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如何提高地震監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)防范能力?近年來，地震相關(guān)研究中常能見到前沿科技的身影。
通過深度學(xué)習(xí)歷史地震數(shù)據(jù)，人工智能地震監(jiān)測系統(tǒng)“智能地動(dòng)”可以監(jiān)測到微弱地震波信號(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。隨著科技的發(fā)展，我國的防震減災(zāi)能力不斷提升。
地震什么時(shí)候、在哪兒發(fā)生?震級(jí)多大?值班時(shí)，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的速報(bào)員杜廣寶和搭檔要在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)。
杜廣寶的值班周期是24小時(shí)。“值班日都是無眠夜。”他說，每當(dāng)?shù)卣饋頃r(shí)，自動(dòng)速報(bào)系統(tǒng)觸發(fā)，他就會(huì)投入到緊張工作中。較大地震后余震頻發(fā)時(shí)，中心的速報(bào)員還會(huì)全員出動(dòng)。
有沒有一種方法能既精確又快速給出地震參數(shù)信息?如今，一套人工智能全自動(dòng)地震監(jiān)測系統(tǒng)——“智能地動(dòng)”，有望為地震實(shí)時(shí)監(jiān)測提供新手段。
深度學(xué)習(xí)歷史地震數(shù)據(jù)，能在兩秒內(nèi)推算出位置等參數(shù)
“智能地動(dòng)”系統(tǒng)由中國科技大學(xué)張捷教授團(tuán)隊(duì)與中國地震局合作完成。2018年12月起，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)在中國地震局試運(yùn)行，與四川和云南地震臺(tái)相連，實(shí)時(shí)處理兩地的中國地震實(shí)驗(yàn)場的百余個(gè)地震臺(tái)數(shù)據(jù)。基于2019年446個(gè)地震評(píng)估結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)與專業(yè)人員人工計(jì)算處理的結(jié)果非常接近。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還利用“智能地動(dòng)”對(duì)美國俄克拉荷馬州相關(guān)地震資料進(jìn)行了測試，地震定位誤差在4公里之內(nèi)。
“智能地動(dòng)”是一套人工智能軟件系統(tǒng)。張捷介紹，與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)不同，它有深度學(xué)習(xí)能力，能夠根據(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)。打個(gè)比方，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)單純的理論專家，而“智能地動(dòng)”是一個(gè)有深度歷史記憶的理論專家。“用人工智能技術(shù)，就相當(dāng)于全體地震學(xué)家在一起值班處理地震數(shù)據(jù)。”張捷說。
由于能不斷從歷史地震大數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”，“智能地動(dòng)”練就了一雙監(jiān)測地震的“火眼金睛”——可以有效去除各頻段噪聲，識(shí)別能力強(qiáng)，從而監(jiān)測到微弱的地震波信號(hào)。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)一般處理3級(jí)以上的地震，而“智能地動(dòng)”可以報(bào)出1級(jí)以上地震的信息，提高了地震監(jiān)測的能力。張捷介紹，微小地震可能是大地震發(fā)展的前兆，能夠自動(dòng)識(shí)別出它們是地震監(jiān)測的重要突破。
準(zhǔn)確定位地震和推斷破裂機(jī)制是地震監(jiān)測的難點(diǎn)。“智能地動(dòng)”系統(tǒng)可以直接根據(jù)地震波形來記錄、推斷位置與深度。同時(shí)，借助強(qiáng)大記憶數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)能在1—2秒內(nèi)推算出地震的位置、深度、震級(jí)和震源機(jī)制等參數(shù)。
“兩秒內(nèi)出結(jié)果”意味著什么?張捷說，地震發(fā)生后盡早報(bào)出信息，能向地震波還沒有到達(dá)的地區(qū)發(fā)出預(yù)警，為公眾采取防護(hù)措施、政府確定救援方案搶出寶貴時(shí)間。
在試運(yùn)行中不斷改進(jìn)，已達(dá)到常規(guī)監(jiān)測的技術(shù)指標(biāo)要求
國際科技界一直非常關(guān)注人工智能技術(shù)在監(jiān)測地震上的應(yīng)用。一些國家提出了研發(fā)人工智能監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)劃，但大多仍處于前期科研階段。“智能地動(dòng)”是目前國際上唯一實(shí)時(shí)運(yùn)行的人工智能地震監(jiān)測系統(tǒng)，核心任務(wù)是協(xié)助中國地震局監(jiān)測四川、云南發(fā)生的地震。在地震預(yù)警與預(yù)報(bào)研究中，該系統(tǒng)也顯示了很好的潛力。
