20秒預(yù)警，拯救127個(gè)孩子！四川瀘定6.8級(jí)地震，能用AI預(yù)測(cè)嗎？

作者：新智元 2022-09-06 14:58:34

人工智能新聞

四川瀘定的6.8級(jí)地震中，地震預(yù)警系統(tǒng)起到了大作用。不過，為什么現(xiàn)在的人工智能還不能預(yù)測(cè)地震呢？

最新消息，四川瀘定6.8級(jí)地震已經(jīng)造成甘孜州遇難29人，雅安市遇難17人，另有16人失聯(lián)，50人受傷。

看到這個(gè)消息，感到無比心痛……

在今夏的超強(qiáng)熱浪中，四川作為西電東輸?shù)闹髁Υ笫?，為全國人民抗下了所有委屈?/span>

這座英雄的城市，選擇了自己負(fù)重前行：為了向其他兄弟省份繼續(xù)供電，熄滅了路燈，關(guān)閉了空調(diào)，讓自己陷入一片黑暗。

隨后，四川又遭遇了疫情，成都等城市全城靜默。

而昨天，瀘定又遭遇了地震，現(xiàn)在傷亡人數(shù)還在不斷統(tǒng)計(jì)中。

來源：中國消防

20秒，拯救127個(gè)孩子

在位于震中的海螺溝，有兩個(gè)酒店樓體全塌了。

來源：荔枝新聞

酒店老板徐先生稱，自己到現(xiàn)在仍心有余悸，「從未見過這么兇的地震」「我現(xiàn)在手都在抖」。在這場(chǎng)地震中，有很多令人動(dòng)容的畫面。據(jù)紅星新聞報(bào)道，接到地震消息后，四川省人民醫(yī)院立刻組織應(yīng)急救援小分隊(duì)前往救援，國家（四川）中醫(yī)緊急醫(yī)學(xué)救援隊(duì)也趕赴瀘定救援。省骨科醫(yī)院馬上組成應(yīng)急隊(duì)，逆行前往震中展開救援。

?誰能出發(fā)？我可以！真的淚目了國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部辦公室、應(yīng)急管理部已經(jīng)啟動(dòng)國家地震應(yīng)急三級(jí)響應(yīng)，調(diào)度部署前方救援。

四川已經(jīng)緊急調(diào)度「大型高空全網(wǎng)應(yīng)急通信無人機(jī)」，飛赴震中執(zhí)行公眾通信覆蓋任務(wù)。

來源：小央視頻

而成都消防地空救援力量也都在緊急集結(jié)趕赴震中，開展聯(lián)合偵查搜救任務(wù)。搜救直升機(jī)不斷在空中定位盤旋，絕不放過任何一個(gè)可能的機(jī)會(huì)！

來源：中國消防

在全國人民揪心的時(shí)刻，九派新聞播報(bào)了一個(gè)令人欣慰的消息：雅安一幼兒園的老師們看到地震預(yù)警倒計(jì)時(shí)20秒的信息后，立即飛奔到班里，將熟睡的孩子們叫醒，挨個(gè)疏散到安全的地方。整個(gè)過程耗時(shí)1分57秒，127名幼兒被成功疏散到安全的地方。

來源：九派新聞

地震預(yù)警這關(guān)鍵的20秒，救下了127個(gè)孩子。

地震預(yù)警立大功

截至發(fā)稿前，此次地震已造成65人遇難。在心痛之余，很多人發(fā)出了這樣的疑問：為什么現(xiàn)在技術(shù)這么發(fā)達(dá)了，還是無法通過地震預(yù)警，避免人員的傷亡呢？其實(shí)，這次地震中，地震預(yù)警已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用。9月5日12時(shí)52分，四川省甘孜州瀘定縣6.8級(jí)地震發(fā)生的同時(shí)，很多成都市民的手機(jī)中傳出了「56、55、54……」的倒數(shù)播報(bào)聲，收到播報(bào)的市民立即撤離到了安全地帶。

