Введение к работе
Актуальность работы. В перечень критических технологий Российской Федерации отнесены технологии мониторинга, прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Важнейшие из них связаны с геофизическим мониторингом событий в виде регулярно возникающих разрушительных сейсмических природных явлений, а также массовых техногенных взрывов. Развитие и совершенствование методов геофизического мониторинга относится к числу приоритетных современных проблем. Решение их напрямую связано с актуальными задачами повышения точности: 1) определения координат источников и времен вступления сейсмических и акустических волн, 2) оценивания геоэкологических рисков, которые связаны с разрушительными воздействиями сейсмических и акустических волн, порождаемых рассматриваемыми событиями.
Существует два подхода к решению этих задач – последовательный (on-line) и апостериорный (off-line). Последовательный подход ориентирован на получение наиболее «быстрого» (на текущий момент), но в общем случае не оптимального решения задачи. Напротив, апостериорный подход ориентирован на получение оптимального (по всем накопленным данным) решения. Иными словами, этот подход потенциально более точен, чем последовательный. Однако его алгоритмическая реализация сопряжена с решением трудоемких в вычислительном плане задач дискретной оптимизации. По этой причине большинство существующих off-line технологий решения задач разбивается на несколько этапов (подзадач), например, сначала фильтрация помех, а затем решение задач обнаружения, оценивания или принятия решения. Ключевой недостаток поэтапной обработки данных состоит в том, что даже в случае оптимального решения подзадач на каждом из этапов полученное в результате итоговое решение может не совпадать с оптимальным, т.к. решение, найденное по условным экстремумам, как известно, в общем случае не обязано совпадать с оптимальным решением.
В настоящей работе исследуется иной слабоизученный применительно к геофизическому мониторингу подход, в рамках которого решение задачи находится в едином процессе дискретной оптимизации без разбиения задачи на этапы.
Целью настоящей работы является разработка помехоустойчивых алгоритмов и программ, основанных на методах дискретной оптимизации, и проведение исследований по их применению при решении некоторых задачах геофизического мониторинга.
Задачи исследования. Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Разработка апостериорных алгоритмов для решения задач совместного помехоустойчивого обнаружения времен вступлений и оценивания геофизических волновых форм, основанных на методах дискретной оптимизации,
-
Программная реализация алгоритмов и анализ их работоспособности в численных экспериментах,
-
Оценивание применимости и эффективности созданных программно-алгоритмических средств для решения актуальных практических задач: 1) нефтепромыслового бурения; 2) оценивания геоэкологических рисков, порождаемых мощными техногенными взрывами с учетом влияния метеофакторов.
Методы исследования. В работе использованы методы дискретной оптимизации, цифровой обработки сигналов, теории распространения акустических волн, а также аппарат теории фракталов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Обоснованы новые более точные по сравнению с известными алгоритмы совместного помехоустойчивого обнаружения времен вступления и оценивания геофизических волновых форм.
-
Разработана оригинальная методика решения актуальных задач геофизического мониторинга, основанная на предложенных алгоритмах, которая обеспечивает решение задачи локации сейсмического источника в скважине с повышенной точностью.
-
Найдены на основе обработки данных экспериментов и численного моделирования более точные оценки параметров пространственной фокусировки энергии инфранизкочастотных акустических волновых полей от мощных взрывов и вибраторов при воздействии метеофакторов.
Практическая ценность работы обусловлена ее направленностью на решение актуальных проблем геофизического мониторинга окружающей среды. Результаты работы внедрены в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН.
Достоверность результатов подтверждена численным моделированием и результатами анализа большого объема реальных геофизических данных.
На защиту выносятся:
1. Апостериорные помехоустойчивые алгоритмы и методика решения задач совместного обнаружения и оценивания моментов времени вступления и оценивания сейсмических волн, обеспечивающие повышенную точность решения практических задач:
локации сейсмического источника в глубокой скважине;
оценивания экологических рисков от техногенных и природных взрывов для окружающей среды.
2. Комплекс программ для численного моделирования и обработки геофизических данных.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту результаты принадлежат лично автору. Вклад соискателя в совместные результаты заключается в разработке алгоритмов, создании и тестировании программ, проведении серии численных экспериментов и анализе полученных экспериментальных данных. Конфликт интересов с соавторами отсутствует.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
The 3rd International Forum on Strategic Technologies “IFOST”, Novosibirsk, 2008; 1st IEEE Region 8 International Conference on “Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering” SIBIRCON, Novosibirsk, 2008; 18th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Stockholm, 2008; International Conference on Mathematical Methods in Geophysics «MMG-2008», Novosibirsk, 2008; III азиатская международная школа-семинар «Проблемы оптимизации сложных систем», г.Бишкек, 2007; 8th International Conference on Mathematical and Numerical Aspects of Waves (Waves-2007), University of Readings, UK, 2007; 9 International Forum on Strategic Technologies, Ho Chi Minh city, Vietnam, 2009; 16th International Congress on Sound and Vibration (ICSV16), Krakow, 2009; Х Международный семинар по акустике неоднородных сред «Акустика-2009», Новосибирск, 2009; V Международная азиатская школа – семинар "Проблемы оптимизации сложных систем" – г. Бишкек, 2009; X Всероссийская конференция «Проблемы мониторинга окружающей среды (EM-2009)», Кемерово, 2009; IPMS, Antalya, Turkey, 2010; International Siberian conference on control and communications (SibCon-2011) Krasnoyarsk, 2011; World forum-International congress “Natural Cataclysms and Global Problems of the Modern Civilization”, Istanbul, Turkey, 2011; Конференция, посвящённая 75-летию со дня рождения академика РАН С.В.Гольдина (Гольдинские чтения), 2011; Конференции «Экология. Экономика. Информатика», 39-я конференция «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования», Ростов-на-Дону, 2011; The 7th International Forum on Strategic Technology, Tomsk, 2012; Intelligent Information Processing of the 9th International Conference (IIP-2012) Montenegro, Budva, 2012; Всероссийская научно-практическая конференция "Новые технологии в науке о земле и горном деле", Новый Афон, 2012; European Geosciences Union General Assembly 2013, Vienna, 2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК.
Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ №№ 08-07-10000к, 07-07-00214а, 09-07-120075-офи-м, 10-07-00387а, 11-07-10000к, междисциплинарных проектов СО РАН №№ 4.5, 4.6, 4.9-4, 4.9-5, 16.5, 16.6, 16.13, 16.15, а также интеграционных проектов СО РАН №№16, 54, 133.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 126 названий. Основное содержание представлено на 119 страницах, содержит 36 рисунков.
