GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
2016.02.16 | 科技

圖說明

文章為《數位時代》獲授權轉載自編程派

美國科學家11日宣佈,他們去年9月首次探測到重力波。這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。宣佈這一發現的,是鐳射干涉重力波天文臺(LIGO)的負責人。

這個機構誕生於上世紀90年代,進行重力波觀測已經有近30年。那麼觀測到的重力波資料的量應該很大,科學家如何對這些資料進行分析?有沒有用到Python程式設計語言?

答案是肯定的。筆者在Github上發現了一個專門用於分析重力波資料的Python套件:GWPY。據維護者介紹,GWPY的程式碼來自LIGO和另一個名叫Virgo的機構,維護者將這兩個機構科學家的Python程式碼整理,最終的產品就是GWPY這個使用者友好的Python套件。

在具體介紹GWPY之前,先給和筆者一樣不了解的人簡單科普一下重力波和LIGO的相關知識。

什麼是重力波?

圖說明

上圖是兩個黑洞所產生的重力波的3-D模擬圖(NASA)。

首先,什麼是重力波?在物理學上,重力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣,重力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。

通常重力波的產生非常困難,地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進,發出的重力波功率僅為200瓦,還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大品質天體的加速、碰撞和合併等事件才可以形成強大的重力波,但能產生這種較強重力波的波源距離地球都十分遙遠,傳播到地球時變得非常微弱。

下面分享兩個優秀的影片,很好地解釋了重力波及背後的原理。第一個來自LIGO,第二個則是比較通俗的漫畫式講解。

###LIGO科學家的解釋:
http://v.qq.com/boke/page/g/0/0/g0184mxwie0.html

###漫畫式通俗解釋:
http://v.qq.com/page/j/x/u/j0184qlilxu.html

LIGO是什麼?

鐳射干涉重力波觀測站( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)LIGO是加州理工學院(Caltech)和麻省理工學院(MIT)的合作實驗室,現在也有其他的大學參與。實驗資金來源於美國國家科學基金會。LIGO是用來尋找宇宙中的重力波,從而可以驗證黑洞的存在和檢驗廣義相對論。

圖說明

LIGO主要有兩個觀測點,位於路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston觀測點,和華盛頓 Hanford的LIGO Hanford觀測點。除此之外,在加州Passadena 的Caltech校園中還有LIGO 40m Prototype 。

LIGO是如何探測重力波的?

影片:LIGO是如何探測重力波的?

GWPY:LIGO用它分析重力波資料?

圖說明

接下來是本文的重頭戲。我們一起來學習如何GWPY分析重力波資料。下面的介紹及示例均來自GWPY的官方文件

安裝

很簡單,pip install gwpy就可以完成安裝。

不過安裝的過程可能會比較長,因為gwpy使用的依賴套件比較多,套件括numpy、 scipy、 cycler、matplotlib、astropy等。

物件導向程式設計

GWPY是一個物件導向程式設計的Python套件,也就是說,資料物件是這個套件的核心關注點。每一個資料物件都體現為一個類實例,套件含了其屬性和套件含的資料。

如果想創建一個新的類實例,建議使用標準的構建器(constructor)。舉個例子,我們可以使用一個資料陣列,生成一個TimeSeries物件:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],sample_rate=1, epoch=0)

或者從線上資料伺服器上下載:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 964656015, 964656615)

核心資料物件

據介紹,GWPY提供了4種核心資料物件,分別代表重力波探測器所產生的四種標準資料:

• TimeSeries(時間序列資料)
• Spectrum(光譜數據)
• Spectrogram(光譜圖)
• DataQualityFlag

重力波數據視覺化

我們知道,將重力波探測器收集的資料視覺化,對於理解重力波的特性、研究重力波信號來說非常有説明。gwpy.plotter模組中提供了一些plot類,可以直觀地展示相應的資料類型。

