Referentieontwerp vereenvoudigt vroegtijdige waarschuwingssystemen voor aardbevingen

Linux Foundation heeft in samenwerking met IBM ondersteuning aangekondigd voor Grillo's OpenEEW-project om de standaardisatie en implementatie van vroegtijdige waarschuwingssystemen voor aardbevingen (EEW) te versnellen. Het project omvat Grillo's EEW-oplossingen die bestaan ​​uit geïntegreerde mogelijkheden om aardbevingen te detecteren en te analyseren en om gemeenschappen te waarschuwen. OpenEEW is gemaakt door Grillo met de steun van IBM, USAID, Clinton Foundation en Arrow Electronics.

Een EEW-systeem stuurt een realtime waarschuwing naar mensen voordat de aardbeving aankomt. Vanwege de ongelooflijk hoge kosten van traditionele seismometers, speciale telecommunicatie en aangepaste software hebben echter slechts enkele instellingen geprobeerd oplossingen te bouwen.

Grillo heeft een Internet of Things (IoT)-benadering geïmplementeerd, waarbij een mix van componenten, software en knowhow wordt gestandaardiseerd om de kosten te verlagen. Sinds 2017 heeft het Grillo-team IoT-gebaseerde systemen ontwikkeld en geïmplementeerd in Mexico en Chili en heeft het openbare waarschuwingen afgegeven via Twitter, een mobiele applicatie en een alarmapparaat.

"De snelheid hangt af van de afstand van de aardbeving tot de gebruiker", zegt Andres Meira, CEO van Grillo. “Zodra een sensor een aardbeving detecteert, wordt deze in milliseconden verwerkt en wordt de waarschuwing naar gebruikers in de buurt gestuurd. Als een gebruiker honderden kilometers verwijderd is van de aardbeving, kunnen ze een minuut of meer/minder krijgen om zich voor te bereiden voordat ze gaan trillen. Als de aardbeving heel dichtbij is, krijgen ze misschien maar een paar seconden. Dit kan hoe dan ook handig zijn, bijvoorbeeld op scholen waar kinderen onder een tafel kunnen kruipen.”

Aardbevingsdetectie

Aardbevingen zijn trillingen of verschuivingen in de aardkorst als gevolg van tektonische krachten die een hoeveelheid energie afgeven in een gebied binnen de aarde dat het hypocentrum wordt genoemd. De schok veroorzaakt trillingen die, afhankelijk van de intensiteit, schade kunnen veroorzaken aan gebouwen die niet volgens de betreffende voorschriften zijn gebouwd.

De aardbeving kan niet van tevoren worden bepaald, d.w.z. de dag en het tijdstip van de gebeurtenis met zekerheid kennen. Er is echter een technologie om de bevolking geldige ondersteuning te bieden met betrekking tot de komst van de seismische gebeurtenis. In dit opzicht zijn er in veel landen al studies die een aardbevingswaarschuwingssysteem bieden om de bevolking via smartphones te waarschuwen en zo schade en slachtoffers te verminderen.

Het waarschuwingssysteem waarschuwt vroegtijdig voor verwachte seismische intensiteiten en aankomsttijd. Deze schattingen zijn gebaseerd op een nauwkeurige analyse van de omvang van de aardbeving met behulp van gegevens die zijn waargenomen door seismografen nabij het epicentrum. Het waarschuwingssysteem is bedoeld om schade door aardbevingen te beperken, door tegenmaatregelen mogelijk te maken, zoals het vertragen van treinen, liftcontrole en mensen in staat te stellen zichzelf snel te beschermen in verschillende omgevingen, zoals fabrieken, kantoren en huizen.

De toenemende verstedelijking en vooral de sterke afhankelijkheid van de complexe infrastructuur voor telecommunicatie en transport hebben geleid tot een zorgvuldige studie van een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor aardbevingen door waarschuwingen naar de bevolking te sturen. De ontwikkeling van een dergelijk systeem is een fundamentele stap in het verminderen van de angst voor het onbekende en de onvoorspelbare aard van aardbevingen, terwijl tegelijkertijd de veiligheid van mensen wordt verbeterd (Figuur 1).

