автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка распределенной телеметрической системы геофизического мониторинга с передачей данных скважинных наблюдений по сети GSM

На правах рукописи

Власов Юрий Алексеевич

Разработка распределенной телеметрической системы геофизического мониторинга с передачей данных скважинных наблюдений по сети GSM

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (г. Петропавловск-Камчатский)

Научный руководитель:

д.т.н., профессор

Юрий Матвеевич Устинов

к.т.н.

Валерий Александрович Гаврилов

Канаев Андрей Константинович

д.т.н., Петербургский государственный

университет путей сообщения

Зайцев Алексей Иванович

к.т.н., ООО НПП «МАРИНЕРУС»

Центральный научно-исследовательский

и проектно-конструкгорский институт

морского флота

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится 27 мая 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д223.009.06 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, дом 5/7 в зале заседаний диссертационного совета (аудитория 257)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» (г. Санкт-Петербург).

Автореферат разослан « />*» ла^ИпА-_201^г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент В.Н. Рябышкин

российская государствен^ библиотека

2П14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

По уровню угрозы возникновения природных катастроф Камчатка относится к наиболее опасным регионам России, В первую очередь - это землетрясения, извержения вулканов и вызванные землетрясениями волны цунами.

По историческим данным с 1737 г. и до начала 20-го века на Камчатке происходили катастрофические землетрясения, которые вызывали сотрясения силой до 9 - 10 баллов по шкале МБК-64. Крупнейшие из них -это землетрясения 1737, 1792 и 1841 гг.

В 20-м веке масштаб событий известен уже по инструментальным данным. За этот срок на Камчатке произошло несколько сильнейших землетрясений. Сотрясения силой 8 баллов шкалы М8К-64 отмечались в Петропавловске-Камчатском 3 раза (1904, 1904, 1959 г). В 1959 г. 9-10 балльные толчки разрушили поселок Жупаново.

Свидетельством высокой сейсмической опасности территории Камчатки служат недавние события - землетрясение на территории северной части Камчатского края (20 апреля 2006 г., магнитуда 7,8) и его последующие толчки. В поселках Тиличики, Корф, Хаилино интенсивность сотрясений достигала 8 и более баллов по шкале М8К-64. Сотрясениям 6 и более баллов подверглись поселки Пахачи, Апука, Тымлат, Оклан, Ильпырский.

На Камчатке 29 действующих вулканов, среди которых вулкан Ключевской (4750 м) - самый высокий действующий вулкан Евразии. Ежегодно в Камчатском крае происходит несколько извержений вулканов. Катастрофические эксплозивные (взрывные) извержения вулканов происходили в 20 веке на Камчатке в 1907 г. (Ксудач), 1956 г. (Безымянный) и 1964 г. (Шивелуч), при каждом их них выбрасывалось от 0,7 до 2,5 кубических километров пепла и вулканических бомб, и полностью опустошались территории в сотни и тысячи кв. км.

Цунами, приводящие к затоплению и значительным разрушениям в прибрежной зоне, в подавляющем большинстве случаев вызываются сильными землетрясениями с М>7, происходящими под дном океанов или морей. Мощные цунами обрушивались на побережье Камчатки в 1923 г. (2 раза (высота до 11 м), волны проникли в глубь побережья на 5 км, частично разрушив поселок Усть-Камчатск), 1959 г. (высота до 10 м), 1960 г. (до 7 м), 1969 г. (до 10-15 м). В 1952 г. гигантское цунами (волны до 25 м) обрушилось на побережье юга Камчатки и островов Шумшу и Парамушир, погибло более 12 тысяч человек, был разрушен поселок Северо-Курильск.

Наиболее опасными и разрушительными являются локальные и региональные цунами, вызванные землетрясениями в ближней зоне, до 1 ООО км от угрожаемых населенных пунктов.

Безопасность населения и снижение экономических потерь от природных катастроф на угрожаемой территории определяются:

- перспективным планированием развития территории и рациональным землепользованием с учетом реальных опасностей;

- техногенной распределенной надежностью среды обитания, зависящей от сейсмостойкости зданий и сооружений;

- готовностью инфраструктуры населенных пунктов, служб и органов власти к стихийному бедствию.

Чтобы снизить опасность и уменьшить тяжелые последствия природных катастроф (гибель людей, разрушение инфраструктуры населенных пунктов и воинских частей, материальные потери) необходим постоянный мониторинг опасных природных явлений, накопление данных, научные исследования их природы, поиск средств снижения опасности.

Разработкой методик прогнозирования землетрясений и заключений о сейсмической обстановке на Камчатке занимается большой коллектив исследователей различных организаций (ИВиС ДВО РАН, КФ ГС РАН, ИКИР ДВО РАН, ОАО «Камчатгеология», КамГУ, ИФЗ РАН, КПЦ ИФЗ РАН, ФТИ РАН, Университет Хоккайдо, Университет Нагоя). Среди них такие исследователи как: к.ф.-м.н. И.Р. Абубакиров, д.ф.-м.н. В.В. Богданов, к.т.н. В.А. Гаврилов, д.ф.-м.н. И.А, Гарагаш, д.ф.-м.н. A.A. Гусев, к.ф.-м.н. Г.И. Дружин, д.ф.-м.н. А.Д. Завьялов, д.г.-м.н. Г.Н. Копылова, Н.М. Кравченко, к.ф.-м.н. А.Н. Кролевец, к.ф.-м.н. В.Е. Левин, д.ф.-м.н. Ю.Ф. Мороз, к.г.-м.н. Полетаев, д.г.-м.н. Е.А. Рогожин, к.г.-м.н. Г.В. Рябинин, к.ф.-м.н. Л.Б. Славина, H.H. Смолина, к.ф.-м.н. С.Э. Смирнов, член-корреспондент РАН Г.А. Соболев, к.ф.-м.н. Томилин, д.ф.-м.н. П.П. Фирстов, к.ф.-м.н. В.А. Широков, М. Касахара, X. Такаханш, М. Ирван.

