一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理方法及系统

本发明属于地震工程及智能计算，具体涉及一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理方法及系统。

背景技术：

1、峡谷地形对地震波的散射将产生地震动聚焦和局部放大效应，导致地震动参数在时间和空间上呈现显著的不均匀性。已有研究表明，峡谷几何形态、入射波角度等因素均对峡谷场地效应具有显著影响。因此，面向不同峡谷形状和不同入射工况实现快速、准确的地震波场分析，对于场地地震动评估、结构抗震分析及震前决策具有重要意义。

2、目前，现有峡谷场地地震波动分析方法主要包括数值模拟方法和智能计算方法。在数值模拟方法方面，有限差分法、谱元法等域离散型方法在构造地震波场时，通常需要对场地计算域进行整体离散，并通过吸收边界、人工边界或截断边界处理无限域辐射问题，这一过程不仅计算量大，而且边界处理精度直接影响结果可靠性。边界积分方程法虽然能够自动满足无限域辐射条件，但对于不同峡谷几何参数、入射波角度和频率组合，仍需要重复建立并求解边界积分方程，整体计算成本较高，难以满足多工况快速评估需求。

3、在智能计算方法方面，一类方法侧重于建立参数到响应的点对点映射，通常只能预测少量特征点的响应，难以直接获得整个场地的地震波场分布；另一类方法如物理信息神经网络可通过引入控制方程和边界条件实现物理约束求解，但在几何形状发生变化时仍需重新训练模型。特别是在峡谷场地这类几何可变计算域问题中，现有方法缺乏统一、低维的边界几何表示方式，难以利用同一模型对不同峡谷形状进行统一训练和快速推理，导致其工程适用性受限。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理方法及系统，通过边界函数谱系数编码实现不同峡谷几何的统一低维表示，通过归一化计算坐标实现物理边界非均匀离散与神经算子固定长度输入之间的统一，结合边界积分方程法的降维优势和神经算子模型的快速推理能力，实现多几何、多频率、多入射角条件下峡谷场地频域及时域地震波场的快速推理与重构；并通过引入离散虚拟波源密度系数推理损失、牵引力物理约束损失以及频域位移响应重构损失，提高地震波场推理结果的准确性和物理一致性。

2、第一方面，本发明提供一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理方法，包括以下步骤：

3、获取峡谷场地的几何特征信息、介质参数及地震波入射工况，几何特征信息用于表征峡谷自由表面的空间形态；

4、根据几何特征信息恢复峡谷自由表面起伏边界函数，并生成包括边界曲率场在内的峡谷边界几何特征场；

5、根据边界曲率场和地震波入射频率对应的最短计算波长确定峡谷边界的局部离散间距，根据局部离散间距构造归一化计算坐标，并在归一化计算坐标中进行固定点数的均匀采样，以在物理弧长坐标中形成非均匀边界配点；依据非均匀离散后的峡谷边界构造与峡谷边界形状耦合的虚拟源边界，并在虚拟源边界上设置多个虚拟源点；基于边界积分方程法对峡谷场地进行频域求解，建立数值计算样本集；根据各虚拟源点的局部几何特征构造几何特征序列，根据几何特征信息、介质参数以及地震波入射工况构造参数标记序列，以几何特征序列和参数标记序列构成双分支输入，并将数值计算样本集整理为对应的输出序列，形成训练数据集；

6、将双分支输入送入神经算子模型，对几何特征序列和参数标记序列进行特征融合，形成沿归一化计算坐标排列的几何-工况融合特征序列，并基于几何-工况融合特征序列得到推理的离散虚拟波源密度系数，基于推理的离散虚拟波源密度系数重构峡谷场地频域位移响应，根据推理的离散虚拟波源密度系数、频域位移响应以及自由表面边界条件约束，构建联合损失函数，并训练神经算子模型，得到算子推理模型；

7、将目标峡谷场地的几何特征信息、介质参数及地震波入射工况输入算子推理模型，得到推理的离散虚拟波源密度系数，并根据推理的离散虚拟波源密度系数重构目标峡谷场地地震波场。

