автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Теория и практика помехоустойчивых информационных сейсмоакустических систем контроля и прогноза горного давления

Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образовании Красноярский государственный технический университет

РГ6 од 3

На правах рукописи Р03МАН0В Иван Прокопьевич

Уда 622.85 : 550.3 теория и практика

помехоустойчивых информационных сеисыоакустических систем контрачя

и ПРОГНОЗА ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.14. - Системы обработки информации и управления.

Диссертация на соискание ученой степени • доктора технических наук в форме научного доклада

Красноярск 1994

Работа Ешолнена во Всероссийском научно-исследовательском и проектш-конструкторском институте марипейдерского дела, горюй геомеханики, рудничной гоолопш и гидрогеологии и НПО "СкОцветметавтоматика'*

Официальные оппоненты:

действительный член Международной инкенорной Академии наук, доктор технических наук, профессор Ямщиков Валерий Сергеевич

действительный член Международной Академии наук высшей школ.:, доктор технических наук, профессор Кравцов Валерий Васильевич

член-корроспондент Академии инженерных наук, доктор технических наук, профессор Шайдуров Георгий Яковлевич

Ведудее предприятие - Институт проблем комплексного освоения недр Российской Академии наук

Защита диссертации состоится " /О " ¿¿г-С-М-Л 1994 г. в / у час на заседании специализированного Совета Д-064.54.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу : 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека Красноярского государственного технического университета Диссертация разослана " /О " -.У/ О 1994 г.

Учений секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук, доцент Кочетков В.П.

о

0Е1ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

В дассорташм, представленной в виде научного доклада, со рз~ эулътатам теоретнчоасих и экспериментальных исследований технических и методических сродств контроля и прогноза горного давления (ГЯ), вылолнешшх автором и ого коллегами в 1972 - 1994 годах, разработаны теоретические полско.чпя и излохеш научло-обосновшпшо технические и экспошгческие решения, внедр-егош которых является новым крупным вкладом в теории и практику помехоустойчивых сейсмо-акустичоасих систем и рошегою проблемы прогноза состояния массивоз горных пород (МГП)'и других объектов.

Актуальность ПрОйКОЫа. ОДНИМ из основных нотодов контроля к прогноза состо;ошя горних массивов (П.!) является мотод, основашшЯ ка регистрации сеЯсмоакустичоских событий на- всех стадиях проявдо-ния ГД. В'создании л развита! н а учно - тэ хз глч оаслх основ метода, внодрешм его для реиешш задач горной; геофизики принципиальное значение тлею? работы М.С.Аяш£ороса, С.Н.йурковз, 3.В.Ржевского, М.А.Садовского, Е. И. Шемякина, Ц.В.Курленя, И.А.Турчанинова, К.М.Петухова, В.С.Ямщикова, В.С.Куксонко, С.В.Кузнс-цовз.

Пгсгсм развития этого метода в настоящее время явилось создшше и шедрошю на удэроопосних косторовдоииях автоматизированной сис-Wi.it контроля и прогноза горнего давления (АСКГД), основашюй на непрерывной регистрации системой разнесешшх в пространстве приемников соЯсмоакустлчсских событий в диапазона энергия от 10"° до Ю10 Дк. Успеетюму создошш к внедрению методических, технических и программных средств АСКГД способствовали работа учешх В.А.Сиф-шва, В.С.Ломаюша, В.М.Проскурякова /В5£"М/, В. Н. Савельева, Н.Г.Томижша, Д.М.Оролова /ОТИ РАН/, А.А.Козырева, И.А.Кузьмина, А.Х.Ерухимова, В.И.Панина /КЩ РАН/, А.В.Мозылева. В.А.Квочкина, Б.В.Шропяа /ВостНИГРИ/. В. Б. Дьяковского, В.И.Дорошашга /Унипромедь/, В.М.Сромда, В.Н.Мишаткина /ИФЗ РАН/, Н.Р.Надираявили /ИГМ АН Грузии/, а также профессионалов аахтпнх слукб контроля и прогноза В.А.Колесова, В.А.Логунова. К.А.ЕоЯксва /ПО "СУБР"/, Ы.О.Пэтухова, В.К.Клижо /НПО "Сибруда"/, В.С.Лавина,.С.П.Одзрчен-ко, А.Л.Соколовского /Норильский ШК/, Е.И.НиколаоЕО /НПО "Джез-казгапцветмэ?"/ и др.

Однако, как показывают результата исследований и опнтно-гфокналзнчой эксплуатации АСКГД, надежность регистрации информационного потока и информационных параметров достигается только для

свйсможусткчосккх сигналов (САС) с энергиями > .10 Дж, вследствие чего надегаый прогноз может Оцть выполнен для горных ударов (IV) с энергиям! > 10^ Д*.

Основной причиной снижения потенциальных возможностей использования на удароопасных месторождениях АСКГД и в целом метода сейс-ыоакусгихи (СА) являются многочисленные искусственные и естественные помеха, совпадающие по частотному диапазону и превышающие на I...6 порядков по анергии полезные САС.

Вместе с тем, следует отметить практическое отсутствие работ по количественным и качественным характеристикам мешающих воздействий на результаты сейсмоакустического контроля и прогноза ГД и по методам повышения его помехоустойчивости.

Решение задач по разработке методов и алгоритмов реализации помехоустойчивых сейсмоакустических измерителей, создание надезашх в эксплуатации помехоустойчивых комплексов обеспечит достоверный оперативный и долгосрочный прогнозы опасных проявлений ГД, понизит энергетический уровень прогнозируемых событий, поеысит эффективность профилактических мер ведения горных работ и поэтому является современной актуальной проблемой.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР отраслевых научно-технических программ ИП-4Г и МП-21Г "Разработать и внедрить способы и средства прогнозирования и предотвращения гор-1шх ударов" Министерства цветной металлургии CCCÎP и его правоприемников на I931-1990 гг. и I991-1995 гг.; в рамках общесоюзных научно-технических программ, утверздвнных Государственным комитетом по науке и технике СССР от 29.10.86,г.Л 552 и от 30.10.86 г. Si 555; по проекту Госгортехнадзора.России от 05.12.92 г. "Разработка и освоение комплекса мер,по безопасной и эффективной эксплуатации' рудных, нерудных и других обектов недр склонных к горным ударам".

Цель работы - разработка теоретических положений к научное обоснование технических решений оптимальных и квазяоптимальных структур измерителей САС, многоканальных помехоустойчивых сэйсмо-акусигческих комплексов, а так se рааенда научно-обоснованных тех-, шгческих и экономических задач по созданий поомэхоустойчивых информационных систем для оперативного и долгосрочного'прогноза проявления ГД. , ..

ИДея работы заклачзется: в ' разработке математической модели САС,. состоящей из двух'фаз - первого -вступления и последующего полигармонического колебания, вектор параметров которой содерет все информациошше параметры состояния ГМ; синтезе оптимальной нэкогб-

рентной структуры для обеих Фаз модели САС; виворе структура я моделировании многоканального обнаружителя на базе роззскей статистики определения мода рэзультирущего соктора по малому объему Выборга и выработке рекомендаций для прок-пиеской реализации помехоустойчивых сайсмоакустических комплексов.

Задачи исследования опроделеш согласно сформулировагошм научной и практической проблемам, цели работ в состояли в следующем:

1. Обобщенно результатов разработка и Енэдро>ил АСКГД но уда-роопасшх рудных месторождениях ПО "СУБР", НПО "Джззказгавдват-мэт", НПО "Сибруда", рудниках "Октябрьский" и "Таймырский" ¡{ГОК.

2. Анализ статистических данных и разработка математической модели САС и помех с учБтом измеряемых, расчетных к прогнозных параметров АСКГД.

3. Синтез оптимальных и квазиоптималышх обнаружителей САС и анализ их точностных характеристик.

4. Исследование особешюстзЯ построения а принятия решения для многоканальных обнаружителей САС.

5. Разработка рекомендаций для практической реализации помехоустойчивых сайсмоакустических комплексов для оперативного и долгосрочного прогноза проявления ГД.

Объекта ir метода ысслздодаякй, При выполнении работ пряызяоны; для разработка ¡методики прогнозирования экономических последствий ГУ-статистические-материалу каталога горных удароз СеЕз-роуральского бокситового мостороядэния с использованием критериев Ха -квадрат а Колмогорова для выбора 'закона распределения ГУ, а при оценке поторь-эломенти теория принятия репешш;

методы натуршп: экспериментов для накопления банка данных реальных сейсмоокустаческих сигналов и помех па Североуральском, Джезказганском» Норильском я Таятагольско« удароопаешх месторождениях, методу математической статистики для исследования и систематизации характеристик САС и помах с последующим моделированием на ПЭВМ;

при разработка математической модели САС метода матомалпес-кой статастшси, спектрального анализа, матричного исчисления и моделирования на ПЭЕМ;

для определения параметров первого вступления - теория полиномов с определением весовых коэффициентов оптимизированными мето-дшаг максимального правдоподобия ri наименьших квадратов;

при синтезе оптимальных и квазиоптнмадышх структур обнаружите лея САС - марковская теория нелинейной фильтрации, об, обтаэ

уравнения спткмалыюй нолинейной фильтрации, уравнения Стратоиавв-ча и моделирование с:штезирозанш1Х структур на ПЭВМ:

при исслодованпи особенностей построения к принятия решения для многоканальных оснаругаггелей САС-методн реэавдей статистики с определением плотности распределения результирующего вектора по малому объему выборки методом Лорзона-Розонблата с моделированием на ПЭВМ;

np;t разрядов® рекомендаций для практической реализации по-мвхоустойчивих комплексов АСКГД-комсзкнировонноо физическое и математическое моделзфование разрабатываемых структур, ноделированш форм и идентификация сигналов к помех на программных моделях ПЭЕМ, исследование многоканальных макетов узлов ' помехоустойчивых комплексов.

Ноучпые полоквшш, вынося«« иа.аедигу:

1. Вероятностная методика оценки потерь от ГУ, в основу которой положона функция риска статистической теории принятия ранения. При этом оценивазт плотность вероятности по одному или нескольким параметрам ГУ, функция потерь по легкому параметру, а величину риска (потерь) олрэдоляит выражением

Пт= пт | L, (х, ) i1 <х, ) dz , + пт | Ln(xn) in(xn) р

гдо n - вероятностная оценка тесла FJ за период времени;

, L, (х1 ) - функция потерь по параметру ; ft(х1 ) - плотность распределения вероятностей случайного параметра х1..

В качестве параметров 1У могут йыть приняты выброс горной массы, протяженность нарувэния горной внраОотки, ' травматизм, потери ыааин м оборудования, неритмпчноость работы рудника CI],

2, Систематизация физических основ, критериев и информационных параметров (измеряемых, расчетных и прогнозируемых) контроля состояния П.! методам, свйсмоакустики; информационная структура и технические характеристики АСКГД и об отдельных комплексов £2-7].

