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基于机器学习和迁移学习的地震预警震级估计

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震级估计是地震预警的重要环节之一.快速且可靠的震级估计可以为地震预警系统提供有效的地震预警信息.传统的地震预警震级估计方法主要利用从P波信号中提取单一的特征建立震级估计经验预测方程,且震级估计误差较大.为了提高地震预警震级估计的可靠性以及探索机器学习方法在中国川滇地区地震预警震级估计的可行性,基于日本K-NET台网记录的强震动数据建立用于震级估计的机器学习预训练模型(CRnet-M),CRnet-M模型结合了卷积神经网络和循环神经网络;结合迁移学习和中国川滇地区的强震动数据,对预训练的CRnet-M模型进行微调和训练,进而建立了用于中国川滇地区的震级估计模型(TLCRnet-M).研究结果表明:对于日本的测试数据集,在P波触发后 3s,和传统的地震预警震级估计方法相比,预训练的CRnet-M模型有更小的震级估计误差,且绝对误差在 0~0.5 震级单位范围内的百分比达到了 86.89%;对于川滇地区的测试数据集,在P波触发后 3s,和传统的地震预警震级估计方法以及未使用迁移学习的CRnet-M模型相比,使用迁移学习的TLCRnet-M模型提高了震级估计的可靠性,且绝对误差在 0~0.5 震级单位范围内的百分比为76.25%.方法在一定程度上提高了地震预警震级估计的可靠性,且对于地震预警系统有一定意义.
Magnitude estimation for earthquake early warning based on machine learning and transfer learning
Magnitude estimation is a crucial component of earthquake early warning(EEW).Rapid and reliable magnitude estimation can provide effective EEW information.Traditional methods for estimating magnitude primarily rely on establishing empirical prediction equations using single feature extracted from P-wave signal,leading to significant magnitude estimation errors.To improve the reliability of EEW magnitude estimation and explore the feasibility of machine learning approach in the Sichuan-Yunnan region of China,this study establishes a machine learning pre-trained model(CRnet-M)for magnitude estimation based on strong motion data recorded by the Japanese K-NET network.The CRnet-M model combines convolutional neural network and recurrent neural network.Subsequently,leveraging transfer learning and strong motion data from the Sichuan-Yunnan region,this study fine-tunes and trains the pre-trained CRnet-M model,thus establishing a magnitude estimation model(TLCRnet-M)specifically tailored for the Sichuan-Yunnan region of China.The research findings indicate that for the Japanese test dataset,following the triggering of P-wave by 3 s,the pre-trained CRnet-M model exhibits a smaller magnitude estimation error compared to traditional magnitude estimation methods in EEW.The percentage of absolute error within the range of 0 to 0.5 magnitude units reaches 86.89%.For the Sichuan-Yunnan region test dataset,following the triggering of P-wave by 3 s,the TLCRnet-M model with transfer learning enhances the reliability of magnitude estimation compared to the traditional EEW magnitude estimation methods and the CRnet-M model without transfer learning.The percentage of absolute error within the range of 0 to 0.5 magnitude units is 76.25%.The method proposed in this study enhances the reliability of EEW magnitude estimation to a certain extent and holds significance for EEW systems.

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宋晋东、梁坤正、李山有、朱景宝

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中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080

地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080

地震预警 机器学习 神经网络 迁移学习 震级估计 P波

国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目

U203920942304074514085642022YJ149

2024

世界地震工程
中国地震局工程力学研究所 中国力学学会

世界地震工程

CSTPCD北大核心
影响因子:0.523
ISSN:1007-6069
年,卷(期):2024.40(3)
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