Тектонический труд: ИИ повысит безопасность строительства в сейсмоопасных регионах

Российские ученые создали нейросеть, которая анализирует данные с сейсмических датчиков и строит на их основе карту подземных структур. Благодаря новому алгоритму она делает это точнее и быстрее существующих аналогов. Разработку можно использовать для оценки рисков при строительстве в сейсмоопасных регионах. Например, на Дальнем Востоке, где в конце июля произошло мощнейшее за 70 лет землетрясение. По словам экспертов, такой анализ необходим при возведении любых зданий, а в зонах геологических разломов он должен проводиться с особой тщательностью. Применение подобных технологий позволяет избежать катастрофы и сэкономить деньги инвесторам строительства.

Как ИИ составляет подземные карты

Специалисты МФТИ разработали алгоритм на основе искусственного интеллекта, который анализирует данные глубинной разведки и самостоятельно создает детализированные карты подземных структур. Эта технология позволяет точно оценивать сейсмические риски при строительстве в регионах со сложной геологией, где высока вероятность землетрясений. Методика может быть востребована на Дальнем Востоке, Кавказе, а также в северных регионах для мониторинга состояния вечной мерзлоты.

— На входе алгоритм получает отклик от исследуемой сейсмической среды, который регистрируется в время полевых работ с помощью различных датчиков, а на выходе мы получаем описание этой среды по различным параметрам. Так мы можем узнать границы геологических разделов, выявить неоднородности и оценить, где можно поставить фундамент здания, не опасаясь деформации породы, — сказал «Известиям» ассистент кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ, аспирант Андрей Станкевич.

Чтобы «заглянуть» в недра Земли, ученые используют принципы, схожие с эхолокацией: они посылают упругие колебания вглубь на десятки километров. По характеру отражения этих колебаний от разных пород создается карта расположения структур. Для этой задачи широко используются диффузионные модели (вид математических моделей, который часто используют в работе нейросетей). Однако, чтобы восстанавливать четкую картину недр, они требуют сотен или тысяч обращений к ИИ, рассказали в МФТИ.

Ученые предложили новую методику, в основе которой лежит уравнение диффузии. Она сокращает необходимое количество вычислений в разы — до 50–100 вызовов при сопоставимом качестве, что значительно ускоряет процесс. Повышение скорости работы принципиально важно для создания подземных карт с высоким разрешением, которое требует сложных расчетов.

— Это как если бы вы видели подземные структуры сквозь запотевшее окно, но шаг за шагом постепенно стирали этот туман, открывая ясную картину того, что скрыто под землей. Так и наша система: на входе мы имеем размытую модель и сырую запись сейсмических волн. С помощью нейронной сети система шаг за шагом уточняет карту и добавляет в нее детали. На выходе получается детальная карта, которая соответствует реалистичной геологической структуре, — сказал Андрей Станкевич.

Метод уже протестирован на больших наборах сгенерированных компьютером данных. Он восстанавливает карты точнее, чем предыдущие диффузионные модели, и делает это в 10–20 раз быстрее и при этом сохраняет тонкие геологические особенности. Также с помощью алгоритма можно производить разведку полезных ископаемых.

Учет рисков в сейсмоопасных регионах

Как пояснил младший научный сотрудник Геологического института РАН Григорий Агранов, оценка сейсмической опасности территории перед строительством должна производиться в любом регионе, а в сейсмически активных зонах с особой тщательностью.

— Такие изыскания необходимы при строительстве любого здания. Инженерную геологию нужно проводить даже при возведении дачи, так как есть подземные воды, пески, которые вымываются. В сейсмически активных зонах очень важно расположение разломов. Также возможны катастрофические последствия в зонах вечной мерзлоты. Всё это очень важно. Особенно в сложных карстовых и сейсмически активных зонах, — сказал он «Известиям».

Сейчас нейросети активно применяют для этих целей, поэтому улучшенное ПО будет востребовано на практике для геолого-инженерных изысканий, добавил специалист.

Разработка МФТИ в теории способна обеспечить предсказуемость бюджета для инвесторов строительства, сокращение сроков проекта и снижение вероятности аварий за счет более точного планирования, считает управляющий партнер Trophy Assets Наталья Круглова.

— Сейчас в сейсмоопасных регионах проектирование идет по старой схеме: бурение, замеры, сейсморазведка и недели на расчеты и построение моделей вручную или в базовых программах. Метод слишком медленный и плохо масштабируемый на крупные инфраструктурные проекты. Заявленные МФТИ показатели находятся в зоне достижимого. Например, в исследовании Hiroshima University AI-система формирует карту участка по сейсмическим параметрам за 10–60 минут, что соизмеримо с целями и масштабом ускорения, заявленными российскими разработчиками, — сказала Наталья Круглова.

Однако при подобных расчетах очень важно избежать ошибок, так как они могут приводить к тяжелым последствиям. Поэтому необходима система контроля и верификации: постоянная проверка данных, адаптация алгоритмов под разные геологические условия и наличие резервных процедур принятия решений. Такие технологии важно регулировать и закреплять на уровне государства, уверена эксперт.

Одним из самых сейсмически опасных регионов России считается Дальний Восток. 30 июля в регионе произошло мощнейшее с 1952 года землетрясение магнитудой 8,8. Как ранее писали «Известия» по расчетам сейсмологов, во время этого события высвободилась не вся накопившаяся в земной коре энергия, поэтому с большой вероятностью новые толчки могут повторятся в течение нескольких месяцев. Последние землетрясение магнитудой 5 произошло в 158 км от Петропавловска-Камчатского 10 августа.

Региональные власти внимательно следят за сейсмической ситуацией: Сахалинская область с целью прогнозирования землетрясений и цунами взаимодействует со всеми профильными структурами, в том числе и с Российской академией наук. В настоящее время в регионе действует система оповещения граждан о чрезвычайных ситуациях, рассказали в правительстве региона.