Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Постановка задачи, отечественные и зарубежные системы мониторинга, цель исследования, основные задачи исследования 12
1.1 Обзор действующих систем для мониторинга 12
1.2 Сети и приборы, применяемые в геофизическом и сейсмическом мониторинге 20
Выводы по первой главе 32
Глава 2 Измерительные пункты распределенной телеметрической системы геофизического мониторинга 33
2.1 Обобщенные модели измерительного пункта и их аппаратурные реализации при аналоговой и цифровой фильтрации данных 33
2.2 Система обработки данных 41
2.2.1 Система аналого-цифрового преобразования 41
2.2.2 Система цифровой фильтрации 55
2.2.3 Система обработки цифровых данных 64
2.3 Система сохранения данных 67
2.4 Методы автоматизации сбора данных с измерительного пункта 70
2.4.1 Алгоритм обработки данных 70
2.4.2 Алгоритм сохранения данных 71 Выводы по второй главе 72
Глава 3 Выбор и обоснование вида канала связи для передачи измеренных данных распределенной сети измерительных пунктов в центр сбора и обработки 74
3.1 Сравнение различных систем связи для передачи данных 74
3.1.1 Спутниковая связь 75
3.1.2 Оптоволоконная связь 78
3.1.3 Связь по коаксиальному кабелю 81
3.1.4 Радиорелейная связь 83
3.1.5 Передача данных по сотовой GSM сети 88
3.2 Модули и модемы стандарта GSM, антенны для модулей и модемов стандарта GSM 90
3.3 Режим передачи данных 97
Выводы по третьей главе 98
Глава 4 Программное обеспечение центра сбора и обработки 99
4.1 Программное обеспечение для приема данных центра сбора и обработки 99
4.2 Автоматизация формирования и передачи характеристик и настроек цифровых фильтров в измерительный пункт .100
4.3 Программное обеспечение для обработки и визуализации данных 101
4.3.1 Сравнение программного обеспечения используемого в центре сбора и обработки 101
4.3.2 Программное обеспечение geoprocess 104
4.4 Возможность использования временного анализа для определения предвестника аномалии 108
Выводы по четвертой главе 112
Заключение 114
Список используемой литературы 116
- Сети и приборы, применяемые в геофизическом и сейсмическом мониторинге
- Методы автоматизации сбора данных с измерительного пункта
- Модули и модемы стандарта GSM, антенны для модулей и модемов стандарта GSM
- Программное обеспечение для обработки и визуализации данных
Сети и приборы, применяемые в геофизическом и сейсмическом мониторинге
Регистратор сейсмических сигналов (РСС) «Дельта-03» предназначен для регистрации сейсмических сигналов при проведении сейсмических исследований в двух режимах работы: условном и безусловном. В условном режиме запись осуществляется при выполнении ряда условий, при безусловной регистрации запись управляется оператором [1].
Включение и выключение безусловной и условной регистрации, а также калибровку сейсмических датчиков регистратор может производить в заданные моменты времени по показаниям встроенных часов реального времени [1].
РСС состоит из [1]:
1) блока регистрации (БР) «Дельта-03» ИТЛЯ.416613.004 (4-х канальный вариант) или БР ИТЛЯ.416613.004-01 (8-ми канальный вариант);
2) кабель питания ИТЛЯ.685621.060 (кабель 1);
3) кабель RS-232 ИТЛЯ.685621.087 (кабель 2);
4) кабель порта Ethernet ИТЛЯ.685621.089 (кабель 3);
5) антенна магнитная MCX для GPS-приемника Lassen – iQ;
6) устройство сменной памяти (Flash–диск фирмы «SanDisk» или «SimpleTech», подключаемый с помощью интерфейса PCMCIA тип II) ёмкостью до 32 Гбайт (требуемая ёмкость оговаривается с поставщиком РСС при заказе РСС);
7) GSM/GPRS модем совместимый с SIEMENS ES75(в комплект поставки не входит; поставляется по дополнительному соглашению);
8) сейсмоприемник типа СК1П, A1632, A0531 или другие (в комплект поставки не входит, поставляются по дополнительному соглашению). В случае если сейсмоприемник не поставляется, то в комплект поставки входит разъём ОНЦ-БС-1-19/18-Р12-1-В в количестве 1 шт. для 4-х канального исполнения БР, 2 шт. для 8-ми канального варианта БР;
9) батарея аккумуляторная напряжением 12 В (в комплект поставки не входит; поставляется по дополнительному соглашению);
10) компьютер совместимый с IBM-PC с характеристиками, не ниже:
процессор Pentium IV – 1600; объем ОЗУ – 256 Мбайт; объем жесткого магнитного диска 60 Гбайт; наличие сетевой карты Ethernet 100Base или COM-порта; наличие интерфейса PCMCIA в случае применения переносного портативного компьютера; (в комплект поставки не входит; поставляется по дополнительному u1089 соглашению).
