La conception de référence simplifie les systèmes d'alerte précoce aux tremblements de terre

La Linux Foundation a annoncé son soutien au projet OpenEEW de Grillo en collaboration avec IBM pour accélérer la normalisation et la mise en œuvre des systèmes d'alerte précoce aux tremblements de terre (EEW). Le projet comprend les solutions EEW de Grillo qui consistent en des capacités intégrées pour détecter et analyser les tremblements de terre et alerter les communautés. OpenEEW a été créé par Grillo avec le soutien d'IBM, de l'USAID, de la Fondation Clinton et d'Arrow Electronics.

Un système EEW envoie une alerte en temps réel aux personnes avant que le séisme n'arrive. Cependant, seules plusieurs institutions ont tenté de créer des solutions en raison du coût incroyablement élevé des sismomètres traditionnels, des télécommunications dédiées et des logiciels personnalisés.

Grillo a mis en place une approche Internet des objets (IoT), standardisant un mélange de composants, de logiciels et de savoir-faire pour réduire les coûts. Depuis 2017, l'équipe Grillo a développé et mis en œuvre des systèmes basés sur l'IoT au Mexique et au Chili et a émis des alertes publiques via Twitter, une application mobile et un dispositif d'alarme.

"La vitesse dépend de la distance entre le séisme et l'utilisateur", a déclaré Andres Meira, PDG de Grillo. « Une fois qu'un capteur détecte un tremblement de terre, il est traité en quelques millisecondes et l'alerte est envoyée aux utilisateurs à proximité. Si un utilisateur se trouve à des centaines de kilomètres du tremblement de terre, il peut disposer d'une minute ou plus/moins pour se préparer avant de ressentir des tremblements. Si le tremblement de terre est très proche, ils peuvent n'avoir que quelques secondes. Dans tous les cas, cela peut être utile, par exemple, dans les écoles où les enfants peuvent se mettre sous une table. »

Détection de tremblement de terre

Les tremblements de terre sont des vibrations ou des changements dans la croûte terrestre résultant de forces tectoniques qui libèrent une quantité d'énergie dans une zone à l'intérieur de la terre appelée hypocentre. Le choc provoque des oscillations qui, selon l'intensité, peuvent causer des dommages aux bâtiments non construits selon les réglementations correspondantes.

Le séisme ne peut être déterminé à l'avance, c'est-à-dire en connaissant avec certitude le jour et l'heure de l'événement. Cependant, il existe une technologie pour apporter un soutien valable à la population concernant l'arrivée de l'événement sismique. À cet égard, il existe des études déjà appliquées dans de nombreux pays qui fournissent un système d'alerte aux tremblements de terre pour avertir la population via les smartphones et ainsi essayer de réduire les dommages et les victimes.

Le système d'alerte fournit une alerte précoce des intensités sismiques attendues et de l'heure d'arrivée. Ces estimations sont basées sur une analyse précise de la magnitude du séisme à l'aide de données observées par des sismographes près de l'épicentre. Le système d'alerte vise à atténuer les dommages causés par les tremblements de terre, en permettant des contre-mesures telles que le ralentissement des trains, le contrôle des ascenseurs et en permettant aux gens de se protéger rapidement dans divers environnements tels que les usines, les bureaux et les maisons.

L'urbanisation croissante et surtout la forte dépendance vis-à-vis des infrastructures complexes de télécommunications et de transports ont conduit à une étude approfondie d'un système d'alerte précoce aux tremblements de terre en envoyant des alertes à la population. Le développement d'un tel système est une étape fondamentale pour réduire la peur de l'inconnu et le caractère imprévisible des tremblements de terre, tout en améliorant la sécurité des personnes (Figure 1).

L'alerte précoce est possible car les informations peuvent être envoyées par les systèmes de communication pratiquement instantanément, tandis que les ondes sismiques traversent la Terre à des vitesses allant de 1 à 7 km/s (selon le type d'onde P, S et demi). Cela signifie que l'agitation peut prendre quelques secondes, voire quelques minutes, pour se déplacer du lieu où le tremblement de terre s'est produit jusqu'au point où se trouve la plus grande concentration de population.

Lorsqu'un tremblement de terre se produit, les ondes sismiques, y compris les ondes de compression ou longitudinales (P), transversales (S) et de surface (R et L), rayonnent vers l'extérieur à partir de l'épicentre. L'onde P plus rapide mais plus faible se déplace vers les capteurs à proximité, générant des signaux d'alarme pour effectuer des opérations de protection avant l'arrivée des ondes S et des ondes de surface plus lentes mais plus fortes.

La capacité d'envoyer correctement l'avertissement avant l'événement sismique nécessite des solutions techniques importantes :

• un réseau de capteurs pour avoir plus de données à analyser ;
• une zone de traitement des données robuste et efficace ;
• algorithmes informatiques permettant d'estimer rapidement le lieu, l'heure et la carte de l'événement.

Figure 1 :Fonctionnement du système ShakeAlert utilisé à Taïwan [Source USGS]

Fondation Linux et Grillo

Les tremblements de terre ont souvent les conséquences les plus graves dans les pays en développement, en partie à cause des problèmes de construction et d'infrastructure. Les systèmes d'alerte fournissent des alertes publiques dans des pays comme le Mexique, le Japon, la Corée du Sud et Taïwan, mais près de trois milliards de personnes ont des difficultés à y accéder en raison de leur coût. OpenEEW veut aider à réduire le coût des systèmes EEW, accélérer leur déploiement dans le monde entier et, à terme, sauver des vies.