2. Математическая модель ОАО в ГЬ5 в вида жцщрующего импульса и полигармоничосяого случайного процесса с многомерным марковским' вектором параметров: время к величина начального вступления, величина и длительность первого экстремума, квадратурные ■ составляйте амплитуд, момент появления сигнала, длительность ta-иульса и начальная фаза кавдой гармонической составляетсй 18„ ИЗ.

т .

4. Оценка методом нвименыетх квадратов по отсчетам сигнала коэффициентов полинома яидкруваего импульса САС и его изфзрлациои-ных характеристик - начальные величина и время, амплитуда, полярность и длительность [10, III.

5. Репение нелинейного матричного дифференциального уравнения в частшх производных для фильтрации вектора параметров САС, структура оптимального когерентного в гауссовом приближении обнаружителя САС в виде многоканального, многоконтурного замкнутого следящего фильтра и оптимальная некогерентная в гауссовом приближении разомкнутая структура обнаружителя САС 19, II, 123.

6. Решение - уравнения Риккати для вторых центральных моментов и получение методом последовательного усреднЭшюго анализа выражения для дисперсии оценок параметров САС в установившемся реззэло работы обнаружителя [II3.

7. Доказательство наибольшей эффективности модальных статисток по сравнению с известным! при решении задачи обнаружения слабых САС в смеси с негауссовыми помехам? многомэрггым приС-мником при высоких вероятностях появления их в отдельных каналах ill

8. Способы и технические решения ' повышения помехоустсйчихстн обнаружителей САС за счЭт компенсации искажений, вносимых трасса.'.« распространения, подавления узкополосных помех амплитудно-частотными выравнивателями, перераспределения спектра излучаемого сигнала, использования корреляционных цифровых методов фильтрации и обработки САС- в активных методах СА 113 - 411.

Научная повизлз работы заключается:

1. 3 разработке методики оценки экономических последствий ГУ путём определения фушщия риска теории принятия регонкя по одному или нескольким его параметрам, в обосновании э?ятричоской зависимости функцга потерь и законов распределения вероятностей выброса Ш и нарупения горных выработок от силы ГУ.

2. В систематизации на основе закономерностей процесса разрушения НГП критериев а информационных' параметров, пригодных для автоматизированного контроля и прогноза ГД, в разработке информавдон-ной структуры й технических характеристик АСКГД и о а отдельных комплексов.

3. В разработке математической модели САС в П.! в виде лидирующего импульса

S (t )=aQ+a1 t+agAa^t3 и полита рлошпеского случайного процесса с многомерным маркопасям

вектором параметров^

К ? » АЮ- А1 а' V V »1 5 '

4. В обосновании алгоритма оптимального обнаружителя лидирующего импульса САС, основанного на вычислении методом наименьших квадратов оценок коэффициентов полинома первого вступления по отсчетам принимаемого сигнала и их весовым коэффициентам оптимальных по методу максимума правдоподобия.

5. В обосновании методом синтеза оптимальной некогерентной структуры обнаружителя САС для малых и больших отношений сигнал/помеха в гауссовом приближении в виде многоканальных разомкнутых ||яльтров и синтозэ оптимального приёмника широкополосных сигналов октив'нЫХ методов СА при действии сосредоточенной помехи с релаевскш распределением амплитуды и равномерным распределением' фазы, а так ке флуктуационного пума.

6. В обосновании структуры и исследовании в гауссовом приближении квозиаптималыгого нокогерентнсго физически и технически реализуемого обнаружителя САС в виде алгоритма цифровой обработки, включающего в себя оценки параметров первого вступления и форм входной .реализации для последующей их пденифтацка.

7. В разработке помехоустойчивого алгоритма обработки САС многоканальным квазиопткмалышм обнаружителем, формирующим модальные статистики сигналов, и доказательстве его преимуществ методом математического моделировашм по сравнению с известными при наличии коррелированных узкополосных и импульсных помех.

8. В использовании для повышения помехоустойчивости обнаружителей САС, предложенных автором способов к технических средств:'компенсации искажений сигналов, вносимых Tpaccat.ni распространения с оценкой АЧХ трасс методами преобразования Фурьэ и передаточных функций параметрическим методом; подавления узкополосшх помех в обнаружителях амплитудно-частотными выравнивателями с .регулировкой порогов подавления по отношению сигнал/помеха; перераспределения спектра излучаемого сигнала; использования корреляционной цифровой фильтрадаи и обработки САС в активных методах СА.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным характером работ, основанными на катодах математической статистики при анализе, определении характеристик и обосновашш законов распределения ГУ, реальных САС и помех с последующей разработкой и.-исследованием их на программных моделях; теоретическими исследованиями с применением фундаментальной'марковской теорш нелинейной фпдьт-

рации и классической линейной теории фильтрации с проверкой результирующих аналитических выражений к реализующих га структур катодами моделироваши на -ПЭВМ; результатам! лабораторных и пахтпнх испытаний, опытно-методнческих работ и опытно-промыалеиных эксплуатации нзмерительшх комплексов АСКГД на удароопасшх кесторовде-ниях; теоретическими и экспериментальными исследованиям! способов, экспериментальных и промышленных образцов прябмп и обработки глтро-кополосных сигналов (ШПС).

Поутшоа значение роботы заключается в разработке теоретических положений и научно обоснованных технических и экономических рояю-ний по создаю!» помехоустойчивых приборов и систем для регистрации с большой степенью достоверности сейсмоакустлчоских событий с энергия.'я 10° - Ю-3 Да и менее при действии помах . Это обеспечивает формирование достоверного банка измеряемых, расчётных и прогнозных параметров физических процессов в Ш метода;®! СА и на основе существулгдах мотоягк решение проблем - прогноз места, промели и энергии ГУ с энергиями < ТО-3 Да, новызениэ достоверности нрогнозгауемых параметров ГУ с энергией > Ю5 Д*, а так т прогнозирование экономических последствия П на основе предлагаемой ва-

рОЯТНОСТНОЙ МОТОДНКИ.

Практическая гна-гныссть работа заключается в следующем:

1. Систематизированы физические закономерности и задачи, ос-новополагапиие при создании сойсмоакустичоских измерительных ко?ят-лексов и автсмптиоировпшшх систем.

2. Разработаны технические задания и техтггасшю характеристики, хшформашкишая база (измеряемые, расчетные я прогнозируемые параметры) па измерительные комплексы и АСКГД.

3. Разработаны и внедрены измерительные комплексы регионального и локального контроля и прогноза удароопасности на Савероу-ральсксм, Таэтагольском. Норильском и Джезказганском удароопасных месторождениях.

4. Разработаны схены функциональной структуры подсистем и в целом АСКГД, а также их функции и режимы.

5. Накоплен банк информационной базы измерительных комплексов па удароопаишх месторождениях, который показал низкую помехоус-тойчивсть регистрации оуцествувдшс! техническими средствами САС с энергиями < Ю1 на фоне помех.

" 6.Разработаны в результата последоваляй а моделирований син-тегированшх структур и правил принятия решения структурная и фугесш:о!,г,л^ная схемы и алгоритм помехоустойчивых мюгоканалышх

обнаружителей САС.

7, обоснована приемлемость способов и технических решений обработки ШПС Для реализации помехоустойчивых обнаружителей САС.

Использование л внедрение результатов роботы.

Результаты работы получены при личном участии и техническом руководстве ШР и ОКР автором в НПО "Сибцветметавтоматика" совместно с научно-исследовательсюам институтами - ВНИМИ, ЙТИ ш.Иоф$ю РАН, ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, Уиипромедь; высшими учебными заведениями - Московским горным институтом. Красноярским политехническим институтом. Красноярским институтом цветных металлов, Свердловским горным институтом и горнодобывающими и -перерабатываю- -щими предприятиями - ПО "Севуралбокситруда", НПО "Сабрудав,: НПО "Жезказганцветмет", Норильским горно-металлургическим комбинатом в рамках отраслевых научно-технических программ I976-I99I годов WI-4Г И Ш-21Г "Разработать и внедрить способы и средства прогнозирования я предотвращения горных ударов" Министерства цветной металлурга! СССР и его правопреемников, общесоюзной научно-технической программы Государственного, комитета.по. науке и технике от 29.10.86 г. а 552, темы "Разработка, изготовление'и ' внедрение приборов и систем контроля и прогноза удароопасности на горных предприятиях цветной металлургии" Комитета РФ ко металлурга!.

Разработанные при непосредственном участии автора приборы экспресс-оценки степени удароопасности участков горных массивов внедрены на многих удароопасных предприятиях России, Казахстана, Узбекистана, а измерительно-вычислительные комплексы АСКГД для непрерывного контроля и прогноза удароопасности шахтных полей и отдельных участков - на ПО "Севуралбокситруда" (1986 г.), НПО "Сибруда" (1989 г.),- НПО "Еезказганцветмет" (1991 г.), рудниках "Таймырский" и "Октябрьский" Норильского горно-металлургического комбината (1993 Г.).

Работы по созданию помехоустойчивых измерителей выполняются с 1939 года в рамках КИР и ОКР по теме "Разработать, изготовить и испытать помехоустойчивые измерительные сейсмический и сеЯсмоакус-таческий комплекса контроля и лрогноза удароопасности" Комитета РО по металлургии'к проекту Госгортехнадзора России от 05.12Л992 г. "Разработка и освоение комплекса мер по безопаской и. эффективной эксплуатации рудных, нерудных и других объектов недр, склонных к горным ударам". -

Способы и средства обработки 1IÏC, Примененные автором для реализации помехоустойчивых сеЗсмоакусткчвскях комплексов» разработа-

ш под техническим руководством автора, лично и в соавторстве в 1971-1931 годах при создании специальных радиоканалов передата информации высокой помехозащищенности.

Апробация работы. Основные положения я научные результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещания по проблеме горных ударов (Ленинград, 1991 г.; Северсуральск, 1994 г.),всесоюзных семинарах по горной геофизике (Сухуми, 1933 г.; Батуми, 1Э85 г.; Пермь, 1993 г.). Научно-техническом Совете Министерства цветной металлургии СССР (Москва, 1984 г., 1983 г.), IX и X Международных конференциях по механике горных пород (Москва 1992 и 1993 гг.), Мевдународной научно-технической конференции "Радиотехнические системы, средства измерений и новые информационные технологии" (Красноярск, 1992 г.), экспертных советах по проблемам горных ударов Министерства цветной металлурга: СССР и его правоприемников (Москва, 1988, 1989 гг.), всесоюзных совещаниях Министерства металлургии СССР "Координация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию систем автоматизированного контроля горного давления"'(Свердловск, 1937 г.; Красноярск, 1988 г.; Сввэроуральск, 1990 г.; Апатиты, 1991 г.), Научно-техническом совете Госгортехнадзора России (Москва. 1991, 1992, 1993 гг.; Ленинград, 1992 г.; Североуральск, 1994 г.), Научно-тэхпяческом совете НПО "Сибцветмэтавтомотика" (Красноярск, 1984-1994 гг.).

