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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晶睿通訊智慧監控護航淡江大橋,全天候守護台灣破記錄地標
晶睿通訊智慧監控護航淡江大橋,全天候守護台灣破記錄地標

台灣近數十年最具指標性的世紀工程

淡江大橋橫跨淡水河口,主橋跨距長達近一公里,為全球跨距最長的不對稱單塔斜張橋。數十年來,老舊的關渡大橋獨自承載著日益龐大的車流,早已讓這條交通動脈不堪重負。

為了紓解交通壅塞,淡江大橋應運而生,通車後縮短約 15 公里路程、節省約 25 分鐘車程。大橋具備快速公路規格,更同時兼容行人、自行車、大眾公車與汽機車等六大多元運具,是串聯新北市與周邊區域的關鍵交通動脈。

為確保如此龐大規模的設施能安全無虞、持續運作,全台首座橋梁專責交控中心應運而生,專責提供 24 小時全線監控。這意味著大橋需要一套高度穩定、視野開闊的智慧影像系統,能清晰涵蓋大橋的全線跨度。

非比尋常:打破常規的嚴苛監控需求

橋梁管理機關需要的不僅是單純的監視設備,而是一套能作為未來整體智慧基礎建設基石的架構;除了支援高階 AI 交通分析,更必須在各營運環節中全面保障公共安全通訊。

無懼嚴苛:全天候穩定可靠

身處毫無遮蔽的海濱出海口,監控設備必須經受極端天候與強風鹽霧考驗,並在夜間低照度環境下,依舊維持高清晰畫質。

全線涵蓋:消除視野盲區死角

監控範圍遠超傳統固定式攝影機的極限,必須確保整座大橋長距離主線均無監控斷層與盲區。

人車共榮:全向守護多元用路人

面對行人、自行車、機車、重機、自小客車及公車同時混流通行的大橋環境,交控中心需要同時掌握各類車流狀況、落實法規遵從,並將人行安全擺在第一位。

#1 晶睿通訊
PTZ 快速球,支援廣域監控。圖片由iDS智慧安防雜誌提供,經授權使用。
圖/ 晶睿通訊

以更精簡設備配置,實現廣域全天候覆蓋

晶睿通訊攜手系統整合商橙力國際,於全橋部署 40 具專業攝影機,結合 AI 影像分析,提升監控效率。

除了搭配晶睿通訊的子彈型攝影機與車牌辨識機種外,全線更以高解析度 PTZ 快速球為主幹,落實廣域全天候監控。極度耐候的機構設計,能從容應對出海口的強烈鹽霧、夏季高溫暴雨及強颱吹襲。

這項重大決策考量的絕非僅是硬體規格。對於具備國家指標意義的重大工程而言,品牌的信任度與商譽,與技術實力同等重要。

晶睿通訊深耕台灣超過 25 年,擁有實力堅強的在地支援團隊,並攜手在地扎根深厚的夥伴。新北市政府與大橋主管機關獲得的不只是一套監控系統,更是投資了一套能伴隨大橋智慧升級、長遠擴充的前瞻平台。

#0 晶睿通訊
規則管理(Rule Management): 可自訂汽車道、機車道及人車共用道等專用分區,並執行方向性的車流/人流計數。
圖/ 晶睿通訊

將監控結果轉化為高價值交通數據

本專案不僅提供全時不間斷的影像監控,更為交控中心注入強大的智慧分析層,能同時支援「即時監看告警」與「事後回溯分析」。

人車流量即時分析與告警機制:交控中心可彈性設定橋面各處的流量自訂門檻(Threshold)。一旦人車流量超標,系統便會主動通報,讓管理人員精準應變處理。

即時偵測與歷史影像事後回溯:分析區域與事件規則既可預先設定以落實常態監控,亦能事後針對特定路段及時段的歷史錄影直接套用新規則重新檢索分析,省去反覆調閱畫面的繁瑣流程。

