A hybrid inversion method of damped least squares with simulated annealing used for Rayleigh wave dispersion curve inversion

Surface wave methods are becoming increasingly popular in many geotechnical applications and in earthquake seismology due to their noninvasive characteristics.Inverse surface wave dispersion curves are a crucial step in most surface wave methods.Many inversion methods have been applied to surface wave dispersion curve inversion,including linearized inversion and nonlinearized inversion methods.In this study,a hybrid inversion method of Damped Least Squares(DLS) with Very Fast Simulated Annealing(VFSA) is developed for multi-mode Rayleigh wave dispersion curve inversion.Both synthetic and in situ fi eld data were used to verify the validity of the proposed method.The results show that the proposed method is superior to the conventional VFSA method in aiming at global minimum,especially when parameter searching space is adjacent to real values of the parameters.The advantage of the new method is that it retains both the merits of VFSA for global search and DLS for local search.At high temperatures,the global search dominates the runs,while at a low temperatures,the local search dominates the runs.Thus,at low temperatures,the proposed method can almost directly approach the actual model.     

改进的模拟退火算法及其在叠前储层参数反演中的应用

快速模拟退火算法中,要求扰动后新的模型参数必须在取值范围内,对此,人们通常采用两种方法:(1)反复扰动直到新的模型参数满足要求;(2)当新的模型参数超过最大值时,参数等于最大值;新的模型参数小于最小值时,参数等于最小值.研究发现,方法1在计算过程中增加了寻找新模型参数的时间开销,计算效率明显降低;方法2当目标函数在边界或边界的小邻域存在多个极小值时,在有限的时间内,其陷入局部极小的概率大大增加,优化效果明显下降.本文在前人研究的基础上提出了改进的模拟退火算法,同时利用改进的算法反演了地层泊松比、纵波速度和密度.结果表明,改进的算法加快了模拟退火算法的收敛速度,提高了模拟退火算法的效率和精度.     

Two attempts of study of seismic source from teleseismic data by simulated annealing non-linear inversion

Two seismic source studies usingteleseismic data are performed by Simulated Annealing(SA), a non-linear inversion method. The Very FastSimulated Annealing (VFSA) algorithm is used and onlyteleseismic data are inverted. We have designed a fastand efficient way of multiple direct problemevaluation, which is based on pre-calculating theelementary Green's function. During the process we setthe values of the inversion control parameters(temperature, number of iterations) and modified thecooling schedule. In the current version, theinversion seeks for the point source mechanism, thedepth of the source, the scalar moment and the sourcetime function (STF). The method is applied to twoearthquakes: 18 Nov. 1992 in Greece, M 5.9 and 14 Sep.1995 in Mexico, M7.3. The calculation is performed ona simple 1D model of the structure. For the firstearthquake the inversion recovered the solution fairlywell; for the second the solution was less acceptable.However, we do not consider this fact to be a failureof the method, but a consequence of an inadequatemodel of the source and of the medium structure. Acasual attempt of reliability determination was alsoperformed; the obtained values of errors arereasonable, except for a few cases when the methodfailed.     

波阻抗反演正则参数估计

为了解决用正则化方法能够将波阻抗反演的病态问题转为良态问题,通过统计方法合理地选择正则参数的初值,在反演过程中用极大似然（ML）方法实时进行正则参数值估计,提高反演收敛速度,改善反演结果。同时,在具体反演中将正则化方法与快速模拟退火算法相结合,充分发挥正则参数作用,可以获得全局最优解,取得了好的实际应用效果。     

基于单台加速度记录的混合全局优化HVSR反演场地浅层速度结构

利用水平与竖向谱比（HVSR）方法反演场地速度结构是国际上迅速发展的研究领域.HVSR反演计算实质是一个土层场地模型空间搜索的全局优化问题,当模型搜索空间的复杂程度增大时,目前常用的搜索算法收敛速度慢,计算效率较低.本文实现了一种结合遗传和模拟退火方法优点的混合全局优化HVSR反演算法,通过理论模型和竖向台阵实测数据的检验,表明该算法能获得很好的反演效果,较好地解决了蒙特卡罗方法收敛速度慢,遗传算法收敛早熟和模拟退火算法搜索效率低的问题.本文在此基础上讨论了单台加速度S波记录用于场地速度结构HVSR反演的适用性,为基于单个地震台的地震观测记录反演浅层速度结构提供了一种高效且较为准确的反演方法.