8、作为可选择的实施方式，几何特征信息为谱系数编码向量，谱系数编码向量由峡谷自由表面起伏边界函数在预设基函数系上展开后得到的各展开系数组成，用于将不同峡谷几何统一映射为同维度的低维边界表示，预设基函数系为傅里叶基函数系、chebyshev基函数系、legendre基函数系或小波基函数系中的任一种。

9、作为可选择的实施方式，几何特征场包括峡谷边界坐标场、边界法向量场、边界曲率场和边界弧长增量场；第

p个虚拟源点的局部几何特征向量

gp由该虚拟源点的归一化计算坐标、物理弧长参数及坐标、与该虚拟源点对应的边界法向量、边界曲率和边界弧长增量构成，全部局部几何特征向量按行堆叠形成几何特征序列

g0；谱系数编码向量中的各展开系数、介质参数分量和地震波入射工况分量分别编码为参数标记向量，并按照参数分量排列形成参数标记序列

z；几何特征序列

g0包含

ns个分别与虚拟源点对应的局部几何特征向量，参数标记序列

z包含m个分别与全局参数分量对应的参数标记向量；几何特征序列

g0和参数标记序列

z构成神经算子模型的双分支输入

x=(

g0,

z)，几何特征序列

g0经虚拟源点几何编码器映射至与参数标记序列

z相同的特征维数，但不要求具有相同的序列长度；介质参数包括剪切波速、密度和泊松比中的一种或多种，地震波入射工况包括入射波类型、入射角和角频率中的一种或多种。

10、作为可选择的实施方式，神经算子模型包括虚拟源点几何编码器、参数标记编码器、多头交叉注意力融合模块和神经算子层；虚拟源点几何编码器将几何特征序列

g0编码为几何编码特征序列

g，并由几何编码特征序列

g生成查询矩阵；参数标记编码器将各全局参数分量编码为参数标记向量，形成参数标记序列

z，并由参数标记序列

z经相应线性映射生成键矩阵和值矩阵；多头交叉注意力融合模块根据查询矩阵与键矩阵的相关性，计算各虚拟源点对不同参数标记向量的注意力权重，将加权后的值矩阵与几何编码特征序列

g进行残差融合，得到序列长度与虚拟源点数量相同的几何-工况融合特征序列

h；将几何-工况融合特征序列

h按照归一化计算坐标的均匀顺序输入神经算子层，输出各虚拟源点对应的离散虚拟波源密度系数的实部和虚部。

11、作为可选择的实施方式，基于边界积分方程法对峡谷场地进行频域求解，建立数值计算样本集，具体包括：

12、根据峡谷边界的曲率绝对值和最高计算角频率对应的最短计算波长确定局部边界离散间距，令边界采样密度为局部边界离散间距的倒数，并根据边界采样密度沿物理弧长方向的累计积分构造取值范围为0至1的归一化计算坐标；在归一化计算坐标中选取固定数量

nb个均匀节点，并反求各均匀节点对应的物理弧长位置，以在高曲率区域加密设置边界配点并在低曲率区域稀疏设置边界配点；

13、在虚拟源点数量

ns与边界配点数量

nb相等时，按照与各边界配点一一对应的归一化计算坐标，在峡谷边界的预设法向一侧构造虚拟源边界并设置虚拟源点；各虚拟源点相对对应峡谷边界配点的偏移距离根据局部边界离散间距和局部曲率半径确定，并限制在预设最小偏移距离与预设最大偏移距离之间；利用满足无限域辐射条件的格林函数建立自由表面零牵引条件的边界离散方程，数值计算得到各虚拟源点对应的离散虚拟波源密度系数

cp以及峡谷场地频域位移响应；其中，

cp为虚拟波源密度在第

p个虚拟源点处的取值与相应离散权重的乘积；边界配点与虚拟源点为空间位置和物理作用不同的两组点，边界配点与虚拟源点按照相同的归一化计算坐标一一对应，并且虚拟源边界与目标场点所在的物理求解域不相交。

