de recepción reconoce
el identificador (ID) transmitido y decodifica el valor de los datos en unidades apropiadas de
ingeniería usando información almacenada acerca del sensor.
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
E-1
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Figura C.1 Representación esquemática de un sistema ALERT
Los sistemas ALERT en uso actualmente pueden ser muy sofisticados. Algunos tienen la
capacidad de desplegar información gráfica independiente o combinada (como extensión
areal de una crecida, inundación de carreteras, rutas de evacuación, almacenes de depósito,
hospitales y centros de población) en pantallas de proyección de gran tamaño. Además, los
datos observados pueden alimentar un modelo de lluvia-escorrentía para producir pronósticos.
Un sistema puede consistir de más de una estación base conectadas por redes de repetidoras
para pasar información cruda sin procesar de un grupo de usuarios a otro. Sin embargo, los
sistemas ALERT son básicamente sistemas de recolección de datos desarrollados para lidiar con
problemas locales específicos y normalmente tienen poca o ninguna capacidad de computación
en red.
Los sistemas ALERT generalmente son financiados y respaldados localmente. Estos sistemas son
relativamente costo-eficientes. Un nuevo sitio de sensores puede ser instalado por unos pocos
miles de dólares estadounidenses. Los únicos costos recurrentes son para el mantenimiento
del sitio y de los sensores (ignorado con mucha frecuencia). Los sistemas de sensores y de
comunicación de datos utilizados son de baja tecnología comparados con los estándares de
percepción remota disponibles hoy día, y sin embargo el impacto de tener datos en tiempo real
puede ser invaluable. Al escoger ALERT, un grupo está invirtiendo en una red de sensores que
es altamente funcional y puede expandirse conforme las necesidades crecen y cambian.
Existen varios grupos de usuarios regionales muy activos en los Estados Unidos y continúan
multiplicándose. Muchas ciudades, condados y algunos estados de ese país han instalado
sistemas ALERT para lidiar con problemas de inundación causados por el aumento en la
urbanización (pavimentación de superficies permeables y restricción de ríos que históricamente
han tenido caudales altos o han sido propensos a las crecidas repentinas) y para proteger
asentamientos en áreas de alto riesgo, como ciudades que han surgido en las bocas de los
cañones montañosos. Debido a que la tecnología es relativamente simple y barata, a menudo es
escogida para uso en áreas remotas y en países en desarrollo.
Muchos sistemas son propiedad o reciben mantenimiento de más de una organización
participante; cada miembro de ALERT es dueño o mantiene sólo una pequeña porción del
sistema completo. En muchos casos, el SMHN no es dueño del equipo de un sistema particular.
E-2
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
En algunos casos, los patrocinadores del sistema local proveen el equipo (radios, computadoras,
etc.) al SMHN para uso en sus oficinas de campo, ya que reconocen los beneficios de los
pronósticos y las alertas del SMHN. Versiones de proveedores privados de este software están
disponibles y en uso. Ver la siguiente sección sobre el software ALERT abajo o el Capítulo 12
de U.S. Department of Commerce (1997b), así como otras fuentes para listas de referencias.
Los sistemas ALERT se están utilizando en todo Estados Unidos y en algunos otros países,
principalmente en Asia, Australia y América del Sur.
Fortalezas y debilidades de ALERT
Los sistemas ALERT representan una de las opciones más simples de telemetría (medición
y transmisión automática de datos por cable, radio y otros medios desde fuentes remotas)
disponibles para monitorización ambiental automatizada y esto constituye una de sus mayores
fortalezas, así como una de sus mayores debilidades. Las fortalezas incluyen:
4 Los sistemas utilizan transmisión de una vía, por lo que no hay necesidad de instalar y
suplir energía a un receptor en cada localización de sensores. Este menor costo inicial
reduce o elimina la necesidad de paneles solares y simplifica el mantenimiento.
4 El costo fijo de la transmisión de datos es mínimo y no es necesario un protocolo de
enlace (contraseña, autenticación, etc.) entre la fuente y el destino de los datos.
4 En vista de que la estación base de recolección de datos sólo necesita escuchar, en una red
ALERT puede haber un número ilimitado de estaciones receptoras independientes.
