Linux FoundationとIBMがOpenEEWを支援：低コストIoTソリューションで地震早期警報を実現

The Linux Foundationは、IBMとの提携によりGrilloのOpenEEWプロジェクトを支援することを発表しました。これは、地震早期警報（EEW）システムの導入を効率化するための統一フレームワークです。このイニシアチブは、地震検知、リアルタイム分析、コミュニティ アラートを統合したGrilloのエンドツーエンドEEWソリューションをバンドルしています。OpenEEWは、IBM、USAID、クリントン財団、Arrow Electronicsの支援を受けてGrilloによって考案されました。

EEWシステムは揺れの前にリアルタイム アラートを提供しますが、従来の地震計、専門通信インフラ、特注ソフトウェアの高コストのため、ごく少数の機関しかこのようなソリューションの構築に踏み切っていません。

Grilloの戦略は、IoTアーキテクチャを活用し、ハードウェア、ファームウェア、専門知識を調和させてコストを削減します。2017年以来、GrilloチームはメキシコとチリでIoTベースのEEWネットワークを展開し、Twitter、専用モバイルアプリ、物理アラームユニットを通じて公共アラートを放送しています。

「速度は地震からユーザーまでの距離に依存します」とGrilloのCEO、Andres Meira氏は述べています。「センサーが地震を検知すると、ミリ秒で処理され、近くのユーザーにアラートが送信されます。ユーザーが震源から数百キロ離れている場合、揺れを感じる1分以上前に準備時間が得られるかもしれません。地震が非常に近い場合、数秒しか得られないかもしれません。いずれにせよ、これは有用です。例えば学校では子供たちが机の下に隠れることができます。」

地震検知

地震は地球の地殻におけるエネルギーの突然の解放であり、通常は焦点（震源）で発生し、地面の振動を生成します。これらの振動の強度が潜在的な被害を決定し、特に耐震基準を満たさない構造物に影響します。

地震の正確なタイミングは予測不可能ですが、テクノロジーは一般市民に実行可能なリードタイムを提供できます。多くの国がすでにEEWシステムを導入し、スマートフォンにアラートを配信し、犠牲者と構造物被害の軽減を目指しています。

EEWプラットフォームは、震源付近に配置された地震計からのリアルタイムデータを分析することで、予想される強度と到達時間を推定します。システムの目標は、自動対抗措置（列車減速、エレベーター停止）をトリガーし、学校、職場、家庭で個人が保護行動をとるための数分を提供することで被害を軽減することです。急速な都市化と高度な通信・輸送ネットワークへの依存は、人口規模の早期警報機能の必要性を強調しています。EEWシステムの導入は、地震の未知で混沌とした性質を予測可能で管理可能なイベントに変え、公共の安全を高める上で極めて重要です。

早期警報が効果的なのは、データがデジタル ネットワークをほぼ瞬時に伝わるのに対し、地震波は1-7 km/s（P波、S波、表面波）で伝播するためです。結果として、警告は密集地域に揺れが到達する数秒から数分前に到着できます。

地震は震源から放射されるP波（初動）、S波（主要動）、表面波（Rayleigh波とLove波）の複数の波タイプを生成します。より速く振幅の小さいP波が近くのセンサーに最初に到達し、より遅く破壊的なS波と表面波が到着する前に保護行動を可能にする早期アラートをトリガーします。

地震イベント前に適切に警告を送信するには、いくつかの重要な技術的解決策が必要です：

• 分析するためにより多くのデータを得るセンサー ネットワーク
• 堅牢で効率的なデータ処理ゾーン
• 場所、時間、イベント マップを迅速に推定するコンピューター アルゴリズム

Linux FoundationとGrillo

地震は建築基準とインフラが弱い開発途上国に不均衡に影響を与えます。メキシコ、日本、韓国、台湾などではEEWアラートが存在しますが、約30億人が手の届かない状態にあります。OpenEEWはEEWのコストを下げ、グローバル展開を加速し、最終的に命を救うことを目指します。

