El diseño de referencia simplifica los sistemas de alerta temprana de terremotos

La Fundación Linux anunció el apoyo al proyecto OpenEEW de Grillo en colaboración con IBM para acelerar la estandarización e implementación de los sistemas de alerta temprana de terremotos (EEW). El proyecto incluye las soluciones EEW de Grillo que consisten en capacidades integradas para detectar y analizar terremotos y alertar a las comunidades. OpenEEW fue creado por Grillo con el apoyo de IBM, USAID, Clinton Foundation y Arrow Electronics.

Un sistema EEW envía una alerta en tiempo real a las personas antes de que llegue el terremoto. Sin embargo, solo varias instituciones han intentado crear soluciones debido al costo increíblemente alto de los sismómetros tradicionales, las telecomunicaciones dedicadas y el software personalizado.

Grillo ha implementado un enfoque de Internet de las cosas (IoT), estandarizando una combinación de componentes, software y conocimientos para reducir los costos. Desde 2017, el Equipo Grillo ha desarrollado e implementado sistemas basados ​​en IoT en México y Chile y ha emitido alertas públicas a través de Twitter, una aplicación móvil y un dispositivo de alarma.

“La velocidad depende de la distancia del terremoto al usuario”, dijo Andrés Meira, CEO de Grillo. “Una vez que un sensor detecta un terremoto, se procesa en milisegundos y la alerta se envía a los usuarios cercanos. Si un usuario está a cientos de kilómetros del terremoto, es posible que tenga un minuto o más / menos para prepararse antes de sentir temblores. Si el terremoto está muy cerca, es posible que solo ocurran unos segundos. De cualquier manera, esto puede ser útil, por ejemplo, en escuelas donde los niños pueden meterse debajo de una mesa ”.

Detección de terremotos

Los terremotos son vibraciones o cambios en la corteza terrestre como resultado de fuerzas tectónicas que liberan una cantidad de energía en un área dentro de la tierra llamada hipocentro. El choque provoca oscilaciones que, según la intensidad, pueden provocar daños en edificaciones no construidas según la normativa correspondiente.

El terremoto no se puede determinar de antemano, es decir, sabiendo con certeza el día y la hora del evento. Sin embargo, existe una tecnología para brindar un soporte válido a la población ante la llegada del evento sísmico. Al respecto, existen estudios ya aplicados en muchos países que brindan un sistema de alerta sísmica para alertar a la población a través de teléfonos inteligentes y así tratar de reducir daños y bajas.

El sistema de alerta proporciona una alerta temprana de las intensidades sísmicas esperadas y la hora de llegada. Estas estimaciones se basan en un análisis preciso de la magnitud del terremoto utilizando datos observados por sismógrafos cerca del epicentro. El sistema de alerta tiene como objetivo mitigar los daños causados ​​por los terremotos, permitiendo contramedidas como reducir la velocidad de los trenes, controlar los ascensores y permitir que las personas se protejan rápidamente en diversos entornos, como fábricas, oficinas y hogares.

La creciente urbanización y especialmente la fuerte dependencia de la compleja infraestructura de telecomunicaciones y transporte han llevado a un estudio detenido de un sistema de alerta temprana de terremotos mediante el envío de alertas a la población. El desarrollo de un sistema de este tipo es un paso fundamental para reducir el miedo a lo desconocido y la naturaleza impredecible de los terremotos y, al mismo tiempo, mejorar la seguridad de las personas (Figura 1).

La alerta temprana es posible porque la información se puede enviar a través de los sistemas de comunicación de manera prácticamente instantánea, mientras que las ondas sísmicas viajan a través de la Tierra a velocidades que van de 1 a 7 km / s (dependiendo del tipo de onda P, S y media). Esto significa que la agitación puede tardar segundos o incluso minutos en viajar desde donde ocurrió el terremoto hasta el punto donde hay la mayor concentración de población.

Cuando ocurre un terremoto, las ondas sísmicas, incluidas las ondas de compresión o longitudinales (P), transversales (S) y superficiales (R y L), se irradian hacia afuera desde el epicentro. La onda P más rápida pero más débil viaja a los sensores cercanos, generando señales de alarma para llevar a cabo operaciones de protección antes de la llegada de las ondas S y las ondas superficiales más lentas pero más fuertes.

La capacidad de enviar correctamente la advertencia antes del evento sísmico requiere algunas soluciones técnicas importantes:

• una red de sensores para tener más datos para analizar;
• una zona de procesamiento de datos sólida y eficiente;
• algoritmos informáticos para estimar rápidamente la ubicación, la hora y el mapa del evento.

Figura 1:Funcionamiento del sistema ShakeAlert utilizado en Taiwán [Fuente USGS]

Linux Foundation y Grillo

Los terremotos suelen tener las consecuencias más graves en los países en desarrollo, en parte debido a problemas de construcción e infraestructura. Los sistemas de alerta brindan alertas públicas en países como México, Japón, Corea del Sur y Taiwán, pero casi tres mil millones de personas tienen dificultades para acceder a ellos debido al costo. OpenEEW quiere ayudar a reducir el costo de los sistemas EEW, acelerar su implementación en todo el mundo y, finalmente, salvar vidas.