GWPY的核心資料物件裡,大部分都內置有一個plot()方法,可以讓研究人員快速對某個資料集進行視覺化展示。舉個例子:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
data = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 968654552, 968654562)
plot = data.plot()
plot.show()

圖說明

GWPY:利用公開的LIGO資料進行繪圖

我們接下來利用LIGO公開的一些重力波時間序列資料進行繪圖。我們可以直接線上載入這些資料。首先導入我們需要的模組:

from urllib2 import urlopen
from numpy import asarray
from gwpy.timeseries import TimeSeries

然後,下載資料,保存為文本字串:

data = urlopen('http://www.ligo.org/science/GW100916/L-strain_hp30-968654552-10.txt').read()

現在,我們可以對文本進行解析,補充必要的中繼資料之後,就可以生成一個TimeSeries:

ts = TimeSeries(asarray(data.splitlines(), dtype=float),
                 epoch=968654552, sample_rate=16384, unit='strain')

最後,我們就可以繪圖了:

plot = ts.plot()
plot.set_title('LIGO Livingston Observatory data for GW100916')
plot.set_ylabel('Gravitational-wave strain amplitude')
plot.show()

圖說明

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迎戰大缺工時代!德國凱馳在台首推「智慧自主洗地機器人」,開啟商用清潔革命
迎戰大缺工時代!德國凱馳在台首推「智慧自主洗地機器人」,開啟商用清潔革命

在少子化與高齡化的雙重夾擊下,台灣勞力結構正面臨前所未有的嚴峻挑戰,預估從2020至2030年間,15至64歲的勞動人口將減少約10.3%。「缺工」不再是短期波動,而是長期影響各行各業的結構性危機,尤以高度依賴人力的清潔產業為甚。

然而在後疫情時代,社會對場域的衛生標準只增不減,加上大型商場、交通樞紐、物流中心與高科技廠房的建設面積每年持續擴增,清潔人員招募困難且年齡漸趨中高齡,有限人力難以扛起龐大的日常清潔工作。

面對亟待填補的市場空缺,全球清潔設備領導品牌德國凱馳,憑藉深厚的專業底蘊與嚴謹的研發標準,首次在台推出「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」,為台灣大型商用場域提供劃時代的智慧清潔解方。

凱馳總經理李恒毅觀察,少子化與高齡化衝擊清潔產業,透過更省時省力的「人機協作」模式,可大幅減輕第一線清潔人員負擔。
凱馳總經理李恒毅觀察,少子化與高齡化衝擊清潔產業,透過更省時省力的「人機協作」模式,可大幅減輕第一線清潔人員負擔。
圖/ 數位時代

凱馳總經理李恒毅強調,「KIRA BR 50並非要取代清潔人員,而是建立更省時省力的『人機協作』模式。」在傳統模式下,清潔人員必須拖著重達數十公斤的水桶與設備,在大面積區域來回奔波,耗時費力。有了KIRA BR 50後,機器人能精準且獨立承接大面積地板的頻繁清掃與洗刷,讓清潔人員將珍貴時間與專注力轉移至桌面、扶手及高接觸頻率的精細區域清潔,大幅減輕第一線負擔。

集結百年洗地技術與智慧科技,四大特點樹立清潔標竿

事實上,市場不乏新創科技公司推出清潔機器人,但凱馳業務總監李敍均指出,大多新創公司擅長科技部分,但對於「如何把地洗乾淨」的清潔本質缺乏經驗。德國凱馳成立近百年來,早已是這方面的專家,歷經總部反覆打磨,KIRA BR 50結合凱馳的專業工藝與前沿科技,以四大特點樹立智慧清潔標竿。

凱馳業務總監李敍均指出,「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」經過德國總部嚴格打磨才正式問世,展現德國工藝的嚴謹與專業。
凱馳業務總監李敍均指出,「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」經過德國總部嚴格打磨才正式問世,展現德國工藝的嚴謹與專業。
圖/ 數位時代

