автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методы проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации

На правах рукописи

Сарычев Дмитрий Юрьевич

Методы проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической

информации

05.13.12 Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2008 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики на кафедре "Проектирования компьютерных систем"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коробейников Анатолий Григорьевич Научный консультант' доктор физико-математических наук

Копытенко Юрий Анатольевич Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Демин Анатолий Владимирович

Ведущая организация- Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита состоится "19" февраля 2008 г. в 15— часов на заседании диссертационного совета Д.212 227.05 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики. Адрес. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр 49 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан "18" января 2008 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 227.05

кандидат технических наук, доцент Ван-дер-Флаас Александр Сергеевич

к.т н, доцент

Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Системы автоматизации проектирования (САПР) на текущий момент используются практически во всех сферах деятельности человека - в машиностроении, энергетике, электронике, архитектурно-строительной отрасли, строительстве дорог, медицине и даже правовой деятельности В одних областях САПР уже имеют широкое распространение и успешно применяются, а в других их использование только начинается

Одной из таких областей, где САПР еще не достаточно широко используются, является проектирование систем сбора и обработки геофизической информации Одна из важнейших задач, которая может быть решена подобными системами - это прогнозирование землетрясений А так как каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них -разрушительные, то задача разработки методов проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации является актуальной.

Причина недостаточно большого использования САПР в такой важной области заключается в том, что различные возможности и границы применения вычислительной техники для автоматизации проектирования определяются уровнем формализации научно-технических знаний в конкретной отрасли Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации процесса их проектирования А до недавнего времени не существовало теоретических методов, позволяющих сделать краткосрочный прогноз землетрясения с достаточно высокой вероятностью, а, следовательно, не существовало математического обеспечения САПР для систем, позволяющих делать такой прогноз.

На данный момент достаточно высокая вероятность реализации достигнута только для долгосрочных и среднесрочных прогнозов. Краткосрочные же прогнозы пока имеют небольшую вероятность реализации

В последние 10-15 лет интенсивно изучаются ультранизкочастотные (УНЧ) электромагнитные возмущения, связанные с процессами подготовки сильных землетрясений Исследования осо-

з

бенностей поведения градиентов и фазовых скоростей УНЧ вариаций в сейсмоактивных зонах показали, что задолго до первого фор-шока, при помощи магнитных градиентометров можно на большом расстоянии (до нескольких сотен километров) определять локальные области аномальной проводимости в земной коре, которые приурочены к очагу предстоящего сильного землетрясения. Поэтому фазово-градиентные методы исследования УНЧ электромагнитных предвестников могут быть положены в основу математического и программного обеспечения (ПО) систем автоматизации проектирования комплекса оборудования, предназначенного для краткосрочного прогноза сильных землетрясений

Таким образом, диссертационная работа по разработке методов проектирования математического и ПО систем сбора и обработки геофизической информации является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью данной работы является разработка методов автоматизированного проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи

® Анализ состояния современных систем сбора и обработки геофизической информации на предмет выявления преимуществ и недостатков существующих систем.

® Разработка математического и программного обеспечения системы автоматизации проектирования комплекса оборудования, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации

® Разработка проектной процедуры системы автоматизации проектирования программного обеспечения комплекса, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

Методы исследования.

В ходе работы над диссертацией использовались методы теории автоматизированного проектирования, математический аппарат теории обработки сигналов, математической статистики, аналитической геометрии, вычислительной математики, математического программирования, теории алгоритмов и

дискретной математики

Научные положения, выносимые на защиту:

• методы проектирования математического и программного обеспечения системы сбора и обработки геофизической информации;

• автоматизированные методы обработки геофизической информации;

• методика отбраковки недостоверных данных при обработке геофизической информации,

•методика определения района прогнозируемого землетрясения. Научная новизне работы.

• Разработана методика проектирования ПО для автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации.

• Разработана методика определения района прогнозируемого землетрясения.

Практическая ценность.

Разработано ПО системы автоматизации проектирования комплекса оборудования сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений Внедрение результатов работы.

Разработанное в диссертационной работе ПО используется в составе автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений в СПбФ ИЗМИР АН, что подтверждено соответствующим актом

Также результаты диссертационной работы используются в научно-исследовательской и учебной работе кафедры проектирования компьютерных систем факультета Компьютерных технологий и управления СПбГУ ИТМО, что подтверждено соответствующим актом. Апробация работы.

Обсуждения и доклады производились на: • международной научно-технической конференции

«Интеллектуальные системы (IEEE AIS'05)» и

«Интеллектуальные САПР (CAD-2005)»,2005 г •III межвузовской конференции молодых ученых, 2006 г.

«международной научно-технической конференции

«Интеллектуальные системы (IEEE AIS '06)» и «Интеллектуальные САПР (CAD-2006)», 2006г. «IV межвузовской конференции молодых ученых, 2007 г

По теме диссертации был выигран грант в конкурсе для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга в 2007 году Публикации.

Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах, в том числе входящие в список рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрируется 17-ю рисунками, 2-мя таблицами, и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 82 наименования

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы

В первой главе рассматриваются современные системы и принципы прогнозирования сильных землетрясений.

