리눅스 재단 & IBM, 저비용 지진 조기 경보 IoT 솔루션 '오픈EEW(OpenEEW)' 지원

리눅스 재단(Linux Foundation)이 IBM과의 파트너십을 통해 그리요(Grillo)의 오픈EEW(OpenEEW) 프로젝트를 지원한다고 발표했습니다. 이는 지진 조기 경보(EEW) 시스템 채택을 간소화하기 위해 설계된 통합 프레임워크입니다. 이 이니셔티브는 지진 감지, 실시간 분석, 커뮤니티 경보를 통합하는 그리요의 엔드투엔드 EEW 솔루션을 번들로 제공합니다. 오픈EEW는 IBM, USAID, 클린턴 재단, 애로우 일렉트로닉스의 지원으로 그리요에 의해 구상되었습니다.

EEW 시스템은 흔들림 앞서 실시간 경보를 제공하지만, 기존 지진계, 특수 통신 인프라, 맞춤형 소프트웨어의 가파른 비용으로 인해 소수의 기관만이 그러한 솔루션 구축을 시도했습니다.

그리요의 전략은 사물인터넷(IoT) 아키텍처를 활용하여 하드웨어, 펌웨어, 전문성을 조화시키고 비용을 절감하는 것입니다. 2017년부터 그리요 팀은 멕시코와 칠레에 IoT 기반 EEW 네트워크를 배포하여 트위터, 전용 모바일 앱, 물리적 알람 유닛을 통해 공개 경보를 방송해 왔습니다.

"속도는 사용자에게 지진 거리에 따라 달라집니다."라고 그리요 CEO 안드레스 메이라(Andres Meira)는 말했습니다. "센서가 지진을 감지하면 밀리초 내에 처리되고 경보가 인근 사용자에게 전송됩니다. 사용자가 지진에서 수백 킬로미터 떨어져 있으면 흔들림을 느끼기 전 1분 이상/미만의 준비 시간을 가질 수 있습니다. 지진이 매우 가까우면 몇 초만 얻을 수 있습니다. 어느 쪽이든 유용할 수 있습니다. 예를 들어 아이들이 책상 아래로 대피할 수 있는 학교에서."

지진 감지

지진은 지구 지각에서 에너지가 갑작스럽게 방출되어(일반적으로 진원(hypocentre)에서) 지면 진동을 생성합니다. 이 진동의 강도는 특히 내진 기준을 충족하지 못하는 구조물에 잠재적 피해를 결정합니다.

지진의 정확한 타이밍은 예측 불가능하지만, 기술은 대중에게 실행 가능한 선행 시간을 제공할 수 있습니다. 수많은 국가가 이미 스마트폰에 경보를 전달하는 EEW 시스템을 배치하여 사상자와 구조적 피해를 완화하는 것을 목표로 합니다.

EEW 플랫폼은 진원 근처에 위치한 지진계의 실시간 데이터를 분석하여 예상 강도와 도착 시간을 추정합니다. 시스템의 목표는 자동 대응 조치(열차 감속, 엘리베이터 정지)를 유발하고 개인에게 학교, 직장, 가정에서 보호 조치를 취할 수 있는 분 단위의 시간을 제공함으로써 피해를 줄이는 것입니다.

급속한 도시화와 정교한 통신 및 운송 네트워크에 대한 의존은 인구 전체 조기 경보 능력의 필요성을 강조합니다. EEW 시스템 배포는 지진의 알 수 없고 혼란스러운 본질을 예측 가능하고 관리 가능한 이벤트로 전환하는 데 중추적이며, 이로써 공공 안전을 강화합니다.

그림 1: 대만에서 사용되는 셰이크얼러트(ShakeAlert) 시스템 작동 [출처: USGS]

조기 경보가 효과적인 이유는 데이터가 디지털 네트워크를 통해 거의 즉시 이동하는 반면, 지진파는 1-7km/s(P파, S파, 표면파)로 전파되기 때문입니다. 결과적으로 경보는 밀집 인구 지역에 흔들림이 도달하기 수초에서 수분 전에 도착할 수 있습니다.

지진은 진원에서 방사되는 여러 파동 유형(P파(1차), S파(2차), 표면파(레일리파와 러브파))을 생성합니다. 더 빠르고 진폭이 낮은 P파가 인근 센서에 먼저 도달하여, 더 느리고 파괴적인 S파와 표면파가 도착하기 전에 보호 조치를 가능하게 하는 조기 경보를 트리거합니다.

지진 사건 전에 경보를 적절히 전송하려면 몇 가지 중요한 기술 솔루션이 필요합니다:

• 분석할 더 많은 데이터를 갖기 위한 센서 네트워크
• 강건하고 효율적인 데이터 처리 영역
• 이벤트의 위치, 시간, 맵을 빠르게 추정하기 위한 컴퓨터 알고리즘

리눅스 재단과 그리요

지진은 빌딩 코드와 인프라가 약한 개발도상국에 불균형적으로 영향을 미칩니다. 멕시코, 일본, 한국, 대만 같은 곳에서는 EEW 경보가 존재하지만, 거의 30억 명의 사람들은 여전히 감당할 수 없습니다. 오픈EEW는 EEW 비용을 낮추고, 글로벌 배포를 가속화하며, 궁극적으로 생명을 구하고자 합니다.

