專利名稱：一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種地震動強度快速評定方法，特別是一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，用于地震應急救援與防災減災。
背景技術：
地震災情發(fā)生后，地震規(guī)模、程度、空間分布、次生災害，以及災情發(fā)展趨勢等災情信息的快速獲取是整個地震應急響應的核心，同時也是救援決策的關鍵。地震動強度信息是地震災情信息的重要組成部份，用以表征地面運動的規(guī)模，以及估計不同地區(qū)的受災程度。地震動強度的快速評定在地震災情信息獲取、應急響應、緊急處置、救援決策、指揮營救等行動中，發(fā)揮著重要的作用。因此地震動強度的快速評定方法已經(jīng)成為相關領域的研究熱點，Wald D. J.等提出了利用地面峰值加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)和地面峰值速度(Peak Ground Velocity, PGV)兩個參數(shù)，通過回歸分析生成ShakeMap儀器烈度的方法(見:ffald D. J. , Quitoriano V. Heaton Τ. H. , et al, "TriNet shakemaps Rapid generation of peakground motion and intensity maps for earthquakes in southern California", Earthquake Spectra, 1999,15(3) :537-555.)。其優(yōu)點是計算簡便，實時性強，但其精度仍然有待提高。袁一凡提出了綜合運用PGA、傅氏振幅譜的峰值頻率和相對持時，以及四個頻率點(8Ηζ、5Ηζ、2Ηζ和IHz)對應的反應譜值，進行地震動強度兩級評定的方法(見袁一凡，“由地震動三要素確定地震動強度(烈度)的研究”，哈爾濱中國地震局工程力學研究所，1998 :1-51.)。其優(yōu)點是與工程結(jié)構(gòu)的特征相結(jié)合，評定精度得到了提高，但其算法復雜，實時性不強。王玉石等基于假設檢驗的方法，對歷史震害資料進行統(tǒng)計， 提出了一種利用地震動參數(shù)判別地震動強度的方法(見王玉石，周正華，王偉，“基于假設檢驗的地震動強度(烈度)速報方法”，地震工程與工程振動，2008，觀(5) :49- .)。其優(yōu)點是從震害資料出發(fā)，設計地震動強度評定方法，但其對震害資料的數(shù)據(jù)量和典型性具有較強的依賴性，可靠性有待商榷。綜上所述，由于每次地震的震源機制、場地特征、環(huán)境因素和生命線工程系統(tǒng)屬性等存在較大差異，以及典型的破壞資料以及儀器觀測的歷史資料缺乏，可獲得的數(shù)據(jù)量少，尋找統(tǒng)計規(guī)律困難，地震動強度評定具有貧信息特征。在貧信息條件下，現(xiàn)有的方法或技術通過個別地震動參數(shù)進行的地震動強度評定都存在著一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，該方法可以實現(xiàn)地震動強度的快速評定。本發(fā)明的技術解決方案一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法， 實現(xiàn)步驟如下(1)任取同一地震動強度下SI譜烈度η個數(shù)據(jù)將其進行升序排列；(2)求解SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值；
(3)估計某地震強度下的SI譜烈度真值；(4)求解SI譜烈度的擬合函數(shù)；(5)根據(jù)水平截集λ得到SI譜烈度的隸屬區(qū)間；(6)根據(jù)隸屬區(qū)間，判定SI譜烈度值對應的烈度；(7)對不同的地震動強度采取步驟(1) (6)進行判定。所述的步驟( 求解隸屬函數(shù)離散值方法為利用線性排序估計法得到隸屬函數(shù)的離散值。線性估計排序法將步驟(1)形成的新序列逐項相減，差值形成新的序列，利用新形成的差值序列，可構(gòu)造線性隸屬函數(shù)。線性隸屬函數(shù)的值即為步驟(2)所需求解的隸屬函數(shù)離散值。所述的步驟( 估計某地震強度下的SI譜烈度真值方法為在步驟( 求解得到的隸屬函數(shù)的基礎上，根據(jù)隸屬最大原則估計SI譜烈度真值，即為取隸屬函數(shù)值為1時的自變量值為SI譜烈度真值。所述的步驟(4)求解SI譜烈度的擬合函數(shù)方法如下采取三階多項式的擬合方式得到SI譜烈度的擬合函數(shù)。