リファレンスデザインは地震早期警報システムを簡素化します

Linux Foundationは、地震早期警報（EEW）システムの標準化と実装を加速するために、IBMと協力してGrilloのOpenEEWプロジェクトのサポートを発表しました。このプロジェクトには、地震を検出して分析し、コミュニティに警告する統合機能で構成されるグリロのEEWソリューションが含まれています。 OpenEEWは、IBM、USAID、Clinton Foundation、およびArrowElectronicsの支援を受けてGrilloによって作成されました。

EEWシステムは、地震が到着する前にリアルタイムのアラートを人々に送信します。ただし、従来の地震計、専用の電気通信、カスタムソフトウェアのコストが非常に高いため、ソリューションの構築を試みた機関はごくわずかです。

Grilloは、モノのインターネット（IoT）アプローチを実装し、コンポーネント、ソフトウェア、およびノウハウの組み合わせを標準化して、コストを削減しました。 2017年以来、Grilloチームは、メキシコとチリでIoTベースのシステムを開発および実装し、Twitter、モバイルアプリケーション、およびアラームデバイスを介して公開アラートを発行しています。

「速度は、地震からユーザーまでの距離によって異なります」と、GrilloのCEOであるAndresMeira氏は述べています。 「センサーが地震を検出すると、ミリ秒単位で処理され、アラートが近くのユーザーに送信されます。ユーザーが地震から数百キロ離れている場合、揺れを感じる前に1分以上/それ以下の準備ができる場合があります。地震が非常に近い場合、彼らは数秒しか得られないかもしれません。いずれにせよ、これは、たとえば、子供がテーブルの下に入ることができる学校で役立つ可能性があります。」

地震の検出

地震は、震源と呼ばれる地球内部の領域に大量のエネルギーを放出する地殻変動力の結果としての地殻の振動またはシフトです。衝撃は振動を引き起こし、強度によっては、対応する規制に従って建設されていない建物に損傷を与える可能性があります。

地震を事前に特定することはできません。つまり、イベントの日時を確実に知ることはできません。しかし、地震イベントの到着に関して住民に有効なサポートを提供する技術があります。この点に関して、スマートフォンを介して住民に警告する地震警報システムを提供し、それによって被害と死傷者を減らすことを試みる多くの国ですでに適用されている研究があります。

警告システムは、予想される地震の強さと到着時刻を早期に警告します。これらの推定値は、震源地近くの地震計によって観測されたデータを使用した地震マグニチュードの正確な分析に基づいています。警告システムは、地震による被害を軽減し、列車の減速、エレベーターの制御などの対策を可能にし、工場、オフィス、家などのさまざまな環境で人々が迅速に身を守ることができるようにすることを目的としています。

都市化の進展、特に電気通信と輸送の複雑なインフラストラクチャへの強い依存により、住民に警告を送信することにより、地震の早期警報システムを注意深く研究するようになりました。このようなシステムの開発は、地震の未知の予測不可能な性質に対する恐怖を軽減すると同時に、人々の安全を向上させるための基本的なステップです（図1）。

地震波が1から7km / sの範囲の速度で地球を横切って伝わる間（波のタイプP、S、および半分に応じて）、情報は通信システムを介して事実上瞬時に送信できるため、早期警告が可能です。これは、地震が発生した場所から人口が最も集中する場所まで、攪拌が数秒または数分かかる可能性があることを意味します。

地震が発生すると、圧縮波または縦波（P）、横波（S）、表面波（RおよびL）などの地震波が震源地から外側に放射されます。速いが弱いP波は近くのセンサーに伝わり、警報信号を生成して、遅いが強いS波と表面波が到着する前に保護操作を実行します。

地震イベントの前に警告を適切に送信するには、いくつかの重要な技術的解決策が必要です。

• 分析するデータを増やすためのセンサーのネットワーク。
• 堅牢で効率的なデータ処理ゾーン。
• イベントの場所、時間、地図をすばやく推定するためのコンピュータアルゴリズム。

図1：台湾で使用されているShakeAlertシステムの操作[出典USGS]

LinuxFoundationとGrillo

地震は、建設やインフラの問題もあり、開発途上国で最も深刻な結果をもたらすことがよくあります。アラートシステムは、メキシコ、日本、韓国、台湾などの国で公開アラートを提供しますが、30億人近くの人々がコストのためにそれらにアクセスするのが困難です。 OpenEEWは、EEWシステムのコストを削減し、世界中での展開を加速し、最終的には人命を救うことを望んでいます。

OpenEEWプロジェクトには、IoTのいくつかの主要コンポーネントが含まれています。地面の動きをすばやく検出して送信できるセンサーハードウェアとファームウェア、KubernetesクラスターからRaspberryPiまでのさまざまなプラットフォームにデプロイできるリアルタイムセンシングシステム。また、ユーザーがハードウェア、ウェアラブルデバイス、またはモバイルアプリケーションに関するアラートをできるだけ早く受信できるようにするアプリケーション。オープンソースコミュニティは、OpenEEWの3つの統合テクノロジー機能（センサーの実装、地震の検出、アラーム送信）に貢献することで、地震テクノロジーの進歩を支援することを目的としています。

