核心閱讀
如何提高地震監測和風險防范能力?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，并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。
地震什么時候、在哪兒發生?震級多大?值班時，中國地震臺網中心的速報員杜廣寶和搭檔要在10分鐘左右核算地震參數信息，校正自動速報結果，給出正式速報。
杜廣寶的值班周期是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。較大地震后余震頻發時，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，與四川和云南地震臺相連，實時處理兩地的中國地震實驗場的百余個地震臺數據。基于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，能夠根據記憶中匯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，就相當于全體地震學家在一起值班處理地震數據。”張捷說。
由于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制是地震監測的難點。“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、震級和震源機制等參數。
“兩秒內出結果”意味著什么?張捷說，地震發生后盡早報出信息，能向地震波還沒有到達的地區發出預警，為公眾采取防護措施、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，但大多仍處于前期科研階段。“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、云南發生的地震。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，世界各國采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，國家臺網中心公布的地震信息，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。為盡量規避影響，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，并確定最好結果，“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。
地震發生后，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，調查統計各處建筑的受損狀態。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。該系統依托房屋的高度、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布圖。
“現代城市系統非常復雜，地震中個別橋梁的損壞，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，仿真系統可在震后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。除了災后實時評估，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，應該在哪里、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云超算平臺。有一次，他要對一個城市百萬數量級建筑群開展精細化彈塑性仿真分析，若用日常的計算平臺，可能永遠也算不出來。可放在“天河二號”上，幾分鐘就輸出了結果。“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于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
由于我們對地球內部的地質結構和應力變化情況不夠了解，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，我們并非只能被動應對，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。
