SITUATION-AWARE CYBER-PHYSICAL-SOCIAL SYSTEM FOR CULTURAL HERITAGE PROTECTION

CULTURAL HERITAGE CRITICAL INFRASTRUCTURES (CHCIS), INCLUDING ARCHAEOLOGICAL SITES, MUSEUMS, AND HISTORIC STRUCTURES, ARE VITAL TO A COUNTRY’S IDENTITY AND ECONOMY. SAFEGUARDING THEM IS AN ETHICAL IMPERATIVE THAT ALSO SUPPORTS EMPLOYMENT AND TERRITORIAL ATTRACTIVENESS. YET THEIR PRESERVATION IS THREATENED BY AGING MATERIALS, EXTREME WEATHER AND OTHER ENVIRONMENTAL PHENOMENA, AND VISITORS WHO MAY CAUSE DAMAGE, UNINTENTIONALLY OR MALICIOUSLY. CHCIS THEREFORE REQUIRE REGULAR INSPECTION AND MAINTENANCE. THESE PROCEDURES ARE TRADITIONALLY PERFORMED BY HUMANS AND ARE OFTEN SLOW, ERROR-PRONE, AND RESOURCE-INTENSIVE. FOR EXAMPLE, IF THE ROOF OF A COVERED STRUCTURE CONTAINING PRICELESS FRESCOES IS DAMAGED, PROMPT ACTION IS CRUCIAL; OTHERWISE, A SINGLE STORM OR PROLONGED RAINFALL COULD CAUSE SEVERE LOSS. AT THE SAME TIME, IN CHCI MAINTENANCE NOT EVERYTHING CAN BE AUTOMATED. FINAL DECISIONS MUST ALWAYS BE MADE BY HUMAN OPERATORS, SINCE ANY INTERVENTION MUST BE JUSTIFIED AND PRIORITIES IN MAINTENANCE PLANS MUST BE ASSESSED BY EXPERTS. A HUMAN-MACHINE METHODOLOGICAL APPROACH IS THEREFORE ESSENTIAL: THE USER RETAINS FINAL RESPONSIBILITY, WHILE THEIR SITUATION AWARENESS IS ACTIVELY SUPPORTED AND MAINTAINED AT A HIGH LEVEL THROUGH NEW TECHNOLOGIES THAT REDUCE WORKLOAD AND OPTIMIZE TASK PERFORMANCE. WE PROPOSE TO SEE THE OVERALL SYSTEM, COMPRISING THE CHCI, THE OPERATORS AND VISITORS WHO INTERACT WITH IT, AND THE SUPPORTING TECHNOLOGIES, AS A CYBER-PHYSICAL-SOCIAL SYSTEM (CPSS). IN PARTICULAR, WE PROPOSE A NOVEL SITUATION-AWARE CPSS METHODOLOGICAL APPROACH FOR CULTURAL HERITAGE PROTECTION THAT CAN BE ADAPTED AND REPLICATED BY PUBLIC AND PRIVATE ACTORS. ITS IMPLEMENTATION RELIES ON SENSORS AND DATA-ACQUISITION PARADIGMS, ARTIFICIAL INTELLIGENCE (AI) TO AUTOMATE AND ACCELERATE THE RECOGNITION OF RISK SITUATIONS AND MAINTENANCE ISSUES, AND ADAPTIVE INTERFACES CAPABLE OF PRESENTING THE INFORMATION GATHERED. OUR RESEARCH BEGINS WITH A STATE-OF-THE-ART REVIEW OF AI FOR CULTURAL HERITAGE PRESERVATION TO IDENTIFY THE MOST MODERN AND EFFECTIVE TECHNOLOGIES TO INTEGRATE INTO THE MODEL. TO RECOGNIZE RISK, THE SITUATION MUST ALSO BE MODELED. BUILDING ON THE LITERATURE, WE INTRODUCE A GOAL-DRIVEN CULTURAL