這個(gè)被稱為「大喇叭」的地震預(yù)警倒計(jì)時(shí)，來自我國自主研發(fā)的「地震預(yù)警」系統(tǒng)。在此次四川瀘定地震發(fā)生后，四川省內(nèi)成都、甘孜、瀘州、雅安等多地發(fā)出了地震預(yù)警，包括很多民眾的電視、手機(jī)等終端設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，地震預(yù)警就是在地震發(fā)生后，利用電磁波（約30萬公里/秒）比地震波（約4公里/秒）快的特點(diǎn)，向地震波尚未到達(dá)的地區(qū)發(fā)出地震波即將到達(dá)的警鐘。

來源：四川省人民政府官網(wǎng)

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%。那一年的汶川地震，有將近70,000人死亡，給我們?cè)斐闪颂蟮膫础绻?dāng)時(shí)我們能有這樣的預(yù)警系統(tǒng)，死亡人數(shù)至少可以減少30%。

汶川地震后，我國加大了對(duì)地震高發(fā)地區(qū)的災(zāi)害預(yù)警的投資。作為地震高發(fā)區(qū)域的四川省，2012年就在成都開始試點(diǎn)安裝預(yù)警系統(tǒng)。截止到2020年底，預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)可以覆蓋四川全省。這次起了大作用的「地震預(yù)警」系統(tǒng)，是由成都高新減災(zāi)研究所與中國地震局聯(lián)合建設(shè)的大陸地震預(yù)警網(wǎng)。地震波分為縱波和橫波，前者傳播速度快、破壞力小，后者傳播速度慢、破壞力大。地震預(yù)警的基本原理，就是利用兩者的時(shí)間差發(fā)出警報(bào)。

離震源較近的地震觀測(cè)儀器接收到地震縱波后，實(shí)時(shí)并持續(xù)估計(jì)地震參數(shù)及其影響，并向地震橫波尚未到達(dá)的可能受災(zāi)區(qū)域，提前數(shù)秒至幾十秒發(fā)出警報(bào)信息。根據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》對(duì)研究所所長王暾的采訪，利用地震傳感器建立起地震預(yù)警網(wǎng)后，一旦地震發(fā)生，地震預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)利用電磁波傳輸速度遠(yuǎn)大于地震波的特性，通過讀取分析布設(shè)在各地的實(shí)時(shí)傳輸?shù)卣鸨O(jiān)測(cè)臺(tái)站的記錄數(shù)據(jù)，快速對(duì)判斷地震發(fā)生的位置以及大概的震級(jí)，然后全自動(dòng)地向還未受波及的用戶提前幾秒到幾十秒發(fā)出預(yù)警。

來源：中國科技網(wǎng)

由于地震波波及不同區(qū)域的時(shí)間不一樣，接受地震預(yù)警消息的終端設(shè)備所處的位置也不一致，所以預(yù)警倒計(jì)時(shí)時(shí)間也會(huì)有不同。王暾表示，瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震發(fā)生后，預(yù)警網(wǎng)在瀘定6.8級(jí)地震發(fā)生時(shí)第5秒就發(fā)出預(yù)警，向康定市提前7秒預(yù)警，向雅安市提前20秒預(yù)警，向成都市提前50秒預(yù)警。

自汶川余震區(qū)發(fā)展的我國地震預(yù)警成果，已經(jīng)處于全球領(lǐng)先水平。目前，四川地區(qū)廣泛應(yīng)用的是第二代大陸地震預(yù)警網(wǎng)。二代地震預(yù)警技術(shù)對(duì)前端預(yù)警臺(tái)站、中端傳輸響應(yīng)渠道、末端處理系統(tǒng)均做出了基于分布式處理的全面升級(jí)，通過云計(jì)算運(yùn)行中心進(jìn)一步優(yōu)化算法，并可利用5G通信技術(shù)提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。然而，我們現(xiàn)在能做的，只是在地震發(fā)生后快速地發(fā)出預(yù)警。

預(yù)測(cè)還沒有發(fā)生的地震，對(duì)全世界來說，都仍是一個(gè)無法達(dá)成的難題。地震預(yù)報(bào)是指在地震發(fā)生前，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)未來可能發(fā)生的地震作出時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)方面的預(yù)測(cè)。根據(jù)王暾所長的介紹：

