автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.05, диссертация на тему:Система информационного мониторинга на примерер исследования сейсмических явлений Камчатки

На правах рукописи

Федорова Светлана Федоровна

СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА НА ПРИМЕРЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

КАМЧАТКИ

Специальность 05 25 05 — Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003058021

Работа выполнена в филиале Дальневосточного государственного технического

университета в г Петропавловске-Камчатском

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Серов Валерий Романович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Черный Аркадий Иванович кандидат технических наук, доцент Панов Александр Владимирович

Ведущая организация:

Российский государственный гуманитарный университет, Институт защиты информации, Факультет информатики

Защита состоится 23 мая 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002 026 01 при Всероссийском институте научной и технической информации РАН по адресу. 125190, Москва, ул Усиевича, д 20

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Всероссийского института научной и технической информации РАН

Автореферат разослан «2^2» 200/г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук,

профессор Каменская Марина Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

Работа посвящена исследованию системы информационного мониторинга сейсмических процессов как основного элемента информационной системы поддержки сейсмических исследований на Камчатке

Землетрясения являются проявлением сейсмической активности земной коры и одним из самых опасных стихийных явлений на Земле Отдельные районы планеты страдают особо активной сейсмической неустойчивостью В том числе, Камчатка относится к одному из таких районов планеты

Территория Камчатской области, благодаря своей высокой сейсмической и вулканической активности, давно привлекает внимание исследователей Научные исследования явлений вулканизма и сейсмичности на Камчатке начались в 40-х годах XVIII века, во времена Второй Камчатской экспедиции Витуса Беринга и исследователя С П Крашенинникова и продолжаются по настоящий момент, совершенствуя уровень исследований и увеличивая объем наблюдений

Центральной задачей различных исследований является стремление найти методы и средства, позволяющие предсказать время, место, продолжительность, силу землетрясений и другие параметры с тем, чтобы население прилегающих районов могло принять меры, снижающие потери человеческих жизней и материальный ущерб от их последствий

В настоящее время многими учеными разработаны теории сейсмических процессов, также ориентированные на прогнозирование и исследование механизмов развития сейсмических и вулканических явлений

Проблема надежных и достоверных прогнозов в значительной мере связана, как известно из теории прогнозирования, с качественным мониторингом исследуемых процессов, необходимым уровнем информационного обеспечения прогноза

Давно замечено, что землетрясения предваряются и сопровождаются множеством явлений изменяется уровень воды в наблюдательных скважинах, изменяется электромагнитное поле, наблюдается странное свечение в атмосфере, проявляется аномальное поведение животных и др Такие явления называют предвестниками землетрясений За последние несколько десятилетий на Камчатке накоплен большой материал по фактам проявления таких предвестников землетрясений различной природы

В Камчатской области в поисках предвестников исследуется также статистика землетрясений, закономерности размещения землетрясений, анализируются пространственно-временные распределения форшоков и афтершоков, де-

формационных полей земной поверхности, спектры землетрясений, аномалии земных токов, химический состав подземных вод Для выполнения данного рода наблюдений созданы системы телеметрических сейсмических и наклоно-мерных станций, ведутся геодезические измерения, измерение магнитного поля, ведутся наблюдения за уровнем подземных вод в скважинах и др

В настоящее время продолжается дальнейшее интенсивное накопление информации, при этом процесс накопления информации осуществляется со все большей интенсивностью, т к используются сетевые технологии, Internet, создается глобальное информационное пространство

Как показывает практика, землетрясения на Земле продолжают происходить, и ни объем информации, ии теории до сих пор не привели к надежному прогнозированию этих процессов

По-видимому, для решения данной проблемы целесообразно использовать достижения информатики и информационных технологий Сложность сейсмических процессов настолько велика, что для их изучения информатика должна быть в первую очередь использована как интеграционная наука, обобщающая достижения всех смежных наук в этой области с целью формирования комплексного инструмента изучения сейсмических процессов

Предполагается, что создание такого интеграционного инструмента изучения сейсмических процессов является одной из наиболее актуальных проблем информатики для применения ее в области сейсмической науки Цели и задачи исследования:

Целью данной работы является исследование системы информационного мониторинга сейсмических процессов и разработка перспективных принципов сейсмологической информационной системы на Камчатке

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи

1 Анализ информационных особенностей сейсмических теорий,

2 Обоснование основных положений и требований к управлению сейсмологическими данными,

3 Изучение теоретических и практических аспектов системы информационного мониторинга сейсмических процессов как основы сейсмологической информационной системы

4 Разработка перспективных принципов развития сейсмологической информационной системы и возможных путей их реализации.