震情信息無小事。目前，世界各國采用新的地震標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)時(shí)非常謹(jǐn)慎，一般要經(jīng)過5至10年的測試。此外，國家臺(tái)網(wǎng)中心公布的地震信息，都經(jīng)過專家仔細(xì)核算校正。而“智能地動(dòng)”是一個(gè)無人操作的系統(tǒng)，因此，有專家認(rèn)為，當(dāng)機(jī)器給出一項(xiàng)結(jié)果，如果懷疑有問題，人們很難回溯去找尋原因。
張捷坦言，這確實(shí)可能是人工智能系統(tǒng)的不足。為盡量規(guī)避影響，在實(shí)際運(yùn)營中，科研人員將人工智能與傳統(tǒng)計(jì)算方法結(jié)合起來分析，如果兩者出現(xiàn)較大差異，監(jiān)控系統(tǒng)就能夠分析產(chǎn)生差異的原因，并確定最好結(jié)果，“做到不會(huì)比傳統(tǒng)方法差。”
“我們希望提升該系統(tǒng)的運(yùn)行能力，完成一些人工做不到的事情。”張捷說，經(jīng)過一年多的測試運(yùn)行，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了常規(guī)地震監(jiān)測與地震預(yù)警的技術(shù)指標(biāo)要求。“未來，該系統(tǒng)還需要較長時(shí)間的試運(yùn)行與改進(jìn)，才有可能替代24小時(shí)的值班人員。”
模擬仿真系統(tǒng)等新技術(shù)，幫助災(zāi)害評(píng)估更精準(zhǔn)快速
近年，除了人工智能，一系列前沿信息技術(shù)也應(yīng)用到地震相關(guān)研究中。
地震發(fā)生后，城市哪個(gè)區(qū)域破壞大，破壞程度又如何?傳統(tǒng)方法是依靠人工勘察，調(diào)查統(tǒng)計(jì)各處建筑的受損狀態(tài)。經(jīng)過6年的研究，中國地震局工程力學(xué)研究所研究員林旭川開發(fā)出一套仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托房屋的高度、結(jié)構(gòu)類型、建造年代等關(guān)鍵地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)城市進(jìn)行快速精細(xì)化建模。只要輸入監(jiān)測到的地震數(shù)據(jù)，就能快速生成所在區(qū)域房屋破壞分布圖。
“現(xiàn)代城市系統(tǒng)非常復(fù)雜，地震中個(gè)別橋梁的損壞，就可能影響半個(gè)城市交通。”林旭川說，結(jié)合實(shí)時(shí)的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)可在震后第一時(shí)間初步給出城市破壞情況，為救災(zāi)救援提供決策參考。除了災(zāi)后實(shí)時(shí)評(píng)估，該仿真系統(tǒng)還能為城市規(guī)劃提供支撐。林旭川介紹，通過仿真系統(tǒng)，科研人員模擬出各種不同震級(jí)地震發(fā)生時(shí)的情景，給出各個(gè)房屋的破壞性狀態(tài)，從而為城市防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供精細(xì)化的建議。比如，應(yīng)該在哪里、配備多少避難場所、消防站、醫(yī)院等。
隨著數(shù)據(jù)量增大和模擬精細(xì)化程度不斷提高，林旭川感到一般的計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了要求，必須借助更快更強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)或云超算平臺(tái)。有一次，他要對(duì)一個(gè)城市百萬數(shù)量級(jí)建筑群開展精細(xì)化彈塑性仿真分析，若用日常的計(jì)算平臺(tái)，可能永遠(yuǎn)也算不出來。可放在“天河二號(hào)”上，幾分鐘就輸出了結(jié)果。“地震救災(zāi)，每秒都很珍貴，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)可以爭取更多的時(shí)間。”林旭川說。
通常，大地震影響的不僅僅是單個(gè)城市，對(duì)區(qū)域內(nèi)城市群進(jìn)行震害分析對(duì)于統(tǒng)籌救援資源非常重要。而大區(qū)域、精細(xì)化、動(dòng)態(tài)的模擬對(duì)計(jì)算能力提出了更高要求。林旭川認(rèn)為，超級(jí)計(jì)算機(jī)將是智能社會(huì)的重要戰(zhàn)略性資源，它的應(yīng)用可以為模擬地震災(zāi)害提供一次飛躍的機(jī)會(huì)。
■記者手記
運(yùn)用新技術(shù) 應(yīng)對(duì)更有方
由于我們對(duì)地球內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化情況不夠了解，更無法直接進(jìn)入地球內(nèi)部觀測地震的孕育、發(fā)生過程，地震預(yù)測至今仍是世界性的科學(xué)難題。
但面對(duì)潛在的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，我們并非只能被動(dòng)應(yīng)對(duì)，而可以未雨綢繆。
無論是利用人工智能技術(shù)監(jiān)測地震，盡快發(fā)出預(yù)警信息爭取防護(hù)時(shí)間，還是借助超級(jí)計(jì)算機(jī)做好城市抗震精細(xì)化規(guī)劃，都能幫助我們面對(duì)災(zāi)害時(shí)多一份從容。我們還可以主動(dòng)出擊，通過制造可控的人工震源等方式，推演地下情況，摸清地震的“脾氣”，提升應(yīng)對(duì)水平。
一般人不容易直接察覺到地震科技的進(jìn)步。雖然人類短期內(nèi)還無法完全掌握地震的發(fā)生規(guī)律，但我們對(duì)地震的認(rèn)識(shí)正在不斷深入，一些新技術(shù)、新手段的應(yīng)用，讓科學(xué)家在與地震過招時(shí)有了更足的底氣。
