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人民日報客戶端 2025-08-17 16:14:38
曾經(jīng)，地震預(yù)警系統(tǒng)是少數(shù)幾個擁有先進地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的國家的專屬；而如今，谷歌巧妙地將全球逾20億部安卓手機連接成一張巨大的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，成功在全球部分地區(qū)探測地震，并向98個國家的安卓手機用戶發(fā)送了早期預(yù)警。
7月17日，這項成果以封面論文形式在Science發(fā)表。同一天，Science和Nature都報道了這項“黑科技”。在論文中，研究者將該系統(tǒng)與美國、日本的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行對比，結(jié)果，該系統(tǒng)的誤差最低，并且發(fā)出的警報數(shù)量比其他兩個系統(tǒng)多出一個數(shù)量級。
地球母親的脾氣有時難以捉摸。地震，這個古老而又充滿破壞力的自然現(xiàn)象，至今仍是全球許多社區(qū)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
我們現(xiàn)在已經(jīng)能很快定位地震發(fā)生的地點，也學(xué)會了如何建造能抵御強震的建筑，但災(zāi)難性的地震依然時有發(fā)生，造成成千上萬的傷亡。
即便擁有足夠的資源，要替換所有老舊、脆弱的建筑物也需要數(shù)十年時間，而且建筑物內(nèi)部墜落的物體也可能導(dǎo)致人員傷亡。面對這些挑戰(zhàn)，我們必須不斷尋找新的策略，來減輕未來地震在全球范圍內(nèi)的影響。
地震預(yù)警（EEW）系統(tǒng)正是這樣一種重要的策略。
目前，日本、韓國、美國、墨西哥等國家都部署了全國范圍的EEW系統(tǒng)。中國也有地震預(yù)警臺網(wǎng)，可以通過短信、微信小程序、地震預(yù)警App、IPTV網(wǎng)絡(luò)電視等平臺提供及時的預(yù)警信息。但這些系統(tǒng)都依賴于國家地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中部署的固定地震臺。
而如今，隨著智能手機的普及，這種尖端的傳感和預(yù)警能力已經(jīng)掌握在每個人手中。雖然手機內(nèi)置的加速度計敏感度不如傳統(tǒng)地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)儀器，但在算法的幫助下，它們依然能探測到地面運動和震動。
今天的主角，就是由谷歌開發(fā)的一項創(chuàng)新技術(shù)——安卓地震警報（AEA）系統(tǒng)。它巧妙地利用了我們?nèi)粘Ｊ褂玫陌沧恐悄苁謾C網(wǎng)絡(luò)，在全球范圍內(nèi)探測地震，并向手機用戶發(fā)送早期預(yù)警。7月17日，這項研究成果在Science雜志以封面論文形式發(fā)表。
這個系統(tǒng)的目標(biāo)很簡單，就是盡可能地在全球更多地震易發(fā)區(qū)域提供有用且及時的警報。它不僅是對現(xiàn)有國家預(yù)警系統(tǒng)的有力補充，還包含了統(tǒng)一的用戶反饋機制。
核心技術(shù)揭秘：智能手機如何“感知”地震
那么，你的安卓手機是如何搖身一變，成為“地震儀”的呢？其實，AEA系統(tǒng)利用的原理與傳統(tǒng)的地震探測系統(tǒng)異曲同工，都基于地震波的傳播特性。
當(dāng)一部安卓智能手機處于靜止?fàn)顟B(tài)時，它的加速度計會試圖監(jiān)測加速度的突然增加，這正是地震中P波（初波或縱波）和S波（次波或橫波）產(chǎn)生的振動。一旦單個手機檢測到這種異動并觸發(fā)，它就會將加速度信息和一個近似位置（為了保護隱私，位置信息會進行模糊化處理）發(fā)送到谷歌的服務(wù)器。
