捕捉地震,用上“超級大腦”(解碼)
2020年03月20日05:42

原標題:捕捉地震,用上“超級大腦”(解碼) 來源:人民日報

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  如何提高地震監測和風險防範能力?近年來,地震相關研究中常能見到前沿科技的身影。

  通過深度學習歷史地震數據,人工智能地震監測系統“智能地動”可以監測到微弱地震波信號,並在兩秒內報出地震參數信息。借助超級計算機,災害模擬評估的區域更廣、精確度更高。隨著科技的發展,我國的防震減災能力不斷提升。

  地震什麼時候、在哪兒發生?震級多大?值班時,中國地震台網中心的速報員杜廣寶和搭檔要在10分鍾左右核算地震參數信息,校正自動速報結果,給出正式速報。

  杜廣寶的值班週期是24小時。“值班日都是無眠夜。”他說,每當地震來時,自動速報系統觸發,他就會投入到緊張工作中。較大地震後餘震頻發時,中心的速報員還會全員出動。

  有沒有一種方法能既精確又快速給出地震參數信息?如今,一套人工智能全自動地震監測系統——“智能地動”,有望為地震實時監測提供新手段。

  深度學習歷史地震數據,能在兩秒內推算出位置等參數

  “智能地動”系統由中國科技大學張捷教授團隊與中國地震局合作完成。2018年12月起,“智能地動”系統在中國地震局試運行,與四川和雲南地震台相連,實時處理兩地的中國地震實驗場的百餘個地震台數據。基於2019年446個地震評估結果發現,“智能地動”系統與專業人員人工計算處理的結果非常接近。研發團隊還利用“智能地動”對美國俄克拉荷馬州相關地震資料進行了測試,地震定位誤差在4公里之內。

  “智能地動”是一套人工智能軟件系統。張捷介紹,與傳統監測系統不同,它有深度學習能力,能夠根據記憶中彙集的上百萬個地震資料,結合地震學理論,快速處理正在發生的地震數據。打個比方,傳統的監測系統是一個單純的理論專家,而“智能地動”是一個有深度歷史記憶的理論專家。“用人工智能技術,就相當於全體地震學家在一起值班處理地震數據。”張捷說。

  由於能不斷從歷史地震大數據中“學習”,“智能地動”練就了一雙監測地震的“火眼金睛”——可以有效去除各頻段噪聲,識別能力強,從而監測到微弱的地震波信號。傳統監測系統一般處理3級以上的地震,而“智能地動”可以報出1級以上地震的信息,提高了地震監測的能力。張捷介紹,微小地震可能是大地震發展的前兆,能夠自動識別出它們是地震監測的重要突破。

  準確定位地震和推斷破裂機製是地震監測的難點。“智能地動”系統可以直接根據地震波形來記錄、推斷位置與深度。同時,借助強大記憶數據庫,系統能在1—2秒內推算出地震的位置、深度、震級和震源機製等參數。

  “兩秒內出結果”意味著什麼?張捷說,地震發生後儘早報出信息,能向地震波還沒有到達的地區發出預警,為公眾採取防護措施、政府確定救援方案搶出寶貴時間。

  在試運行中不斷改進,已達到常規監測的技術指標要求

  國際科技界一直非常關注人工智能技術在監測地震上的應用。一些國家提出了研發人工智能監測系統的計劃,但大多仍處於前期科研階段。“智能地動”是目前國際上唯一實時運行的人工智能地震監測系統,核心任務是協助中國地震局監測四川、雲南發生的地震。在地震預警與預報研究中,該系統也顯示了很好的潛力。

  震情信息無小事。目前,世界各國採用新的地震標準與系統時非常謹慎,一般要經過5至10年的測試。此外,國家台網中心公佈的地震信息,都經過專家仔細核算校正。而“智能地動”是一個無人操作的系統,因此,有專家認為,當機器給出一項結果,如果懷疑有問題,人們很難回溯去找尋原因。

  張捷坦言,這確實可能是人工智能系統的不足。為儘量規避影響,在實際運營中,科研人員將人工智能與傳統計算方法結合起來分析,如果兩者出現較大差異,監控系統就能夠分析產生差異的原因,並確定最好結果,“做到不會比傳統方法差。”

  “我們希望提升該系統的運行能力,完成一些人工做不到的事情。”張捷說,經過一年多的測試運行,“智能地動”系統已經達到了常規地震監測與地震預警的技術指標要求。“未來,該系統還需要較長時間的試運行與改進,才有可能替代24小時的值班人員。”

  模擬仿真系統等新技術,幫助災害評估更精準快速

  近年,除了人工智能,一系列前沿信息技術也應用到地震相關研究中。

  地震發生後,城市哪個區域破壞大,破壞程度又如何?傳統方法是依靠人工勘察,調查統計各處建築的受損狀態。經過6年的研究,中國地震局工程力學研究所研究員林旭川開發出一套仿真系統。該系統依託房屋的高度、結構類型、建造年代等關鍵地理信息系統數據對城市進行快速精細化建模。只要輸入監測到的地震數據,就能快速生成所在區域房屋破壞分佈圖。

  “現代城市系統非常複雜,地震中個別橋樑的損壞,就可能影響半個城市交通。”林旭川說,結合實時的地震監測數據,仿真系統可在震後第一時間初步給出城市破壞情況,為救災救援提供決策參考。除了災後實時評估,該仿真系統還能為城市規劃提供支撐。林旭川介紹,通過仿真系統,科研人員模擬出各種不同震級地震發生時的情景,給出各個房屋的破壞性狀態,從而為城市防災減災規劃提供精細化的建議。比如,應該在哪裡、配備多少避難場所、消防站、醫院等。

  隨著數據量增大和模擬精細化程度不斷提高,林旭川感到一般的計算系統已經滿足不了要求,必須借助更快更強大的超級計算機或雲超算平台。有一次,他要對一個城市百萬數量級建築群開展精細化彈塑性仿真分析,若用日常的計算平台,可能永遠也算不出來。可放在“天河二號”上,幾分鍾就輸出了結果。“地震救災,每秒都很珍貴,使用超級計算機可以爭取更多的時間。”林旭川說。

  通常,大地震影響的不僅僅是單個城市,對區域內城市群進行震害分析對於統籌救援資源非常重要。而大區域、精細化、動態的模擬對計算能力提出了更高要求。林旭川認為,超級計算機將是智能社會的重要戰略性資源,它的應用可以為模擬地震災害提供一次飛躍的機會。

  ■記者手記

  運用新技術 應對更有方

  由於我們對地球內部的地質結構和應力變化情況不夠瞭解,更無法直接進入地球內部觀測地震的孕育、發生過程,地震預測至今仍是世界性的科學難題。

  但面對潛在的地震災害風險,我們並非只能被動應對,而可以未雨綢繆。

  無論是利用人工智能技術監測地震,盡快發出預警信息爭取防護時間,還是借助超級計算機做好城市抗震精細化規劃,都能幫助我們面對災害時多一份從容。我們還可以主動出擊,通過製造可控的人工震源等方式,推演地下情況,摸清地震的“脾氣”,提升應對水平。

  一般人不容易直接察覺到地震科技的進步。雖然人類短期內還無法完全掌握地震的發生規律,但我們對地震的認識正在不斷深入,一些新技術、新手段的應用,讓科學家在與地震過招時有了更足的底氣。

  《 人民日報 》( 2020年03月20日 11 版)

(責編:馬昌、嶽弘彬)

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