Nhật Bản cải tiến công nghệ thế nào để ứng phó tốt hơn với động đất, sóng thần?

CÔNG NGHỆ HỖ TRỢ ỨNG PHÓ THIÊN TAI

Trận động đất có cường độ lên đến 9 xảy ra ngoài khơi phía đông Nhật Bản vào ngày 11/3/2011 là trận động đất mạnh nhất từng được ghi nhận ở nước này, kéo theo thảm họa sóng thần chưa từng có ập vào vùng Tohoku và các thị trấn dọc bờ biển, đặc biệt là ở Iwate, Miyagi và Fukushima.

Động đất và sóng thần đã san phẳng hàng nghìn tòa nhà, phá hủy nhiều cơ sở hạ tầng quan trọng và kéo theo sự cố hạt nhân liên quan nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Tổng cộng, gần 20 nghìn người đã thiệt mạng, đồng thời Nhật Bản phải chịu thiệt hại hơn 235 tỷ USD trong thảm họa kép này.

Trong thập kỷ qua, Nhật Bản đã hứng chịu khoảng 20% trong tổng số các trận động đất được liệt vào nhóm có cường độ mạnh trên toàn thế giới - những trận có độ lớn từ 6 độ trở lên, cũng như nhiều cơn bão nhiệt đới.

Nhật Bản nằm ở khu vực thường xuyên hứng chịu động đất. Trong ảnh: Phân bổ các trận động đất quanh Nhật Bản trong giai đoạn 1960-2011. (Nguồn: jma.go.jp)

Trong bối cảnh ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, tần suất cũng như mức độ khốc liệt của các thảm họa tự nhiên nói trên đang có chiều hướng gia tăng không chỉ ở Nhật Bản mà còn trên phạm vi toàn cầu. Vì vậy, Nhật Bản đang tích cực phát triển các giải pháp công nghệ để giúp giảm thiểu tác động của thiên tai và cứu sống nhiều sinh mạng trong thảm họa.

Tháng 12/2020, Chính phủ Nhật Bản đã thông qua kế hoạch 5 năm trị giá 15 nghìn tỷ yên (144,4 tỷ USD) để đẩy mạnh công tác phòng, chống thiên tai. Trong đó, trọng tâm của kế hoạch tập trung vào áp dụng các giải pháp công nghệ để tăng cường khả năng phục hồi cơ sở hạ tầng, giảm thiểu hậu quả của thảm họa và tạo điều kiện cho cộng đồng có khả năng ứng phó với thiên tai nhanh chóng.

Hàng loạt các công nghệ hiện đại, phần mềm, giải pháp trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT), điện toán đám mây, thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR)… đã được tích hợp và triển khai và tập trung vào 3 nhóm: Phòng ngừa và chuẩn bị, đánh giá và ứng phó, phục hồi và tái thiết.

>>> Đọc thêm: 12 năm sau thảm họa kép: Hậu quả dai dẳng và những bài học

PHÒNG NGỪA VÀ CHUẨN BỊ

Các ứng dụng được phát triển trong nhóm công nghệ này bao gồm các hệ thống cảnh báo sớm động đất, giúp phát hiện các chấn động ban đầu của 1 trận động đất và gửi cảnh báo cho cộng đồng và các cơ quan chức năng trước khi rung lắc mạnh xảy ra. Hệ thống cũng có thể kích hoạt các phản ứng tự động, chẳng hạn như dừng tàu cao tốc, thang máy và đường ống dẫn nhiên liệu để giảm nguy cơ tai nạn.

Ngoài ra là các hệ thống phân tích hình ảnh vệ tinh để dự báo thiên tai, cùng với sử dụng siêu máy tính để dự báo trong thời gian thực về lũ lụt và các thiệt hại khác ở những khu vực dự kiến sẽ bị ảnh hưởng.

Trong lĩnh vực thiết kế tòa nhà, các giải pháp quản lý hạ tầng và thiết kế công trình đang là lĩnh vực được các nhà sản xuất Nhật Bản rất quan tâm. Phần mềm AI được áp dụng để mô phỏng thảm họa - từ đó sẽ quyết định thiết kế tòa nhà, độ dày của tường và việc lựa chọn vật liệu. Các công nghệ AI, IoT và điện toán đám mây sẽ giúp tính toán thiệt hại về cấu trúc sau động đất, với mục tiêu tiết kiệm thời gian, tiền bạc và bảo vệ tính mạng người dân.

