PREVENT Earthquakes (UCLan)

Κατανόηση των σεισμών: Επιστήμη, επιπτώσεις και διαχείριση

Panagiota Nikolaou

Έναρξη

Ευρετήριο

Τεχνολογίες διαχείρισης

Στόχοι

Mitigation

Εισαγωγή

Στρατηγικές μετριασμού

Μηχανική

Μελλοντικές κατευθύνσεις

Έρευνα

Στόχοι

• Ορισμός των σεισμών και των σεισμικών κυμάτων.
• Εξηγήστε την τεκτονική μηχανική και τα αίτια των σεισμών.
• Αξιολόγηση τεχνολογιών όπως αισθητήρες και UAV στη διαχείριση σεισμών.
• Συζητήστε τις προκλήσεις μετά το σεισμό και προτείνετε μελλοντικές στρατηγικές.

Μαθησιακοί στόχοι

• Βασικά στοιχεία για τους σεισμούς: Ορισμός, εξήγηση των σεισμικών κυμάτων και ανάλυση των επιπτώσεων.
• Μηχανική των σεισμών: Ο ρόλος των τεκτονικών πλακών και των τεκτονικών κινήσεων.
• Τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη: Συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης, αισθητήρες και μηχανική μάθηση.
• Στρατηγικές μετριασμού: UAVs σε σενάρια μετά από σεισμό.
• Μελλοντικές κατευθύνσεις: Προτάσεις καινοτόμων στρατηγικών διαχείρισης καταστροφών.

01 Εισαγωγή στους σεισμούς

Εισαγωγή στους σεισμούς

• Ένας σεισμός συμβαίνει όταν η ενέργεια τάσης στον φλοιό της Γης απελευθερώνεται ξαφνικά, προκαλώντας κύματα δόνησης.
• Οι σεισμοί κατατάσσονται μεταξύ των πιο θανατηφόρων φυσικών κινδύνων που μπορούν να προκαλέσουν τρομερές απώλειες ανθρώπινων ζωών και οικονομικό κόστος.
• Σύμφωνα με το Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών για τους Σεισμούς
• Κάθε χρόνο καταγράφονται κατά μέσο όρο 20000 σεισμοί, από τους οποίους περίπου 100 σεισμοί μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές ζημιές και 16 θεωρούνται μεγάλοι σεισμοί (μεγέθους 7 και άνω στην κλίμακα Ρίχτερ).
• Περίπου 60000 άνθρωποι πεθαίνουν ετησίως από φυσικές καταστροφές, οι περισσότεροι από τους οποίους προκαλούνται από καταρρεύσεις κτιρίων που οφείλονται σε σεισμούς.

Εισαγωγή στους σεισμούς (συνέχεια)

Εισαγωγή στους σεισμούς (συνέχεια)

Εισαγωγή στους σεισμούς (συνέχεια)

02 Μηχανική των σεισμών

Μηχανική των σεισμών

• Ο φλοιός της Γης αποτελείται από επτά μεγάλες τεκτονικές πλάκες και αρκετές μικρότερες.
• Κάτω από το φλοιό βρίσκεται ο μανδύας, ο οποίος συμπεριφέρεται σαν ένα ιξώδες υγρό.
• Τα ρεύματα συναγωγής στο μανδύα, που οδηγούνται από τη θερμότητα του πυρήνα της Γης, προκαλούν τη μετακίνηση αυτών των τεκτονικών πλακών κατά μερικά εκατοστά κάθε χρόνο.
• Στα όρια όπου συγκρούονται οι τεκτονικές πλάκες, δημιουργούνται τεράστιες τριβές. Όταν η πίεση ξεπεράσει τις δυνάμεις τριβής που συγκρατούν τις πλάκες μεταξύ τους, προκαλείται ξαφνική απελευθέρωση της τάσης, με αποτέλεσμα την πρόκληση σεισμού.
• Ο σεισμός είναι ο κλονισμός της γήινης επιφάνειας εντός της λιθόσφαιρας, που προκαλείται από την ξαφνική απελευθέρωση ενέργειας και την κίνηση των τεκτονικών πλακών.
• Η ενέργεια αυτή δημιουργεί σεισμικά κύματα που ακτινοβολούν προς τα έξω.

Μηχανική των σεισμών (συνέχεια)

• Υπάρχουν τρεις τύποι κινήσεων των τεκτονικών πλακών που μπορούν να προκαλέσουν σεισμούς:
• Divergent: Πλάκες απομακρύνονται

Μηχανική των σεισμών (συνέχεια)

• Υπάρχουν τρεις τύποι κινήσεων των τεκτονικών πλακών που μπορούν να προκαλέσουν σεισμούς:
• Συγκλίνουσα: Πλάκες συγκρούονται

Μηχανική των σεισμών (συνέχεια)

• Υπάρχουν τρεις τύποι κινήσεων των τεκτονικών πλακών που μπορούν να προκαλέσουν σεισμούς:
• Μετασχηματισμός: Πλάκες γλιστρούν η μία δίπλα στην άλλη

Mechanics of Earthquakes (cont.)

