全国防灾减灾日

地震科研助手 让地震人拥有翱翔的翅膀

  
  导言
:“如果,给你5天的时间,傻瓜式的移动鼠标,就给从事繁琐的流程化劳动的专业人士创造出一个“机器人”,帮助你去操控与组合各种软件完成开发,这样的开发场景.......!如果,作为一位地震行业的科研工作者,收到地震短信后,来到震情会商室,坐下后,手机上微信铃声响起,一份专业的震情分析报告已经呈现在您的眼前,这样的工作场景.......!自动化让工作变得简单,智能化让研究变得轻松,科研工作者可用很少的时间从事更为高级的科技创新与开发,岂不美哉!现在,在地震行业,这些可能都不再是梦想.......”

 

  一、我们的动机

  ——人工智能和互联网+给地震人带来了解决瓶颈问题的新机遇

  随着经济社会快速发展,最近十年来地震科技已经步入“数据密集型科技”时代,数据呈指数级增加的同时也对地震科研人员提出新的要求。“科研跟着地震跑,地震一来从晚忙到早”,或许已经成为了众多地震科研工作者们生活的真实写照。

  时代的发展提示我们,如果不改变现有的地震信息处理模式,将越来越难满足地震监测预报的业务需求。一方面信息化已全面渗透并正在深刻影响着地震监测预报的发展理念、发展方式,影响着地震监测预报业务的服务结构、服务模式和地震监测预报管理的工作方式;另外一方面,近些年来并行计算、人工智能、GPU技术的长足进步,直接推动了自然语言处理(NLP)、大规模人工神经网络计算等智能化算法的发展,可以实现高效、自动处理信息数据。因此面向“十三五”,依托信息化建设,吸收大规模人工神经网络计算等先进技术,建立现代化与智能化地震会商技术系统,既是解决现有问题的需要,也是发挥现代科技优势,提高地震预测预报服务能力的关键所在。

  监测预报是地震部门的核心业务,是防震减灾工作的重要基础。地震预测科技需要发展新思路、迈出新步伐。按照中国地震局监测预报司《关于推进地震预报员制度建立等重点工作的通知》(中震测函〔2017〕7号)要求,由地球所牵头负责推进地震分析预报会商技术系统建设工作,组织编写会商技术系统整体设计方案。而地震科研助手作为地震会商技术系统的先导软件,在2017年初应运而生,核心构成如图1所示。


图1 地震会商技术系统核心构成

  
  在设计之初,我们选择钱学森提出的“综合集成研讨厅”系统科学理论为基础,尝试通过现代化的信息技术来构建一套新型交互式会商技术系统,
搭建一套从定性的知识到定量的模型之间相互沟通的桥梁。依托该系统,可以完成对地震定性知识经过分析转化成定量的模型,而定量的模型在专家们的思维下,又转换成定性的知识,彼此相互促进,实现对认识震情发生规律机理的循环反复同时螺旋上升的过程。

  地震会商技术系统核心内容包括:人机接口、流程体系和云平台三部分。通过梳理各级会商体系的业务需求,采用开放式可视化方法建立模块化会商流程体系,在设计阶段分离业务技术实现与IT技术实现。实现预报人员深度参与会商系统开发过程,做到能用、能建、能改计划通过5-10年的迭代式开发,实现现有四大类八小类会商体系的全部业务需求,并在此基础上形成智能流程调度,实现专家的“心智”与计算机的“智能”完美结合,实现支撑数据-信息-知识-智慧的全链条服务能力,更好地解决地震会商业务需求。

 

Questions

  a地震科研助手是什么?

  地震科研助手是基于大数据和AI方式的智能化平台,现阶段基于“微信”接口提供服务,扫码关注即可。可以实现跨越数据源、异构类型的数据访问、自动化数据处理、分析和报告生成,以及基于自然语义的意图识别等功能,全面辅助科学研究,提高团队工作效率和智能化水平,7×24小时服务科研工作者。

  b为什么要做这个助手?