Создание сети с использованием средств телеметрии с общим центром сбора и обработки геофизических данных, формирующих базу данных для дальнейшей разработки алгоритмов поиска предвестниковых аномалий.

Цели исследования

Разработка и создание телеметрической сети для формирования базы данных геофизических измерений для дальнейших поисков аналитиками предвестников землетрясений.

Задачи исследования

- определение структурных и функциональных технических решений при создании телеметрической сети;

- создание «интеллектуального» измерительного контроллера на основе серийно-выпускаемых микроконтроллеров;

- разработка алгоритма дистанционной перестройки параметров цифровых фильтров: Батгерворта, Чебышева и др. и передачи коэффициентов синтеза в измерительный контроллер;

- выбор и обоснование канала передачи данных;

- разработка алгоритма и программного обеспечения для приема и обработки данных в центре сбора и обработки.

Методы исследования

В диссертационной работе использовался аппарат теории цифровых фильтров, цифровой обработки сигналов и теории передачи данных.

Для создания сети измерительных пунктов использовалась новейшая база аппаратурных средств, в том числе собственной разработки. При создании аппаратуры применялись современные микросхемы микроконтроллеров, АЦП, памяти и других узлов. Для программирования микроконтроллеров применялась среда разработки Code Vision AVR, а для разработки программного обеспечения для ЭВМ - Visual Studio 2008.

Научная новизна

Разработана и создана, действующая сеть измерительных пунктов на Камчатке для формирования базы данных геофизических аномалий. При создании сети использованы последние достижения в технологиях телекоммуникаций:

реализовано аналого-цифровое преобразование результатов измерений на 2,4-разрядных АЦП;

- произведен синтез цифровых фильтров на цифровых сигнальных процессорах с амплитудно-частотной характеристикой, удовлетворяющей требованиям аналитиков. Среди возможных видов фильтров предложены фильтры Батгерворта с наименьшими искажениями спектра в полосе пропускания;

- разработана дистанционная перестройка вида и параметров цифровых фильтров;

- произведена статистическая обработка непрерывных измерений для уменьшения потока передаваемых данных;

- для повышения надежности радиосвязи предложена передача данных по GSM-каналу с применением модемов и антенн с высокой пространственной избирательностью;

- разработаны алгоритмы для автоматической обработки и передачи данных;

- на программы, используемые в центре сбора и обработки для обработки данных, получены три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ;

- предложен «энергетический приемник» в центре сбора и обработки для поиска оптимальных алгоритмов и анализа предвестников аномалий.

Научные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

- создание модели распределенной сети для передачи данных геофизических измерений по сети GSM;

- разработаны требования к алгоритму формирования и передачи коэффициентов для цифровых фильтров;

- разработаны требования к алгоритму передачи массива данных в центр сбора и обработки данных;

- разработаны требования к алгоритму автоматизированного приема многопараметрических данных в центре сбора и обработки данных;

- разработаны требования к алгоритму просмотра принятых геофизических данных в графическом виде.

Практическая ценность

Практическую ценность составляют:

- реализация различных типов цифровых фильтров с возможностью дистанционной перестройки их характеристик;

- глубокое подавление промышленной частоты 50Г'ц;

- передача массива данных в центр сбора и обработки по запросу;

- прием данных и их ¡графическое отображение; -

- создание инструмента, позволяющего в дальнейшем на основе сформированной базы данных разработать алгоритм поиска предвестниковых аномалий;

- имеется акт внедрения в ИВиС научных результатов диссертационной работы.

Реализация результатов

Телеметрическая сеть включает в себя четыре постоянных измерительных пункта с организацией непрерывных измерений. Рассмотрена возможность организации временных пунктов.

Апробация

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных мероприятиях:

- научно-техническая конференция «Проблемы геофизического мониторинга Дальнего Востока России», г. Петропавловск-Камчатский, 1117 ноября 2007 г.

- научная конференция «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном Регионе», посвященная 65-летию Института морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск, 26-30 сентября 2011 г.

- IX Региональная молодежная научная конференция «Исследования в области наук о Земле, г. Петропавловск-Камчатский», 2 декабря 2011 г.

Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований:

06-05-64925-а (2006-2008 гг.), 06-05-96071-р_востока (2006 - 2008 гг.), 09-05-98543-р_восток_а (2009 - 2010 гг.), 10-05-00231-а (2010 - 2012 ), 12-05-00670-а (2012 гг.);

Исследования выполнены при финансовой . поддержке грантов Дальневосточного отделения Российской академии наук: 06-III-A-08-327 (2006-2008 гг), 09-III-A-08-420 (2009-2011 it.), №11-Ш-В-01И-014 (2011г.), 12-III-A-08-167 (2012 г.), №12-Ш-В-08-173 (2012г.).

Личный вклад

-Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритмов, создании и практической реализации аппаратных и программных средств.

Благодарности

Автор благодарен д.ф.-м.н. П.П. Фирстову, д.т.н. Г.А. Пкжке, к.т.н. М.А. Магуськину, О.В. Федористову, В.П. Денисенко, Е.В. Полтавцевой, Ю.Ю. Бусс, Ю.В. Морозовой за помощь и поддержку.