Описываются различные типы прогнозирования: статистическое, тектоническое и физическое Приводятся основные типы геофизических предвестников землетрясений

Более подробно проанализированы такие виды краткосрочных предвестников землетрясений, как:

• Сейсмические волны

• Движения земной коры

• Электромагнитные предвестники Рассматриваются их достоинства и недостатки. Описываются

экспериментальные результаты их использования для предсказания землетрясений.

На основании вышеизложенного материала делаются выводы об актуальности задачи разработки методов проектирования математического и ПО систем сбора и обработки геофизической

информации и дальнейшем развитии наиболее перспективного на текущий момент метода краткосрочного прогнозирования землетрясений - фазово-градиентного метода.

Во второй главе разработана структура автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации (рис. 1) Производится характеристика функциональности каждой из ее подсистем.

• Подсистема сбора данных - это программно-аппаратный комплекс, включающий в себя датчики и устройства хранения или передачи информации. Он отвечает за регистрацию наблюдаемых геофизических процессов Например, таких как сейсмические волны, смещение земной поверхности, уровень подземных вод, электромагнитные аномалии и т.п.

Рис.1. Структура автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

• Подсистема предварительной обработки информации отвечает за фильтрацию и необходимую дискретизацию данных.

• Подсистема постобработки данных. Здесь реализованы специальные алгоритмы обработки отфильтрованных данных, результатом работы которых является определение наличия или отсутствия предвестника землетрясения в полученном сигнале. В случае его обнаружения - определение координат, времени и силы готовящегося землетрясения.

• Подсистема вывода конечного результата отвечает за вывод необходимой информации, например, оповещение оператора при обнаружении предвестника землетрясения

Далее описывается разработка проектной процедуры,

позволяющей по ряду параметров таких как

• размер-области наблюдения

• тип используемых датчиков

• частота дискретизации съема данных

• тип используемых линий передачи данных

• метод определения предвестников

построить проектное решение относительно системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений в реальном масштабе времени

В третьей главе рассматривается фазово-градиентный метод, входящий в состав математического обеспечения Метод позволяет по трем трехкомнонеитным магнитным станциям, расположенным треугольником на земной поверхности на небольшом расстоянии друг от друга (в дальнейшем будем называть такую конфигурацию магнитных станций "магнитным градиентометром"), определить фазы и градиенты геомагнитных пульсаций вдоль земной поверхности для каждой из трех компонент магнитного поля, что позволит определить направление на источник этих пульсаций (точнее, его проекцию на земную поверхность)

После этого приводится модификация фазово-градиентного метода, которая позволяет провести последующую его алгоритмизацию более просто

Пусть х„у,- координаты точки г (рис 2 1=1,2,3) в системе координат (ХУ), х'„у'- координаты точки г в системе координат (Х'У'), время, когда фронт волны находится в точке и V -скорость движения фронта волны, Уц - скорость передвижения фронта волны из точки г в точку], тогда.

У = Уасо${а) ; К = К3,со¡{у-а)

V

= агс^ -а—_ ып(г)

а = агс^

ч

А = (*3 - Х2 )С0;3(- Р) - (уУ ~ У2 ЬЦ- Р) Уг = (хг — ^с1)э1Гк(— Р) + (у. - у,)соз(- /3)

Искомый угол в системе координат (ХУ): в = а + р

Рис. 2. Расположение основной (ХУ) и вспомогательной (Х'У) систем координат; 1,2,3— магнитные станции градиентометра

Далее идет разработка и анализ алгоритма, позволяющего по данным о геомагнитных вариациях, полученным в трех точках на земной поверхности определить вектора градиентов и фазовых скоростей распространения УНЧ электромагнитных возмущений вдоль земной поверхности.

Алгоритм состоит из четырех основных частей:

а) вычисление периода э/м волны;

б) вычисления разницы времен прихода фронта УНЧ электромагнитных возмущений на магнитные станции;

в) отбраковки недостоверных данных

г) вычисления векторов градиента и фазовой скорости.

После описания всех алгоритмов производится анализ

временной сложности каждого из алгоритмов и всего процесса вычисления в целом

В четвертой главе проводится проектирование, описывается рек ч,зация и тестирование ПО автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

ПО предназначено для вычисления и отображения в графическом виде направлений векторов фазовой скорости и градиента УНЧ электромагнитных вариаций, а также выдачи предупреждающего сигнала оператору, если вычисленные значения превысили заданный пороговый уровень

Таким образом, разрабатываемое ПО должно позволять: . считывать исходные данные

. вычислять вектора градиента и фазовой скорости

УНЧ электромагнитных вариаций . отображать в графическом и текстовом виде

вычисленную информацию • в необходимых случаях (например, превышение порогового уровня вычисленным значением) оповещать оператора звуковым сигналом и соответствующим текстовым сообщением - позволять сохранять вычисленную информацию на жестком диске в виде файла Также необходимо спроектировать программу так, чтобы её возможно было использовать с различными источниками данных (например, Ethernet или СОМ-порт)

Учитывая данные требования, была создана следующая диаграмма классов (рис. 3)

В соответствии с вышеизложенными требованиями было разработано ПО. Его интерфейс состоит из двух окон. Основное (рис 4) - в котором вводятся начальные параметры, и отображается информация о процессе вычисления в текстовом виде Дополнительное (рис. 5) - служит для отображения информации в графическом виде. Основное окно программы

Панель «Station coordinates» - отображает координаты станций, которые считываются из файла входных данных (могут быть модифицированы пользователем прямо в данной панели). Панель «Calculation parameters» - параметры вычисления векторов фазовой скорости и градиента УНЧ электромагнитных вариаций.

