地震預(yù)警項(xiàng)目加強(qiáng)對(duì)自然災(zāi)害的響應(yīng)

科學(xué)家們一直在努力尋找解決自然災(zāi)害的方法。雖然消除似乎遙不可及，但重點(diǎn)一直放在減少生命和安全上。此類自然災(zāi)害包括地震、洪水、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)、火山爆發(fā)、海嘯、風(fēng)暴和其他地質(zhì)過(guò)程。開(kāi)放式地震預(yù)警項(xiàng)目 (OpenEEW) 旨在降低 EEW 系統(tǒng)的成本，加速其在全球范圍內(nèi)的部署，并有可能挽救許多生命。

Linux 基金會(huì)最近宣布與 IBM 合作支持 Grillo 的 OpenEEW 項(xiàng)目，以加速地震預(yù)警 (EEW) 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)施。該項(xiàng)目包括 Grillo 的 EEW 解決方案，其中包括檢測(cè)和分析地震以及向社區(qū)發(fā)出警報(bào)的綜合能力。在 IBM、美國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署、克林頓基金會(huì)和艾睿電子的支持下，Grillo 創(chuàng)建了 OpenEEW。

系統(tǒng)在地震到來(lái)之前向人們發(fā)送實(shí)時(shí)警報(bào)。然而，由于傳統(tǒng)地震儀、專用電信和定制軟件的成本高得令人難以置信，只有幾家機(jī)構(gòu)嘗試構(gòu)建解決方案。Grillo 實(shí)施了物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 方法，將組件、軟件和專有技術(shù)的組合標(biāo)準(zhǔn)化以降低成本。自 2017 年以來(lái)，Grillo 團(tuán)隊(duì)在墨西哥和智利開(kāi)發(fā)并實(shí)施了基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，并通過(guò) Twitter、移動(dòng)應(yīng)用程序和警報(bào)設(shè)備發(fā)布了公共警報(bào)。

“速度取決于地震到用戶的距離。一旦傳感器檢測(cè)到地震，在毫秒內(nèi)處理并將警報(bào)發(fā)送給附近的用戶。如果用戶距離地震數(shù)百公里，他們可能需要一分鐘或更多/更少的時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備，然后才能感覺(jué)到震動(dòng)。如果地震非常接近，他們可能只有幾秒鐘。無(wú)論哪種方式，這都會(huì)很有用，例如，在孩子們可以躲在桌子底下的學(xué)校里，”Grillo 首席執(zhí)行官 (CEO) 安德烈斯·梅拉 (Andres Meira) 說(shuō)。

地震探測(cè)

地震是地殼的振動(dòng)或移動(dòng)，這是由于構(gòu)造力將一定量的能量釋放到地球內(nèi)部稱為震源的區(qū)域的結(jié)果。沖擊會(huì)引起振蕩，根據(jù)強(qiáng)度不同，可能會(huì)對(duì)未按照相應(yīng)規(guī)定建造的建筑物造成損壞。

地震無(wú)法提前確定，即確切地知道事件發(fā)生的日期和時(shí)間。但是，有一種技術(shù)可以為人們提供有關(guān)地震情況到來(lái)的支持。在這方面，許多國(guó)家已經(jīng)進(jìn)行了研究，這些研究提供了地震預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)智能手機(jī)向民眾發(fā)出警告，從而試圖降低損失和人員傷亡水平。

預(yù)警系統(tǒng)提供預(yù)期地震強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間的早期預(yù)警。這些估計(jì)取決于使用震中附近的地震儀觀測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)地震震級(jí)的準(zhǔn)確分析。該預(yù)警系統(tǒng)旨在減輕地震破壞，允許采取諸如減速列車、電梯控制等對(duì)策，并允許人們?cè)诠S、辦公室和家庭等各種環(huán)境中快速保護(hù)自己。

