?? 如何提高(gao)地震監(jian)測(ce)和風險防范能力？近年來，地震相關研究中常能見(jian)到(dao)前沿(yan)科技的身影(ying)。
通(tong)過深度學(xue)習歷史(shi)地震(zhen)數據，人工智能(neng)地震(zhen)監測(ce)系統“智能(neng)地動(dong)”可以監測(ce)到(dao)微弱地震(zhen)波信號，并在兩秒(miao)內報出(chu)地震(zhen)參(can)數信息。借助超級計算機，災(zai)(zai)害(hai)模擬(ni)評估的(de)區域(yu)更廣(guang)、精(jing)確度更高(gao)。隨著科技的(de)發展，我國的(de)防(fang)震(zhen)減災(zai)(zai)能(neng)力不斷(duan)提升。
地(di)震(zhen)什么時(shi)候、在(zai)哪兒(er)發生？震(zhen)級多大？值班時(shi)，中國地(di)震(zhen)臺網(wang)中心的速(su)報(bao)員杜廣寶和搭(da)檔要在(zai)10分鐘左(zuo)右核算(suan)地(di)震(zhen)參數信息，校正自動速(su)報(bao)結果，給(gei)出正式(shi)速(su)報(bao)。
杜廣寶(bao)的值班周期是24小時(shi)。“值班日(ri)都是無(wu)眠夜。”他說，每當地(di)震來時(shi)，自動速報(bao)系(xi)統觸發(fa)，他就(jiu)會投入到緊張工作中。較大地(di)震后余震頻發(fa)時(shi)，中心的速報(bao)員還會全員出動。
有沒有一種(zhong)方法能既精(jing)確又快速給出地(di)震參數信息？如今，一套(tao)人工智能全自動地(di)震監測系統——“智能地(di)動”，有望為地(di)震實時監測提供新(xin)手(shou)段。
深(shen)度學習歷史地(di)震數(shu)據，能(neng)在兩秒內推算出(chu)位置(zhi)等參數(shu)
“智(zhi)(zhi)能(neng)地(di)(di)(di)動(dong)”系(xi)統由中(zhong)(zhong)國科技大學張捷教(jiao)授團隊與(yu)(yu)中(zhong)(zhong)國地(di)(di)(di)震局(ju)合作(zuo)完(wan)成(cheng)。2018年12月起，“智(zhi)(zhi)能(neng)地(di)(di)(di)動(dong)”系(xi)統在(zai)中(zhong)(zhong)國地(di)(di)(di)震局(ju)試運(yun)行，與(yu)(yu)四(si)川和(he)云南地(di)(di)(di)震臺相連，實時處(chu)(chu)理兩(liang)地(di)(di)(di)的(de)中(zhong)(zhong)國地(di)(di)(di)震實驗場的(de)百(bai)余個(ge)地(di)(di)(di)震臺數(shu)據。基于(yu)2019年446個(ge)地(di)(di)(di)震評估結果發(fa)現，“智(zhi)(zhi)能(neng)地(di)(di)(di)動(dong)”系(xi)統與(yu)(yu)專業(ye)人員人工計算(suan)處(chu)(chu)理的(de)結果非常接近(jin)。研發(fa)團隊還(huan)利用“智(zhi)(zhi)能(neng)地(di)(di)(di)動(dong)”對(dui)美國俄克拉荷馬州相關地(di)(di)(di)震資(zi)料進行了(le)測試，地(di)(di)(di)震定(ding)位誤差在(zai)4公里之內。
“智能地(di)動(dong)(dong)”是(shi)一套人(ren)工(gong)智能軟件系(xi)統(tong)。張捷介紹(shao)，與傳(chuan)統(tong)監測系(xi)統(tong)不同，它有深度學(xue)習能力(li)，能夠(gou)根據記憶(yi)中匯(hui)集的上百萬個地(di)震(zhen)資(zi)料，結合地(di)震(zhen)學(xue)理(li)論(lun)，快速處理(li)正(zheng)在(zai)發生的地(di)震(zhen)數據。打個比方，傳(chuan)統(tong)的監測系(xi)統(tong)是(shi)一個單(dan)純的理(li)論(lun)專家(jia)，而“智能地(di)動(dong)(dong)”是(shi)一個有深度歷(li)史記憶(yi)的理(li)論(lun)專家(jia)。“用人(ren)工(gong)智能技術，就相(xiang)當于全(quan)體地(di)震(zhen)學(xue)家(jia)在(zai)一起(qi)值班處理(li)地(di)震(zhen)數據。”張捷說(shuo)。