5 Разработка информационной технологии моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области, как одного из алгоритмов интеллектуально-

го анализа данных системы информационного мониторинга сейсмических явлений, 6 Формирование базовых понятий сейсмоинформатики как воз-

можного нового раздела информатики

Актуальность работы определяется тем, что проблема надежных и достоверных прогнозов в значительной мере связана с качественным мониторингом исследуемых процессов и необходимым уровнем информационного обеспечения прогноза, что возможно только с применением новых информационных технологий и перспективных информационных систем, позволяющих проводить сейсмологические исследования на реальных объемах данных и в реальных условиях

В процессе работы над диссертацией автором получены следующие научные результаты*

1 Разработана архитектура и перспективные принципы сейсмологической информационной системы,

2 Разработана информационная технология моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области, которая может использоваться в системе информационного мониторинга для анализа других видов предвестников,

3 Проведен информационный анализ существующих сейсмологических теории подготовки сейсмического события,

4 Сформулированы основные понятия сейсмологической информатики

Следующие особенности работы определяют ее научную новизну

1 Впервые предложен и обоснован анализ существующих сейсмических теорий подготовки землетрясения с позиций информатики,

2 На основании проведенных исследований обоснована необходимость использования и совершенствования информационных технологий в сейсмических исследованиях,

3 Впервые разработана архитектура и перспективные принципы сейсмологической информационной системы на основе концепции распределенных баз данных и приложений информационного обеспечения сейсмологических исследований,

4 Разработана информационная технология моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области, которая может использоваться в системе информационного мониторинга для ретроспективного анализа других видов предвестников,

Практическая значимость работы состоит в разработке модели типовой сейсмологической информационной системы на базе распределенных технологий, которая может использоваться для информационной поддержки сейсмологических исследований Камчатки и других территорий, характеризующихся высокой сейсмичностью Разработанный алгоритм и программное обеспечение ретроспективного анализа одного из видов предвестников для системы информационного мониторинга может использоваться и для других видов предвестников Полученные в диссертационном исследовании результаты могут стать практической базой для повышения эффективности систем сейсмических исследований в Камчатской области и за ее пределами и улучшения информационной поддержки прогнозирования

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались автором на XXXVIII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2000 г), на V Межвузовской научно-практической конференции «Информационные технологии XXI века» (Москва, 2003 г), на IX научно-практической конференции «Наука - сервису» (Москва, 2004 г), на VI Межвузовской научно-практической конференции «Информационные технологии XXI века» (Москва, 2004 г ), на VII Международной конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальный потенциал ВУЗов - на развитие Дальневосточного региона России» (Владивосток, 2005 г)

Структура работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи исследования, формулируются основные результаты работы и их практическая значимость, описана структура диссертации

Глава I посвящена исследованию теоретических аспектов изучения сейсмических явлений с позиций информатики

В разделе 1.1. исследуются основные информационные особенности существующих сейсмических теорий. За последние несколько десятилетий в результате работ по изучению предвестников и прогнозу землетрясений резко возрос объем данных об изменениях различных геофизических параметров перед землетрясениями Наукой сейсмологией анализируются данные о значениях более ста видов предвестников с целью осуществления различных видов

прогнозов Однако, эти данные часто противоречивы Число случаев удачного прогнозирования землетрясений гораздо меньше числа неудачных прогнозов В распоряжении исследователей в настоящее время находятся огромные информационные массивы и имеется достаточно свободный доступ к мировым информационным ресурсам, отражающим все аспекты сейсмической деятельности Проблема в том, что сильное землетрясение - сравнительно редкое событие, в связи с чем исследовать его системно не всегда представляется возможным Увеличение объема информации путем суммирования данных по разным землетрясениям опасно, поскольку легко потерять основу для решения вопроса о существовании разных типов землетрясений

Рядом ученых предприняты попытки построить модели, обладающие определенными достоинствами и недостатками и, в зависимости от целей исследования, в той или иной степени близкими к реальным процессам подготовки сейсмических событий К основным моделям подготовки сейсмического события относятся дилатантно-диффузионная модель, модель лавинно-неустой-чивого трещинообразования, модель консолидации Однако в настоящее время у ученых отсутствует единое представление о моделях подготовки землетрясения По-видимому, это связано с информационными особенностями теорий сейсмического процесса

- информация о регистрируемых землетрясениях и наблюдаемых предвестниках является достаточно неопределенной и расплывчатой в пространственно-временном аспекте,

- описания процессов подготовки также не отличаются отчетливостью и детерминированностью,

- представления разных авторов об этих процессах порой противоречат друг другу и часто плохо соответствуют данным полевых наблюдений,

- ни одна из моделей не получила преимущественного распространения, и теория подготовки оказывается лишенной ясно интерпретируемого физического базиса

Накоплены огромные массивы эмпирических данных, разработано множество разнообразных теорий, но они не получили единого фундамента, на базе которого были бы согласованы Тем не менее, существующие модели и теории можно использовать для анализа, если применить современные информационные технологии Для этого необходимо разрабатывать комплексные информационные ресурсы по сейсмическим данным и предвестниковым явлениям и анализировать их в сопоставлении с текущими и произошедшими сейсмическими событиями

В разделе 1.2 даны определения основным понятиям, используемым в задачах управления сейсмологическими данными, а также раскрываются перспективные информационные технологии обработки таких данных К сейсмологическим данным относятся регистрируемые параметры землетрясений (время события, координаты эпицентра, магнитуда, класс), характеристики геологической среды, зоны возможных очагов землетрясений, плотность эпицентров землетрясений, статистические характеристики и пр Процесс управления сейсмическими данными включает все аспекты сбора, хранения, поиска, использования и обработки таких данных Данные, используемые в сейсмологических исследованиях, можно условно разделить на три группы Первая группа представлена большим объемом описательных данных, включающих географические карты, диаграммы распределений, информацию о геофизических и географических условиях среды, единицах измерений, геологические карты и профили, геофизическую структуру тектонических плит и т п Вторая группа содержит числовые массивы данных, которые могут быть представлены в двумерных таблицах, реляционных таблицах или плоских файлах В третьей группе хранятся интерпретированные данные, полученные в результате анализа исходных данных, и они являются основой для разработки гипотез, моделей и экспертных заключений