Публикация и свидетельства По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, с общим объемом 128 страниц, содержит 38 рисунков, 5 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 91 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении приводится краткое содержание. Показана актуальность работы, цели исследования, задачи исследования, методы исследования, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, практическая ценность, реализация результатов и апробация.

Первая глава посвящена обзору существующих различных систем мониторинга, таких как мониторинг целостности трубопроводов, метеорологический мониторинг, мониторинг' местоположения судов и сейсмический (геофизический) мониторинг. Проведен обзор 9 отечественных и зарубежных систем мониторинга. Любая система состоит из трех основных частей: измерительных пунктов, систем передачи данных измерений и центра мониторинга.

Вторая глава. Предложенная в рассматриваемой диссертации телеметрическая сеть включает в себя четыре постояннодействующих измерительных пункта комплексного геофизического скважинного мониторинга (рисунок 1) с организацией непрерывных геоакустических (12 каналов) и электромагнитных (4 канала) наблюдений - это пункт Г-1 в г. Петропавловске-Камчатском, а также пункты Р-2, Е-1 и К-33, расположенные в Елизовском районе. Кроме того, па пунктах Г-1 и Р-2 дополнительно ведутся измерения столба плотности и температуры воды в скважинах.

15Г Щ": 154

Рисунок 1. Карта расположения сети пунктов скважинных наблюдений

Геоакустические измерения производятся по трем ортогональным осям. Датчики установлены в герметизированных гильзах. Результаты измерений частотного спектра по каждой оси поступают на полосовые аналоговые фильтры для выделения четырех полос частот.

Центральные частоты полос отличаются друг от друга на треть октавы. Используется не весь спектр, а его низкочастотная часть от 20 до 1500 Гц. Соответственно получается четыре полосы частот: 26...34 Гц, 140... 180 Гц, 495...635 Гц и 1050... 1350 Гц. В дополнение к фильтрации используется осреднение данных, что позволяет значительно сократить объем передаваемой информации. Информацию о предвестниках аномалий несет огибающая, формируемая осредненными значениями выделенных частот.

Данный метод был предложен A.C. Беляковым (ОИФЗ, г. Москва). Таким образом, на выходе геоакустического датчика формируется 12 разных сигналов.

В дальнейшем метод A.C. Белякова был развит В.А Гавриловым (ИВиС ДВО РАН г. Петропавловск-Камчатский). Выяснилось, путем экспериментальных исследований, что только определенные полосы частот являются наиболее информативными. Эти полосы частот располагаются в полосах 0... 10000 Гц или 100... 10000 Гц. В этих полосах модет располагаться ряд наиболее информативных дискретных частот. В ИВиС ДВО РАН специалистами по геофизике непрерывно продолжаются исследования по поиску наиболее информативных для поиска предвестников аномалий частот спектров сигналов различных видов датчиков. С учетом этих исследований в состав системы фильтров на выходе АЦП должны быть включены различные виды фильтров.

На рисунке 2 показана обобщенная модель обработки сигналов на измерительном пункте при цифровой обработке сигналов. На рисунке 3 изображена структурная схема аппаратуры измерительного пункта при использовании цифровой фильтрации. Устройство датчиков при использовании цифровой фильтрации аналогичное устройству датчиков при использовании аналоговой фильтрации. В самой скважине установлены только датчики. Аккумуляторы (батареи химических элементов), измерительные контроллеры, блоки фильтров располагаются в защитном бункере. Антенны устанавливаются на крыше защитного бункера.

Рисунок 2. Обобщенная модель обработки сигналов на измерительном пункте при цифровой обработке сигналов

Модель с цифровой фильтрацией и ее аппаратурная реализация имеет ряд преимуществ: возможность микроминиатюризации, меньшая потребляемая мощность, высокая надежность, возможность дистанционной перестройки.

Рисунок 3. Структурная схема измерительного пункта при цифровой обработке сигналов

В дальнейшем рассматривается построение пункта на основе цифровой фильтрации.

Основными элементами системы являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровые фильтры.

По критерию «разрядность-частота дискретизации» (рисунок 4) в работе сравниваются различные типы АЦП: параллельные, сигма-дельта и интегрирующие. Оптимальным для применения в системе обработки данных измерительного пункта является сигма-дельта АЦП.

Измерения на выходе датчиков производятся с высокой точностью:

- для геоакустических и электромагнитных датчиков используются 16-разрядные АЦП с частотой дискретизации 62,5 кГц;

- 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

и

наилучшего поиска предзестниковых аномалий не определены. Поэтому предусмотрено использование различных видов характеристик фильтров. Параметры цифрового фильтра могут быть заданы путем программирования: частота среза ФНЧ, частота среза ФВЧ, частота режекции, полоса пропускания, интерполяция, децимация, частота дискретизации.

В цифровом фильтре возможна реализация 9 типов программных фильтров: Кайзера, прямоугольного, Хемминга, Блекмана, ВонХапна, эллиптического, Чебышева I рода, Чебышева II рода, Батгерворта.

Частота дажре-пиацпн. Гц

Рисунок 4. Максимальные разрядности различных типов АЦП в зависимости от частоты

дискретизации

Для реализации цифровой фильтрации используется формула (1) для применения фильтров с конечной импульсной характеристикой и формула (2) для применения фильтров с бесконечной импульсной характеристикой:

= (1)

N M

y(n) = Yu ьЛп - - Z aL-y(n - v> (2)

i=0 tel

где at и Ьк - коэффициенты фильтра.