日益增長(zhǎng)的城市化進(jìn)程，尤其是對(duì)復(fù)雜的電信和交通基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)烈依賴，已導(dǎo)致對(duì)通過(guò)向民眾發(fā)出警報(bào)的地震預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)研究。開(kāi)發(fā)這樣一個(gè)系統(tǒng)是減少對(duì)地震的未知和不可預(yù)測(cè)性的恐懼，同時(shí)提高人們的安全的基本步驟（圖 1）。

預(yù)警是可能的，因?yàn)?a target="_blank">信息可以通過(guò)通信系統(tǒng)幾乎即時(shí)發(fā)送。地震波以一 (1) 到七 (7) 公里/秒的速度穿過(guò)地球（取決于波 P、S 和半波的類型）。這意味著騷動(dòng)可能需要幾秒鐘甚至幾分鐘才能從地震發(fā)生地傳播到人口高度集中的地步。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波，包括壓縮波或縱波 (P)、橫波 (S) 和面波 (R 和 L)，從震中向外輻射。較快但較弱的 P 波傳播到附近的傳感器，在較慢但較大的 S 波和面波到來(lái)之前產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)以執(zhí)行保護(hù)操作。

在地震事件發(fā)生前準(zhǔn)確發(fā)送警報(bào)的能力需要一些重要的技術(shù)解決方案：

傳感器網(wǎng)絡(luò)有更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

穩(wěn)健高效的數(shù)據(jù)處理區(qū)；

快速估計(jì)事件位置、時(shí)間和地圖的計(jì)算機(jī)算法

圖1：臺(tái)灣使用的ShakeAlert系統(tǒng)的操作[來(lái)源美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局]。

Linux基金會(huì)和Grillo

地震通常在發(fā)展中國(guó)家造成最嚴(yán)重的后果，部分原因是建筑和基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題。警報(bào)系統(tǒng)在墨西哥、日本、韓國(guó)和***提供公共警報(bào)，但由于成本原因，近30億人難以訪問(wèn)。OpenEEW希望幫助降低EEW系統(tǒng)的成本，加快其在全球的部署；有可能挽救許多人的生命。

OpenEEW 項(xiàng)目包括物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)重要組成部分：可以快速檢測(cè)和傳輸?shù)孛孢\(yùn)動(dòng)的傳感器硬件和固件，可以部署在各種平臺(tái)上的實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)，從 Kubernetes 集群到 Raspberry Pi；以及允許用戶盡快在硬件、可穿戴設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備上接收警報(bào)的應(yīng)用程序。開(kāi)源社區(qū)旨在通過(guò)貢獻(xiàn) OpenEEW 的三種集成技術(shù)能力來(lái)幫助推進(jìn)地震技術(shù)：傳感器實(shí)施、地震檢測(cè)和警報(bào)發(fā)送。

“借助 OpenEEW，您可以使用我們提供的原理圖 ( https: //openeew.com/docs/build...) 構(gòu)建您的傳感器，或者購(gòu)買組裝好的產(chǎn)品。這些傳感器采用現(xiàn)代 MEMS 加速度計(jì)，其噪聲遠(yuǎn)低于智能手機(jī)中的加速度計(jì)。這樣可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)皆苹蛴脩籼峁┑乃饺朔?wù)器。傳感器還包括為傳輸和連續(xù)運(yùn)行提供可靠性的定制固件。自 2017 年以來(lái)，這些傳感器一直在墨西哥和智利的偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)行，無(wú)需任何維護(hù)，”Andres 說(shuō)。

他繼續(xù)說(shuō)：“傳感器在固件中進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，以消除對(duì)加速度值的任何偏移。他們還做了一些簡(jiǎn)單的過(guò)濾。在云端（或可能是新版本的固件）中，檢測(cè)系統(tǒng)尋找地震事件。不同的算法，如短期平均或長(zhǎng)期平均，以及組合來(lái)自其他設(shè)備的信號(hào)，以確保它不是誤報(bào)。

