Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, в связи с необходимостью решения проблем защиты и предупреждения катастроф на природных и техногенных объектах, значительно возросла актуальность создания систем автоматизированного контроля геодинамических объектов. Это особенно важно в случаях расположения сложных народнохозяйственных объектов в сейсмически активных районах, а также в зонах естественных и искусственных неустойчивых геодинамических структур (оползни, осыпи, обвалы и зоны развития карста). Основные теоретические и методические положения организации контроля и мониторинга природной среды и литосферы подробно освещены в работах ученых Трофимова В.Т., Епишина В.К., Королева В.А., Израэля Ю.А., Гамбурцева А.Г. и др.
Наиболее перспективным при организации автоматизированного контроля геодинамических объектов является применение электромагнитных методов зондирования сред, которые обеспечивают эффективную организацию наблюдений за геологическими объектами, оценку состояния и прогноза развития, что определяется их высокой технологичностью. Значительный вклад в развитие этих методов внесли научные коллективы ряда высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов, а также известные ученые Тихонов А.Н., Садовский В.П., Страхов В.Н., Четаев Д.Н., Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Жданов М.С., Хмелевской В.К., Шевнин В.А., Светов Б.С., Спичак В.В., Огильви А.А., Иванов А.П., Шаманин С.В., Черняк Г.Я. и др. Предложенные на основе их исследований технические решения ориентированы на сравнительный анализ временных рядов с фильтрацией природных и техногенных ритмов и на выделение полезной геодинамической составляющей. Такой подход удобен для исследовательских целей, а при реализации функции контроля, предназначенного для оперативной реакции на критичные геодинамические изменения объекта, является не совсем эффективным. Кроме того, при его практическом применении возникает серьезная проблема, связанная с выделением малых геодинамических вариаций отдельных объемов геологической среды.
Контроль за вариациями отдельных объемов среды позволяет получить информацию о возможных катастрофических изменениях раньше, чем при слежении за геодинамикой среды в целом. Повышение геодинамической чувствительности за счет выделения аномальных составляющих сигналов и обязательность контроля вариаций отдельных геодинамических объектов в исследуемой среде приводит к необходимости расширения информационной насыщенности и разнообразию применяемых при интерпретации геоэлектрических моделей. Таким образом, при информационной обработке данных геодинамического контроля важная роль должна отводится разработке моделей геодинамических процессов и помехообразующих факторов, обеспечивающих требуемую точность геодинамической оценки.
Существующие в настоящее время системы автоматизированного контроля и мониторинга геологических объектов предназначены в основном для научных исследований и не обеспечивают оперативной обработки информации о текущих геодинамических изменениях, необходимой для принятия решений при возникновении чрезвычайных ситуаций в режиме реального времени. Таким образом, в современных условиях постоянного возрастания техногенной нагрузки на природную среду, для автоматизированного электромагнитного контроля геодинамических объектов, особую значимость приобретает создание теоретических основ, включающих в себя методы организации самих систем контроля, геодинамических моделей, методик, алгоритмов обработки информации и принятия оперативных решений.
Разработка технических решений на базе созданных теоретических положений и их внедрение в народное хозяйство будет существенным вкладом в создание систем предупреждения техногенных катастроф на промышленных и жизнеобеспечивающих объектах. Таким образом, тема диссертационного исследования является актуальной как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Объектом исследования являются процессы контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазонах электромагнитных волн.
Предметом исследования являются методы, модели, алгоритмы и устройства извлечения и обработки информации в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов.
Целью диссертационной работы является повышение безопасности техногенных объектов.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:
1. Анализ особенностей процессов контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне волн.
2. Исследование и разработка структуры системы автоматизированного электромагнитного контроля геодинамических объектов
3. Исследование методов геоэлектрического моделирования геодинамических объектов и процессов и построение базовых моделей.
4. Исследование и формирование методов обработки информации при электромагнитном контроле геодинамических объектов.
5. Исследование методов построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников, организации регистрации и обработки геомагнитных данных по распределенной сети станций наблюдения.
