英美研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)未來地震的發(fā)生

英國劍橋大學(xué)發(fā)布一項(xiàng)研究顯示，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室模擬狀態(tài)下能成功預(yù)測(cè)地震，未來或許能更高效預(yù)測(cè)這類災(zāi)害的發(fā)生。來自英國和美國的一組研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)成功預(yù)測(cè)了地震的發(fā)生。盡管他們的研究工作是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)生活中的情況非常相似，其研究結(jié)果可以用來預(yù)測(cè)地震發(fā)生的時(shí)間。

來自英國劍橋大學(xué)（University of Cambridge）、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)和美國波士頓大學(xué)(Boston University)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱藏的地震信號(hào)，并利用這個(gè)“蛛絲馬跡”訓(xùn)練一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)未來地震的發(fā)生。他們的研究結(jié)果同樣適用于預(yù)測(cè)雪崩、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，且被發(fā)表在《地球物理評(píng)論快報(bào)》上。

對(duì)于地球科學(xué)家來說，預(yù)測(cè)地震的時(shí)間和震級(jí)是一個(gè)基本的目標(biāo)。一般來說，確定地震的發(fā)生地相當(dāng)簡(jiǎn)單：如果地震在某個(gè)特定地點(diǎn)爆發(fā)，那么這個(gè)地方很有可能會(huì)再次發(fā)生地震。科學(xué)家?guī)资陙硪恢泵媾R的挑戰(zhàn)是如何確定地震何時(shí)發(fā)生，以及它的危害程度。在過去的15年里，雖然儀器的精確度得到了提高，但人類仍未找到可靠的地震預(yù)測(cè)技術(shù)。

該項(xiàng)目的一部分任務(wù)是尋找使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管更有效率的方法。這項(xiàng)研究的第一作者是Bertrand Rouet-Leduc，曾是劍橋大學(xué)的博士生，后來搬到新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室，開始了劍橋大學(xué)和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室在材料科學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)上的合作。從那以后，研究小組開始幫助洛斯阿拉莫斯地球物理小組解答機(jī)器學(xué)習(xí)上的問題。

由保羅·約翰遜(Paul Johnson)領(lǐng)導(dǎo)的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)團(tuán)隊(duì)研究了地震、地震前兆(通常是非常小的地球運(yùn)動(dòng))和斷層之間的相互作用，希望開發(fā)出一種預(yù)測(cè)地震的方法。研究人員使用模擬真實(shí)地震的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來分析“斷層”在移動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)，并搜索聲音模型。

實(shí)驗(yàn)室使用鋼塊來模擬真實(shí)地震中的物理作用力，并記錄發(fā)出的地震信號(hào)和聲音。然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來尋找來自斷層的聲音信號(hào)與聲音衰減距離之間的關(guān)系。

這種機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠識(shí)別出一種特殊的聲音模型——以前被認(rèn)為只是噪音，且早在地震發(fā)生之前就已經(jīng)存在了。這種聲音模式的特點(diǎn)是可以用來精確估計(jì)(百分之幾以內(nèi))斷層的受力(即斷層承受了多大的力)，并估計(jì)聲音衰減之前剩余的時(shí)間，隨著衰減的臨近，估計(jì)值變得越來越精確。現(xiàn)在，研究小組認(rèn)為這種聲音模型是一種直接測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中彈性勢(shì)能的方法。

劍橋大學(xué)材料、科學(xué)與冶金系的教授兼這項(xiàng)研究的合著者柯林·亨弗瑞斯（Colin Humphreys）教授表示，這是機(jī)器學(xué)習(xí)第一次被用來分析聲學(xué)數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)地震的發(fā)生，在此之前，地震發(fā)生前的警告時(shí)間相當(dāng)長，機(jī)器學(xué)習(xí)能做什么真是超乎想象！亨弗瑞斯教授的主要研究領(lǐng)域是節(jié)能和具有成本效益的發(fā)光二極管，他還是Rouet-Leduc在劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)的導(dǎo)師。

Rouet-Leduc表示，機(jī)器學(xué)習(xí)使得對(duì)數(shù)據(jù)集的分析過于龐大，以至于人類無法手動(dòng)處理數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)以一種不偏不倚的方式看待數(shù)據(jù)，從而有了新的發(fā)現(xiàn)。

盡管研究人員發(fā)出警告，基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)和真實(shí)的地震之間存在著多種差異，但他們?nèi)韵Ｍㄟ^把機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到與實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)最相似的真實(shí)系統(tǒng)中來逐步擴(kuò)展研究方法。美國加利福尼亞州的圣安德烈亞斯斷層帶(San Andreas Fault)就是這樣一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)，在該斷層帶，典型的小重復(fù)地震與基于實(shí)驗(yàn)室的地震模擬器相似。對(duì)由北加州延伸至加拿大卑詩省的卡斯卡迪亞斷層的研究也有了進(jìn)展，在數(shù)周或數(shù)月內(nèi)那里持續(xù)發(fā)生的緩慢地震與實(shí)驗(yàn)室地震非常相似。

Rouet-Leduc稱，我們目前在儀器設(shè)備、機(jī)器學(xué)習(xí)上取得了重大進(jìn)展，擁有更快的計(jì)算機(jī)，處理海量數(shù)據(jù)集的能力也在增強(qiáng)，這些都將給地震科學(xué)帶來巨大的進(jìn)步。