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JP7442404B2 - Seismic waveform processing method and seismic waveform processing system - Google Patents
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Description

本発明は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去する技術に関する。 The present invention relates to a technique for removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph.

地震が発生すると、各所に設けられた地震計により地震が観測されて、地震観測データとして、地震動波形データが生成される。地震観測データは、地震破壊過程の推定をはじめとした、様々な目的に使用されている。
この地震観測データには、地震計の周囲において生じる、道路交通の振動、列車の振動、工事の振動等の、様々な振動が、ノイズとして混入していることがある。例えば緊急地震速報システム等ではP波の僅かな情報からS波の到達時刻を予測するが、上記のようなノイズが混入した地震観測データが緊急地震速報システム等の構築の際に用いられると、S波の予測に誤差が生じ得る。したがって、地震観測データのノイズを除去することが行われている。
When an earthquake occurs, the earthquake is observed by seismometers installed at various locations, and seismic motion waveform data is generated as earthquake observation data. Earthquake observation data are used for various purposes, including estimating earthquake rupture processes.
This seismic observation data may contain noise from various vibrations that occur around the seismograph, such as road traffic vibrations, train vibrations, and construction vibrations. For example, in an emergency earthquake early warning system, etc., the arrival time of S waves is predicted from a small amount of information on P waves, but if earthquake observation data mixed with the noise mentioned above is used when constructing an emergency earthquake early warning system, etc. Errors may occur in the prediction of S waves. Therefore, efforts are being made to remove noise from seismic observation data.

例えば、特許文献1には、地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動の所定周波数が15~25(ヘルツ)の範囲内のいずれかの周波数、例えば20(ヘルツ)であり、その周波数成分の振動レベルをa20(デシベル)、振動のノイズレベルをan(デシベル)、振動のピークを与える振動周波数fp(ヘルツ)における振動レベルをap(デシベル)としたとき、r20=(a20-an)/(apan)×100で与えられる、r20(パーセント)が所定の値、例えば60(パーセント)を越える場合に、ノイズと判定しその振動を除去する、地震観測方法が開示されている。
また、特許文献2には、整数の演算だけで容易に計算される卓越周波数の計算、地震波の立ち上がり方を表すためのパラメータ、及び両者の関係を用いて、地震波の特徴を表し、その属性を持たない地震観測データをノイズであると判定する解析法が開示されている。
更に、特許文献3には、地震計のノイズ識別方法において、地表を伝播する地震以外の振動を検出する地表地震計と、地中から地表へ伝播する地震動を検出する地中地震計とを設置し、地表地震計のみが起動した場合には、地震以外の振動と識別し、地中地震計と地表地震計4との両方の地震計が起動した場合には、地震動と識別する、地震計のノイズ識別方法が開示されている。
For example, in Patent Document 1, vibrations measured by a seismograph are decomposed into intensity levels corresponding to frequency components, and a predetermined frequency of the vibrations is set to any frequency within the range of 15 to 25 (Hertz), for example, 20 (Hertz). ), and when the vibration level of the frequency component is a20 (decibel), the vibration noise level is an (decibel), and the vibration level at the vibration frequency fp (hertz) that gives the vibration peak is ap (decibel), r20 An earthquake observation method is disclosed in which when r20 (percent), given by = (a20-an)/(apan) x 100, exceeds a predetermined value, for example 60 (percent), it is determined to be noise and the vibration is removed. has been done.
In addition, Patent Document 2 describes the characteristics of seismic waves and their attributes using the calculation of the dominant frequency that is easily calculated using only integer operations, parameters for expressing how seismic waves rise, and the relationship between the two. An analysis method has been disclosed that determines that earthquake observation data that is not available is noise.
Further, in Patent Document 3, in a seismometer noise identification method, a surface seismometer that detects vibrations other than earthquakes that propagate on the ground surface, and an underground seismometer that detects seismic motion that propagates from underground to the ground surface are installed. However, if only the surface seismometer is activated, the vibration is identified as non-earthquake, and if both the underground seismometer and surface seismometer 4 are activated, the seismometer is identified as seismic vibration. A noise identification method is disclosed.

上記の特許文献に記載されたようなノイズの識別、除去は、十分な精度が得られない場合がある。したがって、地震観測データのノイズ処理は、作業員が地震観測データを目視することによりノイズを判読し、ノイズと判読された部分の周期帯にフィルタ処理を適用することが一般である。
しかし、現在においては、様々な公的機関により、莫大な数の地震記録が公開されており、これらすべての地震観測データを人手でノイズ除去処理することは現実的ではない。
自動で、かつ高い精度でノイズ成分を除去することが望まれている。
Noise identification and removal as described in the above-mentioned patent documents may not provide sufficient accuracy. Therefore, in noise processing of seismic observation data, a worker generally interprets the noise by visually observing the seismic observation data, and applies filter processing to the periodic band of the portion interpreted as noise.
However, at present, a huge number of earthquake records are made public by various public institutions, and it is not realistic to manually remove noise from all of these seismic observation data.
It is desired to automatically remove noise components with high precision.

特開平10-253766号公報Japanese Patent Application Publication No. 10-253766 特開2009-103672号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-103672 特開2014-66571号公報JP2014-66571A

本発明が解決しようとする課題は、高い精度でノイズ成分を除去することができる、地震波形処理方法及び地震波形処理システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a seismic waveform processing method and a seismic waveform processing system that can remove noise components with high accuracy.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理方法であって、地震の加速度波形及び速度波形の画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度波形及び前記速度波形の画像を入力して、前記ノイズ成分の有無を推論する工程と、前記ノイズ成分が有ると推論された場合に、地震の加速度フーリエスペクトルの画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分を含む部分が識別された画像を教師データとして、深層学習させた第2学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度フーリエスペクトルの画像を入力して、当該画像中の前記ノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、前記ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成する工程と、を含むことを特徴とする地震波形処理方法を提供する。
上記のような構成によれば、第1学習モデルは、地震の加速度波形及び速度波形の画像を含む入力データに対し、当該画像中のノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習されている。このため、第1学習モデルには、地震の加速度波形及び速度波形の画像と、及び当該画像中のノイズ成分の有無に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第1学習モデルは、地震観測データの加速度波形及び速度波形の画像が入力されると、当該画像内にノイズ成分が有るか無いかを、適切に推論できる。
また、第2学習モデルは、地震の加速度フーリエスペクトルの画像を含む入力データに対し、当該画像中のノイズ成分を含む部分が識別された画像を教師データとして、深層学習されている。このため、第2学習モデルには、地震の加速度フーリエスペクトルの画像と、及び当該画像中のノイズ成分を含む部分に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第2学習モデルは、地震観測データの加速度フーリエスペクトルの画像が入力されると、当該画像中のどの部分にノイズ成分を含むのか、すなわち、加速度フーリエスペクトルのノイズ成分が含まれる周波数帯を、適切に推論することができる。
このように、第1及び第2学習モデルにより、ノイズ成分が含まれる周波数帯が推論されるので、この周波数帯の境界を周波数境界値として算出し、これを用いたフィルタ処理を行うことで、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成できる。したがって、高い精度でノイズ成分を除去することが可能である。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, the present invention is a seismic waveform processing method for extracting seismic waveforms by removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph. The images of the acceleration waveform and the velocity waveform of the seismic observation data are input to a first learning model that has been deep learned, using the information on the presence or absence of the noise component in the image as training data, and the information on the presence or absence of the noise component is determined by inputting the images of the acceleration waveform and the velocity waveform of the earthquake observation data. and when it is inferred that the noise component exists, an image in which a portion of the image containing the noise component has been identified is used as training data for input data including an image of an acceleration Fourier spectrum of an earthquake. inputting the image of the acceleration Fourier spectrum of the seismic observation data into a second deep learning model, inferring the noise component in the image and calculating the frequency boundary value of the noise component; A seismic waveform processing method is provided, comprising the step of generating a noise component-free seismic waveform in which the noise component is removed by filtering using the frequency boundary value.
According to the above configuration, the first learning model performs deep learning on input data including images of acceleration waveforms and velocity waveforms of an earthquake, using information on the presence or absence of noise components in the images as training data. There is. Therefore, images of the acceleration waveform and velocity waveform of the earthquake and information regarding the presence or absence of noise components in the images are learned as feature quantities in the first learning model. Therefore, when an image of an acceleration waveform and a velocity waveform of seismic observation data is input, the first learning model can appropriately infer whether or not there is a noise component in the image.
Further, the second learning model performs deep learning on input data including an image of an acceleration Fourier spectrum of an earthquake, using an image in which a portion containing a noise component in the image has been identified as training data. For this reason, the second learning model is trained with an image of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake and information regarding a portion of the image that includes a noise component as feature quantities. Therefore, when an image of the acceleration Fourier spectrum of earthquake observation data is input, the second learning model determines which part of the image contains the noise component, that is, the frequency band in which the noise component of the acceleration Fourier spectrum is included. , can be properly reasoned.
In this way, the frequency band in which the noise component is included is inferred by the first and second learning models, so by calculating the boundary of this frequency band as a frequency boundary value and performing filter processing using this, It is possible to generate noise-free seismic waveforms with noise components removed. Therefore, it is possible to remove noise components with high accuracy.

