Desain referensi menyederhanakan sistem peringatan dini gempa
Linux Foundation mengumumkan dukungan untuk proyek OpenEEW Grillo bekerja sama dengan IBM untuk mempercepat standarisasi dan implementasi sistem peringatan dini gempa (EEW). Proyek ini mencakup solusi EEW Grillo yang terdiri dari kemampuan terintegrasi untuk mendeteksi dan menganalisis gempa bumi dan untuk memperingatkan masyarakat. OpenEEW dibuat oleh Grillo dengan dukungan IBM, USAID, Clinton Foundation, dan Arrow Electronics.
Sistem EEW mengirimkan peringatan waktu nyata kepada orang-orang sebelum gempa tiba. Namun, hanya beberapa institusi yang mencoba membangun solusi karena biaya seismometer tradisional, telekomunikasi khusus, dan perangkat lunak khusus yang sangat mahal.
Grillo telah menerapkan pendekatan Internet of Things (IoT), menstandarisasi campuran komponen, perangkat lunak, dan pengetahuan untuk mengurangi biaya. Sejak 2017, Tim Grillo telah mengembangkan dan menerapkan sistem berbasis IoT di Meksiko dan Chili dan telah mengeluarkan peringatan publik melalui Twitter, aplikasi seluler, dan perangkat alarm.
“Kecepatannya tergantung pada jarak gempa ke pengguna,” kata Andres Meira, CEO di Grillo. “Begitu sensor mendeteksi gempa, itu diproses dalam milidetik dan peringatan dikirim ke pengguna terdekat. Jika pengguna berada ratusan kilometer jauhnya dari gempa, mereka mungkin mendapatkan satu menit atau lebih/kurang untuk bersiap sebelum mereka merasa gemetar. Jika gempa sangat dekat, mereka mungkin hanya mendapatkan beberapa detik. Apa pun itu, ini bisa berguna, misalnya, di sekolah tempat anak-anak bisa bermain di bawah meja.”
Deteksi Gempa
Gempa bumi adalah getaran atau pergeseran kerak bumi sebagai akibat gaya tektonik yang melepaskan sejumlah energi ke suatu daerah di dalam bumi yang disebut hiposenter. Guncangan menyebabkan osilasi yang, tergantung pada intensitasnya, dapat menyebabkan kerusakan pada bangunan yang tidak dibangun sesuai dengan peraturan terkait.
Gempa tidak dapat ditentukan sebelumnya, yaitu mengetahui dengan pasti hari dan waktu kejadian. Namun, ada teknologi untuk memberikan dukungan yang valid kepada penduduk mengenai datangnya peristiwa seismik. Dalam hal ini, ada penelitian yang telah diterapkan di banyak negara yang menyediakan sistem peringatan gempa untuk memperingatkan penduduk melalui smartphone dan dengan demikian mencoba mengurangi kerusakan dan korban jiwa.
Sistem peringatan memberikan peringatan dini intensitas seismik yang diharapkan dan waktu kedatangan. Perkiraan ini didasarkan pada analisis akurat magnitudo gempa menggunakan data yang diamati oleh seismograf di dekat pusat gempa. Sistem peringatan ini bertujuan untuk mengurangi kerusakan akibat gempa, memungkinkan tindakan pencegahan seperti memperlambat kereta api, mengontrol lift, dan memungkinkan orang untuk dengan cepat melindungi diri mereka sendiri di berbagai lingkungan seperti pabrik, kantor, dan rumah.
Meningkatnya urbanisasi dan terutama ketergantungan yang kuat pada infrastruktur yang kompleks untuk telekomunikasi dan transportasi telah menyebabkan studi yang cermat tentang sistem peringatan dini gempa bumi dengan mengirimkan peringatan kepada penduduk. Pengembangan sistem tersebut merupakan langkah mendasar dalam mengurangi ketakutan akan gempa bumi yang tidak diketahui dan tidak dapat diprediksi, sekaligus meningkatkan keselamatan masyarakat (Gambar 1).
