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研究背景：

破壞性地震可能造成嚴重的工程破壞和人員傷亡。地震烈度代表了對地面和工程結構的破壞程度?？煽?、快速地獲取地震烈度可以為應急響應和災害恢復提供科學(xué)依據。在地震預警領(lǐng)域，地震烈度已被使用多年?，F地地震預警系統根據P波到來(lái)后獲得的信息預測地動(dòng)峰值，在破壞性橫波（S波）到來(lái)之前提供預警；這使得人們、重要設施和其他物體能夠采取有效措施，防止或減少潛在的損害。針對不同需求的用戶(hù)，地震預警系統根據預測的地震烈度等級不斷發(fā)布不同的預警信息，以減少地震和次生災害造成的損失和人員傷亡。因此，有必要對地震烈度進(jìn)行準確可靠的實(shí)時(shí)預測。

研究方法及結果：

提出了一個(gè)準確、可靠、高效的地震烈度實(shí)時(shí)預測框架，以解決傳統方法（如Pd）擬合能力不足、機器學(xué)習模型中存在不相關(guān)和冗余參數、以及機器學(xué)習模型因其黑箱狀態(tài)而可信度低等問(wèn)題。預測模型的建立是基于K-NET數據庫和集合學(xué)習。然后，研究了特征參數之間的關(guān)聯(lián)性，并對復雜的模型進(jìn)行了優(yōu)化。此外，本研究通過(guò)使用PDP、ICE和SHAP解釋方法解釋機器學(xué)習模型。得到了以下結論。

1）提出的實(shí)時(shí)地震烈度預測框架可以連續可靠地預測地震烈度。該框架通過(guò)構建數據庫、建立和優(yōu)化模型、驗證和解釋模型、使用最佳模型進(jìn)行預測等四個(gè)步驟，確保了連續地震烈度預測的準確性和可靠性。

2）提出的基于集合學(xué)習的模型比Pd模型更準確，而且同樣有效。在時(shí)間窗口為1秒的情況下，測試集的準確率可以達到95.947%，在時(shí)間窗口為2秒后，其準確率穩定在98%以上。相比之下，在3秒的時(shí)間窗口下，xgBoost模型在所有評價(jià)指標上都優(yōu)于Pd模型。此外，每個(gè)樣本的預測可以在10-2秒內完成，滿(mǎn)足地震預警的實(shí)時(shí)性要求。

3）消除了冗余和不相關(guān)參數的模型實(shí)現了復雜性的降低和模型效率的提高。采用皮爾遜相關(guān)系數定義特征參數之間的相關(guān)性，并將24個(gè)特征參數根據其相關(guān)程度優(yōu)化為14個(gè)特征參數。這就減少了計算量，優(yōu)化了模型，同時(shí)保證了模型的準確性。

4）對具有最優(yōu)效果的xgBoost模型進(jìn)行了解釋?zhuān)岣吡撕谙淠Ｐ偷目尚哦?，并確定了對模型有重大影響的參數，為特征參數的選擇提供了參考。用PDP、ICE和SHAP方法對模型進(jìn)行解釋?zhuān)_定參數的重要程度，同時(shí)確定參數變化對預測結果的影響。PvUD對模型影響最大, PvUD和IV23主要是與IaUD正向影響；PvUD和IV23之間的正向影響不顯著(zhù)。

該成果發(fā)表在國際期刊《Seismological Research Letters》（Jinjun Hu*, Yitian Ding, Hui Zhang, et al. A Real‐Time Seismic Intensity Prediction Framework Based on Interpretable Ensemble Learning, Seismological Research Letters, doi: 10.1785/0220220167）（IF：3.754，*通訊作者）。

圖1 3秒時(shí)間窗下的預測值和觀(guān)測到的地震烈度的比較，時(shí)間表示時(shí)間窗的大小?；疑珔^域是正確的預測值，藍色區域是高估的預測值，黃色區域是低估的預測值。綠點(diǎn)表示（a）Pd模型，紅三角表示（b）xgBoost模型。

圖2 震中距和預警時(shí)間之間的關(guān)系。數據點(diǎn)的顏色代表地震烈度

圖3 (a)基于SHAP值的參數的全局重要性排名。(b) 不同參數的SHAP匯總圖，數據點(diǎn)的顏色從藍色（低）到紅色（高）過(guò)渡代表參數的低值到高值。

圖4 每個(gè)模型對不同烈度范圍的實(shí)時(shí)預測性能。綠色的藍線(xiàn)和紅線(xiàn)表示CART RF和xgBoost模型的實(shí)時(shí)預測，黃色的虛線(xiàn)表示觀(guān)察到的實(shí)時(shí)烈度，水平紅線(xiàn)表示觀(guān)察到的最大烈度。時(shí)間T表示實(shí)時(shí)烈度達到最大值的時(shí)刻。