基于多参数驱动机器学习的实时地震烈度预测模型

地震烈度的实时估计可为地震预警、紧急处置和应急响应提供决策依据.目前地震烈度实时预测方法多是基于P波提取单一特征参数估计全时程的峰值参数,然而单一特征难以表征地震动的全部信息.本文基于机器学习中的Extreme Gradient Boosting(xgBoost)算法提出了一种多参数驱动的实时仪器地震烈度预测方法.基于2010—2018年日本K-NET和KiK-net强震数据,使用24种特征参数建立地震烈度实时预测模型.为了解决模型复杂度的问题,本文研究了特征参数之间的相关性,并使用排列重要性方法优化模型,最终确定了10个重要特征参数.本文使用时间窗间隔为1 s的扩展时间窗方法实时预测地震烈度,P波到达1 s后在测试集中的预测准确率为86.56%,并在10^-2～10^-3 s内完成特征计算和预测.最后,假设2019—2021年的地震记录为新发生的地震事件,验证了模型的泛化性,证明其可应用于未来发生的地震事件.结果表明本文提出的模型改善了仪器地震烈度预测的准确性,为地震烈度的实时预测提供了一种可行的方法.     

基于卷积神经网络的地震预警震级持续估算方法研究

为提高地震预警震级快速持续估算结果的准确性,本文构建了基于多种地震动特征参数的卷积神经网络震级估算CNN-M模型.该模型基于日本KiK-net强震动观测记录,利用其P波触发后3～ 10s时间窗内的幅值参数、周期参数、烈度参数、信噪比参数共11种地震波特征参数以及震中距参数作为输入.本文所建立的CNN-M模型随着地震发生...     

场地PGA放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研究

场地地震动PGA放大系数是重大工程地震预警、烈度速报技术及结构抗震设计地震动输入的基础。搜集整理日本Kik-net台网239个Ⅱ场地台站的地震记录,以场地覆盖层厚度D、场地特征周期T、场地v_(s30)以及场地等效剪切波速v_(se)为场地特征参数,以井下记录PGA为地震动强度指标,研究场地PGA放大系数F_(PGA)与场地特征参数之间的相关性;以地表PGA值40 Gal作为预警阈值,采用回归决策树CART方法建立了地震预警的特征参数组合标准。分析结果表明:场地F_(PGA)与场地覆盖层厚度D及场地特征周期T负相关,与场地vs30正相关,与vse相关性可忽略;F_(PGA)与场地特征参数的相关性随着场地地震动强度增大而增大;通过搜集的地震数据对基于CART分类方法建立的场地地震动预警参数指标进行回判检验,检验的总体成功率达到90.09%,其中不预警的成功率为93.64%,预警成功率82.68%。虽然地震动快速评估方法总体成功率达到90%以上,但仍存在5.61%偏于危险的"漏判",所以本文方法仍需要进一步的改进和完善。     

