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神经切线核自适应权重物理信息网络走时层析OA

Neural tangent kernel adaptive weight physics-informed neural network for traveltime tomography

中文摘要英文摘要

作为构建地下速度模型的重要手段,走时层析以观测走时数据为约束条件,通过求解逆问题获得地下介质速度分布.然而,在物理信息神经网络(PINN)走时层析中,数据匹配项与物理约束项的权重分配往往依赖人工经验,难以实现自适应平衡,导致网络收敛缓慢甚至陷入局部最优.因此,提出了一种基于神经切线核自适应权重优化的物理信息网络走时层析方法.首先,针对多目标参数损失函数优化难题,基于神经切线核理论构建动态权重调整机制;其次,利用神经切线核的迹来表征梯度流,自适应平衡数据误差项与物理约束项的梯度贡献;最后,通过该机制优化网络训练过程,有效解决了梯度不平衡问题,加速了物理信息神经网络的收敛并提升了反演稳定性.模型测试与实际数据应用结果均表明,文中方法能够提升复杂速度模型的训练稳定性,较传统固定权重物理信息网络有更好的反演效果.

As a crucial approach for constructing subsurface velocity models,traveltime tomography derives the velocity distribution of the subsurface medium by solving an inverse problem constrained by observed traveltime data.However,in physics-informed neural network(PINN)traveltime tomography,the weighting between the data misfit term and the physical constraint term often relies on manual experience,making adaptive balancing difficult.This can lead to slow convergence or even cause the network to become trapped in local optima.There-fore,a neural tangent kernel(NTK)based adaptive weight optimization method for PINN traveltime tomogra-phy is proposed.First,to address the challenge of optimizing multi-objective loss functions,a dynamic weight adjustment mechanism is constructed based on the NTK theory.Second,the trace of the NTK is used to charac-terize gradient flow and to adaptively balance the contributions from the data and physical constraint terms.Fi-nally,this mechanism optimizes the training process by addressing gradient imbalance,accelerating conver-gence of the PINN,and enhancing inversion stability.Numerical experiments and real-data applications demon-strate that the proposed method improves training stability for complex velocity models and yields superior inver-sion results compared to traditional fixed-weight PINNs.

唐杰;产嘉怡;文郑鑫;潘登;彭婧妍

中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580||海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580||海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580||海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580||海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580||海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071

天文与地球科学

走时层析物理信息网络神经切线核物理约束数据约束

traveltime tomographyphysics-informed neural networkneural tangent kernelphysical constraintdata constraints

《石油地球物理勘探》 2026 (3)

584-594,11

本项研究受国家自然科学基金项目"强吸收介质中面波和P-导波频散—衰减特征及近地表参数一体化反演"(42574157)资助.

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.20250245

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