0 引言

2006年，时任美国国家科学基金会（NSF，National Science Foundation）项目主任Helen Gill根据讨论结果，提出信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）的概念，并作为NSF未来10—20年的重要研究课题（Gill，2006）。2007年，美国总统科学顾问委员会（PSAC）提交的《面临挑战的领导地位》，把CPS列为8个重点领域之首，从此美国政府确定了CPS发展战略（PCAST，2010）。2013年4月，德国提出“工业4.0”战略，旨在利用CPS使工业转型为网络化、数据化、集成化、智能化的新型工业模式，保持德国工业的全球竞争力（森德勒，2014）。2016年，日本内阁会议在决定的五年科学技术政策基本指针“第5期科技技术基本规划”中，正式提出社会5.0（Society5.0），主要意图是最大限度地应用信息通讯（ICT）技术，通过信息与物理的融合，共享给人人带来富裕的“超智慧社会”（日本文部科学省，2016）。

面对复杂的全球产业竞争格局，2015年5月，《中国制造2025》正式发布，明确了中国制造强国路线图（国务院，2015）。2016年《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》（国务院，2016），全面部署推进制造强国战略实施，加快推进我国从制造大国向制造强国转变。《指导意见》把发展CPS作为强化融合发展基础支撑的重要组成部分，明确了现阶段CPS发展的主要任务和方向，对推动我国CPS发展具有重要意义。2017年3月，中国电子技术标准化研究院与中国信息物理系统发展论坛联合发布的《信息物理系统白皮书》指出：信息物理系统通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化（中国电子技术标准化研究院，2017）。

自CPS提出以来，美国、德国、中国及欧盟等多个国家和组织先后发布了有关信息物理系统的研究报告，探索信息物理系统技术及其应用。尤其在制造业领域，发展信息物理系统已经成为美国、德国、中国、日本等国实施“再工业化”战略，抢占制造业新一轮竞争制高点的重要举措。在国内，信息物理系统作为支撑信息化和工业化深度融合的一套综合技术体系，受到广泛关注，技术研发和应用推广发展迅速。在制造领域，Zhou等（2019）提出“面向新一代智能制造的人—信息—物理系统（HCPS）”；在能源领域，金明等（2018）提出“能源—信息—实体系统（ECPS）”，王安等（2017）提出“矿山工业4.0”；在交通领域，孙棣华等（2013）提出“交通信息物理系统（TCPS）”。

智能地震是一个大概念，其内涵伴随着信息技术与地震技术的发展和融合而不断演进。当前，随着物联网、云平台、大数据、人工智能、数字孪生等技术的迅猛发展，地震技术正加速向新一代智能地震技术迈进。从系统构成角度看，智能地震技术系统始终是由人、信息系统和物理系统协同集成的人—信息—物理系统（Human-Cyber-Physical Systems，HCPS）。在参与国家防震减灾“十四五”规划预研究期间，我们提出地震信息物理系统（SCPS）——地震4.0的概念，期望构建新一代的地震技术体系建设，推进地震业务流程的智能化。

1 地震技术体系演进 1.1 地震1.0——基于HPS的传统地震技术体系

自1880年米恩尔（Milne）和格雷（Gray）在日本制造第一个天然地震检波器，记录到第一张地震图起，地震观测经历了机械电子时代、数字网络时代，正在迈向智能化时代。

传统地震观测系统由人和物理系统（如地震计等）2大部分组成，可称为人—物理地震系统（Seismic Human-Physical Systems，SHPS），简称地震1.0，见图 1。其中，物理系统（Physical Systems）中P为主体，观测任务是通过物理系统完成的；而人（Human），H则为主导，地震观测任务所需的感知、学习认知、分析决策与控制操作等均由人来完成（Zhou et al，2019）。在这个阶段，尽管地震台站在空间布局上已经具有台网的格局，但各台站独立运行，时间服务系统相对独立，地震记录均为模拟记录，且需进行独立的手工处理，多数地震仪的频带宽度和动态范围相对较小，台网对地震的监测能力以及地震记录信息的提取和利用受到较大限制，观测结果的发布在时间上明显滞后（雷军等，2004）。