Условия, в которых приходится решать сейсмологические информационные задачи, характеризуются неопределенностью, которая обусловлена одновременным действием ряда факторов

- неточностью в определении времени и координат сейсмического события;

- неполнотой описания объекта или процесса,

- существенной многомерностью сейсмических данных,

- недостаточностью или отсутствием информации о характере связей между характеристиками объекта (процесса), а также между его характеристиками и внешними факторами,

- использованием моделей и методов обработки данных, применимость которых для решения конкретных целевых задач не обоснована,

- задержками в получении необходимых данных, связанными с нерациональной организацией управления процессами их сбора, подготовки и обработки, приводящими в конечном итоге к несвоевременным решениям

Сложность решения информационных задач в условиях роста объема исходных данных, необходимость высокого качества информационного обеспечения принятия решений в условиях высокосейсмической опасности, определенная степень неточности в сейсмической информации, используемой на уровне сейсмических прогнозов, определили необходимость разработки каче-

ственно новых средств обработки многомерных данных для поддержки принятия решения таких задач Комплекс этих средств и методическое обеспечение их применения фактически представляют собой новую информационную технологию комплексного многомерного анализа данных, позволяющего оперативно решать задачи поддержки принятия решений в рамках информационной системы Эта технология включает

- новые СУБД, реализующие концепцию хранилищ данных,

- средства OLAP (On-Line Analytical Processing),

- средства интеллектуального анализа данных (И АД)

Данная технология комплексного многомерного анализа данных функционирует согласно следующим правилам

• Многомерная модель (Multidimensional model)

• Прозрачность от сервера (Transparency of the server)

• Доступность (Accessibility)

• Постоянство характеристик производительности (Stable access performance)

. Архитектура клиент/сервер (Client server architecture)

. Общность измерений (Generic dimensionality)

. Управление разреженными данными (Management of data sparsity)

• Наличие многих пользователей (Multi-user)

• Операции с измерениями (Operation on dimension)

• Интуитивное манипулирование данными (Intuitive manipulation of data)

. Гибкое позиционирование и отчетность (Flexible posting and editing)

. Множественность измерений и уровней (Multiple dimensions and levels) Раздел 1.3. посвящен рассмотрению теоретических аспектов организации системы информационного мониторинга сейсмических процессов Система информационного мониторинга (СИМ) - человеко-техническая система, обеспечивающая решение задачи информационного мониторинга, которая заключается в оценке текущего состояния проблемы (процесса) и моделировании/прогнозировании вариантов ее (его) развития на основе реальной информации Информационный мониторинг представляет собой процесс, происходящий во времени и ориентированный на обеспечение лиц и систем принятия решений информацией требуемого объема, достоверности и качества При организации процесса и системы мониторинга можно выделить задачи их технологического и абстрактного синтеза

Целями технологического синтеза являются

- для процесса программное обеспечение мониторинга, выполняющее роль оператора преобразования потока первичной информации в набор данных

и знаний, идентифицирующих объект управления и использующихся для принятия управленческих решений,

- для подсистемы мониторинга создание единой комплексной аналити-ко-информационной системы, реализующей мониторинг

Предполагается, что при синтезе процесса и системы мониторинга известны организационная (Os), функциональная (<£>s), информационная (Ins) модели организационной системы, множество потребителей информации G, системы целей для организационной системы (С) и потребителей (Ci), множество информационных технологий (Th), требования потребителей к информации, а также вербальные и формализованные модели процесса мониторинга в целом (С) и технологических операций (С,)

Формализованные описания мониторинга и операций в общем случае задаются соотношениями

£ XxZxÜxFxT^>Y CtX^Z^Ü^FxT -»У,

где X, X, - первичные данные, Z, Z, - состояния системы мониторинга Sm, и систем потребителей, F, F, - возмущение или действия противоборствующей стороны Sm, Si Т - время, У, У, - контролируемые параметры и показатели

Системы информационного мониторинга

• базируются на теории иерархических нечетких дискретных динамических систем,

• позволяют

— единообразно обрабатывать разнородную, разноуровневую, фрагментарную, ненадежную, меняющуюся во времени информацию,

— получать оценки состояния проблемы, отдельных ее аспектов,

— моделировать/прогнозировать различные ситуации в предметной области мониторинга,

Раздел 1.4. посвящен исследованию характеристик сейсмологической информации Землетрясение - основной объект исследования ученых-сейсмологов Землетрясение определяется, как следствие динамически распространяющегося (со скоростью первых километров в секунду) разрыва в толще земных недр [13] Землетрясение характеризуется набором основных параметров магнитуда, класс, балльность, координаты эпицентра (с ш и в д ), время возникновения Таким образом, с позиций информатики землетрясение является многомерным объектом, или объектом, характеризующимся многокомпонентными данными