本発明の一態様においては、地震波形処理方法は、前記ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形を含む入力データに対し、P波及びS波の到達時刻を教師データとして、深層学習させた第3学習モデルに、前記ノイズ成分が無いと判別された前記地震観測データの地震波形か、または前記ノイズ成分除去地震波形のいずれかを入力して、P波及びS波の到達時刻を推論する工程とを含む。
上記のような構成によれば、第3学習モデルは、ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形を含む入力データに対し、P波及びS波の到達時刻を教師データとして、深層学習されている。このため、第3学習モデルには、ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形、及びP波及びS波の到達時刻に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第3学習モデルは、ノイズ成分の無い地震波形として、ノイズ成分が無いと判別された地震観測データの地震波形か、またはノイズ成分除去地震波形のいずれかが入力されると、P波及びS波の到達時刻を、適切に推論することができる。
In one aspect of the present invention, the seismic waveform processing method uses input data that includes the seismic waveform without noise components and a waveform in which sections of P waves and S waves are extracted by applying a filter to the seismic waveform. On the other hand, the third learning model that is deep learned using the arrival times of P waves and S waves as training data is either the seismic waveform of the earthquake observation data determined to be free of the noise component, or the seismic waveform from which the noise component has been removed. and inferring the arrival times of P waves and S waves by inputting either one of the following.
According to the above configuration, the third learning model uses input data that includes an earthquake waveform without noise components and a waveform in which P wave and S wave sections are extracted by applying a filter to the earthquake waveform. On the other hand, deep learning is performed using the arrival times of P waves and S waves as training data. Therefore, the third learning model includes an earthquake waveform without noise components, a waveform in which each section of P waves and S waves is extracted by applying a filter to the earthquake waveform, and the arrival times of P waves and S waves. The information about this is learned as a feature quantity. Therefore, when the third learning model receives either a seismic waveform of seismic observation data determined to have no noise component or a seismic waveform from which noise components have been removed as a seismic waveform with no noise component, the third learning model receives P waves and The arrival time of the S wave can be appropriately inferred.

また、本発明は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理システムであって、地震の加速度波形及び速度波形の画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデルと、前記第1学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度波形及び前記速度波形の画像を入力して、前記ノイズ成分の有無を推論するノイズ成分有無推論部と、地震の加速度フーリエスペクトルの画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分を含む部分が識別された画像を教師データとして、深層学習させた第2学習モデルと、前記ノイズ成分が有ると推論された場合に、前記第2学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度フーリエスペクトルの画像を入力して、当該画像中の前記ノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、前記ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成するノイズ成分除去部と、を備えることを特徴とする地震波形処理システムを提供する。
上記のような構成によれば、既に説明したように、高い精度でノイズ成分を除去することが可能である。
The present invention also provides a seismic waveform processing system that extracts seismic waveforms by removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph. Inputting images of the acceleration waveform and the velocity waveform of the earthquake observation data into a first learning model that has undergone deep learning using information on the presence or absence of the noise component in the image as training data, and the first learning model. and a noise component presence/absence inference unit that infers the presence or absence of the noise component, and an image in which a portion including the noise component in the image is identified as training data for input data including an image of an acceleration Fourier spectrum of an earthquake. , when it is inferred that there is a noise component, input the image of the acceleration Fourier spectrum of the seismic observation data to the second learning model that has undergone deep learning, and calculate the noise component in the image. a noise component removal unit that infers the noise component, calculates a frequency boundary value of the noise component, and generates a noise component-removed seismic waveform from which the noise component is removed by filtering using the frequency boundary value; A seismic waveform processing system is provided.
According to the above configuration, as already explained, it is possible to remove noise components with high accuracy.

本発明によれば、高い精度でノイズ成分を除去することができる、地震波形処理方法及び地震波形処理システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a seismic waveform processing method and a seismic waveform processing system that can remove noise components with high accuracy.

本発明の実施形態における地震波形処理システムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a seismic waveform processing system in an embodiment of the present invention. 地震波形処理システムの第1学習モデルに入力される入力データの、データ中にノイズ成分を含まない場合の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of input data input to the first learning model of the seismic waveform processing system when the data does not include noise components. 第1学習モデルに入力される入力データの、データ中にノイズ成分を含む場合の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of input data input to the first learning model when the data includes a noise component. 第1学習モデルの模式的なブロック図である。FIG. 3 is a schematic block diagram of a first learning model. 地震波形処理システムの第2学習モデルの模式的なブロック図である。FIG. 3 is a schematic block diagram of a second learning model of the seismic waveform processing system. 地震波形処理システムの第3学習モデルの、入力データの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of input data of a third learning model of the seismic waveform processing system. 第3学習モデルの、教師データの説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of teacher data of the third learning model. 実施形態の地震波形処理方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a seismic waveform processing method according to an embodiment. 第3学習モデルの評価結果を表すグラフである。It is a graph showing the evaluation result of the third learning model.

本発明は、機械学習モデル(AI技術)を用いて、地震観測データからノイズ成分を取り除き、P波及びS波の地震波形を取得する地震波形処理方法、及び地震波形処理システムである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態における地震波形処理システムのブロック図である。本実施形態の地震波形処理システム1は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して、ノイズ成分を含まないような、地震波形を取り出す。更に、地震波形処理システム1は、このノイズ成分が除去された地震波形を基に、P波及びS波の到達時刻を推論する。
地震波形処理システム1は、図1に示されるように、コンピュータ装置からなるもので、予め設定されたコンピュータプログラムに基づいた処理を実行することで、ノイズ成分を除去し、P波及びS波の到達時刻を推論する。地震波形処理システム1は、ノイズ成分有無推論部2、ノイズ成分除去部3、及び到達時刻導出部4を備えている。ノイズ成分有無推論部2は、速度波形生成部21、入力画像生成部22、及び第1学習モデル50を備えている。ノイズ成分除去部3は、スペクトル生成部31、第2学習モデル60、周波数境界値抽出部32、及びフィルタ処理部33を備えている。到達時刻導出部4は、入力データ生成部41と第3学習モデル70を備えている。
The present invention is a seismic waveform processing method and seismic waveform processing system that removes noise components from seismic observation data and obtains P-wave and S-wave seismic waveforms using a machine learning model (AI technology).
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of the seismic waveform processing system in this embodiment. The seismic waveform processing system 1 of this embodiment removes noise components from seismic observation data observed by a seismograph, and extracts seismic waveforms that do not include noise components. Furthermore, the seismic waveform processing system 1 infers the arrival times of P waves and S waves based on the seismic waveform from which noise components have been removed.
As shown in FIG. 1, the seismic waveform processing system 1 consists of a computer device, which removes noise components and extracts P waves and S waves by executing processing based on a preset computer program. Infer arrival time. The seismic waveform processing system 1 includes a noise component presence/absence inference section 2, a noise component removal section 3, and an arrival time derivation section 4. The noise component presence/absence inference section 2 includes a velocity waveform generation section 21, an input image generation section 22, and a first learning model 50. The noise component removal section 3 includes a spectrum generation section 31, a second learning model 60, a frequency boundary value extraction section 32, and a filter processing section 33. The arrival time derivation unit 4 includes an input data generation unit 41 and a third learning model 70.