Публикация. Основное содержание диссертации изложено в 83 работах, из которых основополагающими являются 41, в том число 21 научная статья, 2 отчбта по НИР я ОКР, 18 изобретений.

Автор в процессе работы неоднократно пользовался консультациями проф.,д.т.н. В.С.Ямщикова, проф..д.т.п. И.М.Петухова, д.т.н. В.А.Смирнова, д.т.н. В.Л.Шяуратгашэ, за что выражает им искренне» благодарность.

Особу» признательность автор выражает коллегам: М.Е.Цорегород-цеву, В.И.Прыткову, В.А.Опюпко, В.В.Пашю, В.П.Ковалбву, Н.Ф.Сла-бенко, В.Ф.Слюсарчуку, В.А.Турку, С.Б.Шзстаку, В.Н.Ветошсиау, Т.А.Назаренко, Н.Н.Богочбвой, В.М.Дрючлну, С.В.Солдатову, И.С.Язн-кову, изобретательность и труд которых предопределили создание АСКГД п направление диссертационной работы.

\г

АНАЛИЗ ПР05ЛВ1Ы И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СШСМОШСТИЧБС1ИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Разнообразив горно-геологических и горно-технических условий разработки месторождений полезных ископаемых, развитие и углубление горних работ, значительные изменения физико-механических свойств игл, изменение отношения горизонтальных и вертикальных компонент поля напряжений обуславливают возникновение динамических форм проявления ГД. Наиболее опасными проявлениям! ГД являются ГУ различной интенсивности, которые характеризуются выделением боль-иого количеств" упругой энергии (10 - Ю10 Дж) за достаточно короток промежуток времени (I - 10 с), при этом происходит сотрясение П! я его частичное разрушение (И.Ы.Петухов, А.М.ЛинькоВ, В.А.Смирнов).

Прогноз сейсмических событий, и в том числе IV, предполагает • решение ряда задач. Это определение координат, времени и анергии будущих событий (И.Ы.Петухов, В.С.Куксенко, В.А.Смирнов).

Для действующих же удароопасных месторождений обязательной задачей прогноза является расчЗт эффективности мероприятий по прогнозированию л предотвращению 17 на основе оценки предстоящих . возможных потерь. Сложность проблемы состоит в том, что эти потери имеют вероятностный характер, так как зависят прежде всего от числа и силы ГУ на прогнозируемый период.

Традиционный метод оценки предстоящих потерь от IV на удароопасных действующих месторождениях основывается на предположении стабильности числа и силы ТУ с коррекцией на изменение горно-геологичесюга условий п условий эксплуатации месторождения.

В работе Ш с участием автора разработана вероятностная методика оценки потерь от ГУ. Необходимым условием решения задачи при этом является, оценка ожидаемого числа ГУ за определённый период времени пт. Эту величину определяет состояние ГМ и она является случайной. Прогнозировать точное, значение пт невозможно, поэтому в рассматриваемом случае имеет смысл принять величину пт согласно статистическим данным о количестве ГУ за предыдущий период работы рудника и возможным изменениям неконтролируемых параметров состояния массива. Тогда потери от ГУ за. определённый период времени можно определить следующим образом:

я,® пт | ь'(х) г шах , (I)

где пт - вероятностнзя оценка числа ГУ за период времени;

Ш) - функция потерь;

I (X) - плотность распределения вероятностей случайной величины "Тт.

В качестве параметра "х„ имеет смысл принять контролируемые параметры ГУ. Параметр "х- может быть одномерным или мшгоморнш. При выборе параметров важным условием является возможность оценка на основе данного параметра функции потерь.

Разновидностью выражения (I) можно считать функцию риска по нескольким параметрам ГУ. При этом .если парзмэтри х,,... хп... некоррелированы меаду собой, то множественную Функцию распределе-1шя Г(х1,.., Хд) и функцию потерь Ь(х1.... хп) можно разделить, что позволяет определить потери по отдельным параметрам:

V Пт { (11 ,Г1 (Х1 + пт .[ ^(хп)Гп(хп)й2п . (2)

Ключевым в данной методике является выбор параметров силы 17. В качество таких параметров можно принять объем выброшенной горпой массы и протяжённость нарушения выработки. Эти параметры позволяют комплексно учитывать как силу (энергию) . так и многие другие факторы. оказывающие влияние на последствия ГУ .

В общем виде затраты на ликвидацию последствий ГУ можно принять пропорциональными его силе:

Ь(В, Н) = ав В + Зу Н , (3)

где Н - нарушение выработки, м;

В - выброс руда в породы, м3;

вд- затраты на восстановление I м выработки;

8ц- затраты но удаление 1м3 руда и породы.

Тогда затраты на ликвидацию последствий ГУ на руднике по формуле (2) с учЗтом (3) будут определяться выражением

. пг[ | ^ ВГ0(В) ав + | ад НГн(Н) <Ш ] . (4)

Учитывая II), что для шахт Североуральского . месторождения оба • показателя - выброс руды и породы и нарушение выработки - имеют яогари$шчески нормальный закон распределения, получим общую величину затрат

RT = ( 43,24 Bj, + 24,25 вд ) Пт . (5)

Полученное выражение позволяет рассчитывать предстоящие потери от ГУ для отдельного рудника. Так, если принять, что затраты на еывоз руды и породы для рудника равны 3 руб./м3, а на восстановление разрушенной выработки - 300 руб./м, то при ожидаемом числе ТУ на предстоящий год 300, получим общую величину затрат в ценах 1986 года

Rr=( 2*43,24 + 300»24,25 )«300 = 2221,4 тыс. руб.

Данная методика может быть расширена для более полного учета затрат (травматизм, потеря машин и механизмов, неритмичность работы рудника и др.), но для ев внедрения необходимо решение главных задач прогноза IV - это прогноз их места, времени и энергии.

Сложившееся к настоящему времени представление (И.М.Петухов, В.С.Куксеяко, А.М.Линьков) позволяет свести задачу прогноза сейсмических явлений к задаче прогнозирования разрушения ПТ. Принци-шальную возможность прогнозировать не только место, но и время макроскопического разрушения под действием механической нагрузки показала кинетическая концепция прочности твбрдых тел (С.Н.Журков). Как следует из этой концепции макроразрушение является термоактивационным процессом накопления повреждений или тре- . щин и наступает при достижении критических или предельных их концентраций в месте будущего взрыва. Данные принципы справедливы и для разрушения ГП (В.С.Куксенко, И.М.Петухов). Энергетическая модель разрушении П1 в очаге IV разработана (И.М.Петухов, B.C. Кук-сенко, А.М.Линьков) и проверена (В.А.Смирнов, В.Н. Савельев, Д.И. Фролов) на ряде удароопасных угольных и рудных месторождений.

В основу концентрационного критерия разрушения (С.Н.Журков, В.С.КуксенкО), как и анергетыеской модели разрушения (И.М.Петухов, А.М.Линьков, В.А.Смирнов), заложена двухстадийная модель образования шсплошностей, инвариантная масштабному уровню процесса. На первой стадии в твЗрдом теле происходит множественное некорре-л!фованное зарождение трещин 1 ранга, соответствующего ' данному характерному размеру гетерогенности структуры. Возникшие, при образовании трещин флуктуации и их плотности приводят к образованию

ансамблей. Появление в пагругяшгом обгбмв таких ансамблей существенно изменяет характер разрувенкл з достаточно больной области, называемой очагом рвзрувешиг. При достижении некоторой критической концентрации 1 ранга очаг теряет устойчивость и образуется дефект 1 + I ранга. Далее процесс повторяется на более высоком мзеатабном уроЕне. Максимально возможный ранг трещины вытекает из размеров разрушающегося.элемента. На сегодняшний день нот однозначного ответа о количественном соотношении 1 и 1 + 1 рангов. Однако из экспериментальных наблюдений следует, что при анализе образования дефекта с упругим энерговыделением Е0 необходимо учитывать дефекты с (Ю-3 - Ю~4)Е0.

Существенным фактором, уч5т которого необходим для понимания прогноза динамических явлений. является случайность процесса разрушения (В.С.Куксенко, И.М.Петухов), Ка первой стадии разрушения происходит некоррелированное, случайное во времени и пространстве образование трещин. На второй стадия - образование и развитие очага разрушения в определенной степени детерменкрует процесс, по в целом он остаётся стохастическим. Поэтому и прогноз ГУ имеет вероятностный характер, а, следовательно, методики контроля состояния Ш и прогнозирования ГУ должны содержать сценки статистической достоверности.

Наиболее универсальным для . регистрации образования трещи в ТБйрдых телах является метод акустической эмиссии. Метод основан на явлении излучения упругих волн при образовании треккп, причем применим для любых масштабных уровней дефектов. В работах (В.С.Куксенко, В.А.Смирнов) проанализирована связь между параметрами екустическ:.х сигналов и из лучащих их трещинами на всех стадиях процесса разрушения. Как показывают результаты этих работ для решения задач контроля и оценки степени удароопасности массива пород п прогнозирования динамических проявлений ГД необходима использование энергетического диапазона акустических и сейсмических событий с энергиями от 10 до 10 Дх. Нижняя граница диапазона энергии соответствует энергии импульсов акустической эдасск; при ГЕжроразрушениях Щ, верхняя - энергии мощных ГУ. Частотный диапазон событий с указанными энергиями охватывает I - 40000 Гц.

Существу пето современные технические средства не позволяют реализовать единую систему регистрации упругих колебаний в диапазоне I - "40000 Гц и имеющих энергии от Ю"6 до ГО10 Дх. Поэтому система [2,61 с указанными ешз характеристиками реализована из трех год-систем, регистрации полей упругих колебаний, перекрывающих б сумме

весь частотный й энергетический диапазоны и обеспечивающих на базе этого реиение задач регионального и локального контроля и прогноза состояния 1М. Такая автоматизированная система контроля и прогноза горного давления (АСКГД) разработана коллективом ученых и инженеров НПО "СибЦЕетметавтоматика* и других организаций при непосредственном участии и под техническим руководством автора 12 - 6].

В основу структуры АСКГД положен принцип последовательного об-нарукения и оконтуривания очагов удароопасности. Организация сбора и анализа информации сейсмических и акустических событий в каждом энергетическом и частотном поддиапазонах осуществляется измерительными комплексами - ИК "Регион", ИК "Очаг", ИК "Параметр" [рисЛ1. Для оценки деформационных характеристик ИЗ в состав АСКГД включен ИК "Массив-2",

Технические характеристики измерительных комплексов приведены в таблице I 12 - 61. '

ЙК "Регион" 12,3,4,6) предназначен для регистрации сейсмических событий энергией Е ■=' 102.Л010 Дх по полю в радиусе до 10 км,что позволяет выделить области с повышенной верояностью динамических проявлений Т&.