該系統(tǒng)是一個(gè)微控制器（ESP32），它具有足夠的性能來(lái)讀取加速度計(jì)和流數(shù)據(jù)，以及一些其他功能?！叭欢?，我們目前得到了 Arrow 的支持，他們正在為一種新的傳感器提供工程設(shè)計(jì)，該傳感器以低功耗進(jìn)行邊緣計(jì)算和蜂窩傳輸。這將允許以前因缺乏互聯(lián)網(wǎng)或電力而受到限制的新安裝可能性，”安德烈斯說(shuō)。

他繼續(xù)說(shuō)道，“現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的下一階段是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)改進(jìn)這些檢測(cè)，可能只使用單個(gè)傳感器的讀數(shù)。自 2017 年以來(lái)，我們已經(jīng)發(fā)布了所有未處理的數(shù)據(jù)以促進(jìn)這一點(diǎn) ( https://openeew.com/docs/machi... )?！?/p>

通過(guò)使用微控制器、新一代 MEMS 加速度計(jì)和云計(jì)算，現(xiàn)在可以為這些社區(qū)提供以前只能在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家以高額公共費(fèi)用獲得的解決方案?！巴ㄟ^(guò)將檢測(cè)系統(tǒng)作為開(kāi)源提供，現(xiàn)在可以根據(jù)需要將軟件部署在不同的平臺(tái)上。例如，這可以在本地 Raspberry Pi（在小型網(wǎng)絡(luò)的情況下）或筆記本電腦上運(yùn)行，這可以提供延遲優(yōu)勢(shì)，而不是依賴 100 公里外的云服務(wù)，”Andres 說(shuō)。

接收警報(bào)的警報(bào)或應(yīng)用程序可以根據(jù)用戶的規(guī)范進(jìn)行定制?！霸?OpenEEW GitHub 中，我們提供了一個(gè)人們可以創(chuàng)建的示例應(yīng)用程序，但他們可能還希望將警報(bào)引導(dǎo)到他們的 twitter 提要、公共廣播系統(tǒng)，甚至是建筑管理系統(tǒng)。我們不知道最后一英里是如何實(shí)現(xiàn)的，”安德烈斯說(shuō)。

OpenEEW 傳感器具有高性能 MEMS 加速度計(jì)和以太網(wǎng)或 Wi-Fi 連接。它還包括一個(gè)響亮的蜂鳴器和三個(gè)用于警報(bào)功能的明亮 NeoPixel LED。固定相應(yīng)的電路部件后，PCB板工作在3.3V，最大電流為1A。

加速度計(jì)通過(guò) SPI 接口訪問(wèn)，特別是 ESP32 的 VSPI。可選擇添加帶有 UART 接口的 GPS（圖 2）。

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OpenEEW 傳感器需要特定的安裝條件以確?？山邮艿臄?shù)據(jù)質(zhì)量。安裝示例如圖 3 所示。該系統(tǒng)需要靠近路由器和良好的信噪比，以實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)包傳輸。

圖3：OpenEEW系統(tǒng)安裝

OpenEEW 是在美國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署、克林頓基金會(huì)的支持下創(chuàng)建的，艾睿電子包括物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 核心技術(shù)的支持。

IBM 通過(guò)克林頓基金會(huì)的克林頓全球倡議 (CGI) 行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)支持格里洛，表示將在 Linux 基金會(huì)支持的 Call for Code 中添加 OpenEEW 技術(shù)。Call for Code 于 2018 年 5 月啟動(dòng)，旨在結(jié)合數(shù)據(jù)、人工智能和區(qū)塊鏈技術(shù)，創(chuàng)建更好地應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的系統(tǒng)。

除此之外，IBM 聲稱已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)新系統(tǒng)來(lái)顯示傳感器讀數(shù)，并在波多黎各實(shí)施了六個(gè) Grillo 傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò) OpenEEW，IBM 希望鼓勵(lì)在尼泊爾、新西蘭、厄瓜多爾和其他地震地區(qū)等地建設(shè) EEW。然后，這些社區(qū)可以通過(guò)推進(jìn)傳感器硬件設(shè)計(jì)和創(chuàng)建向公民提供警報(bào)的方法來(lái)幫助 OpenEEW。

審核編輯 黃昊宇