OpenEEWのアーキテクチャは3つの核心IoT要素を融合します：（1）ミリ秒で地面の動きを取得・送信するセンサーハードウェアとファームウェア；（2）Kubernetesクラスタからシングルボードコンピューターまであらゆるものに展開可能なリアルタイム センシング スタック；（3）スマートフォン、ウェアラブル、カスタムハードウェアにアラートを配信するユーザーフェイシング アプリ。オープンソース エコシステムがセンサー設計、検知アルゴリズム、通知配信の進歩を促進します。

「OpenEEWでは、我々の回路図から独自センサーを製造するか、組み立て済みユニットを購入できます」とCEOのAndres Meira氏。「我々のセンサーは、スマートフォンよりはるかに低いノイズ特性を持つ最新MEMS加速度計を採用し、クラウドまたはプライベートサーバーにストリーミングされる高品質データを生成します。ファームウェアは信頼性の高い継続的動作を保証し、センサーは2017年以来、メキシコとチリの遠隔地で途切れることなく稼働しています。」

ファームウェアはセンサーオフセットを除去するため継続的に校正し、基本的なフィルタリングを適用します。クラウドで（将来のファームウェア リリースではエッジで）、検出エンジンはShort-Term/Long-Term Average（STA/LTA）や複数センサー間の相互相関などのアルゴリズムを使用して偽陽性を排除します。

ESP32マイクロコントローラ上に構築されたセンサーは、加速度計を読み取り、データをストリーミングしながら補助機能を実行できます。Arrowは現在、有線接続や商用電力のない地域での展開オプションを拡大する、新しいエッジ コンピュテーション、低消費電力、セルラー対応センサーを設計中です。

次の開発フェーズでは、検出を改善するために機械学習モデルを統合し、潜在的にシングル センサー ストリームを使用します。2017年以来収集されたすべての生データは研究支援のために公開されています。

マイクロコントローラ、次世代MEMS加速度計、クラウド コンピューティングを活用し、OpenEEWは以前はごく少数の高予算展開に限られていたコスト効率の良いソリューションを提供します。オープンソースにより、ソフトウェアはローカルRaspberry Piからラップトップまで多様なプラットフォームで実行可能で、遠隔クラウド サービスへの低レイテンシ代替を提供します。

アラート配布レイヤーは適応可能です。OpenEEW GitHubリポジトリではサンプルアプリを提供しますが、ユーザーはTwitterフィード、PAシステム、ビル管理インターフェースにも通知をルーティングできます。ラストマイル配信方法については中立的です。

OpenEEWセンサーは、高性能MEMS加速度計、EthernetまたはWi-Fi接続、大音量ブザー、視覚アラート用の3つのNeoPixel LEDを組み込んでいます。

図2: OpenEEWセンサー PCB設計

図2: OpenEEWセンサー PCB設計

適切な設置はデータ忠実度に不可欠です。図3に示す典型的なセットアップでは、パケット伝送の強力な信号対雑音比を維持するため、センサーをルーターの近くに配置します。

図3: OpenEEWシステム設置

OpenEEWはUSAID、クリントン財団、Arrow Electronicsの資金提供で作成され、核心的IoTテクノロジーを体現しています。

IBMは、もともとクリントン 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と協力していましたが、OpenEEWをLinux FoundationのCall for Codeプログラムに統合すると発表しました。これはデータ、AI、ブロックチェーンを統合し、災害対応を強化するイニシアチブです。

IBMはまた、センサーデータを可視化するダッシュボードを開発し、プエルトリコで6つのGrilloセンサーをフィールド試験用に展開しました。OpenEEWにより、IBMはネパール、ニュージーランド、エクアドルなどの地震ホットスポットでのEEW採用を促進し、コミュニティがハードウェア改良と市民向けアラート手法に貢献できることを期待しています。

>> この記事は元々、姉妹サイトEE Times Europeで公開されました。