曾經(jīng)，地震預(yù)警系統(tǒng)是少數(shù)幾個(gè)擁有先進(jìn)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(jī)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(gè)國家的安卓手機(jī)用戶發(fā)送了早期預(yù)警。

7月17日，這項(xiàng)成果以封面論文形式在

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地球母親的脾氣有時(shí)難以捉摸。地震，這個(gè)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(diǎn)，也學(xué)會(huì)了如何建造能抵御強(qiáng)震的建筑，但災(zāi)難性的地震依然時(shí)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(shí)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(tái)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(tái)提供及時(shí)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(tái)。

而如今，隨著智能手機(jī)的普及，這種尖端的傳感和預(yù)警能力已經(jīng)掌握在每個(gè)人手中。雖然手機(jī)內(nèi)置的加速度計(jì)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(yùn)動(dòng)和震動(dòng)。

今天的主角，就是由谷歌開發(fā)的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)——安卓地震警報(bào)（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(jī)網(wǎng)絡(luò)，在全球范圍內(nèi)探測地震，并向手機(jī)用戶發(fā)送早期預(yù)警。7月17日，這項(xiàng)研究成果在Science雜志以封面論文形式發(fā)表。

7月17日，Science雜志封面 | 圖源：Science網(wǎng)站

這個(gè)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(shí)的警報(bào)。它不僅是對現(xiàn)有國家預(yù)警系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，還包含了統(tǒng)一的用戶反饋機(jī)制。

圖 | 論文標(biāo)題

核心技術(shù)揭秘：智能手機(jī)如何“感知”地震

那么，你的安卓手機(jī)是如何搖身一變，成為“地震儀”的呢？其實(shí)，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(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它的加速度計(jì)會(huì)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(dòng)。一旦單個(gè)手機(jī)檢測到這種異動(dòng)并觸發(fā)，它就會(huì)將加速度信息和一個(gè)近似位置（為了保護(hù)隱私，位置信息會(huì)進(jìn)行模糊化處理）發(fā)送到谷歌的服務(wù)器。

AEA系統(tǒng)監(jiān)測到的地震事件分布圖 | 圖源：論文

接下來，服務(wù)器會(huì)像偵探一樣，根據(jù)時(shí)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(gè)潛在的地震源滿足了觀測數(shù)據(jù)，并且置信度足夠高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)宣布發(fā)生地震，并根據(jù)P波和S波的到達(dá)時(shí)間和振幅，估算出地震的震級、震源深度和發(fā)震時(shí)間。

這項(xiàng)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(jī)上都是默認(rèn)開啟的。考慮到安卓手機(jī)占據(jù)了全球智能手機(jī)市場約70%的份額，這項(xiàng)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(jī)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)提取這些地震，以進(jìn)行檢測驗(yàn)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(jī)的分布以及地震發(fā)生時(shí)周圍的噪音（比如四周環(huán)境的震動(dòng)）。

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(bào)告以及波形和觸發(fā)數(shù)據(jù)的分析，以驗(yàn)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(dòng)的發(fā)展和更多手機(jī)觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，地震源參數(shù)幾乎每秒都會(huì)更新。AEA系統(tǒng)會(huì)提供首次震級估算和最大震級估算。首次估算很重要，因?yàn)樗芴峁┳铋L的預(yù)警時(shí)間，而最大震級估算則能在最大的區(qū)域生成警報(bào)。

在過去三年里，隨著檢測系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，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。

4.5級以上地震首次震級估算的絕對誤差中位數(shù)趨勢 | 圖源：論文

這一長期改進(jìn)的最重要原因，是地震區(qū)域檢測模型的開發(fā)。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了算法來分析收集到的信號(hào)，這些信號(hào)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(jī)型號(hào)如何記錄地面運(yùn)動(dòng)。它們提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的區(qū)域性標(biāo)定，將觸發(fā)手機(jī)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(bào)傳遞與用戶體驗(yàn)

截至2024年5月，AEA已經(jīng)向全球98個(gè)國家發(fā)送了警報(bào)。在大多數(shù)國家，這些警報(bào)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(huì)對估測震級達(dá)到或超過4.5級的地震發(fā)出警報(bào)，并發(fā)送到預(yù)計(jì)會(huì)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(gè)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(bào)信息。當(dāng)估測震級達(dá)到或超過4.5級時(shí)，如果預(yù)計(jì)區(qū)域烈度在5度或以上，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送“TakeAction”（立即行動(dòng)）警報(bào)；如果預(yù)計(jì)區(qū)域烈度在3度或4度，則會(huì)發(fā)送“BeAware”（注意）警報(bào)。

這些警報(bào)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(diǎn)距震中的距離由估測震級和地震深度決定。

TakeAction和BeAware警報(bào)的設(shè)計(jì)，都基于最佳實(shí)踐和實(shí)際反饋。

TakeAction警報(bào)會(huì)突破所有“勿擾”設(shè)置，占據(jù)整個(gè)屏幕，并播放響亮且獨(dú)特的提示音。它的設(shè)計(jì)目的是立即吸引用戶注意力，并促使他們采取保護(hù)措施，在大多數(shù)國家，這通常是“趴下、掩護(hù)、抓牢”（DCHO）。