ノイズ成分有無推論部2は、地震観測データの加速度波形5を入力して、当該加速度波形5にノイズ成分が含まれているか否かを推論する。
まず、速度波形生成部21は、地震計で観測された加速度波形5が入力されると、これを微分して、速度波形を生成する。
入力画像生成部22は、加速度波形5と、速度波形生成部21により生成された速度波形を基に、第1学習モデル50への入力データとなる、加速度波形及び速度波形の画像(以下、第1入力画像と記載する)を生成する。図2、図3は、第1入力画像7の説明図である。入力画像生成部22は、加速度波形5を基に加速度波形の画像7aを生成し、速度波形を基に速度波形の画像7bを生成し、更に、これら加速度波形の画像7aと速度波形の画像7bを上下に連接して、1枚の第1入力画像7を生成する。
The noise component presence/absence inference unit 2 inputs the acceleration waveform 5 of the earthquake observation data and infers whether or not the acceleration waveform 5 includes a noise component.
First, when the velocity waveform generation unit 21 receives the acceleration waveform 5 observed by the seismograph, it differentiates the acceleration waveform 5 and generates a velocity waveform.
Based on the acceleration waveform 5 and the velocity waveform generated by the velocity waveform generation unit 21, the input image generation unit 22 generates an image of an acceleration waveform and a velocity waveform (hereinafter referred to as a first image), which becomes input data to the first learning model 50. 1 input image) is generated. 2 and 3 are explanatory diagrams of the first input image 7. The input image generation unit 22 generates an acceleration waveform image 7a based on the acceleration waveform 5, generates a velocity waveform image 7b based on the velocity waveform, and further generates an acceleration waveform image 7a and a velocity waveform image 7b. are connected vertically to generate one first input image 7.

図2に示される第1入力画像7は、加速度波形5にノイズ成分が含まれない場合の波形である。これに対し、図3に示される第1入力画像7にはノイズ成分が含まれており、このために、図2とは異なる特徴が画像に表れている。次に説明する第1学習モデル50は、この特徴を認識するように機械学習されている。
図4は、第1学習モデル50の模式的なブロック図である。本実施形態においては、第1学習モデル50は、画像を入出力とした場合の処理と相性の良い畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network、以下CNNと記載する)により実現されている。第1学習モデル50は、畳み込み処理部51と全結合部52を備えている。
The first input image 7 shown in FIG. 2 is a waveform when the acceleration waveform 5 does not include a noise component. On the other hand, the first input image 7 shown in FIG. 3 contains noise components, and therefore features different from those in FIG. 2 appear in the image. The first learning model 50, which will be described next, has been machine learned to recognize this feature.
FIG. 4 is a schematic block diagram of the first learning model 50. In this embodiment, the first learning model 50 is realized by a convolutional neural network (hereinafter referred to as CNN) that is compatible with processing when images are used as input and output. The first learning model 50 includes a convolution processing section 51 and a full connection section 52.

畳み込み処理部51は、複数の畳み込み層51aを備えている。第1学習モデル50に第1入力画像7が入力されると、初段の畳み込み層51aに設けられた複数のフィルタの各々により、畳み込みフィルタ処理が実行され、かつ必要に応じてプーリング処理等が適用されて、初段の畳み込み層51aに対応する特徴量マップが生成される。この処理を、後段へと繰り返すことで、最終段の畳み込み層51aに対応する特徴量マップ53が生成される。この、最終段の畳み込み層51aに対応する特徴量マップ53は、全結合部52への入力となる。
全結合部52は、入力層52a、複数の中間層52b、及び出力層52cを備えている。入力された特徴量マップ53に含まれる値の各々は、入力層52aの対応する入力ノードに入力される。この値に対して重み付け和が演算され、その結果が初段の中間層52bへと格納される。この処理を、後段へと繰り返すことで、出力層52cには、最終的な演算値が格納される。
The convolution processing unit 51 includes a plurality of convolution layers 51a. When the first input image 7 is input to the first learning model 50, convolution filter processing is performed by each of the plurality of filters provided in the first stage convolution layer 51a, and pooling processing etc. are applied as necessary. Then, a feature map corresponding to the first convolutional layer 51a is generated. By repeating this process to subsequent stages, a feature amount map 53 corresponding to the final stage convolution layer 51a is generated. This feature map 53 corresponding to the final convolutional layer 51a is input to the full combination unit 52.
The full coupling unit 52 includes an input layer 52a, a plurality of intermediate layers 52b, and an output layer 52c. Each of the values included in the input feature map 53 is input to a corresponding input node of the input layer 52a. A weighted sum is calculated for this value, and the result is stored in the first intermediate layer 52b. By repeating this process to subsequent stages, the final calculated value is stored in the output layer 52c.

第1学習モデル50は、入力された第1入力画像7にノイズ成分が含まれているか否かを推論する、2クラス分類を解決するものである。本実施形態においては、出力層52cは、第1出力ノード52dと第2出力ノード52eを備えている。第1出力ノード52dは、第1入力画像7がノイズ成分を含む場合に対応し、第2出力ノード52eはノイズ成分を含まない場合に対応している。
学習時には、第1学習モデル50に入力された、学習時の入力データとしての第1入力画像7が、畳み込み処理部51、全結合部52により処理されて、第1及び第2出力ノード52d、52eに処理結果が格納される。この処理結果は、教師データと比較される。本実施形態においては、教師データは、第1入力画像7中のノイズ成分の有無の情報である。より詳細には、例えば入力された第1入力画像7がノイズを含む場合には、第1出力ノード52d内の処理結果は1と、及び第2出力ノード52e内の処理結果は0と、それぞれ比較される。また、例えば入力された第1入力画像7がノイズを含まない場合には、第1出力ノード52d内の処理結果は0と、及び第2出力ノード52e内の処理結果は1と、それぞれ比較される。
第1学習モデル50は、これらの処理結果と教師データとの2乗誤差等により表されるコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法、確率的勾配降下法等により、畳み込み処理部51の各フィルタの重みの値、全結合部52の重み付け和に用いられる重みの値等を調整することで、機械学習されている。
結果として、第1学習モデル50は、第1出力ノード52dと第2出力ノード52eの値が、入力された第1入力画像7にノイズ成分が含まれていればそれぞれ1、0に近く、含まれていなければそれぞれ0、1に近くなるように学習されている。このように、第1学習モデル50は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの学習モデルである。
The first learning model 50 solves two-class classification to infer whether or not the input first input image 7 contains a noise component. In this embodiment, the output layer 52c includes a first output node 52d and a second output node 52e. The first output node 52d corresponds to a case where the first input image 7 contains a noise component, and the second output node 52e corresponds to a case where it does not contain a noise component.
During learning, the first input image 7, which is input to the first learning model 50 as input data during learning, is processed by the convolution processing unit 51 and the full combination unit 52, and the first and second output nodes 52d, The processing result is stored in 52e. This processing result is compared with teacher data. In this embodiment, the teacher data is information on the presence or absence of noise components in the first input image 7. More specifically, for example, when the input first input image 7 contains noise, the processing result in the first output node 52d is 1, and the processing result in the second output node 52e is 0. be compared. Further, for example, when the input first input image 7 does not include noise, the processing result in the first output node 52d is compared with 0, and the processing result in the second output node 52e is compared with 1. Ru.
The first learning model 50 uses the error backpropagation method, the stochastic gradient descent method, etc. to reduce the cost function expressed by the squared error between these processing results and the teacher data. Machine learning is performed by adjusting the weight values of each filter, the weight values used for the weighted sum of the full combination unit 52, and the like.
As a result, in the first learning model 50, the values of the first output node 52d and the second output node 52e are close to 1 and 0, respectively, if the input first input image 7 contains a noise component. If not, the values are learned to be close to 0 and 1, respectively. In this way, the first learning model 50 is a trained learning model in which appropriate learning parameters have been learned, and is used as a program module that is part of artificial intelligence software.

ノイズ成分有無推論部2は、上記のように学習された第1学習モデル50に対し、入力画像生成部22により生成された、推論対象となる第1入力画像7を入力して、第1学習モデル50の第1及び第2出力ノード52d、52eに格納された処理結果を参照する。ノイズ成分有無推論部2は、第1出力ノード52dに格納された処理結果が第2出力ノード52eに格納された処理結果よりも大きく1に近ければ、第1入力画像7にノイズ成分が含まれていると推論する。逆に、ノイズ成分有無推論部2は、第2出力ノード52eに格納された処理結果が第1出力ノード52dに格納された処理結果よりも大きく1に近ければ、第1入力画像7にノイズ成分が含まれていないと推論する。
ノイズ成分有無推論部2は、このように、第1学習モデル50に、地震観測データの第1入力画像7を入力して、加速度波形5のノイズ成分の有無を推論し、ノイズ成分除去部3に送信する。
The noise component presence/absence inference unit 2 inputs the first input image 7 to be inferred, generated by the input image generation unit 22, to the first learning model 50 trained as described above, and performs the first learning. The processing results stored in the first and second output nodes 52d and 52e of the model 50 are referred to. If the processing result stored in the first output node 52d is larger than the processing result stored in the second output node 52e and is closer to 1, the noise component presence/absence inference unit 2 determines that the first input image 7 contains a noise component. It is inferred that Conversely, if the processing result stored in the second output node 52e is larger and closer to 1 than the processing result stored in the first output node 52d, the noise component presence/absence inference section 2 adds a noise component to the first input image 7. It is inferred that it is not included.
In this way, the noise component presence/absence inference unit 2 inputs the first input image 7 of the earthquake observation data to the first learning model 50, infers the presence or absence of a noise component in the acceleration waveform 5, and infers the presence/absence of a noise component in the acceleration waveform 5. Send to.

