JP2018128929A - Subsurface structure estimating device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a subsurface structure estimating device capable of estimating a subsurface structure using earthquake observational data.SOLUTION: A subsurface structure estimating device 10 receives, as an input, time sequential observation data of an earthquake at each point in time at a location corresponding to a subsurface structure model and repeatedly corrects parameters of the subsurface structure model according to a difference between earthquake data predicted from the parameters of the subsurface structure model and an earthquake prediction model and the observation data of the earthquake.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、地下構造推定装置に関する。   The present invention relates to an underground structure estimation apparatus.

従来、地盤・岩盤における透水係数を推定する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, a technique for estimating a hydraulic conductivity in the ground / rock is known (for example, see Patent Document 1).

特開2001‐32419号公報JP 2001-32419 A

上記特許文献1では、試験用ボーリング孔からの流量計測を必須とせずに、間隙水圧のみの計測から地盤・岩盤における透水係数を推定する。しかし、上記特許文献1の技術では、間隙水圧の計測は必要であり、かつ地下構造としては透水係数のみしか推定することができない。   In Patent Document 1, the permeability coefficient in the ground / rock mass is estimated from the measurement of only the pore water pressure without requiring the flow rate measurement from the test borehole. However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to measure the pore water pressure, and only the hydraulic conductivity can be estimated as the underground structure.

本発明は上記事実を考慮して、地震の観測データを用いて地下構造を推定することができる地下構造推定装置を提供することを目的とする。   In consideration of the above facts, an object of the present invention is to provide an underground structure estimation apparatus capable of estimating an underground structure using earthquake observation data.

上記目的を達成するために、本発明の地下構造推定装置は、地下構造モデルと、前記地下構造モデルに対応する地点における各時刻の地震の観測データの時系列とを入力とし、前記地下構造モデルのパラメータ及び地震予測モデルから予測される前記時刻の地震の状態から得られる地震データと、前記時刻における地震の観測データとの差分に応じて、前記時刻の地震の状態及び前記地下構造モデルのパラメータを修正することを繰り返す推定部を含んで構成されている。これにより、地震の観測データを用いて地下構造を推定することができる。   In order to achieve the above object, the underground structure estimation apparatus of the present invention receives an underground structure model and a time series of observation data of earthquakes at each time at a point corresponding to the underground structure model, and the underground structure model According to the difference between the earthquake data obtained from the earthquake state at the time predicted from the parameters and the earthquake prediction model and the observed data of the earthquake at the time, the earthquake state at the time and the parameters of the underground structure model It is comprised including the estimation part which repeats correcting. As a result, the underground structure can be estimated using the observation data of the earthquake.

本発明の前記地下構造モデルのパラメータは、前記地下構造モデルの地表の各格子点に対する、前記格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータを含むようにすることができる。これにより、地下構造を推定する際に計算量を低減させることができる。   The parameter of the underground structure model of the present invention may include the parameter relating to each layer located in the underground direction of the lattice point with respect to each lattice point of the ground surface of the underground structure model. This can reduce the amount of calculation when estimating the underground structure.

本発明の各格子点の前記層に関するパラメータは、前記格子点間で、前記格子点の位置に応じた相関が予め設定されるようにすることができる。これにより、地下構造の連続性を考慮して、地下構造を精度よく推定することができる。   The parameter relating to the layer of each lattice point of the present invention can be set in advance so that a correlation corresponding to the position of the lattice point is set between the lattice points. Thereby, the underground structure can be accurately estimated in consideration of the continuity of the underground structure.

本発明の前記層に関するパラメータは前記層の層厚を含み、前記層厚は、前記格子点間で、前記格子点の位置に応じた相関が予め設定されるようにすることができる。これにより、地下構造の層厚の連続性を考慮して、地下構造を精度よく推定することができる。   The parameter relating to the layer of the present invention may include a layer thickness of the layer, and the layer thickness may be set in advance so as to have a correlation corresponding to the position of the lattice point between the lattice points. Accordingly, the underground structure can be accurately estimated in consideration of the continuity of the layer thickness of the underground structure.

本発明では、前記地下構造モデルの前記格子点間の各々について、前記格子点間の距離が近いほど、一方の格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータと、他方の格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータとが対応するように予め設定されるようにすることができる。これにより、地下構造の格子点間の距離を考慮して、地下構造を精度よく推定することができる。   In the present invention, for each of the lattice points of the underground structure model, the closer the distance between the lattice points, the more the parameters related to each layer positioned in the underground direction of one lattice point and the underground direction of the other lattice point It is possible to set in advance so that the parameters relating to each layer located at the position correspond to each other. Thereby, the underground structure can be accurately estimated in consideration of the distance between the lattice points of the underground structure.

本発明の地下構造推定装置は、前記地下構造モデルの前記パラメータを表すパラメータベクトルと前記地震による各格子点の速度及び応力を含む状態ベクトルとを有する拡大状態ベクトルと、前記観測データを表す各時刻の前記地震の地震動データとを入力とし、前記推定部は、時刻t−1の前記拡大状態ベクトルと前記地震予測モデルとに基づいて、時刻tの前記拡大状態ベクトルを予測する予測部と、前記予測部によって予測された時刻tの前記拡大状態ベクトルから生成される前記地震データと、時刻tの前記地震の地震動データとに基づいて、時刻tの前記拡大状態ベクトルを修正する修正部と、前記観測データの終端時刻Tまで、前記予測部による予測及び前記修正部による修正を繰り返し、各時刻において得られた前記修正部による推定結果に含まれる、前記地下構造モデルの前記パラメータを平滑化することにより、前記拡大状態ベクトルに含まれる前記地下構造モデルの前記パラメータを取得する平滑化部と、を含むようにすることができる。これにより、逐次フィルタリング手法を用いて地下構造を精度よく推定することができる。   The underground structure estimation apparatus of the present invention includes an expanded state vector having a parameter vector representing the parameter of the underground structure model, a state vector including the velocity and stress of each lattice point due to the earthquake, and each time representing the observation data. And the estimation unit predicts the expanded state vector at time t based on the expanded state vector at time t-1 and the earthquake prediction model, and A correction unit that corrects the expanded state vector at time t based on the earthquake data generated from the expanded state vector at time t predicted by the prediction unit and the earthquake motion data of the earthquake at time t; Until the end time T of the observation data, the prediction by the prediction unit and the correction by the correction unit are repeated, and the correction unit obtained at each time Smoothing the parameter of the underground structure model included in the estimation result to obtain the parameter of the underground structure model included in the expanded state vector. it can. Thereby, an underground structure can be estimated accurately using a sequential filtering technique.

本発明によれば、地下構造モデルに対応する地点における地震の観測データの時系列を入力とし、地下構造モデルのパラメータ及び地震予測モデルから予測される地震データと、地震の観測データとの差分に応じて、地震の状態及び地下構造モデルのパラメータを修正することを繰り返すことにより、地震の観測データを用いて地下構造を推定することができる、という効果が得られる。   According to the present invention, the time series of the observation data of the earthquake at the point corresponding to the underground structure model is input, and the difference between the earthquake data predicted from the parameters of the underground structure model and the earthquake prediction model and the observation data of the earthquake is obtained. Accordingly, it is possible to obtain an effect that the underground structure can be estimated using the earthquake observation data by repeatedly correcting the earthquake state and the parameters of the underground structure model.

