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      地震研究需要最強大腦

      發布源:中國地震局第一監測中心  發布時間:2020-07-28

        2020年07月12日,河北唐山市古冶區發生了5.1級地震,引起了唐山及周邊包括北京地區的強烈震感。這也許是大自然在提醒我們,危機其實距離我們并不遙遠。無論是44年前的唐山7.8級大地震,還是341年前的三河-平谷8級大地震,這些自然災害來臨之前往往都是悄無聲息。

        據統計,地震是造成人員集中傷亡最多的突發性自然災害,而地震造成的人員傷亡大多數是由7級以上地震造成的。截至目前,獲得可靠的地震前兆仍是實現地震預測的關鍵,也是難題。2005年美國《科學》雜志提出全球125個尚未解決的科學前沿問題,“是否存在有助于預報的地震前兆?”就是其中的問題之一。   

        一、地震研究需助手   

        地震研究不但需要面對大量的數據處理與分析任務,還要不斷地嘗試進行地球物理、化學、地質等科學實驗,從復雜的數據中嘗試找尋大自然留給人類的蛛絲馬跡。地震預測是具有較強科研屬性的任務,因為至今沒有一個哪怕最復雜的物理方程可以描述整個地震孕育到發生全過程的機制。不可否認的是,現階段人類對地震前兆的認識大多停留在定性的經驗性假設,其正確與否、能否成立還沒有嚴謹的科學方式加以證明。在數學和物理學領域,這類經驗性假設需要用嚴密邏輯推理和各種實驗手段來證明,這一過程體現了從定性到定量的研究特點。   

        與其他的自然科學研究不同,地震研究是面對各學科觀測資料都存在高度不確定的情況下,憑借已有的經驗和工具去推演震情形勢。那么,地震預測如果要走“精密科學”之路,出路在哪里?   

        今天我們也許處在了最好的時代。因為當今信息技術發展迅速,計算無處不在。20世紀90年代初,我國著名科學家錢學森就結合現代信息技術的發展,基于系統學思維,提出了“從定性到定量綜合集成研討廳體系”,該方法是人-機結合、人-網結合、以人為主的信息、知識和智慧的綜合集成技術。綜合集成方法的實質是把專家體系,數據、信息與知識體系以及計算機體系有機結合起來,構成一個高度智能化的人-機結合與融合體系,這個體系具有綜合優勢、整體優勢、智能和智慧優勢。它能把人的思維、思維的成果、人的經驗、知識、智慧以及各種情報、資料和信息統統繼承起來,從多方面的定性認識上升到定量認識。錢老提出的人-機結合、以人為主的思維方式是綜合集成方法的理論基礎。   

        我們認為,地震預測的一個未來發展趨勢,就是實現人-機結合,采用“機幫人、人幫機”的合作方式,機器能做的盡量由機器去完成,極大擴展人腦邏輯思維處理信息的能力。通過人-機結合、以人為主,實現信息、知識和智慧的綜合集成。如果大家看過鋼鐵俠,就一定對托尼史塔克的AI助手不會陌生,一件件功能強大的戰衣設計和驗證如果沒有那個無與倫比的機器人助手根本無法實現。   

        通過現代的機器學習和AI技術,集成科學家的理論認識與更加完善的監測數據,可以將不同學科、不同領域的科學理論和經驗知識、定性和定量知識、理性和感性知識,通過人-機交互、反復比較、逐次逼近,實現從定性到定量的認識,從而對經驗性假設正確與否做出科學結論。   

        無論是肯定了還是否定了經驗性假設,都是認識上的進步,然后再提出新的經驗性假設,繼續進行定量研究,這是一個交互式、循環往復、不斷深化的研究過程,而要加速這個過程需要最強的AI大腦。   

        二、大數據時代發生了什么   

        大數據這個詞聽著時髦,但面對昂貴的大數據管理費用和緩慢的機器學習速度,沒點承受能力八成會把你搞抑郁。這一輪機器學習和人工智能的依托的神經網絡技術,在上世紀90年代其實已經火過一次,但是由于當時的計算技術的限制,沒過多久就冷靜下去了。   

        在當前計算能力和軟件開發技術更加成熟的時候,十年前美國提出了EarthCube(地球立方體)計劃,就是想通過資助一大批科研項目,將具有跨學科價值的尖端數據科學技術提煉出來,這樣就可以大大提高科學家們的科研效率,幫助他們實現心中遠大的科研目標。

        這個項目自從2011年開始討論,計劃到2022年開發一批可解決大數據科學基礎平臺級的新技術。項目提出的初衷是尋求“以整體視角審視地球系統的創造并管理地球科學知識的綜合框架”,其主要意圖是:加速知識的融匯過程;制定一個面向空前復雜系統的可測度體系;充分整合和利用新技術。最終目的是以一種公開、透明和綜合性的方式整合所有地球科學數據、信息、知識及實踐,創建地球科學知識管理系統和基礎設施,從而極大地提升研究及教育者的知識創造和傳播能力。   

        三、地震會商技術系統   

        從EarthCube強調的平臺級信息化技術,我們再看以美國地質調查局(USGS)為例的美國社會公共服務機構,通常美國地質調查局會在全球地震事件發生后5-10分鐘內產出可輔助決策的科技產品,這種服務能力依賴的是高度信息化、自動化和智能化的數據處理技術和軟件系統。雖然我國地震行業信息化建設起步較晚,但在2018年已經啟動設計和開始研發適合我國地震業務需求特點的、基于“綜合集成方法”構建的地震會商技術系統,讓所有預報人員可以快速地從監測數據來獲取信息,并使用“綜合集成”的方法,對某一次復雜的震情問題進行群體思考,或尋求解決方案,或探索問題規律,或產生新的知識。

        地震會商技術系統組成可以分為人機接口、流程體系和云平臺三部分。通過梳理各級會商體系的業務需求,采用開放式、可視化方法建立模塊化會商流程體系,在設計階段分離業務技術實現與IT技術實現。實現預報人員深度參與會商系統開發過程,做到“能用、能建、能改”。計劃通過5-10年的迭代式開發,打通地震科研到業務應用的瓶頸,并在此基礎上形成智能流程調度,實現專家的“心智”與計算機的“智能”完美結合,實現支撐“數據-信息-知識-智慧”的全鏈條服務能力,更好地解決地震會商業務需求。   

        可以想象,未來的某一天每位地震行業的科研工作者都擁有一個AI助手,當收到地震短信后,來到震情會商室,坐下后,手機上微信鈴聲響起,一份專業的震情分析報告已經呈現在您的眼前。   

        我們所處的時代自動化已經無處不在,智能化也觸手可及,地震科研工作者如果可以節省更多的時間從事更為高級的科技創新與開發,也許地震預報的探索之路將不再漫長。

      來源:中國地震局地球物理研究所,陳石

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