面向地震预警的强震动数据处理技术研究

地震事件有突发性、概率低、预测难、破坏大等特点。随着强震动台网的密度和实时传输能力的提高,以强震动观测为基础的地震预警成为重要的防震减灾手段,近年来,在全球发展迅速。本文开展了地震预警系统中的强震动数据处理技术研究,主要完成的研究工作有:(1)利用强震仪自噪声识别方法给出仪器自噪声指标,与在安静基岩上直接记录的自噪声对比,结果表明,在普通环境下用该方法可以得到可靠的强震仪自噪声,可用于判别仪器是否适合预警监测。基线偏置对地震预警系统有严重影响,可以通过基线平移消除。对基线平移后的测试数据分析,发现地表倾斜和迟滞损失是引起基线漂移的重要原因。(2)针对环境噪声易造成系统误触发的情况,研究了用于地震预警系统的单台站抗干扰误触发算法。提取强震动记录和干扰记录触发事件后3s内数据的多个特征值,用于建立地震与干扰两类数据的判别准则。提出使用决策树判别干扰事件的方法,即利用强震动记录和干扰记录的特征值对决策树进行训练,训练后的决策树可以较好地区分地震事件和干扰事件。针对高速铁路地震监测预警系统中的每个台站都配置了两个传感器的情况,提出了利用单台站内两测点相关性进一步剔除干扰方法。将本文方法布设到了高速铁路沿线长期运行,其误报率为0%,同时对地震事件很灵敏。(3)针对一个台站只有一个传感器的情况,对比IIR低通滤波法和小波分析法在本文中的降噪效果;针对高速铁路地震监测预警系统中观测数据的降噪问题,提出利用高速铁路强震观测台站的双传感器配置和独立成分分析法,消除高速铁路行车振动噪声,比滤波法的效果更好。(4)研究地震预警中的地震定位和震级估算方法。综合利用方位角、震相到时、断层位置和地震活动信息,提出合成权重地震定位方法。结果表明,此综合方法提高了地震预警系统的时效性和准确性,但是,计算量大,由此提出,利用多目标寻优方法提高地震定位计算效率。对比3种典型的多目标寻优算法,确定了DEMO算法在本文中具有最快的速度和准确性。采用较多参数的人工神经网络降低震级估计误差,并且使用了大量的KiK-net井下强震动记录统计估计误差,结果表明,误差较小且在已知震中距的情况下,震级估计误差更小,能满足地震预警的需求。(5)针对地震预警自身特点和实际应用条件,给出了预警系统的构架、系统开发流程和关键技术以及系统测试方法等。介绍了本文研究成果和实现技术在我国高速铁路地震监测预警试验系统建设中的应用。     

基于云计算的强震预警软件开发

依托专业地震监测台网,采用云技术环境,利用Java开发平台,开展地震早期预警软件系统集成关键技术研究,研制一套具有自主知识产权的地震早期预警软件系统,并在中国地震重点监视防御区和试验场开展系统试验,建立信息发布平台,实现预警参数和地理信息的近实时动态发布。该软件在地震事件触发准确率、误触发判断及信息发布速度等方面具有一定创新,从而提高地震预警信息的时效性和准确性。     

两种地震预警定位方法的比较

根据福建地震台网的地震目录,利用各个地震事件前4台的P波到时对Tnow定位方法和4台连续定位方法进行检验,结果表明,两种方法的定位结果相差不大,大部分地震事件的定位偏差也都较小;随震中距的增大,两种方法对网外地震的定位偏差可能增大,这可能和台站集中在震中的一侧、参与定位的台站与地震之间的张角较小有关。波速结构对4台连续定位方法的定位结果存在一定的影响,选择合适的速度模型将有助于改善地震预警定位结果。采用Tnow定位方法不能定位的地震事件相对于4台连续定位方法要多,这可能是由于Tnow定位方法应用了未触发台站的信息,而部分P波到时信息因台站断记或震相记录不清晰等原因而未在地震目录中体现导致的;综合考虑两种定位方法的局限性有助于提高地震预警系统的稳定性和可靠性。     

PC-MEMS地震数据采集与预警信息传输系统研究

我国地震预警新的技术系统研发正处于起步阶段,根据PC-MEMS(使用MMES加速度计进行数据采集并在PC端配置具有数据解析、处理、传输等功能软件的系统设备)地震预警系统技术需求,结合C/S软件架构,以边缘计算为技术思路,将数据计算移到了客户端,只须将计算结果信息传给预警中心,减少了数据传输的信息量和预警中心的工作,大大提高了预警系统在大地震时的时效性和可靠性。使用C#编写完成了PC-MEMS地震数据采集预警信息传输软件,实现了PC-MEMS数据自动采集、数据处理、参数远程配置、自动触发及地震事件自动保存等核心功能以及频谱分析、地震回放、远程下载数据等附属功能,使得软件的应用得以扩展,最后展示了通过人工触发和接收到预警信息时软件的运行示例,检验了软件运行的准确性。统计了边缘计算方式与预警中心计算方式所使用的时间,表明了使用边缘计算方式在地震预警软件中的优越性。     