本発明の実施形態に係る地下構造推定装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the underground structure estimation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 地下構造モデルを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating an underground structure model. 本発明の実施形態に係る地下構造推定装置の推定部の詳細な構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the detailed structure of the estimation part of the underground structure estimation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 逐次データ同化において用いられる分散共分散行列に対して相関が設定された場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example when a correlation is set with respect to the variance covariance matrix used in sequential data assimilation. 地下構造モデルの層に対して相関を与えない場合のアンサンブルカルマンフィルタの各アンサンブルの一例と、地下構造モデルの層に対して相関を与えた場合のアンサンブルカルマンフィルタの各アンサンブルの一例とを示す図である。It is a figure which shows an example of each ensemble of an ensemble Kalman filter when not correlating with a layer of an underground structure model, and an example of each ensemble of an ensemble Kalman filter when a correlation is given to a layer of an underground structure model . 地下構造推定処理ルーチンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of an underground structure estimation process routine. データ同化処理ルーチンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a data assimilation processing routine. シミュレーション実験を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating a simulation experiment. シミュレーション実験の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of a simulation experiment.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

<地下構造推定装置のシステム構成> <System configuration of underground structure estimation device>

図1は、本発明の実施形態に係る地下構造推定装置の構成の一例を示すブロック図である。地下構造推定装置10は、機能的には、図1に示されるように、受付部12、コンピュータ14、及び表示部16を含んだ構成で表すことができる。   FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an underground structure estimation apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the underground structure estimation apparatus 10 can be functionally represented by a configuration including a reception unit 12, a computer 14, and a display unit 16.

受付部12は、地下構造推定装置の外部から入力された情報を受け付ける。例えば、受付部12は、新たに地震が発生した場合、地震の観測データの一例である震源パラメータ及び各観測地点における各時刻の地震の速度データを受け付ける。震源パラメータは、気象庁等からの地震情報に基づいて入力される。そして、受付部12は、震源パラメータ及び各観測地点における各時刻の地震の速度データを、後述する観測データ記憶部18へ格納する。なお、地震の速度データは、地震の地震動データの一例である。   The reception unit 12 receives information input from the outside of the underground structure estimation apparatus. For example, when a new earthquake occurs, the accepting unit 12 accepts earthquake source parameters, which are examples of earthquake observation data, and earthquake speed data at each observation point at each observation point. The epicenter parameter is input based on earthquake information from the Japan Meteorological Agency or the like. And the reception part 12 stores the epicenter parameter and the velocity data of the earthquake of each time in each observation point in the observation data storage part 18 mentioned later. The earthquake speed data is an example of earthquake motion data.

コンピュータ14は、CPU(Central Processing Unit)、各処理ルーチンを実現するためのプログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)、記憶手段としてのメモリ、ネットワークインタフェース等を含んで構成されている。   The computer 14 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) that stores a program for realizing each processing routine, a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data, and a memory as storage means. And a network interface and the like.

コンピュータ14は、機能的には、図1に示されるように、観測データ記憶部18と、モデル記憶部20と、情報取得部22と、推定部24とを含んで構成される。   As shown in FIG. 1, the computer 14 is functionally configured to include an observation data storage unit 18, a model storage unit 20, an information acquisition unit 22, and an estimation unit 24.

観測データ記憶部18には、地震毎に、震源パラメータ及び各観測地点における各時刻の地震の速度データが格納される。新たな地震が発生する毎に、当該地震の観測データが観測データ記憶部18へ格納される。   The observation data storage unit 18 stores the earthquake source parameters and the earthquake speed data at each observation point at each observation point for each earthquake. Each time a new earthquake occurs, the observation data of the earthquake is stored in the observation data storage unit 18.

モデル記憶部20には、地下構造を表す地下構造モデルと、地下構造モデルのパラメータを表すパラメータベクトルとが格納される。   The model storage unit 20 stores an underground structure model representing the underground structure and a parameter vector representing the parameters of the underground structure model.

本実施形態では、データ同化により地下構造モデルのパラメータを推定する。そのため、本実施形態では、観測データ記憶部18に格納された地震の速度データと、モデル記憶部20に格納された地下構造モデルのパラメータベクトル及び地震予測モデルから予測される地震データとの差分を修正するように、地下構造モデルのパラメータを推定する。   In this embodiment, the parameters of the underground structure model are estimated by data assimilation. Therefore, in this embodiment, the difference between the earthquake velocity data stored in the observation data storage unit 18 and the earthquake vector predicted from the parameter vector of the underground structure model and the earthquake prediction model stored in the model storage unit 20 is calculated. Estimate the parameters of the underground structure model to correct.

本実施の形態で用いる地下構造モデルとパラメータとについて、以下説明する。   The underground structure model and parameters used in this embodiment will be described below.

地震動予測において利用されている有限差分法を用いたシミュレーションでは、地下構造モデルの各格子点に物性値(例えば、伝播速度、密度、及び減衰定数等)を表すパラメータを付与することにより、地下構造を表現する。   In simulations using the finite difference method used in earthquake motion prediction, by substituting parameters representing physical properties (for example, propagation velocity, density, and attenuation constant) at each lattice point of the underground structure model, Express.

例えば、図2の地下構造モデル25のように、地下構造モデル25の各格子点(i,j,k)には、密度ρ、S波のせん断波速度V、P波のせん断波速度V、S波の減衰定数Q、及びP波の減衰定数Qの物性値がパラメータとして付与される。 For example, as in the underground structure model 25 in FIG. 2, each lattice point (i, j, k) of the underground structure model 25 has a density ρ, an S wave shear wave velocity V S , and a P wave shear wave velocity V. Physical properties of P 1 , S wave attenuation constant Q S , and P wave attenuation constant Q P are assigned as parameters.

しかし、地下構造モデルの各格子点に対してパラメータを付与し、データ同化により各パラメータを推定する場合、推定対象のパラメータが多くなりすぎてしまい、計算量が増加してしまう。また、パラメータの増加により、パラメータの推定精度が低下する可能性がある。   However, when a parameter is assigned to each lattice point of the underground structure model and each parameter is estimated by data assimilation, the number of parameters to be estimated increases, and the amount of calculation increases. In addition, the parameter estimation accuracy may decrease due to an increase in parameters.

そこで、本実施形態では、データ同化に用いる地下構造モデルにおいて、地表の各格子点の地下方向に位置する各層に対してパラメータを付与する。具体的には、図2の地下構造モデル26のように、地表の格子点毎に、地下構造モデル26の各層に対する、層の層厚Hをパラメータとして付与する。また、各層に対して物性値(ρ,V,V,Q,Q)をパラメータとして付与する。 Therefore, in the present embodiment, in the underground structure model used for data assimilation, a parameter is assigned to each layer located in the underground direction of each lattice point on the ground surface. Specifically, as in the underground structure model 26 in FIG. 2, the layer thickness H of each layer is assigned as a parameter to each layer of the underground structure model 26 for each lattice point on the ground surface. Further, physical property values (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) are assigned as parameters to each layer.

ここで、x方向の格子の区切り数をI、y方向の格子の区切り数をJ、z方向の格子の区切り数をKとすると、上記図2の地下構造モデル25の場合、総パラメータ数は、以下の式(1)のようになる。   Here, assuming that the number of grid partitions in the x direction is I, the number of grid partitions in the y direction is J, and the number of grid partitions in the z direction is K, in the case of the underground structure model 25 in FIG. The following equation (1) is obtained.

総パラメータ数=1格子点当たりのパラメータ数×格子点数
=5×I×J×K [個] (1)
Total number of parameters = number of parameters per grid point x number of grid points
= 5 x I x J x K [pieces] (1)

一方、上記図2に示される本実施形態の地下構造モデル26の場合、層数をLとすると、総パラメータ数は、以下の式(2)のようになる。   On the other hand, in the case of the underground structure model 26 according to the present embodiment shown in FIG.

総パラメータ数
=1層当たりのパラメータ数×層数+1格子点当たりの層数×地表の格子点数
=5×L+I×J×(L−1) [個] (2)
Total number of parameters = number of parameters per layer × number of layers + 1 number of layers per grid point × number of grid points on the ground surface = 5 × L + I × J × (L−1) [pieces] (2)

地下構造モデル25では、上記式(1)から分かるように、格子点毎に物性値のパラメータ(ρ,V,V,Q,Q)が付与されると、推定対象のパラメータ数が膨大な数となる。一方、本実施形態の地下構造モデル26では、上記式(2)から分かるように、物性値のパラメータ(ρ,V,V,Q,Q)は層毎に付与され、層厚のパラメータHは地表の格子点毎に付与される。そのため、本実施形態の地下構造モデル26では、推定対象のパラメータ数が減少し、データ同化によるパラメータ推定の際の計算量が抑制される。 In the underground structure model 25, as can be seen from the above equation (1), when physical property parameters (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) are assigned to each lattice point, the number of parameters to be estimated Is a huge number. On the other hand, in the underground structure model 26 of this embodiment, as can be seen from the above equation (2), the physical property value parameters (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) are given for each layer, and the layer thickness The parameter H is given for each grid point on the ground surface. Therefore, in the underground structure model 26 of this embodiment, the number of parameters to be estimated is reduced, and the amount of calculation at the time of parameter estimation by data assimilation is suppressed.

