Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Строительство объектов нефтегазового комплекса (НГК) в сейсмически активных зонах обуславливает необходимость оперативного мониторинга пространственно-временных и энергетических характеристик источников сейсмической активности (ИСА) как ключевого элемента системы мер по снижению их негативного воздействия. Значительная часть объектов НГК имеет повышенную уязвимость при сейсмических воздействиях, каждое из которых может иметь тяжелейшие технические, экономические и экологические последствия. Кроме проблемы опасности сейсмического воздействия на объекты НГК, обусловленой естественной нестабильностью районов их расположения, необходимо иметь в виду опасность антро-потехнического характера. Применяемые в отрасли технологии, например, гидравлическое воздействие является одним из наиболее действенных мероприятий, по увеличению темпов добычи углеводородов и более полной выработки месторождений. Как следствие происходит развитие различных техногенных процессов, которые могут приводить к сейсмической активности.
При всей важности проблемы обеспечения безопасности разработки месторождений углеводородов создание эффективной системы контроля за развитием сейсмических процессов и предупреждения их последствий находится в начальной стадии. Подтверждением этому является внимание к развитию разнообразных форм мониторинга процессов и состояний различных природных и техногенных объектов. При этом одной из важнейших является задача оперативного мониторинга сейсмической активности районов расположения объектов НГК на основе комплексного анализа предвестниковой информации по изменению портретов метеорологических, облачных, сейсмических и электромагнитных параметров.
В современных публикациях, посвященных проблематике мониторинга сейсмической активности показано, что она сопровождается изменениями магнитного поля. При этом отмечается практически детерминированная взаимосвязь отмеченных явлений. Активные исследования по изучению электромагнитных предвестников сейсмической активности, в частности выявлению взаимосвязи во времени и пространстве между субмиллисекундными (СбМС) электромагнитными импульсами (ЭМИ) и проявлениями сейсмической активности, подтверждают эти выводы. С учетом вышеизложенного обоснованно целесообразно говорить о том, что снижение разрушительных последствий землетрясений для объектов НГК потенциально возможно на основе регистрации СбМС ЭМИ, связанных с сейсмической активностью, и выделения из них полезной информации о параметрах ИСА.
Регистрация СбМС ЭМИ в пункте регистрации (ПР) радиотехническим комплексом (РТК) осуществляется на фоне помех естественного и искусственного происхождения, которые существенно влияют на его точностные, информативные и оперативные характеристики. Повышение качества функционирования РТК мониторинга сейсмической активности предполагает реализацию
современных методов оценки характеристик регистрируемых ЭМИ, полной автоматизации процессов обработки полученной информации. Следует отметить, что среди помех искусственного происхождения наибольшее влияние на качество решения задач определения параметров ИСА оказывают сигналы радиостанций (Р/Ст) ОНЧ-НЧ диапазона, которые для РТК являются узкополосными помехами (УП). Экспериментальные результаты свидетельствуют, что характер воздействия УП на входные тракты РТК в ПР представляет собой сложный случайный процесс, обусловленный включениями и выключениями действующих Р/Ст, статистикой времени их работы, изменчивостью условий распространения сигналов.
Для снижения негативного влияния УП на результат обработки информации об ИСА используются алгоритмы ее цифрового адаптивного подавления на основе дискретного преобразования Фурье. Однако этот способ требует значительных вычислительных затрат, что существенно ограничивает оперативность функционирования РТК и в условиях интенсивного потока сигналов оказывается неприемлемым, даже при использовании в составе РТК производительных ЭВМ.
Проблемная ситуация определяется противоречием между требуемым качеством решения задач локации ИСА с одной стороны и увеличивающимся временем на обработку и компенсацию помех в условиях интенсивного потока сигналов с другой. В этой связи научной задачей является разработка модели оценки влияния УП на информативные параметры ЭМИ и алгоритма компенсации УП в реализациях ЭМИ с малыми вычислительными затратами на основе использования математического аппарата теории цифрового спектрального анализа временных рядов и методов выявления скрытых периодичностей. Тема, посвященная решению научной задачи, является весьма актуальной.
Объект исследования — радиотехнический метод (РТМ) мониторинга источников ЭМИ.