地震预警震级确定方法研究

地震预警技术是减轻地震灾害损失的有效手段之一．地震预警系统中,地震震级计算是最重要也是最困难的部分之一．利用日本KiK-net台网和四川汶川余震共142次地震事件的记录,分别采用tau;c和Pd方法统计得到了地震预警震级的计算公式,震级计算的方差分别为0.62和0.56个震级单位．为消除震级计算过程中出现的震级饱和现象,作者拓展了Pd方法,提出了一套对位移幅值连续追踪测定的算法．当时间窗长度为10 s时,采用该方法的震级计算方差仅为0.37个震级单位,充分满足地震预警系统的需求．同时,该方法也实现了信息的连续过渡,提高了对现有信息的利用率．最后,还对位移幅值Pd用于地震动峰值PGV的估计以及不同特征参数间的相容性等内容进行了讨论．      

地震预警连续定位方法研究

本文首先总结了地震预警系统中采用的一些实时定位方法,随后结合我国地震监测台网实际运行情况,提出了一套从单个台站触发开始逐渐过渡到利用前四台触发信息的完整地震预警连续定位方法.利用福建省地震监测台网记录的68个M3.0级以上地震观测记录,对本文方法的验证结果表明,对于网内地震,采用本文方法的单台定位结果误差均小于为50 km,双台定位结果误差均小于35 km,三台定位结果误差约为15 km,四台定位结果误差约为6 km;网外地震的三台、四台定位结果误差均小于30 km.推导了采用本文三、四台预警定位方法的误差公式.利用福建地区现有及"十一五"完成后的地震观测台网分别计算得到了定位误差分布图.根据误差分析结果即可对定位结果的可靠性预先做出判断,有利于提高地震预警系统运行的可靠性.     

国家地震烈度速报与预警工程融合决策平台建设

为满足国家地震烈度速报与预警工程(以下简称“国家预警工程”)紧急地震信息对外服务要求,针对国家预警工程建设多算法多中心融合决策的主要技术难题,结合地震监测学科的技术发展现状和学科管理需求,地震监测预警业务系统迫切需要一个用于地震预警、参数速报和烈度速报分系统产出一套全国统一结果的融合决策平台。在国家预警工程定制软件项目实施过程中,建设了国家地震烈度速报与预警工程融合决策平台,其作为国家预警工程数据处理系统与紧急地震信息服务系统之间的关键信息通道,负责汇集融合国、省两级多中心地震预警和速报分系统的多套处理算法的处理结果,进行多个处理结果的同一地震事件判断及其可靠性判定,基于多个策略的信息优选和融合决策处理,产出融合决策后唯一、可靠、及时和准确的预警和速报信息结果。该结果经紧急地震信息服务系统的发布平台对外发布,社会公众、政府机构和特定专业用户可以基于收到的地震预警和速报信息进行防灾避险或应急救援。     

基于卷积神经网络的地震震级快速估算方法

地震发生后震级的快速准确估算是确保地震预警减灾效果的最重要部分,而基于经验参数的传统方法在准确性和时效性方面各自存在局限性。通过建立多全连接层卷积神经网络模型,选用日本KiK-net和K-NET台网1997年至2019年记录到的3 065次地震的16万4 547条初至波在3—9 s不同时段的频域数据、对应地震事件的震源信息（震中距和震源深度）以及场地信息（v_S30）作为全数据集,对提出的模型进行训练并对估算效果予以评估。结果显示:当初至波截取时段为3 s时,模型震级预测的整体准确率为89.92%,并且随着初至波长度的增大,估算震级的准确率持续提高;当截取时段为9 s时,整体准确率达到96.08%。与传统P_d方法的预估结果相比,结果表明:基于本文提出的多全连接层卷积神经网络模型估算的震级精度有所改善,具有绝对误差标准差和均值更小、时效强等特性,实现了基于单台站记录的端到端震级持续快速估算,能更好地增强地震预警的减灾效果。      

The operation and performance of Earthquake Early Warnings by the Japan Meteorological Agency

The Japan Meteorological Agency commenced an Earthquake Early Warning (EEW) provision service in August 2006 to advanced users and in October 2007 to the Japanese public. By the end of 2009, EEWs had been issued to advanced users for more than 2100 earthquakes and to the public for 11 earthquakes. Nearly 80% of seismic intensity predictions were accurate within ±1 intensity unit on JMA’s Seismic Intensity Scale. The Iwate-Miyagi Nairiku Earthquake in 2008 demonstrated the efficiency of EEWs in many places. However, there were other cases where the warnings were not issued in time for strong tremors. Further technical development is needed for both earthquake source parameter estimation and seismic intensity prediction. Public education in regard to the technical limitations and accuracy of EEWs as well as actions to take in response to such warnings are also indispensable.     