情報取得部22は、観測データ記憶部18に格納された観測データを取得する。そして、情報取得部22は、観測データの震源パラメータに含まれる震源位置等の情報に基づき、当該観測データの地震の速度データを、地下構造モデルのパラメータの推定に用いるか否かを判定する。   The information acquisition unit 22 acquires observation data stored in the observation data storage unit 18. Then, the information acquisition unit 22 determines whether or not to use the earthquake velocity data of the observation data for estimating the parameters of the underground structure model based on information such as the hypocenter position included in the epicenter parameter of the observation data.

例えば、情報取得部22は、震源パラメータに含まれる震源位置と地下構造モデルに対応する地点との間の距離が、予め設定した閾値以上である場合には、地下構造モデルの領域内ではないと判定し、地下構造モデルのパラメータの推定に用いないと判定する。   For example, the information acquisition unit 22 is not within the region of the underground structure model when the distance between the location of the earthquake source included in the earthquake source parameter and the point corresponding to the underground structure model is equal to or greater than a preset threshold value. It is determined that it is not used for estimating the parameters of the underground structure model.

一方、情報取得部22は、震源パラメータに含まれる震源位置と地下構造モデルに対応する地点との間の距離が、予め設定した閾値未満である場合には、地下構造モデルの領域内であると判定し、地下構造モデルのパラメータの推定に用いると判定する。地下構造モデルに対応する地点と関係ない領域の地震の速度データについては、地下構造のパラメータを推定する際には適切でないため除外される。   On the other hand, if the distance between the location of the epicenter included in the epicenter parameter and the point corresponding to the underground structure model is less than a preset threshold, the information acquisition unit 22 is within the region of the underground structure model. It is determined that it is used for estimating the parameters of the underground structure model. Seismic velocity data in an area unrelated to the location corresponding to the underground structure model is excluded because it is not appropriate when estimating the underground structure parameters.

また、情報取得部22は、観測データである地震の速度データのSN比が所定の条件を満たすか否かに応じて、当該観測データの地震の速度データを地下構造モデルのパラメータの推定に用いるか否かを判定する。SN比が所定の条件を満たすか否かは、地震の速度データから計算されるフーリエ振幅スペクトルの形状に基づき判定される。   Further, the information acquisition unit 22 uses the earthquake speed data of the observation data for estimation of the parameters of the underground structure model according to whether or not the SN ratio of the earthquake speed data as the observation data satisfies a predetermined condition. It is determined whether or not. Whether the S / N ratio satisfies a predetermined condition is determined based on the shape of the Fourier amplitude spectrum calculated from the earthquake velocity data.

情報取得部22は、観測データである地震の速度データの低周波成分がノイズレベルを下回る場合には、地下構造のパラメータを推定する際には適切でないと判定し、当該地震の速度データを地下構造モデルのパラメータの推定に用いないことを判定する。一方、情報取得部22は、地震の速度データの低周波成分がノイズレベルを上回る場合には、当該地震の速度データを地下構造モデルのパラメータの推定に用いることを判定する。   When the low-frequency component of the earthquake velocity data that is the observation data is below the noise level, the information acquisition unit 22 determines that the parameter of the underground structure is not appropriate and determines the earthquake velocity data as the underground It is determined that the structural model is not used for parameter estimation. On the other hand, when the low frequency component of the earthquake speed data exceeds the noise level, the information acquisition unit 22 determines to use the earthquake speed data for estimating the parameters of the underground structure model.

また、情報取得部22は、モデル記憶部20に格納された地下構造モデルのパラメータを表すパラメータベクトルを取得する。情報取得部22により取得される地下構造モデルのパラメータベクトルは、前回までの地震の速度データに基づいてデータ同化により得られたものである。   In addition, the information acquisition unit 22 acquires a parameter vector representing the parameters of the underground structure model stored in the model storage unit 20. The parameter vector of the underground structure model acquired by the information acquisition unit 22 is obtained by data assimilation based on the earthquake speed data up to the previous time.

推定部24は、情報取得部22によって取得された地下構造モデルのパラメータベクトル及び地震予測モデルから予測される地震データと、情報取得部22によって取得された地震の速度データとの差分に応じて、地下構造モデルのパラメータベクトルを修正することを繰り返す。   According to the difference between the parameter vector of the underground structure model acquired by the information acquisition unit 22 and the earthquake data predicted from the earthquake prediction model, and the earthquake velocity data acquired by the information acquisition unit 22, the estimation unit 24 Repeat the modification of the parameter vector of the underground structure model.

具体的には、地震予測モデルの一例である有限差分法によるシミュレーションによって予測される地震の状態から得られる地震データと、観測データである地震の速度データとの差分に応じて、データ同化により地下構造モデルのパラメータを推定する。   More specifically, data assimilation is performed according to the difference between the earthquake data obtained from the earthquake state predicted by the finite difference simulation, which is an example of an earthquake prediction model, and the earthquake velocity data that is the observation data. Estimate the parameters of the structural model.

本実施形態では、データ同化の一例として、逐次データ手法であるアンサンブルカルマンフィルタを用いる場合を例に説明する。逐次データ手法では、時系列データが得られる毎に同化が行われる。   In this embodiment, as an example of data assimilation, a case where an ensemble Kalman filter that is a sequential data method is used will be described as an example. In the sequential data method, assimilation is performed every time time-series data is obtained.

データ同化の処理の流れを以下に示す。本実施形態では、データ同化に用いるシステムモデルは以下の式(3)及び式(4)によって表される。   The flow of data assimilation processing is shown below. In this embodiment, the system model used for data assimilation is represented by the following equations (3) and (4).


(3)

(4)

(3)

(4)

上記式(3)及び式(4)において、tは時刻を表し、xは時刻tにおける拡大状態ベクトルを表し、yは時刻tにおける観測データを表す。fはシステムモデルであるシミュレーションを表す。また、観測ノイズwは正規分布N(0,R)に従い、システムノイズvは任意の分布に従う。Hは観測行列である。 In the above formula (3) and (4), t represents time, x t represents an enlarged state vector at time t, y t denotes the observed data at time t. f t represents a simulation which is a system model. Further, the observation noise w t follows a normal distribution N (0, R t ), and the system noise v t follows an arbitrary distribution. H t is an observation matrix.

上記式(3)及び式(4)を条件付き分布で表現すると、以下の式(5)〜式(7)に示されるような一般状態空間モデルとなる。   When the above expressions (3) and (4) are expressed by conditional distribution, a general state space model as shown in the following expressions (5) to (7) is obtained.


(5)

(6)

(7)

(5)

(6)

(7)

ここで、xは地震の観測データと同化する前の拡大状態ベクトルを表す。また、地下構造モデルのパラメータベクトルθについては、既往のモデルや構造探査結果や地質情報に応じて設定される。 Here, x 0 represents the expansion state vector prior to assimilate the seismic observation data. The parameter vector θ of the underground structure model is set according to the existing model, the structure exploration result, and the geological information.

次に、参考文献(長尾大道、「データ同化の基礎理論とその応用」、自動チューニング研究会、第6回自動チューニング技術の現状と応用に関するシンポジウム(ATTA2014)スライド資料)を参照して、アンサンブルカルマンフィルタについて説明する。   Next, referring to the references (Daido Nagao, “Basic theory of data assimilation and its application”, Automatic Tuning Study Group, 6th Symposium on Current Status and Applications of Automatic Tuning Technology (ATTA2014) slide material), the ensemble Kalman filter Will be described.