4 Nuevas estaciones de sensores pueden ser agregadas fácilmente a las redes existentes.
4 Debido a que las transmisiones de datos son disparadas por eventos, los sistemas ALERT
son la principal opción en tiempo real. Ofrecen transmisión inmediata solamente de los
datos que cambian y no saturan los canales de comunicación con mensajes de que no
hay cambios.
Algunas de las limitaciones de ALERT emanan de su naturaleza asociada con eventos:
4 Dos PRD podrían, por casualidad, transmitir casi al mismo tiempo en el mismo canal
de radio, por lo que las dos transmisiones podrían traslaparse parcial o totalmente.
4 Esto puede resultar en la pérdida de una o ambas transmisiones de datos. Para lluvia,
esta pérdida de datos es tolerable porque cada transmisión codifica un valor acumulado
y la estación base compara este valor con el último valor recibido exitosamente. Por lo
tanto, un informe perdido de lluvia generalmente no causa inexactitud en los totales de
lluvia, sino solamente una pérdida de información sobre su distribución temporal.
4 Los sensores de ALERT que reportan valores discretos, como profundidad del río o
parámetros individuales del tiempo, deberían ser programados para que el umbral de
transmisión del evento sea lo suficientemente bajo para asegurar que múltiples mensajes
de datos sean enviados antes de alcanzar un nivel crítico en el sensor.
Para operaciones de monitorización de tiempo severo y crecidas en tiempo real, las ventajas de
ALERT en costo y eficiencia de ancho de banda sobrepasan por mucho sus limitaciones.
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
E-3
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Cómo se usa el espectro de radio en los sistemas ALERT
En los Estados Unidos, los sistemas ALERT operan en un conjunto de frecuencias específicas
controladas a nivel federal designadas para la recolección de datos hidrológicos (de 169 a 171
MHz). Hasta recientemente, la mayoría de los radios de ALERT ocupaban bandas de 25 KHz
dentro de esta región, pero a partir de 2005 a todos los canales de ALERT se les estrechó la
banda, para ocupar bandas de 12.5 KHz. El uso de estas frecuencias por gobiernos o entidades
locales es permitido cuando el uso es endosado por una agencia federal cooperante y los datos
son puestos a disposición de la agencia cooperante.
Un comité del grupo de usuarios de ALERT compuesto de entidades del sector público y
privado está desarrollando la siguiente generación de tecnología ALERT con tasas mayores de
datos, detección de errores y corrección de errores de envío, así como la transmisión de valores
completos de ingeniería e información. El nuevo protocolo debería incluir la opción de usar
comunicación en dos vías, permitiendo así programación remota, interrogación (polling) y
control del conjunto de sensores y otros instrumentos conectados. El nuevo protocolo soportará
el uso simultáneo del protocolo anterior, permitiendo así la transición gradual de los sistemas
existentes.
Software ALERT
Varias aplicaciones de software de la estación base en uso actualmente reciben y procesan
datos de sistemas ALERT. Las aplicaciones utilizadas más comúnmente corren en los sistemas
operativos para PC de Microsoft Windows (ej., STORM Watch de OneRain Incorporated o
DataWise) o QNX (ej., NovaStar o Hydromet). El propósito de estas aplicaciones es recolectar
y archivar automáticamente los datos de la red de sensores, permitir a los usuarios de la estación
base examinar los datos actuales e históricos de los sitios de medición, proveer una base para el
uso de herramientas adicionales de modelamiento y análisis y enviar alarmas y notificaciones
automatizadas acerca de condiciones críticas.
Conforme el uso de redes de área local y de área amplia ha aumentado, algunas de estas
aplicaciones han evolucionado para diseminar datos en tiempo real. Hasta recientemente, se
requería que los usuarios tuvieran una estación base con acceso directo de radio a la red de
sensores o que utilizaran un módem telefónico para marcar directamente a la estación base.
Hoy en día, un usuario autorizado de STORM Watch en cualquier parte del mundo puede
usar Internet para colocar datos de “su” servidor de STORM Watch en una base de datos
local, procesar alarmas, disparar una notificación automática, correr modelos de pronóstico
hidrológico e iniciar planes de respuesta a emergencias casi en tiempo real (con una diferencia
de un par de minutos del momento del evento ambiental).
