基于人工智能技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是未來預(yù)報(bào)地震的發(fā)展新方向

人工智能地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線

2秒報(bào)出地震參數(shù)，它比速報(bào)員更快

近日，西藏日喀則市定日縣發(fā)生5.9級(jí)地震，震源深度10千米。距離震中較近的定日縣、拉孜縣居民都有震感。地震的監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防范問題再次引發(fā)人們的關(guān)注。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，地震波信號(hào)傳到地震臺(tái)網(wǎng)，據(jù)此得出地震震中、震級(jí)、發(fā)震時(shí)刻、深度、破裂機(jī)制等參數(shù)。地震監(jiān)測(cè)如何做到“又快又準(zhǔn)”是我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期以來重要的攻關(guān)方向。

在中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心、在各地震臺(tái)站，速報(bào)員們一刻不敢松懈，他們是實(shí)現(xiàn)“又快又準(zhǔn)”的關(guān)鍵一環(huán)?！罢鹎樾畔o小事，容不得一絲差錯(cuò)，只能叮囑自己仔細(xì)再仔細(xì)?！敝袊?guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震速報(bào)員杜廣寶在接受科技日?qǐng)?bào)采訪時(shí)說，他已經(jīng)連續(xù)4個(gè)春節(jié)守在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前，地震發(fā)生后在10分鐘左右核算地震參數(shù)信息，校正自動(dòng)速報(bào)結(jié)果，給出正式速報(bào)是杜廣寶和同事們必須做到的事情。

有沒有一種新技術(shù)可以解放速報(bào)員們緊繃的神經(jīng)？有沒有一種方法可以更快更準(zhǔn)地給出地震參數(shù)信息？近日，由中國(guó)科技大學(xué)與中國(guó)地震局合作研發(fā)的“智能地動(dòng)”系統(tǒng)項(xiàng)目組宣布：利用該人工智能地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅需要1—2秒時(shí)間就能報(bào)出所有地震震源參數(shù)，引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

會(huì)“學(xué)習(xí)”的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

從古至今，地震對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)的威脅從未停止。僅2019年，我國(guó)大陸地區(qū)共發(fā)生5級(jí)以上地震20次，地震災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約59億元。其中，四川長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震和西藏墨脫6.3級(jí)地震都給當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活帶來極大影響。

在地震發(fā)生的第一時(shí)間獲得地震的相關(guān)信息對(duì)于災(zāi)害的預(yù)判及救援意義重大。目前，自動(dòng)算法與專業(yè)人員人工計(jì)算結(jié)果相結(jié)合的方式，仍是許多國(guó)家監(jiān)測(cè)地震的主要手段。也就是說，傳統(tǒng)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是報(bào)出系統(tǒng)計(jì)算與專家干預(yù)相結(jié)合的結(jié)果，因此要求專業(yè)人員24小時(shí)值班，這對(duì)工作人員提出了很高的要求。更重要的是，有許多微小地震肉眼常常無法識(shí)別，但是這些微小地震可能預(yù)示大地震的發(fā)生。

科學(xué)家們最初研究“智能地動(dòng)”系統(tǒng)的動(dòng)力正是源自于此。

中國(guó)科技大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授張捷在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，人工智能地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)是地震監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要的里程碑。通過深度學(xué)習(xí)歷史地震數(shù)據(jù)，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到微弱地震波信號(hào)，并在兩秒內(nèi)報(bào)出地震參數(shù)信息。借助超級(jí)計(jì)算機(jī)，災(zāi)害模擬評(píng)估的區(qū)域更廣、精確度更高。

“智能地動(dòng)”系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大的不同就是它的深度學(xué)習(xí)能力。它能根據(jù)記憶中匯集的上百萬個(gè)地震資料，結(jié)合地震學(xué)理論，快速處理正在發(fā)生的地震數(shù)據(jù)。

“智能地動(dòng)”系統(tǒng)自2018年12月已在中國(guó)地震局試運(yùn)行，實(shí)時(shí)處理位于四川和云南省的中國(guó)地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的117個(gè)地震臺(tái)，這套系統(tǒng)采用一系列人工智能主導(dǎo)的地震數(shù)據(jù)分析方法分析數(shù)據(jù)，無需人工操作，便可自動(dòng)快速地得出地震信息并自動(dòng)發(fā)布。人工智能技術(shù)的應(yīng)用為地震監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、以及處理大數(shù)據(jù)帶來了前所未有的新能力，將為防災(zāi)減災(zāi)帶來許多新的突破。