Закон повторяемости акустических событий при хрупком разрушении пород и разделение диапазонов регистрации

Н,м

ю

500-

50 -

10

Ю

ю- ИК "Регион"

ю

-б

ИК "Очаг

ИК "Пара: метр"

N

100

_I_

100

10000 зооо

РисЛ

1000000 I

лоооо

Гц

На основе закона повторяемостан по результатам эксперемонталь-ных исследований ( М.А.Садовский, В.С.Куксенко. В.А. Смирнов) указанные области являются источниками акустических событий с энергиями Е = 1СГ2 - О^Дж, энергетический спектр которых сосредоточен в диапазоне частот Ю2 - 3»Ю3 ГЦ. Для измерения этих событий и * событий меньших энергий в состав АСКГД введены ИК "Очаг" и ИК "Параметр" 12,3,53.

Информационные параметры АСКГД классифицированы (2,3} на измеряемые, расчбтные и прогнозные. Измеряемые параметры сейсмических и акустических событий - это время вступления, фаза первого вступления, амплитуда первого вступления, длительность первого полупериода, амплитуда сигнала, длительность сигнала, количество полупо-риодов. В качестве измеряемых параметров деформационных процессов приняты время измерения и относительные деформации.

Расчбтные параметры [2,3] - скорости продольных я поперечных волн, коор&шаты источников событий, энергия сигналов, поляризация сигналов, диаграмма направленности излучения сигнала, размеры очага. ориентация плоскости сместителя, максимальные и средние значения амплитуд и энергий в выборке сигналов, средние значения интервалов следования сигналов, коэффициенты вариации амплитуд интервалов следования и энергии сигналов, коэффициенты корреляции энергетических и временных характеристик, скорости и ускорения деформаций и смешений (2,33.

• Прогнозными параметрами Г2.33 являются пространственные распределения плоскостей энергий и средних'интервалов следования событий, концентрация источников событий в "очаговых" областях, признаки перехода с. стационарного к нестационарному состоянию Ш и его отдельных областей, пространственно-временное распределение деформаций.

Как следует из краткого описания технических характеристик АСКГД основой для организации сбора и анализа еЭ информационного потока должны быть основные закономерности в развитии процесса разрушения Ш и проявлении этих процессов в виде энерговыделения. К физическим закономерностям, которые являются основополагающими при построении АСКГД, относятся С23:

- случайный и нестационарный характер развития хрупкого разрушения массива пород под действием сил ГД, определяющий небходи-мость непрерывного контроля и Еыделения моментов возникновения акустических сигналов, а также вероятностный подход к прогнозированию динамических проявлений ГД;

^ Таблица I

Технические характеристики измерительных комплексов АСКГД

Диапазон значений технических характеристик характеристики КК "Регион" МК "Очаг" ПК "Параметр" МВ иЬ!асснв-2"

Наименование технической

Количество каналов регистрация

32 8 8 . 10-100

миииизим рвио- о «з "5 л /

■чих частот,Гц 0,25...100 КГ-3»1СГ 3«1СГ-4*104 10 4

Динамический диапазон сквозного тракта, дВ

Вазы установки датчиков , м

Радиус контролируемого участка ,ы

Диапазон изме- . ряемых смещений, мм

Ошибка определения времени вступления сигнала, мс

Ошибка определения координат, м

Погрешность определения энергии, смещения, %

50 60

500...2000 50...200

10000

300

■ 60 10...50

150

- '54 • 0,5...20

1000

О,12...60

--. I ±25

420

0,1 ±10

^25

0,1 15

г40

0,05

-■миграция напряжений в .ЛИ, возможность формирования- очагов хрупкого разрушения в любой.области шахтного поля под воздействием,, горных работ и геологических нзодаородаостей Г?.5, что приводит к необходимости совмещения в АСКГД-региональных.*! локальных, методов и средств контроля и прогнозирования с обязателыш-определением координат' источников хрупкого разрушения ; -.-.

- лавинообразный характер развития процессов хрупкого разру-

иения, подчиняющийся на всех иерархических уровнях закону повторяемости сейсмических событий, использование которого требует определения величины энергии сейсмических эффектов, сопровождавших акты хрупкого разрушения, в, ¡игроком энергетическом (10~б - Ю10 Дж) и частотном (I - 40000 Гц) диапазонах:

- медленно протекающий характер подготовки очага удзроопас-ности и быстро протекавший характер динамических проявлений ГД. требующие долгосрочного и оперативного прогноза ГУ.

В целом АСКГД по структуре и функциональному назначению .относится к многоцелевым сложным системам. В работу 17) сформулированы требования. которые должны бить решет для того, чтобы АСКГД соответствовала законам построения многоцелевых слсгзшх систем ;

- система должна быть Функционально полной и содержать вса необходимое и достаточное для выполнения главной полезной (целевой) функции. Для АСКГД таковой функцией является контроль и прогноз состояния ГМ . Выполнение главной полезней функции предполагает знание многомерных имитационных моделей напряженного га, методов и численных критериев оценки имитационных моделей, многомерных регрессиошшх временных последовательностей сигналов и помох, методов и численных критериев оценки и прогноза стационарного и нестационарного состояния методов фильтрации и локации сигналов и помех, процедур принятия решения и т.д.;

- система должна быть проводимой по всем имехшмея а ной потокам. Для систем типа АСКГД тают потоками являются техногешше процессы (вещественный поток): физические процессы в МГП. вызванные техногенной деятельностью (энергетический поток); сигнал; первичных датчиков, результаты их обработки, измерения, накопления и определения прогнозных параметров (информационный поток). Все виды потоков взаимосвязаны, поэтому выходной информационный поток АСКГД должен быть формализован в виде вычислительных имитационных моделей и аналитических выражений, учитывающих корреляционные связи многомерных физических процессов, происходят« в Ш;

- система должна обладать хотя бы минимальной управляемостью и адаптивностью. Что касается требований, вытекающих из этой задачи применительно к АСКГД, они усложняются в связи с отсутствием в настоящее время законченных и апробированных моделей, методов и численных критериев, необходимых для решения главной полезной функции системы;'

- количественные показатели работоспособности системы должны превосходить характерный для заданной системы параметрический по-

per. Главной полезной (целевой) функцией АСКГД является, как это указывалось виге, контроль и прогноз состояния ГУ. В связи с нестационарным характером процесс разрушения массива, а следовательно, его контроль.прогноз являются вероятностными. Поэтому для создания прогнозной системы должна Сыть разработана функция потерь принятия решения и процедура принятия решения на базе статистических -законов прочностной теории и теории вероятности.

Рассмотренные закономерности физических процессов развития ГД, измеряемые, расчетные и прогнозные параметры АСКГД могут быть в значительной мере искажены вследствие особенностей действующих горно-технических.объектов, условий эксплуатации и формирования информационного потока АСКГД на реальных объектах. На уровень статистической достоверности получаемых результатов влияют следующие факторы (21: '

- полнота и достоверность информационной и реальной баз данных, используемых при анализе;

- принципы и методы регистрации, измерения и расчёта измеряа-мых, расчетных и прогнозируемых параметров АСКГД;

- плотность анализируемой информации и возможность безэкспертных оценок информационных параметров;

- шумы, обусловленные техногенной деятельностью человека,' и возможность селекции на их фоне сейсмоакустических сигналов.

Изучение и исследование елияния каждого из указанных факторов на достоверность результатов контроля и прогноза состояния IW является сложной научно-технической проблемой. Однако, по мнению автора, наибольшее влияние на достижение потенциальных возможностей сейсмоакустических методов оказывают искажения, а часто и полная потеря информации из-за многочисленных сейсмоакустических помех, обусловленных технологическими факторами (работой бурового оборудования, технологическими взрывами, случайными- ударами, акустическим шумом вентиляторов й преобразователей электроэнергии, дефектами пневмосистем, водоводов и Др.), а также разного рода естественными сейсмоакустическими помехами, интерференцией, дифракцией и анизотропией упругих волн в неоднородном массиве ГП.

Из-за указанных технологических помех невозможен непрерывный контроль напряженного состояния ЫГП в наиболее важных случаях, когда естественное проявление ГД инициируется вблизи. рабочих участков во время ведения горных работ. Степень влияния мешакаих факторов характеризуется следующими •' примерами. По результатам опытно-методических работ с измерительным сейсмоакустичбсккм кош-'

лексом ИК "Очаг" в 1938 - 1990 годах установлено, что в объеме ГП радиусом 150 м зз сутки образуется не более 20 сейсмоакустачеснпх событий с энергией 0,1 - 1,0 Дж на фоне порядка 400 акустических помех, вызванных технологически?« взрыва'« на ближних участках шахты; при работе Сурового оборудования за минуту необходимо выделить единичные сейсмоакустические сигналы нз фоне 1800 и более аналогичных по форме помех. Мешащие воздействия приводят как к пропуску большого количества полезных слабых сигналов, так и к существенным ошибкам определения их количества, координат к энергии. Это значительно уменьшает достоверность прогноза времени, моста и энергии готовящихся ГУ.

Указанные причины в ближайшее время с большой вероятностью будут основным препятствием эффективного промышленного применения разработанной АСКГД и других приборов и систем, основанных на базе сейсмоакустических сигналов, для контроля ГД. Вместе с тем следует отметить, что практически отсутствуют публикации о количественных И качественных характеристиках мешающих воздействий на результаты сейсмоакустического контроля в процессе ведения горных работ и о методах повышения его помехоустойчивости.

АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Обеспечение на фона помех в ближней волновой зоне надежного обнаружения и идентификации слабых САС'в ГП при наличии многочисленных групп волн является сложной научно-технической проблемой. Трудность решен"Я задач усиливается наличием в ГМ разломов и контактов сред различного петрографического состава, которые изменяют структуру, энергетические, частотные и временные характеристики сейсмоакустического волнового поля .

В первом приближении помеховая обстановка складывается из микросейсмических колебаний естественного происхождения я помеховых сигналов, возникающих в результате деятельности человека. В связи с тем, что наблюдения ведутся в районе интенсивных промышленных разработок, помехи от работы различного рода машин преобладают.

Источником полезных САС являются, физические процессы, возникающие при релаксации напряжений в ГО. Эти процессы имеют стохастический характер. Поэтому полностью адекватной математической модели, описывающей такие сигналы, в настоящий момент не существует.

Из этого следует, что для решения задачи следует обратиться к

методам математической статистики, что в свою очередь требует предварительного анализа еолноеого поля в районе наблюдения.

В работах 12,8,10,II) получеш основные■ данные об амплитудно-частотных характеристиках полезных сигналов и помех, о формах их огибающих, об особенностях распространения и затухания различных типов волн в Ш, которые положены в осноеу математической модели сейсмических сигналов. .