所述的三階多項式擬合是采樣數(shù)據(jù)與權(quán)利要求1中步驟(2) 所需求解的隸屬函數(shù)離散值之間殘差無窮范數(shù)最小方法確定多項式系數(shù)。所述的步驟( 根據(jù)水平截集λ得到SI譜烈度的隸屬區(qū)間方法如下根據(jù)模糊集合理論意義上的最優(yōu)水平確定相應的水平截集λ，從而得到隸屬區(qū)間。所述的步驟(6)通過隸屬區(qū)間原則確定SI譜烈度值對應的地震動強度，非統(tǒng)計假設檢驗的隸屬區(qū)間，公式統(tǒng)一、確定和概率分布無關。所述的步驟(7)應用步驟(1) (6)方法進行烈度判定，其中會出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)同時隸屬于兩個烈度隸屬區(qū)間的情況，此時采取殘差最小化方法進行地震動強度評定。所采取的殘差最小化方法為達到所需判定數(shù)據(jù)與步驟C3)所得SI譜烈度真值之差絕對值最小。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明所提出的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其算法簡單、實時性強，適合地震動強度的在線評定?；诜墙y(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法是以模糊集合理論為基礎，以隸屬函數(shù)為基本特征，從少量數(shù)據(jù)出發(fā)，用線性估計法自動識別總體分布的真值及其分布區(qū)間。(2)本發(fā)明所提出的地震動強度快速評定方法中，非統(tǒng)計假設檢驗允許已有震害資料的地震臺站數(shù)據(jù)較少，同時允許總體的概率分布是非典型的或是概率分布未知的；不同的概率分布，統(tǒng)計假設檢驗需要不用的統(tǒng)計量和否定域，因而難以進行檢驗。非統(tǒng)計假設檢驗不存在這個問題，隸屬范圍的確定公式統(tǒng)一、確定和概率分布無關，因而對任何概率分布總體的參數(shù)都可以進行檢驗，更具有一般性，同時允許采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)很少，步驟(2)線性排序估計法數(shù)據(jù)大于兩個即可。


圖1為本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖；圖2為地震動參數(shù)χ的隸屬函數(shù)；圖3為地震動強度判定誤差結(jié)果統(tǒng)計。
具體實施例方式一、如圖1所示，本發(fā)明所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法的具體實現(xiàn)步驟為1、任取同一地震動強度D下SI譜烈度η個數(shù)據(jù)將其進行升序排列從已有地震動資料出發(fā)，設相同地震動強度D下SI譜烈度的地震臺站采樣數(shù)據(jù)序列為χ = {x (D，X (2)，. . .，X (k)，. . .，χ (η)}。其中，X (k)為第k個地震臺站獲得的地震動參數(shù)，η為地震臺站個數(shù)。2、求解SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值利用線性排序估計法求解SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值將離散數(shù)x(k)看作模糊數(shù)， 連續(xù)的X即為模糊變量。如圖2所示，χ的隸屬函數(shù)定義為f (X) = Y1 (X)' X"X°(1)
l/2 0)，χ > Λ式中，f (χ) e
為隸屬函數(shù)；f\(x)為左增函數(shù)；f2(x)為右減函數(shù)成為地震動參數(shù)總體分布的真值。線性排序估計法將X序列按從小到大排序，形成新序列Y= {y(l), y(2),...， y(n)}。定義Ai = y(i+l)-y(i) ^ 0(2)式中，Ai*新序列Y中鄰近元素差值序列，其中i = 1,2,…，n-1。差值越小，數(shù)據(jù)分布越密集；否則越稀疏。因此，用線性隸屬函數(shù)描述總體的概率密度函數(shù)。設線性隸屬函數(shù)
m. =1-(Δ. -Δ . )/Δ
ι\ ιmm / max
=maxA,(3)
Δ腿=minA,式中，mk為第k個分布因子，Δ_為差值序列Ai中最大值，Amin為差值序列Ai 中最小值，i = 1,2,…，n-1。則滿足區(qū)間