利用P波参数阈值实时估算地震预警潜在破坏区范围

由于传统的潜在破坏区范围估算方法只能在已获取到震中位置和地震事件结束后才能产出,且往往需要数分钟的耗时,其实时性已无法满足地震预警要求。因此,为了快速产出潜在破坏区范围估算结果并将其用于预警,本文采用了一种结合现地预警技术和区域预警技术、基于预警参数（位移幅值P_d和特征周期τ_c）阈值的实时潜在破坏区范围估算方法。首先利用国内地震事件（4.0≤M_S≤8.0）的记录数据和日本强震动观测事件（6.5≤M_J≤8.0）的数据拟合出特定的适应于我国的参数关系式,包括τ_c与震级M的相关性、P_d与峰值速度PGV的相关性以及P_d与τ_c和震源距R的相关性;其次,根据最小震级（M_S6.0）和仪器烈度（Ⅶ度）定义相应的参数阈值（P_d＝0.1 cm和τ_c＝1.1 s）;最后,利用已有的3次破坏性地震事件数据开展线下模拟,对该方法的适应性和时效性进行了验证。结果表明,对于2013年M_S7.0四川芦山和2014年M_S6.5云南鲁甸两次中强地震,震后约10 s即可获取到比较稳定的潜在破坏区范围估计结果;而对于2008年M_S8.0汶川特大地震,在其记录台站分布密度不高的情况下,震后40 s左右的估算结果始呈稳定状态。      

Earthquake magnitude estimation using the τ c and P d method for earthquake early warning systems

Earthquake early warning (EEW) systems are one of the most effective ways to reduce earthquake disaster. Earthquake magnitude estimation is one of the most important and also the most difficult parts of the entire EEW system. In this paper, based on 142 earthquake events and 253 seismic records that were recorded by the KiK-net in Japan, and aftershocks of the large Wenchuan earthquake in Sichuan, we obtained earthquake magnitude estimation relationships using the τ _c and P _d methods. The standard variances of magnitude calculation of these two formulas are ±0.65 and ±0.56, respectively. The P _d value can also be used to estimate the peak ground motion of velocity, then warning information can be released to the public rapidly, according to the estimation results. In order to insure the stability and reliability of magnitude estimation results, we propose a compatibility test according to the natures of these two parameters. The reliability of the early warning information is significantly improved though this test.     

Pd-τc相容性检验方法在触发事件判别分析中的应用

结合福建地区地震预警系统的运行情况和处理能力, 利用日本KiK-net台网和福建地震台网记录的天然地震事件和人工爆破事件实测数据, 探讨了P_d-τ_c相容性检验方法在触发事件类型实时判别中应用的可行性． 结果表明, P_d-τ_c相容性检验方法能够较好地区分大震级地方震与误触发事件, 也能对远震事件进行粗略判别, 但对于小震级地方震和人工爆破事件则无法有效判别． 随后, 以P_d-τ_c相容性检验结果为基础, 本文设定强度参数P_d=10-3 cm为界线, 即可从众多触发事件中甄选出可能产生破坏的大震级地方震事件． 本文方法有助于提高触发事件类型判别结果的可靠性、 预警系统的处理效率和系统产出信息的准确度．      

地震预警实质的探讨

随着国家地震烈度速报与预警工程的开展,“地震预警”越来越进入公众的视线,国内外关于“什么是地震预警”的问题越来越多,对地震预警技术的解释也多种多样。本文论述了我国地震预警的进展,地震预警的实质和局限性。地震预警实质是地震观测进入密集观测新阶段,地震速报从分钟级发展到秒级超快地震速报,也就是地震警报。由于在地震预警实际应用中受预警盲区和地震强度估算不准确的局限,地震科学家对地震预警技术应用效能的认识也在不断加深和变化,逐步认识了发挥地震预警的警报作用的重要性。同时,地震预警是复杂的社会工程,引导公众认识地震预警的局限性,才能有效发挥减灾效能。      