1.2 地震2.0——基于SHCPS的数字化地震技术体系

20世纪60年代以后，随着地震研究对于技术进步的强烈需求，以及计算机、通信和数字控制等信息化技术的发明和广泛应用，地震技术进入了数字化时代。

与传统地震技术相比，数字化地震技术的本质变化是在人和物理系统之间增加了一个信息系统（Cyber System）C，从原来的“人—物理”二元系统发展成为“人—信息—物理”三元系统（SHPS进化成了SHCPS），可称为SHCPS2.0，简称地震2.0（图 2）。信息系统是由软件和硬件组成的系统，其主要作用是对输入信息进行各种计算分析，并代替操作者去控制物理系统完成工作任务（Zhou et al，2019）。例如，与上述传统地震技术系统对应的是数控地震技术系统，它在人和传感器（地震仪）之间增加了数采系统，操作者只需根据技术规范按规定的格式编成控制程序，数采系统即可根据该程序控制地震仪自动完成观测任务。

与SHPS相比，SHCPS2.0通过集成人、信息系统和物理系统的各自优势，其能力尤其是精确控制以及感知等得到较大提高，其结果是：一方面，技术系统的自动化程度、工作效率、质量与稳定性等均得以显著提升；另一方面，不仅操作人员的体力劳动强度进一步降低，更重要的是，人类的部分脑力劳动也可由信息系统完成。在这个阶段，地震观测情况发生了显著改变，相距数千米或数百千米的地震台站数据通过有线或无线传输系统被传输到一个中心台站，所有的数据记录采用同一个授时，从而使地震的精确定位提高，标志着现代地震台网开始形成。

在SHCPS2.0中，物理系统仍是主体，信息系统成为主导，在较大程度上取代了人的分析计算与控制工作。到20世纪80年代初，几乎完美的数字记录方式开始取代模拟记录方式，地震记录的质量和信息量显著提高。以往的模拟系统只有3个数量级，而力反馈系统的使用，使新型地震检波器的动态范围达到或超过7个数量级水平。信息系统主导，数字方式的产生，给充分获取地震记录所携带的地球内部有关震源、传播介质和局部场地条件信息，提供了现实的可能和广阔的前景（雷军等，2004）。

1.3 地震3.0——基于SHCPS的数字化网络化地震技术体系

21世纪初，互联网技术快速发展并得到普及和广泛应用，推动地震技术从数字化向数字化网络化转变。地震数字化网络化技术本质上是“互联网+数字化”。地震数字化、网络化技术系统仍然是基于人、信息系统、物理系统3部分组成的SHCPS，见图 3，但这3部分相对于面向数字化技术的SHCPS2.0均发生了根本性变化，故而面向数字化、网络化地震，SHCPS可定义为SHCPS3.0，简称地震3.0。该阶段最大变化在于信息系统：互联网和云平台成为信息系统的重要组成部分，既连接信息系统各部分，又连接物理系统各部分，还连接人，是系统集成的工具；信息互通与协同集成优化成为信息系统的重要内容。同时，SHCPS3.0中的人已经延伸成为由网络连接起来的共同进行数字价值创造的群体，使地震观测模式从以数据为中心向以产品为中心转变，从内部服务型向社会服务型转变。

SHCPS3.0阶段，使现代地震台网观测规模和能力迅速提高的直接动力主要来源于数字通讯技术领域的突飞猛进，特别是国际互联网技术的发展，以及计算机数字处理和存贮系统的发展。这些领域的技术发展不仅使地震台网从最初的局部微震台网扩展到国际、洲际甚至全球范围，同时使地震台网的技术水平上升到一个前所未有的高度。SHCPS3.0阶段，评价一个地震台网水平的基本要素不仅仅是数据传输方式、时间服务精度以及数据采集和分析周期等，还包括地震台网提供的基础数据所覆盖的研究范围、空间精度以及与一定频谱和动态范围相关的数据品质等。