的離散隸屬數(shù)值為^-(Y(J)) =Iiij(4)式中，j= l，2，...，v，和f2J(y(j)) =Iiij(5)式中，j = ν, ν+l,…，η-l，其中f^與f2j分別為左增和右減隸屬函數(shù)離散值。3、根據(jù)隸屬最大原則估計某地震強度下的SI譜烈度真值\ 取最大mmax對應的 Y⑴為真值\的估計值xv，對應的序號i為V，若有多個重復的m_，則Xv和V由平均值確定。4、利用無窮范數(shù)最小方法得到SI譜烈度的擬合函數(shù)和f2，用下面兩個多項式I1=I1 {x) = l + fjal{X0- χ)'(6)
/=1f2 =/2(x) = l + X b, (X0 - χ)'(7)
/=1分別逼近離散值fυ (y (j))和f2J (y (j))。設:
riJ = f1(y(j))-f1J(y(j))(8)式中，j= l，2，…，V，和r2J = f2 (y (j)) -f2J (y (j))(9)式中，j = ν, v+1,…，n-1。其中巧」與r2j分別為SI譜烈度擬合函數(shù)f丨與f2逼近值與左增和右減隸屬函數(shù)離散值&與f2j之間的殘差值。定義①范數(shù)
n-\(ζ L =max|^|; i = 1,2(10)選擇巧=<和6 =^分別滿足
權(quán)利要求
1.一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)任取同一地震動強度下SI譜烈度η個數(shù)據(jù)將其進行升序排列；(2)求解SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值；(3)在步驟(2)求解得到的隸屬函數(shù)的基礎上，根據(jù)隸屬最大原則估計SI譜烈度真值；(4)根據(jù)步驟C3)得到的SI譜烈度真值，采取三階多項式擬合的方式得到SI譜烈度的擬合函數(shù)；(5)根據(jù)模糊集合理論意義上的最優(yōu)水平確定相應的水平截集λ，從而得到SI譜烈度的隸屬區(qū)間；(6)根據(jù)隸屬區(qū)間，判定SI譜烈度值對應的烈度；(7)對不同的地震動強度采取步驟(1) (6)進行判定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于所述的步驟(2)利用線性排序估計法得到SI譜烈度隸屬函數(shù)的離散值，所述線性估計排序法將步驟(1)形成的新序列逐項相減，差值形成新的序列，利用新形成的差值序列，可構(gòu)造線性隸屬函數(shù)，線性隸屬函數(shù)的值即為所需求解的SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于所述步驟⑶中在步驟⑵求解得到的隸屬函數(shù)的基礎上，取隸屬函數(shù)值為1時的自變量值為SI譜烈度真值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于所述的步驟(4)三階多項式擬合是采樣數(shù)據(jù)與權(quán)利要求1中步驟( 所需求解的隸屬函數(shù)離散值之間殘差無窮范數(shù)最小方法確定多項式系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于所述的步驟(7)應用步驟(1) (6)方法進行烈度判定，其中會出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)同時隸屬于兩個烈度隸屬區(qū)間的情況，此時采取殘差最小化方法進行地震動強度評定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，其特征在于權(quán)利要求1中步驟(7)所采取的殘差最小化方法為所需判定數(shù)據(jù)與步驟C3)所得SI譜烈度真值之差絕對值最小為判定原則。
全文摘要
一種基于非統(tǒng)計假設檢驗的地震動強度快速評定方法，包括步驟(1)任取同一地震動強度下SI譜烈度n個數(shù)據(jù)將其進行升序排列；(2)求解SI譜烈度隸屬函數(shù)離散值；(3)估計某地震強度下的SI譜烈度真值；(4)求解SI譜烈度的擬合函數(shù)；(5)根據(jù)水平截集λ得到SI譜烈度的隸屬區(qū)間；(6)根據(jù)隸屬區(qū)間，判定同一地震動強度下SI譜烈度值對應的烈度；(7)對不同的地震動強度采取步驟(1)～(6)進行判定。本發(fā)明針對地震動強度的評定中貧信息的特點，引入非統(tǒng)計假設檢驗原理，解決了地震動記錄數(shù)據(jù)量少，尋找統(tǒng)計規(guī)律困難的貧信息條件下地震動強度評定問題。
文檔編號G01V1/30GK102156298SQ201110060090
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者付繼華, 劉冠中, 劉曉皙, 吳榮輝, 李智濤, 王建軍, 譚巧 申請人:中國地震局地殼應力研究所