震动事物：波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究人员如何通过人工智能推动地震理解
1月27日，新英格兰地区的房屋、办公室和大学的地板震动了大约20秒。一些人认为是一辆大卡车在外面行驶。其他人感觉到震动，知道更大的事情即将发生：缅因州海岸附近发生3.8级地震。
当地的社交媒体页面和论坛上充斥着难以置信的声音。新英格兰发生地震？布林克报告说，这个地区每十年才发生一次这样的地震。然而，其他地区，特别是太平洋周围的地区，更频繁地经历这种情况。就在刚刚过去的12月，加利福尼亚海岸发生了7.0级地震，3月3日，伯班克发生了3.9级地震。最近，缅甸第二大城市发生了7.7级地震，造成严重破坏。
我们无法控制地震何时发生，但人工智能能否增强对地震的探测、监测、理解和早期预警？我们会见了工程副教授Brian Kulis， （ECE， CS， SE），哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所人工智能澳门威尼斯人注册网站研究计划核心学院，CISE附属学院和计算与数据科学学院。库利斯在哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所重点澳门威尼斯人注册网站研究项目（FRP）“人工智能理解地震”中分享了他的团队的发现。
一切从海浪开始
库利斯职业生涯的大部分时间都在澳门威尼斯人注册网站研究机器学习和人工智能模型。除了在波士顿大学工作外，库利斯还在Alexa AI领域担任亚马逊学者，创建基于声波的AI模型。
“在音乐领域，有这些核心任务，”库利斯说。“例如，如果我给（AI模型）一段音乐，它能识别流派吗？如果我给它一段音乐，它能识别出是哪个调吗？如果我给它一段音乐，它能识别节拍和速度吗？有一些不同的问题被认为是机器学习算法可能想要解决的标准核心音乐问题。”
作为人工智能领域的专家，库利斯与哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所社区的其他澳门威尼斯人注册网站研究人员联系在一起，讨论人工智能的应用。在“人工智能理解地震研讨会”的一次谈话中，库利斯意识到将他在声波中的人工智能澳门威尼斯人注册网站研究应用于地震波是有潜力的。
库利斯说：“地震是他们确实有人在澳门威尼斯人注册网站研究使用人工智能的领域之一，但他们不是人工智能方面的专家，所以他们做的很多事情都比较简单。”“他们使用的很多技术都不是最新的先进技术。我认为在我所从事的领域工作的人有很大的潜力来支持这项澳门威尼斯人注册网站研究。”
库利斯和他的团队一起申请了哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所的FRP，以进一步揭示人工智能在地震领域的潜力。FRP奖励他们10万美元和一年的时间在哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所的社区进行这项融合澳门威尼斯人注册网站研究，从而获得了一项75万美元、为期三年的NSF资助，题为“地震理解的大型基础模型”。
建筑模型
库利斯与波士顿大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory， LANL）和哈佛大学的人工智能和地球科学专家合作，澳门威尼斯人注册网站研究了当前的地震数据，以帮助建立人工智能模型。
帕克菲尔德实验旨在了解圣安德烈亚斯断层地震的物理学原理。自1985年以来，该实验利用传感器收集了地震、电磁和变形数据。Kulis和他的团队主要使用这些数据，以及来自欧洲的STEAD数据集和数据，来探索深度学习体系结构模型，如状态空间模型、音频编码器、时间序列预测和新的基于转换器的语言体系结构。
库利斯说：“这些模型正在进行一种叫做自我监督学习的学习，它们从地震数据中提取一小段时间，然后将其压缩成一些非常小的表示。”然后，该模型试图将其解压缩回原始地震数据。该模型基本上是在学习获取地震数据并提取最重要的信息，这样它就可以从这一点信息中重建地震数据。”