1.4 地震4.0——基于SCPS的新一代智能地震技术体系

互联网、云计算、大数据等信息技术日新月异、飞速发展，并迅速普及应用，形成了群体性跨越。这些历史性的技术进步，集中汇聚在新一代人工智能的战略性突破，新一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术。

随着传感器、互联网和地理信息的不断融合，各种地震传感器及观测系统的数量逐年递增。然而，单纯地增加传感器资源，仍然难以有效满足防灾减灾救灾监测综合性、应急性等多样化的需求，主要原因在于：①传感器的精度、稳定性与环境适应性不高；②各观测系统不能协同；③异构传感器缺乏耦合机制；④观测与决策服务缺乏关联（李德仁等，2012）。

新一代人工智能技术与先进地震观测技术的深度融合，形成了新一代智能地震技术。图 4描述了面向新一代智能地震观测技术体系SCPS，其相对于面向数字化、网络化地震观测技术体系的SHCPS3.0又发生了本质性变化，人在智能地震技术系统中的作用渐渐弱化。因此，新一代智能地震技术系统可定义为SCPS4.0，简称地震4.0。

在SCPS4.0中，最重要的变化发生在起主导作用的信息系统：信息系统增加了基于新一代人工智能技术的学习认知部分，不仅具有更加强大的感知、决策与控制能力，更具有学习认知、产生知识的能力，即拥有真正意义上的“人工智能”；信息系统中的“知识库”由人和信息系统自身的学习认知系统共同建立，不仅包含人输入的各种知识，更重要的是包含着信息系统自身学习得到的知识，尤其是那些人类难以精确描述与处理的知识，知识库可以在使用过程中通过不断学习而不断积累、不断完善、不断优化。这样，人和信息系统的关系发生了根本性变化，即从“授之以鱼”变成了“授之以渔”（Zhou et al，2019）。

新一代智能地震技术体系SCPS4.0不仅可使地震知识的产生、利用、传承和积累效率发生革命性变化，而且可提高地震系统处理不确定性、复杂性问题的能力，改善地震系统的建模与决策效果。

2 地震4.0的内涵

地震4.0既是一种新的研究范式，也是一种新的技术体系，其内涵可以从系统和技术等视角进行描述。

2.1 系统视角

传统地震观测最基本的目标是给出地震事件定位所需的数据。现今地震观测服务目标已经大为扩展，主要有3个方面：①地震预警：强地震即时响应系统，为城市的防震减灾服务，以减轻地震引起的社会、经济损失；②一般或特殊地震活动监测：服务于地震工程学研究、长期性地震灾害预防和地震构造判定。地震监测主要针对火山地震和水库、采矿、注水等人类工程诱发地震以及化爆或核爆等各类地震活动；③地球内部问题研究：地方震、区域地震和全球地震研究是地震学的基本目标，而地震观测可能是研究深部地球内部精细结构和物理性质的唯一工具（雷军等，2004）。

2.1.1 主要功能。

传统地震技术系统受技术和经济能力限制，往往在设计上就只是服务上述目标中的某一个目标。但由于缺乏有关地震台网、仪器使用和数据处理方面比较充分可靠的技术知识，即使对某些特殊的目标来说仍有不尽人意之处。与数字化网络化地震技术系统（SHCPS3.0）相比，地震4.0从总体上应具备集成化的协调传感网（Sensing Web）、网络化的服务网（Service Web）和可互操作的模型网（Model Web）3大主要功能（陈能成等，2013）。

