Введение к работе
Актуальность
По уровню угрозы возникновения природных катастроф Камчатка относится к наиболее опасным регионам России. В первую очередь – это землетрясения, извержения вулканов и вызванные землетрясениями волны цунами.
По историческим данным с 1737 г. и до начала 20-го века на Камчатке происходили катастрофические землетрясения, которые вызывали сотрясения силой до 9 - 10 баллов по шкале MSK-64. Крупнейшие из них – это землетрясения 1737, 1792 и 1841 гг.
В 20-м веке масштаб событий известен уже по инструментальным данным. За этот срок на Камчатке произошло несколько сильнейших землетрясений. Сотрясения силой 8 баллов шкалы МSК-64 отмечались в Петропавловске-Камчатском 3 раза (1904, 1904, 1959 г). В 1959 г. 9-10 балльные толчки разрушили поселок Жупаново.
Свидетельством высокой сейсмической опасности территории Камчатки служат недавние события – землетрясение на территории северной части Камчатского края (20 апреля 2006 г., магнитуда 7,8) и его последующие толчки. В поселках Тиличики, Корф, Хаилино интенсивность сотрясений достигала 8 и более баллов по шкале МSК-64. Сотрясениям 6 и более баллов подверглись поселки Пахачи, Апука, Тымлат, Оклан, Ильпырский.
На Камчатке 29 действующих вулканов, среди которых вулкан Ключевской (4750 м) – самый высокий действующий вулкан Евразии. Ежегодно в Камчатском крае происходит несколько извержений вулканов. Катастрофические эксплозивные (взрывные) извержения вулканов происходили в 20 веке на Камчатке в 1907 г. (Ксудач), 1956 г. (Безымянный) и 1964 г. (Шивелуч), при каждом их них выбрасывалось от 0,7 до 2,5 кубических километров пепла и вулканических бомб, и полностью опустошались территории в сотни и тысячи кв. км.
Цунами, приводящие к затоплению и значительным разрушениям в прибрежной зоне, в подавляющем большинстве случаев вызываются сильными землетрясениями с М>7, происходящими под дном океанов или морей. Мощные цунами обрушивались на побережье Камчатки в 1923 г. (2 раза (высота до 11 м), волны проникли в глубь побережья на 5 км, частично разрушив поселок Усть-Камчатск), 1959 г. (высота до 10 м), 1960 г. (до 7 м), 1969 г. (до 10-15 м). В 1952 г. гигантское цунами (волны до 25 м) обрушилось на побережье юга Камчатки и островов Шумшу и Парамушир, погибло более 12 тысяч человек, был разрушен поселок Северо-Курильск.
Наиболее опасными и разрушительными являются локальные и региональные цунами, вызванные землетрясениями в ближней зоне, до 1000 км от угрожаемых населенных пунктов.
Безопасность населения и снижение экономических потерь от природных катастроф на угрожаемой территории определяются:
- перспективным планированием развития территории и рациональным
землепользованием с учетом реальных опасностей;
- техногенной распределенной надежностью среды обитания,
зависящей от сейсмостойкости зданий и сооружений;
- готовностью инфраструктуры населенных пунктов, служб и органов
власти к стихийному бедствию.
Чтобы снизить опасность и уменьшить тяжелые последствия природных катастроф (гибель людей, разрушение инфраструктуры населенных пунктов и воинских частей, материальные потери) необходим постоянный мониторинг опасных природных явлений, накопление данных, научные исследования их природы, поиск средств снижения опасности.
Разработкой методик прогнозирования землетрясений и заключений о сейсмической обстановке на Камчатке занимается большой коллектив исследователей различных организаций (ИВиС ДВО РАН, КФ ГС РАН, ИКИР ДВО РАН, ОАО «Камчатгеология», КамГУ, ИФЗ РАН, КПЦ ИФЗ РАН, ФТИ РАН, Университет Хоккайдо, Университет Нагоя). Среди них такие исследователи как: к.ф.-м.н. И.Р. Абубакиров, д.ф.-м.н. В.В. Богданов, к.т.н. В.А. Гаврилов, д.ф.-м.н. И.А. Гарагаш, д.ф.-м.н. А.А. Гусев, к.ф.-м.н. Г.И. Дружин, д.ф.-м.н. А.Д. Завьялов, д.г.-м.н. Г.Н. Копылова, Н.М. Кравченко, к.ф.-м.н. А.Н. Кролевец, к.ф.-м.н. В.Е. Левин, д.ф.-м.н. Ю.Ф. Мороз, к.г.-м.н. Полетаев, д.г.-м.н. Е.А. Рогожин, к.г.-м.н. Г.В. Рябинин, к.ф.-м.н. Л.Б. Славина, Н.Н. Смолина, к.ф.-м.н. С.Э. Смирнов, член-корреспондент РАН Г.А. Соболев, к.ф.-м.н. Томилин, д.ф.-м.н. П.П. Фирстов, к.ф.-м.н. В.А. Широков, М. Касахара, Х. Такахаши, М. Ирван.
Создание сети с использованием средств телеметрии с общим центром сбора и обработки геофизических данных, формирующих базу данных для дальнейшей разработки алгоритмов поиска предвестниковых аномалий.