Peringatan dini dimungkinkan karena informasi dapat dikirim melalui sistem komunikasi secara virtual secara instan, sementara gelombang seismik melintasi Bumi dengan kecepatan berkisar antara 1 hingga 7 km/s (tergantung pada jenis gelombang P, S, dan setengah). Ini berarti bahwa agitasi dapat memakan waktu beberapa detik atau bahkan menit untuk bergerak dari tempat terjadinya gempa ke titik di mana terdapat konsentrasi penduduk terbesar.
Ketika gempa bumi terjadi, gelombang seismik, termasuk gelombang kompresi atau longitudinal (P), transversal (S), dan permukaan (R dan L), memancar keluar dari pusat gempa. Gelombang P yang lebih cepat namun lebih lemah bergerak ke sensor terdekat, menghasilkan sinyal alarm untuk melakukan operasi perlindungan sebelum kedatangan gelombang S dan gelombang permukaan yang lebih lambat namun lebih kuat.
Kemampuan untuk mengirimkan peringatan dengan benar sebelum peristiwa seismik memerlukan beberapa solusi teknis penting:
jaringan sensor yang memiliki lebih banyak data untuk dianalisis;
zona pemrosesan data yang kuat dan efisien;
algoritme komputer untuk memperkirakan lokasi, waktu, dan peta acara dengan cepat.
Gambar 1:Pengoperasian sistem ShakeAlert yang digunakan di Taiwan [Sumber USGS]
Linux Foundation dan Grillo
Gempa bumi sering memiliki konsekuensi paling serius di negara berkembang, sebagian karena masalah konstruksi dan infrastruktur. Sistem peringatan memberikan peringatan publik di negara-negara seperti Meksiko, Jepang, Korea Selatan, dan Taiwan, tetapi hampir tiga miliar orang mengalami kesulitan mengaksesnya karena biaya. OpenEEW ingin membantu mengurangi biaya sistem EEW, mempercepat penerapannya di seluruh dunia, dan pada akhirnya menyelamatkan nyawa.
Proyek OpenEEW mencakup beberapa komponen utama IoT:perangkat keras dan firmware sensor yang dapat dengan cepat mendeteksi dan mentransmisikan pergerakan tanah, sistem penginderaan waktu nyata yang dapat digunakan di berbagai platform, dari kluster Kubernetes hingga Raspberry Pi; dan aplikasi yang memungkinkan pengguna menerima peringatan di perangkat keras, perangkat yang dapat dikenakan, atau aplikasi seluler secepat mungkin. Komunitas open-source bertujuan untuk membantu memajukan teknologi seismik dengan berkontribusi pada tiga kemampuan teknologi terintegrasi OpenEEW:implementasi sensor, deteksi gempa, dan pengiriman alarm.
“Dengan OpenEEW Anda dapat membuat sensor sendiri menggunakan skema yang kami sediakan, atau cukup membeli langsung produk rakitannya,” kata Meira. “Sensor ini memiliki fitur akselerometer MEMS modern, yang jauh lebih rendah noise daripada yang ditemukan di smartphone. Ini memberikan data berkualitas tinggi yang ditransmisikan ke cloud atau server pribadi yang disediakan oleh pengguna. Sensor juga menyertakan firmware khusus yang memberikan keandalan untuk transmisi dan operasi berkelanjutan. Sensor ini telah beroperasi secara konsisten di daerah terpencil Meksiko dan Chili sejak 2017 tanpa perawatan apa pun.”
Dia melanjutkan, “Sensor melakukan kalibrasi berkelanjutan di firmware untuk menghilangkan offset apa pun ke nilai akselerasi. Mereka juga melakukan beberapa penyaringan sederhana. Di cloud (atau berpotensi di tepi dalam versi firmware baru), sistem deteksi mencari peristiwa seismik menggunakan algoritme yang berbeda seperti Rata-Rata Jangka Pendek / Rata-Rata Jangka Panjang, serta menggabungkan sinyal dari sensor yang berbeda untuk memastikan bahwa itu tidak positif palsu.”