Система сохранения данных предназначена для многоканальной записи данных с последующей передачей их в центр сбора и обработки.

Во внутренней памяти для каждого канала выделяется определенный объем, который можно посчитать по формуле (3):

ОПК -len_seq*type_data, (3)

где ОПК - объем выделяемой памяти для одного канала, len_seq -количество измерений, type_data - количество байт на одно измерение. Количество измерений можно определить по формуле (4):

/ей ;сд ~ L838860g~5KST£MJ (4)

~ summ_len

где SYSTEM - объем памяти, выделяемый для системных нужд, а summ_kn - суммарный объем памяти, выделяемый для единичного измерения измерительных каналов можно найти по формуле (5):

summ _len - lenchl * 2+lenM * 3, (5)

где lenchl - количество каналов с двухбайтными измерениями, a lenchl - количество каналов с трехбайтными измерениями. Для цифровой обработки сигналов используется предложенный алгоритм обработки данных (рисунок 5). Сначала из центра сбора

Швщн&лляда н настройка у' / цифровых фшътров / '

Z_/

Включат рвения втпого-ФфровогФ преофвлвия

Заядл тле прсибрсо&воп

Перенос двяьк в уделяющий мафококфшлср ептеш обрябопш д

1

Необходимо га сояраневнво внепмою флэш-гарту

/ Сохрдашне ко дошлют / фл?ш-кц)ту /

г(Яя) = -¿i(t,)

/" Перенос дишх t снстшу

созуяидндшиьк .X

Необходимость ЮМвКПВЮфОвС фНАТрОВ

J&J"

Рисунок 5. Алгоритм обработки данных

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. Затем данные поступают в систему сохранения данных, где цикл повторяется до тех пор, пока не потребуется изменить параметры и настройки фильтра.

Для сохранения данных используется соответствующий алгоритм (рисунок 6). Сначала производится настройка 05М-модема в режим

/ Т'1ннц№(кииня

у Чготне цифровых /

/ шачсккД сигналов, /

поссуиакиша из сютеы / обработки данных

31ДВ1НШ ^у

Наличие ввешвсВ флчт-Еярты

Сот ран «те данных ио

внешнюю ф-от-кврту

Сакраншив ззкных ео —7 Енутрсннкяп намять /

! •

Наднти? смэя с центром сбора п обработан

! Да

/ Передача данных в оенхр ' с лора и офыбогта

. '■* Прием параметров и настроек шаровых фияьгроа из цолра с&фа и обработки

Передача параметров и настроен у^

пнфровых фильтров в системы / обработки допои

Рисунок 6. Алгоритм сохранения данных

приема-передачи данных. После запускается цикл записи данных. По очереди считываются цифровые значения сигналов, поступающих из систем обработки. После данные сохраняются в двух типах флэш-памяти: во внутреннюю объемом 8 МБ и внешнюю объемом до 32 ГБ. При запросе из центра сбора и обработки происходит выход из цикла и передача данных в ОБМ-модем для дальнейшей передачи в центр сбора и обработки. Затем

принимаются коэффициенты параметров и настроек цифровых фильтров, они передаются в системы обработки, после чего устанавливается время и производится запуск новых измерений.

В третьей главе ироводится сравнение различных видов связи, таких как: спутниковая, оптоволоконная, через коаксиальный кабель, радиорелейная и GSM. Сравниваются и анализируются технические возможности и стоимость услуг провайдеров сотовой связи стандарта GSM. Проводится сравнение модулей, модемов и антенн для передачи данных по GSM-сети. Показан принцип организации передачи имеющихся данных.

Оптоволоконная связь имеет ряд преимуществ. Передаваемый сигнал не искажается исходящими извне электромагнитными и радиочастотными помехами, поэтому оптический кабель абсолютно невосприимчив к воздействию высокого напряжения, или грозовым разрядам. Кроме того, в оптоволоконных кабелях отсутствует электромагнитное излучение, что идеально соответствует строгим стандартам, предъявляемым сегодня к телевизионным и компьютерным прикладным системам. Благодаря тому, что оптические сигналы не требуют заземления, передатчик и приемник изолированы и, следовательно, свободны от проблем, связанных с организацией заземляющего контура. Несмотря на ряд преимуществ, оптоволокно имеет недостатки: высокая сложность монтажа, как правило, используется для передачи данных только в одном направлении, низкая прочность, чувствительность к механическим воздействиям, необходимость прокладки кабеля.

Достоинства радиорелейной связи: возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных, возможность обеспечения двухсторонней связи, практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех, узконаправленность излучения антенных устройств. К недостаткам можно отнести следующее: необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций, необходимость использования высокоподнятых антенн, использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, громоздкость аппаратуры, сложность в строительстве в труднодоступной местности.

Наиболее подходящей системой связи для передачи данных скважинных наблюдений является GSM-связь. Преимущества: дешевое оборудование, быстрое подключение, простота настройки, низкое потребление энергии оборудованием, большая зона охвата позволяют легко организовывать передачу данных. Главный недостаток - это необходимость нахождения в зоне покрытия сети.

Для передачи измерений из сети измерительных пунктов обоснованы использования ОБМ-канала с использоващгем трех провайдеров: ОАО «Ростелеком», ОАО «МТС», ОАО «Мегафон».