Известно, что сейсмосигналы в ГП целесообразно аппроксимировать зависимость»

a -2iœct

S(t) = t е cos Zixt , t > 0, (6)

где а,в - параметры; с - частота дискретизации сигнала.Такой сигнал называется импульсом Берлаге. Подбором параметров а,в можно приблизить форму аналитической модели волны CÄC к реальным данным. При этом параметры могут изменяться в пределах: а = I - 2; в = 0,5 - 0,7. При распространении сигналов горные породы оказывают на них фильтрующее воздействие, вследствие чего в,точке прибма наблюдается, по существу, отклик трассы на импульсное воздействие. ЕщЭ больше искажений сигнал претерпевает при регистрации его узкополосной аппаратурой.. Исходный короткий импульсный сигнал трансформируется в сумму квазисинусоидальных затухавдих колебаний количеством до п = 10 18, 9,11):

L

S(t)=^A1f1(t-t1) cos[u1(t-ti)+ <pi), n < 10, (7)

где î<t)-orn6amaa процесса; <р , А1- частота, начальная фаза и амплитуда 1-й гармоники соответственно; т^- момент появления гармоники,-

Такой моделью при соответствующем подборе параметров достаточно хорошо аппроксимируются реальные САС и помехи.

Реальные сигналы могут быть представлены в виде двух последовательных во времени составляющих (8, 9, II) -вступления, или лидирующего импульса, и полигармонического колебания. Каждая составляющая описывается своим вектором параметров. Рассмотрим их последовательно в том же порядке. Анализ реальных САС показал, что первое вступление, которое длится с момента превышения сигналом порога чувствительности регистрирующего прибора до первого пересечения сигналом нулевого уровня, может . быть аппроксимировано полиномом

третьей степени. Вступление межо охарактеризовать начальным значением, щюезбодшше в характерных точках, величиной первого экстремума и длительностью. Таким образом» вступление будет иметь вид [8, 9, 111:

2 3

S(t)« aQ + a,t *■ agt + ttjt . (8)

Оценочные значения перечисленных выше характеристик равны:

О)

(10)

(II)

(12)

(13)

■ * *5 »5

Здесь Т - длительность интервала усреднения, который должен быть не меньше длительности вступления.

Следовательно, для оценки первого вступления необходимо определить коэффициенты полинома (8), а затем, если в этом есть необходимость, пересчитать их по формулам (9) - (13).

Одной из форм огибающей может быть искажённая колоколообразная в виде

«( г - х<)2

- Г^г) « ехр{- --2—1 ) , (14)

2

где т; - длительность импульса.

■ » » » <£ » J

начальное значение SQ» aQ+ a1tQ+ tyo* ®э*о

.» » * * г

производная в tQ SQ= 2agt0+ 3a^t0 ;

величина первого экстремума Sm ■ S( 0 );

где 0*= 0*U а^

-ф -За" Ц11/г 3 Ц

4 г 4 г а* 1/2

И длительность А = Т--; * — £(— )- 3 — 1

Ял* Я • *

Тогда окончательно полигармоническая модель Судет иметь вид L 2т*"

S(t>» S^e й coaiUj^ft-Tjl + ipj} . (15)

Вектор параметров такого сигнала будет включать в себя квадратурные составляющие амплитуды, момент появления сигнала, длительность импульса и начальную фазу каждой гармонической составляющей. При некогерентной обработке вектор параметров можно сократить до

четырбх компонент, и окончательно он Судот иметь вид

* * » <1б>

Наличие в векторе параметров задержек по каждой гармонике ставит практически непреодолимую трудность при решении задачи оценки этого вектора параметров.Но необходимость формирования оценки каждой гармоники определяется шО а требованиями к самой модели сигнала, т.е. к её адекватности реальным сигналам. Если весь набор САС помех может быть достаточно хорошо сформирован изменением только частот а амплитуд слагаемых компонент, то yze в самой модели можно считать г^ « const « 0 для всех 1,и остабтся только одно общее запаздывание, а потому в векторе параметров xi можно замэ-нить просто на т.. При переходе к некогерентному случаю m то же самое сделали с начальными фаза!,и каадой гармоники ср^. В дальнейшем это позволило перейти к нэкргерентному случаю о усреднением по одной общей начальной фазе .'совместной апостериорной плотности . вероятностей вектора параметров и полностью исключить еб из рассмотрения. Большая статистика, набранная при ссслодовании математической модели сигнала на ГОШ, показала, что набор реальных GAG , , а также помех различного происхокдешя, достаточно точно формируется изменением частот и амплитуд гармонических соста&тещх. Индекс 1 остабтся б модели (15) только у амплитуды а у частоты. Запаздывание хэ каждого САС (т) моип считать стационарным гауссовсютл марковским процессом, описываемым диффузионным уравнещ^ем (В.И.Тихонов, Ы.А.Миронов):

'С(t) е -рТ + рГ^ ., (17)

а амплитуду и дпательиооть сойскокш&пьсов - -постоянными случайными величинами.

Формирующий шум п^ з (17) имеет пулевое математическое ожидание и известную функция корреляции (Р.Л.Стратоношгс):

< nx(t)> = 0, < nt(t1)nt(t2)> =» - N^ttg-t,).

(18)

В векторном виде априорное стохастическое дифференциальное уравнение имеет вид уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова:

й - -— \(t) - B(t)\ + H.(t) , dt x

(19)

где B(t) »

- т

ООО О 0 0 0 0 О О -ß о ООО о

- матрица состояний;

N?(t)=J0,0,ßnt,0|-BeKTop формирующего шума с параметрами

-т

< iyt)> = 0, < Hx<tt)H^(t2) > * N ö (t2 - t,).

(20)

!0 О О О ООО О

о о а ооо о

Знак "т" означает транспонирование матрица или вектора. .

СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО. ОБНАРУЖИТЕЛЯ

В предыдущем разделе разработаны модели двух фаз САС- ■ лидирующего импульса или вступления и последующего полигармонического колебания. В настоящем разделе синтезируем устройства оптимального выделения этих составляющих в том же порядка i9, 10, Ш.

Оценки коэффициентов ah полинома (8) будем искать в виде линейной комбинации по методу наименьших квадратов:

• ^'¿OjA . (21)

где Sj- отсчеты принимаемого сигнала; п - число отсчЗтов; h - номер коэффициента в полиноме (8). Если предположить, что случайные величины Sj, не коррелированы, то весовые коэффициенты,оптимальные по максимуму правдоподобия, для систем с любым порядком эстетизма могут быть определены по методу наименьших квадратов. Для центра интервала усреднения Т весовые коэффициенты, формирующие оценку (21), можно представить, пользуясь методом наименьших квадратов, в виде:

Cih" 0(3 + h) • ; <22)

0. при х - нечбтном

где в(х) « (

1, при х - чвтном ,

ц - степень полинома, в вшам случае ц = З.а А^- коэффициенты, значения которых вычислены нами для ц из диапазона от О до S и определены в (9, 10, II]. Для дискретного случая, когда Т - nAt, где At-интервал дискретизации, из (22) получим (9. 10,111:

Подставив значения коэффициентов Ahj из (9, 10, III в (23) и (21), получим формулы для вычисления коэффициентов полинома (8):

„ 9 15 2

ао " — ? si--Ч 2 1 si • <24>

0 411 i 1 П i

75 420 ,

»3

(25)

(At а,) - -г- 2 IS,--eSl-' S, .

1 nJ i 1 • n5 i 1

2 . 180 p (At ai) » -e П2 Si (26)

* П5 i 1 '

- _ 2800 , (At3a*) = —w- 2 1? Sj (27)

n7 i 1 •

Первые два коэффициента а* и в* непосредственно являются пер-

•вымн: двумя характеристиками вступления сигнала. Поскольку вступление представляет собой импульс произвольной формы и полярности, оценка а^ в середине интервала дабт нам амплитуду этого импульса и его полярность. Оценка а* в середине интервала Т практически для всех вступлений будет близка к нулю, поскольку это вершина импульса. Для того, чтобы оценить крутизну фронта и спада вступления необходима оценку а* сместить от середины интервала Т влево и вправо. Обозначим эти оценки а*+ и а*_ .Для того, чтобы эти оценки были на серединах фронта и спада, смещение должно быть в пределах * (0,2 - 0,3) Т.

Для любой точки оценивания при начале отсчбта в середине интервала усреднения Т значение коэффициента С^ будет определяться соотношением

С11 (*0> " °11 + 2*0С12 * 3го°13 . (28)

Используя выражение (22) с учЭтом того, что в дискретном случае г0=кп Ьг, ^=4 а Т=п Ы, выражение (28) преобразуется к виду

1зз ь-1 1 з

■V. С,,(к)-= —х 2 ЗА^Лк (-) в и + и>. (29)

11 тг »1=13=0 П

где к - коэффициент, определяющий смещение оценки от центра интервала, ,

Соответственно оценки а*+ и а*_ равны

; а*5 С11( г к ) . (30)

Дисперсии этих смещенных оценок определяются выражением

? з з ь+а-г

о? (1С) ас -^-З—о 2 2 А. И 3 к (31)

а1 п-1 ь=1 з=о 110

где а^ - дисперсия единичного отсчЗта. (Б^).

Из зависимости о^ (к), приведенной на рмс.2, видно, что при

смещении оценки от центра интервала Т диспсрсия даже несколько уменьсзется. В интервале от 0,1Г до 0,ЗТ она возрастает не более, чем в два раза относительно той, которая была в центре . интервала усреднения. Это говорит о том, что в нужной нам точке + 0,25 Т мы

получим оценку с дисперсией но более, чем на 50% превышающей минимальную.

При сильном различии по крутизне и длительности фронта и спада первого вступления для оценки его аыплитуда может возникнуть необходимость в смещении оценки а^ относительно. центра интервала. Оценим возникающие при этом погрешности.

Для любой точки оценивания tQ коэффициент Ci0 определится выражением

CiO(tO) = СЮ + tcH + t2°i2 * t3°i3 <32)

или в дискретном виде

13 3 h 1 J

01Q(k) = - 2 2 Ahik (-) 0(h + 3). (33)

1U П h=0 j=0 nj ,n

Следовательно, дисперсия смещенной оценки коэффициента Sq(Jc)

р о? 3 3 ¿+h o?(k> и —L 2 2 к ö (J * й>. (34)

"О n h=0 j=0 п.

Зависимость (к) представлена на рис.3, из которого видно,

что допустимым по потере точности смещением является ? ß,2f, когда дисперсия возрастает менее, чем в два раза. Эти результаты определяют требования к выбору интервала усреднения Т при обработке ■ сигнала.

В отличие от задачи оценки параметров первого вступления, задача оценки параметров полигармонического колебания относится к классу нелинейных задач фильтрации. Наиболее мощным современным математическим аппаратом решения таких задач является марковская теория оптимальной нелинейной фильтрации в гауссовом приближении, которая позволяет получить конструктивные алгоритмы оценки для широкого класса начальных условий.

Из теории известны общие уравнения оптимальной нелинейной фильтрации - уравнения Стратоновича. Необходимо конкретизировать эти уравнения применительно к нашему вектору состояния и сигналу [9, IIJ. В гауссовом приближении для оценочных значений фильтруемых параметров и их вторых цагпгралыпи моментов уравнения принимают вид матричных нелинейных д-лгфорзнццальных ■ уравнений в частных производных второго порядка с размером матриц 4x4.