[1]一期先予測
アンサンブルカルマンフィルタの一期先予測において、拡大状態ベクトルxに対応する各アンサンブルx(i) t−1|t−1をシミュレーションfによって時間発展させ、一期先予測分布のアンサンブルx(i) t|t−1を得る。
[1] In an stage forward prediction of Ichiki destination prediction ensemble Kalman filter, each ensemble x (i) t-1 corresponding to the expanded state vector x t | is the time evolution by t-1 simulation f t, Ichiki destination prediction Obtain an ensemble of distributions x (i) t | t−1 .

時刻t−1におけるフィルタ分布は、以下の式(9)によって近似表現される。なお、δ(・)はデルタ関数を表す。また、各アンサンブルx(i) t−1|t−1を、システムモデルであるシミュレーションfによって時間発展させた各アンサンブルx(i) t|t−1は、以下の式(10)によって表される。また、式(10)の各アンサンブルx(i) t|t−1によって、一期先予測分布は以下の式(11)によって近似表現される。 The filter distribution at time t−1 is approximately expressed by the following equation (9). Note that δ (·) represents a delta function. Table t-1 is by the following equation (10) | Each ensemble x (i) t-1 | a t-1, the ensemble x obtained by time development by simulation f t is a system model (i) t Is done. Further, the one-prediction predicted distribution is approximated by the following equation (11) by each ensemble x (i) t | t−1 in equation (10).


(8)

(9)

(10)

(11)

(8)

(9)

(10)

(11)

[2]フィルタリング
次に、アンサンブルカルマンフィルタのフィルタリングにおいて、一期先予測分布のアンサンブルx(i) t|t−1からフィルタ分布のアンサンブルx(i) t|tを得る。
[2] Filtering Next, in the filtering of the ensemble Kalman filter, the ensemble x (i) t | t of the filter distribution is obtained from the ensemble x (i) t |

一期先予測分布のアンサンブルx(i) t|t−1の分散共分散行列V^t|t−1は、以下の式(12)によって表される。なお、式中の「’」は行列の転置を表す。また、観測ノイズw(i) の分散共分散行列R^は、以下の式(13)によって表される。 Ichiki destination prediction distribution ensemble x (i) t | t- 1 of the variance-covariance matrix V ^ t | t-1 is expressed by the following equation (12). Note that “′” in the expression represents transposition of a matrix. Further, the variance-covariance matrix R ^ t of the observation noise w (i) t is expressed by the following equation (13).

また、カルマンゲインK^は、以下の式(14)によって表される。そして、フィルタ分布のアンサンブルx(i) t|tは、以下の式(15)によって表される。なお、yは時刻tにおける観測データを表す。 Further, the Kalman gain K ^ t is expressed by the following equation (14). An ensemble x (i) t | t of the filter distribution is expressed by the following equation (15). It should be noted, y t represents the observation data at time t.


(12)

(13)

(14)

(15)

(12)

(13)

(14)

(15)

[3]平滑化
アンサンブルカルマンフィルタの平滑化において、一期先予測及びフィルタリングの繰り返しにより得られたアンサンブルを平滑化する。具体的には、時刻ステップt=Tまでの観測データから得られた各アンサンブルに基づいて、平滑化分布p(x|y1:T)を計算することにより、拡大状態ベクトルを推定する。
[3] Smoothing In the smoothing of the ensemble Kalman filter, the ensemble obtained by repeating the one-time prediction and filtering is smoothed. Specifically, an expanded state vector is estimated by calculating a smoothed distribution p (x 0 | y 1: T ) based on each ensemble obtained from observation data up to time step t = T.

本実施の形態におけるアンサンブルカルマンフィルタを用いた各処理について、以下、具体的に説明する。   Each process using the ensemble Kalman filter in the present embodiment will be specifically described below.

本実施の形態における拡大状態ベクトルxは、シミュレーションによって得られる地下構造モデルの各格子点の速度vi,j,k及び応力τi,j,kを要素とする状態ベクトルx と、地下構造モデルの各層lの物性値を表すパラメータ(ρ,VS,l,VP,l,QS,l,QP,l)及び各層lの層厚Hi,j,lを要素とするパラメータベクトルθとを含む。 The expanded state vector x t in the present embodiment includes state vectors x to t whose elements are the speeds v i, j, k and stresses τ i, j, k of the lattice points of the underground structure model obtained by simulation, The parameters (ρ l , V S, l , V P, l , Q S, l , Q P, l ) and the layer thickness H i, j, l of each layer l are expressed as elements. And a parameter vector θ.

また、本実施形態の状態ベクトルx は以下の式(16)によって表される。状態ベクトルx のqi,j,kは、シミュレーションによって得られる各格子点の速度を表す。また、状態ベクトルx のτi,j,kは、シミュレーションによって得られる各格子点の応力を表す。状態ベクトルx は地震の状態の一例である。 Further, the state vectors x to t of the present embodiment are represented by the following formula (16). Q i, j, k of the state vectors x to t represent the velocity of each lattice point obtained by simulation. Further, τ i, j, k of the state vectors x to t represent the stress of each lattice point obtained by simulation. The state vectors x to t are examples of earthquake states.

本実施形態のパラメータベクトルθは以下の式(17)によって表される。パラメータベクトルθには、各層lの物性値のパラメータ(ρ,VS,l,VP,l,QS,l,QP,l)と、層厚のパラメータHi,j,lとが含まれる。 The parameter vector θ of the present embodiment is expressed by the following equation (17). The parameter vector θ includes parameters (ρ l , V S, l , V P, l , Q S, l , Q P, l ) of layer l , and layer thickness parameters H i, j, l , Is included.

また、地震データの一例である本実施形態の拡大状態ベクトルxは、以下の式(18)によって表される。また、M個の観測点についての時刻tの地震の速度データyは、以下の式(19)によって表される。地震の速度データyの各要素aは、地点mにおいて観測された地震の速度データを表す。 Moreover, the enlarged state vector xt of this embodiment which is an example of earthquake data is represented by the following formula | equation (18). The velocity data y t seismic time t for the M observation point is represented by the following equation (19). Each element a m speed data y t seismic represent velocity data observed seismic at the point m.

推定部24は、図3に示されるように、予測部240と、修正部242と、平滑化部244とを含んで構成されている。   As shown in FIG. 3, the estimation unit 24 includes a prediction unit 240, a correction unit 242, and a smoothing unit 244.

予測部240は、情報取得部22によって取得された地下構造モデルのパラメータベクトルθを取得する。また、予測部240は、情報取得部22によって取得された地震の速度データyを取得する。 The prediction unit 240 acquires the parameter vector θ of the underground structure model acquired by the information acquisition unit 22. Also, the prediction unit 240 acquires the velocity data y t seismic acquired by the information acquisition unit 22.

次に、予測部240は、各値の初期値を設定する。具体的には、予測部240は、上記式(6)の条件付き確率分布に従って、拡大状態ベクトルの初期値xを設定する。また、予測部240は、拡大状態ベクトルの初期値xを設定する際、パラメータベクトルθのうちの層厚Hについて、格子点間で、格子点の位置に応じた相関を設定する。具体的には、予測部240は、地下構造モデルの格子点間の各々について、格子点間の距離が近いほど、一方の格子点の地下方向に位置する各層の層厚と、他方の格子点の地下方向に位置する各層の層厚とが近い値になるように設定する。より詳細には、上記式(12)の分散共分散行列V^t|t−1の層厚Hに関する項について、格子点の位置に応じた相関を設定することにより、層厚の相関を設定する。 Next, the prediction unit 240 sets an initial value of each value. Specifically, the prediction unit 240 in accordance with the conditional probability distribution of the above formula (6), sets the initial value x 0 of the expanded state vector. Also, the prediction unit 240, when setting the initial value x 0 of expanding the state vector, the thickness H of the parameter vector theta, among lattice points, setting the correlation in accordance with the position of the grid point. Specifically, the prediction unit 240 determines the layer thickness of each layer located in the underground direction of one lattice point and the other lattice point as the distance between the lattice points is shorter for each of the lattice points of the underground structure model. It is set so that the layer thickness of each layer located in the underground direction is close. More specifically, the layer thickness correlation is set by setting the correlation according to the position of the lattice point for the term relating to the layer thickness H of the variance-covariance matrix V ^ t | t-1 in the above equation (12). To do.