（1）集成化的协调传感网（Sensing Web）。地震4.0将各种传感器资源组成一个自组织的动态协同观测系统，每个传感器节点具有独立的事件感知和观测能力，为了某种观测目的，所有节点又可以动态地整合起来作为一个整体，形成全局观测系统，有效解决目前观测平台间传感器、数据、信息不能互补的瓶颈问题，实现自主的、任务可定制的、动态适应并可重新配置的观测系统。新一代地震传感网将彻底结束地震、强震、前兆观测系统并存，国家台、省台、地方台、企业台割据的局面，真正实现跨区域、跨部门高效协同全景式的一盘棋监测模式。

（2）网络化的服务网（Service Web）。地震4.0是一个真实物理传感器和虚拟传感器（包含算法和仿真模型的Web服务）共存，集观测、计算、仿真为一体的传感网，体现了e-Science的思想（李进华，2009）。

（3）可互操作的模型网（Model Web）。地震4.0可以认为是沟通“异构传感器系统”、“模型与仿真”和“决策支持系统”之间的交流渠道，它能提供传感器、观测和模型的标准化描述，为多颗粒、不对称、高动态复杂网络环境下的多用户任务和可变传感器资源提供一致性理解，为驱动大震应急优化观测和标准化防震救灾决策奠定基础。

2.1.2 主要特征。

从系统构成看，地震4.0是为了实现一个或多个目标，由相关信息系统以及物理系统有机组成的综合智能系统。其中，物理系统（传感器等）是主体，是技术活动能量流与物质流的执行者，是技术活动的完成者；拥有人工智能的信息系统是主导，是技术活动信息流的核心，代替人对物理系统进行必要的感知、认知、分析决策与控制，使物理系统以尽可能最优的方式运行。地震4.0从总体上呈现出智能性、大系统和大集成3大主要特征。

（1）智能性是地震4.0的最基本特征，即系统能不断自主学习与调整，以使自身行为始终趋于最优。

（2）地震4.0是一个大系统，由智能运维、智能分析及智能服务3大功能系统以及地震云和互联网两大支撑系统集合而成。其中，智能运维是主体，智能分析是主线，以智能服务为中心的服务模式变革是主题，互联网和地震云是支撑智能地震的基础。

（3）地震4.0呈现出前所未有的大集成特征：①部门内部观测、分析、研究、服务、管理过程等实现动态智能集成，即纵向集成；②部门与部门之间基于互联网与智能云平台，实现集成、共享、协作和优化，即横向集成；③地震与自然资源、环保、社会服务业等的深度融合形成共同发展的新生态；④智能地震与智能城市、智能交通、智能资源、智能农业等交融集成，共同形成智能生态大系统——智能社会（高文等，2020）。

2.2 技术视角

从技术本质看，地震4.0主要是通过新一代人工智能技术赋予信息系统强大的“智能”，从而带来3个重大技术进步。

（1）最关键的是，信息系统拥有了深度学习与认知计算能力，具备了生成并更好运用知识的能力，使地震知识的产生、利用、传承和积累效率均发生革命性变化，显著提升知识作为核心要素的边际生产力（陈伟宏等，2017）。

（2）最重要的是，形成人机混合增强智能，使人的智慧与机器智能的各自优势得以充分发挥并相互启发地增长，释放人类智慧的创新潜能，提升地震研究创新的能力（刘伟，2018）。

（3）最根本的是，信息系统具有解决地震不确定性、复杂性问题的基本能力，解决复杂问题的方法从“强调因果关系”的传统模式向“强调关联关系”的创新模式转变，进而向“关联关系”和“因果关系”深度融合的先进模式发展，从根本上提高地震系统建模和预测的能力，提升防震减灾和服务社会的能力（李廉，2016）。