Магнитуда — относительная величина Шкала магнитуд определяет землетрясение стандартного масштаба и оценивает другие землетрясения по их максимальным амплитудам относительно этого стандартного масштаба при идентичных условиях наблюдения [13] Существует несколько типов магнитуд локальная магнитуда по Рихтеру, магнитуда по поверхностным волнам, магнитуда по объемным волнам Не так давно появилась шкала моментных магнитуд Такая характеристика землетрясения, как магнитуда, обладает очевидной неопределенностью Магнитуда позволяет сравнивать большие и малые землетрясения, практически не говоря о параметрах источника Теоретически магнитуда не имеет верхнего предела, однако фактически эта величина не превысила значения 8,9

Класс землетрясения - другая характеристика землетрясения Определяется как десятичный логарифм выделившейся энергии, измеренной в джоулях Для разных территорий предложены различные эмпирические зависимости между магнитудой и классом

Сейсмическая балльность - характеризует интенсивность колебаний на поверхности Земли Состоит из описательной и инструментальной частей Описательная часть основана на наблюдениях повреждений построек и, естественно, не может являться объективной характеристикой Однозначной зависимости между магнитудой и балльностью не существует, однако приблизительные зависимости приводятся

Очаг землетрясения - разрыв или система разрывов, возникших в земной коре во время землетрясения Однако, границы объема, включающего очаг землетрясения, неопределенны, следовательно, эта характеристика, является достаточно размытой Ряд работ дает другое определение очагу, но они являются не более точными Таким образом, с позиций информатики, сейсмические параметры являются определенными с некоторой степенью точности, зависящей от типа регистрируемой аппаратуры, применяемых моделей и расчетных алгоритмов Зависимости между большинством параметров - приближенные, следовательно, алгоритмические расчеты - неточные В распоряжении исследователей имеется небольшой объем данных по сильным землетрясениям по сравнению с данными по малым толчкам Сейсмические данные характеризуются однородностью, что позволяет их хранить в базах данных и использовать алгоритмы управления такими данными

Глава 2 посвящена исследованию системы информационного мониторинга сейсмических явлений Камчатской области Раздел 2 1 посвящен рассмотрению исторических аспектов развития системы сейсмического мониторинга в Камчатской области История сейсмологических исследований и на-

блюдений Камчатки условно делится на несколько периодов Первый период -первые научные сообщения о землетрясениях Камчатки, которые впервые появились в 1733 г и явились результатом работы С П Крашенинникова — участника Второй Камчатской экспедиции Витуса Беринга С 1737 до 1897 гг продолжался период макросейсмических наблюдений, в течение которого накоплена информация о тридцати сильных землетрясениях С 1897 до 1923 гг. при помощи инструментальных наблюдений начала фиксироваться информация о камчатских землетрясениях на удаленных сейсмостанциях мира С 1923 по 1946 гг регистрация камчатских сейсмических явлений ведется сетью сейсмических станций СССР Анализ накопленной информации позволил выявить некоторые закономерности размещения очагов камчатских землетрясений — большинство из них простирается вдоль континентального склона Курило-Камчатского глубоководного желоба, а также разработать первые карты сейсмического районирования С 1947 по 1960 гг сейсмологические наблюдения на Камчатке продолжили свое развитие благодаря ученым Горшкову Г С, Токареву П И, Заварицкому А Н Детальные сейсмологические исследования Курило-Камчатской области начались в 1958 г на Южных Курильских островах Главными результатами этих исследований стал значительный объем накопленной информации по проявлениям сейсмических и сопутствующих им геофизических событий, появилась возможность анализа собранной информации С 1961 по 1993 г на Камчатке происходит бурный рост исследований по вулканологии и сейсмологии в рамках научных организаций Института вулканологии ДВНЦ АН СССР и ИФЗАН В этот период осуществилось создание Камчатской региональной сети сейсмостанций, сети радиотелеметрических наблюдений, а также сеть приборов для регистрации сильных движений Накопленная за этот период исследований информация позволила получить результаты в области изучения очага землетрясения, закономерностей сейсмических процессов, прогнозирования землетрясений, сейсмического районирования, энергетической классификации землетрясений и других аспектах Благодаря исследованиям накоплен огромный однородный массив данных по землетрясениям Камчатки

Раздел 2.2 посвящен рассмотрению аспектов организации системы информационного мониторинга сейсмических явлений на Камчатке

Существующие на сегодняшний день разработки по системам мониторинга сейсмических процессов значительно различаются как по детальности и обоснованности предлагаемых решений, так и по физическим возможностям и достоверности их реализации

Обобщенную структуру системы информационного мониторинга сейсмических явлений можно представить следующим образом (рис 1)

Согласно структуре, базовым элементом системы мониторинга является региональная наблюдательная сеть и полигоны

Рабочее тело представляет собой тот элемент, изменение состояния которого дает возможность отслеживать быстротекущие эволюции смены состояния геофизической среды (например, уровень подземных вод или деформаций)

Региональные информационные центры являются основными производственными элементами, осуществляющими организацию и проведение наблюдений на специализированной региональной наблюдательной сети, получение первичной информации, предварительная ее обработка и передача достоверных данных в Специализированный центр обобщения и анализа информации

Информационный обмен между Специализированным центром и Региональными информационными центрами происходит при помощи телекоммуникационных служб

Рис 1 Структура системы информационного мониторинга сейсмических явтений

Специализированный центр обобщения и анализа информации, базирующийся на использовании современных информационных технологий, осуществляет управление системой, производит обработку поступающей информации с Региональных информационных центров, оценивает оценку и прогнозирование сейсмической опасности, разрабатывает и внедряет современные информационные технологии, выдает рекомендации по осуществлению мониторинга и т п

