科學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、龍卷風、火山爆發(fā)、海嘯、風暴和其他地質(zhì)過程。開放式地震預(yù)警項目 (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 基金會最近宣布與 IBM 合作支持 Grillo 的 OpenEEW 項目，以加速地震預(yù)警 (EEW) 系統(tǒng)的標準化和實施。該項目包括 Grillo 的 EEW 解決方案，其中包括檢測和分析地震以及向社區(qū)發(fā)出警報的綜合能力。在 IBM、美國國際開發(fā)署、克林頓基金會和艾睿電子的支持下，Grillo 創(chuàng)建了 OpenEEW。

系統(tǒng)在地震到來之前向人們發(fā)送實時警報。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，只有幾家機構(gòu)嘗試構(gòu)建解決方案。Grillo 實施了物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 方法，將組件、軟件和專有技術(shù)的組合標準化以降低成本。自 2017 年以來，Grillo 團隊在墨西哥和智利開發(fā)并實施了基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，并通過 Twitter、移動應(yīng)用程序和警報設(shè)備發(fā)布了公共警報。

“速度取決于地震到用戶的距離。一旦傳感器檢測到地震，在毫秒內(nèi)處理并將警報發(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/更少的時間來準備，然后才能感覺到震動。如果地震非常接近，他們可能只有幾秒鐘。無論哪種方式，這都會很有用，例如，在孩子們可以躲在桌子底下的學校里，”Grillo 首席執(zhí)行官 (CEO) 安德烈斯·梅拉 (Andres Meira) 說。

地震探測

地震是地殼的振動或移動，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。沖擊會引起振蕩，根據(jù)強度不同，可能會對未按照相應(yīng)規(guī)定建造的建筑物造成損壞。

地震無法提前確定，即確切地知道事件發(fā)生的日期和時間。但是，有一種技術(shù)可以為人們提供有關(guān)地震情況到來的支持。在這方面，許多國家已經(jīng)進行了研究，這些研究提供了地震預(yù)警系統(tǒng)，通過智能手機向民眾發(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)期地震強度和到達時間的早期預(yù)警。這些估計取決于使用震中附近的地震儀觀測到的數(shù)據(jù)對地震震級的準確分析。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、電梯控制等對策，并允許人們在工廠、辦公室和家庭等各種環(huán)境中快速保護自己。

日益增長的城市化進程，尤其是對復雜的電信和交通基礎(chǔ)設(shè)施的強烈依賴，已導致對通過向民眾發(fā)出警報的地震預(yù)警系統(tǒng)進行仔細研究。開發(fā)這樣一個系統(tǒng)是減少對地震的未知和不可預(yù)測性的恐懼，同時提高人們的安全的基本步驟（圖 1）。

預(yù)警是可能的，因為信息可以通過通信系統(tǒng)幾乎即時發(fā)送。地震波以一 (1) 到七 (7) 公里/秒的速度穿過地球（取決于波 P、S 和半波的類型）。這意味著騷動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?shù)卣鸢l(fā)生時，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 波和面波到來之前產(chǎn)生警報信號以執(zhí)行保護操作。

在地震事件發(fā)生前準確發(fā)送警報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)進行分析；

穩(wěn)健高效的數(shù)據(jù)處理區(qū)；

快速估計事件位置、時間和地圖的計算機算法

圖1：臺灣使用的ShakeAlert系統(tǒng)的操作[來源美國地質(zhì)調(diào)查局]。

Linux基金會和Grillo

地震通常在發(fā)展中國家造成最嚴重的后果，部分原因是建筑和基礎(chǔ)設(shè)施問題。警報系統(tǒng)在墨西哥、日本、韓國和***提供公共警報，但由于成本原因，近30億人難以訪問。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 項目包括物聯(lián)網(wǎng)的幾個重要組成部分：可以快速檢測和傳輸?shù)孛孢\動的傳感器硬件和固件，可以部署在各種平臺上的實時傳感系統(tǒng)，從 Kubernetes 集群到 Raspberry Pi；以及允許用戶盡快在硬件、可穿戴設(shè)備或移動設(shè)備上接收警報的應(yīng)用程序。開源社區(qū)旨在通過貢獻 OpenEEW 的三種集成技術(shù)能力來幫助推進地震技術(shù)：傳感器實施、地震檢測和警報發(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，或者購買組裝好的產(chǎn)品。這些傳感器采用現(xiàn)代 MEMS 加速度計，其噪聲遠低于智能手機中的加速度計。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)運行提供可靠性的定制固件。自 2017 年以來，這些傳感器一直在墨西哥和智利的偏遠地區(qū)運行，無需任何維護，”Andres 說。

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

該系統(tǒng)是一個微控制器（ESP32），它具有足夠的性能來讀取加速度計和流數(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，該傳感器以低功耗進行邊緣計算和蜂窩傳輸。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。

他繼續(xù)說道，“現(xiàn)在正在開發(fā)的下一階段是使用機器學習來改進這些檢測，可能只使用單個傳感器的讀數(shù)。自 2017 年以來，我們已經(jīng)發(fā)布了所有未處理的數(shù)據(jù)以促進這一點 ( https://openeew.com/docs/machi... )。”

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

接收警報的警報或應(yīng)用程序可以根據(jù)用戶的規(guī)范進行定制?！霸?OpenEEW GitHub 中，我們提供了一個人們可以創(chuàng)建的示例應(yīng)用程序，但他們可能還希望將警報引導到他們的 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現(xiàn)的，”安德烈斯說。

OpenEEW 傳感器具有高性能 MEMS 加速度計和以太網(wǎng)或 Wi-Fi 連接。它還包括一個響亮的蜂鳴器和三個用于警報功能的明亮 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。

加速度計通過 SPI 接口訪問，特別是 ESP32 的 VSPI?？蛇x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 是在美國國際開發(fā)署、克林頓基金會的支持下創(chuàng)建的，艾睿電子包括物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 核心技術(shù)的支持。

IBM 通過克林頓基金會的克林頓全球倡議 (CGI) 行動網(wǎng)絡(luò)支持格里洛，表示將在 Linux 基金會支持的 Call for Code 中添加 OpenEEW 技術(shù)。Call for Code 于 2018 年 5 月啟動，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)對自然災(zāi)害的系統(tǒng)。

除此之外，IBM 聲稱已經(jīng)開發(fā)了一個新系統(tǒng)來顯示傳感器讀數(shù)，并在波多黎各實施了六個 Grillo 傳感器來進行測試。通過 OpenEEW，IBM 希望鼓勵在尼泊爾、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)可以通過推進傳感器硬件設(shè)計和創(chuàng)建向公民提供警報的方法來幫助 OpenEEW。

審核編輯 黃昊宇