而BeAware警報(bào)則以類似其他標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)通知的方式出現(xiàn)，并帶有獨(dú)特的提示音，它不會(huì)突破“勿擾”設(shè)置。點(diǎn)擊任何警報(bào)，用戶都會(huì)進(jìn)入一個(gè)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(bào)。而如今，全球能夠接收到警報(bào)的人數(shù)已經(jīng)達(dá)到了25億。團(tuán)隊(duì)表示，自這套預(yù)警系統(tǒng)投入使用以來，獲得地震警報(bào)的人數(shù)比2019年增加了十倍。

那么，AEA的警報(bào)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(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，這三個(gè)系統(tǒng)的誤差非常相似。

AEA與其他地震預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比 | 圖源：論文

AEA和ShakeAlert都使用4.5級的警報(bào)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(bào)。

AEA的誤差最低，并且發(fā)出的警報(bào)數(shù)量比其他兩個(gè)系統(tǒng)多出一個(gè)數(shù)量級。在2024年3月31日之前，AEA共向安卓手機(jī)發(fā)出了1279次警報(bào)，只有3次是誤報(bào)。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(jī)同時(shí)振動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，通過從這些事件中學(xué)習(xí)，AEA系統(tǒng)擴(kuò)大了聲源參數(shù)范圍，提高了發(fā)出警報(bào)所需的置信度，并且改進(jìn)了算法對其他導(dǎo)致手機(jī)振動(dòng)事件的識(shí)別能力。

從實(shí)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?yàn)樗鼈儤O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(gè)小時(shí)。

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(bào)，覆蓋范圍達(dá)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(shí)20多秒。共有近395萬部手機(jī)收到了BeAware警報(bào)，預(yù)警時(shí)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(qiáng)震的震級。

事后分析也暴露了當(dāng)時(shí)檢測算法的一些局限性，并促使研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)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(jìn)后擴(kuò)大到了30秒，并在更新警報(bào)前對地震參數(shù)的變化率進(jìn)行其他檢查。

此外，經(jīng)過團(tuán)隊(duì)復(fù)盤，土耳其地震發(fā)生時(shí)，監(jiān)測池中存在大量 “高噪音”的手機(jī)（所處環(huán)境存在過多震動(dòng)或干擾），它們觸發(fā)較慢，甚至等地震中最先到達(dá)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(bào)。

為了解決這個(gè)問題，AEA系統(tǒng)對哪些手機(jī)可以納入監(jiān)測池變得更加挑剔。每部手機(jī)在用作監(jiān)測時(shí)都會(huì)確定其噪音水平，并且這個(gè)噪音水平會(huì)被納入檢測算法，以優(yōu)化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

研究團(tuán)隊(duì)利用改進(jìn)后的算法，對土耳其地震收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運(yùn)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(bào)。為此，系統(tǒng)會(huì)向用戶征求信息和反饋，以了解他們對所收到警報(bào)的看法以及采取的行動(dòng)。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊任何AEA警報(bào)時(shí)，都會(huì)看到一個(gè)包含安全提示和地震信息的頁面。在該頁面底部，還有一個(gè)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(gè)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(xiàng)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(bào)。

受訪者的回應(yīng) | 圖源：論文

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(bào)，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(bào)也帶來了另一個(gè)好處。地震發(fā)生后，人們對即時(shí)信息有強(qiáng)烈的需求，而警報(bào)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(dòng)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(huì)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(huì)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(bào)。但系統(tǒng)運(yùn)行三年以來，只有0.1%的用戶禁用了警報(bào)。這充分說明了用戶對AEA系統(tǒng)的認(rèn)可和信任。

未來，不僅僅是警報(bào)

低成本傳感器在消費(fèi)產(chǎn)品中的普及，為我們提供了對物理環(huán)境進(jìn)行觀測的全新機(jī)會(huì)，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(jī)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(bào)。

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(xiàng)研究展現(xiàn)了智能手機(jī)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(jìn)檢測的工作?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)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(jìn)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(shí)時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)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(jìn)區(qū)域?yàn)?zāi)害模型。

曾經(jīng)，地震預(yù)警系統(tǒng)是少數(shù)幾個(gè)擁有先進(jìn)地震網(wǎng)絡(luò)的國家的專屬。而如今，得益于我們每個(gè)人口袋里的智能手機(jī)，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(bào)系統(tǒng)證明了消費(fèi)級設(shè)備的巨大潛力，更通過持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)，不斷提升著預(yù)警的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

這不僅僅是一項(xiàng)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(huì)實(shí)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。

參考資料

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads4779

[2] https://www.science.org/content/article/google-alerts-offer-quick-cheap-earthquake-warnings

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-025-02278-3

來源：返樸

編輯：千里雁啼

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