Зависимость дисперсии (к) от величины смещения относительно среднего значения длительности интервала усреднения

аа1п3Мг

Рис.2

Зависимость дисперсии о|0(к) от величина смещения относительно среднего значения длительности гштервала усреднения

о 0.5

Рис.3

(J ^ ■* ••

7l*(t)= B(t)X*(t)+ K(t)F* , * (0)=<A0>pB.

dt d

K(t)= N + K(t)BT(t) + B(t)K(t) + K(t)F« K(t)'., dt г

где F1 =

ÖFJ

0\i

вектор-столбец размером (4x1);

I ÖCF «

F0= |- 8 - матрица размером (4x4);

2 JaJl^J

ч>

X*(t) = J Xt.t) WpB(M - вектор оценок;

W (M - апостериорная плотность вероятности вектора X;

к (t) =Kt2=< IM t у-X* (t) J Ш t) -X* (t))Т>р8-матрица апостериорных вторых центральных моментов.

Производная от логарифма функционала правдоподобия оцениваемых параметров при заданном уравнении наблюдения и при определении стохастических интегралов в симметризованной форме имеет вид модифицированного коррелятора,отличающегося от обычного дополнительным энергетическим слагаемым

1 2

F = - [2 C(t) S(t) - S (t) 1 . (36)

N0

Вид функции F определяется тем, что рассматриваемые сигналы относятся к классу, так называемых, интерферирующих, параметры которых являются энергетическими в записи вектора параметров (16),а сделанные выше замечания и допущения о задержках xi трансформируют вектор (16) в следующий: >

ми = |АС. Ав. -С. ХИ8 . (37)

где один параметр х будет неэнергетическим, для которого Р не будет содержать вычитаемого. Составляющие А0 и Ав не содержат индекса 1, поскольку это результирующие составляющие.

Для получения структуры обнаружителя необходимо вычислить все

составляющие вектора Р1, которые обозначим

ЭР а? ар- а?

где F,¿ = — , Р11я = — , Р12 = — , = — ¿

но д А 11в ад 12 вг 13 а т

0 3 И

а СШ - смесь сигнала, помех и белого иума на входе приёмника. Первое уравнение из (35), определяющее структуру оптимального обнаружителя, в скалярном виде:

^о = К11 Fílo + р11в: ^в = Чг Р11в + 1С12 *11о;

(39)

Конкретные вычисления проведены С9, Ш для некогерентного слу чая, когда производная от логарифма функционала правдоподобия в результате усреднения совместной апостериорной плотности вероятностей по фазе имеет вид:

а 2 рУ2

Р = — [ 1ШП{- Z(t)} - 1п1п{-&- } 1 , (40)

н . м 0 0 пп

где t

L S i=1

Z(t) « [ S (xf + Y|)]1/2; Xi = Ja^ C(t) dt ;

0

t t t

Xf • 2 2

Yi e J ^ c<t> dt ;PB = S^CJ k0 S(t) dt) + (]" A¡ S(t)dt) J;

o o о

itU-T,)2 . *(t-T,)2

Aq = A0 ^xpC- —gi- } ; AB = A8 exp <- ■ ^ >.

и и

Подставив (40) в (33) в (9,11), получим развернутые виража-

ния для составляющих вектора Р1.

Структурная схема аппаратно-программной реализации алгоритма (39) представлена на рис.4, в виде многоконтурного многоканального следящего фильтра.

Для получения коэффициентов усиления следящих контуров необходимо вычислить все элементы матрицы . Для установившегося режима элементы матрицы можно усреднить, тем самым существенно упростив ?г (35).

Для малых отношений сигнал/шум в [9,111 вычислены все элементы

матрицы вторых частных производных от логарифма функционала правдоподобия. Показано, что матрица имеет вид

Р2

Р2о 0 0 0

0 0 0

0 0 0 0

(41)

О О 0L

2хиВ

\Ъ Р. - Р.А„(31С-4)

где РРп = и g............F?T as --уу- •

20 28 И|(%)1/2 и 4NqHt ти

С использованием (41) решено матричное уравнение (35) для усредненных значений K(t). Результат можно представить в виде

1 - 1 - t

К11= --1/2 * ^22 = ~ Т/г • К44 = 1/2 • (42)

(2Р2о) (2F2s) . J2F2t)

Структурная схема аппаратно-программной реализации алгоритма оптимального обнаружителя CAO при малых отношениях сигнал/шум

Одновременно коэффициента в (42) являются дисперсиями- оценки соответствующих параметров.

С использованием (41) и (42) уравнения (39) можно переписать в виде :

С - *11 *W £ - Р11в ' \ - *44 F*3 • (43)

В этой структуре отсутствует контур оценки задержки %* и нет перекрестных связей между отдельным! контурами.

В отличие от малых отиошений сигнал/шум, при больших отношениях вторая частная производная от логарифма функционала правдоподобия по задержке не равна иулю19,II). Это говорит о том, что контур оценки задержки может функционировать и дисперсии оценок будут иметь конечные значения. Ко если весь набор сейсмических сигналов и помех может Сыть достаточно хорошо сформирован изменением только частот и амплитуд слагаемых компонент то в случае больших отношений сигнал/шум можно исключить из рассмотрения задержку. Исключение задержки дополшиельного усреднения не потребует при предположении, что теперь уже не равномерно распределена в интервале [Q, 2% 1, а сумма ( ы^т + ) - есть равномерно распределенная в интервале I О, 2% 1 случайная величина.

Полученные уравнения оптимального обнаружителя полигармонического интерферирующего сигнала говорят о том, что информативными параметрами при обнаружеюш являются амплитуда сигнала и его длительность, т.е. обработку сигнала следует осуществлять некогерентно, с оценкой амплитуд в каждый текущий момент времени на всей длительности реализации. Поскольку при некогерентной обработке привязка мгновенных значений амплитуд ко времени не имеет смысла, то полной информацией о сигнале будет интегральное распределение плотности амплитуд на длительности реализации. Оценкой такого распределения является среднее число пересечений сигналом заданных уровней на всей его длительности. Этот алгоритм можно назвать квазиоптимальным, поскольку он, являясь следствием оптимального, требует знания длительности реализации, которую можно оценить отдельным устройством, не связанным, как в оптимальном, перекрестными связями с контуром оценки амплитуды.

Результаты исследования программной модели такого устройства на предмет идентификации САС в присутствии помех приведены в C9.II1. Примеры сигналов, которые использобзлись для уценки способности идентификации САС таким устройством показаны на рис. 5.

max

i VîVliWWPb -HoH-——

ïSW/Smax

;./pxc.5

ОСОББШОСТИ ПРИНЯТИЯ РВЛНШ ПРИ {МНОГОКАНАЛЬНОМ ПРИЕМЕ

При принятии решения о наличии или отсутствии сигнала со группе сигналов с различных направлений в многоканальном обнаружителе требуется сформировать результирующий вектор по ограниченной и достаточно малой по объему выборке (до 10 каналов).

Прямое использование параметрических и непараметрических статистик затруднительно и малоэффективно из-за большой неопределённости исходных распределений и необходимости большого объбма независимых и однородных выборок. ч

Для преодоления атих трудностей предлагается использовать решающую статистику вида

ш сигнал есть

arg max W„ Ос) * Z , (44)

w сигнала нет ,

где W*j(x) - оценка плотности распределения вероятностей по выборке из N элементов. Целесообразность использования такой решающей статистики вытекает из того, что среди всех параметров, характеризующих положение распределения, мода является наиболее устойчивой к изменениям на краях распределения. Плотности распределения вероятностей помехи и смеси сигнала с помехой формировались по методу весового загрязнения 1Ш:

Ws (х) = (1-р) w (о2, X) + рс (х),

(45) •

WS(X,A)=. (l-pWc^.A.x) + р G (Х,А),

где А - амплитуда сигнала; р - вероятность появления помехи;

VI(а2,х)- распределение огибающей аддитивного шума; WCa^.A.x)-распределение огибающей аддитивной смеси шума и полезного сигнала; . С(х) - распределение огибающей помехи; G(x,A) - распределение огибающей аддитивной смеси сигнала и помехи.

Ясно, что при работе по решающему правилу (44) необходимо оценить плотность распределения вероятностей по ограниченной выборке, но дело упрощается.тем, что нет необходимости обеспечивать высокую точность на краях распределения, а потому резко снижаются требования к объёму статистики.

Для оценки плотности распределения вероятности по малому объбму выборки предлагается воспользоваться методом Парзена-Розенблата,

-дакцим достаточно еысокую точность и скорость сходимости оценки. В этом случае оценка плотности имеет вид [Ш:

„ -1 N х - х<

71* (х)= ( МО 2 К (-¿), (46)

1-1

где N - объбм выборки; - параметр сглаживания; К (у)- функция, удовлетворяющая условиям

К(у) >0, J К(у) dy = I

(47)

Для обеспечения . быстрой сходимости W*(х) к W(x) необходим соответствующий выбор параметра hjj. Известны оптимальные значения hy в линейной и квадратичной метриках. Для обеспечения лучшей сходимости целесообразно выбирать й^'в квадратичной метрике. Параметр сглаживания в этом случае имеет вид

о 1/5

где а » | К2(у) dy. р » c|x?K(x)dxl2 |(Я(х)12 cix.

Т --.:. X X

Один из вариантов построения•функциональной схемы многоканального обнаружителя представлен на рис.6.

Координаты ¡вектора сигнала из N каналов через коммутатор поступают на входы M управляемых линий задержки я устанавливают в каждой задержку, пропорциональную значению соответствующей координаты вектора^ После установления задержек по всем каналам генератор формирует .одиночный. импульо, имеющий форму, соответствующую выбранной функции.KttbB результате напряжение ' на выходе сумматора будет иметь во времени форму, пропорциональную.wj(x) . Последующее устройство фиксирует шмент. времени, , когда напряжение имеет наибольшее значение, и иодабт'полученный результат на решающее уст-, ройство, которое сравнивает полученный временной интервал с горо-" говым'и при превышении порога принимает решение о наличии сигнала по этой координате вектора. ".

• Эффективность предлагаемого алгоритма оценена методом математического моделирования."Функция K(t) была выбрана в виде

1 1 о

K(t) *-т/овхр (- - t-). (49)

(£'.с) 2

По результатам испытаний оценены характеристики ( вероятность ложной тревоги и пропуска сигнала ) для обнаружителя по математическому ожиданию и модального обнаружителя.

Результаты моделирования показали, что модальный обнаружитель с рационально выбранным параметром hH незначительно уступает по характеристикам обнаружителю по математическому ожиданию в условиях только белого rayccoEoro аума. При наличии коррелированных узкопо-лоотх и импульсных помех модальный обнаружитель лучше обнаружителя по математическому ожиданию.

Для иллюстрации на рис.7 и 8 представлены оценки основных характеристик обнаружителей для десяткканального приёмника. Из рисунков видно, что модальный обнаружитель, сохраняет удовлетворительное качество даже для фиксированного порога, выставленного только по шуму, тогда как обнаружитель по математическому ожидали® оказывается полностью непригодным. Непригодность заключается в том, что имеют место ошибки в оценке значений координат вектора, при которых сам вектор становится неузнаваемым.