「OpenEEWを使用すると、提供されている回路図を使用して独自のセンサーを構築することも、組み立てられた製品を直接購入することもできます」とMeira氏は述べています。 「これらのセンサーは、スマートフォンに見られるものよりもはるかに低いノイズである最新のMEMS加速度計を備えています。これにより、ユーザーが提供するクラウドまたはプライベートサーバーに送信される高品質のデータが提供されます。センサーには、送信と連続動作の信頼性を提供するカスタムファームウェアも含まれています。これらのセンサーは、2017年以降、メンテナンスなしでメキシコとチリの遠隔地で一貫して動作しています。」

彼は続けました。「センサーはファームウェアで継続的なキャリブレーションを行い、加速度値へのオフセットを取り除きます。また、いくつかの簡単なフィルタリングも行います。クラウド（またはファームウェアの新しいバージョンではエッジ上にある可能性があります）では、検出システムは、短期平均/長期平均などのさまざまなアルゴリズムを使用して地震イベントを検索し、さまざまなセンサーからの信号を組み合わせて、誤検知。」

このシステムはマイクロコントローラー（ESP32）に基づいており、加速度計の読み取りやデータのストリーミング、およびその他の機能を実行するのに十分なパフォーマンスを備えています。 「しかし、私たちは現在、低電力でエッジコンピューティングとセルラー伝送を行う新しいセンサーのエンジニアリングを提供しているArrowによってサポートされています」とMeira氏は述べています。 「これにより、以前はインターネットや電力の不足によって制限されていた新しいインストールの可能性が可能になります。」

彼は続けました。「現在開発中の次の段階は、機械学習を使用してこれらの検出を改善し、潜在的に単一のセンサーの読み取り値のみを使用することです。これを容易にするために、2017年以降すべての未処理のデータを公開しています。」

マイクロコントローラー、新世代のMEMS加速度計、クラウドコンピューティングを利用することで、以前は少数の国でしか利用できなかったソリューションを公費でこれらのコミュニティに提供できるようになりました。 「検出システムをオープンソースとして提供することで、必要に応じてソフトウェアをさまざまなプラットフォームに展開できるようになりました」とMeira氏は述べています。 「これは、たとえば、ローカルのRaspberry Pi（小規模なネットワークの場合）またはラップトップで実行できます。これにより、数百キロメートル離れたクラウドサービスに依存する代わりに、遅延のメリットが得られます。」

アラートを受信するアラームまたはアプリは、ユーザーに合わせて調整することもできます。 「OpenEEWGitHubでは、ユーザーが作成できるサンプルアプリを提供していますが、アラートをTwitterフィード、拡声システム、さらにはビル管理システムに送信することもできます。ラストマイルがどのように達成されるかについては不可知論者です。

OpenEEWセンサーは、高性能のMEMS加速度計とイーサネットまたはWi-Fi接続を備えています。また、アラーム機能用の大きなブザーと3つの明るいNeoPixelLEDが含まれています。

コンポーネントは、対応する回路を備えたPCBに取り付けられています。ボードは3.3Vで動作し、最大電流は1Aです。加速度計には、SPIインターフェース、特にESP32のVSPIを介してアクセスします。 GPSはオプションでUARTインターフェースで追加できます（図2）。

図2：OpenEEWセンサーのPCB設計

OpenEEWセンサーは、許容可能なデータ品質を確保するために特定の設置条件を必要とします。インストールの例を図3に示します。システムには、ルーターに近接し、最適なパケット送信のために良好な信号対雑音比が必要です。

図3：OpenEEWシステムのインストール

米国国際開発庁、クリントン財団、アローエレクトロニクスの支援を受けて作成されたOpenEEWには、IoTのコアテクノロジーからの支援が含まれています。

もともとクリントン財団のクリントングローバルイニシアチブ（CGI）アクションネットワークを通じてGrilloをサポートしていたIBMは、LinuxFoundationによってサポートされているCallforCodeにOpenEEWテクノロジーを追加すると述べました。 2018年5月に開始されたCallfor Codeは、データ、AI、ブロックチェーンテクノロジーを組み合わせて、自然災害への対応を改善するシステムを作成することを目的としています。

これに加えて、IBMは、センサーの読み取り値を表示する新しいシステムを開発し、プエルトリコでテストを実施するために6つのGrilloセンサーを実装したと主張しています。 IBMは、OpenEEWを使用して、ネパール、ニュージーランド、エクアドル、およびその他の地震地域でのEEW建設を奨励したいと考えています。これらのコミュニティは、センサーハードウェアの設計を進め、市民にアラートを提供する方法を作成することで、OpenEEWを支援することができます。

>>この記事はもともと姉妹サイトであるEETimesEurope。