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