Cách ly địa chấn cũng được áp dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng ở Nhật Bản. Đây là kỹ thuật làm giảm sự rung lắc của tòa nhà bằng cách chèn các thiết bị như vòng bi cao su, lò xo hoặc bộ giảm chấn giữa móng và kết cấu tòa nhà, giúp giảm rung lắc trong động đất. Trên khắp Nhật Bản có hơn 4.000 tòa nhà đang áp dụng công nghệ cách ly địa chấn, bao gồm tháp Tokyo Skytree, tòa tháp truyền hình cao nhất thế giới.

Với chiều cao 634m, tháp Tokyo Skytree (ảnh trái) áp dụng cấu trúc làm giảm rung lắc do động đất gây ra thông qua hệ thống kiểm soát rung động cột lõi (shinbashira), có chung các đặc điểm với cột lõi thẳng đứng shinbashira của kiến trúc chùa truyền thống Nhật Bản. (Nguồn: japan.go.jp)

"Ngoài việc hỗ trợ cho cấu trúc tòa nhà, hệ thống shinbashira được đặt ở trung tâm của tòa tháp Tokyo Skytree có chức năng như 1 đối trọng. Shinbashira di chuyển độc lập với tòa tháp, làm đối trọng và triệt tiêu các chuyển động lắc lư trong động đất", nhà thiết kế Atsuo Konishi làm việc cho Nikken Sekkei - công ty thiết kế tòa tháp, giải thích.

Không chỉ các công trình kiến trúc, các cải tiến kỹ thuật để bảo đảm khả năng sẵn sàng ứng phó với động đất cũng được áp dụng cho hệ thống đường sắt cao tốc Shinkansen nổi tiếng nối các thành phố trên khắp Nhật Bản.

Công ty Đường sắt Đông Nhật Bản (JR East) đã áp dụng hệ thống cảnh báo sớm động đất cho các tuyến Shinkansen thuộc phạm vi quản lý của mình từ năm 1998. Hệ thống này phát hiện các chấn động ban đầu từ các máy đo địa chấn đặt dọc theo đường ray, ở đáy biển và trên đất liền, sau đó phát lệnh dừng khẩn cấp các đoàn tàu bằng cách ngắt nguồn cung cấp điện.

Tàu Hayabusa, 1 tuyến tàu cao tốc thuộc hệ thống Tohoku Shinkansen có tốc độ tối đa 320km/giờ, đang áp dụng cả 2 biện pháp “cứng” (hệ thống) và “mềm” (quản lý) để ứng phó với động đất. Khi phát hiện động đất, nguồn cấp điện cho các đoàn tàu đang chạy ở những đoạn tuyến bị ảnh hưởng sẽ bị cắt để giúp dừng tàu an toàn. (Nguồn: japan.go.jp)

“Kể từ đó, chúng tôi đã tiếp tục nâng cấp các công trình như nhà ga và cầu cạn để chống động đất, đồng thời để ngăn ngừa tàu trật bánh, chúng tôi cũng lắp đặt các thiết bị điều hướng và chống xoay đường ray”, ông Takashi Shimoyama, Phó Tổng Giám đốc phụ trách cơ sở hạ tầng của JR East cho biết.

Nhờ những tiến bộ này, trong thảm họa động đất-sóng thần xảy ra ở khu vực Tohoku vào năm 2011, tất cả 27 chuyến tàu đang hoạt động trên toàn tuyến Tohoku Shinkansen đều được dừng an toàn mà không bị trật bánh.

Từ tháng 11/2017, 1 hệ thống mới đã được áp dụng, với khả năng cảm nhận chấn động sớm hơn tới 20 giây so với phương pháp thông thường. Bước tiến này sử dụng dữ liệu địa chấn đáy biển thu được từ Mạng Quan sát động đất và sóng thần đáy biển do Viện Nghiên cứu quốc gia về khoa học Trái đất và khả năng chống chịu thảm họa (NIED) xây dựng và vận hành.