ノイズ成分除去部3は、ノイズ成分有無推論部2において加速度波形5にノイズ成分が有ると推論された場合に、当該加速度波形5を入力して、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成する。図5は、ノイズ成分除去部3の、特に後に説明する第2学習モデル60の、模式的なブロック図である。
まず、スペクトル生成部31は、ノイズ成分有無推論部2において加速度波形5にノイズ成分が有ると推論された場合に、当該加速度波形5を受信する。スペクトル生成部31は、加速度波形5をフーリエ変換し、図5に示されるような、横軸が周波数で、縦軸が各周波数に対応するスペクトル振幅として表される、フーリエスペクトルの画像(以下、第2入力画像と記載する)8を生成する。
スペクトル生成部31は、第2学習モデル60に第2入力画像8を送信し、入力する。
When the noise component presence/absence inference unit 2 infers that the acceleration waveform 5 has a noise component, the noise component removal unit 3 inputs the acceleration waveform 5 and generates a noise component-removed seismic waveform from which the noise component is removed. do. FIG. 5 is a schematic block diagram of the noise component removal unit 3, particularly a second learning model 60 that will be described later.
First, the spectrum generation unit 31 receives the acceleration waveform 5 when the noise component presence/absence inference unit 2 infers that the acceleration waveform 5 includes a noise component. The spectrum generation unit 31 performs a Fourier transform on the acceleration waveform 5, and generates a Fourier spectrum image (hereinafter referred to as (referred to as the second input image) 8 is generated.
The spectrum generation unit 31 transmits and inputs the second input image 8 to the second learning model 60.

第2学習モデル60は、入力された第2入力画像8のどの部分がノイズ成分であるかを特徴として認識するように機械学習されている。
本実施形態においては、第2学習モデル60は、CNNにより実現されて、セマンティックセグメンテーションにより、入力された第2入力画像8のどの画素がノイズ成分に相当するかを推論するように、学習されている。第2学習モデル60は、畳み込み処理部61と逆畳み込み処理部62を備えている。
畳み込み処理部61は、複数の畳み込み層61aを備えている。第2学習モデル60に第2入力画像8が入力されると、第1学習モデル50の畳み込み処理部51と同様な手順により、畳み込み処理が実行される。最終段の畳み込み層61aの処理結果は、第2入力画像8の特徴が抽出されて低次元に圧縮された状態のものとなっており、これは、逆畳み込み処理部62への入力となる。
逆畳み込み処理部62は、畳み込み処理部61により低次元に圧縮された特徴を拡大し、復元するように、逆畳み込み処理を実行する。逆畳み込み処理部62は、第2学習モデル60の出力として、出力画像64を出力する。
The second learning model 60 is subjected to machine learning so as to recognize which part of the input second input image 8 is a noise component as a feature.
In this embodiment, the second learning model 60 is realized by CNN, and is trained by semantic segmentation to infer which pixel of the second input image 8 corresponds to a noise component. There is. The second learning model 60 includes a convolution processing section 61 and a deconvolution processing section 62.
The convolution processing unit 61 includes a plurality of convolution layers 61a. When the second input image 8 is input to the second learning model 60, convolution processing is performed using the same procedure as the convolution processing unit 51 of the first learning model 50. The processing result of the convolution layer 61a at the final stage is a state in which the features of the second input image 8 are extracted and compressed to a low dimension, and this is input to the deconvolution processing section 62.
The deconvolution processing unit 62 executes deconvolution processing to expand and restore the features compressed to a low dimension by the convolution processing unit 61. The deconvolution processing unit 62 outputs an output image 64 as the output of the second learning model 60.

学習時には、第2学習モデル60に入力された、学習時の入力データとしての第2入力画像8が、畳み込み処理部61、逆畳み込み処理部62により処理されて、出力画像64が出力される。この処理結果は、教師データである教師画像65と比較される。本実施形態においては、教師画像65は、第2入力画像8のどの画素が、ノイズ成分に相当するかという情報であり、第2入力画像8中のノイズ成分を含む部分が識別された画像である。より詳細には、教師画像65の各画素には、第2入力画像8の対応する画素がノイズ部分である場合には、所定の第1画素値を、ノイズ部分ではない場合には、第1画素値とは異なる所定の第2画素値を、有するように設定されている。出力画像64は、入力となった第2入力画像8に対応する教師画像65と、画素ごとに画素値が比較されて、例えば各画素間のこれらの差分の2乗誤差等がコスト関数として計算される。
その上で、このコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法等により、各フィルタの重みの値等を調整することで、第2学習モデル60は機械学習されている。
結果として、第2学習モデル60は、出力された出力画像64の各画素の画素値が、入力された第2入力画像8の対応する画素がノイズ成分であれば第1画素値に近く、ノイズ成分でなければ第2画素値に近くなるように学習されている。このように、第2学習モデル60は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの学習モデルである。
During learning, the second input image 8, which is input to the second learning model 60 as input data during learning, is processed by the convolution processing section 61 and the deconvolution processing section 62, and an output image 64 is output. This processing result is compared with a teacher image 65 which is teacher data. In this embodiment, the teacher image 65 is information on which pixels of the second input image 8 correspond to noise components, and is an image in which the portions of the second input image 8 that include noise components have been identified. be. More specifically, each pixel of the teacher image 65 is assigned a predetermined first pixel value when the corresponding pixel of the second input image 8 is a noise portion, and is assigned a predetermined first pixel value when the corresponding pixel of the second input image 8 is not a noise portion. It is set to have a predetermined second pixel value different from the pixel value. The output image 64 is generated by comparing the pixel values of each pixel with the teacher image 65 corresponding to the second input image 8 that has been input, and calculating, for example, the squared error of these differences between each pixel as a cost function. be done.
Then, the second learning model 60 is subjected to machine learning by adjusting the weight values of each filter using an error back propagation method or the like so as to reduce this cost function.
As a result, the second learning model 60 has a pixel value of each pixel of the output image 64 that is close to the first pixel value if the corresponding pixel of the input second input image 8 is a noise component; If it is not a component, the pixel value is learned to be close to the second pixel value. In this way, the second learning model 60 is a trained learning model that is used as a program module that is part of artificial intelligence software and has appropriate learning parameters learned.

ノイズ成分除去部3は、上記のように学習された第2学習モデル60に対し、スペクトル生成部31により生成された、推論対象となる第2入力画像8を入力する。第2学習モデル60は、第2入力画像8中のノイズ成分を推論し、出力画像64を生成する。
周波数境界値抽出部32は、出力画像64を受信し、出力画像64内で第1画素値を有する周波数帯を抽出する。特に本実施形態においては、周波数境界値抽出部32は、低周波数帯域に現れるノイズ成分の上限値である低周波数帯域上限値と、高周波数帯域に現れるノイズ成分の下限値である高周波数帯域下限値を、ノイズ成分の周波数境界値として算出する。
フィルタ処理部33は、これらの周波数境界値を基に、加速度波形5をフィルタ処理する。より詳細には、フィルタ処理部33は、加速度波形5に対して、低周波数帯域上限値をカットオフ周波数とし、これ以上の周波数帯域を通すハイパスフィルタを実行し、かつ、高周波数帯域下限値をカットオフ周波数とし、これ以下の周波数帯域を通すローパスフィルタを実行する。このようにして、フィルタ処理部33は、加速度波形5に対して、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成する。
The noise component removal unit 3 inputs the second input image 8 to be inferred, generated by the spectrum generation unit 31, to the second learning model 60 trained as described above. The second learning model 60 infers noise components in the second input image 8 and generates an output image 64.
The frequency boundary value extraction unit 32 receives the output image 64 and extracts a frequency band having the first pixel value within the output image 64. In particular, in this embodiment, the frequency boundary value extraction unit 32 extracts a low frequency band upper limit value that is the upper limit value of noise components that appear in the low frequency band, and a high frequency band lower limit value that is the lower limit value of the noise component that appears in the high frequency band. The value is calculated as the frequency boundary value of the noise component.
The filter processing unit 33 performs filter processing on the acceleration waveform 5 based on these frequency boundary values. More specifically, the filter processing unit 33 executes a high-pass filter on the acceleration waveform 5, setting the upper limit value of the low frequency band as the cutoff frequency and passing the frequency band higher than this, and setting the lower limit value of the high frequency band as the cutoff frequency. A cutoff frequency is set, and a low-pass filter is executed to pass the frequency band below this frequency. In this way, the filter processing unit 33 generates a noise component-free seismic waveform by removing noise components from the acceleration waveform 5.