Цели исследования
Разработка и создание телеметрической сети для формирования базы данных геофизических измерений для дальнейших поисков аналитиками предвестников землетрясений.
Задачи исследования
- определение структурных и функциональных технических решений
при создании телеметрической сети;
создание «интеллектуального» измерительного контроллера на основе серийно-выпускаемых микроконтроллеров;
разработка алгоритма дистанционной перестройки параметров цифровых фильтров: Баттерворта, Чебышева и др. и передачи коэффициентов синтеза в измерительный контроллер;
- выбор и обоснование канала передачи данных;
- разработка алгоритма и программного обеспечения для приема и
обработки данных в центре сбора и обработки.
Методы исследования
В диссертационной работе использовался аппарат теории цифровых фильтров, цифровой обработки сигналов и теории передачи данных.
Для создания сети измерительных пунктов использовалась новейшая база аппаратурных средств, в том числе собственной разработки. При создании аппаратуры применялись современные микросхемы микроконтроллеров, АЦП, памяти и других узлов. Для программирования микроконтроллеров применялась среда разработки Code Vision AVR, а для разработки программного обеспечения для ЭВМ – Visual Studio 2008.
Научная новизна
Разработана и создана действующая сеть измерительных пунктов на Камчатке для формирования базы данных геофизических аномалий. При создании сети использованы последние достижения в технологиях телекоммуникаций:
- реализовано аналого-цифровое преобразование результатов
измерений на 24-разрядных АЦП;
- произведен синтез цифровых фильтров на цифровых сигнальных
процессорах с амплитудно-частотной характеристикой, удовлетворяющей
требованиям аналитиков. Среди возможных видов фильтров предложены
фильтры Баттерворта с наименьшими искажениями спектра в полосе
пропускания;
разработана дистанционная перестройка вида и параметров цифровых фильтров;
произведена статистическая обработка непрерывных измерений для уменьшения потока передаваемых данных;
для повышения надежности радиосвязи предложена передача данных по GSM-каналу с применением модемов и антенн с высокой пространственной избирательностью;
разработаны алгоритмы для автоматической обработки и передачи данных;
- на программы, используемые в центре сбора и обработки для
обработки данных, получены три свидетельства о государственной
регистрации программ для ЭВМ;
- предложен «энергетический приемник» в центре сбора и обработки
для поиска оптимальных алгоритмов и анализа предвестников аномалий.
Научные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
- создание модели распределенной сети для передачи данных
геофизических измерений по сети GSM;
разработаны требования к алгоритму формирования и передачи коэффициентов для цифровых фильтров;
разработаны требования к алгоритму передачи массива данных в центр сбора и обработки данных;
разработаны требования к алгоритму автоматизированного приема многопараметрических данных в центре сбора и обработки данных;
- разработаны требования к алгоритму просмотра принятых
геофизических данных в графическом виде.
Практическая ценность
Практическую ценность составляют:
- реализация различных типов цифровых фильтров с возможностью
дистанционной перестройки их характеристик;
глубокое подавление промышленной частоты 50Гц;
передача массива данных в центр сбора и обработки по запросу;
прием данных и их графическое отображение;
- создание инструмента, позволяющего в дальнейшем на основе
сформированной базы данных разработать алгоритм поиска
предвестниковых аномалий;
- имеется акт внедрения в ИВиС научных результатов диссертационной
работы.
Реализация результатов
Телеметрическая сеть включает в себя четыре постоянных измерительных пункта с организацией непрерывных измерений. Рассмотрена возможность организации временных пунктов.
Апробация
Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных мероприятиях:
- научно-техническая конференция «Проблемы геофизического
мониторинга Дальнего Востока России», г. Петропавловск-Камчатский, 11-
17 ноября 2007 г.
- научная конференция «Геодинамические процессы и природные
катастрофы в Дальневосточном Регионе», посвященная 65-летию Института
морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск, 26-30
сентября 2011 г.
- IX Региональная молодежная научная конференция «Исследования в области наук о Земле, г. Петропавловск-Камчатский», 2 декабря 2011 г.
Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований:
06-05-64925-а (2006-2008 гг.), 06-05-96071-р_восток_а (2006 - 2008 гг.), 09-05-98543-р_восток_а (2009 – 2010 гг.), 10-05-00231-а (2010 - 2012 ), 12-05-00670-а (2012 гг.);
Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов Дальневосточного отделения Российской академии наук: 06-III-А-08-327 (2006 - 2008 гг), 09-III-А-08-420 (2009 – 2011 гг.), №11-III-В-01И-014 (2011г.), 12-III-А-08-167 (2012 г.), №12-III-В-08-173 (2012г.).
Личный вклад
Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритмов, создании и практической реализации аппаратных и программных средств.
Благодарности
Автор благодарен д.ф.-м.н. П.П. Фирстову, д.т.н. Г.А. Пюкке,
к.т.н. М.А. Магуськину, О.В. Федористову, В.П. Денисенко,
Е.В. Полтавцевой, Ю.Ю. Бусс, Ю.В. Морозовой за помощь и поддержку.
Публикации и свидетельства
По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации
