E se os cabos de fibra ótica nos fundos marinhos pudessem não só “ouvir” navios, mas também estimar a velocidade e trajetória destas embarcações? Sobretudo conhecidas por conectarem o mundo à internet, estas estruturas submarinas poderão ser um importante complemento ao atual Sistema de Identificação Automático (AIS) de tráfego marítimo.
O trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto OBSERVA, reuniu investigadores de INESC TEC, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP) e Instituto Hidrográfico da Marinha sob uma premissa: combinar técnicas de Sensorização Acústica Distribuída (DAS) com cabos submarinos, suportadas por um conjunto de modelos físicos e métodos de machine learning que permitissem a deteção, monitorização e classificação de embarcações a partir de dados acústicos.
“A vantagem da sensorização acústica distribuída neste caso é a de alavancar infraestruturas que já existem nos oceanos”, aponta Orlando Frazão, investigador do INESC TEC e docente na Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP). “Com o processamento correto, os cabos submarinos podem tornar-se numa camada de sensorização prática de vigilância marítima”.
A capacidade de deteção de navios da parte destes equipamentos instalados no fundo marinho não é novidade, mas esta investigação adiciona um novo contributo-chave: de acordo com os investigadores, o trabalho desenvolvido apresenta uma abordagem apoiada na física que permite ir além da simples deteção das vibrações resultantes do movimento de embarcações no mar.
Em vez de depender exclusivamente da correspondência de padrões, a equipa criou um modelo direto capaz de simular as assinaturas hiperbólicas características dos navios registadas nos gráficos de waterfall de DAS. A partir daí, resolveram o problema inverso: estimaram a velocidade, trajetória e outros dados relacionados com a profundidade. Este processo recorreu a um método de otimização estocástica – a Evolução Diferencial -, orientado por uma função de perda baseada em correlação, evitando a necessidade de calibração absoluta da amplitude do sinal.
“Desenvolvemos um algoritmo que não só deteta o navio, mas também reproduz o padrão de DAS observado com um modelo físico, que depois procura os parâmetros da embarcação que melhor correspondem ao padrão reproduzido”, explica Ricardo Sousa, investigador do INESC TEC. De acordo com o também líder do projeto, “a utilização de uma função objetiva baseada em correlação torna o método fiável, mesmo que a amplitude do sinal seja difícil de calibrar”.
O método foi testado em dois conjuntos de dados reais: o caso A, “Mestre Horácio”, e o caso B, “Wilson Hirtshals”. Na ótica dos investigadores, a topologia do sinal de DAS reconstruído correspondeu aos parâmetros efetivamente medidos no mar em ambas as situações, demonstrando uma forte concordância entre o modelo apresentado e os dados de referência do AIS (Automatic Identification System), o convencional sistema de deteção e vigilância de tráfego marítimo. Os investigadores destacam, inclusivamente, que a velocidade estimada no caso B divergiu menos de 1% em relação ao AIS, mesmo em condições mais ruidosas.
Os investigadores argumentam que o trabalho apresentado reforça o cenário de utilização dos cabos submarinos existentes como plataformas de sensorização constante. As conclusões do estudo dão um sinal claro que estas estruturas podem funcionar como complemento prático do Automatic Identification System – e não apenas como mera alternativa. A sólida correspondência entre as simulações geradas e os casos reais observados no sistema AIS corroboram o potencial dos cabos submarinos para a monitorização do tráfego marítimo.
Por outro lado, tratando-se de equipamentos já instalados no fundo marinho, os custos marginais de aplicação de uma linha densa de sensorização acústica ao longo de dezenas de quilómetros de cabos submarinos seriam consideravelmente mais baixos, comparando com as despesas associadas à instalação e manutenção de equipamentos dedicados.
A monitorização com recurso a Distributed Acoustic Sensing poderá ser uma mais-valia nos casos em que o Sistema de Identificação Automática esteja ausente, desligado, a sofrer atrasos, ou a apresentar dados erróneos. O potencial deste novo método também se pode aplicar aos fluxos de fusão de dados, colmatando lacunas de cobertura e ajudando a sinalizar comportamentos anómalos de embarcações.
“[A obtenção de] uma imagem clara e contínua daquilo que acontece no mar é crucial para a segurança marítima e para uma navegação segura”, remata Ilmer van Golde, do Instituto Hidrográfico da Marinha Portuguesa.
A investigação foi desenvolvida a propósito do projeto OBSERVA, liderado pelo INESC TEC, com o objetivo de contribuir para o progresso da vigilância marítima. O trabalho pode ser acedido livremente na plataforma do Journal of the European Optical Society-Rapid Publications.