Блок регистрации управляется с помощью компьютера через организованный канал связи. Канал связи может быть как простым (при непосредственном подключении u1089 с помощью кабеля) так и сложным (при подключении через локальную или глобальную сети, при подключении через телефонные, GSM или спутниковые модемы). Для построения физического канала связи могут быть использованы два интерфейса [1]:
1) интерфейс «Ethernet», обеспечивает построение канала при непосредственном подключении к компьютеру или при подключении к компьютеру через локальную сеть, обеспечивающего скорость обмена 10 или 100 Мбит/сек;
2) интерфейс «RS232», обеспечивающий построение канала связи при непосредственном подключении к компьютеру, при дистанционном подключении к компьютеру с помощью модемов (соединение CSD) и при дистанционном подключении к компьютеру через Internet с помощью модемов (соединение GPRS).
При построении любого из возможных каналов связи за исключением соединения GPRS БР является сервером, т.е. ожидает установки соединения. При построении канала связи через соединение GPRS БР является клиентом, т.е. устанавливает соединение самостоятельно. После установки соединения управление регистратором осуществляется аналогично управлению через другие каналы связи.
Для организации CSD соединения необходимо подключить внешний модем к БР и аналогичный модем к компьютеру. Установка соединения производится выполнением телефонного вызова на телефонный номер модема, подключенного к БР [1].
Для организации GPRS соединения необходимо подключить внешний модем к БР. Компьютер должен быть подключен к глобальной сети Internet, иметь внешний IP-адрес и на нем должно быть запущено программное обеспечение "Дельта-02М" с выбранным протоколом "TCP Server". Установка соединения производится автоматически при включении БР, в случае разрешения соединения GPRS. В случае разрыва соединения в процессе работы БР будет автоматически осуществлять попытки возобновления соединения [1].
Сейсмический регистратор GSR-24 является современной системой сбора данных о скорости или ускорении. В комбинации с интерфейсом Радио Телеметрии и средствами сбора данных регистратор пригоден для целей сейсмического профилирования, изучения афтершоковой активности, измерений уровня шума и как отдельная станция микросейсмических сетей [62, 65, 71]. Особенностью GSR-24, использующего самый современный стандарт аналого-цифрового 24-х разрядного преобразования сигналов, является динамический диапазон выше 132 дБ, что позволяет отнести регистратор к наиболее точным и гибким портативным приборам, доступным на рынке. Исполнение со столь высокими параметрами позволяет применять регистратор для записи микросейсмических и широкополосных сигналов, а также сильных движений [71].
Стандартный GSR-24 регистратор позволяет записывать 3 сигнала сейсмометров, акселерометров или геофонов которые преобразовываются 3-х канальным 24-х разрядным АЦП и регистрируются с использованием платы управления, GPS приемника, центрального процессора и карты памяти [71].
Линейный выход GSR-24/GSD-24 подходит для подключения к радиопередатчику или иным линиям связи от компьютерных линий до телефонных, включая спутниковый канал, что позволяет вести непрерывную передачу и в то же самое время, вести непрерывную регистрацию в память [71].
В комплект поставки входит программа GeoDAS, включающая в себя средства контроля и установки параметров регистраторов, GeoDAS также управляет процессом пересылки файлов данных между регистрирующей системой и компьютером, обеспечивает визуализацию зарегистрированных данных и преобразование формата файлов событий. Программа имеет принятую в среде Windows удобную пользователю систему меню [71].
Методы автоматизации сбора данных с измерительного пункта
Для цифровой обработки сигналов используется предложенный алгоритм обработки данных (рисунок 2.19). Сначала из центра сбора принимаются
параметры и настройки необходимого фильтра. Включается режим преобразования. После начинается цикл, в котором проверяется наличие сигнала завершения преобразования. Если сигнал не установлен, производится его проверка до установки. По установлению сигнала завершения преобразования осуществляется перенос данных в управляющий микроконтроллер, при необходимости данные сохраняются на флэш-карте без усреднения. Далее производится усреднение за одну секунду. Далее данные поступают в систему сохранения данных. После цикл повторяется до тех пор, пока не требуется изменить параметры и настройки фильтра.
