成都61秒AI預(yù)警地震立大功

2019年6月17日22時(shí)55分，四川宜賓市長(zhǎng)寧縣發(fā)生6.0級(jí)地震，震源深度16千米。6月18日早上7時(shí)34分，再次發(fā)生5.3級(jí)地震，震源深度17千米。截至18日8時(shí)30分，已造成12人死亡，125人受傷。據(jù)悉，此次地震是2019年以來(lái)，四川境內(nèi)首起震級(jí)在6.0級(jí)以上的地震，在此之前，四川2019年最大的地震是自貢榮縣發(fā)生的4.9級(jí)地震。而在此次地震中，“地震預(yù)警”起到了至關(guān)重要的作用：成都提前61秒收到地震預(yù)警！據(jù)悉，成都共有110個(gè)社區(qū)實(shí)現(xiàn)“大喇叭”倒計(jì)時(shí)預(yù)警，其中成都高新區(qū)有60個(gè)。同時(shí)，成都高新減災(zāi)研究所還通過(guò)手機(jī)短信、電視等途徑向社區(qū)居民發(fā)布預(yù)警信息。那么這個(gè)地震預(yù)警到底有多重要？研究表明：預(yù)警時(shí)間10秒，傷亡減少39%；時(shí)間為20秒，傷亡減少63%。而此次，網(wǎng)友們也不禁對(duì)預(yù)警的準(zhǔn)確性表示嘆服。

“預(yù)警”非預(yù)測(cè)

那么，這個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)到底是什么神器呢？從成都高新減災(zāi)研究所處獲悉，此次成功預(yù)警地震的，為該所與應(yīng)急管理部門（包括原市縣地震部門）聯(lián)合建設(shè)的大陸地震預(yù)警網(wǎng)。據(jù)成都高新減災(zāi)研究所所長(zhǎng)王暾博士介紹：我們所做的工作是地震預(yù)警，而并非地震預(yù)報(bào)，臨震預(yù)報(bào)仍然是世界難題。地震預(yù)警只能減少人員損傷，而不能做到避免。為了實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，需要在可能發(fā)生地震的區(qū)域安裝地震預(yù)警的傳感器。這種傳感器并不昂貴，也不需要在野外安裝，可以通過(guò)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)（甚至是2G網(wǎng)絡(luò)）來(lái)傳遞地震波的數(shù)據(jù)，地震預(yù)警的傳感器甚至可以固定在墻上。通過(guò)這些傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，我們可以判斷地震發(fā)生的位置以及大概的震級(jí)。網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的處理速度非?？?，只需要幾秒鐘的時(shí)間。據(jù)了解，地震預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)全自動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的秒級(jí)響應(yīng)。主要是利用電波比地震波傳播速度快的原理，在地震造成破壞前幾秒到幾十秒，發(fā)出地震預(yù)警警報(bào)，提醒民眾及時(shí)避險(xiǎn)，讓重要工程緊急處置以減少經(jīng)濟(jì)損失和次生災(zāi)害。而電視地震預(yù)警則是利用電視網(wǎng)絡(luò)在電視周邊，發(fā)生強(qiáng)震的時(shí)候，電視就能夠自動(dòng)地彈出幾秒到幾十秒的警報(bào)，以便在強(qiáng)震到來(lái)之前，老百姓在看電視的時(shí)候，就能夠提前避險(xiǎn)。目前在技術(shù)允許的情況下，只要機(jī)頂盒就能收到地震預(yù)警的喇叭，在電視關(guān)著的時(shí)候，也能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。據(jù)王暾所長(zhǎng)介紹，汶川余震區(qū)發(fā)展的我國(guó)地震預(yù)警成果，已經(jīng)處于全球領(lǐng)先水平。成都高新減災(zāi)研究所與地震部門合作建設(shè)的大陸地震預(yù)警網(wǎng)覆蓋面積達(dá)220萬(wàn)平方公里，覆蓋我國(guó)地震區(qū)人口90%，已成功預(yù)警蘆山7級(jí)地震、魯?shù)?.5級(jí)地震、九寨溝7級(jí)地震等52次破壞性地震。