Vroegtijdige waarschuwing is mogelijk omdat informatie vrijwel onmiddellijk via communicatiesystemen kan worden verzonden, terwijl seismische golven over de aarde reizen met snelheden van 1 tot 7 km/s (afhankelijk van het type golf P, S en een half). Dit betekent dat de agitatie seconden of zelfs minuten kan duren om te reizen van waar de aardbeving plaatsvond naar het punt waar de grootste bevolkingsconcentratie is.

Wanneer zich een aardbeving voordoet, stralen seismische golven, waaronder compressie- of longitudinale (P), transversale (S) en oppervlaktegolven (R en L), naar buiten vanuit het epicentrum. De snellere maar zwakkere P-golf reist naar nabije sensoren en genereert alarmsignalen om beschermingsoperaties uit te voeren voordat de langzamere maar sterkere S-golven en oppervlaktegolven arriveren.

De mogelijkheid om de waarschuwing correct te verzenden vóór de seismische gebeurtenis vereist enkele belangrijke technische oplossingen:

• een netwerk van sensoren om meer gegevens te analyseren;
• een robuuste en efficiënte gegevensverwerkingszone;
• computeralgoritmen om snel de locatie, tijd en kaart van het evenement te schatten.

Afbeelding 1:Werking van het ShakeAlert-systeem dat in Taiwan wordt gebruikt [Bron USGS]

Linux Foundation en Grillo

In ontwikkelingslanden hebben aardbevingen vaak de ernstigste gevolgen, mede door bouw- en infrastructuurproblemen. Waarschuwingssystemen bieden openbare waarschuwingen in landen als Mexico, Japan, Zuid-Korea en Taiwan, maar bijna drie miljard mensen hebben vanwege de kosten moeilijk toegang tot deze waarschuwingen. OpenEEW wil helpen de kosten van EEW-systemen te verlagen, hun wereldwijde implementatie te versnellen en uiteindelijk levens te redden.

Het OpenEEW-project omvat verschillende belangrijke componenten van het IoT:sensorhardware en firmware die snel grondbewegingen kunnen detecteren en verzenden, realtime detectiesystemen die op verschillende platforms kunnen worden ingezet, van een Kubernetes-cluster tot een Raspberry Pi; en applicaties waarmee gebruikers zo snel mogelijk meldingen over hardware, draagbare apparaten of mobiele applicaties kunnen ontvangen. De open-sourcegemeenschap heeft tot doel de seismische technologie vooruit te helpen door bij te dragen aan de drie geïntegreerde technologische mogelijkheden van OpenEEW:sensorimplementatie, aardbevingsdetectie en alarmverzending.

"Met OpenEEW kun je je eigen sensoren bouwen met behulp van de schema's die we leveren, of je kunt het geassembleerde product gewoon rechtstreeks kopen", zegt Meira. “Deze sensoren zijn voorzien van een moderne MEMS-versnellingsmeter, die veel minder ruis produceert dan die van smartphones. Dit levert gegevens van hoge kwaliteit op die worden verzonden naar de cloud of een privéserver die door de gebruiker wordt geleverd. De sensoren bevatten ook aangepaste firmware die betrouwbaarheid biedt voor de transmissie en continue werking. Deze sensoren werken sinds 2017 consequent in afgelegen gebieden van Mexico en Chili, zonder enig onderhoud.”

Hij vervolgde:"De sensoren voeren continue kalibraties uit in de firmware om eventuele verschuivingen van de versnellingswaarden te verwijderen. Ze doen ook wat eenvoudige filtering. In de cloud (of mogelijk aan de rand in nieuwe versies van de firmware), zoekt het detectiesysteem naar seismische gebeurtenissen met behulp van verschillende algoritmen zoals Short Term Average / Long Term Average, en combineert het signalen van verschillende sensoren om ervoor te zorgen dat het niet een vals positief.”