CDiiEwal CheainForniDialog CVisualizatíonDialog

1 1

*CreateCalculatIonThread:HANDLE

CPortíotiQíData

+Fill: bool

\

CPortíonOfModelData CPortionOtFileData CPortionOfNetworkData

+FIII:bool +F1li:bool +Fili:t>ooi

Рис. 3. Диаграмма классов

Time of wave period calc. - время для вычисления точного периода УНЧ электромагнитных вариаций (должно быть минимум в два раза больше предполагаемого периода волны). По умолчанию 5 с. - предполагаемый период 2 с.

Period of sampling - период съема входных данных. По умолчанию 0.02 с - для 50-ти герцовых данных.

Trusting threshold - доверительный порог. Значение от 0 до 1, используется для отбраковки зашумленных данных.

Number of files in calculation period - количество входных файлов, которые составляют один период вычислений. Панель «Data» - содержит инструментарий для ввода имени входного файла:

- поле для ручного ввода имени файла

- кнопка «...» для открытия диалога выбора входного файла Панель «Results» - отображает результаты вычисления и содержит кнопку «Save» - для сохранения в файл полученных результатов и

и

три окна:

^Calculation of Wave Direction

Station coordinates -

fil ¡35.190 0 lamí 1140.150 fi2 ¡ 35.160 * Iam2 j 140.150 fi3135.160 0 Iam3 1140.200

- Calculation parameters ---77—-■

Time of wave period calc.

(greater than two periods)

Period of sampling [° 02 s

Trusting thresteld jo.8

Number of files in r—-

calculation period I10

Results -

Jfcs8IG.txt

_Ji

Open-visualization window

Deltal2 = 3.338 km Deltal3 = 5.642 km Delta23 = 4.548 km T = 2.06 s

1322 calculations done Ног. сотр.: cull 183 (13.8%) Vert, сотр.: cull 774 (58.5%)

Reading line #20 from file list (in all 132)

CALCULATING

Velocity

-180 1 14 -180 0 0

-170 1 10 -170 0 0

-160 0 2 -160 0 О

-150 0 2 -150 0 О

-140 1 14 -140 О О

-130 5 8 -130 0 0

-120 10 42 -120 0 0

-110 105 66 -110 0 0

-100 17 13 -100 0 4

-90 376 48 -90 3 2

-80 6 3 -80 0 2

-70 31 7 -70 0 0

-60 2 0 -60 0 0

-50 1 0 -50 0 0

-40 0 0 4(1 0 0

-30 0 0 -зо о о

-20 0 0 -20 3 2

-10 0 9 -10 17 6

ООО 0 46 23

10 0 0 10 39 33

20 0 0 20 16 32

30 0 0 30 7 29

40 0 0 40 5 25

50 0 0 50 3 33

60 0 0 60 4 12

70 0 0 70 1 1

80 0 0 80 0 0

90 1 6 90 0 0

100 2 0 100 0 0

110 0 2 110 7 0

120 0 0 120 24 3

130 0 0 130 90 16

140 0 0 140 140 10

ISO 0 0 150 120 12

160 0 0 160 3S 12

170 0 0 170 2 13

180 0 0 180 0 1

В первом:

Delta12 = 3.338 km Delta13 = 5.642 km Delta23 = 4.548km T = 2.08 s

Рис. 4. Основное окно

• расстояние от первой станции до втосои

■ расстояние от первой станции до третьей - расстояние от второй станции до третьей

■ период УНЧ электромагнитных вариаций

1322 calculations done Hor. como.: cull 183 (13.8%') Vert, ccmp.: cull 774 (58.5%)

- текущее количество сделанных вычислении

- количество отбракованных вычислений по гор. компоненте

- количество отбракованных вычислений по верт. компоненте

Reading line #20 from file list fin all 132) - номер обрабатываемой строки из списка файлов CALCULATING - текущее состояние системы

Во втором и третьем окнах отображается распределение результатов вычислений направлений векторов фазовой скорости и градиента по углу. Левый столбец - угол, средний - направление,

вычисленное по горизонтальной компоненте, правый - направление, вычисленное по вертикальной компоненте.

В самом низу окна находится индикатор прогресса обработки текущей строки списка файлов.

-90 V«« !»" .

i'U ЕБЭ -К ИЗГХ Я

и ■- 1 :>■ Я..

jkv i«:. ^ >;.«-.