• Causes of Earthquakes:
• Stress accumulation and release
• Fault lines and geological activity

Κινήσεις τεκτονικών πλακών

03 Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών

Τεχνολογίες για την ανίχνευση σεισμών

• Συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης:
• Αναπτύχθηκε για την αποστολή ειδοποιήσεων πριν από σεισμό, ώστε να μειωθούν οι επιπτώσεις των καταστροφών σε πολλούς τομείς της κοινωνίας.
• Περιλαμβάνει την ανίχνευση ενός συμβάντος όταν ο σεισμός έχει δημιουργηθεί για να δώσει ανιχνεύσιμη εδαφική κίνηση.
• Η έννοια βασίζεται στο γεγονός ότι τα κύματα S και τα επιφανειακά κύματα (δηλαδή οι πιο καταστροφικοί τύποι σεισμικών κυμάτων) διαδίδονται πιο αργά από τα κύματα P (λιγότερο καταστροφικά).
• Με βάση τη συγκεντρωμένη ανάλυση, οι ειδοποιήσεις κοινοποιούνται στις αρχές δευτερόλεπτα ή λεπτά πριν από τον σεισμό, ώστε να λάβουν τα απαραίτητα μέτρα, όπως η εκκένωση επικίνδυνων κτιρίων.
• Τα συμβατικά συστήματα χρησιμοποιούν παραδοσιακά σεισμικά όργανα (δηλαδή σεισμόμετρα υψηλής ποιότητας).
• Έχουν αναπτυχθεί σε διάφορες σεισμογενείς χώρες, όπως το Μεξικό, η Ιαπωνία, η Τουρκία, η Ρουμανία, η Κίνα, η Ιταλία και η Ταϊβάν.

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης :
• Σεισμόμετρα:
• Περιλαμβάνει έναν αισθητήρα εδαφικής κίνησης που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της μετατόπισης του εδάφους στις διευθύνσεις XYZ και ένα σύστημα καταγραφής για τη γραφική παράσταση της κυματομορφής που αντιστοιχεί στο σεισμικό κύμα.
• Η κυματομορφή παρέχει κρίσιμες ιδιότητες όπως το πλάτος και το εύρος συχνοτήτων των σεισμικών σημάτων..

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης :
• Σεισμόμετρα:
• Τα σήματα αυτά μπορεί να είναι εξαιρετικά δυναμικά με εύρος πλάτους μεταξύ 0,1nm και 10m ενώ το εύρος συχνοτήτων κυμαίνεται μεταξύ 0,00002 Hz έως 1000 H.
• Πολύ ευαίσθητες συσκευές, πράγμα που σημαίνει ότι το καταγραφόμενο κύμα μπορεί συνήθως να περιλαμβάνει και άλλους φυσικούς περιβαλλοντικούς θορύβους, όπως θόρυβο από τον άνεμο, τα ωκεάνια κύματα ή άλλες δραστηριότητες που σχετίζονται με τις καιρικές συνθήκες, ή μικρή σεισμική δραστηριότητα, και ανθρωπογενή θόρυβο από την κυκλοφορία, βιομηχανικές δραστηριότητες..

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης :
• Επιταχυνσιόμετρα:
• Μετράει την ταχύτητα ενός μεμονωμένου σημείου στο έδαφος και παρέχει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με την ένταση και τις δυνάμεις που δέχεται το αντικείμενο από τη δόνηση του εδάφους.

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης:
• Παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης (GNNS):
• Τα πιο γνωστά παραδείγματα είναι τα GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou.
• Οι δορυφόροι εκπέμπουν μικροκυματικά σήματα τα οποία λαμβάνονται από επίγειες κεραίες και δέκτες για να ληφθεί η θέση της κεραίας.

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης:
• Παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης (GNNS)
• Το GNNS επιτρέπει στους επιστήμονες να ανακτούν ροές εντοπισμού θέσης σε πραγματικό χρόνο ως συνεχείς χρονοσειρές και τελικά να ανακτούν τη θέση του εδάφους, τη μετατόπιση του εδάφους, την ταχύτητα και τη στατική μετατόπιση.
• Το πλεονέκτημα των λύσεων GNSS έναντι των παραδοσιακών σεισμογράφων είναι ότι δεν κορεστούν με το μέγεθος και την άμεση εξαγωγή κυματομορφών μετατόπισης, την κάλυψη γεγονότων εκτός δικτύου και τον χαρακτηρισμό ρηγμάτων και κατανομών ολίσθησης.
• ΑΛΛΑ, για να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες, οι σεισμοί πρέπει να είναι αρκετά ισχυροί με μέγεθος μεγαλύτερο από 7.