預(yù)測(cè)地震為何如此困難

讓我們先從一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題開始：下一次大地震將在哪里發(fā)生？研究表明，較大的斷層通常會(huì)引起較大的地震。理論上，如果所有的斷層都被繪制出來(lái)了，那么我們應(yīng)該能夠?qū)σ粋€(gè)特定地區(qū)可能經(jīng)歷的最強(qiáng)烈的地震加以限制。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榈卣疳尫诺哪芰孔兓赡苁侨f(wàn)億次方。然而，估計(jì)斷層大小和釋放的相應(yīng)能量并不總是那么簡(jiǎn)單。斷層常表現(xiàn)出復(fù)雜的幾何形態(tài)，使得對(duì)斷層區(qū)域的建模變得復(fù)雜。此外，斷層可能同時(shí)破裂：在2016年新西蘭地震期間，13個(gè)不同的斷層同時(shí)破裂。此外，最近的歷史證明，地震大小并不總是與損害相關(guān)；根據(jù)發(fā)生的地點(diǎn)，中等震級(jí)的地震可能比“大”地震更具破壞性。例如，1994年加利福尼亞州北嶺6.7級(jí)地震造成重大財(cái)產(chǎn)損失和生命損失，而2018年斐濟(jì)8.2級(jí)地震強(qiáng)度為178倍，并未造成任何損失。因此，地震的震級(jí)并不能說(shuō)明整個(gè)情況。

現(xiàn)在來(lái)回答更加復(fù)雜的問(wèn)題：下一次大地震何時(shí)發(fā)生？預(yù)測(cè)時(shí)間是地震預(yù)測(cè)中最難的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，有兩種理論可以告訴我們（最好的）預(yù)測(cè)是有缺陷的。第一種理論稱為彈性回跳理論，它指出地殼在強(qiáng)烈的壓力下會(huì)彎曲變形，直到最終在應(yīng)變下斷裂。沿著斷裂的滑移（即地震）使兩側(cè)的巖石回彈到變形較小的狀態(tài)，并釋放儲(chǔ)存的能量，從而使累積應(yīng)變的過(guò)程重新開始。第二種理論被稱為特征地震，它描述了研究最多的地震產(chǎn)生的斷層似乎有不同的區(qū)段。在兩次地震之間的間隔期內(nèi)，這些板塊反復(fù)破裂，積累了相同數(shù)量的應(yīng)變，從而產(chǎn)生了相似震級(jí)的地震。假設(shè)這兩個(gè)理論一直存在，你可以根據(jù)最大未受力應(yīng)變的位置，自上次地震發(fā)生以來(lái)的時(shí)間以及對(duì)斷層帶的精確了解來(lái)預(yù)測(cè)下一次地震何時(shí)發(fā)生。

我們能做什么

今天，預(yù)測(cè)方法主要集中在概率地震預(yù)測(cè)，即在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的一般地震災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估。概率預(yù)測(cè)涉及地震可能發(fā)生的概率，而早期的確定性預(yù)測(cè)技術(shù)涉及確定地震何時(shí)發(fā)生。概率預(yù)測(cè)可以向可能更容易發(fā)生地震風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)提供警告，使他們能夠在潛在的未來(lái)發(fā)生地震之前，通過(guò)改進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施來(lái)加強(qiáng)抗震能力。第二個(gè)有希望的發(fā)展是地震預(yù)警系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)地震后，它會(huì)為可能受影響的鄰近地區(qū)提供幾秒到幾分鐘的實(shí)時(shí)警告。該系統(tǒng)利用了地震波的不同速度，這些地震波構(gòu)成了地震輻射的能量。簡(jiǎn)而言之，如果系統(tǒng)在更危險(xiǎn)、速度較慢的表面波到達(dá)之前檢測(cè)到最快波（稱為P波）的第一次到達(dá)，則可以觸發(fā)警報(bào)。使用高速自動(dòng)化，甚至幾秒鐘的警告就足以停止機(jī)器，例如火車和電梯，并提醒人們注意安全。然而，由于不必要的緊急措施啟動(dòng)以及對(duì)商業(yè)和日常生活的潛在破壞，對(duì)于從未發(fā)生的地震的錯(cuò)誤警告是昂貴的，就像“狼來(lái)了”的故事，它可能會(huì)破壞未來(lái)預(yù)警的可信度和有效性。為了避免這些問(wèn)題，可以用人工智能技術(shù)來(lái)檢測(cè)人類無(wú)法看到的地震預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中的模式和信號(hào)。