V 3 ад i .»¡«5 »¡BSiS «ш

Type of Data ■ ------- -

! r Gradient ; W Velocity

-Component-----

j V Horizontal : P" Vertical

Grid Step |5

i-: Alam threshold r Sound alarm

Current mouse position

- Type of Data Г? Gradient Г Velocity

-Component------

Г Horizontal Vertical

GridStep |3

Alarm threshold j50 % Г Sound aiarrn Current mouse position

'ШШ^НШШ^ШЙШ.'Й:!^0&.У& tfj* «V *•. .« .« »| 165°-175°; 11% i : ■ .---—-

FileNamts | _4esBIG.txt

... | Cakuiata ]

-Cdorsdiefra -------1

S" White <->Red | _

L f 'WHte <->Red&n) I

Рис. 5. Окно визуализации

Окно визуализации

Окно визуализации позволяет наглядно отобразить результаты вычисления направления векторов фазовой скорости и градиента. Оно содержит две одинаковых панели вывода графической информации, которые позволяют одновременно просматривать различные результаты, например: направление вектора градиента и направление вектора фазовой скорости или направление вектора градиента вычисленное по вертикальной компоненте электромагнитного поля и направление вектора градиента вычисленное по горизонтальной компоненте электромагнитного поля.

Каждая из панелей имеет полосу прокрутки, которая позволяет одновременно просматривать результаты, вычисленные для разных моментов времени.

Настройки вывода графической информации

Панель «Туре of Data» - выбор, направление какого вектора будет отображаться:

• Gradient - направление вектора градиента

• Velocity - направление вектора фазовой скорости

Панель «Component» - выбор, по какой компоненте электромагнитного поля будет рассчитываться отображаемая информация:

• Horizontal - по горизонтальной компоненте

• Vertical - по вертикальной компоненте «Grid Step» - шаг градуировки шкалы времени

«Alarm threshold» - пороговый уровень, при котором необходимо оповестить оператора (точка, в которой превышен пороговый уровень, на графике выделяется синим цветом) «Sound alarm» - включение звуковой сигнализации при превышении порогового уровня

«Current mouse position» - интервал углов, который соответствует той точке на графике, где в данный момент находится курсор мыши Общая настройка «Color scheme» - позволяет более контрастно отображать информацию в случае, если на графике нет явных максимумов.

Также из этого окна возможно контролировать (запускать, останавливать) процесс вычисления и открывать списки входных файлов

Далее описываются форматы входных и выходных файлов. Тестирование программного обеспечение происходило в два этапа. Первый этап заключался в том, что программа обрабатывала смоделированные данные по заданным координатам станций и эпицентра электромагнитных возмущений. Проверялась корректность вычисления необходимых параметров (векторов градиента и фазовой скорости) и устойчивость работы программы при обработке больших объемов информации. Также на этом этапе проверялся метод отбраковки данных по вычисленным коэффициентам корреляции путем внесения шума в модельные данные.

Второй этап тестирования нес характер исследования применимости разработанного программного обеспечения для

работы с реальными данными и получения по ним необходимой информации. Для этого были использованы данные, предварительно записанные на шести высокочувствительных цифровых трехкомпонентных магнитных станциях расположенных в Японии южнее Токио. Три станции расположены на полуострове Изу и три - на полуострове Босо. Полученные результаты вычислений сопоставлялись с сейсмической ситуацией, которая наблюдалась в районе снятия данных в последующие недели и месяцы.

В процессе тестирования программное обеспечение показало устойчивую работу, как на модельных, так и на реальных данных. Результаты вычислений соответствовали ожидаемым. Т.е. для модельных данных были получены те значения, которые использовались для моделирования, а для реальных - вычисленные значения соответствовали сейсмической обстановке, наблюдаемой в районе снятия данных.

Далее приводится описание метода определения координат будущего землетрясения, по выходным данным разработанного

ПО.

138° 140° 142°

Рис. 6. Расположение магнитовариационных станций на полуостровах Изу и Чиба (треугольники) и эпицентры сейсмических толчков (кружки) в период

27.06-01.08.2000 г.

Если при обработке данных происходит достижение порогового уровня, то можно сказать, что будущее землетрясение произойдет в направлении от градиентометра, соответствующем вычисленному направлению вектора градиента При получении этих данных с двух градиентометров мы можем определить район будущего землетрясения как область пересечения секторов, соответствующих направлениям векторов градиентов.

На рисунке 6 приведен пример подобного определения местоположения будущего землетрясения

Черные треугольники на этом рисунке обозначают местоположение 6 магнитовариационных станций на двух полуостровах - Изу и Чибо (Боссо) Магнитные станции обозначены также первыми двумя буквами их названия и означают-ЭЕ - Сейкоши, Мо - Мочикоши, Ка - Камо, Ш - Унобе, 11с -Учиура ий- Киосуми Расстояние между двумя группами станций, расположенных на Изу и Чиба составляет -140 км Черные стрелки означают направление векторов градиентов пульсаций с периодом 20 с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы над диссертацией были получены следующие основные результаты

1. Проведен анализ современных систем сбора и обработки геофизической информации на предмет выявления преимуществ и недостатков существующих систем

2. Разработано математическое и программное обеспечение системы автоматизации проектирования комплекса оборудования, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

3. Разработана проектная процедура системы автоматизации проектирования программного обеспечения комплекса оборудования, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации

4. Разработаны методы автоматизированной обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

5 Разработана методика отбраковки недостоверных данных при обработке геофизической информации,

6. Разработана методика определения района прогнозируемого землетрясения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Коробейников А.Г , Копытенко Ю А., Сарычев Д.Ю , Семенов Н.А. Проектирование автоматизированных систем сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений. "Труды международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы (IEEE AIS'05)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2005) ". Научное издание в 3-х томах. М Изд-во Физико-математической литературы, 2005, том 2. с.115-120

2 Копытенко Ю А., Коробейников А Г, Исмагилов В. С, Сарычев Д.Ю Автоматизированная система сбора и обработки геофизической информации для выявления предвестников землетрясений. Известия высших учебных заведений «Приборостроение» 2006. том 49, № 10, с 47-50.