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τύπος αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης:
• Τεχνολογία υπερύθρων:
• Οι σεισμοί με μέγεθος μεγαλύτερο από 5,5 mb (μέγεθος κύματος σώματος) μπορούν να παράγουν κύματα υπέρυθρου ήχου τα οποία μπορούν να ανιχνευθούν και να καταγραφούν με τη χρήση αισθητήρων υπέρυθρου ήχου..
• Οι ήχοι που υπολείπονται των ακουστικών συχνοτήτων που κυμαίνονται από 0,003 έως 20 Hz ορίζονται ως υπέρηχοι..
• Η μετατόπιση της γήινης επιφάνειας ή οι αρπαγές μπορούν να θεωρηθούν ως πηγή φυσικού υπέρηχου, δεδομένου ότι παράγεται από τη χαμηλής συχνότητας ταλάντωση της γήινης επιφάνειας στο επίκεντρο και στις γύρω περιοχές..

• Η Ιαπωνία ανέπτυξε ένα δίκτυο 30 αισθητήρων υπέρυθρου ήχου KUT, οι οποίοι είναι ολοκληρωμένοι αισθητήρες που ενσωματώνουν ένα επιταχυνσιόμετρο, ένα βαρόμετρο και ένα μικρόφωνο για την ανίχνευση υπέρυθρου ήχου..
• Η ανάλυση των καταγεγραμμένων κυματομορφών του σεισμού μπορεί να παράσχει πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος και τη διάρκεια του σεισμού..

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT) και τεχνητή νοημοσύνη (AI):
• Οι νέες εξελίξεις στο IoT και η ικανότητα της Τεχνητής Νοημοσύνης να εξερευνά κρυμμένα μοτίβα δεδομένων, δείχνουν ένα πολλά υποσχόμενο δυναμικό για την πρόβλεψη σεισμών..
• Μέθοδοι βασισμένες σε κανόνες, ρηχή μηχανική μάθηση και αλγόριθμοι βαθιάς μάθησης έχουν ήδη εφαρμοστεί σε αρκετές μελέτες για τη διευκόλυνση της πρόβλεψης σεισμών. Η πρόβλεψη σεισμών βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε ιστορικά δεδομένα.
• Ωστόσο, η εφαρμογή πρόδρομων δεδομένων (δηλαδή έμμεσων και ανεπιβεβαίωτων δεικτών, όπως η συγκέντρωση αερίων ραδονίου και η μεταβολή της θερμοκρασίας του εδάφους) έχει επίσης εφαρμοστεί σε μοντέλα ΤΝ για να διευκολύνει την έρευνα πρόβλεψης σεισμών..
• Δεδομένου ότι τα μοντέλα μηχανικής μάθησης απαιτούν εκτεταμένα δεδομένα για να εκπαιδευτούν και να βελτιωθούν, ο βαθμός στον οποίο αυτές οι τεχνολογίες θα αυξήσουν την ακρίβεια της πρόβλεψης και θα βελτιώσουν τα μοντέλα σεισμών περιορίζεται στη διαθεσιμότητα σπάνιων ιστορικών σεισμικών δεδομένων, δεδομένου ότι οι μεγάλοι σεισμοί δεν είναι πολύ συχνοί..

Τεχνολογίες για τη διαχείριση των σεισμών (συνέχεια)

• Τεχνικές μηχανικής μάθησης για πρόβλεψη:
• Αλγόριθμοι που επεξεργάζονται τα δεδομένα που συλλέγονται από τους αισθητήρες και τα χρησιμοποιούν για να εκπαιδεύσουν διάφορα μοντέλα μηχανικής μάθησης προκειμένου να ταξινομήσουν τα σήματα σεισμών.

04 Στρατηγικές μετριασμού

Τεχνολογίες για τον μετριασμό των επιπτώσεων των σεισμών

• Η πιθανότητα ενός μετασεισμού επιβάλλει τη διατήρηση μιας ασφαλούς απόστασης από την πληγείσα περιοχή, γεγονός που καθιστά δύσκολη την ανθρώπινη πρόσβαση. Έτσι, τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη (UAV), είναι από τις πιο αποτελεσματικές βαθιές τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον μετριασμό των επιπτώσεων ενός σεισμού.