接下來，服務(wù)器會像偵探一樣，根據(jù)時間和空間上的觸發(fā)分布，尋找符合條件的地震源。當(dāng)一個潛在的地震源滿足了觀測數(shù)據(jù)，并且置信度足夠高時，系統(tǒng)就會宣布發(fā)生地震，并根據(jù)P波和S波的到達時間和振幅，估算出地震的震級、震源深度和發(fā)震時間。
這項地震探測功能作為Google Play服務(wù)核心系統(tǒng)軟件的一部分而部署，這意味著它在大多數(shù)支持Google play 服務(wù)的安卓智能手機上都是默認開啟的?？紤]到安卓手機占據(jù)了全球智能手機市場約70%的份額，這項系統(tǒng)幾乎能覆蓋任何有人居住的地方，提供地震探測能力。
據(jù)發(fā)表的論文披露，從2021年4月1日到2024年3月31日，他們利用了超過20億部手機的運動傳感器來收集數(shù)據(jù)，其AEA系統(tǒng)總共探測到了11231次疑似地震事件。其中，85%的地震與傳統(tǒng)地震目錄中列出的地震相匹配，該系統(tǒng)能夠自動提取這些地震，以進行檢測驗證。
對于匹配的事件，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測得的震級范圍從1.9級到7.8級不等。當(dāng)然，系統(tǒng)的探測能力也取決于手機的分布以及地震發(fā)生時周圍的噪音（比如四周環(huán)境的震動）。
所有無法匹配的事件都經(jīng)過了人工審查，結(jié)合用戶調(diào)查反饋、谷歌搜索收集到的震感報告以及波形和觸發(fā)數(shù)據(jù)的分析，以驗證它們是否真的是地震。
在地震預(yù)警中，最具有挑戰(zhàn)性的地震源參數(shù)是震級的快速測定。任何震級估算上的延遲，都意味著用戶接收預(yù)警的延遲。
在地震發(fā)生期間，隨著地面震動的發(fā)展和更多手機觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，地震源參數(shù)幾乎每秒都會更新。AEA系統(tǒng)會提供首次震級估算和最大震級估算。首次估算很重要，因為它能提供最長的預(yù)警時間，而最大震級估算則能在最大的區(qū)域生成警報。
在過去三年里，隨著檢測系統(tǒng)的不斷改進，AEA的震級估算準(zhǔn)確性有了顯著提升，首次震級估算的絕對誤差中位數(shù)從0.50降低到了0.25。
這一長期改進的最重要原因，是地震區(qū)域檢測模型的開發(fā)。
研究團隊開發(fā)了算法來分析收集到的信號，這些信號包含由于地質(zhì)和建筑結(jié)構(gòu)造成的區(qū)域差異、衰減特征，并考慮了不同手機型號如何記錄地面運動。它們提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動的區(qū)域性標(biāo)定，將觸發(fā)手機的數(shù)量等參數(shù)與估算的震級聯(lián)系起來，從而有效修正震級估算。
警報傳遞與用戶體驗
截至2024年5月，AEA已經(jīng)向全球98個國家發(fā)送了警報。在大多數(shù)國家，這些警報都源于安卓自身的事件檢測。AEA的首要任務(wù)，與所有EEW系統(tǒng)一樣，是針對那些對當(dāng)?shù)鼐用駱?gòu)成威脅的中等至大震級地震。
因此，系統(tǒng)會對估測震級達到或超過4.5級的地震發(fā)出警報，并發(fā)送到預(yù)計會經(jīng)歷修正麥加利震級（MMI）3級或以上震感的區(qū)域。
盡管一次地震只有一個震級估算值，但烈度與地震深度、震中距離、以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件都有關(guān)系，一次地震在不同地方的烈度有所不同。
AEA系統(tǒng)主要發(fā)送兩種類型的警報信息。當(dāng)估測震級達到或超過4.5級時，如果預(yù)計區(qū)域烈度在5度或以上，系統(tǒng)會發(fā)送“TakeAction”（立即行動）警報；如果預(yù)計區(qū)域烈度在3度或4度，則會發(fā)送“BeAware”（注意）警報。
這些警報以八邊形區(qū)域的形式發(fā)送，以模擬震感范圍的圓形形狀。八邊形頂點距震中的距離由估測震級和地震深度決定。
TakeAction和BeAware警報的設(shè)計，都基于最佳實踐和實際反饋。