到達時刻導出部4は、ノイズ成分が無いと判別された地震観測データの地震波形か、またはノイズ成分除去地震波形のいずれかを入力して、P波及びS波の到達時刻を推論する。すなわち、到達時刻導出部4は、ノイズ成分有無推論部2において加速度波形5にノイズが無いと推論された場合には、加速度波形5を入力波形として受信する。また、到達時刻導出部4は、ノイズが有ると推論された場合には、ノイズ成分除去部3によってノイズ成分が除去された、ノイズ成分除去地震波形を入力波形として受信する。このように、いずれの場合であっても、到達時刻導出部4は、ノイズ成分の無い地震波形を、入力波形として受信する。 The arrival time deriving unit 4 inputs either the seismic waveform of seismic observation data determined to have no noise component or the seismic waveform from which the noise component has been removed, and infers the arrival times of the P waves and S waves. That is, when the noise component presence/absence inference section 2 infers that the acceleration waveform 5 is free of noise, the arrival time derivation section 4 receives the acceleration waveform 5 as an input waveform. Furthermore, if it is inferred that there is noise, the arrival time deriving unit 4 receives as an input waveform the noise component removed seismic waveform from which the noise component has been removed by the noise component removing unit 3. In this way, in either case, the arrival time deriving unit 4 receives an earthquake waveform without noise components as an input waveform.

図6は、第3学習モデルの、入力データの説明図である。入力データ生成部41は、次に説明する第3学習モデル70への入力データである、データセット9を生成する。本実施形態においては、データセット9は、加速度波形91、0.5ガルで飽和する加速度波形92、及び偏向解析結果93を備えている。
加速度波形91は、南北方向の加速度波形91a、東西方向の加速度波形91b、及び上下方向の加速度波形91cを備えている。入力データ生成部41は、南北方向、東西方向、及び上下方向の各々に対応して入力波形を受信し、これらの各々を、最大加速度値で除算して正規化して、各加速度波形91a、91b、91cを生成する(図6には、正規化する前の波形が記載されている)。
0.5ガルで飽和する加速度波形92は、南北方向の0.5ガルで飽和する加速度波形92a、東西方向の0.5ガルで飽和する加速度波形92b、及び上下方向の0.5ガルで飽和する加速度波形92cを備えている。各加速度波形91a、91b、91cは、上記の正規化において、絶対値の情報が失われている。各加速度波形92a、92b、92cは、これを補完し、相対的に小さな値となるP波が到達する時刻を推定するのに有効な入力となる。
偏向解析結果93は、P波の偏向解析結果93aとS波の偏向解析結果93bを備えている。偏向解析結果93は、受信した入力波形に対し、Ross and Ben-Zionによるフィルタ処理を施すことにより、これら偏向解析結果93a、93bを生成する。このフィルタ処理は、観測点で得られた水平2成分、上下1成分の観測地震動波形の偏向解析により、P波とS波の特徴を有する波形区間を判定するものであり、本指標が高いときに、P波あるいはS波が到達している可能性が高くなっていると判断可能である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of input data of the third learning model. The input data generation unit 41 generates a data set 9, which is input data to the third learning model 70, which will be described next. In this embodiment, the data set 9 includes an acceleration waveform 91, an acceleration waveform 92 that saturates at 0.5 gal, and a deflection analysis result 93.
The acceleration waveform 91 includes an acceleration waveform 91a in the north-south direction, an acceleration waveform 91b in the east-west direction, and an acceleration waveform 91c in the vertical direction. The input data generation unit 41 receives input waveforms corresponding to each of the north-south direction, east-west direction, and up-down direction, normalizes each by dividing each of these by the maximum acceleration value, and generates each acceleration waveform 91a, 91b. , 91c (FIG. 6 shows the waveform before normalization).
An acceleration waveform 92 that saturates at 0.5 gal is an acceleration waveform 92a that saturates at 0.5 gal in the north-south direction, an acceleration waveform 92b that saturates at 0.5 gal in the east-west direction, and an acceleration waveform 92b that saturates at 0.5 gal in the vertical direction. The acceleration waveform 92c has an acceleration waveform 92c. The absolute value information of each of the acceleration waveforms 91a, 91b, and 91c is lost during the normalization described above. Each of the acceleration waveforms 92a, 92b, and 92c complements this and serves as an effective input for estimating the time when the P wave, which has a relatively small value, arrives.
The deflection analysis result 93 includes a P wave deflection analysis result 93a and an S wave deflection analysis result 93b. The deflection analysis results 93 are generated by performing Ross and Ben-Zion filter processing on the received input waveform to generate these deflection analysis results 93a and 93b. This filtering process determines the waveform section having the characteristics of P wave and S wave by deflection analysis of the observed seismic motion waveform of two horizontal components and one vertical component obtained at the observation point, and when this index is high, It can be determined that there is a high possibility that a P wave or an S wave has arrived.

第3学習モデル70は、入力波形の中のP波到達時刻及びS波到達時刻に関する特徴を認識するように機械学習されている。本実施形態においては、第3学習モデル70は、第1学習モデル50の全結合部52として示されたような、畳み込み層を有さない、全結合部のみのニューラルネットワークとして実現されている。
第3学習モデル70には、入力として上記データセット9が、数値データの系列として与えられる。これに対応して、第3学習モデル70の入力層は、複数の入力ノードを備えている。第3学習モデル70に各データが入力されると、第1学習モデル50の全結合部52における説明と同様に、後段へと重み付け和の演算を繰り返すことで、出力層に、最終的な演算値が格納される。
The third learning model 70 is machine-learned to recognize features related to the P-wave arrival time and the S-wave arrival time in the input waveform. In this embodiment, the third learning model 70 is realized as a neural network having only fully connected parts without a convolution layer, as shown as the fully connected part 52 of the first learning model 50.
The third learning model 70 is given the above data set 9 as an input as a series of numerical data. Correspondingly, the input layer of the third learning model 70 includes a plurality of input nodes. When each data is input to the third learning model 70, by repeating the calculation of the weighted sum in the subsequent stage, the final calculation The value is stored.

