O design de referência simplifica os sistemas de alerta precoce de terremotos

A Linux Foundation anunciou o suporte para o projeto OpenEEW de Grillo em colaboração com a IBM para acelerar a padronização e implementação de sistemas de alerta antecipado de terremoto (EEW). O projeto inclui as soluções EEW da Grillo que consistem em recursos integrados para detectar e analisar terremotos e alertar as comunidades. OpenEEW foi criado por Grillo com o apoio da IBM, USAID, Clinton Foundation e Arrow Electronics.

Um sistema EEW envia um alerta em tempo real para as pessoas antes que o terremoto chegue. No entanto, apenas várias instituições tentaram construir soluções devido ao custo incrivelmente alto dos sismômetros tradicionais, telecomunicações dedicadas e software personalizado.

Grillo implementou uma abordagem de Internet das Coisas (IoT), padronizando uma combinação de componentes, software e know-how para reduzir os custos. Desde 2017, a equipe Grillo desenvolveu e implementou sistemas baseados em IoT no México e no Chile e emitiu alertas públicos via Twitter, um aplicativo móvel e um dispositivo de alarme.

“A velocidade depende da distância do terremoto ao usuário”, disse Andres Meira, CEO da Grillo. “Assim que um sensor detecta um terremoto, ele é processado em milissegundos e o alerta é enviado para usuários próximos. Se um usuário estiver a centenas de quilômetros de distância do terremoto, ele pode ter um minuto ou mais / menos para se preparar antes de sentir o tremor. Se o terremoto estiver muito próximo, eles podem ter apenas alguns segundos. De qualquer forma, isso pode ser útil, por exemplo, em escolas onde as crianças podem ficar embaixo da mesa. ”

Detecção de terremoto

Terremotos são vibrações ou mudanças na crosta terrestre como resultado de forças tectônicas que liberam uma quantidade de energia em uma área dentro da Terra chamada hipocentro. O choque provoca oscilações que, dependendo da intensidade, podem causar danos a edifícios não construídos de acordo com os regulamentos correspondentes.

O terremoto não pode ser determinado com antecedência, ou seja, sabendo-se com certeza o dia e a hora do evento. Porém, existe uma tecnologia para dar suporte válido à população quanto à chegada do evento sísmico. Nesse sentido, existem estudos já aplicados em diversos países que disponibilizam um sistema de alerta de terremotos para alertar a população por meio de smartphones e, assim, tentar reduzir danos e vítimas.

O sistema de alerta fornece alerta antecipado de intensidades sísmicas esperadas e tempo de chegada. Essas estimativas são baseadas em análises precisas da magnitude do terremoto usando dados observados por sismógrafos próximos ao epicentro. O sistema de alerta visa mitigar os danos do terremoto, permitindo contramedidas como desaceleração de trens, controle de elevador e permitindo que as pessoas se protejam rapidamente em vários ambientes, como fábricas, escritórios e residências.

A crescente urbanização e, principalmente, a forte dependência da complexa infraestrutura de telecomunicações e transportes tem levado a um estudo cuidadoso de um sistema de alerta precoce para terremotos por meio do envio de alertas à população. O desenvolvimento de tal sistema é uma etapa fundamental para reduzir o medo do desconhecido e da natureza imprevisível dos terremotos, ao mesmo tempo que melhora a segurança das pessoas (Figura 1).

O alerta antecipado é possível porque as informações podem ser enviadas pelos sistemas de comunicação virtualmente instantaneamente, enquanto as ondas sísmicas viajam pela Terra a velocidades que variam de 1 a 7 km / s (dependendo do tipo de onda P, S e meia). Isso significa que a agitação pode levar segundos ou até minutos para ir do local do terremoto até o ponto onde há maior concentração da população.

Quando ocorre um terremoto, as ondas sísmicas, incluindo ondas de compressão ou longitudinais (P), transversais (S) e de superfície (R e L), irradiam para fora do epicentro. A onda P mais rápida, porém mais fraca, viaja para sensores próximos, gerando sinais de alarme para realizar operações de proteção antes da chegada das ondas S e das ondas de superfície mais lentas, porém mais fortes.

A capacidade de enviar corretamente o aviso antes do evento sísmico requer algumas soluções técnicas importantes:

• uma rede de sensores para ter mais dados para analisar;
• uma zona de processamento de dados robusta e eficiente;
• algoritmos de computador para estimar rapidamente a localização, hora e mapa do evento.

Figura 1:Operação do sistema ShakeAlert usado em Taiwan [Fonte USGS]

Linux Foundation e Grillo

Os terremotos costumam ter as consequências mais graves nos países em desenvolvimento, em parte devido a problemas de construção e infraestrutura. Os sistemas de alerta fornecem alertas públicos em países como México, Japão, Coreia do Sul e Taiwan, mas quase três bilhões de pessoas têm dificuldade de acessá-los devido ao custo. OpenEEW quer ajudar a reduzir o custo dos sistemas EEW, acelerar sua implantação em todo o mundo e, eventualmente, salvar vidas.

