There has been an increasing interest in integrating physics knowledge and machine learning for modeling dynamical systems. However, very limited studies have been conducted on seismic wave modeling tasks. A critical challenge is that these geophysical problems are typically defined in large domains (i.e., semi-infinite), which leads to high computational cost. In this paper, we present a novel physics-informed neural network (PINN) model for seismic wave modeling in semi-infinite domain without the nedd of labeled data. In specific, the absorbing boundary condition is introduced into the network as a soft regularizer for handling truncated boundaries. In terms of computational efficiency, we consider a sequential training strategy via temporal domain decomposition to improve the scalability of the network and solution accuracy. Moreover, we design a novel surrogate modeling strategy for parametric loading, which estimates the wave propagation in semin-infinite domain given the seismic loading at different locations. Various numerical experiments have been implemented to evaluate the performance of the proposed PINN model in the context of forward modeling of seismic wave propagation. In particular, we define diverse material distributions to test the versatility of this approach. The results demonstrate excellent solution accuracy under distinctive scenarios.


翻译:对将物理知识和机器学习纳入模拟动态系统的兴趣日益浓厚,然而,对地震波建模任务的研究非常有限,这些地球物理问题通常在大领域(即半无限)界定,导致计算成本高。在本文中,我们提出了一个新的半无限域地震波建模物理知情神经网络模型(PINN),没有标签数据封存,在半无限域进行地震波建模。具体地说,吸收边界条件被引入网络,作为处理漏流边界的软常规化器。在计算效率方面,我们考虑通过时间域分解来制定连续培训战略,以提高网络的可扩缩性和解决方案的准确性。此外,我们设计了一个新型的模拟载荷模拟战略,根据不同地点的地震负荷情况,对半无限制域的地震波波建模进行估计。已经进行了各种数字实验,以评价拟议的PINN模型在地震波传动前模型方面的性能。特别是,我们通过时间域分解,确定不同的材料分布方法,以测试反向模式。

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