【中国科学报】智能预警“跑赢”地震波

通讯员 桂运安 本报记者 卜叶

收到地震波信号后，2秒内就能自动发布地震震源参数，让智能预警“跑赢”地震波。最近，中国科学技术大学教授张捷团队与中国地震局研究员赵翠萍团队合作，推出人工智能全自动地震监测系统——“智能地动”系统，为地震实时监测提供参考。相关论文近日发表于《科学报告》。

“智能地动”系统究竟有何“过人之处”？

实现地震全自动预警

当地震发生时，地震波信号传到地震台网，地震专业人员采用理论算法处理地震数据，得出地震震中、震级等参数，迅速作出公众通报，为防震减灾提供重要的科学信息。

虽然有许多国家采用算法得出地震信息，但仍有误报风险。因此，算法与专业人员计算相结合，成为当前监测地震的主要手段。但这种方法也存在一个短板，即要求地震监测人员24小时待命。

利用人工智能技术监测地震，是各国竞相角逐的前沿。目前，世界上仅有4个国家和地区建立了地震自动预警系统。其中，最为先进的是日本REIS地震预警系统，可在收到地震波信号5秒钟后计算出地震位置和震级，约2分钟后估计出地震破裂的震源机制；美国国家地质调查局的自动速报系统需要3~5分钟报出地震信息。

张捷与赵翠萍团队等瞄准到国内人工智能监测地震的技术空白，经过6年努力，合作研发出“智能地动”系统，这一软件系统在收到地震波信号后，2秒内就能报出所有地震震源参数，可谓是世界最快的地震预警系统。

张捷介绍，该系统采用人工智能技术分析地震数据，实现了无人操作，可以自动快速地计算出震源参数并发布地震信息，还能实时演示地震活动空间图像。

2018年12月起，“智能地动”系统在中国地震局试运行，实时处理位于四川和云南的中国地震实验场百余个地震台数据。一年多以来，中国地震局基于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结果的准确性非常接近。中国地震局专家认为，“智能地动”系统已基本达到人工处理的水平。

“两秒内出结果”意味着什么

2019年6月17日22时55分，四川宜宾市长宁县发生6.0级地震，宜宾提前10秒收到预警信息，成都提前61秒收到预警信息，获得众网友“点赞”。

张捷介绍，地震发生后，如果能在震后几秒内自动报出信息，则可以对地震波还没有传播到的地区实施预警，最大限度地降低地震带来的损害。

一般来说，地震释放的能量以地震波的形式向四周辐射。地震波是一种机械波，具有一定的传播速度。地震的初至波以平均每秒5公里的速度传播，最有破坏力的横波以平均每秒3公里的速度传播，“预警”电波信号则以每秒接近30万公里的速度传播，因此震中附近地区，在地震横波到来之前可能有几秒到数十秒的预警时间。

我国地震预警专家王暾介绍，如果人们能在地震发生前3秒收到预警，伤亡人数可以降低14%；如果能提前10秒发布预警，伤亡人数可以降低39%。

“智能地动”系统2秒内就能出结果，意味着什么？张捷坦言，“智能地动”系统能够快速报出震源参数并发布预警信息，对于及时通知公众立即采取防护措施、迅速终止核电站等重要设施的运行、减缓高铁速度、确定救援方案等具有重要现实价值。同时，无人操作的人工智能地震实时监测系统的出现，可极大缓解人工监测地震的压力，特别是能够及时处理密集的地震台网大数据，帮助减少误报、漏报现象。

目前，“智能地动”系统已投入实际应用并成功测试了多个国家地震数据。2月6日，《科学报告》刊发了张捷团队的一项最新成果。研究团队利用“智能地动”系统对美国俄克拉何马州相关地震资料进行了测试，地震定位误差仅在4公里之内。而两年前，基于同样的地震资料，哈佛大学与麻省理工学院联合课题组利用人工智能技术测试的误差在200公里。

张捷透露，“智能地动”系统研发团队目前正在与日本、土耳其、墨西哥等地震多发国家的地震监测机构探讨合作推广计划。

目标是中短期预报

地震预警预报是世界性难题。赵翠萍表示，“智能地动”系统基于历史地震资料大数据，结合地震学理论来处理当前地震数据，在地震信号识别等方面远超人类的肉眼识别能力。

通常，地震监测系统收到地震波信号后，需要去除噪声，传统方法采用滤波去噪，但只有噪声与信号在不同频段分布时才有效。此外，在检测、识别地震波信号时，传统方法采用计算记录幅值变化来确定，任何噪声干扰或某个台站发生故障，都会导致计算出错。

那么，“智能地动”系统是如何练就“两耳不闻窗外事”本领的呢？

张捷表示，“智能地动”系统通过历史大数据训练，可以有效去除各频段的噪声。同时，其识别地震波信号能力非常强，可以识别无法轻易观察到的信号。

此外，在地震定位和破裂机制预测方面，也存在难题。赵翠萍介绍，传统定位方法基于拾取的地震震相走时，个别台站拾取走时错误时，就会影响最后定位结果。在地震破裂机制方面，传统方法只能处理较大地震的地震资料，且需要几分钟的处理时间。

“智能地动”系统则解决了这些问题。该系统可直接根据地震波形记录推断位置与深度。此外，“智能地动”系统依据记忆训练的大数据库，几乎可在1秒内作出震源机制解以及可靠性分析。

张捷透露，他们研发的“智能地动”系统之所以“聪明”，主要在于它能利用历史地震数据建立区域速度模型，利用历史地震与合成数据建立搜索数据库和人工智能训练数据库，应用搜索引擎与人工智能技术实现川滇实验场地震震源参数的实时测定，产出川滇实验场全自动处理的震源参数地震目录，并实时演示地震活动图像。

不过，“智能地动”系统并非无所不能。事实上，尽管连接四川与云南地震台的“智能地动”系统可收到全球地震波信号并推出震源参数，但只有当地地震分析结果最准确。

针对该系统的作用，张捷坦言，我们的成果主要是实现地震智能预警。地震预警和预报，是两个完全不同的概念。目前，我们团队多项科研都在从事地震预报的研究，展示了很好的潜力，希望有朝一日实现对地震的中短期预报。

相关论文信息：[color=rgb(255, 102, 0) !important]https://doi.org/10.1038/s41598-020-58908-5

《中国科学报》 (2020-03-05 第3版 信息技术)

[color=rgb(255, 102, 0) !important]http://wap.sciencenet.cn/mobile.php?type=daily&op=detail&id=353707&mobile=1&from=singlemessage