O projeto OpenEEW inclui vários componentes principais da IoT:hardware e firmware de sensor que podem detectar e transmitir rapidamente o movimento do solo, sistemas de detecção em tempo real que podem ser implantados em várias plataformas, de um cluster Kubernetes a um Raspberry Pi; e aplicativos que permitem aos usuários receber alertas sobre hardware, dispositivos vestíveis ou aplicativos móveis o mais rápido possível. A comunidade de código aberto visa ajudar no avanço da tecnologia sísmica, contribuindo para os três recursos de tecnologia integrados da OpenEEW:implementação de sensor, detecção de terremoto e envio de alarme.

“Com o OpenEEW você pode construir seus próprios sensores usando os esquemas que fornecemos, ou simplesmente comprar diretamente o produto montado”, disse Meira. “Esses sensores apresentam um acelerômetro MEMS moderno, que é muito mais baixo do que os encontrados em smartphones. Isso fornece dados de grande qualidade que são transmitidos para a nuvem ou um servidor privado fornecido pelo usuário. Os sensores também incluem firmware personalizado que fornece confiabilidade para a transmissão e operação contínua. Esses sensores têm operado de forma consistente em áreas remotas do México e Chile desde 2017, sem qualquer manutenção. ”

Ele continuou, “Os sensores fazem calibrações contínuas no firmware para remover quaisquer deslocamentos para os valores de aceleração. Eles também fazem alguma filtragem simples. Na nuvem (ou potencialmente no limite em novas versões do firmware), o sistema de detecção procura por eventos sísmicos usando diferentes algoritmos, como Média de Curto Prazo / Média de Longo Prazo, além de combinar sinais de diferentes sensores para garantir que não um falso positivo. ”

O sistema é baseado em um microcontrolador (ESP32), que possui desempenho suficiente para ler o acelerômetro e transmitir dados, além de algumas outras funções. “No entanto, estamos atualmente com o apoio da Arrow, que está fornecendo engenharia para um novo sensor que faz computação de ponta e transmissão celular com baixa potência”, disse Meira. “Isso permitirá novas possibilidades de instalação, anteriormente limitadas pela falta de internet ou energia.”

Ele continuou:“O próximo estágio, em desenvolvimento agora, é usar o aprendizado de máquina para melhorar essas detecções, potencialmente usando apenas as leituras de um único sensor. Publicamos todos os dados não processados ​​desde 2017 para facilitar isso. ”

Ao escolher microcontroladores, uma nova geração de acelerômetros MEMS e computação em nuvem, agora é possível oferecer a essas comunidades uma solução que antes só estava disponível em alguns países com grandes despesas públicas. “Ao oferecer os sistemas de detecção como código aberto, agora é possível que o software seja implantado em diferentes plataformas de acordo com a necessidade”, disse Meira. “Isso pode, por exemplo, ser executado em um Raspberry Pi local (no caso de pequenas redes) ou laptop, que pode oferecer benefícios de latência em vez de depender de um serviço de nuvem a centenas de quilômetros de distância.”

Os alarmes ou aplicativos que recebem os alertas também podem ser personalizados para o usuário. “No OpenEEW GitHub, oferecemos um aplicativo de exemplo que as pessoas podem criar, mas também podem querer canalizar os alertas para seu feed do Twitter, sistema de endereço público ou até mesmo um sistema de gerenciamento de edifícios. Somos agnósticos sobre como a última milha é alcançada.

O sensor OpenEEW possui um acelerômetro MEMS de alto desempenho e conectividade Ethernet ou Wi-Fi. Ele também inclui uma campainha alta e três LEDs NeoPixel brilhantes para funções de alarme.

Os componentes são montados em um PCB com os circuitos correspondentes. A placa opera em 3,3 V com uma corrente máxima de 1A. O acelerômetro é acessado por meio da interface SPI, especificamente VSPI do ESP32. O GPS pode ser opcionalmente adicionado com uma interface UART (figura 2).

Figura 2:Projeto de placa de circuito impresso OpenEEW

Os sensores OpenEEW requerem condições de instalação específicas para garantir uma qualidade de dados aceitável. Um exemplo de instalação é mostrado na figura 3. O sistema requer proximidade com o roteador e uma boa relação sinal / ruído para transmissão ideal de pacotes.

Figura 3:Instalação do sistema OpenEEW

OpenEEW, que foi criado com o apoio da Agência dos Estados Unidos para o Desenvolvimento Internacional, a Fundação Clinton e a Arrow Electronics, inclui o suporte da tecnologia central da IoT.

A IBM, que originalmente apoiou Grillo por meio da Rede de Ação da Clinton Global Initiative (CGI) da Fundação Clinton, disse que acrescentaria tecnologias OpenEEW ao Call for Code, que é apoiado pela Linux Foundation. O Call for Code, lançado em maio de 2018, visa combinar tecnologias de dados, IA e blockchain para criar sistemas que respondam melhor a desastres naturais.

Além disso, a IBM afirma ter desenvolvido um novo sistema para exibir leituras de sensores e implementado seis sensores Grillo para conduzir testes em Porto Rico. Com o OpenEEW, a IBM espera encorajar a construção do EEW em lugares como Nepal, Nova Zelândia, Equador e outras regiões sísmicas. Essas comunidades poderiam ajudar a OpenEEW, avançando no design de hardware do sensor e criando métodos para fornecer alertas aos cidadãos.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times Europe.