К возможным подходам к организации системы информационного мониторинга относятся гидрогеологический подход и подход, основанный на системе сейсмологических наблюдений

Гидрогеологический подход играет важную роль в организации системы мониторинга, поскольку подземные воды, являясь по существу несжимаемой субстанцией, воспринимают всевозможные стрессы, которые испытывают горные породы, и поэтому представляют собой высокочувствительный элемент, дающий возможность отслеживать изменения в параметрах геофизической среды

Второй подход основан на изучении параметров генерируемых землетрясениями упругих волн в Земле Такой подход может быть реализован, равно как и гидрогеологический, только с помощью сетевых наблюдений и их обработки

Согласно система сейсмологических наблюдений на Камчатке по состоянию на 2006 год включает в себя

- сеть стационарных сейсмических станций,

- сеть радиотелеметрических сейсмических станций (РТСС),

- сеть станций сильных движений (ССД),

- временные локальные сети станций (ВЛСС) для наблюдений в центральных зонах сильных землетрясений и на активных вулканах

Раздел 2.3 характеризует основные информационные ресурсы как результат мониторинговых работ сейсмических процессов Для обеспечения эффективной научной деятельности организаций и отдельных граждан в области исследований сейсмических, геофизических и других природных процессов, необходимо использование информационных ресурсов различного объема, способов организации и представления информации Для оптимально быстрого доступа и актуализации информации, ресурсы должны быть объединены в единое информационное пространство К той части информационных ресурсов, которые касаются прогноза землетрясений, уровня экологической обстановки, геологических карт и пр. можно предоставить открытый общественный доступ

Можно сказать, что в Камчатской области на настоящий момент не сформировано единой информационно-справочной службы научной информации, что является следствием структурной неполноты российских информационных ресурсов

Реализацию подобного структурированного и систематизированного информационного массива возможно выполнить с использованием современных информационных и телекоммуникационных технологий В Камчатской области, как и во всей Российской Федерации, информативность интернет-ресурсов остается на низком уровне, высококачественные научные справочно-информационные издания выполняются в книжном виде, распространяются на оптических носителях Объединение информационных массивов ряда камчат-

ских научных организаций является перспективным решением к доступу к научным ресурсам

В результате осуществления мониторинговых работ сейсмологических исследований сформированы значительные объемы информационных ресурсов, собранные в различных фактографических и документальных базах данных К ним относятся Каталог тектонических землетрясений Камчатского региона, Бюллетень сейсмических станций тектонических землетрясений Камчатского региона, Бюллетень стационарных сейсмических станций, Каталог основных параметров землетрясений и другие

Глава 3 посвящена разработке модели сейсмологической информационной системы на базе системы информационного мониторинга сейсмических явлений (раздел 3.1.1), разработке информационной технологии анализа сейсмологических данных на основе моделирования деформационных полей (раздел 3.1.2), а также обоснованию основных положений нового раздела информатики

- сейсмоинформатики как интеграционной науки (раздел 3.2)

Назначением сейсмологической информационной системы является информационное обеспечение проведения сейсмологических исследований

В соответствии со своим назначением информационная система должна выполнять функции системы хранения сейсмологических данных и системы поддержки принятия решения

Для выполнения функций системы хранения сейсмологических данных должны обеспечиваться

- ввод, и хранение первичных сейсмологических данных, полученных в результате информационного мониторинга,

- удобство редактирования и обновления данных;

- достаточность объема информации для решения задач прогнозирования последствий и реагирования на сейсмические события,

- контроль качества и непротиворечивость данных,

- возможность организации работы с большими объемами данных;

- совместимость различных баз данных,

- возможность конвертации форматов в соответствии с кодами и классификаторами других систем,

- поиск информации по запросу пользователя,

- вывод информации совмещенной с картографической основой,

- получение из информации об объектах, интересующих исследователей,

- возможность изменения информации об объекте,

- отображение результатов,

- возможность формирования отчетных материалов по итоговым данным,

- обработка и систематизация сейсмологических данных,

- формирование баз данных, оперативных каталогов и бюллетеней сейсмологических данных,

- поддержка и обеспечение доступа пользователей к цифровому архиву сейсмологической информации,

Помимо указанных функций система должна обеспечивать поиск информации по основным атрибутам записей и предоставление данных в виде формализованных отчетов или графической интерпретации в соответствии с направлениями исследования (временные ряды, диаграммы, вероятностные распределения и т п)

Для выполнения функций поддержки принятия решений информационная система должна обеспечивать

- аналитическую обработку, направленную на получение тех или иных параметров исследований, например, величины деформаций,

- хранение истории развития сейсмологических проблем/процессов,

- непрерывную оценку текущего состояния сейсмичности,

- прогнозирование и моделирование развития сейсмических процессов в будущем

- представление данных и результатов в любом заданном разрезе в виде таблиц, графиков, в том числе трехмерных,

- интеллектуальную аналитическую обработку, заключающуюся в построении сводных расчетных показателей и параметров за любой временной период,

- разработка кратко-, средне- и долгосрочных прогнозов,

- возможность реализации пространственного представления информации,

- быструю визуализацию цифровых карт на экране дисплея для любого участка территории,

