Эталонный дизайн упрощает системы раннего предупреждения о землетрясениях

Linux Foundation объявил о поддержке проекта Грилло OpenEEW в сотрудничестве с IBM для ускорения стандартизации и внедрения систем раннего предупреждения о землетрясениях (EEW). Проект включает решения Grillo EEW, которые включают интегрированные возможности для обнаружения и анализа землетрясений и оповещения населения. OpenEEW был создан Грилло при поддержке IBM, USAID, Clinton Foundation и Arrow Electronics.

Система EEW отправляет людям предупреждение в реальном времени до начала землетрясения. Однако только несколько организаций попытались разработать решения из-за невероятно высокой стоимости традиционных сейсмометров, специализированных средств связи и специального программного обеспечения.

Grillo внедрил подход Интернета вещей (IoT), стандартизировав сочетание компонентов, программного обеспечения и ноу-хау для снижения затрат. С 2017 года команда Grillo разработала и внедрила системы на основе Интернета вещей в Мексике и Чили и выпустила публичные оповещения через Twitter, мобильное приложение и устройство сигнализации.

«Скорость зависит от расстояния землетрясения до пользователя», - сказал Андрес Мейра, генеральный директор Grillo. «Как только датчик обнаруживает землетрясение, оно обрабатывается за миллисекунды, и оповещение отправляется ближайшим пользователям. Если пользователь находится за сотни километров от землетрясения, у него может быть одна минута или больше / меньше, чтобы подготовиться, прежде чем он почувствует дрожь. Если землетрясение очень близко, они могут получить только несколько секунд. В любом случае это может быть полезно, например, в школах, где дети могут сидеть под столом ».

Обнаружение землетрясений

Землетрясения - это колебания или сдвиги земной коры в результате тектонических сил, которые высвобождают определенное количество энергии в область внутри Земли, называемую гипоцентром. Удар вызывает колебания, которые, в зависимости от интенсивности, могут вызвать повреждение зданий, построенных без соблюдения соответствующих норм.

Землетрясение нельзя определить заранее, т. Е. Точно зная день и время события. Тем не менее, существует технология, позволяющая обеспечить достоверную поддержку населения в отношении прибытия сейсмического события. В связи с этим во многих странах уже проводятся исследования, которые обеспечивают систему предупреждения о землетрясениях для предупреждения населения с помощью смартфонов и, таким образом, пытаются уменьшить ущерб и жертвы.

Система предупреждения обеспечивает раннее предупреждение об ожидаемой сейсмической интенсивности и времени прибытия. Эти оценки основаны на точном анализе магнитуды землетрясения с использованием данных, наблюдаемых сейсмографами вблизи эпицентра. Система предупреждения направлена ​​на уменьшение ущерба от землетрясения, позволяя принимать меры, такие как замедление поездов, управление лифтами, и позволяя людям быстро защитить себя в различных средах, таких как фабрики, офисы и дома.

Растущая урбанизация и особенно сильная зависимость от сложной инфраструктуры телекоммуникаций и транспорта привели к тщательному изучению системы раннего предупреждения о землетрясениях путем отправки предупреждений населению. Разработка такой системы - фундаментальный шаг в уменьшении страха перед неизвестным и непредсказуемости землетрясений при одновременном повышении безопасности людей (рис. 1).

Раннее предупреждение возможно, потому что информация может быть отправлена ​​через системы связи практически мгновенно, в то время как сейсмические волны распространяются по Земле со скоростью от 1 до 7 км / с (в зависимости от типа волны P, S и половины). Это означает, что волнение может занять секунды или даже минуты, чтобы добраться от места землетрясения до точки наибольшей концентрации населения.

Когда происходит землетрясение, сейсмические волны, включая волны сжатия или продольные (P), поперечные (S) и поверхностные (R и L) волны, излучаются наружу от эпицентра. Более быстрая, но более слабая волна P передается к ближайшим датчикам, генерируя сигналы тревоги для выполнения защитных операций до прибытия более медленных, но более сильных S-волн и поверхностных волн.

Возможность правильно отправить предупреждение до сейсмического события требует некоторых важных технических решений:

• сеть датчиков, чтобы иметь больше данных для анализа;
• надежная и эффективная зона обработки данных;
• компьютерные алгоритмы для быстрой оценки места, времени и карты события.

Рис. 1. Работа системы ShakeAlert, используемой на Тайване [Источник USGS]

Linux Foundation и Grillo

Землетрясения часто имеют самые серьезные последствия в развивающихся странах, отчасти из-за проблем со строительством и инфраструктурой. Системы оповещения предоставляют публичные оповещения в таких странах, как Мексика, Япония, Южная Корея и Тайвань, но почти три миллиарда человек испытывают трудности с доступом к ним из-за стоимости. OpenEEW хочет помочь снизить стоимость систем EEW, ускорить их развертывание по всему миру и в конечном итоге спасти жизни.