  地震科研助手是未来搭建地震会商技术系统的先导尝试,也是为地震科研和相关技术人员去构建地震会商技术系统的“实验场”。通过这个开放的助手平台,开发者们可以不断优化业务需求、打磨软件实现,为日后形成业务能力做好技术储备。

  c助手如何工作?

  地震科研助手的人机接口部分现阶段通过“微信”企业号来提供服务,企业号与公众号不同之处在于,前者需要审核认证,后台来控制用户权限,既避免了输入密码的繁琐也保障了信息的安全。现阶段任何对地震科研有兴趣的人都可以通过关于“微信插件”和“企业微信”来使用该服务,不需要安装任何第三方APP。而助手的后台运行在云平台之上,通过开发者们精心设计的各种业务流程,每天自动化运行、智能化为用户提供满足不同人员专业需求的地震信息服务。

 

  
  
二、乐高式开发
让梦想变为现实

  ——创造自己的机器人助手,让业务运行简单省力、地震人放飞自我

  如果将地震预报业务定义为一种典型的科研型业务,那么地震会商技术系统就是服务于科研型业务的专有工具。对科研型业务的软件框架设计要考虑需求不断变更时如何去适应新需求,因此,在软件框架设计上就要尽可能灵活。如果暂时先抛开具体业务内容,从业务处理流程上看,科研型业务一般可以分为收集数据、处理数据和可视化数据三个步骤。如果把这些步骤都拆解为各种IT组件,再由业务人员来根据业务流程来搭建起一个个具体应用。具体的编码预先都封装到每一个IT组件之中,那么即可以实现无代码编程,这不但可以降低对业务人员的程序设计要求,而且可以激发每人心中的创造性梦想,这个过程如图2所示,类似于乐高玩具的组装过程。我们相信即便是对于同一项业务需求,不同人会给出不同的实现方式,每人心中都会有自己的乐高梦想,而我们的开发工具就是帮助你实现这种梦想的途径。


图2 乐高式开发与业务流程实现


  2017年年初至今,我们的团队已经举行了7次不同级别的培训和集中工作(图3)。1月13-17日,地球所:原型系统开发;2017年2月23-27日,西安站:开发式培训;3月12-16日,北京站:小G应用上线;4月17-21日,广东阳江站:测震学科需求开发;6月17-21日,沈阳站:5大应用上线;6月13-19日,北京站:集中调试;8月27-30日,崇州:四川集中培训。


图3 调研、开发与培训

  这半年多来,我们将这种新的开发理念和方法在系统内进行传播,先后培养开发人员上百人,辽宁局、安徽局、山西局、甘肃局、四川局、内蒙局都成立了地震会商技术创新团队,一大批年轻人已经利用这一创新型技术实现了日常业务的自动化处理。在一定程度上,地震预报人员获取信息不再受空间、时间的限制,通过可视化的业务流程将分散的数据有组织地收集起来,并通过研发的数据处理流程,产出相应的图表、报告,将为预报员提供震情发展的定量化决策参考。据初步测算,这一方式大约可为科研人员在资料收集、数据处理、动手作图、撰写报告等节省60%的时间,科研人员利用这一时间增加了研究问题与创新的精力。

 

Questions:

  a要开发需要什么准备?

  如果看到这里你开始有兴趣或者在日常业务中也有自动化方面的需求,那么你可以要考虑参加会商技术系统研发工作,成为一名乐高式开发者。如果要问需要准备什么,我想首先准备一台电脑,其他的不需要了,只要您有自如使用Office软件的计算机水平,那就足够操作这个开发工具了。

  b如何成为乐高的玩家?

