地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法

1.本发明属于地震应急观测流动台选址领域，具体涉及一种地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法。


背景技术：

2.我国地震频发，是世界上地震灾害最严重的国家之一，建立测震应急流动台是提高应急能力并减轻地震灾害损失的重要工作。流动监测台网(流动台网)主要是用在大震前的前震观测和震后的余震监测。在大地震前作为地震的加密观测，进行高精度的地震定位，对可能发生大地震的区域地震活动背景作动态跟踪监测，为开展区域地震活动性研究和地震预测研究服务；在大地震后用于现场的余震监测，记录大地震后的余震活动变化，为判断地震的发展趋势提供依据，也为进一步研究震源特征、探索地震的发生和发展过程积累基础资料。
3.地震应急观测流动台选址问题研究的是在地震发生后，如何快速、合理、有效地为应急观测流动台站选址来加密现有的地震台网并提高台网的监测能力和定位精度。现有的测震应急流动台建立流程需要一定的时间，其时效性较低，监测效能是否最大化也需进一步判定。通过研究测震应急流动台智能选址方法，利用进化优化算法，在地震后第一时间通过软件输出应急观测流动台建立参考台址，这在一定程度上可提高地震监测能力以及应急能力。
4.目前最常见的测震应急流动台建立方法以手工测算为主，依据经验在地图上采用试探法确定台站的位置。在地震发生后，需要当地地震局派出人员和设备，在发生地震的区域的一定范围内不断地进行人工勘测凭借经验来找到适合布设应急观测流动台的地方。这种选址方案的操作时间长，难以满足地震应急监测的高时效性要求，同时，根据经验所布设的流动监测台网是否合理、其监测效能是否最大化无法判定。在本发明的技术方案的实现过程中，发明人发现：若能够利用人工智能优化算法在地震发生后的第一时间得到应急流动台布设方案，不仅节省了很大一部分人工花销还能更科学更有效地建立应急观测流动台网的建设。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法，以解决上述现有的应急观测流动台选址方法时效性低，人工开销大，合理性和准确性无法判定的缺陷。
6.本发明提供了一种地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法，该方法包括：
7.步骤1、确定待跟踪监测的地震主震以及余震信息；
8.步骤2、确定主震所在的断裂带以及断裂带的破裂方向；
9.步骤3、确定地表破裂长度l；
10.步骤4、按照动台站位于沿着破裂方向在断层两侧长度为l的区域的空间范围条件，配置流动台站的部署空间范围s；
11.步骤5、从选址基础数据库中获取部署范围s内的不利场地要素集合p；
12.步骤6、将面积大于或等于第一阈值的不利场地要素(面要素)转换为选址约束条件c，即依据流动台选址规则将面积较大的不利场地要素转化为选址约束条件c；
13.步骤7、采用多目标优化方法在部署范围s内求解带约束条件c的多目标流动台选址问题的最优帕累托(pareto)解集x，所述解集x的每个解表示的是流动台网(简称台网)中所有流动台的台站的分布情况，而非一个单独的流动台部署位置；即解集x的每个解表示在指定的部署台数要求下，一组流动台的各流动台的分布位置，每组流动台的数量对应部署台数。
14.步骤8、基于指定的筛选规则从解集x中选出推荐候选解集，从而得到流动台候选最优方案；
15.步骤9、在流动台候选最优方案的每个台址的指定邻域内选择基岩区域，得到每个台址的周围基岩区域，并将台址移至其周围基岩区域，得到更新后的流动台候选最优方案；
16.步骤10、检遍历更新后的流动台候选最优方案的每个台址，若位于不利场地要素集合p中的避让区域，则按照指定的移动规则将当前台址移出该避让区域，得到地震监测流动台选址方案；所述避让区域指不利场地要素集合p中面积小于第一阈值的不利场地要素，或者面积为零的不利场地要素。
17.进一步的，该选址方法还包括步骤11，若当前得到的地震监测流动台选址方案的数量不满足需求，即用户需要更多的选址方案供比较决策时，将推荐候选解集的领域解作为补充方案，将补充方案的各台址移动至其周围基岩区域后，再监测补充方案的各台址是否位于不利场地要素集合p中的避让区域，若是，则按照指定的移动规则将当前台址移出该避让区域，以得到地震监测流动台选址补充方案。
