捕捉地震,用上“超级大脑”

2020-3-20 09:24     来源:凤凰网     

如何提高地震监测和风险防范能力?近年来,地震相关研究中常能见到前沿科技的身影。

通过深度学习历史地震数据,人工智能地震监测系统“智能地动”可以监测到微弱地震波信号,并在两秒内报出地震参数信息。借助超级计算机,灾害模拟评估的区域更广、精确度更高。随着科技的发展,我国的防震减灾能力不断提升。

地震什么时候、在哪儿发生?震级多大?值班时,中国地震台网中心的速报员杜广宝和搭档要在10分钟左右核算地震参数信息,校正自动速报结果,给出正式速报。

杜广宝的值班周期是24小时。“值班日都是无眠夜。”他说,每当地震来时,自动速报系统触发,他就会投入到紧张工作中。较大地震后余震频发时,中心的速报员还会全员出动。

有没有一种方法能既精确又快速给出地震参数信息?如今,一套人工智能全自动地震监测系统——“智能地动”,有望为地震实时监测提供新手段。

深度学习历史地震数据,能在两秒内推算出位置等参数

“智能地动”系统由中国科技大学张捷教授团队与中国地震局合作完成。2018年12月起,“智能地动”系统在中国地震局试运行,与四川和云南地震台相连,实时处理两地的中国地震实验场的百余个地震台数据。基于2019年446个地震评估结果发现,“智能地动”系统与专业人员人工计算处理的结果非常接近。研发团队还利用“智能地动”对美国俄克拉荷马州相关地震资料进行了测试,地震定位误差在4公里之内。

“智能地动”是一套人工智能软件系统。张捷介绍,与传统监测系统不同,它有深度学习能力,能够根据记忆中汇集的上百万个地震资料,结合地震学理论,快速处理正在发生的地震数据。打个比方,传统的监测系统是一个单纯的理论专家,而“智能地动”是一个有深度历史记忆的理论专家。“用人工智能技术,就相当于全体地震学家在一起值班处理地震数据。”张捷说。

由于能不断从历史地震大数据中“学习”,“智能地动”练就了一双监测地震的“火眼金睛”——可以有效去除各频段噪声,识别能力强,从而监测到微弱的地震波信号。传统监测系统一般处理3级以上的地震,而“智能地动”可以报出1级以上地震的信息,提高了地震监测的能力。张捷介绍,微小地震可能是大地震发展的前兆,能够自动识别出它们是地震监测的重要突破。

准确定位地震和推断破裂机制是地震监测的难点。“智能地动”系统可以直接根据地震波形来记录、推断位置与深度。同时,借助强大记忆数据库,系统能在1—2秒内推算出地震的位置、深度、震级和震源机制等参数。

“两秒内出结果”意味着什么?张捷说,地震发生后尽早报出信息,能向地震波还没有到达的地区发出预警,为公众采取防护措施、政府确定救援方案抢出宝贵时间。

在试运行中不断改进,已达到常规监测的技术指标要求

国际科技界一直非常关注人工智能技术在监测地震上的应用。一些国家提出了研发人工智能监测系统的计划,但大多仍处于前期科研阶段。“智能地动”是目前国际上唯一实时运行的人工智能地震监测系统,核心任务是协助中国地震局监测四川、云南发生的地震。在地震预警与预报研究中,该系统也显示了很好的潜力。

震情信息无小事。目前,世界各国采用新的地震标准与系统时非常谨慎,一般要经过5至10年的测试。此外,国家台网中心公布的地震信息,都经过专家仔细核算校正。而“智能地动”是一个无人操作的系统,因此,有专家认为,当机器给出一项结果,如果怀疑有问题,人们很难回溯去找寻原因。

张捷坦言,这确实可能是人工智能系统的不足。为尽量规避影响,在实际运营中,科研人员将人工智能与传统计算方法结合起来分析,如果两者出现较大差异,监控系统就能够分析产生差异的原因,并确定最好结果,“做到不会比传统方法差。”

“我们希望提升该系统的运行能力,完成一些人工做不到的事情。”张捷说,经过一年多的测试运行,“智能地动”系统已经达到了常规地震监测与地震预警的技术指标要求。“未来,该系统还需要较长时间的试运行与改进,才有可能替代24小时的值班人员。”

模拟仿真系统等新技术,帮助灾害评估更精准快速

近年,除了人工智能,一系列前沿信息技术也应用到地震相关研究中。

地震发生后,城市哪个区域破坏大,破坏程度又如何?传统方法是依靠人工勘察,调查统计各处建筑的受损状态。经过6年的研究,中国地震局工程力学研究所研究员林旭川开发出一套仿真系统。该系统依托房屋的高度、结构类型、建造年代等关键地理信息系统数据对城市进行快速精细化建模。只要输入监测到的地震数据,就能快速生成所在区域房屋破坏分布图。

“现代城市系统非常复杂,地震中个别桥梁的损坏,就可能影响半个城市交通。”林旭川说,结合实时的地震监测数据,仿真系统可在震后第一时间初步给出城市破坏情况,为救灾救援提供决策参考。除了灾后实时评估,该仿真系统还能为城市规划提供支撑。林旭川介绍,通过仿真系统,科研人员模拟出各种不同震级地震发生时的情景,给出各个房屋的破坏性状态,从而为城市防灾减灾规划提供精细化的建议。比如,应该在哪里、配备多少避难场所、消防站、医院等。

随着数据量增大和模拟精细化程度不断提高,林旭川感到一般的计算系统已经满足不了要求,必须借助更快更强大的超级计算机或云超算平台。有一次,他要对一个城市百万数量级建筑群开展精细化弹塑性仿真分析,若用日常的计算平台,可能永远也算不出来。可放在“天河二号”上,几分钟就输出了结果。“地震救灾,每秒都很珍贵,使用超级计算机可以争取更多的时间。”林旭川说。

通常,大地震影响的不仅仅是单个城市,对区域内城市群进行震害分析对于统筹救援资源非常重要。而大区域、精细化、动态的模拟对计算能力提出了更高要求。林旭川认为,超级计算机将是智能社会的重要战略性资源,它的应用可以为模拟地震灾害提供一次飞跃的机会。

运用新技术 应对更有方

由于我们对地球内部的地质结构和应力变化情况不够了解,更无法直接进入地球内部观测地震的孕育、发生过程,地震预测至今仍是世界性的科学难题。

但面对潜在的地震灾害风险,我们并非只能被动应对,而可以未雨绸缪。

无论是利用人工智能技术监测地震,尽快发出预警信息争取防护时间,还是借助超级计算机做好城市抗震精细化规划,都能帮助我们面对灾害时多一份从容。我们还可以主动出击,通过制造可控的人工震源等方式,推演地下情况,摸清地震的“脾气”,提升应对水平。

一般人不容易直接察觉到地震科技的进步。虽然人类短期内还无法完全掌握地震的发生规律,但我们对地震的认识正在不断深入,一些新技术、新手段的应用,让科学家在与地震过招时有了更足的底气。

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