AI新知 | 斯坦福人工智慧模型實現地震的精準預測

2020-12-06 AlphaKnow
數據觀世界

地震災害預測具有很長的一段歷史,1800多年以前,我國東漢時代的科學家張衡就已經研製了世界上最早的地震儀——地動儀。隨著技術的不斷進步,雖然地震預測的精準度不斷得到提升,但地震預測對人類來說依然是一道難題。

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2011年3月發生在日本海岸的9.0級地震等大震較容易被發現,但很少有如此猛烈的事件。低強度地震(在瞬時震級上達到2.0或更小的震級),很少造成財產損失。由於背景噪聲,小事件和誤報,它們一般不會被地震監測系統所接收。

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史丹福大學地球物理系的一篇新論文描述了一種可能的解決方案,科學家開發了一種被稱為CNN-RNN地震探測器(CRED)的人工智慧系統 ,可以識別一定範圍內的歷史連續地震信號數據。它建立在哈佛和谷歌的工作基礎之上,後者在8月創建了一個人工智慧模型,能夠預測大地震發生後一年內餘震的位置。

研究人員開發的人工智慧模型主要包括兩種神經網絡層(互連的處理節點組成,模仿大腦中神經元的功能 ):卷積神經網絡和遞歸神經網絡。前者從地震儀數據中提取特徵,而後者學習地震儀數據的順序特徵,並且可以結合記憶輸入提高其預測的準確性。

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兩種神經網絡共同構成了一個殘差網絡框架(一種緩解多層神經網絡常見問題的架構)。通常,隨著分層節點數量的增加,會導致精度度飽和並降低。但是由於殘差學習函數自身處理函數的方式,可以幫助神經網絡既能夠保持準確性,又能夠從數據集中學習更多高級特徵。另外一點好處就是,它更容易得到優化。

為了訓練和驗證人工智慧地震探測系統的有效性,研究人員採集了2011年間記錄在阿肯色州Guy-Greenbrier的連續數據,其中包含3,788個地震事件,此外還有北加州889個監測站提供的550,000條平均時長30秒、3個分量級的地震數據。

取共計大約550,000條數據中的50000條樣本作為測試集,用於評估性能。結果顯示,無論地震事件是較大、較小、局部還是具有高度的背景噪聲,網絡模型都能夠準確預測出地震信號。至關重要的是,人工智慧不需要全長的信號來檢測地震,僅需部分記錄就足夠了。

當從Guy-Greenbrier數據集中獲取連續數據時,該模型花費了一個多小時在筆記本電腦上進行訓練,檢測到由水力壓裂,廢水注入和構造板運動引起的1102次微震和地震(包括77次沒有以前沒有編目的)。

研究人員報告說,在所有測試中,與兩個廣泛部署的地震系統相比,學習模型獲得了「優越」的性能。他們指出,它很好地概括了它沒有看到的地震數據。他們對網絡進行了訓練,可以實時應用於地震數據流,並且該架構非常靈活,可以輕鬆擴展。由於這是一個基於光譜結構的地震信號高解析度模型,所以誤報率很小。

研究人員認為,該人工智慧模型可以利用多個傳感器,在構造活動區域進行實時監控,也可以作為早期地震預警系統的基礎。

大家對此有什麼看法呢?地震將來有可能完全被人類預測嗎?歡迎留言評論。

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