Функциональная схема многоканального обнаружителя

Рис. 6

Оценка вероятностей ложной тревога: Рп- по математическому . ожиданию; Р12- по модальной оценке и вероятностей пропуска: Р21- по математическому ожиданию; Р22- по модальной оценке

в условиях импульсных помех

1.0 0.8 0.6 О.« 0.2 О

> Ргг/ / ■

Р12 п N=10 0=5 / 4 / / 'р 21

Л Р=0.2 //

1 \ // <

\ \ V

4 5 РИС. 7

7 8

порог "С"

Оценка вероятностей ложной тревоги: Р,по математическому ожиданию; Р12- по модальной оценке я вероятностей пропуска: Р21- по математическому ожиданию; Р22- по модальной оценка

в условиях периодических и импульсных помех

"и

1 ,о 0.8 О.б 0.4

о,г

> \Р12 р11 41

V \

\ N=10 а=5 \ \

\ Р=0,3 \ \ > Р21

\ 'ргг

4 5.6

Рис. а

7 В

порог "С"

СПОСОБЫ - M ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ НЕОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУР ПРИБОРОВ И СИСТЕМ САС

Квазиоптимальное устройство обнаружения САС .результаты исследования которого на модели приведены в t9,IIJ, предполагает формирование оценки плотности распределения амплитуды в виде числа пересечений сигналом заданных уровней. Точность оценивания определяется выборам числа уровней на единицу измерения амплитуды. В этом случае фактически формируется цифровой вектор реализации, по которому в дальнейшем осуществляется идентификация. Размерность Еектора определяется числом уровней.

Вектор параметров первого вступления своими компонентами дополняет вектор параметров полигармонического колебания до полного вектора всей реализации, по которому осуществляется идентификация сигнала на фоао помех. Полученные в результате синтеза и моделирования структуры оптимальных и квазиоптимальных устройств могут быть реализованы сегодня на программном уровне с применением ретроспективной обработки САС на последних поколениях ЭВМ. Эти ревешь на всегда приемлемы по экономичесю»! и эксплуатационным оценкам. Поэтому в работах С13-41J исследуются другие способы и Texrai-ческие решзнпя повышения помехоустойчивости приема САС, которые предложены и классифицируются автором по следующим направлениям: Способ компенсации искажений, вносимых трассаты распространения САС ИЗ, 14].

Способ компенсации ПЗ] основан на определении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) трасс распространения между центральным и периферийными пунктами, реализации согласованных с этими АЧХ фильтров и использования ах для обнаружения на фоне шумов слабых САС. Предложенная в работе С13] оценка АЧХ в виде, отношения сглаженной оценки взаимного энергетического спектра мевду входным и выходным сигналами к оценке сглаженного энергетического спектра входного сигнала превосходит по точности оценку "эмпирической" АЧХ, однако пригодна при отношениях сигнал/шум > 5. В работе £14) исследуется способ оценивания передаточной функции параметрическим методом на основе предсказывающего фильтра.будущих значений выходной переменной y(t) на момент времени t при условии, что предыдущие значения входной и выходной переменных для времени t - I известны. Из сравнения результатов оценивания АЧХ 1143 спектральным и параметрическим методам при равных условиях параметра-

ческий метод приводит к оценкам, в среднем па порядок более точным. .

Способ в технические решения подавления узкополосных помех амплитудно-частотными выравнивателями (15-20,233.

В. соответствии с классификацией, принятой в теорий сигналов, последние разделяются на два больших класса - узкополосные и широкополосные сигналы. Критерием классификации при этом является база сигнала В = Fcî, где ?с - информационная полоса и . Т - длительность, сигнала. При 3 » 1 сигналы относятся к шнрошгалосшм.

. Анализ реальных характеристик САС в горных массивах показывает, что полоса этих сигналов составляет 100 - 40000 Гц, а длительность соответственно единицы секунд - десятки миллисекунд. При этом база САС будет > 100, т.е. САС относятся к классу широкополосных сигналов.

Способы повышения помехоустойчивости систем с такими сигналами для негауссовых помех указывает теория оптимальной линейной фильтрации за счет включения в приемное устройство оптимального амплитудно-частотного выравнивателя.Принципы построения и характеристики таких выравнивателей исследуются автором и сводятся к оптимизации коэффициентов передачи, уровней ограничения и режскции па максимуму отношения сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра [15-18].

Способ подавления узкополосйых поыах за счет перераспределения спектра излучаемого сигнала [21, 221.

Применив теорию оптимальной фильтрации негзуссовых сигналов в методах активной сейсмоакустики, автором'в [2IJ рекомендован способ повышения помехоустойчивости, основанный на изменении спектра излучаемого САС с одновременной режекцией или ограничением узкополосных помех на приемной строке. При этом изменение спектра сигнала на генераторной стороне сводится к режекции участков спектра, ка которые приходятся помехи, а вся мощность передатчика будет приходиться на оставшуюся часть спектра сигнала. Эффективность этого метода зависит от выбранных значений пороговых уровней редакции помех, оптимизация которых произведена в [22} по критерию максимизации отношения моащостей сигнала и помех на выходе обнаружителя при любых изтенсяЕностпх и количествах узкополосных помех.

Корреляционные метода фильтрации в обработки САС 124-311 »

Сейсмоакустические метода контроля и прогноза состояния исследуемых объектов подразделяются на два крупных класса - пассивные и

активные методы СА. Сложность создания помехоустойчивых обнаружителей для пассивных методов объясняется случайным во времени характером появления САС и неизвестностью априори формы сигнала. В активных же методах известна форма сигнала и поэтому для повышения помехоустойчивости обнаружителей могут быть использованы корреляционные метода обработки и фильтрации ÇAC. В работах Î24-3IJ автором на уровне изобретений разработаны технические средства помехоустойчивых активных методов СА. Основу технических средств составляют измерительные станции и ретрансляторы САС с временным разносом излучаемых сигналов. -,

Структурная схема базового комплекса {24,25,261 активных методов СА состоит из измерительной станции и "п" ретрансляторов. Измерительная станция размещается в центре исследуемого объекта, а ретрансляторы - на его границах, в точках с известными координатами. Ретрансляторы синхронизируются и работают в режиме перэизлу-чения по адресным .сигналам измерительной станции. При этом центральная измерительная станция измеряет двойной набег Фазы между излучаемыми и принимаемыми сигналами от каждого ретранслятора и амплитудно-частотные характеристики принимаемых сигналов. По динамике фазовых и амплитудных компонент поля САС в исследуемом объекте можно по известным методикам с достаточной степенью точности и достоверности осуществлять контроль и прогноз состояния исследуемого объекта.В работе [27] для повышения точности измереошя фазовых и амплитудно-частотных характеристик используется мцогочастот-ный сигнал с кратными частотами. При атом точность измерения фазовых сдвигов и времени распространения САС в Ш определяется высокими частотами, а неоднозначность устраняется результатами измерений на кратных низких частотах. Значения ряда частот определяются из соотношения

СДф^ 4кГ

Fj = 1 (50)

где с - скорость измерения САС в ИЛ; г - размер контролируемого участка;

Ф - фазовый набег САС за счет его распространения от станцрл до ретранслятора и обратно.

При этом низшая частота сигнала определяется при набеге ф<180°, а более высокие частоты - исходя из принятой их кратности. Так, при скорости распространения САС в Г?,! 500C у/с, расстоянии

-между измерительной станцией и ретрансляторами г = 1000 м, числе частот равном 5, их крзтнбсти 3, значения частот мкогочастотного сигнала составят 5, 15 , 50, 150, 500 Ш. При тех же исходных данных и г=» 200 м частоты будут равны 25, 75 , 250» 750, 2500 Гц,

Авторские устройства СА контроля удароопасности ГМ на фоне помех 119, 20, 32-411.

Указанные работы посвящены созданию устройств, применение которых повышает помехоустойчивость регистрации САС и позволяет осуществить контроль состояния ГМ в условиях помех за счет оригинальных способов, технических решений на' уровне изобретений [19,20,34-39] и методик выделения прогнозируемых параметров [32,33.40,41).

' ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- В диссертационной работе по результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны теоретические положения и изложены научно-обоснованные экономические и технические решения, составляющие в совокупности основы теория и практики информационных акустических систем, внедрение которых вносит существенный вклад в решение проблемы контроля и прогноза ГД ка действующих удароопасных месторождениях.

Основные научные результаты и выводы заключаются п следующем.

1.Разработана и доведена до практического использования методика прогнозирования экономических последствий ГУ, учитывающая ве-роятностшй характер числа.и параметров ГУ и основанная ка опроделении'функции рйска теории принятия решений. Обоснована.эмпирическая зависимость функций'потерь ио каждому параметру ГУ, а также ее .многомерный характер.

2.Систематизированы основные фкзячосгаге законодгерности, критз-рии :: информационные параметры развития' процесса разрушения ГП, основополагающие .при контроле и ' прогнозе состояния ГЦ методам сейсмоакустики. Разработаны функциональная в структурная схемы АСКГД, учнтывэзщяо в яинамзясе хрупкого разрушения МГП я процессе ого контроля и прогноза случайный и нестационарный характер, миграцию напряжений и лавкггообразпость, а тзк:::е медленно протекающий характер подготовки очага л бистро протекающий 'характер динамики проявления ГД..

3.Методами математической статистики выполнен анализ структуры поля в бдшней волновой зоне и характеристик реальных сигналов и

помех, установлены законы распределения их плотностей вероятностей на основании чего разработана двухстадийная математическая модель САС в виде лидирующего импульса и полигармоничоского случайного процесса с многомерным марковским вектором параметров САС.

4.Синтезированы аналитические Еыракения коэффициентов полинома первого вступления САС, отображающие его начальные вступления и время, амплитуду, полярность и длительность , которые являются основополагающими ттформацхоппымн критериями контроля и прогноза состоя1ШЯ Mitt методами сейсмоакустики.

5.Использовав математическую модель, решением нелинейного матричного уравнения получены аналитические выр&жеш1Я параметров фильтрации САС и оптимальной в гауссовом приближении когерентной и нокогоронтной структур в виде шюгоканалыгого многоконтурного замкнутого и разомкнутого следящих фильтров САС, а такто выражешш для дисперсий оценок параметров сигнала в установившемся рогиме работы обнаружителя.

6.Мэтодом синтеза получены уравнения определяйся} структуру оптимального приемника слохашх сигналов активных методов сейсмоакус-тшси при воздействии на ого вход узкополосных. помох с ролеопсгли .распределением амплитуды и равномерным'распределешим фазы, а такие флуктуацкошюго шума.

7.Обоснована структура и выполнено исследование в гауссовом приближении квазиогтгмального некогерентного физически гв техничес-1си реализуемого обнаружителя с измеренном шиз трального распределения плотности амплитуд на длительности реализации первого вступления и последующего полигармонического колебания САС.

