Бесплатное приложение MyShake, разработанное в лаборатории Университета Беркли превратит смартфон в мини-сейсмограф

Приветствуем наших читателей на страницах блога iCover. Сегодня мы расскажем о бесплатном приложении MyShake, разработанном в сейсмологической лаборатории Университета Беркли в Калифорнии. Приложение работает на смартфоне в фоновом режиме и позволяет пользователю заблаговременно фиксировать потенциально опасную сейсмическую активность.



Разрушающие землетрясения в условиях крупных городов были и остаются глобальной проблемой. Предупреждение землетрясения даже за минуту до первых ощутимых толчков сможет предоставить жителям мегаполисов ту драгоценную временную фору, которая даст возможность покинуть пределы замкнутого пространства квартиры или городского транспорта и переместиться в более безопасное место.

Современные системы раннего предупреждения землетрясений, использующих базу данных объединенных сейсмических и геодезических сетей сегодня существуют в нескольких развитых странах и находят поддержку на уровне федеральных властей. Так в июле 2015 года геологическая служба США выделила сейсмологической лаборатории Беркли $4 млн. на развитие проекта системы раннего оповещения ShakeAlert для городов и транспортных сетей штатов Калифорния, Орегон и Вашингтон. Вместе с тем, предлагаемая системой плотность размещения стационарного оборудования, несмотря на имеющиеся 400 (!) существующих в пределах штата Калифорния сейсмологических станций и перспективу внедрения проекта ShakeAlert все же уступает аналогичному показателю, скажем, по Японии, где информацию центральным компьютерам поставляют сейсмические датчики, расположенные на расстоянии 24 км друг от друга в пределах всей территории страны.

Простой и недорогой способ решения проблемы устранения “белых информационных пятен” предложила группа ученых Университета Беркли в Калифорнии. В качестве альтернативы лабораторному сейсмографу было предложено использовать доступный подавляющему большинству из нас смартфон со встроенными акселерометрами. Результатом совместной работы группы специалистов стало уникальное в своем роде приложение MyShake, способное, как утверждают разработчики, в комплексе с датчиками смартфона собрать, проанализировать, отправить на центральный узел и получить подтверждение о преодолении опасного порога сейсмической активности. С детальным описанием разработки можно ознакомиться на страницах интернет-издания Science Advances.

Исследователи продемонстрировали, что датчики смартфона способны регистрировать подземные толчки, отделяя при этом полезную информацию от “фонового шума” различного происхождения. Приложение MyShake позволяет превратить смартфон в подобие миниатюрной сейсмологической станции, подключенной к центральному узлу, где собираются и анализируются данные глобальной карты сейсмической активности. Таким образом, приложение не только считывает, анализирует информацию, но и транслирует полезные данные, включая GPS координаты пользователя в сейсмологическую лабораторию университета Беркли, где они подвергаются дальнейшему централизованному анализу на основании которого делается вывод о наличии и степени реальной опасности.

В свою очередь данные, собираемые тысячами смартфонов в пределах глобальной информационной сети позволят получить более точную и исчерпывающую картину глобальных процессов, происходящих в земной коре в реальном режиме времени. При этом сейсмические сигналы, собираемые смартфонами могут быть использованы для составления оперативных карт сейсмической активности.



«Безусловно, встроенный комплекс из акселерометров и приложения MyShake не сможет заменить традиционные сейсмические сети, такие как те, которые находятся под управлением Геологической службы США, Калифорнийского университета в Беркли или Университета штата Вашингтон. Вместе с тем, мы считаем, что MyShake позволит увеличит точность предсказания землетрясения и предсказывать его раньше там, где имеется традиционный сейсмический контроль, а там, где его нет, стать единственной возможностью для раннего экстренного предупреждения» – комментирует возможности разработки профессор Ричард Аллен (Richard Allen), руководитель проекта MyShake, директор сейсмологической лаборатории Беркли. Так, к примеру, мобильная сейсмологическая сеть из смартфонов с предустановленным приложением может стать незаменимой в развивающихся странах с сейсмоопасной обстановкой, таких как Перу, Непал, Иран, Афганистан, Пакистан, Монголия, Малайзия, Индонезия или Филиппины.

Акселерометр смартфона располагает достаточной чувствительностью, чтобы лежа неподвижно на горизонтальной поверхности зафиксировать подземные толчки силой от 5 балов, представляющие реальную опасность разрушений, на расстоянии до 10 км от эпицентра.

«В настоящее время мы имеем сеть из 400 сейсмических станций, сосредоточенных вокруг залива Сан-Франциско и Лос-Анджелеса с пригородами — одну из самых плотных в мире и 16 миллионов пользовательских смартфонов в пределах штата», — сказал Аллен. «Даже если мы получим информацию лишь от малой части из 16 миллионов мобильных устройств, участвующих в нашей программе, мы сможем в разы увеличить достоверность данных, очень быстро заполнив при этом тот информационный пробел, который не могли заполнить ранее, увеличив вместе с тем и время раннего оповещения».
 

Как это работает

В настоящее время комплексная сейсмическая сеть Калифорнии контролирует движение недр по всему штату с использованием подземных сейсмометров. «Сегодня ShakeAlert выдает предупреждение по сигналу как минимум четырех наших традиционных сейсмических станций» — говорит Аллен. "… Но если у нас появятся данные мобильных телефонов, вполне вероятно что для принятия решения о подтверждении будет достаточно только одной".