TakeAction警報會突破所有“勿擾”設(shè)置，占據(jù)整個屏幕，并播放響亮且獨特的提示音。它的設(shè)計目的是立即吸引用戶注意力，并促使他們采取保護措施，在大多數(shù)國家，這通常是“趴下、掩護、抓牢”（DCHO）。
而BeAware警報則以類似其他標(biāo)準(zhǔn)手機通知的方式出現(xiàn)，并帶有獨特的提示音，它不會突破“勿擾”設(shè)置。點擊任何警報，用戶都會進入一個地震安全頁面，其中包含地震后的應(yīng)對提示、谷歌搜索提供的更多地震信息。
AEA的推出始于2020年8月11日，在美國加利福尼亞州發(fā)送了警報。而如今，全球能夠接收到警報的人數(shù)已經(jīng)達到了25億。團隊表示，自這套預(yù)警系統(tǒng)投入使用以來，獲得地震警報的人數(shù)比2019年增加了十倍。
那么，AEA的警報準(zhǔn)確性如何呢？
論文將AEA與使用傳統(tǒng)地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的美國ShakeAlert和日本JMA EEW系統(tǒng)的震級估算誤差進行了比較。結(jié)果顯示，這三個系統(tǒng)的誤差非常相似。
AEA和ShakeAlert都使用4.5級的警報閾值，并且誤差較低。JMA的誤差略高，但它也只針對更大的地震發(fā)出警報。
AEA的誤差最低，并且發(fā)出的警報數(shù)量比其他兩個系統(tǒng)多出一個數(shù)量級。在2024年3月31日之前，AEA共向安卓手機發(fā)出了1279次警報，只有3次是誤報。其中，兩次是由于雷暴天氣引起的，一次是由于大規(guī)模通知事件導(dǎo)致許多手機同時振動。
研究團隊表示，通過從這些事件中學(xué)習(xí)，AEA系統(tǒng)擴大了聲源參數(shù)范圍，提高了發(fā)出警報所需的置信度，并且改進了算法對其他導(dǎo)致手機振動事件的識別能力。
從實踐中學(xué)習(xí)
對于所有地震預(yù)警系統(tǒng)而言，最大的挑戰(zhàn)莫過于應(yīng)對7.5級以上的大地震，因為它們極具破壞力。
自AEA投入使用以來，最大規(guī)模的地震莫過于2023年2月6日土耳其-敘利亞發(fā)生7.8級帕扎爾哲克和7.5級埃爾比斯坦地震——連續(xù)兩起，間隔只有9個小時。
AEA成功檢測到了這兩次地震。對于第一次地震，它在發(fā)震后7.1秒的初始震級估算為4.5，11.6秒后修改為4.9?？偣舶l(fā)出了51萬次BeAware警報，覆蓋范圍達64公里。
在第二次地震中，初始震級估算為6.1級，隨后增加到6.3級，僅用時20多秒。共有近395萬部手機收到了BeAware警報，預(yù)警時間從幾秒到一分多鐘不等。
很顯然，AEA系統(tǒng)低估了土耳其發(fā)生的兩次強震的震級。
事后分析也暴露了當(dāng)時檢測算法的一些局限性，并促使研究團隊改進了系統(tǒng)。例如，修改前的算法只允許在首次檢測后10秒內(nèi)更新地震參數(shù)，改進后擴大到了30秒，并在更新警報前對地震參數(shù)的變化率進行其他檢查。
此外，經(jīng)過團隊復(fù)盤，土耳其地震發(fā)生時，監(jiān)測池中存在大量 “高噪音”的手機（所處環(huán)境存在過多震動或干擾），它們觸發(fā)較慢，甚至等地震中最先到達的P波過去之后才觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)低估震級或發(fā)送延遲的警報。
為了解決這個問題，AEA系統(tǒng)對哪些手機可以納入監(jiān)測池變得更加挑剔。每部手機在用作監(jiān)測時都會確定其噪音水平，并且這個噪音水平會被納入檢測算法，以優(yōu)化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
研究團隊利用改進后的算法，對土耳其地震收集到的數(shù)據(jù)進行模擬運行后發(fā)現(xiàn)，新算法在發(fā)震后6.3秒就生成了4.6的初始震級。隨后，震級在24秒內(nèi)攀升至最大值7.4。估算準(zhǔn)確率大幅提升。
用戶的反饋與信任