地震4.0是地震领域转型升级的研究范式和技术体系，可广泛应用于地震科学、地震技术和地震工程等业务链全过程的创新，主要包含以下2个要点。

（1）应用新一代人工智能技术对地震系统“赋能”。地震研究创新发展主要有2种方法：①地震技术原始性创新，这种创新是根本性的，极为重要；②应用共性赋能技术对地震技术“赋能”，二者结合形成创新的地震技术。第4次工业革命的共性赋能技术是人工智能技术，这些共性赋能技术与地震技术的深度融合，将引领和推动地震技术革命性转型升级（薛泽林等，2020）。正因为如此，地震4.0是地震学创新发展的主攻方向和主要路径。

（2）新一代人工智能技术需要与地震领域技术进行深度融合，产生与升华地震领域知识，成为新一代智能地震技术。地震技术是本体技术，为主体；智能技术是赋能技术，为主导。赋能技术是为地震领域转型升级服务的，只有与领域技术深度融合，才能真正发挥作用。因而，新一代智能地震技术，对于智能技术而言，是先进信息技术的推广应用工程；对于地震系统而言，是应用共性赋能技术对地震系统进行革命性集成式的创新工程。

3 地震4.0总体架构与核心平台 3.1 总体架构

基于SCPS的地震4.0总体架构可以从智能地震的价值维、技术维和组织维等3个维度进行描述（赵敏，2018），见图 5。

3.1.1 价值维与功能属性。

智能地震的根本目标是实现价值创造、价值优化，而构建与应用SCPS是实现价值创造、价值优化的手段。智能地震的价值实现主要体现在产品创新化、运维预防化、服务智能化、系统集成化，与此相对应，SCPS从用途上也可划为产品SCPS、运维SCPS、服务SCPS以及集成复合型SCPS。

智能地震的产品创新一方面通过数字化、网络化、智能化等技术提高地震产品功能、性能，带来更高的附加值；另一方面通过产品研发手段的数字化、网络化、智能化创新升级以提高研发设计的质量与效率。

运维预防化通过运行管理手段的数字化、网络化、智能化创新升级，全面提升运维水平，实现地震观测的长期连续稳定高质高效。

服务智能化通过数字化、网络化、智能化等技术，实现以用户为中心的产品全生命周期的各种服务，如定制服务、数据服务、信息服务、知识服务和智能服务等。

3.1.2 技术维与技术属性。

智能地震从技术演变的角度体现为数字化地震（地震2.0）、数字化网络化地震（地震3.0）和新一代智能地震（地震4.0）3个技术范式（图 6）。数字化地震是智能地震的基础，贯穿于3个技术范式，并不断演进发展；数字化网络化地震将数字化地震提高到一个新的水平，可实现各种资源的集成与协同优化，重塑地震业务的价值链；新一代智能地震是在前2种范式基础上，通过先进地震技术与新一代人工智能技术融合所发挥的决定性作用，使得地震研究具有了真正意义上的智能。

基于SCPS的智能地震的3个技术范式体现了智能地震发展的内在规律：一方面，3个技术范式次第展开，各有自身阶段的特点和需要重点解决的问题，体现着先进信息技术与地震技术融合发展的阶段性特征；另一方面，3个技术范式在技术上并不是绝然分离的，而是相互交织、迭代升级，体现着智能地震发展的融合性特征。

3.1.3 组织维与系统属性。

实施智能地震的组织包含智能单元（真实物理传感器和虚拟传感器（算法和仿真模型的Web服务）等）、智能系统（地震传感网）和系统之系统（地震生态链）3个层次，与之相对应，SCPS也包括单元级、系统级和系统之系统级3个层次（NITS，2020）。图 7为面向智能地震的SCPS的三层结构模型。

智能单元是实现智能地震功能的最小单元，是由信息系统和物理系统构成的单元级SCPS。智能系统（地震传感网）是通过网络集成多个智能单元，形成系统级SCPS。系统之系统是通过互联网平台实现跨系统、跨平台的集成，构建开放、协同、共享的地震生态，形成系统之系统级SCPS。