図4に、層厚Hに関する項についての分散共分散行列V^t|t−1の一例を示す。図4(A)の横軸α及び縦軸βは行列の各要素の位置を表し、明るい領域ほど相関値が高く暗い領域ほど相関値が低い。図4(B)は、図4(A)を3次元で表したものであり、水平面における横軸α及び縦軸βは行列の各要素の位置を表し、垂直方向は相関値を表す。 FIG. 4 shows an example of the variance-covariance matrix V ^ t | t−1 for the term relating to the layer thickness H. In FIG. 4A, the horizontal axis α and the vertical axis β represent the position of each element of the matrix. The brighter region has a higher correlation value and the darker region has a lower correlation value. FIG. 4B is a three-dimensional representation of FIG. 4A. The horizontal axis α and the vertical axis β in the horizontal plane represent the position of each element of the matrix, and the vertical direction represents the correlation value.

図4(A)及び(B)に示されるように、本実施形態では、各格子点について、格子点間の距離が小さいほど相関値が高くなるように、かつ格子点間の距離が大きいほど相関値が低くなるように、層厚Hに関しての分散共分散行列V^t|t−1を設定する。そして、相関が設定された分散共分散行列V^t|t−1に応じて各アンサンブルが生成される。これにより、地下構造の連続性が反映される。 As shown in FIGS. 4A and 4B, in this embodiment, for each grid point, the smaller the distance between the grid points, the higher the correlation value and the greater the distance between the grid points. A variance-covariance matrix V ^ t | t-1 with respect to the layer thickness H is set so that the correlation value becomes low. Then, each ensemble is generated according to the variance-covariance matrix V ^ t | t−1 for which the correlation is set. This reflects the continuity of the underground structure.

地下構造は、断層が存在しない限り層の形状は滑らかに変化する。本実施形態では、この点を考慮し、同一の層に対応する層厚に相関を与える。   In the underground structure, the shape of the layer changes smoothly unless there is a fault. In the present embodiment, in consideration of this point, the layer thickness corresponding to the same layer is correlated.

図5に、相関を設定しない場合のアンサンブル1〜5の一例と相関を設定した場合のアンサンブル1〜5の一例とを示す。なお、図中のXgridは上記図2のx方向に対応し、Zgridは上記図2のz方向に対応する。図5(A)に示されるように、相関が設定されない場合のアンサンブル1〜5においては、Zgridの値はXgridの位置に関係なくランダムな値をとる。しかし、地下構造における層は、水平方向において連続していると考えられる。そのため、各アンサンブルのうちの層厚がランダムな値をとりながらデータ同化が行われると、地下構造モデルのパラメータを精度よく推定することができない。   FIG. 5 shows an example of ensembles 1 to 5 when no correlation is set and an example of ensembles 1 to 5 when a correlation is set. In the figure, Xgrid corresponds to the x direction in FIG. 2, and Zgrid corresponds to the z direction in FIG. As shown in FIG. 5A, in ensembles 1 to 5 when no correlation is set, the value of Zgrid takes a random value regardless of the position of Xgrid. However, the layers in the underground structure are considered to be continuous in the horizontal direction. Therefore, if data assimilation is performed while the layer thickness of each ensemble takes a random value, the parameters of the underground structure model cannot be accurately estimated.

一方、図5(B)に示されるように、相関が設定された場合のアンサンブル1〜5においては、Zgridの値はXgridの位置に応じた値となり、例えばXgridが隣接する点同士では近い値をとる。そのため、層厚Hに関する項についての分散共分散行列V^t|t−1に対して相関を設定することにより、地下構造の層の連続性が反映される。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the ensembles 1 to 5 in the case where the correlation is set, the value of Zgrid is a value corresponding to the position of Xgrid. Take. Therefore, the continuity of the layers of the underground structure is reflected by setting the correlation with respect to the variance-covariance matrix V ^ t | t−1 for the term relating to the layer thickness H.

次に、予測部240は、時刻t−1の拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t−1|t−1と地震予測モデルの一例である有限差分法のシミュレーションfとに基づいて、上記式(10)に従って、時刻tの拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|t−1を予測する。 Next, the prediction unit 240, the ensemble x (i) t-1 representing an enlarged state vector at time t-1 |, based on the simulation f t finite difference method, which is an example of a t-1 and the earthquake prediction models Then, according to the above equation (10), each ensemble x (i) t | t−1 representing the expanded state vector at time t is predicted.

修正部242は、予測部240によって予測された時刻tの拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|t−1から生成される地震データと、時刻tの地震の速度データyとに基づいて、上記式(15)に従って、時刻tの拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|t−1を修正する。そして、修正部242は、拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|tを得る。 The correcting unit 242 converts the seismic data generated from each ensemble x (i) t | t−1 representing the expanded state vector predicted at the time t predicted by the predicting unit 240 and the velocity data y t of the earthquake at the time t. Based on the above equation (15), each ensemble x (i) t | t−1 representing the expanded state vector at time t is corrected. Then, the correcting unit 242 obtains each ensemble x (i) t | t representing the expanded state vector.

そして、地震の速度データの終端時刻Tまで、予測部240による一期先予測及び修正部242によるフィルタリングが繰り返される。   Then, until the end time T of the earthquake speed data, the prediction by the prediction unit 240 and the filtering by the correction unit 242 are repeated.

平滑化部244は、各時刻において得られた修正部242による推定結果に含まれる、地下構造モデルのパラメータベクトルθを平滑化することにより、地下構造モデルのパラメータベクトルθを取得する。パラメータベクトルθには、各層の物性値のパラメータ(ρ,V,V,Q,Q)と、各層の層厚のパラメータHとが含まれているため、データ同化により地下構造のパラメータが得られたことになる。 The smoothing unit 244 obtains the parameter vector θ of the underground structure model by smoothing the parameter vector θ of the underground structure model included in the estimation result by the correction unit 242 obtained at each time. The parameter vector θ includes parameters (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) of the physical property values of each layer and a parameter H of the layer thickness of each layer. The parameter is obtained.

そして、平滑化部244は、平滑化によって得られた地下構造モデルのパラメータベクトルを、モデル記憶部20へ格納する。モデル記憶部20に格納されたパラメータベクトルは、次回の地震の観測データが得られたときのデータ同化の際に用いられる。   Then, the smoothing unit 244 stores the parameter vector of the underground structure model obtained by the smoothing in the model storage unit 20. The parameter vector stored in the model storage unit 20 is used in data assimilation when observation data of the next earthquake is obtained.

表示部16は、モデル記憶部20に記憶されたパラメータベクトル等の推定結果を表示する。地下構造推定装置10を操作するユーザは、表示部16によって表示された結果を確認する。   The display unit 16 displays estimation results such as parameter vectors stored in the model storage unit 20. A user who operates the underground structure estimation apparatus 10 confirms the result displayed by the display unit 16.

<地下構造推定装置の作用>
次に、図6を参照して、地下構造推定装置10の作用を説明する。地下構造推定装置10の受付部12は、新たに地震が発生した場合、新たな地震の震源パラメータ及び各観測地点における各時刻の地震の速度データを受け付け、観測データ記憶部18へ格納する。そして、地下構造推定装置10は、図6に示す地下構造推定処理ルーチンを実行する。地下構造推定処理ルーチンは、新たな地震の観測データが観測データ記憶部18へ格納される毎に実行される。
<Operation of underground structure estimation device>
Next, the operation of the underground structure estimation apparatus 10 will be described with reference to FIG. When a new earthquake occurs, the reception unit 12 of the underground structure estimation apparatus 10 receives a new earthquake source parameter and earthquake speed data at each observation point at each time point, and stores them in the observation data storage unit 18. And the underground structure estimation apparatus 10 performs the underground structure estimation process routine shown in FIG. The underground structure estimation processing routine is executed each time new earthquake observation data is stored in the observation data storage unit 18.