Выбор провайдера обусловлен существующей зоной покрытия (рисунок 7). На данный момент передача данных из измерительного пункта Г-1 осуществляется через ОАО «Ростелеком», из измерительного пункта Р-2 - через ОАО «МТС», из измерительных пунктов Е-1 и К-33 - через ОАО «Мегафон».

" ^ЧКЙРРЧр'' , '->1^ (Сравнение скорости передачи данных и

fifw jg „v4",-, сгойноеш трафика

Зона покрыли ОАО «МТС»

Рисунок 7. Зоны покрытия GSM-связи разными провайдерами. В таблице приведены характеристики линий GSM

ОА!> «Ыспфов»

сущняя скорость передачи

ДЯННЫ1.

Siit'e

Сряий рЯСХОД ДИКЛИУХ

руй /нес.

Ншовдуегсднтн мсклыоьаллськя шыертелы&в:

(рассгояйнсдо ПЦь. ___Jtgj__.

Г-П4.Ч

P-WKJi.E-HiS.«

P.20V1. e-iiM. г.1г43у

Система передачи по вБМ-каналу обеспечивает высокую достоверность и низкую стоимость. Стоимость графика 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.

Передача накопленных данных с измерительного пункта в центр сбора и обработки:

КЦ = ^ОБ,, (6)

где КД — количество данных, 05, — объем 1-го блока буфера, N— количество блоков буфера для передачи данных.

Время передачи данных можно найти по формуле (7):

г =г, +г +г , •

пер дан не зу коч 5

пер дан не зу кач 5

где — время передачи данных, — время нагрузки на сеть,

* — время законченности услуги, — время качества услуги.

Для передачи одного блока потребуется I-------

..ОБ*8 . ,

время:

♦7 Ч 1С

не 1 зу хаи

тр 9600

Общее время для передачи накопленных данных получится:

±(ОБ,* 8 ( , = > —'■—-и + / +1 .

Экспериментально полученная зависимость:

Л ОБ. *8

(7)

(8) (9)

«1,32*1-

(10)

ы 9600 4 '

Если передача данных длится более 30 минут, то добавляется время на набор номера, которое составляет 30 с:

^(ОБ,* 8 ^

£.(ОБ,* 8

> ■ :........-1 -/

£4 9600 "" * ""

1800

*зо. (И)

Если потребуется изменить параметры цифровых фильтров, то добавится время на передачу коэффициентов цифровых фильтров и формула (11) примет вид:

-^(ОБ,* 8

_у(ОБ,*8 , + ^ 2ш* | 9500 + ++ '«■« I+

" '......11 ■ I I

ы [ 9600 "" у ""

1800

9600 ~ " "")

>30+

(12)

где М— количество блоков данных для передачи коэффициентов цифровых фильтров.

Время использования канала с учетом передачи данных и передачи коэффициентов цифровых фильтров для нескольких пунктов получится:

^пиЛ

4*(0Б,* 8

ЫV 9600

не ту кач

&(ОБ,* 8

> —'-—¡-г +/ £1 9600 "с " и

9600 +'"с+'!>

+С

1800

'304

(13)

где I—количество измерительных пунктов.

Данные передаются один раз в сутки, но при необходимости по запросу могут быть переданы в любое время. Для передачи суточного массива данных с четырех измерительных пунктов в центр сбора и обработки необходимо передать до 1,7 МБ, для чего потребуется около 120 мин.

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 - большие габариты. Наиболее подходящим решением этой проблемы является использование направленных антенн АКХ-900 производства компании ООО «АКЛ-БЕСТ». Антенна имеет узкую диаграмму направленности (ДН), что позволяет достичь коэффициента усиления до 20,5 дБ. Ширина ДН в Н-плоскости (горизонтальная) 30°, в Е-плоскости (вертикальная) 21° (рисунок 8).

Цена деления - 5*

295

270

Ширина ДН 30е.

щш щт Щ Щ1Ш \Х •

гТХ'Х

444г -л--*.«-; \ ' \ у> г»:

180

45

90

Рисунок 8. Диаграмма направленности антенны АКЬ-900 в горизонтальной плоскости

Четвертая глава

Для работы с измерительными пунктами разработано автором программное обеспечение (ПО) ё_йИг. Данное ПО позволяет осуществлять: прием данных с измерительных пунктов, передачу характеристик и настроек цифровых фильтров, передачу текущего системного времени на измерительный пункт, просмотр текущих измерении.

Для приема данных с пункта и формирования базы данных в центре сбора и обработки используется алгоритм, изображенный на рисунке 9. Сначала оператор выбирает пункт, с которого необходимо принять данные. Затем производится установление связи. При установке связи осуществляется прием данных, которые сохраняются в файлах в двоичном виде. После связь с пунктом разрывается и формируется многоуровневая база данных. Первый уровень создается из поступивших данных путем дописывания файлов базы данных. Второй уровень формируется из первого уровня: из 40 значений первого уровня выбирается начальное, максимальное, минимальное и конечное значения. Полученные четыре значения записываются во второй уровень, остальные три уровня формируются аналогичным образом. Общее увеличение объема массива данных возрастает примерно на 11%.