3. Коробейников А.Г., Копытенко Ю А, Сарычев Д Ю Принципы работы и построения автоматизированной системы выявления краткосрочных предвестников сильных землетрясений. "Труды международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы (IEEE AIS'06)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2006)" Научное издание в 3-х томах. М.-Изд-во Физико-математической литературы, 2006, том 2. с 505-510

4. Сарычев Д Ю. Проектирование программного обеспечения для сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО Выпуск 29. I сессия научной школы «Информационная безопасность, проектирование, технология элементов и узлов компьютерных систем». СПб' СПбГУ ИТМО, 2006. с 141-144.

5 Сарычев Д.Ю. Автоматизированная система выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений на основе геофизической информации. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 40 I сессия научной школы «Информационная безопасность, проектирование, технология элементов и узлов компьютерных систем» СПб СПбГУ ИТМО, 2007. с 28-31

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14

Тел (812) 233 4669 Объем 1 у пл.

Тираж 100 экз

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и задачи автоматизированного прогнозирования землетрясений

1.1 Обзор существующих комплексов прогнозирования сильных землетрясений

1.2 Анализ различных типов краткосрочных предвестников землетрясений

1.3 Выводы

ГЛАВА 2. Методы проектирования систем сбора и обработки геофизической информации

2.1 Структура автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

2.2 Параметры,.определяющие подсистемы комплекса сбора и обработки геофизической информации

2.3 Разработка проектной процедуры

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. Разработка и анализ алгоритма вычисления векторов градиента и фазовой скорости распространения УНЧ электромагнитных возмущений на основании фазово-градиентного метода

3.1 Описание фазово-градиентного метода

3.2 Общий алгоритм обработки данных

3.3 Алгоритм вычисления периода э/м волны

3.4 Алгоритм вычисления векторов градиента и фазовой скорости

3.5 Алгоритм вычисления разницы времен прихода фронта электромагнитных возмущений на станции магнитного градиентометра

3.6 Алгоритм вычисления коэффициента корреляции данных

3.7 Выводы

ГЛАВА 4. Проектирование, реализация и тестирование программного обеспечения автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

4.1 Проектирование программного обеспечения системы

4.2 Разработка программного обеспечения

4.3 Интерфейс программного обеспечения системы

4.4 Формат файлов входа и выхода

4.5 Тестирование программного обеспечения системы

4.6 Метод определения координат будущего землетрясения

Актуальность работы.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) на текущий момент используются практически во всех сферах деятельности человека -в машиностроении, энергетике, электронике, архитектурно-строительной отрасли, строительстве дорог, медицине и даже правовой деятельности. В одних областях САПР уже имеют широкое распространение и успешно применяются, а в других их использование только начинается.

Одной из таких областей, где САПР еще не достаточно широко используются, является проектирование систем сбора и обработки геофизической информации. Одна из важнейших задач, которая может быть решена подобными системами - это прогнозирование землетрясений. А ведь каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них - разрушительные, несущие гибель людям и целым городам. Среди самых страшных землетрясений-предыдущего XX века - землетрясение в Китае в 1920 году, унесшее жизни более 200 тысяч людей, и в Японии в 1923 году, во время которого погибли более 100 тысяч человек. Научно-технический прогресс оказался бессилен перед грозной стихией. И спустя более чем пятьдесят лет во время землетрясений продолжают гибнуть сотни тысяч людей: в 1976 году во время Тянь-Шаньского землетрясения погибли 250 тысяч человек. Затем были страшные землетрясения в Италии, Японии, Иране, США (в Калифорнии) и у нас - на территории бывшего СССР: в 1989 году в Спитаке и в 1995 году в Нефтегорске. Совсем недавно - в11999 году стихия настигла и погребла под обломками собственных домов около 100 тысяч человек во время трех страшных землетрясений в Турции.

Причина малого использования САПР в такой важной области заключается в том, что различные возможности и границы применения вычислительной техники для автоматизации проектирования определяются уровнем формализации научно-технических знаний в конкретной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации процесса их проектирования. А до недавнего времени не существовало теоретических методов, позволяющих сделать краткосрочный прогноз землетрясения, который бы с высокой долей вероятности реализовывался, а, следовательно, не существовало математического обеспечения САПР для систем, позволяющих делать такой прогноз.

Прогноз землетрясений - это вероятностная характеристика места, времени и силы сейсмического события. В мировой практике различают следующие виды прогноза - долгосрочный (годы - несколько десятков лет), среднесрочный (месяцы - годы), краткосрочный (дни - недели) и оперативный (минуты - чась*). На данный момент достаточно высокая вероятность реализации достигнута только для долгосрочных и среднесрочных прогнозов. То есть для определенной местности можно сказать, что землетрясение произойдет с большой долей вероятности с временной точностью в несколько лет. Краткосрочные же прогнозы пока имеют небольшую вероятность реализации.

