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人工智能引领地震监测迈入新时代

2021-03-18 光明网 【 字体:

  加重毁坏程度是地动研讨者的一个紧张方针。当毁坏性地动发作时,实时讲演地动参数关于当即举行毁坏评估和告急分散至关紧张。研讨职员发明,应用深度进修算法,人工智能体系可在收到地动记载后不到1秒工夫内,正确预算出震源机制解参数。

  倏地主动化揭露地动震源信息对地动预警有间接感化,也可为震后趋向揣度、烈度速报、地动应急救济等供应迷信根据。然而,从地动记载推算地动震源机制是个耗时的计较历程。是以,今朝天下各地地动监测台网在速报信息里只要发震时辰、震级、所在和震源深度等内容,不包罗形貌地动碎裂特性的震源机制解参数。

  日前,美国国度工程院院士、中国迷信技巧大学地空学院大家讲席教学张捷课题组揭晓在《自然—通讯》的一篇论文显现,应用深度进修算法,人工智能体系可在收到地动记载后不到1秒工夫内,正确预算出震源机制解参数。

  紧张的震源机制解

  2004年12月26日8时58分55秒,一场震动天下的庞大灾害俄然来临。

  印度洋板块与亚洲板块交界处,发作了里氏9.3级地动。地动又激发了激烈海啸,滔天巨浪囊括了包罗印度尼西亚、斯里兰卡、马尔代夫等国,形成了伟大的职员伤亡和产业丧失。

  “印度洋大地动发作时正值圣诞假期,良多国度的地动专业职员都在度假。”张捷告诉《中国迷信报》,“其时震源是大型逆冲碎裂。震后15分钟,海啸最早达到印尼,但却不预警,末了形成14个国度共22万余人获得性命。”

  张捷说明说,从地动震源参数来讲,海底逆冲范例地动大概会掀起波浪,形成海啸,而其余范例地动发生海啸的大概性比力小。

  震源机制解(又称断层面解)是应用地动观察材料来研讨地动发作时,震源处感化力和断层错动性子。震源机制解不但可能帮忙懂得断层的范例,还可能揭露断层在地动发作时详细的运动情况,形貌滑断面的特性,走向、偏向、倾角等。

  “除能帮忙展望海啸外,震源机制解还大概用于由前震展望主震,或由主震材料展望强余震,揭露震源邻近的应力漫衍情况等。”张捷说,“懂得地动的震源滑断特性异常紧张。在良多地动运动带,咱们已把握了断层系的漫衍,根据震源滑动参数就可以揣度出是哪一个断层系入手下手运动、其应力标的目的在哪儿、邻近其余雷同断层会不会泛起危险等。”

  1秒内报出参数

  “从地动记载推算地动震源机制的难点在于,传统要领计较强度太大。该数值解非线性成绩,计较工夫长。对地动发作前后种种应答预备及震后抢险救灾来讲,每一秒都异常名贵。”张捷说。

  自1938年地动学家第一次推算地动震源机制解入手下手,若何倏地得出震源机制参数始终是地动研讨者想处置的成绩。时至昔日,天下各地地动监测台网在地动速报信息时,仍不包罗震源机制参数。研讨职员每每在地动发作几分钟或更长工夫后,才干报出震源机制参数。

  2014年,张捷课题组与中国科大计较机学院教学陈恩红课题组相互协作,用互联网搜索引擎技巧,完成了倏地报出数据库里存好的震源机制解。该论文揭晓在《自然—通讯》上。随后,该要领在四川、云南投入地动监测,成为其时最早进的震源机制解速报技巧。但该要领受数据库束缚,难以运用于较大的地动监测地区。

  在这一范畴连续深耕7年后,课题组初次应用人工智能要领,冲破了数据库的束缚,使该要领适用于大地区地动监测。

  今朝,美、日等国速报震源参数程度相称。美国国度地动局最快能在震后3分钟报出最后的地动震源机制解,随后几分钟内有大概再举行修改完美,少数情况是在地动发作10分钟以后才干报出。

  “中国地动局台网中心近来几年在连续进步速报才能,2020年均匀速报工夫在震后572秒(约10分钟),此中不包罗震源机制解。”张捷增补说。

  “在这项研讨中,咱们应用机器进修算法,提出一种新的深度卷积神经收集——震源机制收集(FMNet),应用全波形信息倏地预计震源机制。”该论文第一作者、已在美国斯坦福大学地球物理系处置博士后研讨的况文欢对《中国迷信报》说,“与一样平常运用中有监视神经收集模子的练习需求大批的现实数据差别,FMNet可能先用分解数据练习,而后间接运用于现实数据。FMNet从综合练习数据中进修与震源机制有关的波形的广泛特性。”

  “人工智能要领可能颠末进修、考证与测试完美本身体系。但一个地区汗青地动不敷、样本不敷,怎样处置机器进修成绩?”张捷说,“咱们发明采取实践计较数据做练习样本异常无效。现实上,今朝揭晓的震源机制解方面的研讨,也是颠末实践模子和数据反演获得的,机器进修只不过把握了一切实践常识,是以速率与正确度更好。”

  “运用齐备的实践地动大数据练习人工智能神经收集,完美了该体系的正确性和可靠性。”况文欢说,“颠末几天的进修,当地动发作后,现实地动数据进入人工智能体系后,在不到1秒的工夫内,体系就可以够正确地预算出震源机制参数。”

  研讨参数“平民化”

  “该功效第一次完成了全主动霎时报出一切震源参数。在此之前,这是个‘研讨参数’,地动学家常常发论文讲演某个地动的震源机制解。”张捷说,“可能实时供应震源机制解,将引领环球地动监测程度进入一个新的阶段。”

  张捷说明说,有了地动震源机制解后,就晓得单个地动是哪一个断层在运动,从而揣度应力漫衍,展望地动危险。固然震源机制解的观点民众并不容易明白,但预警体系可能根据震源机制解做出决意,告诉民众危险程度。

  “大批现实数据测试证明了该要领的无效性。”况文欢说,“咱们应用震源机制来形貌断层地质和断层机制,也可能应用主震的震源机制来计较应力转变,以检修余震的地动触发实践。别的,实时导出的震源机制可能为今朝正在实行的点源地动动展望模子供应紧张的增补,有大概帮忙革新地动展望,以便举行晚期预警。”

  对团队获得的功效,该论文的三位审稿人分歧评估为,“异常激动人心的冲破性功效”。

  “进步地动展望预警的正确性,需求麋集的高频监测数据收集和实时处置,现有的人机分离任务形式已不顺应这一请求。这一功效为地动监测、展望预警营业完成倏地、高效的智能化转型供应了坚固的基本。”中国地动局科技与国际相互协作司司长车时告诉《中国迷信报》。

  北京大学实践与运用地球物理研讨所所长赵里评估说:“张捷教学团队在人工智能处置地动监测预警范畴不时获得冲破,并运用到川滇地动迷信实验场,对我国的地动减灾奇迹意思庞大。”

  “加重毁坏程度是地动研讨者的一个紧张方针。当毁坏性地动发作时,实时讲演地动参数关于当即举行毁坏评估和告急分散至关紧张。该研讨今朝正在转化为现实功效,近期将在中国迷信技巧大学和中国地动局相互协作研发的‘智能地动’人工智能地动监测体系上试运行,在中国地动迷信实验场片面推行。”张捷说。(张双虎)

[义务编纂: 张梦凡 ]

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