状态空间模型的使用将库利斯的澳门威尼斯人注册网站研究与其他现有澳门威尼斯人注册网站研究区分开来，因为这是他在分析声波时使用的模型。状态空间模型是时间序列模型，考虑当前情况、情况如何变化以及哪些因素可能导致变化。
库利斯说：“对于我们澳门威尼斯人注册网站研究过的（音乐领域）的所有问题，状态空间模型击败了最先进的技术，这令人惊讶，因为它不需要大量的算法创新。”“它只需要将这些工具应用于这些问题，并看到它们做得非常非常好。”
这些模型在准确分析数据方面的成功可以为更广泛的应用打开大门，比如从视频监控摄像机中收集数据。
扩大澳门威尼斯人注册网站研究：视频监控摄像机
随着专门为地震探测和监测创建的人工智能模型的发展，库利斯的团队扩大了他们的重点，探索其他数据来源。FRP的这一部分由Hariri澳门威尼斯人注册网站研究所电子和计算机工程教授兼人工智能澳门威尼斯人注册网站研究计划附属学院Janusz Konrad领导。
一些地区有早期地震预警系统（EEWS）——旨在捕捉地震的最早迹象并向公众发出警报的系统。为了理解这些系统，将地震记录分解为两部分是有帮助的：P波和S波。
P波是地震的第一波。它们是最先到达一个区域的最快的波。S波跟随着P波。在地震图上，纵波和横波的距离越近，记录地震仪就离地震越近。
EEWS的设计目的是注意到这些初始波和震级，并向可能受地震影响的地区发出警报。通过与美国地质勘探局的震动警报EEWS合作，加州已经看到了这些系统的成功。EEWS已投入使用，并可在所有西海岸州公开获取，网址为https://www.shakealert.org/。
然而，其他地区负担不起EEWS的地震仪基础设施。哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所（Hariri Institute）人工智能澳门威尼斯人注册网站研究计划（AI in Research Initiative）的电气和计算机工程教授Konrad和Prakash Ishwar发现了另一个潜在的数据来源：视频监控摄像头，他们知道几秒钟的时间可以挽救生命。关键的想法是，在地震期间，相机振动，这些振动可以被测量，并用作地震仪数据的嘈杂代理。
“音频本质上和地震数据是一样的，”Kulis说。“地震数据是地震监测仪记录下来的，基本上看起来就像音频——它只是一个波。事实证明，音频模型可以很好地处理地震数据。”
澳门威尼斯人注册网站研究人员计划利用视频片段提取振动信息，并将其用于他们的人工智能模型中。虽然这些模型可能不那么可靠，但该团队希望将视频监控定位为EEWS的潜在替代品。
展望未来
通过创建能够准确探测和监测地震的人工智能模型，人们可以希望更好地了解地震。雷切尔·阿伯克龙比，地球与环境澳门威尼斯人注册网站研究教授，共同领导FRP的这一部分。
库利斯说：“地震学界有很多工作是澳门威尼斯人注册制造合成地震的，比如实验室地震。”“这不像真正的地震，所以人们不一定从这些实验室实验中了解地震是如何发生的。如果我们能够以某种方式查看地震读数的数据，我们可能能够了解导致地震的过程。”
除了加强对地震的了解之外，Kulis的团队还寻求在早期预警之外改进地震的短期预测。
“我们能预测是否会有另一波海啸来袭吗？如果是的话，我们能预测余震的强度吗？”库利斯说。“有各种各样的事情，即使我们可能无法预测一周后加州会发生地震，但预测是非常实用的。”
通过FRP项目和NSF的资助，Kulis和他的团队将继续他们的澳门威尼斯人注册网站研究，目标是在开源平台上与更大的科学界分享他们的发现。
库利斯说：“就使这个东西离开地面而言，FRP计划极其重要。“如果没有它，我不确定这些合作是否会发生。我们非常感谢有这个机会能够建立这种合作关系。”
Kulis和他的团队将在2025年5月8日的研讨会上介绍这一FRP。请与哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所保持联系，了解更多信息。