8.Разработан и исследован помехоустойчивый алгоритм обработки САС многоканальным квазиоптималышм обнаружителем, формирующим в присутствии импульсных и узкополосных помех модальные статистики сигналов, ц доказано методом математического моделирования ого преимущество по сравнению с алгоритмом, формирующим статистики сигналов по математическому ожиданию.

9.Предложены и внедрены способы и технические решешш повышения помехоустойчивости обнаружителей САС, основанные на компопсащи искажений сигналов, вносимых трассами распространения, подавлешгл узкополосных помах аьшлитудно-частспьга выравнивателями с регулировкой порогов подавления помех по максимуму отношения сигпал-помеха, перераспределении.спектра излучаемых сигналов в активных методах сейсмоакустики, использовании корреляционных методов фильтрации и обработки.

Ю.Создаш и внедрены измерительные комплексы регионального контроля и прогноза удэроопасности на Североуральском, таштагольс-ком, Норильском и Джезказганском удароопасшх месторождениях, с использованием которых накоплен информационный банк да!шых, который подтвердил актуальность проблемы помехоустойчивости и помехозащищенности сейсмоакустических информационных систем.

Основные положения дассертаишг опубликованы в следующих работах:

1. Юрков C.B., Розманов И.П., Аврамов В.Е. Прогнозирование экономических последствий горних ударов на основе теории принятия решений //Сборник научшх трудов ' НПО "Сйбцветметав-томатика ".-?.!. ,1991 .С.74-79.

2. Розманов И. П., Огиешсо В. А., Па вот, В.В., Слабепко Н.Ф., Тууок

B.А. и др. Автоматизированная система контроля напряжетшости и удароопасности горных пород //Документы эскизного проекта АЯР2.909.054 НПО "Сибиветметавтоматика".-Красноярск, 1986.

C.1-975. N ГР 01.82.1058938.

3. Розманов И.П., Огпзнко В.А., Ковалев В.П., Пивень В.В.,

. Слабенко Н.Ф., Судьянков Б.Г., Турок В.А. Автоматизированная система контроля горного давления //Сборник научных трудов ИГД СО MI СССР. - Новосибирск, I938.C.I46-I5I.

4. Пивень В.В., Ветопкин В.Н., Дрпчин В.М., Назарешсо Т.Д., Розманов И.П., Солгштов C.B., Слабешсо Н.Ф. Йомеритолыго-вичислителыщП комплекс регионального контроля удароопасности ИВК "Регион" //Сборник научных трудов НПО "Спбцпе тметавтоматгаса".-М.,1991.С.59-74.

5. Розманов И.П., • Пивень- В.В., Ватажки В.Н., Ковалев В.П., Судьяшсов Б.Г., Еогачева H.H., Языков И.С. Состав, структура и функции научно-исследовательской автоматизированной систеш контроля горнего даслегеш "АСКГД -кезказган // Тезисы докладов семинара по горной геофизике.-Пермь,1993.С.63-64.

6. Вотсшкин В.Н., Ломакин B.C., Мулев С.Н., Пивень В,В., Розманов И.П., С;,глрнов В.А. Комплекс аппаратуры доя регионального прогноза горних ударов // Сейсмические прибора, 1991. Т.22. 0.161-167.

7. Розманов И.П. ¡С о вопросом постановки анализа построения автоматизированной системы контроля горного давления //Сборник паучнах трудов ШО "Сиб!теткетазтсматкка".-М.,1991.С.49-50.

8. Розманов К.П. К вопросам математической модели акустических сигналов к помех: Тезисы докладов научно-технической конференции с -международным участием //Радиотехнические системы (навигации, связи), средства измерений и новые информационные технологии. - Красноярск,1992.С.3-5.

9. Розманов И.П.т Прытков В.И. Синтез оптимального обнаружителя сейсмоакустического сигнала в марковском приближении: Тезисы докладов научно-технической конференции с международным участием1 //Радиотехнические системы (навигации, связи), средства измерений а новые информационные технологии, -Красноярск,1992.С.6-1I.

10. Прытков В.И., Розманов И.П. Оценка первого вступления сейсмоакустических сигналов: Депонированная статья.~М..ВИНИТИ, 967-B93.C.I-I7.

11. Розманов И.П., Прытков В.И. Синтез оптимальных и квазиопти-мальшх измерителей сейсмоакустических сигналов: Отчет по НИР института ВНИИгеоцветмвт. - Красноярск,1993.CI-I0I.

N ГР 01.91.0054338.

12. Розманов И.П., Спвов В.А. Синтез оптимального приемника прц действии сосредоточенной помехи и флуктуанионного шума //Вопросы теории радиотехнических.. инфорыащганно-измеритель-ных систем.-М.,1980.С.83-86.

13. Прытков В.И., Розманов И.П., Смирнов С.А., Харчеако <е.А. Способ повышения коэффициента усиления сейсмической группы путем компенсации искажений, вносимых трассами распространения сейсмических сигналов: Депонированная статья.-М..ВИНИТИ, II 3475-B92.C.I-I2.

14. Прытков В.П., Розманов И.П., Смирнов С.А., Харченко С.А. Способ оценивания передаточной функции трассы распространения сейсмических сигналов параметрическим способом: Депонированная статья.-Ы..ВИНИТИ, N 347B-B92.C.I-I2.

15. A.c. N 82089 (СССР). Приемное устройство обработки широкополосных сигналов / И.П.Розманов.-Опубликовано 10.09.74.

16. A.c. N 4848II (СССР). Приемное устройство для обработки иироко полосных сигналов / И.П.Розманов.-Опубликовано 22.05.85.

17. A.c. N 94091 (СССР). Приемное устройство для обработки составных широкополосных сигналов / И.П.Розманов, В.П.Ковалев.-Опубликовано 4.03.76.

18. A.c. II 94593 (СССР). Прко?яюе устройство содтгзпнх аирокопсло-скых сигналов / И.П.Розмсноз, В.П.Ковалев.-Опубликовано

2.04.76.

19. А:с. N I62BQ30 (СССР). Устройство для контроля напряженного состояния массива горных пород / И.П.Розманов.-Опубликовано 15.02.91. Балл. N б.

20. A.c. И 1700233 (СССР). Устройство для определения удароопасно-го состояния горного массива / И.П.Розманов.-Опубликовано 23.12.91. Билл. N 47.

21. A.c. П 103363 (СССР). Передающая широкополосная станция / И.II. Розманов.-Опубликовано 1.03.77.

22. Розманов И.П.» Сиеов В.А. Оценка способа борьбы с сосредоточен нкмя помехам! путем изменения споктра излучаемого сигнала //Вопроси теории радиотехнических информацпонно-измерителышх систем.-М.,1983.С.135-139.

23. Розманов И.П. Влияние пелинейностей фазо-частотных и поравномерностей амплитудно-частотных характеристик на характеристики сигналов //Вопроси теории радиотехнических информациошго-измарителышх систем.-М.,IS33.С.52-55.

24. A.c. N I485851 (СССР). Устройства для измерения амплитуды и фа зы радиосигнала / В.И.Кокорин, II. П. Розманов. -Опубликовано 15.05.87.

25. A.c. Н 1556370 (СССР)."Устройство для измерения амплитуды и фа зы радиосигнала / В.И.Кокорин, И.П.Розманов.-Опубликовано 20.04.8S.

2G. A.c. N I665SII (СССР). Устройство для измерения амплитуда и фа за радиосигнала / В.И.Кокорин, И.П.Розманов, А.С.Хзрченко.-Опубликовано 22.05.89.

27. A.c. I! I6005I8 (СССР). Устройство для измерения фззы радиосигнала / В.И.Кокорин, И.П.Розманов, А.С.Харченко.-Опубликовано 21.07.88.

28. A.c. К 1ГЛ842 (СССР). ЦифроЕой измеритель сдвига фаз / В.И. Кокорлп, П.А.Лопардин, И.П.Розманов, К.В.Caлюк.-Опубликовало 15.11.85. БШЛ. II 42.

29. '..с. N I4332I0 (СССР). Устройство для определения фазы сигнала /В.И.Кокорин, П.А.Лопардип, ■ И.П.Розманов.-Опубликовано I8.06.SS.

30. Розманов И.П., Смирнов С.Л. Оптимизация параметров модифицированного согласованного фильтра для устройств синхронизации ШС: Нэучно-техгетскпй сборник. Т.209.-Ы. ,1991.0.68-69.

31. Приткоз В.П., Розманов И.П., Смирнов С.Л. Формирование апостериорной плотности вероятности задержи в устройствах синхрсни-

зацш НЕС: 'Научно-технический сборник. Т.209.-M..I99I.C.57,-63.

32. Лебедев В.Ф., Розманов К.П. Новая геофизическая аппаратура ддя изучения гортх пород и руд; Тезисы докладов семинара по горной геофизике.-Тбилиси, I983.C.I55.

33. Веприцев В.И., Огиенко В.А., Розманов И.П. Использование одновременной регистрации сигналов сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии для контроля процессов горного давления: Тезисы докладов семинара по горной геофизике.-Тбилиси, 1983 Л.171.

34. A.c. N 1629533 (СССР). Устройство для оценки напряженного состояния массива горных пород / It.П.Розманов.-Опубликовано 23.02.91. Билл. Ii 7.

35. Волков В.В., Зиновьев Ю.М.. Ыалашенков В.А., Куденков А.К.. Обэдшш М.К.. Огиенко В.А., Розманов И.П., Стольников В.А. Сейсмоакустический комплекс "Гроза-16": Тезисы докладов семинара по горной геофизшсе.-Тбилиси.1933.С.90.

36. A.c. К Г520243 (СССР). Устройство для определения степени удароопасности горных пород по акустической эмиссии / D.U.Зиновьев, И.П.Розманов, А.Г.Сторо-гешсо, В.М.Проскуряков, А.С.Бляхман, В.А.Ыалашенков.-Опубликована 07.Ii.89. Бюлл.Н 41.

37. A.c. N I463915 (СССР). Устройство для контроля степени удароопасности горных пород / D.M.Зиновьев, А.К.Куденков, И.П. Розманов, А.С.Бляхмап, В.М. Проскуряков. -Опубликованоа07.03.89. Балл. N 9.

38. A.c. Н I760III (СССР). Устройство для контроля степени удароопасности горных пород / И.П.Розманов, Ю.Ы.Зиновьев, А.К. Куденков, А.С.Бляхман.-Опубликовано 07.09.32.

39. A.c. N 1659385 (СССР). Детектор огибающей электрического сигнала / В.А.Глинчдасов, А.С.Глинченко, И.П.Розманов. -Опубликовано 30.06.92. Бюлл. Н 24.

40. Огиенко В.А., Розманов И.П., Турок В.А., Дьяковский В.Б. Временное методическое руководство по прогнозу удароопасности участков массивив горных пород ceücuoaicyстпче ской аппаратурой "Гроза-4М".-Красноярск, 1983.С.1-38.

41. Розманов И.П., Никулин Е.И., Мосолов В.Г., Ломакин B.C. и др. Методические указания по сейсмическим и ' электромагнитным методам получения критериев степени удароопасности.-Л., ВНИМИ, 1935. С.4-6.