Предмет исследования - математические основы компенсации УП при мониторинге источников ЭМИ.
Цель исследования - повышение оперативности мониторинга ИСА комплексом регистрации ЭМИ с компенсацией УП на основе уменьшения вычислительных затрат.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью исследования проводились в следующих направлениях:
Разработка аналитической математической модели влияния узкополосных помех на информативные параметры ЭМИ в виде совокупности формул для вычисления плотностей вероятности отклонений информативных параметров ЭМИ при известных отношениях значений параметров ЭМИ и УП.
Анализ вычислительной сложности известных методов выявления скрытых периодичностей и выбор метода наиболее эффективного по селективности, точности, оперативности и потенциальным возможностям для формализации его в виде быстродействующего алгоритма компенгсации УП.
Разработка алгоритма, обеспечивающего снижение вычислительных затрат на компенгсацию УП при сохранении требуемой точности вычислений.
Разработка процедуры получения прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.
Оценка точности определения параметров УП.
Оценка качества компенсации УП с использованием прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.
Выработка рекомендаций по применению разработанного алгоритма для выявления помеховой обстановки, компенсации УП и по выбору ЭВМ.
Методологические основы и методы исследования. Системный подход; методы выявления скрытых периодичностей; методы теории оптимизации; теория моделирования; математический аппарат теории вероятностей; математический аппарат дискретного преобразования Фурье и дискретного преобразования Уолша.
Основные научные результаты, представляемые к защите:
математическая стохастическая модель оценки влияния УП на информативные параметры ЭМИ;
алгоритм компенсации УП в реализациях сигналов ЭМИ с использованием прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что разработанная математическая модель влияния УП на информативные параметры ЭМИ в отличии от существующих является аналитической и позволяет вычислять плотности вероятности отклонения амплитудно-временных параметров ЭМИ для любых соотношений параметров УП и ЭМИ. Новизна алгоритма компенсации УП заключается в использовании алгоритма быстрого преобразования Уолша (БПУ) для спектрального анализа реализаций помехо-вых ситуаций вместо традиционного преобразования Фурье, что сокращает вычислительные затраты.
Практическая значимость результатов исследований заключается в том, что 1) разработанная математическая модель влияния УП на амплитудно-временные параметры ЭМИ позволяет производить анализ динамики плотности вероятности отклонения амплитудно-временных параметров ЭМИ при изменении параметров УП и может быть использована для получения законов распределения параметров ИСА или характеристик автоматизированных РТС, зависящих от параметров ЭМИ, классическими методами теории вероятностей, 2) разработанный алгоритм компенсации УП позволяет автоматизировать процесс выявления ПО при этом требует для компенсации УП втрое меньше вычислительных затрат, чем известные алгоритмы. Это позволяет повысить оперативность функционирования автоматизированных РТК в режимах работы с компенсацией УП в 2 — 3 раза.
Достоверность результатов подтверждается: результатами имитационного математического моделирования, показывающими, что точность определения параметров и качество компенсации УП предлагаемыми алгоритмами не
хуже, а вычислительные затраты ниже, чем у существующих алгоритмов; проверкой работоспособности алгоритмов и методики путём обработки реальных сигналов, зарегистрированных из эфира аппаратурным модулем ПР «ВЕРЕЯ»; сходимостью результатов оценивания степени повышения оперативности работы РТК, рассчитанных теоретически, с результатами эксперимента.
Апробация и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Межведомственных конференциях «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных систем» (г.Серпухов, 2003, 2004 г.г.) [7, 8, 9], II Международной НПК «Информационные технологии в образовании, науке и производстве» (г. Серпухов, 2008) [6].
По теме диссертации опубликованы 11 работ, из которых 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК («Информационные технологии в проектировании и производстве» [1,2], «Известия Института инженерной физики» [3,4,5]).
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационных исследований реализованы и внедрены в ФГУП «НИИ НЕПТУН» (г. С.Петербург), ФГУП НИИССУ (г. Москва), ООО «Интех» (г. Калуга), а также в учебном процессе Серпуховского ВИ РВ (г. Серпухов).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трёх разделов и. заключения. Общий объем диссертации - 134 страниц (2 табл. и 33 рис.). Список литературы включает 71 наименование.
