지진 조기 경보 시스템을 단순화하는 참조 설계

Linux Foundation은 EEW(지진 조기 경보) 시스템의 표준화 및 구현을 가속화하기 위해 IBM과 협력하여 Grillo의 OpenEEW 프로젝트에 대한 지원을 발표했습니다. 이 프로젝트에는 지진을 감지 및 분석하고 커뮤니티에 경고하는 통합 기능으로 구성된 Grillo의 EEW 솔루션이 포함됩니다. OpenEEW는 IBM, USAID, Clinton Foundation 및 Arrow Electronics의 지원을 받아 Grillo에서 만들었습니다.

EEW 시스템은 지진이 발생하기 전에 사람들에게 실시간 경보를 보냅니다. 그러나 기존 지진계, 전용 통신 및 맞춤형 소프트웨어의 비용이 엄청나게 높기 때문에 솔루션 구축을 시도한 기관은 몇 개뿐입니다.

Grillo는 비용을 줄이기 위해 구성 요소, 소프트웨어 및 노하우의 조합을 표준화하여 사물 인터넷(IoT) 접근 방식을 구현했습니다. 2017년부터 Grillo 팀은 멕시코와 칠레에서 IoT 기반 시스템을 개발 및 구현했으며 Twitter, 모바일 애플리케이션 및 경보 장치를 통해 대중에게 경고했습니다.

"속도는 사용자와 지진의 거리에 따라 달라집니다."라고 Grillo의 CEO인 Andres Meira가 말했습니다. “센서가 지진을 감지하면 밀리초 단위로 처리되어 인근 사용자에게 경고가 전송됩니다. 사용자가 지진으로부터 수백 킬로미터 떨어져 있는 경우 흔들림을 느끼기 전에 1분 이상 또는 그 이하의 준비 시간이 필요할 수 있습니다. 지진이 매우 가까우면 몇 초 밖에 걸리지 않을 수 있습니다. 어느 쪽이든, 예를 들어 아이들이 탁자 아래로 들어갈 수 있는 학교에서 유용할 수 있습니다.”

지진 감지

지진은 지진파라고 불리는 지구 내부 영역으로 일정량의 에너지를 방출하는 구조적 힘의 결과로 지구의 지각이 진동하거나 이동하는 것입니다. 충격은 진동의 강도에 따라 해당 규정에 따라 건설되지 않은 건물에 손상을 줄 수 있는 진동을 일으킵니다.

지진은 사전에 결정될 수 없습니다. 즉, 사건의 날짜와 시간을 확실히 아는 것입니다. 그러나 지진 발생의 도래와 관련하여 인구에 유효한 지원을 제공하는 기술이 있습니다. 이와 관련하여 이미 많은 국가에서 지진 경보 시스템을 제공하여 스마트폰을 통해 인구에게 경고함으로써 피해와 인명 피해를 줄이기 위한 연구가 적용되고 있습니다.

경고 시스템은 예상 지진 강도와 도착 시간을 조기에 경고합니다. 이러한 추정은 진앙 근처의 지진계에서 관측한 데이터를 사용하여 지진 규모의 정확한 분석을 기반으로 합니다. 경보 시스템은 공장, 사무실, 가정과 같은 다양한 환경에서 열차 감속, 승강기 제어 및 사람들이 신속하게 자신을 보호할 수 있도록 하는 등의 대응이 가능하도록 지진 피해를 완화하는 것을 목표로 합니다.

증가하는 도시화와 특히 통신 및 운송을 위한 복잡한 기반 시설에 대한 강한 의존도는 인구에게 경고를 보내 지진에 대한 조기 경보 시스템에 대한 주의 깊은 연구로 이어졌습니다. 이러한 시스템의 개발은 미지의 것과 예측할 수 없는 지진의 특성에 대한 두려움을 줄이는 동시에 사람들의 안전을 향상시키는 근본적인 단계입니다(그림 1).