由于(yu)能(neng)(neng)不斷從歷史地(di)(di)(di)震大數據(ju)中“學習”，“智能(neng)(neng)地(di)(di)(di)動”練就(jiu)了一雙(shuang)監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)地(di)(di)(di)震的(de)“火眼金睛”——可(ke)以(yi)(yi)有效(xiao)去除各(ge)頻(pin)段噪聲，識別(bie)能(neng)(neng)力強，從而(er)(er)監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)到微弱的(de)地(di)(di)(di)震波信號。傳統監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)系統一般(ban)處理3級(ji)以(yi)(yi)上的(de)地(di)(di)(di)震，而(er)(er)“智能(neng)(neng)地(di)(di)(di)動”可(ke)以(yi)(yi)報出1級(ji)以(yi)(yi)上地(di)(di)(di)震的(de)信息，提高了地(di)(di)(di)震監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)能(neng)(neng)力。張捷(jie)介(jie)紹，微小地(di)(di)(di)震可(ke)能(neng)(neng)是(shi)大地(di)(di)(di)震發展的(de)前兆(zhao)，能(neng)(neng)夠自(zi)動識別(bie)出它們是(shi)地(di)(di)(di)震監(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)重要突(tu)破。
準確(que)定位地(di)震(zhen)(zhen)和(he)推(tui)斷破裂機制是地(di)震(zhen)(zhen)監測的(de)難點。“智(zhi)能地(di)動”系(xi)統可以直接根據(ju)地(di)震(zhen)(zhen)波(bo)形來記(ji)錄、推(tui)斷位置與深度。同(tong)時，借助強大記(ji)憶(yi)數據(ju)庫，系(xi)統能在1—2秒內(nei)推(tui)算出地(di)震(zhen)(zhen)的(de)位置、深度、震(zhen)(zhen)級和(he)震(zhen)(zhen)源機制等參(can)數。
“兩秒(miao)內出結(jie)果”意味著什么？張捷說，地震(zhen)發(fa)(fa)生后盡早報出信(xin)息，能向(xiang)地震(zhen)波還沒有到達的地區發(fa)(fa)出預(yu)警，為公眾(zhong)采取防護(hu)措(cuo)施、政府確定(ding)救援方案搶出寶貴時間。
在試(shi)運(yun)行(xing)中(zhong)不斷改進，已(yi)達到常規(gui)監測(ce)的技術指標(biao)要求
國(guo)(guo)際科(ke)技(ji)界(jie)一直非常關注(zhu)人工(gong)智能技(ji)術在監(jian)測(ce)地(di)震(zhen)上的(de)(de)應用。一些(xie)國(guo)(guo)家提出了研發人工(gong)智能監(jian)測(ce)系統(tong)的(de)(de)計劃，但大多仍處(chu)于前(qian)期科(ke)研階段。“智能地(di)動”是目前(qian)國(guo)(guo)際上唯(wei)一實時運行的(de)(de)人工(gong)智能地(di)震(zhen)監(jian)測(ce)系統(tong)，核心任務是協助中國(guo)(guo)地(di)震(zhen)局監(jian)測(ce)四川(chuan)、云南發生的(de)(de)地(di)震(zhen)。在地(di)震(zhen)預警與(yu)預報研究中，該系統(tong)也顯(xian)示(shi)了很(hen)好的(de)(de)潛力。
震情信(xin)息(xi)無小事。目前(qian)，世界各國采用新的(de)地震標準(zhun)與系統時非常謹慎，一般(ban)要經過(guo)5至10年(nian)的(de)測試。此外，國家臺網中(zhong)心公(gong)布的(de)地震信(xin)息(xi)，都經過(guo)專(zhuan)家仔細(xi)核算(suan)校正。而“智能地動(dong)”是一個無人操作的(de)系統，因此，有專(zhuan)家認為，當機器給出一項(xiang)結果(guo)，如果(guo)懷疑有問(wen)題，人們很難回溯去找尋原因。
張捷坦言，這確(que)實(shi)可(ke)能是人工智能系統(tong)的不(bu)足(zu)。為盡量規(gui)避(bi)影響，在(zai)實(shi)際(ji)運營中，科研人員將人工智能與(yu)傳統(tong)計算方法結(jie)合起來分(fen)析，如果(guo)(guo)兩者出(chu)現較大差異(yi)，監控系統(tong)就能夠分(fen)析產生差異(yi)的原因，并確(que)定(ding)最好結(jie)果(guo)(guo)，“做到不(bu)會比傳統(tong)方法差。”
“我們希望(wang)提升該系統(tong)的(de)運(yun)行能力，完(wan)成一(yi)些人工做(zuo)不到的(de)事情。”張捷說(shuo)，經過一(yi)年多的(de)測試運(yun)行，“智能地(di)動”系統(tong)已經達(da)到了常規地(di)震監(jian)測與(yu)地(di)震預(yu)警的(de)技術指標要(yao)(yao)求。“未來，該系統(tong)還(huan)需要(yao)(yao)較長時間(jian)的(de)試運(yun)行與(yu)改進，才有可能替代24小(xiao)時的(de)值班人員。”
模擬仿真系統等新技術(shu)，幫助(zhu)災害評估更精準快速(su)
近年，除了人工(gong)智能，一系列前(qian)沿(yan)信息(xi)技術也(ye)應(ying)用到地(di)震相關研究中。