Sistem ini didasarkan pada mikrokontroler (ESP32), yang memiliki kinerja yang cukup untuk membaca akselerometer dan mengalirkan data, serta beberapa fungsi lainnya. “Namun, kami saat ini didukung oleh Arrow, yang menyediakan rekayasa untuk sensor baru yang melakukan komputasi tepi dan transmisi seluler dengan daya rendah,” kata Meira. “Ini akan memungkinkan kemungkinan pemasangan baru yang sebelumnya dibatasi oleh kurangnya internet atau daya.”
Dia melanjutkan, “Tahap selanjutnya, dalam pengembangan sekarang, adalah menggunakan pembelajaran mesin untuk meningkatkan deteksi ini, yang berpotensi hanya menggunakan pembacaan sensor tunggal. Kami telah mempublikasikan semua data yang belum diproses sejak 2017 untuk memfasilitasi ini.”
Dengan menggunakan mikrokontroler, akselerometer MEMS generasi baru, dan komputasi awan, sekarang memungkinkan untuk menawarkan solusi yang sebelumnya hanya tersedia di beberapa negara dengan biaya publik yang besar kepada komunitas ini. “Dengan menawarkan sistem deteksi sebagai open source, sekarang memungkinkan perangkat lunak untuk digunakan pada platform yang berbeda tergantung pada kebutuhan,” kata Meira. “Ini mungkin, misalnya, berjalan di Raspberry Pi lokal (dalam kasus jaringan kecil) atau laptop, yang dapat menawarkan manfaat latensi alih-alih mengandalkan layanan cloud yang jaraknya ratusan kilometer.”
Alarm atau aplikasi yang menerima peringatan juga dapat disesuaikan dengan pengguna. “Di OpenEEW GitHub, kami menawarkan contoh aplikasi yang dapat dibuat orang, tetapi mereka mungkin juga ingin menyalurkan peringatan ke umpan Twitter, sistem alamat publik, atau bahkan sistem manajemen gedung. Kami agnostik tentang bagaimana jarak tempuh terakhir dicapai.
Sensor OpenEEW memiliki fitur akselerometer MEMS berkinerja tinggi dan konektivitas Ethernet atau Wi-Fi. Ini juga mencakup bel yang keras dan tiga LED NeoPixel yang terang untuk fungsi alarm.
Komponen dipasang di PCB dengan sirkuit yang sesuai. Papan beroperasi pada 3.3V dengan arus maksimum 1A. Akselerometer diakses melalui antarmuka SPI, khususnya VSPI ESP32. GPS secara opsional dapat ditambahkan dengan antarmuka UART (gambar 2).
Gambar 2:Desain PCB sensor OpenEEW
Sensor OpenEEW memerlukan kondisi instalasi khusus untuk memastikan kualitas data yang dapat diterima. Contoh instalasi ditunjukkan pada gambar 3. Sistem membutuhkan kedekatan dengan router dan rasio signal-to-noise yang baik untuk transmisi paket yang optimal.
Gambar 3:Instalasi sistem OpenEEW
OpenEEW, yang dibuat dengan dukungan dari U.S. Agency for International Development, Clinton Foundation, dan Arrow Electronics, menyertakan dukungan dari teknologi inti IoT.
IBM, yang awalnya mendukung Grillo melalui Clinton Global Initiative (CGI) Action Network dari Clinton Foundation, mengatakan akan menambahkan teknologi OpenEEW ke Call for Code, yang didukung oleh Linux Foundation. Call for Code, yang diluncurkan pada Mei 2018, bertujuan untuk menggabungkan data, AI, dan teknologi blockchain untuk menciptakan sistem yang merespons bencana alam dengan lebih baik.
Selain itu, IBM mengklaim telah mengembangkan sistem baru untuk menampilkan pembacaan sensor dan mengimplementasikan enam sensor Grillo untuk melakukan tes di Puerto Rico. Dengan OpenEEW, IBM berharap dapat mendorong pembangunan EEW di tempat-tempat seperti Nepal, Selandia Baru, Ekuador, dan wilayah seismik lainnya. Komunitas ini kemudian dapat membantu OpenEEW dengan memajukan desain perangkat keras sensor dan membuat metode untuk memberikan peringatan kepada warga.
>> Artikel ini awalnya diterbitkan pada situs saudara kami, EE Times Europe.
