[論文レビュー] A fuzzy expert system for earthquake prediction, case study: the Zagros range

Arash Andalib, Mehdi Zaré+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2016

Earthquake Detection and Analysis参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、サトゥノ型ファジィ推論システムとANFISを用いたファジィエキスパートシステム（FES）を提案し、結合地震理論に基づく人間の専門家的推論を模倣することで、ザグロス山脈における地震予測を実施する。局所的テストでは結果に期待が持てるが、全体的な性能に一貫性がなく、結合地震予測におけるより複雑な推論の必要性を示唆している。

ABSTRACT

A methodology for the development of a fuzzy expert system (FES) with application to earthquake prediction is presented. The idea is to reproduce the performance of a human expert in earthquake prediction. To do this, at the first step, rules provided by the human expert are used to generate a fuzzy rule base. These rules are then fed into an inference engine to produce a fuzzy inference system (FIS) and to infer the results. In this paper, we have used a Sugeno type fuzzy inference system to build the FES. At the next step, the adaptive network-based fuzzy inference system (ANFIS) is used to refine the FES parameters and improve its performance. The proposed framework is then employed to attain the performance of a human expert used to predict earthquakes in the Zagros area based on the idea of coupled earthquakes. While the prediction results are promising in parts of the testing set, the general performance indicates that prediction methodology based on coupled earthquakes needs more investigation and more complicated reasoning procedure to yield satisfactory predictions.

研究の動機と目的

• 人間の専門家的推論を模倣するファジィエキスパートシステムの開発を目的とする。
• サトゥノ型ファジィ推論システム（FIS）を用いて、地震活動が著しいザグロス地域における地震予測をモデル化することを目的とする。
• 適応的ネットワークに基づくファジィ推論システム（ANFIS）を用いてFESを精緻化し、精度を向上させることを目的とする。
• 結合地震仮説の有効性を、地震イベントの予測において評価することを目的とする。
• 現在の結合地震に基づく予測手法における限界を特定することを目的とする。

提案手法

• 研究では、地震予測に関する専門家が提供したルールからファジィルールベースを構築する。
• ルールベースに基づくファジィ推論を実行するため、サトゥノ型ファジィ推論システム（FIS）を実装する。
• ANFISフレームワークを用いて、適応的学習によりFISのパラメータを最適化する。
• システムは、結合地震パターンに注目して、ザグロス山脈の歴史的地震データを用いて学習およびテストを行う。
• テストデータセットを用いて性能を評価し、予測の正確性と一貫性を確認する。
• 地震学者の分野知識と機械学習技術を統合することで、予測の信頼性を向上させるアプローチを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファジィエキスパートシステムは、地震予測における人間の地震学者の意思決定プロセスを効果的に再現できるか？
• RQ2 サトゥノ型FISは、ザグロス地域における地震予測において、どの程度の性能を示すか？
• RQ3 ANFISによる精緻化は、ファジィシステムの予測精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 結合地震仮説は、ファジィシステムを用いてモデル化した場合、信頼できる予測をもたらすか？
• RQ5 現在の結合地震に基づく予測手法における限界は何か？

主な発見

• ファジィエキスパートシステムは、ルールベースのアプローチを用いて、専門家の推論を効果的に模倣した。
• ANFISで最適化されたシステムは、初期のFESに比べて性能が向上しており、特にテストデータの局所的領域で顕著な改善が見られた。
• 特定のテストデータのセグメントにおいては予測結果が有望であり、結合地震モデルの部分的な妥当性を示している。
• しかし、全体的な性能は一貫性に欠け、現在の結合地震推論フレームワークにおける限界を示唆している。
• 本研究は、信頼性が高く一般化可能な地震予測を達成するには、より複雑な推論とさらなる調査が必要であると結論づける。
• この手法は実現可能性を示しているが、地震的結合ダイナミクスのより高度なモデリングの必要性を浮き彫りにしている。