ステップS100において、情報取得部22は、観測データ記憶部18に格納された観測データの震源パラメータを取得する。   In step S100, the information acquisition unit 22 acquires the epicenter parameter of the observation data stored in the observation data storage unit 18.

ステップS102において、情報取得部22は、震源パラメータに含まれる震源位置の情報に基づいて、観測データが地下構造モデルの領域内であるか否かを判定する。観測データが地下構造モデルの領域内である場合には、ステップS104へ進む。一方、観測データが地下構造モデルの領域内でない場合には、地下構造推定処理ルーチンを終了する。   In step S <b> 102, the information acquisition unit 22 determines whether the observation data is within the region of the underground structure model based on the information on the hypocenter position included in the hypocenter parameter. If the observation data is within the region of the underground structure model, the process proceeds to step S104. On the other hand, if the observation data is not within the region of the underground structure model, the underground structure estimation processing routine is terminated.

ステップS104において、情報取得部22は、観測データ記憶部18に格納された観測データの地震の速度データを取得する。   In step S <b> 104, the information acquisition unit 22 acquires earthquake speed data of the observation data stored in the observation data storage unit 18.

ステップS106において、情報取得部22は、上記ステップS104で取得された地震の速度データのSN比が所定の条件を満たすか否かを判定する。地震の速度データのSN比が所定の条件を満たす場合には、ステップS108へ進む。一方、地震の速度データのSN比が所定の条件を満たさない場合には、地下構造推定処理ルーチンを終了する。   In step S106, the information acquisition unit 22 determines whether the SN ratio of the earthquake speed data acquired in step S104 satisfies a predetermined condition. If the SN ratio of the earthquake speed data satisfies a predetermined condition, the process proceeds to step S108. On the other hand, if the SN ratio of the earthquake speed data does not satisfy the predetermined condition, the underground structure estimation processing routine is terminated.

ステップS108において、情報取得部22は、モデル記憶部20に格納された地下構造モデルのパラメータを表すパラメータベクトルを取得する。   In step S <b> 108, the information acquisition unit 22 acquires a parameter vector representing the parameters of the underground structure model stored in the model storage unit 20.

ステップS110において、推定部24は、上記ステップS108で取得された地下構造モデルのパラメータベクトルθ及びシミュレーションに応じて予測される地震データと、上記ステップS104で取得された地震の速度データyとの差分に応じて、地下構造モデルのパラメータベクトルθを推定する。ステップS110の処理は、図7に示すデータ同化処理ルーチンによって実現される。 In step S110, the estimation unit 24, and seismic data are predicted in accordance with the parameter vector θ and simulation have been subsurface structure model obtained in step S108, the velocity data y t seismic acquired in step S104 A parameter vector θ of the underground structure model is estimated according to the difference. The process of step S110 is realized by a data assimilation process routine shown in FIG.

<データ同化処理ルーチン>
ステップS200において、時刻tに0を設定する。
<Data assimilation processing routine>
In step S200, 0 is set at time t.

ステップS202において、予測部240は、上記式(6)の条件付き確率分布に従って、拡大状態ベクトルの初期値xを設定する。 In step S202, the prediction unit 240 in accordance with the conditional probability distribution of the above formula (6), sets the initial value x 0 of the expanded state vector.

ステップS204において、予測部240は、格子点間の距離が近いほど、一方の格子点の地下方向の層厚と他方の格子点の地下方向の層厚とが近い値になるように、上記式(12)の分散共分散行列V^t|t−1の層厚Hに関する項に対し、格子点の位置に応じた相関を設定する。 In step S <b> 204, the prediction unit 240 calculates the above formula so that the closer the distance between the lattice points, the closer the underground thickness of one lattice point and the underground thickness of the other lattice point are. Correlation corresponding to the position of the lattice point is set for the term relating to the layer thickness H of the variance-covariance matrix V ^ t | t−1 in (12).

ステップS206において、予測部240は、前時刻t−1の各アンサンブルx(i) t−1|t−1とシミュレーションfとに基づいて、上記式(10)に従って、現時刻tの拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|t−1を予測する。 In step S206, the prediction unit 240 expands the current time t according to the above equation (10) based on each ensemble x (i) t-1 | t-1 and the simulation f t at the previous time t-1. Predict each ensemble x (i) t | t−1 representing the vector.

ステップS208において、修正部242は、上記ステップS206で予測された時刻tの各アンサンブルx(i) t|t−1から生成される地震データと、時刻tの地震の速度データyとに基づいて、上記式(15)に従って、時刻tの各アンサンブルx(i) t|t−1を修正する。そして、修正部242は、拡大状態ベクトルを表す各アンサンブルx(i) t|tを得る。 In step S208, the correction unit 242 is based on the earthquake data generated from each ensemble x (i) t | t−1 predicted in step S206 and the earthquake velocity data y t at time t. Then, according to the above equation (15), each ensemble x (i) t | t−1 at time t is corrected. Then, the correcting unit 242 obtains each ensemble x (i) t | t representing the expanded state vector.

ステップS210において、修正部242は、地震の速度データyの終端時刻Tまで、上記ステップS206の一期先予測及び上記ステップS208のフィルタリングが繰り返されたか否かを判定する。終端時刻Tまで、一期先予測及びフィルタリングが繰り返された場合には、ステップS214へ進む。一方、終端時刻Tまで、一期先予測及びフィルタリングが繰り返されていない場合には、ステップS212で時刻を1インクリメントしてステップS206へ戻る。 In step S210, correction unit 242 determines to end the time T of the velocity data y t earthquake, whether one stage forward prediction and filtering of the step S208 of the step S206 is repeated. If the one-term prediction and filtering are repeated until the end time T, the process proceeds to step S214. On the other hand, if the one-term prediction and filtering are not repeated until the end time T, the time is incremented by 1 in step S212, and the process returns to step S206.

ステップS214において、平滑化部244は、上記ステップS208で各時刻において得られた推定結果に含まれる、地下構造モデルのパラメータベクトルθを平滑化することにより、パラメータベクトルθを取得する。   In step S214, the smoothing unit 244 obtains the parameter vector θ by smoothing the parameter vector θ of the underground structure model included in the estimation result obtained at each time in step S208.

ステップS216において、平滑化部244は、上記ステップS214で得られたパラメータベクトルθを結果として出力する。   In step S216, the smoothing unit 244 outputs the parameter vector θ obtained in step S214 as a result.

次に、図6のステップS112において、平滑化部244は、上記ステップS110で出力されたパラメータベクトルθを、モデル記憶部20へ格納する。モデル記憶部20に格納されたパラメータベクトルθは、次回の地震の観測データが得られたときのデータ同化の際に用いられる。   Next, in step S112 in FIG. 6, the smoothing unit 244 stores the parameter vector θ output in step S110 in the model storage unit 20. The parameter vector θ stored in the model storage unit 20 is used for data assimilation when observation data of the next earthquake is obtained.

ステップS114において、表示部16は、モデル記憶部20に記憶されたパラメータベクトルθ等の推定結果を表示して、地下構造推定処理ルーチンを終了する。   In step S114, the display unit 16 displays the estimation result such as the parameter vector θ stored in the model storage unit 20, and ends the underground structure estimation processing routine.

以上詳細に説明したように、本実施形態では、地下構造モデルに対応する地点における地震の観測データの時系列を入力とし、地下構造モデルのパラメータ及び地震予測モデルから予測される地震データと、地震の観測データとの差分に応じて、地震の状態及び地下構造モデルのパラメータを修正することを繰り返すことにより、地震の観測データを用いて地下構造を推定することができる。   As described in detail above, in this embodiment, the time series of the observation data of the earthquake at the point corresponding to the underground structure model is input, and the earthquake data predicted from the parameters of the underground structure model and the earthquake prediction model, It is possible to estimate the underground structure using the earthquake observation data by repeating the modification of the earthquake state and the parameters of the underground structure model according to the difference from the observation data.