^ Нятпло ^

/ Формирован к иш ./ / допнздвжак флйдов у / папго урсим / / ' /

/ Выбор измерительного ПуНСТА

/ Установка евт с / иыернгсяьньш // / пунктом ^

/ Поиск. максимальных „ / / / II мкшыэаьных у' ^ тняч<ий у

/ / / Прием и / / сохрлнсже / / данных ^

/ Формиршажс второго / ^ II последующих / / ровней / / /

/ РЭЧ|)ЫВ СМЗНС / / ишсрнгсльным / / пуна ом /

у Конод ^

Рисунок 9. Алгоритм приема данных в центре сбора и обработки

Для изменения настроек цифровых фильтров, используемых на пунктах, применяется следующий алгоритм (рисунок 10). Сначала выбирается тип фильтра и его частотная спецификация при помощи ПО Systolix Pulse DSP Filter Wizard For AD7725. После создается конфигурационный файл. Далее программой d filtr конфигурационный файл преобразуется в двоичный массив данных и по GSM-каналу передается в измерительный пункт, где производится инициализация блока цифрового фильтра. Далее массив данных параметров и настроек фильтров передается в систему обработки данных (блок выбранного цифрового фильтра).

С 1 b'ia.K'

фялыроь с аоисчпьк! пртрйТАМы Sytfoltf l^lstf tíSI> И»« «Гкаг4 At»?»«

I

___i______

C«VV®»HKi «Миф M f V раин ОШЮИ! фаЙ.-ш ирмршшй íiyslol»x Puíse L£í' fill» W»*cr«l Fe*

.Ш772? /'

/ кинфмпрэшкляшш фггй:та и ДВОИ'ШМЙ мое си ь ДАПЛМХ Hpi>j'¡>a.MMi'Hí dfilii

мз>«ива дчнимх nspjiMtfrpoe н me-ipoec у

фиЗкфОЯ по &.- уя tstiM у'

/

Пуием uscciiwj .шпгьь\ na|WM<;Tf*>A и ua^TjveK 4нИ»-Г|>>П К «'^«{¡НПЧОДЖШ HYMKTé

/

1 Ьшшдоиздцня AD"725

ItcfWfl'lS МИССИЮ ЛЕШНЫЯ ШрЯМ?фО» п ЯЛС*р<ЯЖ

филыршя в il.'joi, мяфровлти фильтра

Рисунок 10. Алгоритм дистанционной настройки цифровых фильтров в измерительном

пункте

Существует много видов ПО, которое позволяет просматривать геофизические данные и вести базу данных, например, АВБ (А.В.Дещеревский, В.И.Журавлев, ИФЗ РАН, г, Москва), ХМипРов (НПП «Мера», г. Королев), однако, это ПО имеет ряд недостатков. Для устранения этих недостатков разработан программный продукт деоргосезв. На рисунках 12 и 13 показано главное окно программы §еоргосев8, для разных реализаций исследуемых рядов измерений.

При построении отображаемого 1рафика для расчета координаты y(t)

используется формула:

y(t) = koeff* (max_ val _i- line _ i(t) + 40), (14)

где max_ vai _ i — является максимальным значением отображаемой

части ряда, line_i{t) - значение координаты, коэффициент'

пропорциональности koeff рассчитывается по формуле:

, „ reel window.Height-90 ,, ,,

koeff =-=-----, (15)

bound

rect_wMow.Height - высота пользовательского окна, значение bound -разность между максимальным и минимальным значениями из отображаемой части ряда. Вне зависимости от разрешения экрана и размерности пользовательского экрана график будет отображаться корректно.

Для просмотра многоуровневой базы данных используется следующий алгоритм (рисунок 11). Оператор выбирает ряд и задает интервал отображения. Программа рассчитывает количество отображаемых выборок и находит оптимальный уровень базы данных. Далее данные выводятся на экран. Если пользователь изменяет интервал отображения, программа возвращается к расчету количества отображаемых точек и так, пока пользователь не завершит работу с программой.

Рисунок 11. Алгоритм просмотра многоуровневой базы данных

Для удобства пользователей есть возможность копирования файлов рядов и последующего автомагического определения рядов базы, т.к. информация по каждому каналу в базе данных хранится отдельно и состоит из файла-описателя и файлов ряда. Данное ПО позволяет работать не только с базой данных рядов локального компьютера, но и по сети. Исходные файлы объемом более 4 ГБ могут быть прочитаны и внесены в базу. Файлы базы данных ряда имеют емкость менее 4 ГБ, что позволяет хранить её на дисках с файловой системой РАТ32.

Анализ результатов, полученных из сети измерительных пунктов, в дальнейшем позволит определить характеристики предвестника аномалий. Экспериментально выявлено, что наблюдается изменение уровня огибающей напряжения измеряемого сигнала с датчиков, прошедшего через систему фильтров. Сигнал представляет собой стохастический процесс изменения геофизического состояния земной коры. Далее приводится энергетический метод определения предвестника аномалии.

Измеряемый сигнал представляет собой квазистационарный процесс с дисперсией агс на фоне квазистационариого случайного шума с дисперсией гг - этот шум является естественным фоном, а* «а]. За каждую секунду вычисляются усредненные величины огибающей случайного процесса, затем рассчитываются дисперсии ег2 и гг усредненных значений за одни сутки.

На рисунке 12 представлена реализация измерений сигнала

%/J 1

г к

111 I lh

mw

l ii¥

Ml

■vnfW

№i V T?

OS 10 11 1! 13

OS.04.2004 00:15:00.0(10 -19.04.2004 21:39:20.417

14 IS 16 17 18 19 cy,

±Г

Рисунок 12. Главное окно программы geoprocess. В окне выведена реализация исследуемого ряда: пункт Г-1, геоакустический канал Z. Полоса частот фильтра: 140... 180 Гц. По оси абсцисс отложены даты и время измерений. Даты и время в UTC. По оси ординат отложено напряжение, поступаемое на вход АЦП

геоакустического канала Z с использованием полосового фильтра с частотами 140... 180 Гц пункта Г-1. На основании методики, предложенной В.А. Гавриловым, из графика видно, что с 09.04.2004 г. по 12.04.2004 г. а\ «0,9*1<Г'О2), с 13.04.2004 г. ег; «0,1*10-3(В2), а 14.04.2004 г. - произошло землетрясение.