3.2 核心平台

从技术角度讲，地震4.0是面向智能地球的一套复杂技术和应用体系，多门类技术的集成、多源数据的整合和各类平台功能的打通，是地震4.0成功的关键要素。地震4.0技术架构布局，由地震新型基础设施、地震智能运行中枢、地震智能应用体系3大横向层，以及地震安全工程和地震标准规范2大纵向层构成（图 8）。

地震新型基础设施包括全域感知设施（泛智能化的各类传感器、传感器节点）、网络连接设施和智能计算设施。与传统地震基础设施不同的是，地震4.0的基础设施还应包括深地、深海区域的感知设施，也包括广义遥感（激光扫描、航空摄影、移动测绘、对地观测、声发射等）、旋转地震仪、六分量地震仪等新型观测设施，旨在采集和更新与地震安全相关的地理信息和实景三维数据，确保物理和信息2个世界的实时镜像和同步运行。

地震智能运行中枢是地震4.0的能力中心，也是地震大脑，由5个核心平台承载，分别是：①泛在感知与智能设施管理平台，对地震感知体系和智能化设施进行统一接入、设备管理和反向操控；②地震大数据平台，汇聚全域全量地震活动数据，与地震信息模型平台整合，展现地震活动过程与状态，成为数据驱动治理模式的强大基础；③地震信息模型平台，与地震大数据平台融合，成为实际地震的数字底座，是地震精准映射虚实互动的核心；④共性技术赋能与应用支撑平台，汇聚人工智能、大数据、AR/VR等新技术基础服务能力，以及场景服务、数据服务、仿真服务等能力，为上层应用提供技术赋能与统一开发服务支撑；⑤泛在网络与计算资源调度平台，主要是基于未来软件定义网络（SDN）、云边协同计算等技术，满足地震4.0高效调度地使用云网资源（李德仁等，2017；刘经南等，2020）。

地震4.0应用体系包括透明地壳、解剖地震、柔性城乡和智慧服务等行业应用，更包括智慧城市、智慧地球领域的超级应用。

3.2.1 泛在感知与智能化设施管理平台。

该平台是终端设备与智能应用之间的纽带，是智能地震的基础性支撑平台，以全域地震感知和智能化设施接入为基础，以统筹建设运维服务为核心，以开放共享业务赋能为理念，服务于设备开发者、应用开发者、业务管理者、运维服务者等参与者，向下接入设备，兼容适配各类协议接口，提供感知数据的接入和汇聚，支持多级分布式部署，推进信息基础设施集约化建设，实现设备统筹管理和协同联动；向上开放共享数据，为各类行业应用和超级应用赋能，支撑地震物联数据创新应用的培育。

3.2.2 地震大数据平台。

地震数据资源体系具备3个特征：①从传统地震信息资源到地震大数据的转变。数据更加多元多源，从透明地壳、解剖地震数据扩展到柔性城乡数据、智能服务数据等，实现从封闭自用的传统地震信息资源到多方共建共享共用的地震大数据的跨越；②与物理世界动态连续映射。所有地震安全主体数据都将叠加时空信息，每个与地震安全相关的物理实体任何时间、任何地点的状态，均可以映射到数字孪生世界，实现物理实体在时空上的连续精准映射；③从封闭割裂到有机整体的跨越。以往每一条独立的空间数据、地震业务数据、传感器数据、互联网数据如今均可关联到实体上，形成该实体的全量属性数据，并以实体为基础形成地震知识图谱（清华大学工程院知识智能联合研究中心，2019）。

3.2.3 地震信息模型平台（中国地震局，2019）。

实时映射的地震信息模型平台是智能地震建设的核心，不仅具有地震时空大数据平台的基本功能，更重要的是，成为在数字空间刻画地震活动细节、呈现地震情景过程、预测地震发展趋势的综合信息载体。