地(di)震(zhen)發(fa)生后，城(cheng)市(shi)哪個區(qu)域破壞大，破壞程度(du)又如何？傳統方法是依靠人(ren)工勘察，調查統計(ji)各處建筑的(de)受(shou)損狀(zhuang)態。經過(guo)6年的(de)研究(jiu)，中國地(di)震(zhen)局工程力學研究(jiu)所研究(jiu)員林旭川開(kai)發(fa)出一(yi)套仿真系統。該系統依托房屋的(de)高度(du)、結構類型、建造年代等關鍵地(di)理信息系統數(shu)據對城(cheng)市(shi)進行(xing)快速(su)精細化建模(mo)。只要(yao)輸入監測到的(de)地(di)震(zhen)數(shu)據，就能快速(su)生成所在區(qu)域房屋破壞分布(bu)圖。
“現代(dai)城市(shi)系統(tong)非常復(fu)雜，地(di)震(zhen)中個(ge)別橋梁的(de)損壞，就可能影響半個(ge)城市(shi)交通。”林旭川說，結合實時(shi)(shi)的(de)地(di)震(zhen)監(jian)測數據，仿真(zhen)(zhen)系統(tong)可在震(zhen)后(hou)第一(yi)時(shi)(shi)間初步給(gei)出(chu)(chu)城市(shi)破(po)壞情(qing)況，為(wei)救災(zai)救援(yuan)提供決策參考。除了(le)災(zai)后(hou)實時(shi)(shi)評(ping)估，該(gai)仿真(zhen)(zhen)系統(tong)還(huan)能為(wei)城市(shi)規劃提供支撐。林旭川介紹，通過(guo)仿真(zhen)(zhen)系統(tong)，科研人員模擬出(chu)(chu)各種(zhong)不(bu)同震(zhen)級地(di)震(zhen)發生時(shi)(shi)的(de)情(qing)景(jing)，給(gei)出(chu)(chu)各個(ge)房(fang)屋的(de)破(po)壞性狀態，從而為(wei)城市(shi)防災(zai)減災(zai)規劃提供精細(xi)化的(de)建議(yi)。比如，應(ying)該(gai)在哪里、配備多少避難場所、消防站、醫院(yuan)等(deng)。
隨(sui)著數據量(liang)增大和模擬精(jing)細化(hua)程度不斷(duan)提高，林(lin)旭(xu)川感到一(yi)般(ban)的計算(suan)系統已經滿足不了要求，必須借助更快更強大的超級(ji)計算(suan)機或云超算(suan)平(ping)臺。有一(yi)次，他要對一(yi)個城市百萬數量(liang)級(ji)建筑群(qun)開展精(jing)細化(hua)彈(dan)塑性仿真分析，若用日常的計算(suan)平(ping)臺，可能永遠也算(suan)不出來。可放在“天河(he)二號”上，幾分鐘(zhong)就輸(shu)出了結果。“地(di)震救災，每秒(miao)都很(hen)珍貴，使用超級(ji)計算(suan)機可以爭(zheng)取更多的時間(jian)。”林(lin)旭(xu)川說。
通常，大(da)地震影(ying)響的不僅僅是單個城(cheng)市，對(dui)區(qu)域(yu)內城(cheng)市群進行震害分(fen)析對(dui)于統籌救援資源(yuan)非常重要。而大(da)區(qu)域(yu)、精細化、動態的模擬對(dui)計算(suan)能力提出了更高要求(qiu)。林旭川(chuan)認(ren)為，超級計算(suan)機(ji)將是智能社會的重要戰略性資源(yuan)，它的應用(yong)可以為模擬地震災(zai)害提供(gong)一次飛躍(yue)的機(ji)會。
■記者手記
運用(yong)新技術 應(ying)對(dui)更有方
由于我們對地球內部的地質結(jie)構和應力變化情況不(bu)夠了解(jie)，更(geng)無法直接進入地球內部觀測地震(zhen)的孕育、發生過程，地震(zhen)預測至今(jin)仍是(shi)世界性的科學難題。
但(dan)面對潛在的(de)地(di)震災(zai)害風險，我(wo)們并非只能被動應對，而(er)可以未雨綢繆。
無論是(shi)利用人(ren)工智能(neng)(neng)技術監測地震(zhen)(zhen)，盡快發(fa)出(chu)預警信息爭取防護時間(jian)，還是(shi)借助超(chao)級計算機做好(hao)城(cheng)市抗震(zhen)(zhen)精(jing)細化(hua)規(gui)劃，都(dou)能(neng)(neng)幫助我(wo)們面對災害(hai)時多一份從容。我(wo)們還可(ke)以主動出(chu)擊(ji)，通過(guo)制(zhi)造可(ke)控(kong)的人(ren)工震(zhen)(zhen)源等方(fang)式，推演(yan)地下情況，摸清地震(zhen)(zhen)的“脾氣”，提(ti)升(sheng)應對水平(ping)。
一般人不容易直(zhi)接察(cha)覺到地(di)震科技(ji)的進步。雖然人類(lei)短期內還無(wu)法(fa)完(wan)全(quan)掌(zhang)握地(di)震的發生規律，但我們對地(di)震的認識正在不斷深(shen)入，一些新(xin)技(ji)術、新(xin)手段的應(ying)用，讓(rang)科學家在與地(di)震過招時(shi)有了(le)更足的底氣。 |
行業資訊
