地震研究需要最强大脑

中国地震局地球物理研究所

2020年07月12日，河北唐山市古冶区发生了5.1级地震，引起了唐山及周边包括北京地区的强烈震感。这也许是大自然在提醒我们，危机其实距离我们并不遥远。无论是44年前的唐山7.8级大地震，还是341年前的三河-平谷8级大地震，这些自然灾害来临之前往往都是悄无声息。

据统计，地震是造成人员集中伤亡最多的突发性自然灾害，而地震造成的人员伤亡大多数是由7级以上地震造成的。截至目前，获得可靠的地震前兆仍是实现地震预测的关键，也是难题。2005年美国《科学》杂志提出全球125个尚未解决的科学前沿问题，“是否存在有助于预报的地震前兆?”就是其中的问题之一。

地震研究需要助手

地震研究不但需要面对大量的数据处理与分析任务，还要不断地尝试进行地球物理、化学、地质等科学实验，从复杂的数据中尝试找寻大自然留给人类的蛛丝马迹。地震预测是具有较强科研属性的任务，因为至今没有一个哪怕最复杂的物理方程可以描述整个地震孕育到发生全过程的机制。不可否认的是，现阶段人类对地震前兆的认识大多停留在定性的经验性假设，其正确与否、能否成立还没有严谨的科学方式加以证明。在数学和物理学领域，这类经验性假设需要用严密逻辑推理和各种实验手段来证明，这一过程体现了从定性到定量的研究特点。

与其他的自然科学研究不同，地震研究是面对各学科观测资料都存在高度不确定的情况下，凭借已有的经验和工具去推演震情形势。那么，地震预测如果要走“精密科学”之路，出路在哪里？

今天我们也许处在了最好的时代。因为当今信息技术发展迅速，计算无处不在。20世纪90年代初，我国著名科学家钱学森就结合现代信息技术的发展，基于系统学思维，提出了“从定性到定量综合集成研讨厅体系”，该方法是人-机结合、人-网结合、以人为主的信息、知识和智慧的综合集成技术。综合集成方法的实质是把专家体系，数据、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人-机结合与融合体系，这个体系具有综合优势、整体优势、智能和智慧优势。它能把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统继承起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。钱老提出的人-机结合、以人为主的思维方式是综合集成方法的理论基础。

我们认为，地震预测的一个未来发展趋势，就是实现人-机结合，采用“机帮人、人帮机”的合作方式，机器能做的尽量由机器去完成，极大扩展人脑逻辑思维处理信息的能力。通过人-机结合、以人为主，实现信息、知识和智慧的综合集成。如果大家看过钢铁侠，就一定对托尼史塔克的AI助手不会陌生，一件件功能强大的战衣设计和验证如果没有那个无与伦比的机器人助手根本无法实现。

通过现代的机器学习和AI技术，集成科学家的理论认识与更加完善的监测数据，可以将不同学科、不同领域的科学理论和经验知识、定性和定量知识、理性和感性知识，通过人-机交互、反复比较、逐次逼近，实现从定性到定量的认识，从而对经验性假设正确与否做出科学结论。

无论是肯定了还是否定了经验性假设，都是认识上的进步，然后再提出新的经验性假设，继续进行定量研究，这是一个交互式、循环往复、不断深化的研究过程，而要加速这个过程需要最强的AI大脑。

大数据时代发生了什么

大数据这个词听着时髦，但面对昂贵的大数据管理费用和缓慢的机器学习速度，没点承受能力八成会把你搞抑郁。这一轮机器学习和人工智能的依托的神经网络技术，在上世纪90年代其实已经火过一次，但是由于当时的计算技术的限制，没过多久就冷静下去了。

在当前计算能力和软件开发技术更加成熟的时候，十年前美国提出了EarthCube（地球立方体）计划，就是想通过资助一大批科研项目，将具有跨学科价值的尖端数据科学技术提炼出来，这样就可以大大提高科学家们的科研效率，帮助他们实现心中远大的科研目标。

这个项目自从2011年开始讨论，计划到2022年开发一批可解决大数据科学基础平台级的新技术。项目提出的初衷是寻求“以整体视角审视地球系统的创造并管理地球科学知识的综合框架”，其主要意图是：加速知识的融汇过程;制定一个面向空前复杂系统的可测度体系;充分整合和利用新技术。最终目的是以一种公开、透明和综合性的方式整合所有地球科学数据、信息、知识及实践，创建地球科学知识管理系统和基础设施，从而极大地提升研究及教育者的知识创造和传播能力。

地震会商技术系统

从EarthCube强调的平台级信息化技术，我们再看以美国地质调查局（USGS）为例的美国社会公共服务机构，通常美国地质调查局会在全球地震事件发生后5-10分钟内产出可辅助决策的科技产品，这种服务能力依赖的是高度信息化、自动化和智能化的数据处理技术和软件系统。虽然我国地震行业信息化建设起步较晚，但在2018年已经启动设计和开始研发适合我国地震业务需求特点的、基于“综合集成方法”构建的地震会商技术系统，让所有预报人员可以快速地从监测数据来获取信息，并使用“综合集成”的方法，对某一次复杂的震情问题进行群体思考，或寻求解决方案，或探索问题规律，或产生新的知识。

地震会商技术系统组成可以分为人机接口、流程体系和云平台三部分。通过梳理各级会商体系的业务需求，采用开放式、可视化方法建立模块化会商流程体系，在设计阶段分离业务技术实现与IT技术实现。实现预报人员深度参与会商系统开发过程，做到“能用、能建、能改”。计划通过5-10年的迭代式开发，打通地震科研到业务应用的瓶颈，并在此基础上形成智能流程调度，实现专家的“心智”与计算机的“智能”完美结合，实现支撑“数据-信息-知识-智慧”的全链条服务能力，更好地解决地震会商业务需求。

可以想象，未来的某一天每位地震行业的科研工作者都拥有一个AI助手，当收到地震短信后，来到震情会商室，坐下后，手机铃声响起，一份专业的震情分析报告已经呈现在眼前。

我们所处的时代自动化已经无处不在，智能化也触手可及，地震科研工作者如果可以节省更多的时间从事更为高级的科技创新与开发，也许地震预报的探索之路将不再漫长。

作者简介：陈石，中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，重力与地壳形变研究室主任

扫码关注更多内容

继续滑动看下一个