На рисунке 13 изображена реализация измерений огибающей электромагнитного канала с использованием полосового фильтра с частотами 1050... 1350 Гц пункта Г-1. Из графика следует:

- до 12.01.2005 г. и после 19.01.2005 г. - максимальная величина дисперсии « 0,9 * 10"3 (В2);

- с 12.01.2005 г. по 19.01.2005 г. - минимальная величина дисперсии а\ «0,23*10-3(52);

- 18.01.2005 г. - было землетрясение.

Рисунок 13. Главное окно программы geoprocess. В окне выведена реализация исследуемого ряда: пункт Г-1, электромагнитный канал. Полоса частот фильтра: 1050... 1350 Гц. По оси абсцисс отложены даты и время измерений. Даты и время в ЦТС. По оси ординат отложено напряжение, поступаемое на вход АЦП

Автоматизация алгоритма поиска предвестника аномалии может быть решена путем анализа случаев непрсвышении порога:

In

где С - критерий правдоподобия.

f /Л

d

2

I вш J

V j

Наличие случайного сигнала во взятой выборке определяется из условия:

АгЪ^Г1. (17)

Вероятность ложной тревоги а определяется выражением:

а = 1-4/27-У24 (18)

где п — объем выборки.

Вероятность необнаружения предвестника землетрясения имеет вид:

p = F

В равенствах (16) и (17):

3

2 сгщу

— л/2Й

(19)

1 ' ''

F(x) = -rrfe'dl. (20)

Порог у7 зависит от выбранного критерия правдоподобия С и отношения —

На рисунке 44 приведены значения порога у1 при С=1, -^-=2...20,

вт

п=10. При 0 < С < 1 порог у2 уменьшится, а при С > 1 - порог увеличится. При уменьшении у2 вероятность пропуска р уменьшается, а вероятность ложной тревоги а возрастает.

Для увеличения вероятности обнаружения следует выбирать С > 1. Если, например, С=1000, то порог у2 возрастает на величину 2(^ + О1п]000 = 2(al + oi,)^

al <зс

При правильном выборе порога (1 -а)»р. Критерий обнаружения предвестника аномалии по результатам не одной, а к выборок определяется с помощью биномиального распределения:

g = I, (21)

где V— число зарегистрированных предвестников при к — выборок. При к выборок вероятность правильного обнаружения предвестника аномалии определится в виде:

Р = У---(1 . (22)

а)

Рисунок 14. а) оптимальный порог у2

<т2с

ложной тревоги а в зависимости от пропадания суточного хода [3 в зависимости от

б) В)

„2

аС /гч

в зависимости от —о) вероятность

<*т

в) вероятность пропуска обнаружения

1

При наличии п датчиков:

Р^=РАРу-А, - (23)

где Рсавм- совместная вероятность обнаружения предвестника, Рх, Р2, Р;,..., Р„- вероятности локального состояния земной коры на 1-ом, 2-ом,... п-ом датчике.

Заключение

На основании созданной системы обеспечивается формирование базы данных комплексных геофизических измерений с целью поиска иредвестниковых аномалий и изучения физики сильных землетрясений Южной Камчатки.

Измерения геоакустической и электромагнитной эмиссий с высокой точностью обеспечиваются:

- использованием 16-разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей с частотой дискретизации до 62,5кГц;

- использованием оптимальной фильтрации спектров измеряемых сигналов на основе цифровых фильтров с регулируемой частотой среза до 23кГц;

- реализацией цифровых фильтров с возможностью дистанционной перестройки характеристик фильтров.

Измерения плотности столба и температуры воды с высокой точностью обеспечиваются использованием 24-разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей с частотой дискретизации 1 Гц.

Для автоматизации процесса формирования базы данных на измерительных пунктах скважин предложены и ревизованы два алгоритма:

- алгоритм обработки данных;

- алгоритм сохранения данных.

С целью передачи и приема данных с измерительных пунктов в центр сбора и обработки используется ввМ-канал связи, для этих целей был разработан и создан измерительный контроллер.

Разработано и реализовано программное обеспечение «¿_Ш1п> для передачи параметров цифровой фильтрации и приема накопленных данных с измерительных пунктов в центр сбора и обработки. Для отображения данных разработано программное обеспечение §еоргосе8&, на котором реализованы два алгоритма:

- алгоритм формирования многоуровневой базы данных;

- алгоритм просмотра многоуровневой базы данных-.

Созданная сеть с использованием средств телеметрии на базе С8М-канала связи позволила объединить 4 измерительных пункта в единую территориально распределенную информационно - измерительную сеть с общим центром сбора и обработки геофизических данных и создать базу данных геофизических измерений для дальнейшей разработки алгоритмов поиска предвестниковых аномалий.

Публикации, предусмотренные «Перечнем изданий ВАК»

1. Гаврилов В.А., Власов Ю.А, Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Яковлева Ю.Ю. Опыт комплексных скважинных геофизических наблюдений в целях мониторинга состояния геосреды // Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. Петропавловск-Камчатский. 2006. № 2. Вып. 8. С. 43-53.

2. Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Денисенко В.П., Федористов О.В.. Телеметрическая система сети комплексного геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. М.: ОИФЗ РАН, 2008. Вып. 44. С.33-38.