14、作为可选择的实施方式，联合损失函数包括：

15、离散虚拟波源密度系数推理损失项，用于约束源域中离散虚拟波源密度系数的预测精度；

16、基于自由表面边界条件的牵引力物理约束损失项，用于约束边界条件域中自由表面零牵引边界条件的满足程度；

17、频域位移响应重构损失项，用于约束响应域中由推理结果重构得到的频域位移响应与数值计算结果之间的差异；

18、对上述各损失项进行加权求和，构成联合损失函数，用于训练神经算子模型。

19、作为可选择的实施方式，重构目标峡谷场地地震波场，具体包括：

20、将推理得到的离散虚拟波源密度系数与各虚拟源点至目标场点的位移格林函数相乘并叠加，获得散射频域位移；

21、将散射频域位移与自由场频域位移叠加，得到频域位移响应；

22、结合入射地震波频谱和傅里叶逆变换，得到特定入射地震波作用下峡谷场地时域地震波场；

23、时域地震波场包括峡谷场地任意时刻的地震动位移、速度和加速度空间分布，以及场地地震动峰值位移、速度和加速度空间分布。

24、第二方面，本发明提供一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理系统，包括：

25、数据获取模块，被配置为：获取峡谷场地的几何特征信息、介质参数及地震波入射工况，几何特征信息用于表征峡谷自由表面的空间形态；

26、几何特征场生成模块，被配置为：根据几何特征信息恢复峡谷自由表面起伏边界函数，并生成包括边界曲率场在内的峡谷边界几何特征场；

27、训练数据集生成模块，被配置为：根据边界曲率场和地震波入射频率对应的最短计算波长确定峡谷边界的局部离散间距，根据局部离散间距构造归一化计算坐标，并在归一化计算坐标中进行固定点数的均匀采样，以在物理弧长坐标中形成非均匀边界配点；依据非均匀离散后的峡谷边界构造与峡谷边界形状耦合的虚拟源边界，并在虚拟源边界上设置多个虚拟源点；基于边界积分方程法对峡谷场地进行频域求解，建立数值计算样本集；根据各虚拟源点的局部几何特征构造几何特征序列，根据几何特征信息、介质参数以及地震波入射工况构造参数标记序列，以几何特征序列和参数标记序列构成双分支输入，并将数值计算样本集整理为对应的输出序列，形成训练数据集；

28、模型训练模块，被配置为：将双分支输入送入神经算子模型，对几何特征序列和参数标记序列进行特征融合，形成沿归一化计算坐标排列的几何-工况融合特征序列，并基于几何-工况融合特征序列得到推理的离散虚拟波源密度系数，基于推理的离散虚拟波源密度系数重构峡谷场地频域位移响应，根据推理的离散虚拟波源密度系数、频域位移响应以及自由表面边界条件约束，构建联合损失函数，并训练神经算子模型，得到算子推理模型；

29、结果输出模块，被配置为：将目标峡谷场地的几何特征信息、介质参数及地震波入射工况输入算子推理模型，得到推理的离散虚拟波源密度系数，并根据推理的离散虚拟波源密度系数重构目标峡谷场地地震波场。

30、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

31、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、本发明提出一种适用于不同形状峡谷场地的地震波场推理方法及系统，通过利用边界积分方程法将峡谷场地计算域内的波动求解问题转化为计算边界上的响应推理问题，显著降低了输入与输出数据维度；利用边界函数谱系数编码实现不同峡谷几何的统一低维表示；利用归一化计算坐标同时实现物理弧长坐标中的曲率自适应非均匀布点和神经算子输入序列的固定长度、均匀索引；采用与局部点距和曲率半径耦合的虚拟源点布置，提高边界与虚拟源对不同峡谷形状的适应性；将几何特征序列和参数标记序列作为相互独立的输入分支，并可通过几何-工况多头交叉注意力学习空间相关的参数权重；结合边界积分方程和傅里叶逆变换重构频域及时域地震波场，提高模型的物理一致性、计算准确性和工程适用性。

34、进一步地，归一化计算坐标将物理弧长坐标中的曲率自适应非均匀布点转换为固定长度、均匀索引的模型序列，在保证高频波场和局部转折几何分辨率的同时，使傅里叶神经算子能够沿均匀计算坐标执行谱卷积；与局部点距和曲率半径耦合的虚拟源点布置提高了虚拟源边界的几何适应性；以几何特征序列为查询、以参数标记序列为键和值的交叉注意力，使不同虚拟源点获得空间相关的参数权重。