“智能地動(dòng)”可能人所不能

正是由于“智能地動(dòng)”系統(tǒng)可以不斷從歷史地震大數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”，它在監(jiān)測(cè)地震領(lǐng)域才有了能人所不能的一些“神通”。比如，以前我們采用計(jì)算記錄幅值變化來確定地震參數(shù)，一旦有噪音干擾或某個(gè)臺(tái)站發(fā)生故障，計(jì)算就容易出錯(cuò)，但“智能地動(dòng)”系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)歷史上發(fā)生的上百萬個(gè)地震信號(hào)，可以有效地去除任何頻率段的噪音，識(shí)別能力強(qiáng)，能監(jiān)測(cè)到微弱的、肉眼無法看到的地震波信號(hào)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般可以報(bào)出3級(jí)以上的地震，而“智能地動(dòng)”系統(tǒng)可以報(bào)出1級(jí)以上地震的信息，提高了地震監(jiān)測(cè)能力。

在地震定位方面，傳統(tǒng)方法拾取性質(zhì)不同或傳播路徑不同的地震波組、地震波從震源傳到觀測(cè)點(diǎn)所經(jīng)過的時(shí)間等地震震相走時(shí)，去噪效果差，個(gè)別臺(tái)站拾取走時(shí)錯(cuò)誤，這些都會(huì)影響最后定位結(jié)果，而“智能地動(dòng)”系統(tǒng)則是一步到位，直接根據(jù)地震波形記錄推斷地震的位置與深度。

更重要的是，在地震破裂機(jī)制研究上，傳統(tǒng)方法只能處理較大地震的資料，并且依據(jù)人工選用的波形與反演參數(shù)，在幾分鐘后得出破裂機(jī)制的描述參數(shù)，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)則可在1秒內(nèi)依據(jù)記憶訓(xùn)練的大數(shù)據(jù)庫，對(duì)任何地震瞬間推出地震破裂機(jī)制以及可靠性分析。

人工智能預(yù)報(bào)地震是新方向

最近一些年來，我國(guó)地震科技取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著各項(xiàng)高新技術(shù)的迅速發(fā)展，地震相關(guān)研究中常能見到前沿科技的身影。許多人都知道地震預(yù)報(bào)是一個(gè)世界級(jí)難題。既然科學(xué)家們開始將大數(shù)據(jù)、人工智能等最新技術(shù)研究成果引入地震科學(xué)，是不是意味著我們有可能在地震預(yù)報(bào)上獲得重大突破呢？

實(shí)際上，為了預(yù)測(cè)下一場(chǎng)大地震將出現(xiàn)在何時(shí)何地，有許多科學(xué)家都在不斷努力。越來越多的科學(xué)家認(rèn)為，隨著人工智能的應(yīng)用越來越充分，他們分析大量地震數(shù)據(jù)的方式發(fā)生了改變，這將有助于人們更好地了解地震，預(yù)測(cè)地震的表現(xiàn)形式。

地震預(yù)報(bào)也是“智能地動(dòng)”系統(tǒng)的努力方向之一。張捷表示，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)目前的運(yùn)行水平已經(jīng)達(dá)到了常規(guī)地震監(jiān)測(cè)與地震預(yù)警的技術(shù)指標(biāo)要求。他說，我們團(tuán)隊(duì)目前多項(xiàng)科研都在從事地震預(yù)報(bào)的研究。去年12月我們?cè)诿绹?guó)舊金山召開的全球最大的地球物理學(xué)年會(huì)上，作了3個(gè)關(guān)于地震預(yù)報(bào)的學(xué)術(shù)報(bào)告，其中兩個(gè)報(bào)告都是應(yīng)用人工智能預(yù)測(cè)大地震。我們的目標(biāo)是未來“智能地動(dòng)”系統(tǒng)將具有中短期地震預(yù)測(cè)的功能。