정보는 통신 시스템을 통해 거의 즉각적으로 전송될 수 있기 때문에 조기 경보가 가능하지만 지진파는 1에서 7km/s 범위의 속도로 지구를 가로질러 이동합니다(파동 P, S 및 절반 유형에 따라 다름). 즉, 지진이 발생한 곳에서 인구가 가장 많이 집중된 지점까지 동요가 이동하는 데 몇 초 또는 몇 분이 걸릴 수 있습니다.

지진이 발생하면 압축파 또는 종파(P), 횡파(S), 표면파(R 및 L)를 포함한 지진파가 진앙에서 바깥쪽으로 방사됩니다. 빠르지만 약한 P파는 주변 센서로 이동하여 느리지만 강한 S파와 표면파가 도래하기 전에 경보 신호를 생성하여 보호 작업을 수행합니다.

지진이 발생하기 전에 경고를 적절하게 보내려면 몇 가지 중요한 기술 솔루션이 필요합니다.

• 분석할 데이터가 더 많은 센서 네트워크
• 강력하고 효율적인 데이터 처리 영역
• 행사의 위치, 시간 및 지도를 빠르게 추정하는 컴퓨터 알고리즘

그림 1:대만에서 사용되는 ShakeAlert 시스템의 작동 [출처 USGS]

Linux Foundation 및 Grillo

지진은 종종 부분적으로 건설 및 기반 시설 문제로 인해 개발 도상국에서 가장 심각한 결과를 초래합니다. 경보 시스템은 멕시코, 일본, 한국, 대만과 같은 국가에서 공개 경보를 제공하지만 거의 30억 명의 사람들이 비용 때문에 액세스하기가 어렵습니다. OpenEEW는 EEW 시스템의 비용을 절감하고 전 세계적으로 배포를 가속화하여 궁극적으로 생명을 구하는 데 도움이 되고자 합니다.

OpenEEW 프로젝트에는 IoT의 몇 가지 주요 구성 요소가 포함되어 있습니다. 지면 움직임을 빠르게 감지하고 전송할 수 있는 센서 하드웨어 및 펌웨어, Kubernetes 클러스터에서 Raspberry Pi에 이르기까지 다양한 플랫폼에 배포할 수 있는 실시간 감지 시스템, 사용자가 하드웨어, 웨어러블 장치 또는 모바일 응용 프로그램에 대한 경고를 최대한 빨리 받을 수 있도록 하는 응용 프로그램입니다. 오픈 소스 커뮤니티는 OpenEEW의 세 가지 통합 기술 기능인 센서 구현, 지진 감지 및 경보 전송에 기여하여 지진 기술 발전을 돕는 것을 목표로 합니다.

Meira는 "OpenEEW를 사용하면 우리가 제공하는 회로도를 사용하여 자체 센서를 구축하거나 단순히 조립된 제품을 직접 구매할 수 있습니다."라고 말했습니다. “이 센서는 스마트폰에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 낮은 노이즈인 최신 MEMS 가속도계를 특징으로 합니다. 이는 사용자가 제공하는 클라우드 또는 사설 서버로 전송되는 우수한 품질의 데이터를 제공합니다. 센서에는 전송 및 연속 작동에 대한 신뢰성을 제공하는 맞춤형 펌웨어도 포함되어 있습니다. 이 센서는 2017년부터 유지 보수 없이 멕시코와 칠레의 외딴 지역에서 지속적으로 작동하고 있습니다.”

그는 계속해서 “센서는 가속 값에 대한 오프셋을 제거하기 위해 펌웨어에서 지속적으로 교정을 수행합니다. 그들은 또한 몇 가지 간단한 필터링을 수행합니다. 클라우드(또는 잠재적으로 새로운 펌웨어 버전의 에지)에서 감지 시스템은 단기 평균/장기 평균과 같은 다양한 알고리즘을 사용하여 지진 이벤트를 찾고 서로 다른 센서의 신호를 결합하여 지진이 발생하지 않도록 합니다. 위양성.”

이 시스템은 가속도계를 읽고 데이터를 스트리밍하는 데 충분한 성능과 기타 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러(ESP32)를 기반으로 합니다. "그러나 우리는 현재 저전력으로 에지 컴퓨팅 및 셀룰러 전송을 수행하는 새로운 센서에 대한 엔지니어링을 제공하고 있는 Arrow의 지원을 받고 있습니다."라고 Meira가 말했습니다. "이를 통해 이전에는 인터넷이나 전원 부족으로 인해 제한되었던 새로운 설치 가능성을 허용할 것입니다."