- возможность сопряжения БД цифровых карт с атрибутивной информацией и математическими моделями

Все перечисленные выше функции информационная система должна выполнять для удовлетворения информационных потребностей следующих пользователей — ученых-исследователей (сейсмологов, геофизиков), студентов, аспирантов и других заинтересованных лиц С точки зрения перечисленных пользователей их интересуют данные и информация, которая необходима для выполнения стоящих перед ними функциональных задач Поэтому информационная система должна также обеспечивать возможность конкретным пользователям доступа только к тем данным, к которым им разрешено иметь доступ (разграничение доступа)

На рис 2 изображена структура сейсмологической информационной системы

Рис 2 Структура сейсмотогической информационной системы Блок 1 - "Блок информационного мони торинга", Блок 2 - "Блок интеграционно-аналитический" (суперэкспертаая информационная система)

Таким образом, можно выделить следующие основные принципы развития сейсмологической информационной системы

- создание и использование распределенных технологий обработки информации в структурных подразделениях и по направлениям исследований (РБД),

- внедрение Системы оперативной аналитической обработки данных (OLAP), внедрение Системы интеллектуального анализа данных (СИАД),

- разработка и внедрение в систему интернациональной информационно-аналитической базы знаний научных теорий в области сейсмической науки,

- хранение и анализ других данных, напрямую не относящихся к предвестникам (параметры космического излучения, данные по пожарам и другим стихийным бедствиям, экологические данные, геотермальные, параметры магнетизма и т п ) поскольку исследования надо производить системно, неразрывно с другими проявлениями природы,

- внедрение и использование в сейсмологической ИС электронной библиотеки с полнотекстовыми журнальными статьями и монографиями специалистов-сейсмологов,

- создание баз данных и архивов разнообразной справочной, учебной и научной информации

- организация возможности удаленного доступа к сетевым информационным ресурсам с мобильных и домашних компьютеров специалистов,

- использование теории неполных данных при организации системы управления сейсмологическими данными

Информационная технология анализа сейсмических данных (раздел 3 12) представляет собой алгоритм и программное обеспечение ретроспективного анализа одного из видов предвестников для системы информационного мониторинга, который может использоваться и для анализа других видов предвестников

Основой технологии служит модель подготовки землетрясения, предложенная И П Добровольским В основу технологии была положена именно эта модель в связи с тем, что эта модель количественно и качественно разработана, обладает преемственностью, т к в ней нашли отражение определенные положения предыдущих моделей Согласно выбранной модели, процесс подготовки землетрясения описывается с двух позиций физически и феноменологически Физическая и феноменологическая модели развиваются независимо друг от друга, но на определенном уровне между ними достигается согласие

Суть феноменологической модели состоит в том, что предвестниковые возмущения геофизических полей локализуются вблизи очага будущего землетрясения в пространстве и времени. Факт локального возмущения свидетельствует о возникновении в земной коре некоторой неоднородности свойств среды на фоне ее исходного состояния Пространственная локализация гипоцентров главного толчка приводит к выводу, что на определенном этапе начинается разрушение этой неоднородности, в результате происходит возвращение среды в этом объеме в исходное состояние Таков основной смысл феноменологической модели

Построение физической модели включает определение конкретной формы неоднородности и моделирование развивающихся в ней процессов Последнее проводится путем постановки и решения соответствующих задач математической физики с использованием констант и функций, берущихся из опыта Физическая модель построена на базе линейной теории упругости

Определяющую роль в построении количественных моделей играет качество информации Надежность результатов может быть обеспечена предварительным анализом достоверности результатов полевых измерений и логико-информационным сопоставлением с известными закономерностями развития геологических процессов В силу этого, исходными являются следующие по-

ложения Земная кора движется с приблизительно постоянной в репюнальных масштабах скоростью деформации, которая поддерживает постоянный уровень касательных напряжений на фоне почти гидростатического поля напряжений, вызванного гравитацией Таким предполагается исходное (регулярное) состояние среды до появления включения, и оно считается стационарным Подготовка даже наиболее сильных землетрясений не прерывает глобального или регионального хода деформирования В силу этого, любое включение возмущает напряженно-деформированное состояние среды, которое изменяется со временем Если в произвольный момент времени определить разность между текущим состоянием среды с включением и состоянием, которого достигла бы среда к этому же моменту при отсутствии включения, то получим чистое возмущение, вызванное именно появлением включения или предвестниковое возмущение Вычисление этого возмущения и нахождение вторичных явлений от него составляет сущность задачи в рамках физической модели

Как следует из постановки задачи, определяющими размерами в ней являются размеры включения При этом объем среды, вмещающий включение, должен быть достаточно большим, чтобы его граница не искажала возмущенное состояние и окрестности включения. Это условие возникает из естественного требования исследовать подготовку одиночного землетрясения Таким образом, размеры включения являются одним из основных параметров, определяющих особенности изменения свойств среды в его окрестностях Ясно, что на достаточно большом удалении от включения будут иметь значение лишь его осредненные свойства и, в частности, величина объема независимо от его формы Размеры включения могут быть достаточно просто связаны с энергетическими характеристиками готовящегося землетрясения, в частности, с его маг-нитудой Максимальные во времени размеры неоднородности-включения перед разрушением, должны быть близки к размерам очага землетрясения