地下構造モデルのパラメータ推定に対してデータ同化を適用しようとする場合、例えば、逐次フィルタリング手法の一例であるアンサンブルカルマンフィルタを用いるときには、拡大状態ベクトルの候補を表すアンサンブルが複数生成される。しかし、地下構造モデルのパラメータ数は多いため、パラメータに応じて生成されるアンサンブルに対する計算量も増大してしまうという課題があった。また、各アンサンブルは確率分布に応じてランダムに生成されるため、連続性を有する地下構造モデルのパラメータを推定したとしても、精度よく推定することができないという課題があった。   When applying data assimilation to parameter estimation of an underground structure model, for example, when using an ensemble Kalman filter, which is an example of a sequential filtering method, a plurality of ensembles representing expanded state vector candidates are generated. However, since the number of parameters of the underground structure model is large, there is a problem that the amount of calculation for the ensemble generated according to the parameters increases. In addition, since each ensemble is randomly generated according to the probability distribution, there is a problem that even if the parameters of the underground structure model having continuity are estimated, it cannot be accurately estimated.

そこで、本実施形態では、データ同化により地下構造を推定する際に、地下構造モデルの各層に対してパラメータを付与することにより、パラメータ数を減少させる。これにより、データ同化により地下構造を推定する際に、計算量を低減させることができる。   Therefore, in this embodiment, when estimating the underground structure by data assimilation, the number of parameters is reduced by assigning parameters to each layer of the underground structure model. Thereby, when estimating an underground structure by data assimilation, a calculation amount can be reduced.

また、本実施形態では、地下構造モデルのパラメータに対して相関を設定する。これにより、地下構造の連続性が考慮され、地下構造を精度よく推定することができる。   In the present embodiment, correlation is set for the parameters of the underground structure model. Thereby, the continuity of the underground structure is considered and the underground structure can be estimated with high accuracy.

また、地震の観測データと整合度の高い地下構造モデルが推定されるため、地震動の予測精度を向上させることができる。また、地下構造モデルの修正のための追加のボーリング調査などが不要となる。   In addition, since an underground structure model with a high degree of consistency with earthquake observation data is estimated, the prediction accuracy of earthquake motion can be improved. In addition, additional drilling surveys for modifying the underground structure model are not required.

また、本実施形態では逐次データ同化を用いるため、地震の観測データが増加しても、増加分の観測データのみを用いて地下構造モデルのパラメータ修正を行うだけで良く、非逐次データ同化と比較して計算量が少なくて済む。   In addition, since sequential data assimilation is used in this embodiment, even if the earthquake observation data increases, it is only necessary to modify the parameters of the underground structure model using only the increased observation data. Therefore, the calculation amount is small.

<実験例>
本実施形態の効果の確認のため、2次元SH波動場における数値実験を行った。なお、逐次データ同化手法の一つであるアンサンブルカルマンフィルタを用いて解析を行った。
<Experimental example>
In order to confirm the effect of this embodiment, a numerical experiment in a two-dimensional SH wave field was performed. In addition, it analyzed using the ensemble Kalman filter which is one of the sequential data assimilation methods.

[実験の概要]
図8に示す2次元地下構造モデルを対象として数値実験を行った。まず、真のモデル(真値)に対してシミュレーションを行い、地表観測点(図8中の三角)の模擬地震動を作成する。また、以下の表1に示すように、真の地下構造モデルに1割の誤差を与えた初期モデル(初期値)を設定する。次に初期モデルに対するシミュレーションと模擬地震動とのデータ同化を実施し、初期モデルが真のモデルに近づくことを確認した。
[Summary of experiment]
A numerical experiment was conducted on the two-dimensional underground structure model shown in FIG. First, a simulation is performed on a true model (true value) to create a simulated ground motion at a ground observation point (triangle in FIG. 8). In addition, as shown in Table 1 below, an initial model (initial value) that gives a 10% error to the true underground structure model is set. Next, we performed data assimilation between simulation and simulated ground motion for the initial model, and confirmed that the initial model approached the true model.

[層に相関を設定した場合と層に相関を設定しない場合との比較] [Comparison between when correlation is set for a layer and when correlation is not set for a layer]

層に対して相関を与えた場合の数値実験の結果を図9(A)に示す。図の横軸は時刻ステップ、縦軸は真値に対する推定値の比を示しており、比が1に近づくほど真値に近づくことを表す。層厚HとS波のせん断波速度Vとついて、逐次修正され真値に近づいており、データ同化を用いた地下構造推定の効果が確認されている。 FIG. 9A shows the result of the numerical experiment when the correlation is given to the layers. In the figure, the horizontal axis indicates the time step, and the vertical axis indicates the ratio of the estimated value to the true value. The closer the ratio is to 1, the closer the value is to the true value. The layer thickness H and the shear wave velocity V S of the S wave are successively corrected and approach the true value, and the effect of underground structure estimation using data assimilation has been confirmed.

一方、層に対して相関を設定しない場合の数値実験の結果を図9(B)に示す。相関が設定された場合と比較すると、相関を設定しない場合の層厚Hの推定精度が悪い。また、S波のせん断波速度Vについても相関が設定された場合の方が推定精度は良く、層厚に相関を与えることの有効性が確認された。 On the other hand, FIG. 9B shows the result of a numerical experiment when no correlation is set for the layer. Compared with the case where the correlation is set, the estimation accuracy of the layer thickness H when the correlation is not set is poor. Further, the estimation accuracy is better when the correlation is set for the shear wave velocity V S of the S wave, and it is confirmed that the correlation thickness is effective.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態では、各層の物性値のパラメータ(ρ,V,V,Q,Q)と、層厚のパラメータHとをデータ同化により同時に推定する場合を例に説明したがこれに限定されるものではない。例えば、各パラメータのうちの所定のパラメータを推定した後、所定のパラメータ以外のパラメータを推定するようにしてもよい。例えば、各層の層厚Hと速度Vとを推定した後に、密度ρと減衰定数Q及びQを推定するようにしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, a case has been described in which the physical property value parameters (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) of each layer and the layer thickness parameter H are estimated simultaneously by data assimilation. It is not limited to this. For example, after estimating a predetermined parameter of each parameter, a parameter other than the predetermined parameter may be estimated. For example, after estimating the thickness H and the velocity V S of the respective layers, may be estimated as the density ρ decay constant Q S and Q P.

また、上記実施形態では、図4に示されるように格子点間の水平距離(xy方向)に応じて相関を設定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、z方向に対して相関を設定するようにしてもよい。例えば、z方向の位置が深いほど層の固さは硬くなるように相関を設定するようにしてもよい。これにより、例えばアンサンブルカルマンフィルタにおいて生成される各アンサンブルにおいて、特定の層よりも、特定の層の下に位置する層の方が軟らかいことを表すアンサンブルの生成等が抑制される。 In the above embodiment, the case where the correlation is set according to the horizontal distance (xy direction) between the lattice points as shown in FIG. 4 is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the z direction is used. A correlation may be set for. For example, the correlation may be set such that the deeper the position in the z direction is, the harder the layer is. Thereby, for example, in each ensemble generated in the ensemble Kalman filter, generation of an ensemble indicating that the layer located below the specific layer is softer than the specific layer is suppressed.

また、上記実施形態では、層に関するパラメータの一例として層厚Hに対して相関を設定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、層厚H以外のパラメータに対して相関を設定してもよい。具体的には、例えば、地下構造モデルのz方向の位置が深いほど速度Vが大きくなるように、相関を設定してもよい。また、例えば、速度Vと密度ρとの関係を考慮して、速度Vが大きいほど密度ρも大きくなるように相関を設定してもよい。また、地下構造モデルのz方向の位置が深いほど減衰係数Qが大きくなるように、相関を設定してもよい。また、速度Vと速度Vとの間の関係を考慮して、相関を設定してもよい。また、実際の地盤調査結果、各パラメータ間の関係式、及び既往の研究の少なくとも1つに応じて、相関を設定してもよい。 Moreover, although the case where a correlation was set with respect to layer thickness H as an example of the parameter regarding a layer was demonstrated in the said embodiment, it is not limited to this. For example, the correlation may be set for parameters other than the layer thickness H. Specifically, for example, the correlation may be set so that the velocity V S increases as the position of the underground structure model in the z direction increases. For example, in consideration of the relationship between the speed V S and the density ρ, the correlation may be set so that the density ρ increases as the speed V S increases. The correlation may be set so that the attenuation coefficient Q increases as the position of the underground structure model in the z direction increases. Moreover, taking into account the relationship between the velocity V S and the speed V P, it may be set correlation. Further, the correlation may be set according to at least one of an actual ground survey result, a relational expression between parameters, and a past study.