그는 계속해서 "현재 개발 중인 다음 단계는 잠재적으로 단일 센서의 판독값만 사용하여 이러한 감지를 개선하기 위해 기계 학습을 사용하는 것입니다. 이를 용이하게 하기 위해 2017년부터 처리되지 않은 모든 데이터를 게시했습니다.”

마이크로컨트롤러, 차세대 MEMS 가속도계, 클라우드 컴퓨팅을 사용하면 이전에는 소수의 국가에서만 엄청난 공공 비용으로 사용할 수 있었던 솔루션을 이제 이러한 커뮤니티에 제공할 수 있게 되었습니다. Meira는 "탐지 시스템을 오픈 소스로 제공함으로써 이제 필요에 따라 소프트웨어를 다른 플랫폼에 배포할 수 있습니다."라고 말했습니다. "예를 들어 로컬 Raspberry Pi(소규모 네트워크의 경우) 또는 랩톱에서 실행될 수 있으며 수백 킬로미터 떨어진 클라우드 서비스에 의존하는 대신 지연 시간 이점을 제공할 수 있습니다."

알림을 수신하는 알람 또는 앱도 사용자에 맞게 조정할 수 있습니다. “OpenEEW GitHub에서 우리는 사람들이 만들 수 있는 예제 앱을 제공하지만 트위터 피드, 전관 방송 시스템 또는 건물 관리 시스템에 경고를 보내고 싶어할 수도 있습니다. 우리는 마지막 마일을 달성하는 방법에 대해 불가지론자입니다.

OpenEEW 센서는 고성능 MEMS 가속도계와 이더넷 또는 Wi-Fi 연결이 특징입니다. 또한 큰 부저와 알람 기능을 위한 3개의 밝은 NeoPixel LED가 포함되어 있습니다.

구성 요소는 해당 회로와 함께 PCB에 장착됩니다. 이 보드는 최대 1A의 전류로 3.3V에서 작동합니다. 가속도계는 SPI 인터페이스, 특히 ESP32의 VSPI를 통해 액세스됩니다. UART 인터페이스로 GPS를 선택적으로 추가할 수 있습니다(그림 2).

그림 2:OpenEEW 센서 PCB 설계

OpenEEW 센서는 수용 가능한 데이터 품질을 보장하기 위해 특정 설치 조건이 필요합니다. 설치 예는 그림 3에 나와 있습니다. 시스템은 최적의 패킷 전송을 위해 라우터에 근접하고 신호 대 잡음비가 양호해야 합니다.

그림 3:OpenEEW 시스템 설치

미국 국제개발청(U.S. Agency for International Development), 클린턴 재단(Clinton Foundation), 애로우 일렉트로닉스(Arrow Electronics)의 지원으로 만들어진 OpenEEW에는 IoT의 핵심 기술 지원이 포함되어 있습니다.

원래 Clinton Foundation의 CGI(Clinton Global Initiative) Action Network를 통해 Grillo를 지원했던 IBM은 Linux Foundation에서 지원하는 Call for Code에 OpenEEW 기술을 추가할 것이라고 말했습니다. 2018년 5월에 시작된 Call for Code는 데이터, AI 및 블록체인 기술을 결합하여 자연 재해에 더 잘 대응하는 시스템을 만드는 것을 목표로 합니다.

이 외에도 IBM은 센서 판독값을 표시하는 새로운 시스템을 개발했으며 푸에르토리코에서 테스트를 수행하기 위해 6개의 Grillo 센서를 구현했다고 주장합니다. IBM은 OpenEEW를 통해 네팔, 뉴질랜드, 에콰도르 및 기타 지진 지역과 같은 지역에서 EEW 건설을 장려하기를 희망합니다. 이러한 커뮤니티는 센서 하드웨어 설계를 발전시키고 시민들에게 경고를 제공하는 방법을 만들어 OpenEEW를 도울 수 있습니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 EE Times Europe.