利用深度學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)地震余震

谷歌和哈佛大學(xué)的研究人員在一篇論文中展示了如何用深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)余震位置，而且預(yù)測(cè)結(jié)果比現(xiàn)有模型更可靠。他們訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)包含13.1萬(wàn)多個(gè)“主震—余震”事件的數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找模式，然后在一個(gè)包含3萬(wàn)對(duì)類似事件的數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)試其預(yù)測(cè)。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)比最有用的現(xiàn)有模型“庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化”更可靠。在從0—1的精度范圍內(nèi)，1是完全準(zhǔn)確的模型，0.5是一半準(zhǔn)確的模型，現(xiàn)有庫(kù)侖模型得分為0.583，而新的AI系統(tǒng)達(dá)到0.849?！瓣P(guān)于地震，你需要知道3件事情，”研究人員說(shuō)：“它們什么時(shí)候發(fā)生、它們會(huì)有多強(qiáng)烈、它們會(huì)發(fā)生在哪里。在這項(xiàng)工作之前，我們有經(jīng)驗(yàn)定律來(lái)解釋它們發(fā)生的時(shí)間和規(guī)模，現(xiàn)在我們正在研究它們可能發(fā)生在哪?！比斯ぶ悄茉谶@一領(lǐng)域的成功歸功于該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)之一：它能夠發(fā)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)集中以前被忽視的模式。這在地震學(xué)中尤為重要，因?yàn)樵诘卣饘W(xué)中看到數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)性非常困難。地震事件涉及太多變量，從不同區(qū)域的地面構(gòu)成到地震板塊之間的相互作用類型以及能量在地震波中穿過(guò)地球傳播的方式。理解這一切是非常困難的。研究人員表示，他們的深度學(xué)習(xí)模型能夠通過(guò)考量一個(gè)被稱為“米塞斯屈服準(zhǔn)則”的因素來(lái)做出預(yù)測(cè)，這是一種用于預(yù)測(cè)材料何時(shí)開始在壓力下破裂的復(fù)雜計(jì)算。研究人員表示，這個(gè)因素常用于冶金等領(lǐng)域，“但在地震科學(xué)中從未流行過(guò)?！爆F(xiàn)在，隨著這一新模型的發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)學(xué)家可以研究其關(guān)聯(lián)性。盡管這項(xiàng)研究取得了成功，但它還遠(yuǎn)未準(zhǔn)備好在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用。首先，AI模型只關(guān)注由地面永久性變化引起的余震，稱為靜態(tài)應(yīng)力。但后續(xù)地震也可能是由于后來(lái)發(fā)生的地面隆隆聲造成的，稱為動(dòng)態(tài)壓力?，F(xiàn)有模型也太慢而無(wú)法實(shí)時(shí)工作。這很重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)余震發(fā)生在地震發(fā)生后的第一天，然后每過(guò)一天頻率大致減半。

機(jī)器學(xué)習(xí)檢測(cè)信號(hào)預(yù)測(cè)地震時(shí)間

此外，機(jī)器學(xué)習(xí)也被用于預(yù)測(cè)地震時(shí)間。發(fā)表的兩篇相關(guān)論文中稱，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的地震信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了卡斯卡迪亞斷層地緩慢滑動(dòng)，這是在其他俯沖帶發(fā)生大地震之前觀察到的一種信號(hào)。Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析卡斯卡迪亞數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)巨大的推力會(huì)發(fā)出持續(xù)的震動(dòng)，這是斷層位移的跡象。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)斷層聲音信號(hào)的響度與其物理變化之間存在直接的平行關(guān)系?？ㄋ箍ǖ蟻啍鄬映霈F(xiàn)的聲音，以前被視為毫無(wú)意義的噪音，預(yù)示著它的脆弱性，這可以幫助我們更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大地震。機(jī)器通過(guò)學(xué)習(xí)調(diào)整算法來(lái)創(chuàng)建選擇和重新測(cè)試一系列問(wèn)題和答案的決策樹，來(lái)處理大量地震數(shù)據(jù)集，以找到不同的模式。2018年，研究小組在實(shí)驗(yàn)室模擬了一次地震，用鋼塊與巖石和活塞相互作用，并記錄了他們通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分析的聲音。他們發(fā)現(xiàn)，許多地震信號(hào)，以前被認(rèn)為是無(wú)意義的噪聲，精確地指出了模擬斷層何時(shí)會(huì)滑動(dòng)，這是地震預(yù)測(cè)的一個(gè)重要進(jìn)展。更快、更強(qiáng)的地震有更大的信號(hào)。最近的研究表明，卡斯卡迪亞斷層很活躍，但被注意到的活動(dòng)似乎是隨機(jī)的。該小組分析了該地區(qū)地震臺(tái)站12年來(lái)的真實(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了類似的信號(hào)和結(jié)果：卡斯卡迪亞持續(xù)的震顫量化了俯沖帶緩慢滑動(dòng)部分的位移。在實(shí)驗(yàn)室中，有一個(gè)類似的信號(hào)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大范圍的故障。在卡斯卡迪亞中仔細(xì)監(jiān)控可以提供有關(guān)鎖定區(qū)域的新信息，以提供預(yù)警系統(tǒng)。那么，下一場(chǎng)大地震何時(shí)會(huì)發(fā)生？或許我們永遠(yuǎn)都不會(huì)知道，但我們相信，隨著計(jì)算能力的增加和算法的優(yōu)化，機(jī)器學(xué)習(xí)將在地震預(yù)測(cè)方面具有巨大的潛力。