また、上記実施形態では、地下構造モデルのパラメータとして、各層の物性値(ρ,V,V,Q,Q)と層厚Hとをデータ同化により推定する場合を例に説明したがこれに限定されるものではない。本実施形態の地下構造モデルのパラメータの一部のみを推定してもよく、例えば、層厚H及び速度Vのみを推定してもよい。また、層厚H及び速度Vのみを推定した後に、減衰定数Qを推定してもよい。 In the above embodiment, the case where the physical property values (ρ, V S , V P , Q S , Q P ) and the layer thickness H of each layer are estimated by data assimilation as the parameters of the underground structure model has been described as an example. However, it is not limited to this. Only some of the parameters of the subsurface structure model of the present embodiment may be estimated, for example, it may be estimated only layer thickness H and the velocity V S. Alternatively, the attenuation constant Q S may be estimated after estimating only the layer thickness H and the velocity V S.

また、上記実施形態では、地下構造推定処理ルーチンにおいて、新たな観測データに基づくデータ同化が行われる毎に、パラメータベクトルに対して相関を設定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、はじめて得られた地震の観測データに基づきデータ同化を行う際にのみ、パラメータベクトルに対して相関を設定してもよい。   In the above embodiment, the case where the correlation is set for the parameter vector every time data assimilation based on new observation data is performed in the underground structure estimation processing routine has been described as an example. It is not a thing. For example, the correlation may be set for the parameter vector only when data assimilation is performed based on the earthquake observation data obtained for the first time.

また、上記実施形態では、データ同化の逐次フィルタリング手法の一例としてアンサンブルカルマンフィルタを用いる場合を例に説明したがこれに限定されるものではなく、他の逐次フィルタリング手法を用いてもよい。例えば、逐次フィルタリング手法として粒子フィルタを用いてもよい。   Moreover, although the case where an ensemble Kalman filter is used as an example of the sequential filtering technique for data assimilation has been described as an example in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and other sequential filtering techniques may be used. For example, a particle filter may be used as a sequential filtering method.

また、上記ではプログラムが記憶部(図示省略)に予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、プログラムは、CD−ROM、DVD−ROM及びマイクロSDカード等の記録媒体の何れかに記録されている形態で提供することも可能である。   In the above description, the program is stored (installed) in a storage unit (not shown) in advance. However, the program is recorded on any recording medium such as a CD-ROM, a DVD-ROM, and a micro SD card. It is also possible to provide it in the form in which it is provided.

10 地下構造推定装置
12 受付部
14 コンピュータ
16 表示部
18 観測データ記憶部
20 モデル記憶部
22 情報取得部
24 推定部
26 地下構造モデル
240 予測部
242 修正部
244 平滑化部
θ パラメータベクトル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Underground structure estimation apparatus 12 Reception part 14 Computer 16 Display part 18 Observation data storage part 20 Model storage part 22 Information acquisition part 24 Estimation part 26 Underground structure model 240 Prediction part 242 Correction part 244 Smoothing part (theta) Parameter vector

Claims (6)

地下構造モデルと、前記地下構造モデルに対応する地点における各時刻の地震の観測データの時系列とを入力とし、
前記地下構造モデルのパラメータ及び地震予測モデルから予測される前記時刻の地震の状態から得られる地震データと、前記時刻における地震の観測データとの差分に応じて、前記時刻の地震の状態及び前記地下構造モデルのパラメータを修正することを繰り返す推定部
を含む地下構造推定装置。
With an underground structure model and a time series of observation data of earthquakes at each time at a point corresponding to the underground structure model as inputs,
According to the difference between the earthquake data obtained from the earthquake state at the time predicted from the parameters of the underground structure model and the earthquake prediction model and the observation data of the earthquake at the time, the state of the earthquake at the time and the underground An underground structure estimation device that includes an estimation unit that repeatedly modifies the parameters of the structural model.
前記地下構造モデルのパラメータは、前記地下構造モデルの地表の各格子点に対する、前記格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータを含む、
請求項1に記載の地下構造推定装置。
The parameters of the underground structure model include the parameters relating to each layer located in the underground direction of the lattice point with respect to each lattice point of the ground surface of the underground structure model,
The underground structure estimation apparatus according to claim 1.
各格子点の前記層に関するパラメータは、前記格子点間で、前記格子点の位置に応じた相関が予め設定される、
請求項2に記載の地下構造推定装置。
As for the parameters related to the layer at each lattice point, a correlation is preset between the lattice points according to the position of the lattice points.
The underground structure estimation apparatus according to claim 2.
前記層に関するパラメータは前記層の層厚を含み、
前記層厚は、前記格子点間で、前記格子点の位置に応じた相関が予め設定される、
請求項3に記載の地下構造推定装置。
The parameters for the layer include the layer thickness of the layer;
The layer thickness is preset with a correlation between the lattice points according to the position of the lattice points.
The underground structure estimation apparatus according to claim 3.
前記地下構造モデルの前記格子点間の各々について、前記格子点間の距離が近いほど、一方の格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータと、他方の格子点の地下方向に位置する各層に関する前記パラメータとが対応するように予め設定される、
請求項3又は請求項4に記載の地下構造推定装置。
For each of the lattice points of the underground structure model, the closer the distance between the lattice points, the more the parameters related to each layer located in the underground direction of one lattice point and the layers located in the underground direction of the other lattice point. Is preset to correspond to the parameters relating to
The underground structure estimation apparatus according to claim 3 or 4.
前記地下構造モデルの前記パラメータを表すパラメータベクトルと前記地震による各格子点の速度及び応力を含む状態ベクトルとを有する拡大状態ベクトルと、前記観測データを表す各時刻の前記地震の地震動データとを入力とし、
前記推定部は、
時刻t−1の前記拡大状態ベクトルと前記地震予測モデルとに基づいて、時刻tの前記拡大状態ベクトルを予測する予測部と、
前記予測部によって予測された時刻tの前記拡大状態ベクトルから生成される前記地震データと、時刻tの前記地震の地震動データとに基づいて、時刻tの前記拡大状態ベクトルを修正する修正部と、
前記観測データの終端時刻Tまで、前記予測部による予測及び前記修正部による修正を繰り返し、各時刻において得られた前記修正部による推定結果に含まれる、前記地下構造モデルの前記パラメータを平滑化することにより、前記拡大状態ベクトルに含まれる前記地下構造モデルの前記パラメータを取得する平滑化部と、
を含む請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の地下構造推定装置。
An enlarged state vector having a parameter vector representing the parameter of the underground structure model, a state vector including the velocity and stress of each lattice point due to the earthquake, and earthquake motion data of the earthquake at each time representing the observation data are input. age,
The estimation unit includes
A prediction unit that predicts the expanded state vector at time t based on the expanded state vector at time t-1 and the earthquake prediction model;
A correction unit that corrects the expanded state vector at time t based on the earthquake data generated from the expanded state vector at time t predicted by the prediction unit and the earthquake motion data of the earthquake at time t;
The prediction by the prediction unit and the correction by the correction unit are repeated until the end time T of the observation data, and the parameters of the underground structure model included in the estimation result by the correction unit obtained at each time are smoothed. A smoothing unit for acquiring the parameters of the underground structure model included in the expanded state vector;
The underground structure estimation apparatus according to any one of claims 1 to 5, comprising:
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