Прибыль:
- Возможность использовать возможности фазовых сортировщиков и детекторов искусственного интеллекта для контроля выходного сигнала с помощью остаточного анализа и разделения естественного и искусственного.
- Способность управлять насыщением размеров и неопределенностью при раннем предупреждении и понимать, что система основана на многоуровневой проверке, а не на одной модели.
- Способность понимать разницу между предсказанием уже произошедшего землетрясения и детерминистическим прогнозированием будущего землетрясения и отклонением ненаучных запросов на предсказание.
Когда происходит землетрясение, данные с тысяч станций стекаются за считанные секунды, и перед геофизиком начинается задача: откуда взялись эти волны, насколько они велики, какой разлом произошел? Сейсмология землетрясений — это наука об определении местоположения, размера и механизма землетрясений путем регистрации сейсмических волн, распространяющихся через землю. Это отрасль геофизики, в которой искусственный интеллект (ИИ), пожалуй, наиболее развит: миллионы сигналов сделали фазовые экстракторы и детекторы землетрясений на основе ИИ очень мощными. В этом модуле мы рассмотрим реальную мощь ИИ в разделении фаз, обнаружении землетрясений и раннем предупреждении; Но мы увидим, почему проверка и человеческий контроль не подлежат обсуждению в этой области безопасности жизнедеятельности.
Основные понятия
Краткий словарь. Фаза — это приход, при котором в записи появляется определенный тип сейсмической волны (волна P — первая пришедшая, быстрая волна сжатия; волна S — более медленная, поперечная волна). Выбор фазы отмечает точное время появления P и S в записи; Это основа определения места землетрясения. Обнаружение землетрясений означает отделение и захват сигнала землетрясения от шума в непрерывном потоке данных. Магнитуда — это мера энергии, выделившейся в результате землетрясения. Механизм очага определяет геометрию (надвиг, падение, сдвиг) разрывного разлома.
Определение места землетрясения основано на триангуляции очага путем объединения времен прихода P и S на многих станциях. Небольшие ошибки во времени фазы приводят к большим ошибкам в положении, поэтому точность выделения фазы имеет решающее значение.
Извлечение и обнаружение фаз с помощью ИИ
Традиционное извлечение фаз (например, STA/LTA — захват вступлений с соотношением энергий короткого и длинного окна) не справляется с зашумленными записями и пропускает многие небольшие землетрясения. Сортировщики на базе искусственного интеллекта (глубокие нейронные сети, обученные на миллионах вручную помеченных фаз) выполняют эту работу точнее и гораздо быстрее; В частности, он произвел революцию в регистрации микроземлетрясений (очень небольших толчков, связанных с шумом). ИИ также может непрерывно сканировать данные и автоматически пополнять каталог землетрясений.
Однако есть два риска. Первый — ложное обнаружение: ИИ может принять проезжающий поезд, взрыв или шум за землетрясение. Второй — пропущенное обнаружение: оно может пропустить необычное событие, не похожее на обучающий набор. Поэтому автоматический каталог подлежит контролю сейсмологов; Особенно события принятия решений (искусственное/естественное различие, вероятность цунами) подтверждаются вручную.
Совет: проверьте времена P и S, возвращаемые экстрактором AI, просмотрев остаточные значения в решении по определению местоположения землетрясения. Большой остаток на станции указывает на то, что фаза отсортирована неправильно; Не принимайте решение о местоположении вслепую.
Раннее предупреждение: наука о секундах
Раннее предупреждение о землетрясениях (EEW) — это система, которая улавливает быструю P-волну землетрясения и передает предупреждение за несколько секунд до того, как более разрушительная, но более медленная S-волна и поверхностные волны достигнут отдаленных районов. ИИ может ускорить оценку размера и местоположения с первых нескольких секунд волны P. Но здесь риск самый высокий: ложная тревога может вызвать панику и экономические потери, пропущенное/запоздалое предупреждение может стоить жизни. Таким образом, системы EEW представляют собой многоуровневые, перекрестно проверяемые и постоянно проверяемые инженерные системы с помощью нескольких методов; Это не поручено какой-то одной модели ИИ.
Внимание: оценка величины с первых секунд по своей сути неопределенна; сильное землетрясение может первоначально показаться небольшим (насыщение магнитуды). Не принимайте первое предположение ИИ как окончательное; Система должна быть спроектирована таким образом, чтобы обновлять прогноз по мере развития формы сигнала, а неопределенность должна быть четко сообщена.
Разница между оценкой и прогнозом: этический предел
Здесь есть критическое различие. ИИ может предсказать (на основе измерений) местоположение/силу произошедшего землетрясения. Но с научной точки зрения невозможно предсказать, когда произойдет будущее землетрясение (детерминистический прогноз землетрясения); Это предел, с которым согласна сейсмология. Утверждать, что «в этот день произойдет землетрясение» с использованием ИИ, вводит в заблуждение и неэтично. Что является законным, так это вероятностная оценка опасности (долгосрочная статистическая опасность землетрясений), а не точный дневной прогноз.
три мини-кейса
Случай 1 — Каталог в десять раз богаче. Когда в региональной сети был развернут экстрактор фаз ИИ, количество землетрясений, обнаруженных по тем же непрерывным данным, увеличилось примерно в 10 раз; Стали видны тысячи микроземлетрясений и прояснилась геометрия разломов. Сейсмологи проверили каталог с помощью случайных выборок и остаточного анализа, исключив ложные срабатывания.