6. Разработка алгоритмов обработки информации в системе мониторинга импульсных геомагнитных источников и исследование точности статистических оценок эпицентральных зон импульсных геомагнитных возмущений с использованием методов регрессионного анализа.
7. Разработка методических рекомендаций по применению теоретических положений при построении систем автоматизированного контроля геодинамических объектов и создание на их основе реальных систем контроля, обеспечивающих повышение безопасности техногенных объектов.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы математической статистики, теории принятия решений, теории поля, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического, имитационного и натурного моделирования.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования обеспечивается корректностью использования математического аппарата, соответствием данных имитационного геодинамического моделирования и выводов, полученных по итогам теоретического моделирования, результатам обработки данных экспериментальных научных исследований, и подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на предлагаемые способы и устройства.
Научная новизна работы заключается в том, что предложены:
Теоретические основы построения систем автоматизированного контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, обеспечивающие решение задач сбора, обработки и анализа данных в условиях динамических изменений геологической среды и включающие в себя:
- метод организации регистрации электромагнитных сигналов в геологических средах, отличающийся выделением аномальных составляющих поля и позволяющий повысить геодинамическую чувствительность при проведении автоматизированного контроля;
- методику геоэлектрического моделирования и базовые модели геодинамических объектов и процессов, отличающуюся представлением объектов исследования в виде пространственно-временных функций с учетом влияния климатических и планетарных факторов;
- методику пространственно-временной обработки сигналов электромагнитных полей, отличающуюся представлением моделей сигналов аномальных составляющих в аддитивно-мультипликативной форме и позволяющую сократить время обнаружения кризисных состояний техногенных объектов;
- алгоритм температурной коррекции данных геодинамического контроля, построенный на основе регистрации температурного градиента в исследуемой среде и учета его в геоэлектрических моделях объектов, позволяющий устранить влияние температуры на геодинамическую оценку;
- методы и принципы построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников, базирующиеся на регистрации геомагнитных данных по распределенной сети станций наблюдения в диапазоне короткопериодических колебаний и позволяющие повысить точность контроля параметров геомагнитных возмущений;
- алгоритмы распределенной регистрации и обработки сигналов геомагнитного поля на сети станций наблюдения, позволяющие автоматизировать процессы обнаружения и выделения сигналов геомагнитных пульсаций;
- алгоритмы регрессионной обработки геомагнитных данных, отличающиеся выделением парциальных составляющих и волновых пакетов, позволяющие существенно уменьшить погрешность оценок параметров геомагнитных источников и устранить ошибку их идентификации;
- методику геодинамического контроля приповерхностных неоднородностей с использованием многополюсных электроустановок, отличающуюся способами обнаружения и выделения аномальных геодинамических вариаций приповерхностных неоднородностей на основе анализа поляризационной структуры поля.
Практическая ценность результатов диссертационного исследования . заключается в:
- разработанном специализированном системном и прикладном программном обеспечении для систем геодинамического контроля;
- устройствах обработки информации в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов, признанных изобретениями;
- применении разработанных методик при создании специализированных систем контроля геодинамических объектов, таких как комплексы контроля геодинамики приповерхностных экзогенных процессов, системы контроля возмущений геомагнитного поля в ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, распределенные системы контроля импульсных геомагнитных источников и системы контроля геодинамики карстовых явлений;
- результатах работы указанных систем на реальных техногенных объектах.
Результаты диссертационной работы внедрены:
- при организации исследований и геодинамического контроля карстовых объектов на ряде предприятий Нижегородской области в рамках совместных работ с ГУП «Береговая и карстовая защита» г. Дзержинск , Нижегородской обл.;
- при исследовании оползневых структур в рамках работ с ООО «Стеллс» г. Москва;
- при построении систем автоматизированного электромагнитного контроля параметров специализированных объектов и изделий в ОАО « Муромтепловоз» г. Муром;
- при создании распределенной системы геодинамического контроля фундаментов зданий в ОАО «Муромский радиозавод»;
- при определении устойчивости карьерных разработок песка с ООО «Автоспецстрой» и г. Муром, Владимирской обл.;
- в учебный процесс по специальностям «Радиотехника», «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Приборы и методы контроля качества и диагностики», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» в Муромском институте ВлГУ
На защиту выносится:
-
Структура систем автоматизированного контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, учитывающая особенности геодинамических изменений среды.