В последние 10 — 15 лет интенсивно изучаются УНЧ электромагнитные возмущения, связанные с процессами подготовки сильных землетрясений. Исследования особенностей поведения градиентов и фазовых скоростей УНЧ вариаций в сейсмоактивных зонах показали, что задолго до первого форшока, при помощи магнитных градиентометров (три трехкомпонентные магнитовариационные станции, установленные треугольником на расстоянии нескольких километров друг от друга) можно на большом расстоянии (до нескольких сотен километров) определять локальные области аномальной проводимости в земной коре, которые приурочены к очагу- предстоящего сильного землетрясения. Поэтому ] фазово-градиентные методы исследования УНЧ электромагнитных предвестников могут быть положены в основу краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений.

Таким образом, задача проектирования и реализации автоматизированной системы обнаружения краткосрочных предвестников сильных землетрясений является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью данной работы является разработка методов автоматизированного проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Анализ состояния современных систем сбора и обработки геофизической информации на предмет выявления преимуществ и недостатков существующих систем.

• Разработка математического и программного обеспечения системы автоматизации проектирования комплекса оборудования, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

• Разработка проектной процедуры системы автоматизации проектирования программного обеспечения комплекса, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

Методы исследования.

В ходе работы над диссертацией использовались: методы теории автоматизированного проектирования, математический аппарат теории обработки сигналов, математической статистики, вычислительной геометрии, вычислительной математики, математического программирования, теории алгоритмов и дискретной математики.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрируется 17-ю рисунками, 2-мя таблицами, и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 82 наименования.

4.7 ВЫВОДЫ

В данной главе описано проектирование, разработка и тестирование программного обеспечения автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Проведено описание интерфейса разработанного программного обеспечения, форматов входных и выходных файлов, способов использования разработанной библиотеки, реализующей фазово-градиентный метод.

Далее описан процесс тестирования разработанного программного обеспечения и его результаты.

Всё это позволяет сделать вывод о том, что данное программное обеспечение может использоваться в составе автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Так же приводится метод вычисления координат будущего землетрясения, по выходным данным разработанного ПО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализированы современные системы краткосрочного прогнозирования сильных землетрясений.

Разработаны методы проектирования ПО автоматизированной системы краткосрочного прогноза сильных землетрясений;

Разработаны автоматизированные методы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Разработан и реализован алгоритм определения векторов градиентов и фазовых скоростей распространения УНЧ электромагнитных возмущений вдоль земной поверхности.

Спроектировано, разработано и протестировано ПО автоматизированной системы краткосрочного прогнозирования сильных землетрясений

Разработаны автоматизированные методы определения района прогнозируемого землетрясения по результатам работы ПО.

1. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Серия: Библиотека программиста. СПб.: Изд-во Питер, 2007 г. 366 с.

2. Грекул В., Денищенко Г., Коровкина Н. Проектирование информационных систем. Курс лекций. Учебное пособие. — М.: Изд-во "Интернет-университет информационных технологий", 2005 г. 304 с.

3. Дзюба Д.В., Крылов С.С. Автоматизированное моделирование программных систем. М.: Изд-во Высшая школа, 2003 г. 96 с.

4. Исмагилов B.C., Першаков Л.А. К вопросу об измерениях градиентов геомагнитных пульсаций. В кн.: "Хранение и обработка экспериментальных данных. Математическое модлирование. Апатиты, ПГИ, 1992, с.114-119.

5. Исмагилов B.C., Першаков Л.А. Моделирование пульсаций типа Рс4. В кн.: "Хранение и обработка экспериментальных данных. Математическое модлирование. Апатиты, ПГИ, 1992, с. 107-113.

6. Касахара К. Механика землетрясений. М: Мир, 1985. 246 стр.

7. Ковтун A.A. «Использование естественного электромагнитного поля при изучении электропроводности Земли». Изд. Ленгосуниверситета, Ленинград, 1980, 195 с.

8. Копытенко Ю.А., Исмагилов B.C., Копытенко Е.А., Воронов П.М., Зайцев Д.Б. Магнитная локация источников геомагнитных возмущений. ДАН, серия "Геофизика", 2000, т.371, № 5, с. 685-687.

9. Копытенко Ю.А., Распопов О.М., Троицкая В.А., Шлиш Р. Некоторые результаты анализа устойчивых геомагнитных пульсаций типа Рс4 на сети станций.- Геомагнетизм и Аэрономия, 1972, т.12, №4, с. 720-726.

10. Ларман К. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. Введение в объектно-ориентированный анализ, проектирование и итеративную разработку. М.: Изд-во Вильяме, 2007 г. 736 с.

11. Леоненков А. В. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с использованием UML и IBM Rational Rose. Серия: Основы информационных технологий. М.: Изд-во Бином. Лаборатория знаний, 2006 г. 320 с.

12. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Изд-во Питер, 2004 г. 560 с.

13. Николаев C.B. Проектирование программного обеспечения: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002 г. 146 с.

14. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. Учебник. Серия: Информатика в техническом университете. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г. 336 с.

15. Пархоменко А.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и температурах. JL, 1972, 279 с.

16. Петросян Г. Тестирование и прогноз землетрясений. — Ер.: Авторское издание, 2004. 160 стр.

17. Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Часть II. Короткопериодические колебания геомагнитного поля. JL, Изд.Ленингр. Ун-та, 1976, 271с.

18. Путилин А. Б., Юрагов Е. А. Компонентное моделирование и программирование на языке UML. Практическое руководство по проектированию- информационно-измерительных систем. Серия: Проектирование и моделирование. -М.: Изд-во: HT Пресс, 2005 г. 664 с.

19. Рокитянский И.И. «Исследование аномалий электропроводности методом магнитного профилирования». Изд. «Наукова думка», Киев, 1975, 280 с.

20. Семенов A.A. Теория электромагнитных волн. Изд. Московского университета, Москва, 1968, стр.129.

21. Сорокин В.М., Чмырев. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф. Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т. 42, №6, с. 821-830.

22. Троицкая В.А. Короткопериодные возмущения электромагнитного поля Земли.- В кн.: Вопросы изучения переменных электромагнитных полей в Земле. М., 1956, с.27-61.

23. Bernardi A., Fraser-Smith A.C., McGill P.R., Villard O.G. ULF magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake. Phys. Earth Planet. Interiors 68, p.45-63, 1991.

24. Birch F. Density and composition of mantle and core. J. Geophys. Res., 69, p.4377-43 88, 1964.

25. Bott M. The interior of the Earth. Edward Arnold, London, 375 p., 1971.

26. Bullard E.C. Electromagnetic inducton in the Earth. Q. J. Roj. Astron. Soc., 8, 143-160, 1967.

27. Chinese State Seismological Bureau. "1976 Tangshan Earthquake". Earthquake Publishing House, Beijing, 1982.

28. Cress G.O., Brady B.T., Rowell G.A. Sources of electromagnetic radiation from fracture of rock samples in laboratory. Geophys. Res. Lett., 14, p.331-334, 1987.

29. Dosso H.W. A review of analog model studies of the coast effect. Phys. Earth Planet. Inter., V.7, p. 294-302, 1973.

30. Enomoto J., Akai M., Hashimoto H., Mori S., Asabe Y. Exoelectron emission possibly related to geo-electromagnetic activities microscopic aspect in geotribology. Wear 168, p.135-145, 1993.

31. Enomoto J., Hashimoto H. Emissions of charged particles from indentation fracture of rocks. Nature, 346, p.641-643, 1990.

32. Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman lectures on physics. Addison-Wesley Pub. Co., London, 1964.

33. Fraser-Smith A.C., Bernardy A., McGill P.R., Ladd M.E., Helliwell R.A. and Villard O.G., Jr. Low frequency magnetic field measurements near the epicenter of the Loma-Prieta earthquake. Geophys. Res. Lett., 1990, 17, p. 1465-1468.

34. Gershenson N.I., Gohberg M.B., Karakin A.V., Petviashvili N.V., Rykunov A.L. Modelling of connection between earthquake preparation process and crustal electromagnetic emission. Phys. Earth Planet. Interiter., 57, p. 128138, 1989.

35. Goto T.-N., Sayanagi K., Mikada H. Calibration and running test of torsion magnetometer made in Russia. Rep. Of Japan Marin Sci. and Tech. Center (JAMSTEC), 45 (March, 2002), 41-53, 2002.

36. Hayakava M., Kawate R., Molchanov O.A., Yumoto K. Results of Ultra-low- frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993. Geophys. Res. Lett., 1996, N23, p.241-244.

37. Hayakawa M, Kawate R., Molchanov O.A. Ultra Low - Frequency Signatures of the Guam Earthquake on 8 August 1993 and Their Implication. J. Atm. Electr., 1996, v.16, No 3, p.193-198.

38. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A. Sources of geomagnetic variations located near plasmapause. "Physics of Auroral Phenomena", preprint PGI 0101-109, 2001, p.42.

39. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A. ULF electromagnetic emissions connected with under sea bottom earthquakes. "Physics of Auroral Phenomena", preprint PGI 01-01-109, 2001, p.42.

40. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Hayakawa M. Variations of phase velocity and gradient values of ULF geomagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes. Nat. Hazards and Earth Sys. Sci. v.20, p.1-5, 2002.

41. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Voronov P.M., Molchanov O.A., Hayakawa M. ULF magnetic emissions connected with under sea bottom earthquakes. News Letter, EGS, report at XXVI General Assembly, France, N78,2001,p.281.

42. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Voronov P.M., Molchanov O.A., Hayakawa M. ULF Magnetic Emissions Connected with Under Sea Bottom Earthquakes. Natural Hazards and Earth Sys. Sci., v.l, p. 1-9, 2001.

43. Jeffreys H., Swirles B. Methods of mathematical physics. Third Edition, Cambridge Univ. Press, Cambridge, p. 157, 1966.

44. Kawasumi H. Proofs of 69 years periodicity and expectancy of destructive earthquake in southern Kwanto district and problems in the countermeasures thereof. Chigaku Zasshi, 76, 115-138.