Mô phỏng hệ thống cảnh báo sớm động đất và dừng tàu tự động cho tàu cao tốc Shinkansen ở Nhật Bản. (Nguồn: japan.go.jp)

Các công nghệ AR/VR cũng đang được sử dụng để cung cấp hướng dẫn ứng phó với thảm họa, chẳng hạn như ứng dụng CERD-AR do Trung tâm Giáo dục và nghiên cứu về quản lý thảm họa tại Đại học Osaka phát triển và ứng dụng AR mô phỏng thời tiết. Những hệ thống phòng, chống thảm họa ảo dựa trên công nghệ AI này mô phỏng các tình huống khẩn cấp và thiên tai khác nhau, giúp cộng đồng chủ động trong sơ tán và phản ứng trước thảm họa.

Kể từ năm 2007, người dùng điện thoại thông minh đã cài đặt các ứng dụng hệ thống cảnh báo sớm động đất phát ra âm thanh báo động ngay trước khi động đất xảy ra. Là hệ thống đầu tiên trên thế giới liên quan lĩnh vực này, ứng dụng đưa ra cảnh báo dựa trên những chấn động nhỏ ban đầu xảy ra vài giây hoặc vài chục giây trước động đất, qua đó phát thông báo thúc giục người dân chuẩn bị sơ tán.

Hệ thống này sử dụng dữ liệu từ các máy đo cường độ địa chấn của Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (đặt tại khoảng 690 địa điểm trên toàn quốc) và mạng lưới quan sát địa chấn từ Viện Nghiên cứu khoa học Trái đất và Phòng, chống thảm họa quốc gia (khoảng 1.000 địa điểm trên toàn quốc).

Điện thoại thông minh ở Nhật Bản cũng có thể truy cập dịch vụ thông báo thảm họa và các ứng dụng ứng phó khẩn cấp từ các nhà mạng khác nhau, cho phép người dùng thông báo cho bạn bè và gia đình về sự an toàn của bản thân. Ngoài ra còn có ứng dụng cung cấp thông tin dành cho du khách nước ngoài để nhận các bản tin thông báo khẩn cấp miễn phí.

Ứng dụng "Mẹo an toàn" (Safety tips) cung cấp thông tin về thảm họa cho người nước ngoài ở Nhật Bản dưới nhiều ngôn ngữ khác nhau. Ứng dụng này thông báo cho người dùng về các trận động đất, sóng thần, núi lửa phun trào và các trường hợp khẩn cấp khác sắp xảy ra, cũng như đưa ra lời khuyên ứng phó với say nắng, bảo vệ dân sự, sơ tán... (Nguồn: RC Solution Co.)

ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG PHÓ

Nhật Bản cũng đang áp dụng công nghệ để tìm hiểu những gì đang xảy ra và phản ứng nhanh chóng trong 1 kịch bản thảm họa thực sự. Trí tuệ nhân tạo cho phép nhân viên cứu trợ tìm kiếm và giúp đỡ các nạn nhân trong trường hợp khẩn cấp cũng là 1 lĩnh vực trọng tâm quan trọng được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi.

Các công ty và trường đại học Nhật Bản đang thử nghiệm các chương trình mô phỏng động đất và sóng thần để dự đoán thiệt hại xảy ra trong vòng 20 phút sau sự cố. Sự tích hợp của các cảm biến, mạng IoT, hệ thống phương tiện thông minh, hệ thống dự báo thời tiết… sẽ cần thiết để nhanh chóng xác định các lối thoát hiểm an toàn và hiệu quả nhất, đồng thời giúp bảo vệ những người dân bị ảnh hưởng.

Thí dụ như Đại học Tohoku đã phát triển 1 hệ thống xác định chiều cao, phạm vi, số lượng người có mặt và quy mô thiệt hại của tòa nhà nếu sóng thần ập đến sau các trận động đất quy mô lớn, sau đó cung cấp thông tin này cho các bên liên quan chỉ trong vòng 30 phút.

Hình chiếu 3D trên hệ thống máy bay không người lái sử dụng công nghệ AI để tự động phân tích và xác định hình ảnh của những người sống sót bị mắc kẹt ở những nơi không thể nhìn thấy từ mặt đất, chẳng hạn như bên trong các tòa nhà hoặc trên mái nhà, và gửi hình ảnh này đến lực lượng giải cứu ngay trong thời gian thực. (Ảnh: Rock Garage)

Máy bay không người lái và robot cũng được sử dụng trong các hoạt động cứu hộ, trong đó máy bay không người lái hiện đang được phát triển đặc biệt cho các thảm họa. Theo đó, hệ thống máy bay không người lái này phát hiện người bị nạn thông qua hình ảnh hồng ngoại nhiệt và chiếu lại dưới dạng 3D, giúp xác định vị trí và tình trạng của những nạn nhân cần được giải cứu. Hệ thống này đã được thử nghiệm và dự kiến sẽ được áp dụng cho các lực lượng phòng cháy chữa cháy và cảnh sát Nhật Bản trong tương lai.