Sistema integrado de observación y alerta de inundaciones
(IFLOWS)
Según han señalado Gayl (1999) y el U.S. Weather Service Hydrology Handbook No. 2
(1997b), el NWS de los Estados Unidos apoya una aplicación de redes y software de cómputo
diseñada para ayudar a los servicios de emergencia estatales y locales así como a las oficinas del
E-4
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
NWS a detectar y manejar los eventos de crecidas repentinas. El software recibe y disemina
datos desde una red de sensores en tiempo real, mayormente pluviómetros, que cubre parte de
la región este de los Estados Unidos. El sistema como un todo es conocido como el Sistema
Integrado de Observación y Alerta de Inundaciones (IFLOWS). El sistema es bastante
anticuado, pero es útil aquí como ejemplo de un enfoque que ha sido exitoso.
IFLOWS fue creado a finales de la década de 1970 para asistir a las comunidades propensas
a las inundaciones en los estados de los montes Apalaches con el desarrollo de sistemas
automatizados de alerta de crecidas. IFLOWS es una alianza de participación en los gastos entre
agencias de gobierno a nivel federal, estatal y local. Las redes IFLOWS actualmente recopilan
datos de más de 1000 pluviómetros en 200 condados en todo el noreste de los Estados Unidos.
El sitio web de IFLOWS es http//www.afws.net. IFLOWS puede ser visto como una red a nivel
de toda el área de sistemas tipo ALERT con capacidad mejorada e integral de comunicación
de doble vía (voz, datos y texto). Si se quiere, IFLOWS puede ser configurado como un sistema
independiente para una comunidad local. Por otro lado, el sistema ALERT normalmente es
configurado como un sistema independiente para una entidad del gobierno local. El usuario
potencial de un SLAI, durante la fase de diseño, debería considerar la configuración de la
red junto con sus costos y capacidades asociadas en toda el área así como la configuración
independiente junto con sus capacidades locales.
IFLOWS sirve de red regional tanto de recolección de datos como de diseminación de
información, es decir, el software IFLOWS opera como una red de interrogación de sistemas
tipo ALERT (referirse a la Figura C.2 de U.S. Department of Commerce 1997b). Además de
realizar funciones de adquisición y procesamiento de datos en tiempo real, el software IFLOWS
maneja la conexión de las redes y la transferencia de información entre computadoras. Las
computadoras de IFLOWS recolectan y procesan la información de los sensores remotos;
actúan como concentradores de datos, permitiendo que más información pase por un canal
determinado de comunicación en un período de tiempo específico, y sirven como puertos de las
redes regionales de comunicación. No todos los puertos de entrada a una red IFLOWS realizan
todas estas funciones continuamente. Sin embargo, todos permanecen continuamente en línea.
En caso de falla de la red, una computadora IFLOWS puede funcionar como estación base
independiente del tipo ALERT.
El software IFLOWS utiliza un puerto de comunicación dedicado para intercambiar
datos e información de texto con otros sitios de la red IFLOWS, utilizando un formato de
paquete de datos con control de errores, muchas veces conocido como la “columna vertebral
de IFLOWS”. Un sitio de interrogación designado por red dirige el tráfico a la columna
vertebral, encaminando los datos a los destinos correctos y evitando colisiones entre las
estaciones interrogadas. Los circuitos de comunicaciones actuales con la columna vertebral
de IFLOWS utilizan radio VHF/UHF, microondas, líneas telefónicas dedicadas, satélites e
internet para enviar datos entre computadoras. Esta configuración permite a cada sitio que
recibe información de mediciones operar independientemente, al tiempo que permite que ese
sitio también comparta datos con otros sitios de la red. El software IFLOWS además tiene la
capacidad de desplegar datos de medición, establecer alarmas e intercambiar mensajes de texto
con otros usuarios de la red.
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
E-5
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Como se muestra en la Figura C.2, la red IFLOWS se divide en una serie de sub-redes, cada
una de las cuales contiene una computadora del nodo de control y varios nodos remotos.
Algunos nodos actúan como puentes (es decir, pertenecen a dos redes y pasan datos entre
ellas). El nodo de control interroga a cada uno de los remotos de su red continuamente en
turnos rotativos, solicitando que envíen nuevos datos o re-envíen datos. Todos los remotos
reciben todas las transmisiones del nodo de control, mientras que sólo el nodo de control “ve”
las respuestas a la interrogación. Un remoto responde a una interrogación cuando ve su propia
dirección en el mensaje de interrogación. Después de que cada nodo de control recibe los datos
de los remotos, retransmite los datos a todos los remotos. De esta manera, todos los remotos
comparten los datos.