Случай 2 — Принятие взрыва за землетрясение. Автоматическая система классифицировала регулярные взрывы в шахте как незначительные землетрясения. Сейсмолог понял, что события всегда происходили в одно и то же время и в одном и том же месте, а форма волны имела взрывной характер, и разобрался: разграничение естественного и искусственного требовало контроля человека.
Случай 3. Управление неопределенностью при раннем предупреждении. В тесте EEW ИИ предсказал сильное землетрясение М6,0 за первые 3 секунды; На самом деле инцидент был M7.1. Система обновляла прогноз по мере развития волны, и предупреждение было доставлено с долей неопределенности, поскольку магнитуда насыщения была известна. Урок: обновленный дизайн, который не учитывает первое предположение, спасает жизни.
Четыре копируемых шаблона
1) Контроль разделения фаз:
Ваша роль: сейсмолог. Я хочу контролировать время P/S, определяемое сортировщиком фаз YZ. Как интерпретировать остаточные значения в решении положения, выше какого порога просматривать станцию, как извлечь ошибочно выделенную фазу? Дайте работоспособный поток управления.
2) Фильтр ложного обнаружения:
В моем автоматическом каталоге землетрясений есть подозрение на искусственные источники (взрывы, культурный шум). На какие критерии (повторяющееся местоположение/время, характер формы волны, частотный состав) мне следует обратить внимание, чтобы отличить их от естественных землетрясений? Создайте контрольный список.
3) Сообщение о неопределенности размера:
В контексте раннего предупреждения я оценил масштабы с первых секунд. Как мне принять во внимание насыщенность и неопределенность магнитуды, как обновить оценку по мере развития волны, как выразить предупреждение с долей неопределенности? Скажите это просто.
4) Напоминание об ограничении прогноза:
Ваша роль: консультант по этике сейсмологии. Менеджер просит меня с помощью ИИ предсказать «дату следующего землетрясения». Напишите о том, почему детерминистический прогноз землетрясений не является научным, какие законные вероятностные продукты опасности я могу предложить вместо этого и как я могу честно объяснить пределы.
Слабая подсказка / Сильная подсказка
Слабая подсказка:
Предскажите с помощью ИИ, когда произойдет следующее землетрясение в этом регионе.
Научно невозможное и неэтичное требование; Если ИИ создаст сфабрикованную уверенность, это причинит вред.
Мощная подсказка:
Ваша роль: сейсмолог. Контекст: региональная сеть, непрерывные данные. Задача: (1) Написать этапы пополнения каталога с выделением фазы AI; (2) описать, как контролировать риски ложного обнаружения (детонации/шума) и промаха; (3) Покажите мне, как сообщать о результатах на языке ВЕРОЯТНОЙ опасности. СОЗДАНИЕ детерминированного дневного прогноза; Укажите, что это ненаучно.
Система, которая отделяет законные догадки от ненаучных и требует проверки, требует ответственности в этой области.
Задачи и роль ИИ
Квест
Сила ИИ
Основной риск
человеческий контроль
Фазовая экстракция
очень высокий
неправильное прибытие
Остаточный анализ
обнаружение землетрясения
очень высокий
Ошибка/промах
Аудит каталога
Оценка размера
высокий
насыщение
предел неопределенности
раннее предупреждение
высокий
ложная тревога
Многослойная система
предсказание будущего
Нет (ненаучный)
вводить в заблуждение
отклонить
Распространенные ошибки
- Использование автоматического каталога без его проверки. Ложное обнаружение и детонация могут привести к утечке.
- Установка времени фазы на место без какого-либо контроля. Незначительная ошибка извлечения нарушает локацию.
- Считая первую оценку размера точной. Происходит насыщение размеров.
- Доверяя EEW одной модели. Безопасность жизнедеятельности требует многоуровневой проверки.
- Создание детерминированного прогноза землетрясений. Это ненаучно; Направляйтесь к возможной опасности.
В заключение
Сейсмология землетрясений — одна из областей геофизики, в которой ИИ наиболее силен: он в десять раз увеличивает каталоги при выделении фаз и обнаружении микроземлетрясений, экономя секунды на раннем предупреждении. Но это область, неразрывно связанная с безопасностью жизнедеятельности; Ложное обнаружение, помехи от взрывов, насыщение магнитуды и ложная тревога представляют собой реальные риски. ИИ дремлет; Сейсмолог контролирует остаток с помощью анализа, естественно-искусственного разделения и многослойной системы. И непреложный предел: прогнозировать день будущего землетрясения ненаучно, законна только вероятностная оценка опасности.
Задача приложения
Рассмотрим сценарий непрерывных сейсмических данных. Извлеките выходные данные экстрактора AI из потока управления с помощью анализа остатков с помощью шаблона «Управление фазовой экстракцией». Затем создайте контрольный список, чтобы отличить взрыв/шум от естественного землетрясения, используя шаблон «Фильтр ложного обнаружения». Наконец, напишите своими словами, как бы вы честно установили границы, если бы вас попросили «предсказать следующее землетрясение» с кем-то.
контрольный список
- [ ] Я проверил время фазы AI с помощью анализа остатков.
- [ ] Я очистил автоматический каталог на предмет ложного обнаружения/взрыва.
- [ ] Я выразил оценку размера с долей неопределенности.
- [ ] Я основывал раннее предупреждение на многоуровневой проверке, а не на какой-то одной модели.
- [ ] Я отклонил запрос на детерминистический прогноз землетрясений и отнес его к вероятностной опасности.