Проект OpenEEW включает в себя несколько ключевых компонентов IoT:аппаратное и микропрограммное обеспечение датчиков, которые могут быстро обнаруживать и передавать движение земли, системы зондирования в реальном времени, которые можно развернуть на различных платформах, от кластера Kubernetes до Raspberry Pi; и приложения, которые позволяют пользователям как можно быстрее получать оповещения об оборудовании, носимых устройствах или мобильных приложениях. Сообщество с открытым исходным кодом стремится способствовать развитию сейсмических технологий, внося свой вклад в три интегрированные технологические возможности OpenEEW:внедрение датчиков, обнаружение землетрясений и отправка сигналов тревоги.

«С OpenEEW вы можете создавать свои собственные датчики, используя схемы, которые мы предоставляем, или просто покупать непосредственно собранный продукт», - сказал Мейра. «Эти датчики оснащены современным акселерометром MEMS, который имеет гораздо более низкий уровень шума, чем в смартфонах. Это обеспечивает высокое качество данных, которые передаются в облако или на частный сервер, предоставленный пользователем. Датчики также включают специальную прошивку, которая обеспечивает надежность передачи и непрерывную работу. Эти датчики стабильно работают в отдаленных районах Мексики и Чили с 2017 года без какого-либо обслуживания ».

Он продолжил:«Датчики выполняют непрерывную калибровку в прошивке, чтобы удалить любые отклонения от значений ускорения. Они также выполняют простую фильтрацию. В облаке (или потенциально на грани в новых версиях прошивки) система обнаружения ищет сейсмические события, используя различные алгоритмы, такие как краткосрочное среднее / долгосрочное среднее, а также комбинируя сигналы от разных датчиков, чтобы гарантировать, что это не ложное срабатывание ».

Система основана на микроконтроллере (ESP32), который имеет достаточную производительность для чтения данных акселерометра и потоковой передачи, а также некоторых других функций. «Однако в настоящее время нас поддерживает Arrow, которая занимается разработкой нового датчика, который выполняет периферийные вычисления и сотовую передачу с низким энергопотреблением», - сказал Мейра. «Это позволит использовать новые возможности установки, которые ранее были ограничены из-за отсутствия интернета или электроэнергии».

Он продолжил:«Следующий этап, который сейчас находится в разработке, - это использование машинного обучения для улучшения этих обнаружений, потенциально с использованием показаний только одного датчика. Мы опубликовали все необработанные данные с 2017 года, чтобы облегчить это ».

Переходя на микроконтроллеры, новое поколение акселерометров MEMS и облачные вычисления, теперь возможно предложить этим сообществам решение, которое раньше было доступно только в нескольких странах за большие государственные расходы. «Предлагая системы обнаружения с открытым исходным кодом, теперь возможно развертывание программного обеспечения на различных платформах в зависимости от потребности», - сказал Мейра. «Это может, например, работать на локальном Raspberry Pi (в случае небольших сетей) или ноутбуке, который может предложить преимущества задержки, вместо того, чтобы полагаться на облачный сервис за сотни километров».

Будильники или приложения, которые получают оповещения, также могут быть адаптированы для пользователя. «В OpenEEW GitHub мы предлагаем пример приложения, которое люди могут создавать, но они также могут захотеть направить оповещения в свой канал Twitter, систему оповещения или даже систему управления зданием. Мы не знаем, как будет достигнута последняя миля.

Датчик OpenEEW оснащен высокопроизводительным акселерометром MEMS и возможностью подключения к сети Ethernet или Wi-Fi. Он также включает в себя громкий зуммер и три ярких светодиода NeoPixel для функций будильника.

Компоненты монтируются на печатной плате с соответствующей схемой. Плата работает от 3,3 В с максимальным током 1 А. Доступ к акселерометру осуществляется через интерфейс SPI, в частности через VSPI ESP32. При желании можно добавить GPS с интерфейсом UART (рисунок 2).

Рис. 2. Конструкция печатной платы датчика OpenEEW

Датчики OpenEEW требуют особых условий установки для обеспечения приемлемого качества данных. Пример установки показан на рисунке 3. Система требует близости к маршрутизатору и хорошего отношения сигнал / шум для оптимальной передачи пакетов.

Рисунок 3. Установка системы OpenEEW

OpenEEW, созданный при поддержке Агентства США по международному развитию, Фонда Клинтона и Arrow Electronics, включает поддержку основной технологии Интернета вещей.

IBM, которая изначально поддерживала Грилло через сеть действий Clinton Global Initiative (CGI) Фонда Клинтона, заявила, что добавит технологии OpenEEW в Call for Code, который поддерживается Linux Foundation. Call for Code, запущенный в мае 2018 года, направлен на объединение технологий данных, искусственного интеллекта и блокчейна для создания систем, которые лучше реагируют на стихийные бедствия.

В дополнение к этому, IBM утверждает, что она разработала новую систему для отображения показаний датчиков и внедрила шесть датчиков Grillo для проведения испытаний в Пуэрто-Рико. С помощью OpenEEW IBM надеется стимулировать строительство EEW в таких местах, как Непал, Новая Зеландия, Эквадор и других сейсмических регионах. Затем эти сообщества могли бы помочь OpenEEW, улучшив конструкцию сенсорного оборудования и создав методы для оповещения граждан.

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт EE Times Europe.