45. Kawate R., Molchanov O.A., Hayakawa M. Ultra low - frequency magnetic fields during the Guam earthquake of 8 August 1993 and their interpretation. Phys. Earth Planet. Interiors 105, p.229-238, 1998.

46. Klejmenova N.G., Kozireva O.V., Shott J.-J., Bitterly M. Some features of structures of geomagnetic pulsations of ipcl type at coast high latitude observatories. Geomag. And Aeronomy, V. 40, N 6, p. 33-37, 2000.

47. Kopytenko Y., Ismagilov V., Hayakawa M., Smirnova N., Troyan V., Peterson T. Investigation of the ULF electromagnetic phenomena related to earthquakes: contemporary achievements and the perspectives. Annali di Geofisika, v.44, N.2, 2001, p.325-334.

48. Kopytenko Yu.A., Zaitsev D.B., Kopytenko E.A., Voronov P.M., Amosov L.G, Timoshenkov Yu.P. «Magneto-Variation Complex MVC-1DG». Proceedings of the 1st International Conference on Marine Electromagnetics «Marelec-97», 23-25 June 1997, p.PIO, London, UK.

49. Mansurov S.M. About some peculiarities of the magnetic field in region of south-polar observatory Mirny. Magneto-ionospheric disturbances, (in Russian), N 1, p. 64-66, 1959.

50. Mazzella A., Morrison H.F. Electrical resistivity variations associated with earthquakes on the San Andreas fault. Science 185, p.855-857, 1974.

51. Menville M., Rossignol J.C., Tarits P. The coast effect in terms of deviated electric currents: a numerical study. Phys. Earth Planet. Inter., V.28, p. 118128, 1982.

52. Mogi K. Earthquake predictions. Academic Press Japan, 1985, 166 p.

53. Mogi K. Study of elastic shocks caused by the fracture of heterogeneous materials and their relation to earthquake phenomena. Bull. Earthquake Res. Inst., Univ. Tokyo, 40, p. 125-173, 1962.

54. Molchanov O.A. On penetration of electromagnetic fields from seismic sources in upper atmosphere of the Earth. Preprint N 56 (810), Moscow, IZMIRAN, 1988, 37 p.

55. Molchanov O.A. Penetration of electromagnetic fields from seismic sources in upper ionosphere of the Earth. Geomagnetism and Aeronomy, v.31, N 1, 1991, p. 121-128.

56. Molchanov O.A., Hayakava M. On the generation of ULF seismogenic electromagnetic emissions. Phys. of the Earth and Planet. Interiors, 105, p.201-210, 1998.

57. Nitsan U., Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz-bearing rocks. Geophys. Res. Lett., 90, p.333-337, 1977.

58. Parkinson W.D. Conductivity anomalies in Australia and the ocean effect. J. Geomag. Geoelectr. V.15, N 4, p. 222-226, 1964.

59. Parkinson W.D., Jones F.W. The geomagnetic coast effect. J. Geomag. Geoelectr. V. 17, p. 1999-2015, 1979.

60. Rokitjansky I.I., Senko P.K., Mansurov S.M., Kalinin J.K., Fonarev J.A. The coast effect in the variations of the Earth's electromagnetic field. J. Geomag. Geoelectr. V.15, N 4, p. 271-274, 1964.

61. Saka O., Shimoizumi M., Sato N. Earth induction effect for Pc5 pulsations observed by unmanned magnetometer network near Syowa station, Antarktika. J. Geomag. Geoelectr. V. 94, p. 2684-2690, 1979.

62. Scholz C.H., Molnar P., Johnson T. Detailed studies of frictional sliding of granite and implications for earthquake mechanism. J. Geophys. Res., 77, p.6392-6406, 1972.

63. Semenov A.A. Theory of electromagnetic waves. Moscow Univ. Press (in Russian), Moscow, 316 p., 1968.

64. Senko P.K. The coast effect in the magnetic variations. Inform. Bulletin of Sov. Atark. Exped., (in Russian), V.4, p. 61-67, 1959.

65. Shott J.-J., Klejmenova N.G., Kozireva O.V., Bitterly M. The coast effect in geomagnetic pulsations at Antarctic observatory Dumond d'Yurville. Geomag. and Aeronomy, V. 42, N 1, p. 67-74, 2002.

66. Song Y., Kim H.J., Lee k.H. High-frequency electromagnetic impedance method for subsurface imaging. Geophysics, v.67, No.2 (March April), p.50

67. Vanjan L.L., Marderfeld B.E., Rodionov A.V. Regional and local coast effect in the geomagnetic variations at islands of the Far East. Rep. of Academy of Sci. of USSR, V.176, p. 820-821, 1967.

68. Warwick J.W., Stocker C., Meyer T.R., 1982, Radio emission associated with rock fracture: Possible application to the Great Chilean earthquake of May 22, 1960, J. Geophys. Res., 87, p.2851-2859, 1960.

69. Yu.A. Kopytenko, V.S. Ismaguilov, Algorithm of detection of signal from moving magnetic object. Proceedings of International Conference on Marine Electromagnetics, 'MARELEC-97', 1997, p. 15.