Le projet OpenEEW comprend plusieurs composants clés de l'IoT :du matériel et du micrologiciel de capteurs capables de détecter et de transmettre rapidement les mouvements du sol, des systèmes de détection en temps réel pouvant être déployés sur diverses plates-formes, d'un cluster Kubernetes à un Raspberry Pi ; et des applications qui permettent aux utilisateurs de recevoir des alertes sur le matériel, les appareils portables ou les applications mobiles aussi rapidement que possible. La communauté open source vise à faire progresser la technologie sismique en contribuant aux trois capacités technologiques intégrées d'OpenEEW :la mise en œuvre de capteurs, la détection de tremblements de terre et l'envoi d'alarmes.

"Avec OpenEEW, vous pouvez construire vos propres capteurs à l'aide des schémas que nous fournissons, ou simplement acheter directement le produit assemblé", a déclaré Meira. « Ces capteurs sont dotés d'un accéléromètre MEMS moderne, dont le bruit est bien inférieur à celui des smartphones. Cela fournit des données de grande qualité qui sont transmises au cloud ou à un serveur privé fourni par l'utilisateur. Les capteurs incluent également un micrologiciel personnalisé qui assure la fiabilité de la transmission et un fonctionnement continu. Ces capteurs fonctionnent de manière constante dans les régions reculées du Mexique et du Chili depuis 2017 sans aucune maintenance. »

Il a poursuivi : « Les capteurs effectuent des étalonnages continus dans le micrologiciel pour supprimer tout décalage des valeurs d'accélération. Ils effectuent également un filtrage simple. Dans le cloud (ou potentiellement à la périphérie dans les nouvelles versions du micrologiciel), le système de détection recherche les événements sismiques à l'aide de différents algorithmes tels que la moyenne à court terme / la moyenne à long terme, ainsi qu'en combinant les signaux de différents capteurs pour s'assurer qu'ils ne sont pas un faux positif."

Le système est basé sur un microcontrôleur (ESP32), qui a des performances suffisantes pour lire l'accéléromètre et les données de flux, ainsi que d'autres fonctions. "Cependant, nous sommes actuellement soutenus par Arrow, qui fournit l'ingénierie d'un nouveau capteur qui effectue l'informatique de pointe et la transmission cellulaire avec une faible puissance", a déclaré Meira. « Cela permettra de nouvelles possibilités d'installation auparavant limitées par le manque d'Internet ou d'alimentation. »

Il a poursuivi : « La prochaine étape, actuellement en cours de développement, consiste à utiliser l'apprentissage automatique pour améliorer ces détections, en n'utilisant potentiellement que les lectures d'un seul capteur. Nous avons publié toutes les données non traitées depuis 2017 pour faciliter cela. »

En optant pour des microcontrôleurs, une nouvelle génération d'accéléromètres MEMS et le cloud computing, il est désormais possible d'offrir à ces communautés une solution qui n'était auparavant disponible que dans une poignée de pays à grands frais. « En proposant les systèmes de détection en open source, il est désormais possible de déployer le logiciel sur différentes plates-formes en fonction des besoins », a déclaré Meira. « Cela peut, par exemple, fonctionner sur un Raspberry Pi local (dans le cas de petits réseaux) ou un ordinateur portable, ce qui peut offrir des avantages de latence au lieu de s'appuyer sur un service cloud à des centaines de kilomètres. »

Les alarmes ou les applications qui reçoivent les alertes peuvent également être adaptées à l'utilisateur. « Dans OpenEEW GitHub, nous proposons un exemple d'application que les gens peuvent créer, mais ils peuvent également vouloir canaliser les alertes vers leur fil Twitter, leur système de sonorisation ou même un système de gestion de bâtiment. Nous ne savons pas comment le dernier kilomètre est atteint.

Le capteur OpenEEW est doté d'un accéléromètre MEMS hautes performances et d'une connectivité Ethernet ou Wi-Fi. Il comprend également un buzzer puissant et trois LED NeoPixel lumineuses pour les fonctions d'alarme.

Les composants sont montés dans un PCB avec les circuits correspondants. La carte fonctionne à 3,3V avec un courant maximum de 1A. L'accéléromètre est accessible via l'interface SPI, en particulier le VSPI de l'ESP32. Le GPS peut éventuellement être ajouté avec une interface UART (figure 2).

Figure 2 :Conception du circuit imprimé du capteur OpenEEW

Les capteurs OpenEEW nécessitent des conditions d'installation spécifiques pour garantir une qualité de données acceptable. Un exemple d'installation est illustré à la figure 3. Le système nécessite une proximité avec le routeur et un bon rapport signal/bruit pour une transmission optimale des paquets.

Figure 3 :Installation du système OpenEEW

OpenEEW, qui a été créé avec le soutien de l'Agence des États-Unis pour le développement international, de la Fondation Clinton et d'Arrow Electronics, inclut le soutien de la technologie de base de l'IoT.

IBM, qui a initialement soutenu Grillo via le réseau d'action Clinton Global Initiative (CGI) de la Fondation Clinton, a déclaré qu'il ajouterait les technologies OpenEEW à Call for Code, qui est soutenu par la Linux Foundation. L'appel au code, lancé en mai 2018, vise à combiner les technologies de données, d'IA et de blockchain pour créer des systèmes qui répondent mieux aux catastrophes naturelles.

En plus de cela, IBM affirme avoir développé un nouveau système pour afficher les lectures des capteurs et mis en œuvre six capteurs Grillo pour effectuer des tests à Porto Rico. Avec OpenEEW, IBM espère encourager la construction d'EEW dans des endroits comme le Népal, la Nouvelle-Zélande, l'Équateur et d'autres régions sismiques. Ces communautés pourraient alors aider OpenEEW en faisant progresser la conception du matériel des capteurs et en créant des méthodes pour fournir des alertes aux citoyens.

>> Cet article a été initialement publié le notre site frère, EE Times Europe.