第3学習モデル70は、入力されたデータセット9に対し、P波及びS波の到達時刻を推論するものである。これに対応し、第3学習モデル70の出力層は、P波到達時刻に関連する数値の系列に対応する、複数の出力ノードと、S派到達時刻に関連する数値の系列に対応する、複数の出力ノードにより構成されている。
より詳細には、例えば、60秒にわたる入力波形に対して、0.1秒の精度でP波の到達時刻を推論する場合には、P波の到達時刻に関しては、0.1×60=600個の、60秒を0.1秒刻みに分割した各時刻に対応する出力ノードが設けられる。S波の到達時刻に関しても同様に、例えば600個の出力ノードが設けられ、全体として、例えば計1200個の出力ノードが設けられる。
学習時には、第3学習モデル70に入力された、学習時の入力データとしてのデータセット9が、全結合部により処理されて、各出力ノードに処理結果が格納される。この処理結果は、教師データと比較される。本実施形態においては、教師データは、P波の到達時刻及びS波の到達時刻を示す、ベクトルである。図7に、第3学習モデル70の教師データである、教師ベクトル71を模式的に示す。教師ベクトル71は、P波教師ベクトル71aとS波教師ベクトル71bを備えている。P波教師ベクトル71aは、P波到達時刻に対応する出力ノードの各々に各要素が対応して設けられた、ワンホットベクトルである。すなわち、P波教師ベクトル71aは、例えば上記の例で示すところの600個の要素を有しており、入力波形においてP波が到達した時刻に対応する要素のみが1で、他の時刻に対応する要素が全て0で、表現されている。同様に、S波教師ベクトル71bは、S波到達時刻に対応する出力ノードの各々に各要素が対応して設けられた、ワンホットベクトルである。すなわち、S波教師ベクトル71bも同様に例えば600個の要素を有しており、入力波形においてS波が到達した時刻に対応する要素のみが1で、他の時刻に対応する要素が全て0で、表現されている。第3学習モデル70の処理結果は、出力ノードごとに、各出力ノードに対応する教師ベクトル71の要素と比較される。
第3学習モデル70は、これらの処理結果と教師データとの2乗誤差等により表されるコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法、確率的勾配降下法等により、全結合部の重み付け和に用いられる重みの値等を調整することで、機械学習されている。
結果として、第3学習モデル70は、入力波形のなかで、P波到達時刻とS波到達時刻であると推論した各時刻に対応する出力ノードの値が1に、他の出力ノードの値が0に、それぞれ近くなるように学習されている。このように、第3学習モデル70は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの学習モデルである。
The third learning model 70 infers the arrival times of P waves and S waves for the input data set 9. Correspondingly, the output layer of the third learning model 70 includes a plurality of output nodes corresponding to a series of numerical values related to the P-wave arrival time, and a plurality of output nodes corresponding to a series of numerical values related to the S-wave arrival time. It consists of output nodes.
More specifically, for example, when inferring the P wave arrival time with an accuracy of 0.1 seconds for an input waveform spanning 60 seconds, the P wave arrival time is 0.1 x 60 = 600. An output node corresponding to each time obtained by dividing 60 seconds into 0.1 second increments is provided. Similarly, regarding the arrival time of the S wave, for example, 600 output nodes are provided, and as a whole, for example, a total of 1200 output nodes are provided.
During learning, the data set 9 that is input to the third learning model 70 as input data during learning is processed by the full coupling unit, and the processing results are stored in each output node. This processing result is compared with teacher data. In this embodiment, the teacher data is a vector indicating the arrival time of the P wave and the arrival time of the S wave. FIG. 7 schematically shows a teacher vector 71, which is teacher data of the third learning model 70. The teacher vector 71 includes a P-wave teacher vector 71a and an S-wave teacher vector 71b. The P-wave teacher vector 71a is a one-hot vector in which each element is provided corresponding to each output node corresponding to the P-wave arrival time. That is, the P-wave teacher vector 71a has, for example, 600 elements as shown in the above example, and only the element corresponding to the time when the P-wave arrived in the input waveform is 1, and the element corresponding to other times is 1. All elements are expressed as 0. Similarly, the S-wave teacher vector 71b is a one-hot vector in which each element is provided corresponding to each output node corresponding to the S-wave arrival time. That is, the S-wave teacher vector 71b similarly has, for example, 600 elements, and only the element corresponding to the time when the S-wave arrives in the input waveform is 1, and all the elements corresponding to other times are 0. , is expressed. The processing results of the third learning model 70 are compared for each output node with the elements of the teacher vector 71 corresponding to each output node.
The third learning model 70 weights all connections using error backpropagation, stochastic gradient descent, etc. so as to reduce the cost function expressed by the squared error between these processing results and the training data. Machine learning is performed by adjusting the weight values used in the sum.
As a result, the third learning model 70 sets the value of the output node corresponding to each time inferred to be the P wave arrival time and the S wave arrival time in the input waveform to 1, and the values of other output nodes to 1. They are trained to be close to 0. In this way, the third learning model 70 is a trained learning model in which appropriate learning parameters have been learned, and is used as a program module that is part of artificial intelligence software.

到達時刻導出部4は、上記のように学習された第3学習モデル70に対し、入力データ生成部41により生成された、推論対象となるデータセット9を入力して、第3学習モデル70の各出力ノードに格納された処理結果を参照する。到達時刻導出部4は、P波到達時刻に対応する出力ノードの中で、最も値が大きく1に近い出力ノードに対応する時刻を、P波の到達時刻として推論する。また、到達時刻導出部4は、S波到達時刻に対応する出力ノードの中で、最も値が大きく1に近い出力ノードに対応する時刻を、S波の到達時刻として推論する。
到達時刻導出部4は、このように推論されたP波及びS波の到達時刻を、到達時刻6として出力する。
The arrival time derivation unit 4 inputs the dataset 9 to be inferred, generated by the input data generation unit 41, to the third learning model 70 trained as described above, and calculates the third learning model 70. Refer to the processing results stored in each output node. The arrival time deriving unit 4 infers, as the arrival time of the P wave, the time corresponding to the output node having the largest value and closest to 1 among the output nodes corresponding to the P wave arrival time. Furthermore, the arrival time deriving unit 4 infers the time corresponding to the output node having the largest value and closest to 1 among the output nodes corresponding to the S wave arrival time, as the arrival time of the S wave.
The arrival time deriving unit 4 outputs the arrival times of the P waves and S waves inferred in this way as the arrival times 6.

次に、図1~図7、及び図8を用いて、上記の地震波形処理システム1を用いた地震波形処理方法を説明する。図8は、地震波形処理方法のフローチャートである。
処理が開始されると(ステップS1)、速度波形生成部21は、地震計で観測された加速度波形5を取得し、これを微分して、速度波形を生成する。
入力画像生成部22は、加速度波形5と、速度波形生成部21により生成された速度波形を基に、第1学習モデル50への入力データとなる第1入力画像7を生成する(ステップS3)。
ノイズ成分有無推論部2は、第1学習モデル50に、地震観測データの第1入力画像7を入力して、ノイズ成分の有無を推論する(ステップS5)。
Next, a seismic waveform processing method using the seismic waveform processing system 1 described above will be explained using FIGS. 1 to 7 and 8. FIG. 8 is a flowchart of the seismic waveform processing method.
When the process is started (step S1), the velocity waveform generation unit 21 acquires the acceleration waveform 5 observed by the seismograph, differentiates it, and generates a velocity waveform.
The input image generation unit 22 generates the first input image 7, which becomes input data to the first learning model 50, based on the acceleration waveform 5 and the velocity waveform generated by the velocity waveform generation unit 21 (step S3). .
The noise component presence/absence inference unit 2 inputs the first input image 7 of the earthquake observation data to the first learning model 50 and infers the presence or absence of a noise component (step S5).

次に、地震波形処理システム1は、ノイズ成分の推論結果を基に、加速度波形5にノイズ成分が有るか無いかを判定する(ステップS7)。
ノイズ成分が有ると判定された場合には(ステップS7のYes)、スペクトル生成部31が、加速度波形5をフーリエ変換し、第2入力画像8を生成する。ノイズ成分除去部3は、第2学習モデル60に、第2入力画像8を入力して、第2入力画像8中のノイズ成分を推論し、出力画像64を生成する。周波数境界値抽出部32は、出力画像64を受信し、出力画像64内で第1画素値を有する周波数帯を抽出し、ノイズ成分の周波数境界値を算出する(ステップS9)。フィルタ処理部33は、周波数境界値を基に、加速度波形5をフィルタ処理して、ノイズ成分除去地震波形を生成する(ステップS11)。その後、処理は、次に説明するステップS13へと遷移する。
ノイズ成分が無いと判定された場合にも(ステップS7のNo)、ステップS13へと遷移する。
Next, the seismic waveform processing system 1 determines whether or not there is a noise component in the acceleration waveform 5 based on the noise component inference result (step S7).
If it is determined that there is a noise component (Yes in step S7), the spectrum generation unit 31 performs Fourier transform on the acceleration waveform 5 to generate the second input image 8. The noise component removal unit 3 inputs the second input image 8 to the second learning model 60, infers the noise component in the second input image 8, and generates an output image 64. The frequency boundary value extraction unit 32 receives the output image 64, extracts a frequency band having the first pixel value within the output image 64, and calculates the frequency boundary value of the noise component (step S9). The filter processing unit 33 performs filter processing on the acceleration waveform 5 based on the frequency boundary value to generate a noise component removed seismic waveform (step S11). After that, the process transitions to step S13, which will be described next.
Even when it is determined that there is no noise component (No in step S7), the process moves to step S13.

ステップS13においては、到達時刻導出部4は、ステップS7においてノイズ成分が無いと判別された場合には、地震観測データの地震波形(加速度波形5)を、またはステップS7においてノイズ成分が有ると判別された場合には、ステップS11で生成されたノイズ成分除去地震波形を受信し、これを基に、P波及びS波の到達時刻を推論する。
より詳細には、入力データ生成部41は、第3学習モデル70への入力データであるデータセット9を生成する。到達時刻導出部4は、これを第3学習モデル70に入力して、P波及びS波の到達時刻を推論し、到達時刻6として出力する。その後、処理は終了する(ステップS15)。
In step S13, the arrival time deriving unit 4 determines that the seismic waveform (acceleration waveform 5) of the earthquake observation data is present if it is determined that there is no noise component in step S7, or that there is a noise component in step S7. If so, the noise component removed seismic waveform generated in step S11 is received, and based on this, the arrival times of the P waves and S waves are inferred.
More specifically, the input data generation unit 41 generates the data set 9 that is input data to the third learning model 70. The arrival time deriving unit 4 inputs this to the third learning model 70, infers the arrival time of the P wave and the S wave, and outputs it as the arrival time 6. After that, the process ends (step S15).