18.优选的，所述破裂方向基于余震的分布确定。
19.优选的，地表破裂长度l的确定方式为：
20.基于历史数据回归统计得到地震地表破裂长度和震级之间的映射：m＝αlogl+b，其中，m表示地震(主震)的震级，参数α和b表示两个回归系数；
21.基于当前的震级m，根据公式m＝αlogl+b计算地表破裂长度l的。
22.优选的，步骤7中，多目标流动台选址问题的优化目标(预期目标)为最小化台网的(台站)空隙角和最大化地震定位精度，以表针地震应急流动台选址中的定位精度目标和分布均匀性目标。
23.优选的，所述推荐候选解集包括两个极端解x1和x2，以及一个拐点解x0，其中，极端解x1和x2分别是在最小化空隙角和最小化定位精度两个目标上取得的最优解，拐点解x0为在两个目标上达到折中情形的解。
24.优选的，避让区域的移动规则为：最小移动代价规则。
25.优选的，所述多目标优化方法包括但不限于：粒子群算法、遗传算法。
26.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出了一种面向地震应急流动测震台的高效智能选址方法及系统。本发明中，上述地震流动监测台多目标智能优化选址方法可以与gis(地理信息系统)相结合，可以提供可视化的优化选址决策
过程，实现震区一定范围内布设测震应急流动台的最优化选址方案，从而产出高质量地震余震序列目录，大大提高地震应急流动台选址的合理性和时效性，提高震区地震监测能力。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1是本发明实施例提供的地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法的处理过程示意图；
29.图2是本发明实施例中的选址优化案例的方案结果示意图，其中(2-a)、(2-b)、(2-c)分别表示三个地震应急观测流动台候选最优方案。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
31.现有的地震观测流动台选址方法以手工测算为主，依据经验在地图上采用试探法确定台站的部署位置，使得余震定位精度和间隙角尽可能满意。这种流动台选址方法因为搜索空间大，约束条件多而难以获得在定位精度和间隙角等多个优化目标之间的最优选址方案。同时，这种选址方案的操作时间长，难以满足地震应急监测的高时效性要求。为了提高地震应急观测流动台选址的合理性和时效性，提高震区地震监测能力，本发明实施例提供了一种地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法，参见图1，其具体实现包括如下步骤：
32.步骤1、确定待跟踪监测的地震主震(e)；
33.步骤2、确定主震(e)所在的断裂带，并根据余震信息判断断裂带的破裂方向；
34.步骤3、确定地表破裂长度(l)；
35.步骤4、配置流动台站的部署空间范围(s),且根据震后余震的信息的确定破裂方向，沿着破裂方向在断层两侧长度为l的区域进行应急观测流动台选址部署；
36.步骤5、从选址基础数据库中获取部署范围s内的不利场地要素集合(p)；
37.步骤6、依据应急观测流动台选址规则将面积较大的不利场地要素(地理信息系统管理gis中面积大于等于a(优选取值为100km2)的面要素)转化为选址约束条件(c)；
38.不利场地要素种类繁多，数量巨大，投影到地图上往往是一些不规则的不连续的区域，如城镇、河流、湖泊、高山、水库、采石场、往复运动作业的工厂，频繁出现汽车、火车的铁路等，转化为选址约束条件属于难以处理的大规模约束条件。只将面积较大的不利场地要素(如大面积的湖泊、水库等)转化为选址约束条件，可以提高优化算法的收敛速度和可行解的个数。
39.步骤7、采用多目标优化方法在部署范围s内求解带约束条件c的多目标(监测精度最小化和间隙角最小化)流动台选址问题的最优帕累托(pareto)解集(x)；即将流动台的经纬度坐标作为决策变量并构建地震流动台的多目标约束选址优化模型。