Τεχνολογίες για τον μετριασμό των επιπτώσεων των σεισμών (συνέχεια)

• Οι σύγχρονες πλατφόρμες UAV, με εργαλεία ανίχνευσης που μπορούν να συσσωρευτούν σε αυτές τις πλατφόρμες, επιτρέπουν στους εμπειρογνώμονες των υπηρεσιών έκτακτης ανάγκης και διάσωσης να επιθεωρούν, να ανιχνεύουν και να χειρίζονται αντικείμενα από προστατευμένη θέση σε ασφαλή απόσταση από ένα πραγματικό περιστατικό ή μια περιοχή καταστροφής.
• Μια πληθώρα αυτόνομων λειτουργιών στις επιχειρήσεις UAV επιτρέπουν πιο αποδοτικές και αποτελεσματικές επιχειρήσεις που ελαχιστοποιούν τους συνολικούς χρόνους απόκρισης.
• Τα κύρια στοιχεία ενός συστήματος UAV είναι:
• τη μονάδα ελέγχου πτήσης που ελέγχει τους στροφείς με βάση τις εισόδους διαφορετικών αισθητήρων
• το τηλεχειριστήριο που στέλνει χειροκίνητα πληροφορίες στη μονάδα ελέγχου πτήσης για τη διενέργεια χειροκίνητων κινήσεων με βάση τις εισόδους του χρήστη
• το σύστημα απόλυτου εντοπισμού θέσης το οποίο είναι υπεύθυνο να γνωρίζει με ακρίβεια πού βρίσκεται το UAV για να διορθώνει τις αποκλίσεις των αισθητήρων
• Επίγειους σταθμούς ελέγχου UAV που αναπτύσσονται για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας διαχείρισης και παρακολούθησης της λειτουργίας των UAV και βοηθούν στην εκπλήρωση του στόχου της αποστολής με την αξιοποίηση των δυνατοτήτων των UAV.

Τεχνολογίες για τον μετριασμό των επιπτώσεων των σεισμών (συνέχεια)

• Τα UAV μπορούν να παρέχουν διάφορες λειτουργίες, όπως η συλλογή και παροχή πληροφοριών για την εκτίμηση της κλίμακας μιας καταστροφής, η παροχή οπτικών βοηθημάτων στους πρώτους ανταποκριτές (π.χ. παροχή πληροφοριών για ασφαλείς ή μη ασφαλείς τοποθεσίες, αναζήτηση αγνοουμένων, παροχή πληροφοριών για πιθανούς κινδύνους κ.λπ.).

• Για παράδειγμα, επιθεωρεί την περιοχή που εκτελεί έρευνα και διάσωση της ζωής των ανθρώπων κάτω από τα συντρίμμια μετά από ένα σεισμό, κάτω από τα κτίρια που κατέρρευσαν.

• Ξεκινά μια αποστολή έρευνας και διάσωσης για να επιθεωρήσει την περιοχή αναζητώντας τραυματισμένους πολίτες είτε χρησιμοποιώντας ένα μόνο UAV είτε ένα σμήνος UAV.

Επιχείρηση έρευνας και διάσωσης με χρήση UAV

05 Μελλοντικές κατευθύνσεις

Μελλοντικές κατευθύνσεις

• Τεχνολογίες πρόβλεψης για την παροχή ακριβέστερων προειδοποιήσεων

• Καινοτομίες στις αυτόνομες επιχειρήσεις διάσωσης

• Χρήση τεχνητής νοημοσύνης και συμπερίληψη περισσότερων δεδομένων εκπαίδευσης για ακριβείς προβλέψεις

06 Έρευνα

00:30

1/10

00:30

2/10

00:30

3/10

00:30

4/10

00:30

4/10

00:30

5/10

00:30

6/10

00:30

7/10

00:30

8/10

00:30

9/10

00:30

10/10

Δραστηριότητα συζητήσεων (~90 minutes)

• https://create.kahoot.it/share/prevent-earthquakes/40f05041-aeac-42e8-bdcf-6ba7bb2d6516
• Θέματα προς συζήτηση:
• Κύριο θέμα: Πώς μπορούν οι προηγμένες τεχνολογίες να βελτιώσουν περαιτέρω τη διαχείριση των καταστροφών;
• Τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση στην πρόβλεψη και αντιμετώπιση καταστροφών
• Ο ρόλος του IoT στη διαχείριση καταστροφών
• Έξυπνες υποδομές και ανθεκτικές στις καταστροφές πόλεις
• Δορυφορική τεχνολογία και τηλεπισκόπηση για την παρακολούθηση καταστροφών
• Οδηγίες:
• Καταιγισμός ιδεών σε ομάδες και ανταλλαγή ιδεών.
• Διαθέστε 30 λεπτά για συζήτηση.
• Προετοιμάστε μια σύντομη παρουσίαση 5 λεπτών για να παρουσιάσετε τις ιδέες σας στην τάξη (60 λεπτά).

Το μάθημα ολοκληρώθηκε!