-
Метод организации регистрации электромагнитных сигналов в геологических средах, основанный на выделении аномальных составляющих поля.
-
Методика геоэлектрического моделирования геодинамических объектов и процессов с учетом влияния климатических и планетарных факторов и базовые геоэлектрические модели.
-
Методика пространственно-временной обработки сигналов электромагнитных полей с выделением аномальных составляющих на основе применения аддитивно-мультипликативных моделей.
-
Методы и принципы построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников.
-
Алгоритмы регрессионной обработки геомагнитных данных, построенные на выделении парциальных составляющих и волновых пакетов геомагнитных возмущений.
-
Алгоритмы распределенной регистрации и обработки сигналов геомагнитного поля на сети станций наблюдения в диапазоне короткопериодических колебаний.
-
Методика построения геодинамического контроля приповерхностных неоднородностей с использованием многополюсных электроустановок.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах и опубликованы в материалах и трудах: Муромского института Владимирского государственного университета (1990-2008 г.г.), International Congress on Environmental Modeling and Software – Barcelona, Spain, 2008; на 17-й международной конференции «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии», – Севастополь, Украина, 2007; на 1-й и 2-й международных научных конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники», – Ростов-на-Дону, 2007-2008 гг.; на 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» – Рязань, 2004 – 2005 гг.; General Assembly, «Geoelectrical monitoring in zones of seismic, landslide and karst activity», Bulgaria, Sofia, 2005; в материалах 6-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» – Владимир, 2005; Geophysical Research Abstract. – European Geosciences Union, Austria,Vienna, 2005; на 6-11-й заочных Всероссийских НТК «Методы и средства измерений физических величин» – Н.Новгород, 2001 – 2005 гг.; на VIII-й международной научно-технической конференции «Наука и образование 2005» – Днепропетровск, 2005; на VI-ой заочной Всероссийской НТК «Современные проблемы математики и естествознания» – Н.Новгород, 2004; на XIII-й заочной Всероссийской НТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» – Н.Новгород, 2004; IV International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology – France. – Nice, 2004; на международном симпозиуме «Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение» – Пермь, 2004; III International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology – Russia. – Moscow, 2003; на III-й Всероссийской НТК «Дистанционное зондирование земной поверхности», Муром, 1999.
Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ совместно с Институтом Физики Земли РАН: НИР ИФЗ РАН «Разработка и опробование дирекционного анализа полей геомагнитных пульсаций» (№ гос. рег. 72036150); НИР ИФЗ РАН «Исследование особенностей электромагнитного поля геомагнитных пульсаций, обусловленных сверхмедленным распространением вдоль поверхности Земли» (№ гос. рег. 78003085); НИР ИФЗ РАН «Исследование количественных характеристик геомагнитных среднеширотных пульсаций» (№ гос. рег. 80069244); ГБ НИР МИ ВлГУ № 225/87 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв.№ 09210044552); ГБ НИР МИ ВлГУ № 264/91 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв.№ 09210044552, № гос.рег. 02960007077 ); ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв.№ 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); ХД НИР с ИФЗ РАН №665/02 «Разработка и изготовления датчиков электрического поля»; Грант РФФИ по поддержки молодых ученых «Исследование механо-электрических явлений в горных породах» (№ 600052/99), Грант РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08-07-99032).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 126 работ, в том числе 1 монография, 69 статей – из них 21 в центральных российских и зарубежных журналах перечня ВАК, 48 публикаций в трудах конференций и тезисах докладов, получены 10 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации на изобретения и полезные модели.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 253 наименования, 5 приложений на 28 страницах. Основной текст работы изложен на 373 страницах машинописного текста, поясняется 72 рисунками и 16 таблицами.