     

Using a hybrid genetic algorithm–simulated annealing algorithm for fuzzy programming of reservoir operation

We present a novel approach for optimizing reservoir operation through fuzzy programming and a hybrid evolution algorithm, i.e. genetic algorithm (GA) with simulated annealing (SA). In the analysis, objectives and constraints of reservoir operation are transformed by fuzzy programming for searching the optimal degree of satisfaction. In the hybrid search procedure, the GA provides a global search and the SA algorithm provides local search. This approach was investigated to search the optimizing operation scheme of Shihmen Reservoir in Taiwan. Monthly inflow data for three years reflecting different hydrological conditions and a consecutive 10‐year period were used. Comparisons were made with the existing M‐5 reservoir operation rules. The results demonstrate that: (1) fuzzy programming could effectively formulate the reservoir operation scheme into degree of satisfaction α among the users and constraints; (2) the hybrid GA‐SA performed much better than the current M‐5 operating rules. Analysis also found the hybrid GA‐SA conducts parallel analyses that increase the probability of finding an optimal solution while reducing computation time for reservoir operation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

重力与地震资料的模拟退火约束联合反演

联合反演是综合地球物理研究的重要定量解释手段.本文在总结和分析重力与地震资料联合反演的研究现状基础上,利用改进的全局寻优的快速模拟退火算法,实现了重力和地震资料的约束同步联合反演.针对性地设计了密度和速度界面不完全一致的模型,理论模型的试验说明了方法的效果和适用性.结合最近完成的广东徐闻地区实际资料的处理和解释,表明该方法可准确确定复杂构造物性界面的密度和速度结构,在该地区的油气勘探中发挥了作用.在先验信息约束下,该联合反演方法要明显优于单独的重力反演.     

基于混合差分进化算法的地球物理线性反演

地球物理反问题线性化处理之后, 各种反演算法归结为对病态线性方程组的求解. 为了快速准确地计算出地球物理参数, 本文提出了一种全新的基于LSQR算法的混合差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Algorithm, HDE). 该算法利用LSQR算法给出DE算法的初始种群, 提高DE算法的计算速度和稳定性. 在不同噪声水平下, 对四种正则化方法Tikhonov、TSVD、LSQR和HDE的反演结果进行详细比较. 理论模型和实际数据反演的结果都表明: 改进的HDE算法应用于地球物理反问题的求解是成功的: 反演结果与原设定模型具有较高的相关性, 在稳定性和准确性上较常规的反演算法都具有一定的优势; 而且不需要给定正则化参数, 具有更强的实用性.     

波动方程反演的全局优化方法研究

复杂介质波动方程反演是地球物理研究中的重要问题,通常表述为特定目标函数最优化,难点是多参数、非线性和不适定性.局部和全局优化方法都不能实现快速全局优化.本文概述了地震波勘探反演问题的理论基础和研究进展,阐述了反演中优化问题的解决方法和面临的困难,并提出了一种确定性全局优化的新方法.通过在优化参数空间识别并划分局部优化解及其附近区域,只需有限次参数空间划分过程就能发现所有局部解（集合）;基于复杂目标函数多尺度结构分析,提出多尺度参数空间分区优化方法的研究方向.该方法收敛速度快,优化结果不依赖初始解的选取,是对非线性全局优化问题的一个新探索.     

基于网格搜索与模拟退火算法的地震定位数值模拟反演

地震定位是地震监测、预测和其他地震学研究工作中最基础的工作之一,高效率和高精确度的地震定位工作对于地震预警工程等各项防震减灾工作的开展都具有重要的意义。本文通过模拟退火方法反演震中位置,并对模拟退火的温度、降温方式、扰动方式和收敛阈值等进行改变,分析各种参数对模拟退火法反演结果的影响。也对模拟退火法的优缺点进行了总结和分析。     

基于Metropolis优化的叠前全局迭代地质统计学反演方法

叠前地质统计学反演将随机模拟与叠前反演相结合,不仅可以反演各种储层弹性参数,还提高了反演结果的分辨率.基于联合概率分布的直接序贯协模拟方法可以在原始数据域对数据进行模拟,不需要对数据进行高斯变换,拓展了地质统计学反演的应用范围;而联合概率分布的应用确保了反演参数之间相关性,提高了反演的精度.本文将基于联合概率分布的直接序贯协模拟方法与蒙特卡洛抽样算法相结合,参考全局随机反演策略,提出了基于蒙特卡洛优化算法的全局迭代地质统计学反演方法.为了提高反演的稳定性,我们修改了局部相关系数的计算公式,提出了一种新的基于目标函数的优化局部相关系数计算公式并应用到协模拟之中.模型测试及实际数据应用表明,该方法可以很好的应用于叠前反演之中.

     

量子退火反演的原理和实现

现有的非线性反演方法,大都存在着求解的局部收敛性和计算速度慢的问题. 在与模拟退火方法进行比较的基础上,本文研究了基于量子跃迁过程中量子隧道效应的量子退火反演算法. 数值试验结果表明,量子退火方法应用于地球物理反问题的求解是成功的,它适合于非线性、多极值的地球物理反演问题,与模拟退火反演相比,量子退火反演在退火收敛速度和避免陷入局部极小等方面有着一定的优势,该方法也适用于其他领域非线性最优化问题的求解,具有较强的普适性.     