오픈EEW의 아키텍처는 세 가지 핵심 IoT 요소를 융합합니다: (1) 밀리초 단위로 지면 운동을 포착하고 전송하는 센서 하드웨어와 펌웨어; (2) 쿠버네티스 클러스터부터 싱글보드 컴퓨터까지 무엇이든 배포 가능한 실시간 감지 스택; (3) 스마트폰, 웨어러블, 맞춤형 하드웨어에 경보를 전달하는 사용자 대상 앱. 오픈소스 생태계는 센서 설계, 감지 알고리즘, 알림 전달 전반의 진전을 촉진합니다.

"오픈EEW를 사용하면 우리 회로도에서 직접 센서를 제작하거나 사전 조립된 유닛을 구매할 수 있습니다."라고 CEO 안드레스 메이라가 말했습니다. "우리 센서는 스마트폰에서 발견되는 것보다 훨씬 낮은 노이즈 특성을 가진 현대 MEMS 가속도계를 사용하여 고품질 데이터를 클라우드나 프라이빗 서버로 스트리밍합니다. 펌웨어는 신뢰할 수 있는 연속 작동을 보장하며, 센서는 2017년부터 멕시코와 칠레의 외딴 지역에서 중단 없이 작동해 왔습니다."

펌웨어는 센서 오프셋을 제거하기 위해 지속적으로 보정하고 기본 필터링을 적용합니다. 클라우드에서(또는 향후 펌웨어 릴리스에서는 에지에서) 우리의 감지 엔진은 단기/장기 평균(STA/LTA) 및 다중 센서 간 교차 상관관계 같은 알고리즘을 사용하여 거짓 양성을 제거합니다.

ESP32 마이크로컨트롤러 기반으로 구축된 센서는 가속도계를 읽고 데이터를 스트리밍하면서 보조 기능을 수행할 수 있습니다. 애로우(Arrow)는 현재 유선 연결이나 주전원이 없는 지역에서 배포 옵션을 확대할 새로운 에지 컴퓨테이션, 저전력, 셀룰러 지원 센서를 엔지니어링하고 있습니다.

다음 개발 단계는 감지를 개선하기 위해 머신러닝 모델을 통합하는 것으로, 잠재적으로 단일 센서 스트림을 사용할 수 있습니다. 2017년 이후 수집된 모든 원시 데이터는 연구를 지원하기 위해 공개적으로 제공됩니다.

마이크로컨트롤러, 차세대 MEMS 가속도계, 클라우드 컴퓨팅을 활용하여 오픈EEW는 이전에 소수의 고예산 배포에 국한되었던 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 오픈소스로 소프트웨어는 로컬 라즈베리 파이부터 노트북까지 다양한 플랫폼에서 실행될 수 있어 원격 클라우드 서비스에 대한 저지연 대안을 제공합니다.

알림 배포 계층은 적응 가능합니다. 오픈EEW 깃허브(GitHub) 저장소에서 샘플 앱을 제공하지만, 사용자는 트위터 피드, PA 시스템, 빌딩 관리 인터페이스로 알림을 라우팅할 수도 있습니다. 우리는 라스트-마일 전달 방법에 대해 중립적입니다.

오픈EEW 센서는 고성능 MEMS 가속도계, 이더넷 또는 Wi-Fi 연결, 큰 부저, 시각적 경보용 세 개의 네오픽셀(NeoPixel) LED를 통합합니다.

그림 2: 오픈EEW 센서 PCB 설계

그림 2: 오픈EEW 센서 PCB 설계

적절한 설치는 데이터 충실도에 필수적입니다. 그림 3에 설명된 일반적인 설정은 강한 신호-잡음 비율을 위한 패킷 전송을 위해 센서를 라우터 근처에 배치합니다.

그림 3: 오픈EEW 시스템 설치

오픈EEW는 USAID, 클린턴 재단, 애로우 일렉트로닉스의 자금 지원으로 만들어졌으며 핵심 IoT 기술을 구현합니다.

IBM은 원래 클린턴 글로벌 이니셔티브(CGI) 액션 네트워크를 통해 그리요와 협력했으며, 오픈EEW를 리눅스 재단의 콜 포 코드(Call for Code) 프로그램(데이터, AI, 블록체인을 통합하여 재난 대응을 강화하는 이니셔티브)에 통합할 것이라고 발표했습니다.

IBM은 또한 센서 데이터를 시각화하는 대시보드를 개발하고 푸에르토리코에 6개의 그리요 센서를 배치하여 필드 시험을 진행했습니다. 오픈EEW를 통해 IBM은 네팔, 뉴질랜드, 에콰도르 같은 지진 다발 지역에서 EEW 채택을 촉진하기를 희망하며, 커뮤니티가 하드웨어 개선과 시민 중심 경보 방법에 기여할 수 있습니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EE Times Europe에 게시되었습니다.