曾經，地震預警系統是少數幾個擁有先進地震監測網絡的國家的專屬；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測網絡，成功在全球部分地區探測地震，并向98個國家的安卓手機用戶發送了早期預警。

7月17日，這項成果以封面論文形式在Science發表。同一天，Science和Nature都報道了這項“黑科技”。在論文中，研究者將該系統與美國、日本的地震監測網絡進行對比，結果，該系統的誤差最低，并且發出的警報數量比其他兩個系統多出一個數量級。

撰文 | Ren

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象，至今仍是全球許多社區面臨的嚴峻挑戰。

我們現在已經能很快定位地震發生的地點，也學會了如何建造能抵御強震的建筑，但災難性的地震依然時有發生，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十年時間，而且建筑物內部墜落的物體也可能導致人員傷亡。面對這些挑戰，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的影響。

地震預警（EEW）系統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。中國也有地震預警臺網，可以通過短信、微信小程序、地震預警App、IPTV網絡電視等平臺提供及時的預警信息。但這些系統都依賴于國家地震監測網絡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警能力已經掌握在每個人手中。雖然手機內置的加速度計敏感度不如傳統地震監測網絡中的專業儀器，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，就是由谷歌開發的一項創新技術——安卓地震警報（AEA）系統。它巧妙地利用了我們日常使用的安卓智能手機網絡，在全球范圍內探測地震，并向手機用戶發送早期預警。7月17日，這項研究成果在Science雜志以封面論文形式發表。


7月17日，Science雜志封面 | 圖源：Science網站

這個系統的目標很簡單，就是盡可能地在全球更多地震易發區域提供有用且及時的警報。它不僅是對現有國家預警系統的有力補充，還包含了統一的用戶反饋機制。


圖 | 論文標題

核心技術揭秘：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系統利用的原理與傳統的地震探測系統異曲同工，都基于地震波的傳播特性。

當一部安卓智能手機處于靜止狀態時，它的加速度計會試圖監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）產生的振動。一旦單個手機檢測到這種異動并觸發，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）發送到谷歌的服務器。


AEA系統監測到的地震事件分布圖 | 圖源：論文

接下來，服務器會像偵探一樣，根據時間和空間上的觸發分布，尋找符合條件的地震源。當一個潛在的地震源滿足了觀測數據，并且置信度足夠高時，系統就會宣布發生地震，并根據P波和S波的到達時間和振幅，估算出地震的震級、震源深度和發震時間。

這項地震探測功能作為Google Play服務核心系統軟件的一部分而部署，這意味著它在大多數支持Google play 服務的安卓智能手機上都是默認開啟的。考慮到安卓手機占據了全球智能手機市場約70%的份額，這項系統幾乎能覆蓋任何有人居住的地方，提供地震探測能力。

據谷歌發表的論文披露，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據，其AEA系統總共探測到了11231次疑似地震事件。其中，85%的地震與傳統地震目錄中列出的地震相匹配，該系統能夠自動提取這些地震，以進行檢測驗證。

對于匹配的事件，傳統網絡測得的震級范圍從1.9級到 7.8級不等。當然，系統的探測能力也取決于手機的分布以及地震發生時周圍的噪音（比如四周環境的震動）。

所有無法匹配的事件都經過了人工審查，結合用戶調查反饋、谷歌搜索收集到的震感報告以及波形和觸發數據的分析，以驗證它們是否真的是地震。

在地震預警中，最具有挑戰性的地震源參數是震級的快速測定。任何震級估算上的延遲，都意味著用戶接收預警的延遲。

在地震發生期間，隨著地面震動的發展和更多手機觀測數據傳輸到服務器，地震源參數幾乎每秒都會更新。AEA系統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警時間，而最大震級估算則能在最大的區域生成警報。

在過去三年里，隨著檢測系統的不斷改進，AEA的震級估算準確性有了顯著提升，首次震級估算的絕對誤差中位數從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趨勢 | 圖源：論文

這一長期改進的最重要原因，是地震區域檢測模型的開發。

谷歌團隊開發了算法來分析收集到的信號，這些信號包含由于地質和建筑結構造成的區域差異、衰減特征，并考慮了不同手機型號如何記錄地面運動。它們提供了數據驅動的區域性標定，將觸發手機的數量等參數與估算的震級聯系起來，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已經向全球98個國家發送了警報。在大多數國家，這些警報都源于安卓自身的事件檢測。AEA的首要任務，與所有EEW系統一樣，是針對那些對當地居民構成威脅的中等至大震級地震。

因此，系統會對估測震級達到或超過4.5級的地震發出警報，并發送到預計會經歷修正麥加利震級（MMI）3級或以上震感的區域。

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、以及當地地質條件都有關系，一次地震在不同地方的烈度有所不同。

AEA系統主要發送兩種類型的警報信息。當估測震級達到或超過4.5級時，如果預計區域烈度在5度或以上，系統會發送“TakeAction”（立即行動）警報；如果預計區域烈度在3度或4度，則會發送“BeAware”（注意）警報。

這些警報以八邊形區域的形式發送，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警報的設計，都基于最佳實踐和實際反饋。