改进模拟退火算法在研究地壳上地幔层面位置中的应用

本文基于Metropolis接收原则改进快速模拟退火算法同时进行地下介质层速度和层厚度的联合反演.通过数值模拟验证,该方法在调整好起始温度、温度下降方案等参数的情况下,通过非线性反演可以得到接近理论模型的结果.通过对沿86.E经线南北跨越印度板块、青藏高原和塔里木盆地的垂直剖面的纯频散进行反演,得到S波速度结构,由此识别其Moho 面深度和岩石圈底界面等层面位置.     

改进的约束单纯形-模拟退火剩余静校正

非线性单纯形和模拟退火算法的结合形成了一种新的适合非凸集连续不受约束和受约束函数的全局最优化算法．静校正问题中的相位转移与模拟退火法有明显的相似之处．由非线性单纯形来产生系统的各个状态,在缓慢冷却过程中得到目标函数的全局最优解．所采用的目标函数是道集间的相关,解决了零空间现象．单纯形模拟退火(SIMPSA)算法应用于剩余静校正,收敛速度快,适于解决大剩余静校正．     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.

     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.     

Parameter identification for leaky aquifers using global optimization methods

In the past, graphical or computer methods were usually employed to determine the aquifer parameters of the observed data obtained from field pumping tests. Since we employed the computer methods to determine the aquifer parameters, an analytical aquifer model was required to estimate the predicted drawdown. Following this, the gradient‐type approach was used to solve the nonlinear least‐squares equations to obtain the aquifer parameters. This paper proposes a novel approach based on a drawdown model and a global optimization method of simulated annealing (SA) or a genetic algorithm (GA) to determine the best‐fit aquifer parameters for leaky aquifer systems. The aquifer parameters obtained from SA and the GA almost agree with those obtained from the extended Kalman filter and gradient‐type method. Moreover, all results indicate that the SA and GA are robust and yield consistent results when dealing with the parameter identification problems. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

2D多尺度混合优化地球物理反演方法及其应用(英文)

局部优化和全局优化方法广泛应用到地球物理反演,但是两者各有其优缺点。将两类方法结合起来可以取长补短。将退火遗传算法（SAGA）和单纯形算法相结合,得到了一种高效、健全的2D非线性混合地震走时反演方法。首先,利用SAGA进行大范围的全局搜索,然后由单纯形方法进行快速局部搜索。为了降低层析成像的多解性,我们采用了多尺度逐次逼近的技巧。把速度场划分为不同的空间尺度,定义网格节点上的速度作为待反演参数,采用双三次样条函数模型参数化,正问题采用有限差分走时计算方法,反问题采用多尺度混合反演方法。一个低速度异常体的数值模拟试验和抗走时扰动试验表明该方法是有效和健全的。我们将该方法应用到青藏高原东北缘阿尼玛卿rlet,Meyer,Marr,缝合带东段上部地壳速度结构研究中。数字模型试验和实际资料的应用表明了方法的有效性和健全性。     

基于混合遗传算法的斜测电离图参数反演

斜向探测是获取电离层状态信息的重要手段之一,对斜测电离图的反演可以得到电离层的相关结构参数.遗传算法是一种有效的并得到普遍应用的反演方法,该算法的求解不依赖于初值的选择,可以有效地减少反演问题解的非唯一性,但也存在“过早收敛”和局部搜索能力差等缺陷,从而导致反演精度下降,影响反演结果的可靠性.本文提出将基于模拟退火的混合遗传算法应用到斜测电离图的参数反演中,该算法不仅把握总体能力强,且具有较强的局部搜索能力,是遗传算法和模拟退火算法的优势互补.为了验证该算法反演结果的可靠性和稳定性,首先分别采用遗传算法、模拟退火算法和混合遗传算法对合成的电离图进行反演,反演参数包括临界频率,最大电子浓度和半厚度.通过对三种算法反演结果的对比,得出混合遗传算法的反演结果最接近真实值,需要的迭代次数也远远小于其他两种算法;通过改变种群大小和总迭代次数来判断参数值的改变对三种算法反演结果的影响,得出混合遗传算法有效地降低了参数的选取对反演结果的影响.然后用这三种反演算法对实测电离图进行反演,并将它们的反演结果与斜测链路中点的实际垂测数据进行比较,结果显示混合遗传算法84.62%的反演结果可以控制在误差范围之内,高于遗传算法（76.93%）和模拟退火算法（65.38%）.这些都表明了混合遗传算法的反演结果具有较强的可靠性,在反演的寻优能力和稳定性上要明显优于遗传算法和模拟退火算法,对实测电离层图的反演具有很强的借鉴意义和应用价值.     

MT-重力模拟退火联合反演研究

为了合理互补不同地球物理场的优势和特点,本文研究了MT与重力模拟退火联合反演的技术.在分析MT与重力联合反演的必要性和可行性后,讨论并研究了主要技术难点及解决方法.重点解决了模型扰动、MT与重力界面不一致的处理、目标函数的加权联合问题,提出MT-重力模拟退火反演(MT-GSA)算法.在此基础上进行了理论模型试验和实际资料处理,取得了较好的效果.