次に、上記の地震波形処理方法及び地震波形処理システムの効果について説明する。
本実施形態における地震波形処理方法は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理方法であって、地震の加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を含む入力データに対し、当該画像7中のノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデル50に、地震観測データの加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を入力して、ノイズ成分の有無を推論する工程(ステップS5)と、ノイズ成分が有ると推論された場合に、地震の加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を含む入力データに対し、当該画像8中のノイズ成分を含む部分が識別された画像(教師画像)65を教師データとして、深層学習させた第2学習モデル60に、地震観測データの加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を入力して、当該画像8中のノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成する工程(ステップS9、S11)と、を含む。
また、本実施形態における地震波形処理システム1は、地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理システム1であって、地震の加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を含む入力データに対し、当該画像7中のノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデル50と、第1学習モデル50に、地震観測データの加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を入力して、ノイズ成分の有無を推論するノイズ成分有無推論部2と、地震の加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を含む入力データに対し、当該画像8中のノイズ成分を含む部分が識別された画像(教師画像)65を教師データとして、深層学習させた第2学習モデル60と、ノイズ成分が有ると推論された場合に、第2学習モデル60に、地震観測データの加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を入力して、当該画像8中のノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成するノイズ成分除去部3と、を備える。
上記のような構成によれば、第1学習モデル50は、地震の加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を含む入力データに対し、当該画像7中のノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習されている。このため、第1学習モデル50には、地震の加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7と、及び当該画像7中のノイズ成分の有無に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第1学習モデル50は、地震観測データの加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7が入力されると、当該画像7内にノイズ成分が有るか無いかを、適切に推論できる。
また、第2学習モデル60は、地震の加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を含む入力データに対し、当該画像8中のノイズ成分を含む部分が識別された画像(教師画像)65を教師データとして、深層学習されている。このため、第2学習モデル60には、地震の加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8と、及び当該画像8中のノイズ成分を含む部分に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第2学習モデル60は、地震観測データの加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8が入力されると、当該画像8中のどの部分にノイズ成分を含むのか、すなわち、加速度フーリエスペクトルのノイズ成分が含まれる周波数帯を、適切に推論することができる。
このように、第1及び第2学習モデル50、60により、ノイズ成分が含まれる周波数帯が推論されるので、この周波数帯の境界を周波数境界値として算出し、これを用いたフィルタ処理を行うことで、ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成できる。よって、機械学習デモル(第1及び第2学習モデル50、60)では、例えば特定の周波数帯を対象として、閾値を設定してノイズ成分を除去しているものではなく、閾値は不要であり、高い精度でノイズ成分を除去することが可能である。
Next, the effects of the seismic waveform processing method and seismic waveform processing system described above will be explained.
The seismic waveform processing method in this embodiment is an seismic waveform processing method for extracting seismic waveforms by removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph. The first learning model 50, which has undergone deep learning, uses the information on the presence or absence of noise components in the image 7 as training data for the input data including the input image) 7. A step of inputting the first input image) 7 and inferring the presence or absence of a noise component (step S5), and when it is inferred that there is a noise component, an image of the earthquake acceleration Fourier spectrum (second input image) 8 The second learning model 60 performs deep learning using an image (teacher image) 65 in which a portion of the image 8 containing a noise component has been identified as the teacher data. The image (second input image) 8 is input, the noise component in the image 8 is inferred, the frequency boundary value of the noise component is calculated, and the noise component is filtered by filtering using the frequency boundary value. The method includes a step of generating a seismic waveform from which noise components have been removed (steps S9 and S11).
Furthermore, the seismic waveform processing system 1 in this embodiment is an seismic waveform processing system 1 that removes noise components from seismic observation data observed by a seismograph to extract seismic waveforms. A first learning model 50 is deep trained on input data including an image (first input image) 7, using information on the presence or absence of noise components in the image 7 as training data, and the first learning model 50 is A noise component presence/absence inference unit 2 receives an image of the acceleration waveform and velocity waveform of observation data (first input image) 7 and infers the presence or absence of a noise component, and an image of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake (second input image). 8, the second learning model 60 performs deep learning using an image (teacher image) 65 in which a portion of the image 8 containing a noise component has been identified as training data, and infers that there is a noise component. In this case, input the image (second input image) 8 of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake observation data to the second learning model 60, infer the noise component in the image 8, and determine the frequency boundary of the noise component. and a noise component removal unit 3 that calculates the value and generates a noise component-free seismic waveform in which the noise component is removed by filtering using the frequency boundary value.
According to the above configuration, the first learning model 50 acquires information on the presence or absence of noise components in the image 7 for input data including an image (first input image) 7 of an acceleration waveform and velocity waveform of an earthquake. is used as training data for deep learning. For this reason, the first learning model 50 has learned an image (first input image) 7 of the acceleration waveform and velocity waveform of the earthquake, and information regarding the presence or absence of noise components in the image 7 as feature quantities. . Therefore, when an image (first input image) 7 of acceleration waveforms and velocity waveforms of earthquake observation data is input, the first learning model 50 appropriately infers whether or not there is a noise component in the image 7. can.
The second learning model 60 also uses an image (teacher image) 65 in which a portion of the image 8 containing noise components has been identified for input data including an image (second input image) 8 of an acceleration Fourier spectrum of an earthquake. is used as training data for deep learning. For this reason, the second learning model 60 has learned the image (second input image) 8 of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake and information regarding the portion containing the noise component in the image 8 as feature quantities. Therefore, when an image (second input image) 8 of the acceleration Fourier spectrum of earthquake observation data is input, the second learning model 60 determines which part of the image 8 contains the noise component, that is, the acceleration Fourier spectrum. It is possible to appropriately infer the frequency band in which the noise component of .
In this way, the first and second learning models 50 and 60 infer the frequency band in which the noise component is included, so the boundary of this frequency band is calculated as a frequency boundary value, and filter processing is performed using this. By doing so, it is possible to generate a noise component-free seismic waveform with noise components removed. Therefore, in the machine learning demo model (first and second learning models 50, 60), for example, a threshold value is not set to remove noise components for a specific frequency band, and a threshold value is not necessary. It is possible to remove noise components with high accuracy.

特に、本実施形態においては、第1学習モデル50の入力として、地震の加速度波形と速度波形の双方が用いられている。短周期のノイズ成分は加速度波形に、及び長周期のノイズ成分は速度波形に、それぞれ現れやすいため、これら双方を入力として用いることで、ノイズ成分の周期帯に依らずに、ノイズ成分を効率的に検出することができる。 In particular, in this embodiment, both the acceleration waveform and velocity waveform of an earthquake are used as input to the first learning model 50. Short-period noise components tend to appear in acceleration waveforms, and long-period noise components tend to appear in velocity waveforms, so by using both as input, noise components can be efficiently removed regardless of the periodic band of the noise components. can be detected.

また、上記の地震波形処理方法は、ノイズ成分の無い地震波形(ノイズ成分が無いと判別された場合の加速度波形5、またはノイズ成分除去地震波形)と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形(偏向解析結果)93を含む入力データに対し、P波及びS波の到達時刻を教師データとして、深層学習させた第3学習モデル70に、ノイズ成分が無いと判別された地震観測データの地震波形か、またはノイズ成分除去地震波形のいずれかを入力して、P波及びS波の到達時刻6を推論する工程とを含む。
上記のような構成によれば、第3学習モデル70は、ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形を含む入力データに対し、P波及びS波の到達時刻を教師データとして、深層学習されている。このため、第3学習モデル70には、ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形、及びP波及びS波の到達時刻に関する情報が、特徴量として学習されている。したがって、第3学習モデル70は、ノイズ成分が無いと判別された地震観測データの地震波形か、またはノイズ成分除去地震波形のいずれかが入力されると、P波及びS波の到達時刻6を、適切に推論することができる。
In addition, the above seismic waveform processing method uses a seismic waveform with no noise component (acceleration waveform 5 when it is determined that there is no noise component, or a seismic waveform with noise component removed) and a filter applied to the seismic waveform. The input data including the waveform (deflection analysis result) 93 from which each section of the wave and the S wave has been extracted is subjected to deep learning using the arrival times of the P wave and the S wave as training data. The method includes a step of inputting either a seismic waveform of seismic observation data determined to have no component or a seismic waveform from which noise components have been removed, and inferring the arrival times 6 of P waves and S waves.
According to the above configuration, the third learning model 70 receives input data including a seismic waveform without noise components and a waveform in which sections of P waves and S waves are extracted by applying a filter to the seismic waveform. In contrast, deep learning is performed using the arrival times of P waves and S waves as training data. Therefore, the third learning model 70 includes an earthquake waveform without noise components, a waveform in which each section of P waves and S waves is extracted by applying a filter to the earthquake waveform, and arrival of P waves and S waves. Information regarding time is learned as a feature quantity. Therefore, when either the seismic waveform of seismic observation data determined to have no noise component or the seismic waveform from which the noise component has been removed is input, the third learning model 70 calculates the arrival times 6 of P waves and S waves. , can be properly reasoned.