TakeAction警報會突破所有“勿擾”設置，占據整個屏幕，并播放響亮且獨特的提示音。它的設計目的是立即吸引用戶注意力，并促使他們采取保護措施，在大多數國家，這通常是“趴下、掩護、抓牢”（DCHO）。

而BeAware警報則以類似其他標準手機通知的方式出現，并帶有獨特的提示音，它不會突破“勿擾”設置。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送了警報。而如今，全球能夠接收到警報的人數已經達到了25億。谷歌表示，自這套預警系統投入使用以來，獲得地震警報的人數比2019年增加了十倍。

那么，AEA的警報準確性如何呢？

論文將AEA與使用傳統地震監測網絡的美國ShakeAlert和日本JMA EEW系統的震級估算誤差進行了比較。結果顯示，這三個系統的誤差非常相似。


AEA與其他地震預警系統的數據對比 | 圖源：論文

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出警報。

AEA的誤差最低，并且發出的警報數量比其他兩個系統多出一個數量級。在2024年3月31日之前，AEA共向安卓手機發出了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，一次是由于大規模通知事件導致許多手機同時振動。

研究團隊表示，通過從這些事件中學習，AEA系統擴大了聲源參數范圍，提高了發出警報所需的置信度，并且改進了算法對其他導致手機振動事件的識別能力。

從實踐中學習

對于所有地震預警系統而言，最大的挑戰莫過于應對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，最大規模的地震莫過于2023年2月6日土耳其-敘利亞發生7.8級帕扎爾哲克和7.5級埃爾比斯坦地震——連續兩起，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，它在發震后7.1秒的初始震級估算為4.5，11.6秒后修改為4.9。總共發出了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，預警時間從幾秒到一分多鐘不等。

很顯然，AEA系統低估了土耳其發生的兩次強震的震級。

事后分析也暴露了當時檢測算法的一些局限性，并促使谷歌團隊改進了系統。例如，修改前的算法只允許在首次檢測后10秒內更新地震參數，改進后擴大到了30秒，并在更新警報前對地震參數的變化率進行其他檢查。

此外，經過團隊復盤，土耳其地震發生時，監測池中存在大量 “高噪音”的手機（所處環境存在過多震動或干擾），它們觸發較慢，甚至等地震中最先到達的P波過去之后才觸發，導致系統低估震級或發送延遲的警報。

為了解決這個問題，AEA系統對哪些手機可以納入監測池變得更加挑剔。每部手機在用作監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，以優化系統的準確性。

谷歌團隊利用改進后的算法，對土耳其地震收集到的數據進行模擬運行后發現，新算法在發震后6.3秒就生成了4.6的初始震級。隨后，震級在24秒內攀升至最大值7.4。估算準確率大幅提升。

用戶的反饋與信任

AEA系統的最終目的是向人們提供有用且可操作的警報。為此，系統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查。該調查包含六個問題，支持24種語言。

從2023年2月5日到2024年4月30日，共有超過155萬人回應了這項調查，他們都收到了地震預警。這些人所在地區共發送了4.12億次警報。


受訪者的回應 | 圖源：論文

在所有受訪者中，85%的人表示預警“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%的人在震感結束之后收到。

此外，警報也帶來了另一個好處。地震發生后，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系統未來的有效性來說，用戶信任是至關重要的。在受訪者中，84%的人表示下次會更信任系統，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，不再接收未來警報。但系統運行三年以來，只有0.1%的用戶禁用了警報。這充分說明了用戶對AEA系統的認可和信任。

未來，不僅僅是警報

低成本傳感器在消費產品中的普及，為我們提供了對物理環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模。AEA系統正在將智能手機轉化為全球地震觀測站，并將這些信息轉化為有用的警報。

雖然地震預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人的生命。這項研究展現了智能手機用于大規模地震檢測并發出警告的潛力，其有效性甚至可與國家級地震預警系統相媲美。

“大地震仍然是所有地震預警系統最重要和最具挑戰性的事件，而AEA的全球實施支持了通過快速、大規模的數據收集和對算法的反饋來改進檢測的工作。”研究團隊表示。

當然，這并不意味著AEA能夠完全取代國家級地震預警系統。由于對谷歌第三方服務、算法的依賴，AEA在專業性、穩定性、隱私數據安全等層面仍難以挑戰國家地震預警系統的權威。它更像是一種輔助服務。

未來，AEA檢測系統還可以提供額外的地震信息，從而進一步減少危害。例如，在沒有地震預警網絡的區域，檢測小地震可以幫助我們更好地了解地下斷層和相關危害。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，這對于應急響應至關重要。通過多次地震聚合的烈度觀測數據，還可以支持全球范圍內改進區域災害模型。

曾經，地震預警系統是少數幾個擁有先進地震網絡的國家的專屬。而如今，得益于我們每個人口袋里的智能手機，地震預警正變得觸手可及，甚至已經覆蓋了全球25億人。

在重大災難預警領域，安卓地震警報系統證明了消費級設備的巨大潛力，更通過持續的技術改進，不斷提升著預警的準確性和實用性。

這不僅僅是一項技術突破，更是一場關于如何更好地與自然災害共存的社會實踐。盡管關于數據透明度的問題仍需更多討論，但谷歌與學術界的共同努力，無疑為全球地震預警帶來了新的啟示。

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