La tecnología de sensores tanto para redes IFLOWS como ALERT es básicamente la misma. El
software IFLOWS actualmente se limita a aplicaciones de precipitación y de escalas de nivel de
ríos, mientras que ALERT puede manejar varios otros parámetros. Las redes IFLOWS tienen
una infraestructura de comunicaciones de columna vertebral. Mientras que el concepto original
de IFLOWS contemplaba una red totalmente basada en radio/microondas, los sistemas actuales
emplean líneas telefónicas dedicadas, satélites, radios VHF/UHF y enlaces de comunicación
por microondas.
IFLOWS, por su misma naturaleza, integra la administración y operación del sistema.
Múltiples niveles de gobierno y varias agencias en cada nivel de gobierno están involucrados
en la operación de los sistemas. Los sistemas individuales usualmente forman parte de la red a
nivel estatal. Las conexiones entre sistemas estatales se establecen en portales, que usualmente
residen en las oficinas del NWS.
Figura C.2 Representación esquemática de un sistema IFLOWS
E-6
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Ventajas del intercambio de datos en IFLOWS
4 Un aspecto sumamente positivo de la arquitectura de IFLOWS es el principio de que
cada nodo debería recibir los datos de los otros nodos. El nodo de control interroga a los
nodos remotos cada 15 minutos y retransmite los datos obtenidos después de completar
la ronda. De esta manera, cada nodo puede dar seguimiento a los eventos que están
ocurriendo a su alrededor.
4 Una vez al día, el nodo de control retransmite todos los datos de ese día, permitiendo la
actualización en los nodos que no pudieron recibir algunos de los datos.
Limitaciones del intercambio de datos en IFLOWS
El software de IFLOWS fue una aplicación bien diseñada para su tiempo. Hizo un uso creativo
de los limitados recursos de hardware y software, y utilizó una arquitectura de red frugal para
compartir datos de manera bastante rápida y barata entre muchos sitios lejanos. Sin embargo, la
aplicación no ha progresado a la misma velocidad con la que la tecnología ha sido actualizada,
ni ha cumplido con todas sus metas originales. Algunas de sus limitaciones se resumen a
continuación:
4 El formato de almacenamiento de los datos propietarios impide que tanto los usuarios
como las aplicaciones no PC/IFLOWS puedan acceder libremente a los datos para otras
tareas.
4 El protocolo propietario de la red limita el intercambio de datos y la diseminación a
métodos incluidos en PC/IFLOWS.
4 La arquitectura de interrogación y la lentitud del software instalado resultan en que el
intercambio real de datos es mucho más lento que en tiempo real (algunas veces horas
en vez de minutos) debido al número de sitios cubiertos hoy en día.
4 Si la interrogación de turno rotativo toma demasiado tiempo, la retransmisión no puede
ocurrir y los datos no son entonces retransmitidos a los nodos locales.
4 La aplicación sólo recientemente ha comenzado a soportar más tipos de sensores de
lluvia y todavía está limitado por los tipos de pluviómetros que reconoce.
4 La aplicación, la red y el intercambio de datos están absolutamente vinculados a la
plataforma PC/IFLOWS – los usuarios no pueden escoger otras aplicaciones para
recolectar, compartir o acceder a los datos de IFLOWS sin quedar fuera de la red y sin
eliminar sus propios datos de la red.
Muchos dueños-operadores de SLAI en el noreste de Estados Unidos continúan usando
configuraciones y software IFLOWS en sus SLAI. En vista de que IFLOWS es un sistema
basado en una red, los datos de IFLOWS por lo general están disponibles para más de un sitio.
El principal software/aplicación de red en uso actualmente se llama PC/IFLOWS. La siguiente
lista resume los sitios de los cuales generalmente se pueden obtener datos de IFLOWS:
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
E-7
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
4 US NWS AWIPS
4 PC en oficina local
4 PC en otra oficina que es parte de la red estatal de IFLOWS
4 Por internet en www.afws.net
4 IFLOWS PC en el sitio de un dueño-operador de SLAI
Documentación del software IFLOWS y su interfaz con AWIPS se puede encontrar en http://
www.afws.net/ldadsupport.htm.
E-8
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
Apéndice C: Descripciones de los sistemas ALERT e IFLOWS
Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas
E-9