Для сохранения данных используется алгоритм сохранения данных (рисунок 2.20). Сначала производится настройка GSM-модема в режим приема – передачи данных. После запускается цикл, в котором по очереди считываются цифровые значения сигналов, поступающих с систем обработки данных. В этом цикле данные сохраняются в двух типах флэш-памяти во внутреннюю объемом 8МБ и внешнюю объемом до 32ГБ. При запросе из центра сбора происходит выход из цикла и передача данных в GSM-модем для дальнейшей передачи в центр сбора и обработки. Затем, принимаются коэффициенты параметров и настроек цифровых фильтров, они передаются в системы обработки, после устанавливается время и производиться запуск новых измерений.
Выводы по второй главе
По результатам геофизических исследований проведенных в ИВиС для прогноза землетрясений на сети измерительных пунктов целесообразно использовать различные виды датчиков.
Точность прогноза возрастает с увеличением числа видов датчиков. На начальном этапе исследований по прогнозу землетрясений на измерительных пунктах устанавливается 4 вида датчиков: - геоакустических; - электромагнитных; - температуры столба воды; - плотности столба воды. Измерения на выходе датчиков должны производиться с высокой точностью: - для геоакустических и электромагнитных датчиков используются 16-разрядные АЦП с частотой дискретизации 62,5Гц; - для датчиков плотности и температуры столба воды используются 24-разрядные АЦП с частотой дискретизации 1 Гц. На выходе акустических и электромагнитных датчиков должна использоваться система фильтров. Частотные характеристики фильтров для наилучшего прогноза землетрясений не определены. Поэтому предусмотрено использование различных видов характеристик фильтров.
Передача данных с измерительных пунктов в центр сбора и обработки может реализоваться несколькими видами связи. Кратко приведем достоинства и недостатки различных видов связи (таблица 3.1.) [4, 10, 26, 35, 51, 58, 59, 68, 69, 81, 83, 91, 92] и подробнее рассмотрим каждый.
Измерительные пункты являются автономными, и основные требования предъявляются к потребляемой мощности. В таблице 3.2 приведены сравнительные характеристики разных спутниковых терминалов [51, 58]. Для питания аппаратуры используются кислотные 12-вольтовые 90 А час аккумуляторы или 8-вольтовые 200 А час гальванические батареи «Лиман М», а суточный объем передаваемых данных с каждого измерительного пункта составляет 150 кбайт.
Возьмем, например, терминал TT-3060A системы Инмарсат miniM. Суточный объем данных терминал будет передавать около 500 с. Максимальный потребляемый ток в режиме передачи, соответственно, не менее 1,67 А при 12-вольтовом питании и 2,5 А при 8-вольтовом питании. Следовательно, для передачи этих данных требуется емкость 0,24 А час при 12-вольтовом питании и 0,35 А час при 8-вольтовом питании. В режиме приема максимальный потребляемый ток будет 0,031 А час при 12-вольтовом питании и 0,047 А час при 8-вольтовом питании. Следовательно, потребление за одни сутки в режиме приема будет 0,75 А час при 12-вольтовом питании и 1,13 А час при 8-вольтовом питании. Суммарное потребление в сутки составит 1 А час при 12-вольтовом питании и 1,5 А час при 8-вольтовом питании. Получаем, что с кислотным аккумулятором емкостью 90 А час терминал может проработать 45 суток (учитывается, что аккумулятор перезаряжаемый, и чтобы он служил долго, берется 0,5 емкости), а с батарей «Лиман М» сможет проработать около 130 суток. В то время как максимальное потребление GSM-модема составляет 0,2 А час. Соответственно кислотного аккумулятора хватит на 225 суток, батареи «Лиман М» на 1000 суток. Еще очень важный недостаток спутникового оборудования высокая стоимость оборудования и трафика.
В таблице 3.3 приводятся диапазоны частот, применяемые для спутниковой связи [51, 58].
В Инмарсат D ограничение одного сеанса по длине данных – до 400 символов, длина суточного файла составляет 150кБ. Спутниковая система «Турая» может быть использована только для региона IOR [51, 58].
Модули и модемы стандарта GSM, антенны для модулей и модемов стандарта GSM
Потребление GSM-модема в режиме передачи данных составляет не более 0,2 А при 12-вольтовом питании и 0,3 А при 8-вольтовом, а в режиме приема (нахождение в сети без передачи данных) не более 0,02 А при 12-вольтовом питании и 0,03 А при 8-вольтовом питании. Суточный объем данных передается около 170 с. Требуемая емкость кислотного аккумулятора для передачи данных при питании 12В получается 0,01 А час, при 8-вольтовом питании от батареи химических элементов «Лиман М» получается 0,0065 А час. В режиме приема в сутки тратится 0,5 А час при 12-вольтовом питании и 0,72 А час при 8-вольтовом питании. Суммарное потребление будет в основном потреблением в режиме приема. Соответственно кислотного аккумулятора хватит на 88 суток, батареи «Лиман М» на 275 суток. Кислотные аккумуляторы используются на пунктах с круглогодичным доступом – это измерительные пункты Г-1 и Е-1. Батареи «Лиман М» используются на пунктах К-33, доступ к которым возможен только в летнее время из-за глубокого снежного покрова зимой.