HERITAGE VULNERABILITY INDEX (CHVI), COMPUTED USING CONTEXT SPACE THEORY (CST), TO ASSESS THE VULNERABILITY OF AREAS AND STRUCTURES BASED ON IDENTIFIED MAINTENANCE ISSUES AND ENVIRONMENTAL CONDITIONS. THE WORK ALSO INCORPORATES AND EVALUATES AN INNOVATIVE DATA IMPUTATION TECHNIQUE BASED ON ASSOCIATION RULES AND GRANULAR COMPUTING TO RECONSTRUCT MISSING DATA AND ENSURE A MORE ACCURATE PERCEPTION OF THE CHCI ENVIRONMENT. THE APPROACH IS TESTED ON REAL-WORLD IOT DATASETS ESTABLISHED IN THE LITERATURE. AUTOMATIC, RAPID, AND EFFECTIVE RECOGNITION OF CHCI MAINTENANCE ISSUES IS FURTHER ACHIEVED THROUGH A NOVEL SUSTAINABLE METHOD FOR IDENTIFYING DAMAGE AND WEEDY VEGETATION ON THE ROOFS OF ARCHAEOLOGICAL STRUCTURES, EVALUATED ON DATASETS RELATED TO THE POMPEII ARCHAEOLOGICAL SITE. ALL THESE ELEMENTS CONVERGE IN VERGIL, A CPSS PLATFORM DESIGNED TO SUPPORT HUMAN OPERATORS AT POMPEII. VERGIL INCLUDES AN ADAPTIVE INTERFACE WITH A NOVEL OSCILLATORY GOAL SUGGESTION APPROACH THAT, IN EMERGENCY SITUATIONS, REDIRECTS THE USER’S ATTENTION TO ELEMENTS REQUIRING URGENT ACTION, WHILE AVOIDING UNNECESSARY DISTRACTION WHEN THE SITUATION DOES NOT REQUIRE IT. FINALLY, VERGIL IS EVALUATED USING THE SITUATION AWARENESS GLOBAL ASSESSMENT TECHNIQUE (SAGAT) ACROSS MULTIPLE SCENARIOS SET AT POMPEII, TESTING WITH HUMAN OPERATORS WHETHER THE SYSTEM EFFECTIVELY SUPPORTS THEIR SITUATION AWARENESS AND DECISION-MAKING ABILITIES.

LE CULTURAL HERITAGE CRITICAL INFRASTRUCTURES (CHCIS), COME SITI ARCHEOLOGICI, MUSEI E STRUTTURE STORICHE, SONO FONDAMENTALI PER L’IDENTITÀ E L’ECONOMIA DI UN PAESE, PERCHÉ SOSTENGONO OCCUPAZIONE E ATTRATTIVITÀ DEI TERRITORI. LA LORO CONSERVAZIONE È MINACCIATA DALL’INVECCHIAMENTO DEI MATERIALI, DA EVENTI METEOROLOGICI ESTREMI E DA ALTRI FENOMENI AMBIENTALI, OLTRE CHE DALL’IMPATTO DEI VISITATORI, CHE PUÒ CAUSARE DANNI INVOLONTARI O INTENZIONALI. PER QUESTO LE CHCIS RICHIEDONO ISPEZIONI E MANUTENZIONE REGOLARI. AL TEMPO STESSO, NON TUTTO PUÒ ESSERE AUTOMATIZZATO. LE DECISIONI FINALI DEVONO RESTARE AGLI ESPERTI, CHE MOTIVANO GLI INTERVENTI E DEFINISCONO LE PRIORITÀ DEI PIANI DI MANUTENZIONE. È QUINDI NECESSARIO UN APPROCCIO HUMAN MACHINE, IN CUI L’UTENTE MANTIENE LA RESPONSABILITÀ ULTIMA, MENTRE LA SUA SITUATION AWARENESS È SUPPORTATA E MANTENUTA ELEVATA TRAMITE TECNOLOGIE CHE RIDUCONO IL CARICO DI LAVORO E OTTIMIZZANO L’ESECUZIONE DELLE ATTIVITÀ. INQUADRIAMO IL SISTEMA COMPLESSIVO, CHCI, OPERATORI, VISITATORI E TECNOLOGIE DI SUPPORTO, COME UN CYBER PHYSICAL SOCIAL SYSTEM (CPSS). PROPONIAMO UN APPROCCIO METODOLOGICO CPSS SITUATION AWARE PER LA PROTEZIONE DEL PATRIMONIO CULTURALE, ADATTABILE E REPLICABILE DA SOGGETTI PUBBLICI E PRIVATI. L’IMPLEMENTAZIONE COMBINA SENSORI E PARADIGMI DI ACQUISIZIONE DATI, INTELLIGENZA ARTIFICIALE (AI) PER RICONOSCERE AUTOMATICAMENTE E PIÙ RAPIDAMENTE SITUAZIONI DI RISCHIO E CRITICITÀ MANUTENTIVE, E INTERFACCE ADATTIVE CAPACI DI PRESENTARE IN MODO EFFICACE LE INFORMAZIONI RACCOLTE. LA RICERCA SI APRE CON UNA RASSEGNA DELLO STATO DELL’ARTE SULL’USO DELL’AI NELLA CONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALI, PER SELEZIONARE LE TECNOLOGIE PIÙ EFFICACI DA INTEGRARE NEL MODELLO. POICHÉ IL RISCHIO VA ANCHE MODELLATO, INTRODUCIAMO UN CULTURAL HERITAGE VULNERABILITY INDEX (CHVI) GUIDATO DAGLI OBIETTIVI, CALCOLATO MEDIANTE CONTEXT SPACE THEORY (CST), PER VALUTARE LA VULNERABILITÀ DI AREE E STRUTTURE IN FUNZIONE DELLE CRITICITÀ INDIVIDUATE E DELLE CONDIZIONI AMBIENTALI. IL LAVORO INTEGRA E VALUTA UNA TECNICA INNOVATIVA DI DATA IMPUTATION, BASATA SU REGOLE DI ASSOCIAZIONE E GRANULAR COMPUTING, UTILE A RICOSTRUIRE VALORI MANCANTI E MIGLIORARE LA PERCEZIONE DELL’AMBIENTE DELLA CHCI. L’APPROCCIO È TESTATO SU DATASET INTERNET OF THINGS (IOT) REALI CONSOLIDATI IN LETTERATURA. IL RICONOSCIMENTO DELLE CRITICITÀ È INOLTRE POTENZIATO DA UN METODO SOSTENIBILE PER IDENTIFICARE DANNI E VEGETAZIONE INFESTANTE SUI TETTI DI STRUTTURE ARCHEOLOGICHE, VALUTATO SU DATASET RELATIVI AL SITO DI POMPEI. TUTTI QUESTI ELEMENTI CONFLUISCONO IN VERGIL, UNA PIATTAFORMA CPSS PROGETTATA PER SUPPORTARE GLI OPERATORI A POMPEI. VERGIL INCLUDE UN’INTERFACCIA ADATTIVA CON UN APPROCCIO DI OSCILLATORY GOAL SUGGESTION CHE, IN EMERGENZA, REINDIRIZZA L’ATTENZIONE VERSO GLI ELEMENTI CHE RICHIEDONO AZIONE URGENTE, EVITANDO DISTRAZIONI QUANDO LA SITUAZIONE NON LO RICHIEDE. INFINE, VERGIL È VALUTATO TRAMITE SITUATION AWARENESS GLOBAL ASSESSMENT TECHNIQUE (SAGAT) IN DIVERSI SCENARI AMBIENTATI A POMPEI, VERIFICANDO CON OPERATORI UMANI SE IL SISTEMA SUPPORTA EFFICACEMENTE LA LORO SITUATION AWARENESS E LE CAPACITÀ DECISIONALI.