烈度仪用于地震预警的可靠性研究——以高雄MS6.8地震为例

以2016年2月6日我国台湾高雄M_S6.8地震中烈度仪观测网的实际记录为研究对象,通过对烈度仪台站的震相捡拾结果精度、峰值地震动衰减关系适用性、预警震级计算结果准确性等3方面的对比分析,研究了烈度仪用于地震预警时的优势和可靠性,并讨论了可能存在的问题和风险.研究结果表明:对于震中附近具有较高信噪比的烈度仪台站,采用现有震相捡拾方法即可获得较准确的震相到时信息;现有的地震动衰减关系并不完全适用于烈度仪台网,直接应用这些关系式时存在一定风险;基于密集布设的烈度仪观测台网,在较短时间即可获取大量信息,采用已有预警震级估算方法的计算结果有较高的准确性.      

Progress of the earthquake early warning system in Fujian, China

In this article, we systematically introduce the latest progress of the earthquake early warning (EEW) system in Fujian, China. We focus on the following key technologies and methods: continuous earthquake location and its error evaluation; magnitude estimation; reliability judgment of EEW system information; use of double-parameter principle in EEW system information release threshold; real-time estimation of seismic intensity and available time for target areas; seismic-monitoring network and data sharing platform; EEW system information release and receiving platform; software test platform; and test results statistical analysis. Based on strong ground motion data received in the mainshock of the Wenchuan earthquake, the EEW system developed by the above algorithm is simulated online, and the results show that the system can reduce earthquake hazards effectively. In addition, we analyzed four earthquake cases with magnitude greater than 5.5 processed by our EEW system since the online-testing that was started one year ago, and results indicate that our system can effectively reduce earthquake hazards and have high practical significance.     

Prestack amplitude versus angle inversion for Young's modulus and Poisson's ratio based on the exact Zoeppritz equations

Elastic parameters such as Young's modulus, Poisson's ratio, and density are very important characteristic parameters that are required to properly characterise shale gas reservoir rock brittleness, evaluate gas characteristics of reservoirs, and directly interpret lithology and oil‐bearing properties. Therefore, it is significant to obtain accurate information of these elastic parameters. Conventionally, they are indirectly calculated by the rock physics method or estimated by approximate formula inversion. The cumulative errors caused by the indirect calculation and low calculation accuracy of the approximate Zoeppritz equations make accurate estimation of Young's modulus, Poisson's ratio, and density difficult in the conventional method. In this paper, based on the assumption of isotropy, we perform several substitutions to convert the Zoeppritz equations from the classical form to a new form containing the chosen elastic constants of Young's modulus, Poisson's ratio, and density. The inversion objective function is then constructed by utilising Bayesian theory. Meanwhile, the Cauchy distribution is introduced as a priori information. We then combine the idea of generalised linear inversion with an iterative reweighed least squares algorithm in order to solve the problem. Finally, we obtain the iterative updating formula of the three elastic parameters and achieve the direct inversion of these elastic parameters based on the exact Zoeppritz equations. Both synthetic and field data examples show that the new method is not only able to obtain the two elastic parameters of Young's modulus and Poisson's ratio stably and reasonably from prestack seismic data but also able to provide an accurate estimation of density information, which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed method. The proposed method offers an efficient seismic method to identify a “sweet spot” within a shale gas reservoir.     

Epistemic uncertainty in on-site earthquake early warning on the use of PGV–PD3 empirical models

From the literature, we found that PGV–PD3 regressions for on-site earthquake early warning (EEW) can be quite different depending on the presumption whether or not PGV–PD3 data from different regions should be “mixable” in regression analyses. As a result, this becomes a source of epistemic uncertainty in the selection of a PGV–PD3 empirical relationship for on-site EEW. This study is aimed at examining the influence of this epistemic uncertainty on EEW decision-making, and demonstrating it with an example on the use of PGV–PD3 models developed with data from Taiwan, Japan, and Southern California. The analysis shows that using the “global” PGV–PD3 relationship for Southern California would accompany a more conservative EEW decision-making (i.e., early warning is activated more frequently) than using the local empirical model developed with the PGV–PD3 data from Southern California only. However, the influence of this epistemic uncertainty on EEW is not that obvious for the cases of Taiwan and Japan.