Для обеспечения GSM-связи используется модем Digital Angel Multi-SIM 4 [61] с поддержкой до 4-х SIM-карт (внешний вид изображен на рисунке 3.2). На измерительных пунктах используется одна сим-карта. В центре сбора и обработки используются три сим-карты (ОАО «Ростелеком», ОАО «МТС» и ОАО «Мегафон»).
Благодаря этому модему, в центре сбора и обработки имеется возможность использовать разные SIM-карты не отключая модем от компьютера, и переключать SIM-карты, а вместе с ними и сотовых провайдеров программно. Использование разных провайдеров обусловлено расположением измерительных пунктов в зонах покрытия определенных провайдеров. Для этого используется программное обеспечение собственной разработки simselect, главное окно, которого изображено на рисунке 3.3.
Формат передачи данных CSD (Circuit Switched Data) – технология передачи данных, разработанная для стандарта GSM. CSD использует один временной интервал для передачи данных на скорости 9,6 кбит/с в подсистему сети и коммутации, где они могут быть переданы через эквивалент нормальной модемной связи в телефонную сеть [4, 10, 26, 78, 83, 84, 92].
До появления CSD передача данных через мобильный телефон выполнялась за счёт использования модема, либо встроенного в телефон, либо присоединённого к нему. Из-за ограничений по качеству аудиосигнала, такие системы имели максимальную скорость передачи данных равную 2,4 кбит/с. В то же время, использование в GSM сжатия звука, ориентированного на речь, фактически означает, что скорость передачи данных с использованием такого модема, подсоединённого к телефону, будет даже ниже, чем в традиционных аналоговых системах. С появлением цифровой передачи данных в GSM, CSD предоставил практическим прямой доступ к цифровому сигналу, позволяя достичь более высоких скоростей [4, 10, 26, 78, 83, 84, 92].
CSD-вызов работает очень похоже на обычный голосовой вызов в GSM сетях. Выделяется единичный временной интервал между телефоном и базовой станцией. Выделенный «подвременной интервал» (16 кбит/с) устанавливается между базовой станцией и транскодером, и, наконец, другой временной слот (64 кбит/с) выделяется для передачи данных между транскодером и центром коммутации: Mobile Switching Centre (MSC) [4, 10, 26, 78, 83, 84, 92].
В MSC возможно преобразование сигнала в аналоговую форму и кодирование его с помощью PCM. Также возможно использование цифрового сигнала по стандарту ISDN и передача его на сервер удалённого доступа [4, 10, 26, 78, 83, 84, 92].
Система передачи по GSM-каналу обеспечивает высокую достоверность и низкую стоимость. Стоимость трафика системы мониторинга за одни сутки из четырех измерительных пунктов составляет около 40 рублей с учетом двухсторонней связи.
Для данной сети базовых станций максимальное удаление от центра сбора и обработки до измерительного пункта не превышает 35 км. Для передачи данных используется скорость 9600 бит/с.
Некоторые пункты находятся на значительном расстоянии от ретрансляционных станций и для обеспечения качественной связи применяются антенны с узкой диаграммой направленности. Антенна типа «Волновой канал» позволяет решить проблему потери мощности, но у нее есть недостаток – это большие габариты. Расположение пунктов в лестной местности, но в близи населенных пунктов ведет к вандализму. Наиболее подходящим решением этой проблемы использование направленных антенн AKL-900 производства компании ООО «АКЛ-БЕСТ» (рисунок 3.4) [7].
Программное обеспечение для обработки и визуализации данных
С августа 2000г на Камчатке проводятся комплексные скважинные геофизические измерения (геоакустические, электромагнитные и др.) [27-31, 38-43, 54, 70, 94-96]. Анализ данных проводится, в основном, с помощью пакета программ ABD (авторы – А.В.Дещеревский, В.И.Журавлев, ИФЗ РАН, г. Москва) [2, 3, 47]. С начала 2010 года для работы с геофизическими данными дополнительно с пакетом программ ABD используется программный продукт WinПОС, разработанный в НПП «Мера», г. Королев.
