地震预警项目加强对自然灾害的响应

科学家们一直在努力寻找解决自然灾害的方法。虽然消除似乎遥不可及，但重点一直放在减少生命和安全上。此类自然灾害包括地震、洪水、飓风、龙卷风、火山爆发、海啸、风暴和其他地质过程。开放式地震预警项目 (OpenEEW) 旨在降低 EEW 系统的成本，加速其在全球范围内的部署，并有可能挽救许多生命。

Linux 基金会最近宣布与 IBM 合作支持 Grillo 的 OpenEEW 项目，以加速地震预警 (EEW) 系统的标准化和实施。该项目包括 Grillo 的 EEW 解决方案，其中包括检测和分析地震以及向社区发出警报的综合能力。在 IBM、美国国际开发署、克林顿基金会和艾睿电子的支持下，Grillo 创建了 OpenEEW。

系统在地震到来之前向人们发送实时警报。然而，由于传统地震仪、专用电信和定制软件的成本高得令人难以置信，只有几家机构尝试构建解决方案。Grillo 实施了物联网 (IoT) 方法，将组件、软件和专有技术的组合标准化以降低成本。自 2017 年以来，Grillo 团队在墨西哥和智利开发并实施了基于物联网的系统，并通过 Twitter、移动应用程序和警报设备发布了公共警报。

“速度取决于地震到用户的距离。一旦传感器检测到地震，在毫秒内处理并将警报发送给附近的用户。如果用户距离地震数百公里，他们可能需要一分钟或更多/更少的时间来准备，然后才能感觉到震动。如果地震非常接近，他们可能只有几秒钟。无论哪种方式，这都会很有用，例如，在孩子们可以躲在桌子底下的学校里，”Grillo 首席执行官 (CEO) 安德烈斯·梅拉 (Andres Meira) 说。

地震探测

地震是地壳的振动或移动，这是由于构造力将一定量的能量释放到地球内部称为震源的区域的结果。冲击会引起振荡，根据强度不同，可能会对未按照相应规定建造的建筑物造成损坏。

地震无法提前确定，即确切地知道事件发生的日期和时间。但是，有一种技术可以为人们提供有关地震情况到来的支持。在这方面，许多国家已经进行了研究，这些研究提供了地震预警系统，通过智能手机向民众发出警告，从而试图降低损失和人员伤亡水平。

预警系统提供预期地震强度和到达时间的早期预警。这些估计取决于使用震中附近的地震仪观测到的数据对地震震级的准确分析。该预警系统旨在减轻地震破坏，允许采取诸如减速列车、电梯控制等对策，并允许人们在工厂、办公室和家庭等各种环境中快速保护自己。

日益增长的城市化进程，尤其是对复杂的电信和交通基础设施的强烈依赖，已导致对通过向民众发出警报的地震预警系统进行仔细研究。开发这样一个系统是减少对地震的未知和不可预测性的恐惧，同时提高人们的安全的基本步骤（图 1）。

预警是可能的，因为信息可以通过通信系统几乎即时发送。地震波以一 (1) 到七 (7) 公里/秒的速度穿过地球（取决于波 P、S 和半波的类型）。这意味着骚动可能需要几秒钟甚至几分钟才能从地震发生地传播到人口高度集中的地步。

当地震发生时，地震波，包括压缩波或纵波 (P)、横波 (S) 和面波 (R 和 L)，从震中向外辐射。较快但较弱的 P 波传播到附近的传感器，在较慢但较大的 S 波和面波到来之前产生警报信号以执行保护操作。

在地震事件发生前准确发送警报的能力需要一些重要的技术解决方案：

传感器网络有更多的数据进行分析；

稳健高效的数据处理区；

快速估计事件位置、时间和地图的计算机算法

图1：台湾使用的ShakeAlert系统的操作[来源美国地质调查局]。

Linux基金会和Grillo

地震通常在发展中国家造成最严重的后果，部分原因是建筑和基础设施问题。警报系统在墨西哥、日本、韩国和台湾等国家提供公共警报，但由于成本原因，近30亿人难以访问。OpenEEW希望帮助降低EEW系统的成本，加快其在全球的部署；有可能挽救许多人的生命。