  需要随时关注我们的培训通知,及时联系我们,加入我们的开发群,欢迎您成为开发者,为会商系统构建贡献自己的一份力量,下面几个图标记住了,左边是地震科研助手的标志;中间是“小G”虚拟助手;右边二维码就是“地震科研助手”的入口,不开发也欢迎来体验。

  
  

  
三、轻松软件互联
解放你的思想

  ——互联网、物联网、ITDT,你变得更忙了还是更轻松呢

  当今时代不知道大家有没有一种感觉,每天起来需要学习的东西太多,新数据、新概念、新方法不断涌现。在享受信息化给我们生活带来便利的同时,毋庸质疑我们也已经深深地被各种无形的数据与工具所包围。数据获取方式方法正在飞速变革,大数据时代已经在我们身边。移动互联网正改变人们的生活方式,而新时代的科学研究者需要什么工具?在地学领域,各种专业工具空前繁盛,我们熟知的Github等一系列开源网站,可以满足你绝大部分的探索与学习欲望。学习、学习与学习,你要学得东西太多,新概念、知识与工具出现的速度总是比你学习的速度更快。

  结合我自己多年来的科研与工作经历,在享受创新灵感迸发出来的喜悦与科研成果发表的收获之外,更多的时候自己仿佛更像是一个操作软件的机器。下载数据、整理数据、运行程序、提交任务、等待…等待、再下载数据,打开软件绘图、导出保存、插入到Word/Powerpoint,汇报。常规的业务工作周而复始,自己依然变成科研流水线的工人,将大量的经历耗费在流水线上。

  有人说:计算机的出现不是解放人类,而是让我们更加辛苦。是的,这是过去,而随着时代的发展,现在不同了,人们开始了让数据工作。我们的会商系统就是未来典型的数据工作与数据决策“智能机器人”。
  
我们研发的地震会商技术系统,在开发模式方面主要是通过构建一套自动化高级语言,来打造统一的平台系统开发标准,实现软件之间互联与集成,互联机制如图4所示。在实践过程中,我们采用“敏捷式”开发理念,去力图快速实现当前业务,并适应断的需求变更。


图4 地震会商技术的软件互联机制


  半年多的实践过程中,我们总结了“五天式”开发模式,通过集中工作,快速解决现有业务需求。通过熟练开发人员与初级开发人员的“一对一”对接来培养新人。当前已经初步实现了一套可以在服务端运行,结果推送到任意移动终端的软件基础框架,并遵循以下原则:业务与IT技术分离,打通数据管道,自动化数据获取与异常跟踪,智能化查询和应用。其核心目标可以概括为全面的自动化。下图是系统内一些开发者们参与培训和开发过程中的一些反馈:

Questions:

  a软件之间的互联机制是什么?

  软件之间的互联机制是流程(DMS),通过组合各种功能节点,可以实现数据调取、清洗、推送给软件计算、回收结果、生成图表、报告等一系列操作,进而实现软件之间的互联。

  b驱动软件运行的机制有哪几种?

  现有三种方式可以调用流程来驱动软件运行,分别为:请求式、定时式和触发式。流程开发好后,用户可以上传流程到服务器,通过参数设置和接口配置,即可实现上述功能。

 

  
  
四、站在云端
才能远望

  ——云平台时代的机遇与挑战

  啥叫“云”,也许大多数人可能不是很理解,但至少听说过。以前我们开发需要使用自己的计算机,程序弄好了可以放到服务器。但程序越来越多、需求越来越多,自己计算机和服务器就不够了,这时候有人想如果能放到别人机群上就好了,但是管理机群也麻烦。这时随着虚拟化技术的进步,实现了安装操作系统就像安装软件一样,云概念也就应运而生,其实可以将云平台理解为一种高级版本的虚拟主机。那将自己程序放到云端运行有啥好处,两个字“省事”。

  按照防震减灾十三五信息化规划要求,需要初步实现我国防震减灾信息化建设的数据资源化、应用云端化、服务智能化总体目标。在我们的系统设计中,云平台资源是支撑流程运行、提供计算等服务的载体。云平台计算能力的大小直接与人机结合的程度有关。高性能的云平台计算资源可以实现更加快速的模型计算和更加定量化震情分析能力。云平台资源应具备业务调度及负载均衡能力,根据业务等级和类别来决定系统计算能力的分配问题。经过认证的流程,可以部署到云平台运行,为已授权用户提供服务。

  与云平台对接的设计是在微信中前端提供交互式的人机接口,通过可视化流程设计技术不断提高业务人员设计效率,扩充流程数量形成方法与技术体系;云平台资源将直接决定后期用户体验,而其运行状态可以实时在线监控,如图5所示。


图5 地震会商技术系统云端运行监控系统

  根据监控系统,我们认证的系统内用户数量已经超过600人。每日根据后台记录,我们可以统计在线用户数量,使用应用类型、地点、时间等情况,下图是8月8日九寨沟7.0地震前后24小时的用户进入应用次数。


Questions:

  a云平台在哪里?