Het systeem is gebaseerd op een microcontroller (ESP32), die voldoende prestaties heeft om de versnellingsmeter te lezen en gegevens te streamen, evenals enkele andere functies. "We worden momenteel echter ondersteund door Arrow, die de engineering levert voor een nieuwe sensor die edge computing en cellulaire transmissie met een laag vermogen uitvoert", aldus Meira. "Dit zorgt voor nieuwe installatiemogelijkheden die voorheen beperkt waren door een gebrek aan internet of stroom."

Hij vervolgde:"De volgende fase, die nu in ontwikkeling is, is om machine learning te gebruiken om deze detecties te verbeteren, mogelijk met behulp van slechts één enkele sensor. Om dit mogelijk te maken, hebben we sinds 2017 alle onbewerkte gegevens gepubliceerd.”

Door gebruik te maken van microcontrollers, een nieuwe generatie MEMS-versnellingsmeters en cloudcomputing, is het nu mogelijk om deze gemeenschappen een oplossing te bieden die voorheen slechts in een handvol landen beschikbaar was tegen hoge kosten. “Door de detectiesystemen als open source aan te bieden, is het nu mogelijk om de software afhankelijk van de behoefte op verschillende platforms in te zetten”, aldus Meira. "Dit kan bijvoorbeeld draaien op een lokale Raspberry Pi (in het geval van kleine netwerken) of laptop, wat latentievoordelen kan bieden in plaats van te vertrouwen op een cloudservice die honderden kilometers verderop ligt."

De alarmen of apps die de waarschuwingen ontvangen, kunnen ook op de gebruiker worden afgestemd. “In de OpenEEW GitHub bieden we een voorbeeld-app die mensen kunnen maken, maar ze willen de waarschuwingen misschien ook naar hun Twitter-feed, omroepsysteem of zelfs een gebouwbeheersysteem kanaliseren. We zijn agnostisch over hoe de laatste mijl wordt bereikt.

De OpenEEW-sensor heeft een hoogwaardige MEMS-versnellingsmeter en Ethernet- of Wi-Fi-connectiviteit. Het bevat ook een luide zoemer en drie heldere NeoPixel-LED's voor alarmfuncties.

Componenten zijn gemonteerd in een PCB met de bijbehorende schakelingen. Het bord werkt op 3,3V met een maximale stroom van 1A. De accelerometer is toegankelijk via de SPI-interface, met name de VSPI van ESP32. GPS kan optioneel worden toegevoegd met een UART-interface (figuur 2).

Afbeelding 2:OpenEEW-sensorprintplaatontwerp

OpenEEW-sensoren vereisen specifieke installatievoorwaarden om een ​​acceptabele datakwaliteit te garanderen. Een voorbeeld van installatie wordt getoond in figuur 3. Het systeem vereist nabijheid van de router en een goede signaal-ruisverhouding voor optimale pakketoverdracht.

Afbeelding 3:Installatie van OpenEEW-systeem

OpenEEW, dat is gemaakt met steun van het Amerikaanse Agentschap voor Internationale Ontwikkeling, de Clinton Foundation en Arrow Electronics, bevat ondersteuning van de kerntechnologie van het IoT.

IBM, dat Grillo oorspronkelijk ondersteunde via het Clinton Global Initiative (CGI) Action Network van de Clinton Foundation, zei dat het OpenEEW-technologieën zou toevoegen aan Call for Code, dat wordt ondersteund door de Linux Foundation. Call for Code, gelanceerd in mei 2018, heeft tot doel data, AI en blockchain-technologieën te combineren om systemen te creëren die beter kunnen reageren op natuurrampen.

Daarnaast beweert IBM dat het een nieuw systeem heeft ontwikkeld om sensormetingen weer te geven en zes Grillo-sensoren heeft geïmplementeerd om tests uit te voeren in Puerto Rico. Met OpenEEW hoopt IBM de bouw van EEW aan te moedigen in plaatsen als Nepal, Nieuw-Zeeland, Ecuador en andere seismische regio's. Deze gemeenschappen kunnen OpenEEW vervolgens helpen door het ontwerp van sensorhardware te verbeteren en methoden te ontwikkelen om waarschuwingen aan burgers te geven.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europe.