地震信息模型平台是指具有地震语义信息的三维或四维模型，是语义建模的数据成果，其核心功能主要由模型数据源采集、模型平台构建、数据呈现与模型渲染等部分组成。

透明地壳可建立的地震信息模型有：地质构造演化模型、地块模型、统一断层模型、统一介质模型、大地测量模型、区域变形模型、断层变形模型、应力模型等。

解剖地震可建立的地震信息模型有：地震破裂模型、地震动力学概率预测模型、地震断层破裂过程预测模型等。

韧性城乡可建立的地震信息模型有：强地面运动预测模型、复杂场地地震动作用模型。

智慧服务可建立的地震信息服务模型有：应急预案仿真模型等。

3.2.4 共性技术赋能与应用支撑平台。

共性技术赋能与应用支撑平台是地震关键共性技术、应用开发组件和地震模型服务组件的模块化封装集成平台，是地震4.0的“决策大脑”。

从核心功能来看，平台为上层应用服务提供底层技术支撑、元数据集、地震元部件模型等资源，实行自定义分析与调用、灵活配置和高效开发利用。功能架构包括3大类：第一类是核心使能共性技术，包括大数据、人工智能（深度学习）、云网等；第二类是面向应用场景的信息模型服务，包括地震场景服务、数据更新和追踪服务、事件模拟仿真推演服务、自定义渲染服务；第三类是基于底层数据的共性应用服务能力，包括地震监测、地震预测、地震预警和地震应急等。

4 地震4.0关键技术

地震4.0关键技术可分为本体技术（地震领域技术）和共性赋能技术（如机器智能技术、人机协同技术、数字孪生技术等），见图 9。

4.1 地震领域技术（本体技术）

地震领域技术是指地震4.0的物理系统所涉及的专用领域技术，是面向智能地震的本体技术，如传感器技术、实验技术、分析技术（预警技术、速报技术、台阵技术…）等。开发新的地震传感器技术是提升地震本体技术水平的关键。

（1）地震仪：光纤地震仪、旋转地震仪、六分量地震仪、张量应变地震仪、分频地震仪、虚拟地震仪、会思考的地震仪等。

（2）穿戴式智能观测设备。地震信息采集方式越来越多基于志愿者服务，研发基于手机、手环、Google Glass等多种随身设备的地震信息采集技术及传感器，研究这些海量采集信息的与空间其他传感信息比对识别技术，开展社会化地震监测。

（3）软件定义设备。借助软件定义无线电（SDR）、虚拟仪器（VI）和组态软件（Configuration Software，CS）的思想，研发软件定义仪器（Software Defined Instrumentation，SDI）和设备。

（4）临近空间平台观测设备。临近空间的开发和利用是目前国际上活跃的高新领域之一，将为通信、对地观测和导航系统、军事侦察提供一种全新的技术平台，在区域通信、高分辨率实时区域监测、预警和导弹防御、区域环境监测、城市安全监控和防灾减灾等方面具有重要的应用前景。

（5）深井与海洋观测设备。

4.2 智能技术（赋能技术与本体技术的深度融合）

智能技术是指地震4.0中信息系统所涉及的技术，是人工智能技术与地震领域知识深度融合所形成的、能用于实现SCPS特定目标的技术。信息系统是SCPS的主导，其作用是帮助人对物理系统进行必要的感知、认知、分析决策与控制，使物理系统以尽可能最优的方式运行。因而，智能技术主要包括智能感知、自主认知、智能决策和智能控制技术等4大部分（王薇等，2019；张晓普，2019；李腾飞等，2020）。

4.3 人机协同技术

地震研究面临的许多问题具有不确定性和复杂性，单纯的人类智能和机器智能难以有效解决。人机协同的混合增强智能是新一代人工智能的典型特征，也是实现新一代智能地震的核心关键技术，主要涉及认知层面的人机协同、决策层面的人机协同、控制层面的人机协同以及人机交互技术等方面（韩志钢，2018）。