  现阶段二测灾备中心已经为 “地震科研助手”的运行提供了30台高性能虚拟主机的支持。

  b怎么申请云平台资源?

  任何系统内的业务人员都可以加入我们的开发者队伍,成为会商技术平台及相关业务的构建者,符合我们的开发技术要求,即可以申请云平台资源。

 

  
  
五、未来的梦想(中国梦,地震预报梦

  ——梦想还是要有的,万一要实现了呢?

  依据中国地震局业务体制改革总体方案要求,针对地震预测预报业务顶层设计,需要进一步强化预报、科研、观测、服务的互动。采用“大数据”和“人工智能”技术,来研发地震分析会商技术系统。我们深信:全新的地震会商技术系统将改变未来预报员的工作方式,或者说会商技术系统实现的计算机协同技术将产生一种新的工作理念与新的人机协同工作模式,最终形成新的地震预报科研生态系统。



图6 系统开发规划关键指标与时间进程

  
  地震会商技术系统的建设与发展在不同时期,需要融合不同的技术手段,但核心永远是服务于地震会商业务发展。我们的设想分为三期:

  在建设与发展初期,通过技术培训方法,培养系统内既懂业务又有开发热情的青年骨干分析预报人员参与建设。通过培养“开发者”模式,建立一套可以用于分享开发经验的开发者社区系统,并建立一套具备可以分享业务流程实现方法的“流程商店”系统。这一阶段的核心目标是建立开发者团队,打通各种数据流通道,实现数据获取的自动化,让数据到信息的转化更加快速、便捷,对于优秀的开发者应给予一定的项目资助,让其有动力推进科研型成果到实用化技术的快速孵化。

  在建设与发展中期,注重引入各学科经过认证的成熟模型方法到平台系统,开发基于多种观测资料的数据同化处理技术,加强相关领域最新成果引进吸收,邀请相关领域专家学者深度参与震情会商,同时强化分析会商技术方法的严格检验,既重视回顾性检验、更重视前瞻性检验,努力提升预测预报业务水平和综合能力。让模型方法的应用,对于分析预报人员在使用上零成本,让人类的“性智”与计算机的“高性能”实现有机结合,利用该平台系统可以快速验证各种定性分析思路,通过改进模型参数又可以快速测试新想法、提高分析预报人员对震情的认识水平。

  在建设与发展后期,形成覆盖各级会商业务和学科之间的“流程体系”,开发者团队快速处理各种业务逻辑变更和承担系统运维任务,建设重点是全面引入“大数据”和“人工智能”技术,通过语义识别和意图分析方法,来匹配用户需求和流程应用,实现具备交互式能力的自动化向智能化平台系统的转变,全面实现人机结合以人为主的发展目标,让会商技术系统成为预报人员的智能助手。

  地震分析预报会商技术系统规划,核心目标是实现地震预报的数字化、信息化、智能化与智慧决策。结合现阶段的发展,建议分为三步走:第一步完成地震预报数据治理,形成完整的数据体系;第二步构建智慧地震分析预报会商技术系统,完成地震会商技术平台研发、打造地震会商技术系统开发新模式;第三步实现地震科学预报的智慧决策,实现人机结合,服务于预报业务和科研人员的尝试。主要技术是地震会商技术、方法、模型与人工智能、大数据分析技术有机结合。

  
  当然上面还有很多目标现在看来还只是梦想,能走多远我们并不知道,但是谁没有梦想呢,我们相信有梦想就有希望。

 



中国地震局地球物理研究所 陈石 研究员
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