多元車種精準分類與行人計數:系統能精準辨識並分類統計汽車、大卡車、公車、機車與自行車等各型車輛;在行人計數方面,亦能有效區隔人行道上的「純步行路人」與「牽車/騎乘騎士」,避免數據重複誤判。

智慧交通決策應用、車牌辨識(LPR)與報表匯出:透過跨時段流量趨勢分析,可為交控號誌的時制最佳化提供精確決策依據;系統同步整合高精度車牌辨識(LPR),且後端所有數據皆支援匯出一鍵產製 CSV 報表,大幅簡化管理歸納流程。

#3 晶睿通訊
場景報告(Scene Report): 依車種進行車輛計數與分類,並可一鍵匯出 CSV 格式報表。
圖/ 晶睿通訊

全天候不間斷的清晰視野

大橋專責交控中心現已具備最關鍵的管理能力:無論晝夜氣候,全線通行廊道皆能保持清晰視野與全時監控。強大的 AI 智慧分析能為管理單位提供即時、可靠的影像與數據佐證,全面支援交通調度、車道使用規範落實,以及違規事件的研判與舉發。

大幅精簡設備數量

若想以傳統固定式攝影機涵蓋相同監控範圍,所需的設備數量將大幅增加;相較之下,PTZ 解決方案不僅更具成本效益,也是大型基礎建設兼顧實用性與營運效率的最佳選擇。

此專案不僅滿足當前的監控需求,更奠定了邁向整體智慧基礎建設的架構基石。隨著未來需求逐步升級擴充,淡江大橋將成為運用 AI 智慧影像打造更安全、更高效公共工程的標竿示範。

建置效益重點

AI 智慧交通分析:支援車流量分析、門檻超標警示、車種分類辨識、行人計數與車牌辨識(LPR),並可對歷史影像進行事後回溯分析;各項數據皆能匯出產製統計報表。

即時就緒:在大橋正式通車前即已建置完備,提供不間斷的監控能力,確保自啟用首日起,監管機制即全方位到位。

全線廊道零死角覆蓋:針對全線通行路廊提供 24/7 全天候視野;即使面對毫無遮蔽、天候嚴苛的近海強風鹽霧環境,依然能提供日夜穩定可靠的監控品質。

大規模建置具高成本效益:透過高階 PTZ 攝影機實現大範圍涵蓋,所需台數遠少於傳統固定式配置;在確保頂級監控品質的同時,大幅精簡施工立桿、配線等基礎設施需求。

高度公共建設投資價值:全面滿足專案嚴苛的技術規格,並在「成本預算」、「視野涵蓋」與「整體效能」之間取得最佳平衡。

充滿前瞻性的可擴充平台:建立具前瞻性的彈性擴充平台;隨日後營運需求演進,可無縫整合子彈型攝影機強化 AI 交通分析,或加入廣播喇叭(IP Speakers)實現公共安全廣播與即時應變。

“作為近年台灣最具指標性的重大工程之一,淡江大橋需要的是能夠長久攜手前行、具備前瞻建構實力的長期合作夥伴。”這正是我們選擇晶睿通訊的關鍵原因。其解決方案完全滿足此等重大建設的核心標準:自啟用首日起,即為全橋提供全方位、多視角的無死角監控;同時提供堅實穩健的智慧運算架構,能伴隨大橋未來的智慧化願景持續演進擴充。 -張橙莉, 執行長,橙力國際

我們守護的,不只是大橋

回歸本質,衡量一座宏偉橋樑真正價值的,始終是它所承載的每一段日常旅程:是在雨夜中奔波通勤的歸人、週末漫步於人行步道的一家大小,或是當天第二十趟行經相同路線的公車運將。晶睿通訊默默守護著每一位用路人,為交控中心賦予全方位的清晰視野與智慧洞察,日夜不輟地守護這座台灣最新地標的安全。

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晶睿通訊智慧監控護航淡江大橋,全天候守護台灣破記錄地標

觀看現場專訪, 聽主管機關怎麼說
淡江大橋-智慧橋樑管理中心 x 智慧與維運的全天候智慧監控核心

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