Trong khi đó, các robot có thể thực hiện các nhiệm vụ cứu trợ thiên tai thay cho con người cũng đang được phát triển. Chẳng hạn như robot Quince đã được triển khai thành công tại nhiều địa điểm xảy ra động đất và các thảm họa khác trên khắp Nhật Bản. Khi thảm họa xảy ra, robot cứu hộ Quince có thể vào và tìm kiếm tại các địa điểm nguy hiểm như cơ sở ngầm và trong tòa nhà bị sập thay con người.

Robot cứu hộ Quince được thiết kế để thâm nhập các địa điểm xảy ra thảm họa hóa học, phóng xạ và chất nổ thay cho con người. (Ảnh: Phòng thí nghiệm Tadokoro, Đại học Tohoku)

PHỤC HỒI VÀ TÁI THIẾT

Ngoài ra, làm thế nào khai thác hiệu quả các công nghệ để giúp các vùng bị ảnh hưởng phục hồi sau thảm họa là câu hỏi mà Nhật Bản vẫn nỗ lực tìm kiếm lời giải trong suốt hơn 10 năm qua.

Sau thảm họa kép động đất-sóng thần năm 2011, các thành phố và thị trấn ven biển bị ảnh hưởng của Nhật Bản cần phải được dọn dẹp và tái thiết. Kết quả là dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng đối với các công nghệ liên quan đến năng lượng tái tạo, hệ thống lưới điện siêu nhỏ, nhà máy điện ảo, cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu hydro cùng nhiều giải pháp khác.

Sau thảm họa năm 2011, Nhật Bản đã thông qua đạo luật thành lập các thành phố an toàn trước sóng thần, trong đó tập trung tăng cường nghiên cứu, đào tạo, tập huấn về sơ tán và các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu ảnh hưởng của sóng thần trong dài hạn.

Mô phỏng các mức cảnh báo về cấp độ động đất ở Nhật Bản dựa trên độ lớn của động đất. (Nguồn: jma.go.jp)

Hội đồng Tái thiết cũng đã vạch ra kế hoạch xây dựng lại dọc theo bờ biển của vùng Tohoku bị ảnh hưởng nặng nề trong thảm họa 2011, dựa trên các nghiên cứu và mô phỏng mới về tác động của sóng thần, với đề xuất bảo vệ các khu vực dễ bị ảnh hưởng được chia thành 2 cấp độ, tương ứng với 2 cấp sóng thần dựa trên cường độ và tần suất của sóng thần.

Theo đó, cấp độ 1 (L1) là những cơn sóng thần nhỏ hơn, có tác động thấp, xảy ra cứ sau 10 đến 100 năm. Cấp 2 (L2) là những cơn sóng thần hiếm gặp, có tác động lớn và chỉ xảy ra 1 lần trong vài trăm đến 1.000 năm.

Các biện pháp công trình như xây tường chắn sóng, bờ kè và trồng cây sẽ được áp dụng để bảo vệ con người và tài sản trước sóng thần cấp L1. Trong khi đó, các biện pháp mềm như phân vùng sử dụng đất và kế hoạch sơ tán sẽ được áp dụng trước sóng thần cấp L2. Trọng tâm chính vẫn là tái định cư cho những người bị mất nhà cửa trong thảm họa kép.

Các nghiên cứu khoa học thực hiện sau thảm họa sóng thần năm 2011 sẽ góp phần giúp Nhật Bản ứng phó tốt hơn trước những thảm họa trong tương lai. Điều quan trọng là phải tiếp tục theo dõi các cảnh báo sớm, đánh giá các mô hình dự báo và xây dựng hệ thống bảo vệ, ứng phó trước thảm họa, bên cạnh nâng cao nhận thức về rủi ro trước thiên tai để bảo đảm công tác sơ tán diễn ra nhanh chóng khi có yêu cầu.