3. Е.В. Полтавцева, Ю.А. Власов, В.А. Гаврилов Исследование откликов на приливное воздействие в рядах скважинных геоакустических измерений// Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. Петропавловск-Камчатский. 2013. № 2. Вып. 22. С. 178-183.

Свидетельства регистрации программ ЭВМ

4. Власов Ю.А., Полтавцева Е.В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617176: «г220_\ушроз» // ФИПС 2 августа 2013 г.

5. Власов Ю.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617177: «эишексЬ) // ФИПС 2 августа 2013 г.

6. Власов Ю.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618293: «age» // ФИГ1С 5 сентября 2013 г.

В других изданиях

7. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Разработка и применение в системе геофизического мониторинга измерительного микропроцессорного контроллера с блоком флэш-регистрации // Геофизический мониторинг Камчатки. Материалы научно-технической конференции, 17-18 января 2006 г.. г. Петропавловск-Камчатский / Петропавловск-Камчатский: "Оттиск", 2006. С. 69-74

8. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Федористов О.В. Аппаратура для комплексного геофизического мониторинга // Роль системообразующего фактора в процессе формирования и развития объединяющихся территорий. Сборник материалов межрегиональной научно-практической конференции. Петропавловск-Камчатский. 2006. С.59-62

9. Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Федористов О.В.Комплексный геофизический мониторинг геосреды: новые методы - новые результаты // Проблемы сейсмобезопасности Дальнего Востока и Восточной Сибири. Тезисы докладов международного научного симпозиума 27 т- 30 сентября 2007 г. Южно-Сахалинск. 2007.

10. Беляков A.C., Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Дидецкулов И.Н., Лавров B.C., Малеханов А.И., Стромков A.A., Фокин А.Н., Чернов В.В.. Сейсмоакустический мониторинг в глубокой скважине // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества, 27-31 октября 2008г, г. Москва. 2008. Т. 1. М.: ГЕОС. С. 333-336.

11. Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Морозова Ю.В., Федористов О.В., Яковлева Ю.Ю. Методы и результаты скважинных геоакустических и электромагнитных измерений на Камчатском геодинамическом полигоне // Связь поверхностных структур земной коры с глубинными. Материалы четырнадцатой международной конференции 27-31 октября 2008 г. Петрозаводск. 2008. Ч. 1. С.107-108.

12. Диденкулов И.Н., Малеханов А.И., Стромков A.A., Чернов В.В., Беляков A.C., Лавров B.C., Власов Ю.А., Гаврилов В.А. Сейсмоакустический мониторинг в Воротиловской глубокой скважине // Связь поверхностных структур земной коры с глубинными. Материалы четырнадцатой международной конференции 27-31 октября 2008 г. Петрозаводск. 2008. 4.1. С.171-172.

13. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Федористов О.В. Яковлева Ю.Ю. Телеметрическая система сбора и обработки данных ' комплексного геофизического мониторинга // Геофизический мониторинг и проблемы сейсмической безопасности Дальнего Востока России: Труды

региональной научно-технической конференции Петропавловск Камчатский, 11-17 ноября 2007 г. Том 2/ Петропавловск - Камчатский. 2008. С. 104-106.

14. Беляков A.C., Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Дидеккулов И.Н., Лавров B.C., Малеханов А.И., Марышев А.П., Стромков A.A., Фокин А.Н., Чернов В.В.. Сейсмоакустические измерения в Вороталовской глубокой скважине: первые результаты и перспективы// Препринт №774. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2008. 20 С.

15. Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Федористов О.В. Методика, техника и некоторые результаты непрерывных скважинных геоакустических наблюдений. // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Тезисы докладов второй региональной научно-техпической конференции 1-17 октября 2009 г., г. Петропавловск-Камчатский. 2009. С. 113.

16. Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Денисенко В.П., Федористов О.В. Телеметрическая сеть скважинных геофизических измерений Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона // Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе: научная конференция, посвященная 65-легию Института морскй геологии и геофизики ДВО РАН: Южно-Сахалинск 26-30 сентября 2011 г. Тезисы докладов. 2011. С. 193.

17. Гаврилов В. А., Власов Ю.А. Эффект модуляции уровня геоакустической „ эмиссии электромагнитным сверхнизкочастотным излучением по результатам измерений на разных скважинах Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона // Сборник докладов III научно-технической конференции 09-15 октября 2011г., г. Петропавловск-Камчатский. 2011. С. 207-211.

18. Полтавцева Е.В., Власов Ю.А. Исследование откликов на приливное воздействие в рядах геоакустической эмиссии // Материалы XII региональной молодежной научной конференции «Природная среда Камчатки» 16 апреля 2013г., г. Петропавловск-Камчатский 2013 г. С. 125136.

19. Гаврилов В.А., Бусс Ю.Ю., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Полтавцева Е.В., Федористов О.В. Скважинные комплексные геофизические измерения на Камчатке: прогноз ЮжноКамчатского землетрясения (28.02.2013г., М=6.9) // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. IV научно-техническая конференция. 30 сентября - 4 октября 2013г., г. Петропавловск-Камчатский. Программа. Тезисы докладов. Петропавловск-Камчатский: КФ ГС РАН, 2013. С. 33.

П--5

1

2012344271

Подписано в печать с оригинал-макета автора 14.03.14 Сдано в производство 14.03.14 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,62. Уч.-изд. л. 1,4. _Тираж 80 экз.___Заказ № 32 _ _

Государственный университет морского и речного флота имени алмирала С.О. Макарова 198035, Сапкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

2012344271