Пакет программ ABD, предназначенный для накопления, анализа геофизических и иных временных рядов данных, получаемых в результате длительных наблюдений, обладает рядом рабочих качеств, весьма полезных при работе с результатами долговременных измерений. К числу достоинств данного программного продукта можно отнести следующее [2, 3, 47]:
1) возможность хранения, каталогизации и достаточно быстрой первичной обработки временных рядов, сформированных в результате длительного периода наблюдений (десятки лет);
2) возможность ежедневного обновления имеющихся рядов с помощью предусмотренного в программе импорта “свежих” данных, поступающих по каналам телеметрии с пунктов измерения, а также создания новых рядов для новых видов наблюдений;
3) возможность подключения каталогов сейсмических событий;
4) возможность использования средств более основательной математической обработки временных рядов, таких, как построение спектров, выделение трендов, расчет фонового (минимального) уровня ряда, использование метода наложения эпох и т. д.;
5) возможность экспорта имеющегося временного ряда за несколько лет наблюдений в текстовый файл для обработки средствами других приложений и пакетов, а также многое другое.
Однако, несмотря на многочисленные достоинства пакета программ ABD, в первую очередь, он является пакетом приложений для операционной системы MS DOS. Соответственно, учитывая, что компьютеры центра сбора и обработки данных наблюдений ИВиС ДВО РАН, оснащены операционной системой Windows XP, использование данного пакета программ вызывает определенные затруднения в работе с временными рядами:
1) несовершенство графического отображения временных рядов, невозможность выбора пользователем режима масштабирования графиков;
2) ряд сложностей, связанных с сохранением графиков наблюдений в формате графического файла, необходимость привлечения для этой цели дополнительного программного обеспечения;
3) невозможность использования в имени временного ряда более 8 символов, вследствие чего возникает сложная “система кодирования” названий, что запутывает и усложняет и без того объемную базу геофизических наблюдений; аналогичное ограничение по числу символов имеется и для примечаний-комментариев к каждому ряду;
4) ряд особенностей использования пакета, связанных с необходимостью эмулировать систему MS DOS в системе Windows XP, таких, как необходимость работы в Far Manager и т. д.;
5) Затрудненность упорядочивания рядов в базе данных – копирования в другую базу или внутри текущей базы;
6) практически не поддерживается многозадачность Windows – при переключении на другое приложение производительность программы резко падает;
7) отсутствие поддержки «мыши»;
8) необходимость использования “ключевой дискеты” в качестве защиты от несанкционированного использования - устаревшего и ненадежного носителя информации.
Таким образом, для усовершенствования работы с временными рядами необходима разработка принципиально нового программного продукта, сочетающего в себе достоинства пакета ABD, и в то же время созданного для работы в операционной системе Windows XP.
Программный продукт WinПОС предназначен для обработки измерительной информации с помощью стандартных математических и статистических алгоритмов, графического представления данных и документирования. Достоинства данного продукта это:
1) мощный графический интерфейс, поддерживает современные устройства ввода, обеспечивает сохранение данных в удобном формате – текстовом и графическом;
2) пакетная обработка данных;
3) более 50 алгоритмов обработки сигналов.
Вместе с тем, практика работы с указанным программным пакетом выявила ряд недостатков, существенно влияющих на качество и удобство работы:
1) неоптимальное потребление памяти и ресурсов процессора. При запуске достаточно ресурсоемкой операции (например, расчете спектра), программа «подвисает», не перерисовывая рабочее окно и не давая возможности определить, каков прогресс в выполнении обработки;
2) в режиме отображения 3D спектра, рассчитанного для более-менее длинного промежутка времени, любые попытки взаимодействия с графиком (масштабирование, поворот, перемещение курсора, сохранение в виде картинки), вызывают «подвисание» системы на десятки минут;
3) невозможность подключения информации из внешнего файла (например, каталога землетрясений);
4) наличие одного USB-ключа, без ключа программа не работает;
5) на одном компьютере можно осуществлять обработку только одного сигнала;
6) размер обрабатываемого файла не может превышать 4Гбайт, даже если диск отформатирован в файловую систему NTFS;
7) неудобная шкала времени при отображении графиков.
Для решения выше перечисленных проблем создано программное обеспечение geoprocess. Программа представляет собой многодокументное приложение. На главном окне отображается исследуемый ряд данных. Графики в окне рисуются в виде линий. Начальная точка линии это конечная точка предыдущей линии. А конечная точка берется из файла ряда. Для того чтобы график по оси ординат отображался корректно, перед выводом производится поиск максимальных и минимальных значений. График рисуется с некоторым запасом по сторонам окна.
При построении отображаемого графика для расчета координаты ординат y(t) используется формула (4.1).