Для исследования пространственного положения облака афтершоков и оценки размеров осей эллипсоида строилась гистограмма распределения числа землетрясений от времени в очаговой области По гистограмме оценивался оптимальный временной интервал для построения афтершоковой области сильного землетрясения (рис 3-4)

Обычно рассматривалось облако афтершоков в течение 1-3 суток после главного события Такой временной интервал обеспечивал получение достаточно четкой картины распределения афтершоков в объеме, существенно не увеличивая размеры очага за счет активизации прилегающих районов

Рис 3 Гистограмма распределения числа землетрясений от времени в очаговой области для землетрясения

02 03 1992 г с М=7

По положению скопления эпицентров афтершоков на поверхности визуально определялось простирание большей оси эллипсоида Малые оси эллипсоида принимались как среднее между длиной малой оси скопления эпицентров и диапазоном глубин распространения афтершоков Затем оценивались координаты центра облака афтершоков Эти координаты присваивались центру включения

Рис 4 а) распределение эпицентров афтершоков для землетрясения 02 03 1992 г сМ=7

Рис 4 6) распределение гипоцентров афтершоков в разрезе для землетрясения 02 03 1992 г с М=7 (северо-восточное направление)

В среде программирования Delphi б 0 разработано приложение, позволяющее проводить расчет деформаций в заданной области

По данным текстового файла с величинами рассчитанных деформаций в узлах координатной сетки строились двумерные карты с помощью пакета

Surfer. На ряс;. 5 приводится схема распределения величин расчетных деформаций на стадии подготовки землетрясения, произошедшего 2 марта 1992 года.

MUM

Рис 5. Схема распределения великиы расчетных д-формации tta с ганчи ПОДГОТОВКИ землетрясения 02,03.1992 г. с М=7. Условные обозначения: скважина ЕпюввцДО - i * . центр «включения»

Анализ результатов использования алгоритма

В табл. 1 приводятся данные о землетрясениях, оценки размеров включений, оценки величин расчетных деформаций для территории Петропавловского полигона. Наиболее высокие величины деформаций в районе мыса Шипунского (до 13-10"°) отмечаются в период подготовки землетрясений 06.10.1987 г., 02.03.1992 г., 01.01.1996 г. и 05,12.1997 г. Средние по величине значения деформаций проявились в результате подготовки землетрясения 21.06.1996 г. (5,1-10 ), и низкие величины (3-10^) - в результате двух землетрясений 1993 года.

Для южных районов Петропавловского полигона (район долины рр. Па-ратунки и Карымшины) наиболее высокие значения деформаций отмечаются в случае события 13.П.1993 г. (10,5-10'6) и 08.06.1993 г. (6,3-КГ6). Величины деформаций порядка 3,5-4,5-Ю'6 соответствуют землетрясениям 02.03,1992г., 21.06.1993г. Наиболее низкие величины деформаций (0,45-3,4) в этом районе соответствуют землетрясениям 06.10.1987г., 01.01.1996 г., 05.12.1997 г.

Таблица 1

Основные данные о сильных землетрясениях 1987-1997 гг и величины расчетных деформаций в районе скважины Елизовская - 1

ДАТА Координаты эпицентра, град с ш -в д м,ь (М.) Координаты центра включения, град с ш - БД Объем «включения», км3 Величина деформации 10"'' >ровень в скважине См

По величине магнитуды По величине объема «мягкого включения»

06101987 52 86160 23 66 52 9- 160 2 7943,28 113930 147 0 21 -4

02031992 52 76- 160 2 7 1 52 85-160 05 35481,34 3418 7 96 1 2 -11 8

08061993 512-1578 74 51 25- 158 4 87096 36 60395 86 2 48 1 72 -47 4

13111993 51 79158 83 7 1 51 9-1589 35481,34 8799 52 32 08 -10 5

01011996 53 9- 159 43 70 53 85- 1594 26302 68 34512 63 1091 1431 Нд

21061996 51 27159 63 73 51 6-159 7 64565 42 30630 53 2 53 1 2 16 4

05121997 54 64162 55 79 54 2-162 4 389045,14 449967 7 5 56 6 43 9

Анализ зависимости изменений уровня воды в скважнне Е-1 » величин расчетных деформаций

Скважина Елизовская-1 (глубина 665 м, уровень на глубине 28 м ) расположена в 35 км к ССЗ от г Петропавловск-Камчатский Она вскрывает в интервале 625-647 м слабоминерализованные газонасыщенные подземные воды вулканогенных осадочных пород На скважине Е-1 в 1987-1998 гг проведены наблюдения за уровнем воды Эти наблюдения показали, что перед землетрясениями происходят закономерные понижения уровня воды в течение первых недель - первых месяцев Приводятся результаты расчета величин деформаций в районе скважины Величины деформаций для различных землетрясений изменяются в среднем от 0,84 до 12,6 10"6

Прослеживается определенная пространственная тенденция в соотношении величин деформаций, полученных по величине магнитуды и по объему включения Для двух землетрясений района Шипунского полуострова отмечено наибольшее различие

На рис 6 приводится распределение величин расчетных деформаций в районе скважины Е-1 и изменений уровня воды на стадиях подготовки землетрясений

