[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出一种基于Sugeno型模糊推理系统和ANFIS的模糊专家系统（FES），用于扎格罗斯山脉的地震预测，基于耦合地震理论建模人类专家推理。尽管局部测试结果显示出前景，但该方法因整体性能不一致，仍需进一步改进，表明耦合地震预测需要更复杂的推理机制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种模糊专家系统，以模拟人类地震学家在地震预测中的决策过程。
• 应用Sugeno型模糊推理系统（FIS）对地震活跃的扎格罗斯地区进行地震预测建模。
• 利用基于自适应网络的模糊推理系统（ANFIS）对FES进行优化，以提高精度。
• 评估耦合地震假说在预测地震事件方面的有效性。
• 基于耦合地震，识别当前预测方法论的局限性。

提出的方法

• 本研究基于地震预测专家提供的规则构建模糊规则库。
• 采用Sugeno型模糊推理系统（FIS）基于规则库执行模糊推理。
• 利用ANFIS框架通过自适应学习优化FIS参数。
• 系统基于扎格罗斯山脉的历史地震数据进行训练和测试，重点关注耦合地震模式。
• 在测试集上评估性能，以衡量预测精度和一致性。
• 该方法将地震学家的领域知识与机器学习技术相结合，以提高预测可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 模糊专家系统能否有效复现人类地震学家在地震预测中的决策过程？
• RQ2 Sugeno型FIS在扎格罗斯地区地震预测中的表现如何？
• RQ3 ANFIS优化在多大程度上提升了模糊系统的预测精度？
• RQ4 当通过模糊系统建模时，耦合地震假说是否能产生可靠预测？
• RQ5 当前基于耦合地震的预测方法论存在哪些局限性？

主要发现

• 模糊专家系统通过基于规则的方法，成功模拟了专家在地震预测中的推理过程。
• 经ANFIS优化的系统相较于初始FES表现出更优性能，尤其在测试集的局部区域。
• 预测结果在测试数据的特定部分表现良好，表明耦合地震模型具有部分有效性。
• 然而，整体性能仍不稳定，表明当前耦合地震推理框架存在局限性。
• 本研究结论认为，需采用更复杂的推理机制并进一步深入研究，方能实现可靠且可推广的地震预测。
• 该方法论显示出可行性，但凸显了对地震耦合动力学建模需进一步增强的必要性。