OpenEEW 项目包括物联网的几个重要组成部分：可以快速检测和传输地面运动的传感器硬件和固件，可以部署在各种平台上的实时传感系统，从 Kubernetes 集群到 Raspberry Pi；以及允许用户尽快在硬件、可穿戴设备或移动设备上接收警报的应用程序。开源社区旨在通过贡献 OpenEEW 的三种集成技术能力来帮助推进地震技术：传感器实施、地震检测和警报发送。

“借助 OpenEEW，您可以使用我们提供的原理图 ( https: //openeew.com/docs/build...) 构建您的传感器，或者购买组装好的产品。这些传感器采用现代 MEMS 加速度计，其噪声远低于智能手机中的加速度计。这样可以提供高质量的数据，传输到云或用户提供的私人服务器。传感器还包括为传输和连续运行提供可靠性的定制固件。自 2017 年以来，这些传感器一直在墨西哥和智利的偏远地区运行，无需任何维护，”Andres 说。

他继续说：“传感器在固件中进行连续校准，以消除对加速度值的任何偏移。他们还做了一些简单的过滤。在云端（或可能是新版本的固件）中，检测系统寻找地震事件。不同的算法，如短期平均或长期平均，以及组合来自其他设备的信号，以确保它不是误报。

该系统是一个微控制器（ESP32），它具有足够的性能来读取加速度计和流数据，以及一些其他功能。“然而，我们目前得到了 Arrow 的支持，他们正在为一种新的传感器提供工程设计，该传感器以低功耗进行边缘计算和蜂窝传输。这将允许以前因缺乏互联网或电力而受到限制的新安装可能性，”安德烈斯说。

他继续说道，“现在正在开发的下一阶段是使用机器学习来改进这些检测，可能只使用单个传感器的读数。自 2017 年以来，我们已经发布了所有未处理的数据以促进这一点 ( https://openeew.com/docs/machi... )。”

通过使用微控制器、新一代 MEMS 加速度计和云计算，现在可以为这些社区提供以前只能在少数几个国家以高额公共费用获得的解决方案。“通过将检测系统作为开源提供，现在可以根据需要将软件部署在不同的平台上。例如，这可以在本地 Raspberry Pi（在小型网络的情况下）或笔记本电脑上运行，这可以提供延迟优势，而不是依赖 100 公里外的云服务，”Andres 说。

接收警报的警报或应用程序可以根据用户的规范进行定制。“在 OpenEEW GitHub 中，我们提供了一个人们可以创建的示例应用程序，但他们可能还希望将警报引导到他们的 twitter 提要、公共广播系统，甚至是建筑管理系统。我们不知道最后一英里是如何实现的，”安德烈斯说。

OpenEEW 传感器具有高性能 MEMS 加速度计和以太网或 Wi-Fi 连接。它还包括一个响亮的蜂鸣器和三个用于警报功能的明亮 NeoPixel LED。固定相应的电路部件后，PCB板工作在3.3V，最大电流为1A。

加速度计通过 SPI 接口访问，特别是 ESP32 的 VSPI。可选择添加带有 UART 接口的 GPS（图 2）。

 

OpenEEW 传感器需要特定的安装条件以确保可接受的数据质量。安装示例如图 3 所示。该系统需要靠近路由器和良好的信噪比，以实现最佳的数据包传输。

图3：OpenEEW系统安装

OpenEEW 是在美国国际开发署、克林顿基金会的支持下创建的，艾睿电子包括物联网 (IoT) 核心技术的支持。

IBM 通过克林顿基金会的克林顿全球倡议 (CGI) 行动网络支持格里洛，表示将在 Linux 基金会支持的 Call for Code 中添加 OpenEEW 技术。Call for Code 于 2018 年 5 月启动，旨在结合数据、人工智能和区块链技术，创建更好地应对自然灾害的系统。

除此之外，IBM 声称已经开发了一个新系统来显示传感器读数，并在波多黎各实施了六个 Grillo 传感器来进行测试。通过 OpenEEW，IBM 希望鼓励在尼泊尔、新西兰、厄瓜多尔和其他地震地区等地建设 EEW。然后，这些社区可以通过推进传感器硬件设计和创建向公民提供警报的方法来帮助 OpenEEW。

审核编辑 黄昊宇