首先是「高效清潔」,相較一般清潔機器人使用盤刷,容易讓污垢在地面旋轉滯留,KIRA BR 50採用獨家滾刷技術,一次完成預掃、收集垃圾、洗地與擦乾,搭配側刷貼近牆角,完成零死角邊緣清潔。每分鐘超過1300轉的高轉速刷頭,加上業界最高刷壓,大幅提升清潔效果,最高每小時可自主清潔高達2365平方公尺,相當於5.6座籃球場,一小時即可完成約兩次台北車站大廳的清潔作業,非常適合面積廣大的車站、機場、物流中心等大型場域使用。

第二是「極致安全」,隨著智慧設備進入高科技產業與政府機關等敏感場域,企業對設備安全與隱私防護的要求也日益提高,KIRA BR 50配備「3D點陣式影像偵測技術」,當機器人在環境感知與避障時僅呈現去識別化的點陣雲,不記錄或上傳實體影像,從源頭杜絕案場影像與隱私資訊被記錄或外洩的疑慮。此外資料傳輸裝置均支援AES-256位元高規格加密,並通過IEC與Syss等多項國際認證的自主導航、電氣安全與防駭客入侵設計,領先競品,建立清潔機器人極致安全的新標準。

第三是「解放人力」,大面積且重複的洗地工作交給機器人後,第一線員工便能投入更多需要專業服務的細緻清潔工作;同時搭配四合一自動工作基站,能自動高速充電、補充清水、排放汙水、清洗水箱,讓清潔人員更加省事。

第四是「友善操作」,考量許多清潔人員為中高齡族群,機身特別以簡單顏色和圖形化介面標示清潔人員可獨立操作的簡易按鈕,直覺易懂。針對開放式大面積,僅需人工操作一次,機器人便可在短時間內自主完成地圖掃描與路徑規劃,並具備智慧記憶功能,能自動回補因臨時障礙物而漏洗的區域,無須專業工程師提前設定地圖與電子圍籬,大幅降低使用門檻。

第一線清潔龍頭實測驗證,人機協作打造清潔新紀元

這套智慧清潔方案在正式推向市場前,也已在台灣機場等第一線大型場域實地驗證,與凱馳合作長達10多年的台灣清潔產業龍頭——信實集團,正是這場科技變革的最佳見證者。

信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
圖/ 數位時代

信實集團承攬機場、車站等眾多大型公共標案,對設備品質與安全極為挑剔,信實集團副總經理趙雪吟坦言,「服務業缺工已經是全面性挑戰,第一線清潔產業長期面臨人力招募困境,引進自動化設備是不可逆趨勢。」

早在一、兩年前他親赴德國凱馳,看到KIRA BR 50後,便非常期待正式在台上市的一天。此次信實率先參與驗證,對KIRA BR 50展現出的穩定度與清潔效率印象深刻,不僅能高效自主洗地,完成後還會返回工作站維護充電,讓有限人力集中於精細工作上。

「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
圖/ 數位時代

趙雪吟也特別強調,公家機關與大型企業標案對設備的製造品質、電氣安全與資安防護有嚴格標準,凱馳耗費數年進行嚴謹測試與多項國際認證,正是信實能放心將機器人引入重要案場的關鍵,期望未來導入至更多大型公共場域。

隨著KIRA BR 50正式登台,凱馳不僅為缺工時代提供最佳解方,也展現作為全球清潔設備領導品牌的前瞻視野,敏銳洞察清潔產業缺工、高齡化的必然趨勢,從第一線人員與企業實際需求出發,提前佈局研發對應智慧產品。未來凱馳將持續以領航者之姿,引進多元的專業清潔機型,讓「人機協作」不再只是前瞻概念,而是兼顧品質、安全與人本價值的最佳幫手,全力助攻台灣清潔產業邁向更高效、智慧、也更有溫度的全新紀元。

在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
圖/ 數位時代
關鍵字: #機器人

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