4.4 数字孪生技术

为满足虚拟空间的物理世界活动的实时监控与同步，打通物理世界和虚拟世界的连接，数字孪生体概念应运而生。数字孪生概念由美国空军实验室提出，最初用于解决战斗机机体的维护问题。数字孪生是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或程序进行动态呈现，从而有效反映系统运行情况。数字孪生技术主要有标识感知、协调计算、全要素表达和模拟仿真等（中国信息通信研究院，2019）。

为构建信息物理系统（CPS），数据孪生技术作为新的数字化关键技术已经应用到与工业4.0相关的智能制造领域中。CPS是构建物理空间和信息空间交互的系统，数据孪生技术就是这个系统所应用的交互技术。交互意义在于数字孪生在监控物理空间中实体的同时，物理实体可以发布数据，更新在信息空间所对应的虚拟模型中。

5 地震4.0未来展望 5.1 推动地震业务全面进步

伴随着信息技术的发展，智能地震已历经数字化地震和数字化网络化地震，并正在向数字化网络化智能化地震——地震4.0演进。地震4.0的本质特征是新一代人工智能技术和先进地震技术的深度融合，地震4.0既是一种新的研究范式，也是一种新的技术体系。它的建立不仅激活拉动整个地震行业链的共同发展，同时为其他地学行业的技术进步指出新的发展方向。地震4.0的虚实融合、精准映射特性对地震技术提出了新的要求，比如长期连续的情景观测、提高信息采集更新的频次、提升数据加载与图形渲染的速率、规范数据采集、融合的标准、增强实时数据的分析挖掘能力等，做到海量数据的秒级发布、秒级出图和秒级响应。

5.2 改变地震灾害治理模式

由模型叠加数据、软件以及泛智能化传感网设施构建的地震4.0，突破了传统地震技术以IT组件物理堆砌的架构方式，这种融合一体化整为零的技术架构，在支撑地震灾害治理方面有几个得天独厚的优势：①提供全景视角，地震多维度观测和全量数据分析，可深度透视抓取地震体征，洞察地震活动规律，从而逐步实现物理预报；②提供协同手段，地震突发事件应急反应，全域协调联动，就近调度资源；③促进科学决策，对地震灾害态势提前推演预判，以数据驱动决策，以仿真验证决策，线上线下虚实迭代，最大限度地预防地震灾害。

5.3 推动地震管理模式变革

地震4.0这种跨区域、跨部门高效协同全景式的一盘棋管理模式，与当前地震灾害治理多头并举、条块分割、效率低下的管理方式具有天壤之别。从传统地震到智能地震，是一场深层次的技术革命，并将由技术革命倒逼管理革命，引发地震灾害治理结构和治理规则的深层次变革。可以预见的是，为适应智能地震一盘棋管理模式，未来地震部门职能将做进一步调整，地震灾害治理规则将做重大改变。一方面，地震业务管理将由现在的三级管理发展为以“地震大脑”为核心开展一级地震治理。另一方面，地震人员将进一步分化为虚实2大类职能，即一部分人在数字地震虚拟空间围绕数据进行分析、研究和服务，另一部分则聚焦现实地震物理空间，从事各类设施的预防性维护等。

可能源于科学自身规律，地球科学的主旋律每隔二三十年就会发生一次大变革。20世纪六七十年代以地球固体圈层运动规律为主攻对象的板块构造研究，导致板块理论的诞生，推动了矿产资源和灾害等问题的解决。20世纪80年代开始的全球变化研究，是地球科学的另一主旋律。它主要以地表流体圈层的运动规律为研究对象，旨在解决日益突出的环境问题。地球科学的历史表明，每一项重大突破的背后，几乎都有一项新技术的出现；有了回声声纳，才知道有海山和中脊；有了深海钻探，才能证明板块理论；有了高频GPS，才会发现慢地震。我们深信，地震4.0技术体系的建立，必将迸发出创新的科学火花，推动地震科学研究的更大进步。