El proyecto OpenEEW incluye varios componentes clave de IoT:hardware y firmware de sensores que pueden detectar y transmitir rápidamente el movimiento del suelo, sistemas de detección en tiempo real que se pueden implementar en varias plataformas, desde un clúster de Kubernetes hasta una Raspberry Pi; y aplicaciones que permiten a los usuarios recibir alertas en hardware, dispositivos portátiles o aplicaciones móviles lo más rápido posible. La comunidad de código abierto tiene como objetivo ayudar a promover la tecnología sísmica contribuyendo a las tres capacidades tecnológicas integradas de OpenEEW:implementación de sensores, detección de terremotos y envío de alarmas.

“Con OpenEEW puede construir sus propios sensores usando los esquemas que proporcionamos, o simplemente comprar directamente el producto ensamblado”, dijo Meira. “Estos sensores cuentan con un acelerómetro MEMS moderno, que tiene mucho menos ruido que los que se encuentran en los teléfonos inteligentes. Esto proporciona datos de gran calidad que se transmiten a la nube o un servidor privado proporcionado por el usuario. Los sensores también incluyen firmware personalizado que brinda confiabilidad para la transmisión y operación continua. Estos sensores han estado operando constantemente en áreas remotas de México y Chile desde 2017 sin ningún mantenimiento ”.

Continuó:“Los sensores realizan calibraciones continuas en el firmware para eliminar cualquier compensación de los valores de aceleración. También hacen algunos filtros simples. En la nube (o potencialmente en el borde en las nuevas versiones del firmware), el sistema de detección busca eventos sísmicos utilizando diferentes algoritmos como Promedio a corto plazo / Promedio a largo plazo, además de combinar señales de diferentes sensores para asegurarse de que no sea así. un falso positivo ".

El sistema se basa en un microcontrolador (ESP32), que tiene un rendimiento suficiente para leer el acelerómetro y transmitir datos, así como algunas otras funciones. “Sin embargo, actualmente estamos siendo apoyados por Arrow, quien está proporcionando ingeniería para un nuevo sensor que hace computación de borde y transmisión celular con baja potencia”, dijo Meira. "Esto permitirá nuevas posibilidades de instalación que antes estaban limitadas por la falta de Internet o de energía".

Continuó:"La siguiente etapa, en desarrollo ahora, es usar el aprendizaje automático para mejorar estas detecciones, potencialmente usando solo las lecturas de un solo sensor. Hemos publicado todos los datos sin procesar desde 2017 para facilitar esto ”.

Al optar por microcontroladores, una nueva generación de acelerómetros MEMS y computación en la nube, ahora es factible ofrecer a estas comunidades una solución que antes solo estaba disponible en un puñado de países con un gran gasto público. “Al ofrecer los sistemas de detección como código abierto, ahora es posible implementar el software en diferentes plataformas según la necesidad”, dijo Meira. "Esto puede, por ejemplo, ejecutarse en una Raspberry Pi local (en el caso de redes pequeñas) o una computadora portátil, que puede ofrecer beneficios de latencia en lugar de depender de un servicio en la nube a cientos de kilómetros de distancia".

Las alarmas o aplicaciones que reciben las alertas también se pueden adaptar al usuario. “En OpenEEW GitHub, ofrecemos una aplicación de ejemplo que las personas pueden crear, pero es posible que también deseen canalizar las alertas a su cuenta de Twitter, sistema de megafonía o incluso un sistema de gestión de edificios. Somos agnósticos sobre cómo se logra la última milla.

El sensor OpenEEW cuenta con un acelerómetro MEMS de alto rendimiento y conectividad Ethernet o Wi-Fi. También incluye un timbre fuerte y tres LED NeoPixel brillantes para funciones de alarma.

Los componentes se montan en una placa de circuito impreso con los circuitos correspondientes. La placa funciona a 3,3 V con una corriente máxima de 1 A. Se accede al acelerómetro a través de la interfaz SPI, específicamente el VSPI de ESP32. Opcionalmente, se puede agregar GPS con una interfaz UART (figura 2).

Figura 2:Diseño de PCB del sensor OpenEEW

Los sensores OpenEEW requieren condiciones de instalación específicas para garantizar una calidad de datos aceptable. En la figura 3 se muestra un ejemplo de instalación. El sistema requiere proximidad al enrutador y una buena relación señal-ruido para una transmisión óptima de paquetes.

Figura 3:Instalación del sistema OpenEEW

OpenEEW, que se creó con el apoyo de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional, la Fundación Clinton y Arrow Electronics, incluye el apoyo de la tecnología principal de IoT.

IBM, que originalmente apoyó a Grillo a través de la Red de Acción de la Iniciativa Global Clinton (CGI) de la Fundación Clinton, dijo que agregaría tecnologías OpenEEW a Call for Code, que cuenta con el respaldo de la Fundación Linux. Call for Code, que se lanzó en mayo de 2018, tiene como objetivo combinar datos, inteligencia artificial y tecnologías de cadena de bloques para crear sistemas que respondan mejor a los desastres naturales.

Además de esto, IBM afirma que ha desarrollado un nuevo sistema para mostrar las lecturas de los sensores e implementó seis sensores Grillo para realizar pruebas en Puerto Rico. Con OpenEEW, IBM espera fomentar la construcción de EEW en lugares como Nepal, Nueva Zelanda, Ecuador y otras regiones sísmicas. Estas comunidades podrían ayudar a OpenEEW al avanzar en el diseño de hardware de sensores y crear métodos para proporcionar alertas a los ciudadanos.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, EE Times Europe.