О ----,-.-,-,-.-.-.-,

О $ 10 15 20 25 30 35 40 <5 £0

лмплитуол КЗЯИ*«НИЛ «М

Рис 6 Распределение величин расчетных деформаций в районе скважины Г-1 и изменений уровня воды на стадиях подготовки землетрясений

Таким образом, разработана и создана информационная технология моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области, которая может использоваться в системе информационного мониторинга для анализа других видов предвестников, проведены расчеты величин деформаций на стадии подготовки семи сильных камчатских землетрясений 1987-1997 гг (с магнитудами М=6 6-7 9) и построены схемы распределения деформаций для территории Камчатки и Петропавловского полигона, величины расчетных деформаций изменяются от ед*10-7 до ед*10'5, составляя в среднем ед*1СГ6, что в целом согласуется с данными геодезических наблюдений, прослежено различие в соотношении величин расчетных деформаций по мапштуде и по объему афтершоковых последовательностей для различных районов Камчатки (это может указывать на различие строения и напряженно-деформированного состояния среды этих районов), проведено сопоставление изменения уровня воды в скважине и величин расчетных деформаций на стадии подготовки землетрясений (прослеживается тенденция увеличения амплитуд изменения уровня воды в скважине с ростом величин расчетных деформаций)

Раздел 3.2 посвящен разработке основных положений сейсмоинформати-ки как возможного нового раздела науки информатики - интеграционного инструмента исследования сейсмических явлений

Период конца XX - начала XXI века характеризуется бурным ростом и усложнением информационных потоков, развитием высокотехнологичных средств и методов их обработай Существует мнение, что человечество стоит на пороге информационного общества, в котором информация становится наиглавнейшим ресурсом, определяющим развитие как производственных отношений, так и производительных сил и имеет все необходимые для этого (качественно и количественно) информационные магистрали и информационные по-

23

токи, ресурсы, методы, технологии, средства, т е имеет соответствующую самоорганизующуюся инфраструктуру для удовлетворения как индивидуальных, так и общественных потребностей в информации, совершенствования интеллектуального, социально-экономического, гуманитарного, физиолого-психоло-гического состояния человека и общества в целом В связи с этим, наука информатика начинает развиваться как системно-междисциплинарная наука, интегрирующая, систематизирующая и охватывающая своими методами, моделями, алгоритмами и технологиями все аспекты инженерно-научного творчества человечества

Существует системное определение информатики, как «науки, изучающей информационные, информационно-логические аспекты информационных процессов, информационно-динамические инварианты этих процессов» На основе этого определения можно сформулировать понятие сейсмоинформатики, как науки, изучающей информационные системы и процессы в геофизических средах, а также развитие, управление, моделирование и самоорганизацию в таких системах

Основными понятиями сеймонинформатики являются сейсмическая информация и данные, алгоритмы и процедуры обработки сейсмических данных, сейсмологические информационные системы и структуры, аналитические геоинформационные системы, экспертные сейсмоинформационные системы, базы и банки данных сейсмологической информации, их структура, принципы построения и развития, информационные сейсмологические ресурсы, моделирование сейсмических явлений, гипертекстовые технологии в представлении сейсмологических данных

Центральным понятием сейсмоинформатики должна стать сейсмоинфор-мационная система Сейсмоинформационная система создается для систематизации и использования накопленной сейсмологической информации и знаний, направлена на предоставление эффективного получения новых знаний и обеспечение функционирования сейсмологических исследований

Таким образом, содержание нового возможного раздела информатики -сейсмоинформатики направлено на использование и внедрение современных достижений и технологий информатики в сейсмологические исследования (часть которых реализована в предложенной архитектуре сейсмологической информационной системы) и является интеграционным инструментом, формирующим комплексный механизм изучения сейсмических процессов

Основные результаты

1 Сделан обзор и проведено исследование информационных особенностей основных сейсмических теорий

2 Разработана архитектура и определены перспективы развития сейсмологической информационной системы - основы обеспечения надежных сейсмологических исследований

3 Разработана информационная технология моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области как один из алгоритмов интеллектуального анализа данных системы информационного мониторинга сейсмических явлений

4 Обоснована необходимость разработки и сформированы основные положения нового раздела информатики - сейсмоинформатики как интеграционного инструмента изучения сейсмических процессов

Основные результаты изложены в следующих публикациях соискателя:

1 Моделирование деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатки (тезисы) // Материалы XXXVIII Международной научной студенческой конференции, Новосибирск, 2000

2 Информационно-технологический анализ геологических процессов в районах высокосейсмической активности Камчатской области // Материалы V Межвузовской научно-практической конференции «Информационные технологии XXI века» Москва, 2003

3 Информационная технология моделирования деформационных полей на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатской области // IX научно-практическая конференция «Наука - сервису», М , 2004

4 Информационная поддержка сейсмических исследований на Камчатке // Материалы VI Межвузовской научно-практической конференции «Информационные технологии XXI века», М, 2004

5 Информационное обеспечение сейсмических исследований на Камчатке: основные принципы и проблемы // Материалы VII Международной конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальный потенциал ВУЗов - на развитие Дальневосточного региона России» Владивосток, 2005

6 Некоторые аспекты разработки системы информационного мониторинга сейсмических процессов// Научно-техническая информация Сер 1. — 2007 -№ 3 - С 26-30 Статья принята к опубликованию 21 11 2006

Заказ № 371 Тираж ЮОэкз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www autoreferatru