Работа над кодом приложения, позволяющего интерпретировать данные датчика при помощи алгоритма анализа и передавать результаты обработки на серверы университета Беркли продолжалась в течение 3-х лет при участии в общей сложности 8-ми разработчиков. «Создавая приложение, которое способно собирать нужные данные в режиме реального времени, мы помнили о том, что оно будет работать в фоновом режиме и не должно оказывать заметного влияния на работу среднестатистического смартфона — блокировать трубку, использовать львиную долю ресурса оперативной памяти или съедать заряд батареи за счет подключения к GPS-приемнику сигнала» – поделился опытом Луис Шрайер (Louis Schreier), вице-президент инновационного центра T-Labs, специалисты которого принимали участие в разработке.



Тестирование алгоритма было проведено в общей сложности с 75-тью Android – смартфонами учеников, коллег и друзей авторов разработки с использованием вибрационных стендов лаборатории университета, позволяющих с высокой степенью точности имитировать землетрясения. Результат выглядит очень обнадеживающим: толчки, имитирующие профиль землетрясения на вибрационном стенде были отделены от характерного фонового “вибрационного шума” с точностью 93% и идентифицированы акселерометрами смартфонов прошлых лет выпуска. (фрагмент эксперимента отображен на рис. ниже).



Акселерометры телефона отслеживают сейсмическую активность в реальном режиме времени, постоянно сверяя полученные данные с сохраненными в памяти профилями землетрясения. При совпадении полученные оперативные данные, включая время, амплитуду толчков и GPS-координаты пользователя в виде пакета направляются на сервер центральной сейсмологической станции в Беркли после чего GPS-канал деактивируется. Все данные, собираемые в облаке центральной сейсмологической станции в Беркли также анализируются в реальном режиме времени. В случае, если по крайней мере 4 смартфона с предустановленным MyShake передали из региона схожую информацию и при этом их количество составило от 60% и выше от общего числа пользователей приложения в радиусе 10 км, программный алгоритм подтверждает землетрясение, отправляя уведомление на смартфон пользователя. Кроме отправки подтверждения при условии подключения смартфона к сети после получения подтверждения соответствующая запись будет проанализирована в лаборатории на 5-минутном интервале, с разбивкой – 1 минута до момента подтверждения и 4 минуты после него.

“Сегодня мы выносим предупреждение в том случае, когда критическая информация поступает как минимум с четырех сейсмических станций штата. – комментирует Аллен ситуацию с ранним предупреждением землетрясения на уровне штата Калифорния — Если же мы сможем получать данные со смартфонов пользователей возможно для получения объективной картины нам будет вполне достаточно и одной”.

Для точной оценки расположения источника сейсмической активности, предполагаемой силы и времени толчков при помощи данных приложения потребуется информация с по крайней мере 300 смартфонов в квадрате 110 х 110 км. Таким образом, чем плотнее сеть в конкретном регионе, тем ранее ее пользователи получат оповещение о приближающемся катаклизме. «При достаточной плотности сети весь процесс с момента обнаружения и до момента оповещения займет менее секунды» — отмечает в своей публикации Янг-Ву Квон (Young-Woo Kwon) — соавтор изобретения из Государственного Университета Юта.

Стоит заметить, что возможность задействовать акселерометры смартфона для распознавания сейсмологической активности уже рассматривалась ранее, в апреле 2015 года на уровне разработки группы специалистов США и Канады. Но полученный результат трудно назвать успешным, поскольку предложенный алгоритм предполагал постоянное присутствие в фоновом режиме опции GPS-позиционирования, ощутимо подсаживающей аккумулятор устройства. Вторым недостатком стало несовершенство алгоритма, предполагающего предварительную обработку данных собираемых датчиками на уровне платформы iOS или Android, а не передачи их для анализа напрямую в самостоятельное приложение смартфона. Оба момента, в конечном счете, стали тем краеугольным камнем, который сделал использование предложенного алгоритма не эффективным.

Приложение MyShake лишено описанных недостатков и по результатам предварительного тестирования подтвердило ожидания специалистов. С учетом того, что приложение распространяется на бесплатной основе и практически не создает проблем пользователю, разработчики искренне надеются, что его установят тысячи владельцев смартфонов, что позволит, в случае успешного подтверждения идеи уже на уровне глобального эксперимента, совершенствовать и обновлять приложение и саму технологию в дальнейшем. В отдаленной перспективе, по замыслу куратора проекта Ричарда Аллена приложение будет установлено на большинстве смартфонов, что позволит получить уникальную по своим масштабам глобальную сейсмологическую сеть с максимально высокими возможностями раннего оповещения всех активных пользователей MyShake.

«MyShake, прежде всего, сейсмическая сеть, для которой мы разработали алгоритм раннего предупреждения. Такая сеть может обеспечить миллионы сейсмических сигналов, которые окажутся полезны при проведении широкого спектра научно-исследовательских работ. Они могут, к примеру, быть использованы для создания специфических подробных карт микросейсмической активности, которые, в свою очередь, окажутся очень полезны при проектировании зданий.



Подробнее: Science Advances, Eurekalert.org, phys.org.

С пятницы 12 февраля 2016 года, со дня публикации на портале Science Advances приложение MyShake доступно для свободного скачивания на Google Play. Следующий этап, запланированный командой из Беркли – разработка вариации бесплатного приложения для iPhone.