40.多目标优化算法通常将外部档案中的pareto最优解集输出给决策者，但是，数量众多的最优解集常使决策者感到困惑。决策者常常希望在某个目标达到最优时在考察其他目标能够达到何种优化程度，或者希望在各个目标能够达到折中的最优情形，再比较附近的pareto最优解，然后做出最终方案选择。这种先粗后精的决策行为方式先给决策者提供那些具有特别意义的最优解，即兴趣解，然后向决策者提供选定兴趣解周围的若干个邻居解。
41.步骤8、选择最优解集x中的两个极端解(x1和x2)和一个拐点解(x0)为推荐候选解；
42.步骤9、在地震应急观测流动台候选最优方案的每个台址周围范围(βkm)内选择基岩区域，将台址微移至基岩上；
43.步骤10、根据流动台选址规则小范围避让(最小移动代价的方式进行避让)面积较小(gis中面积小于a的面要素)或面积为0(gis中的点或线要素)的不利场地要素，获得避让不利场地后的推荐候选解(x1′
，x2′
，x0′
)作为地震监测流动台选址方案供用户决策；
44.面积较小(gis中面积小于a的面要素)或面积为0(gis中的点或线要素)的不利场地要素在选址优化求解中并没有转换成选址约束条件，优化算法获得的流动台参考台址有可能位于这类不利场地，因此需要判断获得的候选解是否位于不利场地，并按照最小移动代价规则将不符合要求的流动台移出不利场地。
45.进一步的，当用户需要更多选址方案供比较决策时，则可从pareto最优解集x中选择x1，x2和x0的邻域解，经过避让计算后增加至地震监测流动台选址方案中。
46.作为一种可能的实现方式，选址基础数据库的选址基础数据的收集和加工整理可以采用下述方式实现：
47.①
收集流动台选址基础数据。从地震应急指挥技术系统和国家社会服务工程等项目已建成的基础数据库，以及其他途径收集应用示范监测区域内的现有地震监测能力、地震台网布局、基岩特性、背景噪声、活动断裂、干扰源(铁路公路、火力发电站、输油管道等)分布、历史地震、电力交通、通讯安全等资料。
48.②
加工整理基础数据。根据地震选址模型要求将基础数据进行派生计算加工，获得优化模型所需要的中间变量数据，以及对空间数据制作要素图层和配准。
49.③
数据库建模和数据入库。设计并创建数据库结构模式，同时将加工制作后的数据加载入库。
50.以采集的湖南省历史地震信息、活动断裂、已有台网布局、城镇、湖泊、公路等基础数据为例进一步描述本发明实施例。
51.将收集的基础数据进行派生计算加工，获得优化模型所需的中间变量数据。
52.接下来从选址基础数据库中获取待追踪跟踪监测的地震主震的震级、坐标以及相应余震信息，根据主震震级与地震地表破裂长度的关系式计算断层地震地表破裂长度(l)，根据余震空间分布确定破裂方向，则可以确定流动台站的部署空间范围是沿着断层破裂方向的在长度为l的断层两侧的区域。
53.从选址基础数据库中获取部署范围内的地震监测固定台集合和不利场地要素集合，并将gis中面积大于等于100km2的面要素转化为选址约束条件。
54.基于流动台选址问题的特征，采用带约束的多目标粒子群算法对多目标约束选址优化模型进行求解，得到x解集，每个解集按照预置的数据结构进行表征，即将其表征为一
个解向量，解向量的维度由用户给定的流动台预部署数量所决定，解向量的每个元素标识一个流动台的位置部署，即一个解代表的是一个台网的分布，是一组台站的坐标而不仅仅是一个台站的坐标。
55.最后根据流动台选址规则小范围避让面积较小的不利场地要素，根据流动台选址规则将得到的候选解通过最小移动代价的方式避让没有转化成选址约束条件的不利场地因素，获得避让后的推荐候选解作为地震监测流动台选址方案供用户决策，如图2所示，(2-a)、(2-b)、(2-c)分别表示三个地震应急观测流动台候选最优方案，即最优解集x中的两个极端解和一个拐点解所对应的三组部署方案。
56.本发明实施例提供的地震应急观测流动台的多目标智能优化选址方法可以与gis相结合，可以提供可视化的优化选址决策过程，实现震区一定范围内布设地震应急观测流动台的最优化选址方案，从而产出高质量地震余震序列目录，大大提高地震应急观测流动台选址的合理性和时效性，提高震区地震监测能力。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
58.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。