図9は、上記のように構築された第3学習モデル70の評価結果を表すグラフであり、地震記録に対してS波の到達時刻を目視によって識別した際の結果と、第3学習モデル70によって推論された結果との、残差のヒストグラムである。0秒近傍に結果が集中しており、残差が0に近く、すなわち第3学習モデル70の精度が高いことがわかる。 FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the third learning model 70 constructed as described above. This is a histogram of the residual with the result inferred by . It can be seen that the results are concentrated near 0 seconds and the residual is close to 0, that is, the accuracy of the third learning model 70 is high.

なお、本発明の地震波形処理方法及び地震波形処理システムは、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態において、第1学習モデル50は、地震の加速度波形及び速度波形の画像(第1入力画像)7を入力データとしていたが、これに加えて、他のデータを入力して与えてもよい。
また、上記実施形態において、第2学習モデル60は、地震の加速度フーリエスペクトルの画像(第2入力画像)8を入力データとしていたが、これに加えて、他のデータを入力して与えてもよい。
更に、上記実施形態において、第3学習モデル70は、データセット9を入力データとしていたが、このデータセット9には、加速度波形91、0.5ガルで飽和する加速度波形92、偏向解析結果93以外の、他のデータが含まれていてもよい。
その他、第1、第2、及び第3学習モデル50、60、70を実現するに際し、上記実施形態において説明したような構成とする必要はなく、例えばCNN以外の他の機械学習器を使用してもよいことは、言うまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記各実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
The seismic waveform processing method and seismic waveform processing system of the present invention are not limited to the above-described embodiments described with reference to the drawings, and various other modifications can be considered within the technical scope thereof. .
For example, in the above embodiment, the first learning model 50 uses the image (first input image) 7 of the acceleration waveform and velocity waveform of an earthquake as input data, but in addition to this, other data is input and given. It's okay.
Further, in the above embodiment, the second learning model 60 uses the image (second input image) 8 of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake as input data, but in addition to this, other data may also be input. good.
Furthermore, in the above embodiment, the third learning model 70 uses the data set 9 as input data, but this data set 9 includes an acceleration waveform 91, an acceleration waveform 92 that saturates at 0.5 gal, and a deflection analysis result 93. Other data may also be included.
In addition, when realizing the first, second, and third learning models 50, 60, and 70, it is not necessary to use the configuration described in the above embodiment, and for example, a machine learning device other than CNN may be used. Needless to say, it's okay.
In addition to this, it is possible to select the configurations mentioned in each of the above embodiments or to change them to other configurations as appropriate without departing from the gist of the present invention.

1 地震波形処理システム 5 加速度波形
2 ノイズ成分有無推論部 6 到達時刻
21 速度波形生成部 7 第1入力画像(加速度波形及び速度波形の画像)
22 入力画像生成部 8 第2入力画像(加速度フーリエスペクトルの画像)
3 ノイズ成分除去部 50 第1学習モデル
31 スペクトル生成部 60 第2学習モデル
32 周波数境界値抽出部 65 教師画像(ノイズ成分を含む部分が識別された画像)
33 フィルタ処理部 70 第3学習モデル
4 到達時刻導出部 91 ノイズ成分の無い地震波形(加速度波形)
41 入力データ生成部 93 偏向解析結果(区間が抽出された波形)
42 到達時刻抽出部
1 Seismic waveform processing system 5 Acceleration waveform 2 Noise component presence inference section 6 Arrival time 21 Velocity waveform generation section 7 First input image (image of acceleration waveform and velocity waveform)
22 Input image generation unit 8 Second input image (image of acceleration Fourier spectrum)
3 Noise component removal unit 50 First learning model 31 Spectrum generation unit 60 Second learning model 32 Frequency boundary value extraction unit 65 Teacher image (image in which a portion containing noise components has been identified)
33 Filter processing section 70 Third learning model 4 Arrival time derivation section 91 Earthquake waveform (acceleration waveform) without noise components
41 Input data generation unit 93 Deflection analysis result (waveform from which sections are extracted)
42 Arrival time extraction part

Claims (3)

地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理方法であって、
地震の加速度波形及び速度波形の画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度波形及び前記速度波形の画像を入力して、前記ノイズ成分の有無を推論する工程と、
前記ノイズ成分が有ると推論された場合に、地震の加速度フーリエスペクトルの画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分を含む部分が識別された画像を教師データとして、深層学習させた第2学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度フーリエスペクトルの画像を入力して、当該画像中の前記ノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、前記ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成する工程と、を含むことを特徴とする地震波形処理方法。
A seismic waveform processing method for extracting seismic waveforms by removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph, the method comprising:
The acceleration waveform of the earthquake observation data is applied to input data including images of the acceleration waveform and velocity waveform of an earthquake. and inputting an image of the speed waveform to infer the presence or absence of the noise component;
When it is inferred that the noise component exists, deep learning is performed on the input data including the image of the acceleration Fourier spectrum of the earthquake, using the image in which the part of the image containing the noise component has been identified as training data. The image of the acceleration Fourier spectrum of the seismic observation data is input to the second learning model, the noise component in the image is inferred, the frequency boundary value of the noise component is calculated, and the frequency boundary value is used. 1. A seismic waveform processing method, comprising the step of: generating a noise component-free seismic waveform in which the noise component is removed by filtering.
前記ノイズ成分の無い地震波形と、当該地震波形にフィルタを適用してP波及びS波の各区間が抽出された波形を含む入力データに対し、P波及びS波の到達時刻を教師データとして、深層学習させた第3学習モデルに、前記ノイズ成分が無いと判別された前記地震観測データの地震波形か、または前記ノイズ成分除去地震波形のいずれかを入力して、P波及びS波の到達時刻を推論する工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の地震波形処理方法。 The arrival times of P waves and S waves are used as training data for input data including the seismic waveform without noise components and a waveform in which each section of P waves and S waves is extracted by applying a filter to the seismic waveform. , either the seismic waveform of the seismic observation data determined to have no noise component or the seismic waveform from which the noise component has been removed is input into the deep learning third learning model, and the P-wave and S-wave The seismic waveform processing method according to claim 1, further comprising the step of inferring an arrival time. 地震計で観測された地震観測データからノイズ成分を除去して地震波形を取り出す地震波形処理システムであって、
地震の加速度波形及び速度波形の画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分の有無の情報を教師データとして、深層学習させた第1学習モデルと、
前記第1学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度波形及び前記速度波形の画像を入力して、前記ノイズ成分の有無を推論するノイズ成分有無推論部と、
地震の加速度フーリエスペクトルの画像を含む入力データに対し、当該画像中の前記ノイズ成分を含む部分が識別された画像を教師データとして、深層学習させた第2学習モデルと、
前記ノイズ成分が有ると推論された場合に、前記第2学習モデルに、前記地震観測データの前記加速度フーリエスペクトルの画像を入力して、当該画像中の前記ノイズ成分を推論して当該ノイズ成分の周波数境界値を算出し、当該周波数境界値を用いたフィルタ処理により、前記ノイズ成分を除去したノイズ成分除去地震波形を生成するノイズ成分除去部と、を備えることを特徴とする地震波形処理システム。
A seismic waveform processing system that extracts seismic waveforms by removing noise components from seismic observation data observed by a seismograph,
a first learning model that performs deep learning on input data including images of acceleration waveforms and velocity waveforms of an earthquake, using information on the presence or absence of the noise component in the image as training data;
a noise component presence/absence inference unit that inputs images of the acceleration waveform and the velocity waveform of the earthquake observation data into the first learning model and infers the presence or absence of the noise component;
a second learning model that performs deep learning on input data including an image of an acceleration Fourier spectrum of an earthquake, using an image in which the portion containing the noise component in the image has been identified as training data;
When it is inferred that the noise component exists, input the image of the acceleration Fourier spectrum of the seismic observation data to the second learning model, infer the noise component in the image, and calculate the noise component. A seismic waveform processing system comprising: a noise component removal unit that calculates a frequency boundary value and generates a noise component-free seismic waveform in which the noise component is removed through filter processing using the frequency boundary value.
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