AEA系統(tǒng)的最終目的是向人們提供有用且可操作的警報。為此，系統(tǒng)會向用戶征求信息和反饋，以了解他們對所收到警報的看法以及采取的行動。
當(dāng)用戶點擊任何AEA警報時，都會看到一個包含安全提示和地震信息的頁面。在該頁面底部，還有一個鏈接，邀請他們在閱讀知情同意信息后參與用戶反饋調(diào)查。該調(diào)查包含六個問題，支持24種語言。
從2023年2月5日到2024年4月30日，共有超過155萬人回應(yīng)了這項調(diào)查，他們都收到了地震預(yù)警。這些人所在地區(qū)共發(fā)送了4.12億次警報。
在所有受訪者中，85%的人表示預(yù)警“非常有幫助”。36%的人表示在有震感之前收到了警報，28%的人在有震感期間收到，23%的人在震感結(jié)束之后收到。
此外，警報也帶來了另一個好處。地震發(fā)生后，人們對即時信息有強烈的需求，而警報恰好提供了這些信息，并附帶了更多拓展鏈接——有30%的人主動分享了地震信息——這可以幫助更多的人。
對于AEA系統(tǒng)未來的有效性來說，用戶信任是至關(guān)重要的。在受訪者中，84%的人表示下次會更信任系統(tǒng)，13%的人表示沒有影響他們的信任，只有3%的人表示未來會更不信任。
用戶也可以選擇退出該系統(tǒng)，不再接收未來警報。但系統(tǒng)運行三年以來，只有0.1%的用戶禁用了警報。這充分說明了用戶對AEA系統(tǒng)的認可和信任。
未來，不僅僅是警報
低成本傳感器在消費產(chǎn)品中的普及，為我們提供了對物理環(huán)境進行觀測的全新機會，而且這些觀測既密集又具有全球規(guī)模。AEA系統(tǒng)正在將智能手機轉(zhuǎn)化為全球地震觀測站，并將這些信息轉(zhuǎn)化為有用的警報。
雖然地震預(yù)警往往只能提供幾秒鐘的提前量，但是這寶貴的幾秒已可拯救無數(shù)人的生命。這項研究展現(xiàn)了智能手機用于大規(guī)模地震檢測并發(fā)出警告的潛力，其有效性甚至可與國家級地震預(yù)警系統(tǒng)相媲美。
“大地震仍然是所有地震預(yù)警系統(tǒng)最重要和最具挑戰(zhàn)性的事件，而AEA的全球?qū)嵤┲С至送ㄟ^快速、大規(guī)模的數(shù)據(jù)收集和對算法的反饋來改進檢測的工作?！毖芯繄F隊表示。
當(dāng)然，這并不意味著AEA能夠完全取代國家級地震預(yù)警系統(tǒng)。由于對谷歌第三方服務(wù)、算法的依賴，AEA在專業(yè)性、穩(wěn)定性、隱私數(shù)據(jù)安全等層面仍難以挑戰(zhàn)國家地震預(yù)警系統(tǒng)的權(quán)威。它更像是一種輔助服務(wù)。
未來，AEA檢測系統(tǒng)還可以提供額外的地震信息，從而進一步減少危害。例如，在沒有地震預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，檢測小地震可以幫助我們更好地了解地下斷層和相關(guān)危害。密集、本地化和實時的地面運動觀測可以提供快速的震后烈度圖，這對于應(yīng)急響應(yīng)至關(guān)重要。通過多次地震聚合的烈度觀測數(shù)據(jù)，還可以支持全球范圍內(nèi)改進區(qū)域災(zāi)害模型。
曾經(jīng)，地震預(yù)警系統(tǒng)是少數(shù)幾個擁有先進地震網(wǎng)絡(luò)的國家的專屬。而如今，得益于我們每個人口袋里的智能手機，地震預(yù)警正變得觸手可及，甚至已經(jīng)覆蓋了全球25億人。
在重大災(zāi)難預(yù)警領(lǐng)域，安卓地震警報系統(tǒng)證明了消費級設(shè)備的巨大潛力，更通過持續(xù)的技術(shù)改進，不斷提升著預(yù)警的準(zhǔn)確性和實用性。
這不僅僅是一項技術(shù)突破，更是一場關(guān)于如何更好地與自然災(zāi)害共存的社會實踐。盡管關(guān)于數(shù)據(jù)透明度的問題仍需更多討論，但學(xué)術(shù)界的共同努力，無疑為全球地震預(yù)警帶來了新的啟示。
責(zé)編：王銘俊
一審：王銘俊
二審：劉文韜
三審：劉文韜
來源：人民日報客戶端
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