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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門市越展越多,如何降低管理與維運負擔?不用全面汰換設備,也能逐步升級智慧化多據點管理
門市越展越多,如何降低管理與維運負擔?不用全面汰換設備,也能逐步升級智慧化多據點管理

快速展店背後的挑戰 如何降低跨據點管理與維運負擔

對連鎖零售企業而言,展店代表商機與成長,但當門市數量快速增加,營運與管理的複雜度也隨之提升。尤其對便利商店(C-store)、餐飲連鎖與其他高密度展店型態的企業而言,總部需要面對的不只是據點數量增加,更包括不同門市的設備管理、系統維護、日常維運與人力配置等多方面挑戰。

過去多據點門市的設備與資訊管理,往往以單一門市為單位,各據點可能擁有不同的攝影機、錄影設備配置與管理模式。當總部需要掌握事件狀況、確認門市營運情形,或進行跨區域管理時,往往需要投入大量人力逐一確認資訊,不僅增加管理負擔,也提高維運成本。

此外,零售產業本身具有高度變動性。門市可能因應市場策略進行展店、搬遷、改裝,甚至調整營運規模。傳統一次性設備投資模式,容易讓企業在面對據點變化時缺乏彈性,也增加設備重新配置與後續維護的負擔。

因此,現代零售企業所需要的不只是單純記錄事件的設備,而是一套能隨企業成長彈性調整、協助總部有效掌握多據點安全資訊,並支援未來智慧應用發展的智慧化管理架構。

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圖/ 晶睿通訊

從既有設備開始升級 降低全面汰換設備的轉型負擔

面對智慧化轉型需求,許多企業最大的挑戰並非是否需要升級,而是如何在不中斷現有營運的情況下完成轉型。

對已經投入大量資源建置安全系統的零售企業而言,全面汰換既有架構不僅成本高,也可能影響門市日常運作。因此,能夠兼容既有設備並逐步升級的彈性架構,成為企業導入智慧安全管理的重要關鍵。

透過混合雲架構,企業可以從既有設備開始,逐步整合不同據點的安全資訊與管理需求,同時導入雲端管理能力。相較於一次性重新建置,新一代平台架構能協助企業延續既有投資價值,並依照實際需求逐步導入更集中化、智慧化的管理能力。

此外,訂閱式雲端服務模式和混合雲安防架構,也為零售企業帶來更靈活的資產管理方式。相較於頻繁的硬體汰換、傳統一次性採購或繁瑣的跨品牌安防系統的管理,企業更有彈性的因應門市拓展、搬遷、調整或營運規模調整,精準配置資源,降低一次性投入壓力,也減少因據點變動造成設備閒置的情況。

對快速成長的連鎖零售企業而言,安全管理不再是一套固定且難以調整的架構,而是一個能隨企業規模與需求持續演進的平台。無論是新增門市、跨區域管理,或因應營運策略調整,都能以更彈性的方式完成管理升級。

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圖/ 晶睿通訊

AI 不只是安防工具 更開始協助零售提升營運效率

隨著 AI 技術快速發展,安全管理的角色也正在改變。過去企業導入影像系統主要用於事件記錄、事後查看與追蹤;如今,智慧雲端安防平台則能進一步從大量影像資訊中辨識人、車與行為,協助企業從「看見發生什麼」進一步「理解正在發生什麼」,甚至主動協助管理者發現與處理事件。對門市數量眾多、人力有限的連鎖零售業者而言,AI 正逐步成為降低管理負擔、提升營運效率的重要工具。

從基本事件偵測到自然語言規則 讓 AI 主動理解更多異常情境。 AI 智慧辨識已能針對跌倒、奔跑、徘徊、跨線等常見事件進行自動偵測,協助門市減少人工查看影像的需求。而進一步透過 Think Alert,管理者更可以直接以自然語言設定客製化的偵測條件,將 AI 應用延伸至傳統事件規則以外。以門市尖峰時段為例,店員往往需要同時處理結帳、補貨與顧客服務,總部也難以持續掌握每個據點的即時狀況。透過 Think Alert,管理者可以直接以自然語言設定「在門店入口抽菸的人」等情境;當符合設定條件的畫面出現時,系統即可主動發出警報,協助管理者即時掌握異常狀況。對於門市數量龐大的企業而言,這代表 AI 不只是協助辨識既定事件,更能依據不同營運需求,讓管理者以更直覺的方式設定希望 AI 主動關注的情境。

從大海撈針到快速完成調查 Think Search 搭配 Case Vault(案例庫) 掌握完整事件脈絡。 當事件發生後,如何從大量、多據點的影像中找到關鍵人物與事件脈絡,往往是最耗費人力的環節。透過 Think Search,管理者可以直接用自然語言描述想尋找的對象與情境,例如,當家長反映孩童可能在門市附近走失時,店員或總部人員不需要逐一查看不同攝影機的錄影畫面,只要在 Think Search 輸入「昨日上午,牽著小女孩的男性」等自然語言描述,系統即可協助從大量影像中篩選相關畫面,快速找到相關人物可能出現的時間與位置。若需要進一步追蹤,還能將不同搜尋階段找到的重要畫面與資訊整理至 Case Vault,建立事件時間線與人物移動路徑,協助管理者更完整掌握事件脈絡。

從安全管理延伸至顧客服務與門市營運 讓既有影像創造更多價值。 AI 的應用也不只限於安全事件。例如在咖啡店、餐飲等場景,若顧客將手機、包包等物品遺留在座位或櫃台附近,遺留物與遺失物偵測可以協助門市人員更快發現異常,主動確認並協助顧客處理失物問題;人流分析則能協助企業掌握不同時段的門市活動趨勢,作為空間配置與人力安排的參考;車牌辨識可應用於停車區域或門市周邊管理,而工安防護裝備辨識則能協助後場、倉儲等區域進行安全規範管理。透過這些應用,企業能在既有設備基礎上,進一步將影像資料延伸至安全、服務與營運等不同場景。

對連鎖零售業而言,AI 的價值已不只是「看得更清楚」,而是讓企業更快發現問題、更快找到資訊,並進一步理解事件脈絡與營運狀況。從基本事件偵測、自然語言設定規則,到 AI 搜尋與事件調查,再延伸至顧客服務與營運分析,雲端安防平台正讓影像從被動的紀錄工具,逐步成為支援多據點安全管理與營運決策的重要資訊來源。

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圖/ 晶睿通訊

85°C 北美導入 VIVOTEK AI 雲端安防平台 加速 80+ 門市智慧營運升級

隨著零售產業持續朝向多據點與數位化營運發展,如何在快速展店的同時兼顧營運效率、安全管理與服務品質,已成為企業的重要課題。

為支援持續拓展的營運需求,85°C Bakery Cafe 北美導入 VIVOTEK VORTEX AI 雲端安防平台,透過雲地整合架構與 AI 智慧應用,將原本分散的監控系統整合至單一平台,全面提升多據點管理效率、事件處理速度與日常營運效能。

此案例呈現零售企業如何從既有設備與架構出發,分階段導入雲端安防平台,並為未來智慧化管理與 AI 應用建立基礎。

閱讀完整案例

85°C Bakery Cafe North America 如何透過 VIVOTEK 雲端安防平台打造更智慧的門市管理模式

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了解 85°C Bakery Cafe North America 如何應用 VIVOTEK VORTEX AI 雲端安防平台

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