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。

因?yàn)橹荒茴A(yù)警，不能預(yù)測(cè)，人員的傷亡就無法避免。

地震預(yù)報(bào)仍是世界難題

為什么預(yù)測(cè)下一場(chǎng)大地震會(huì)如此困難？讓我們先從一個(gè)簡(jiǎn)單的問題開始：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。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：在新西蘭2016年的Kaikōura地震期間，13個(gè)不同的斷層同時(shí)破裂。此外，地震的震級(jí)并不一定與破壞力呈正相關(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。

現(xiàn)在，讓我們看這個(gè)更加復(fù)雜的問題：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)。有兩種理論可以解釋，為什么對(duì)時(shí)間的預(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，我們就可以根據(jù)

1）最大未受力應(yīng)變的位置，

2）自上次地震發(fā)生以來的時(shí)間，以及對(duì)斷層帶的精確了解來預(yù)測(cè)下一次地震何時(shí)發(fā)生。

可以看出，由于現(xiàn)實(shí)的種種復(fù)雜因素，我們很難預(yù)測(cè)出地震發(fā)生的時(shí)間。

那么，如果用上人工智能技術(shù)又會(huì)如何呢？

理論上，在地震預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中，有許多模式和信號(hào)，人類無法看到，人工智能卻可以清楚地檢測(cè)到。

用AI預(yù)測(cè)地震可行嗎

在2018年，來自谷歌和哈佛大學(xué)的研究人員，曾在一篇發(fā)表在Nature的論文中，展示了如何用深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)余震位置。該模型在一個(gè)包含131000多個(gè)「主震-余震」事件的數(shù)據(jù)庫中尋找模式，然后在一個(gè)包含30000對(duì)類似事件的數(shù)據(jù)庫中測(cè)試其預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)比當(dāng)時(shí)被稱為「庫侖破裂應(yīng)力變化」的模型更加可靠。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0438-y

然而，時(shí)間來到文章發(fā)表的一年之后，數(shù)據(jù)科學(xué)家Rajiv Shah在分析結(jié)果的時(shí)候發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率高得有點(diǎn)離譜了。在隨后的復(fù)現(xiàn)中，一個(gè)非常嚴(yán)重的問題浮現(xiàn)了出來——用于訓(xùn)練和測(cè)試模型的數(shù)據(jù)有重疊（data leak）。簡(jiǎn)答來說就是，模型在訓(xùn)練時(shí)已經(jīng)知道了考試的答案。而這也就意味著，測(cè)試的結(jié)果幾乎沒有任何實(shí)際意義。不過，Nature到最后也沒有理會(huì)這位研究人員提出的問題和建議……盡管如此，科學(xué)家們并沒有放棄對(duì)這一領(lǐng)域的探索，各類相關(guān)的研究層出不窮。

在美國地震學(xué)會(huì)（SSA）2021年年會(huì)上，來自斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種實(shí)時(shí)分析地震信號(hào)的新方法——DeepShake，并在之后發(fā)表在了Seismological Research Letters上。模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來自2019年加州的地震記錄，測(cè)試的結(jié)果顯示，DeepShake可以在高強(qiáng)度地面晃動(dòng)到來之前的7到13秒之間發(fā)出警報(bào)。

相比于傳統(tǒng)的地震預(yù)警，DeepShake可以直接根據(jù)地面運(yùn)動(dòng)的特征發(fā)出提前預(yù)警，省去了現(xiàn)有系統(tǒng)使用的一些中間步驟。研究人員表示，DeepShake展示了機(jī)器學(xué)習(xí)模型在提高地震預(yù)警系統(tǒng)的速度和準(zhǔn)確性方面的潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1785/02202101412022年，來自中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和斯坦福大學(xué)的研究人員，在發(fā)表于在Science Advances的論文中提出了一種全新的方法，極大地提高了位于城區(qū)的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)能力。

UrbanDenoiser算法通過過濾掉背景地震噪音，它可以提高整體信號(hào)質(zhì)量，并恢復(fù)以前可能太弱而無法記錄的信號(hào)。對(duì)密集陣數(shù)據(jù)和城市地區(qū)的地震序列的應(yīng)用表明，UrbanDenoiser可以提高信號(hào)質(zhì)量，并在信噪比低至~0dB的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。