Автоматизована система збору і зберігання сейсмологічних даних

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І. СУББОТІНА

УДК 550.34.03

Спеціальність 04.00.22 - геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата фізико-математичних наук

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА ЗБОРУ І ЗБЕРІГАННЯ СЕЙСМОЛОГІЧНИХ ДАНИХ

Ганієв Олександр Закарієвич

Київ - 2008



Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Дядюра Віталій Олексійович, Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Продайвода Георгій Трохимович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Геологічний факультет, кафедра геофізики.

доктор фізико-математичних наук Пустовітенко Белла Гаврилівна, Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться “18 “ червня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, проспект Палладіна, 32.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, проспект Палладіна, 32.

Автореферат розісланий “13 “ травня 2008 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради, доктор геологічних наук М.І. Орлюк



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Моніторинг сейсмічної активності території України обумовлений, перш за все, необхідністю забезпечення безпеки населення і промислових об'єктів від наслідків землетрусів і супроводжуючих їх небезпечних вторинних явищ, а також з метою довгострокової оцінки сейсмічної небезпеки і сейсмічного ризику. Результати сейсмологічних досліджень представляють суттєвий науковий інтерес для вивчення глибинної структури літосфери, сучасної геодинаміки, сейсмотектоніки, регіональної сейсмічності і інженерної сейсмології.

До недавнього часу моніторинг сейсмічної активності здійснювався в основному в межах Кримського і Карпатського регіонів, решта частини території України залишалася практично неохопленою. При цьому рівень технічного забезпечення сейсмологічної мережі не відповідав сучасним вимогам.

Постановою Кабінету Міністрів України № 699 від 28.06.1997р. було затверджено Положення «Про Національну систему сейсмологічних спостережень і заходи з підвищення безпеки проживання населення в сейсмонебезпечних регіонах України». Одним з напрямів цієї постанови було рішення про необхідність створення на базі

Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України Національного центру збору і зберігання сейсмологічних даних на території України. Тому актуальною стала проблема розробки програмно-алгоритмічного і техніко-методичного забезпечення збору і зберігання даних сейсмологічних спостережень. Дана дисертаційна робота присвячена вирішенню цих питань.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. У роботі приведено результати досліджень, отримані автором у відділі теоретичних проблем прикладної геофізики (2001 - 2005), сейсмічної небезпеки (2005 - 2007), сейсмометрії і фізичних властивостей речовини Землі (з 2007) Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, за науковими темами: Реалізація заходів «Програми функціонування і розвитку Національної системи сейсмічних спостережень і підвищення безпеки проживання населення в сейсмонебезпечних регіонах України» (УДК 550.8.550, 2000 - 2005, № держ. реєстрації 0100U003946), «Автоматизація збору геофізичної інформації» (шифр 1.5.2.86, 1999 - 2003, № держ. реєстрації 0199U000659), «Розвиток теорії і методики дослідження навколишнього середовища з метою прогнозування сейсмічної небезпеки» (шифр 1.5.2.149, 2006 - 2009, № держ. реєстрації 0106U000913), «Моніторинг геофізичних полів з метою зниження ризику від небезпечних природних явищ на території України» (шифр 1.5.2.160, 2007 - 2011, № держ. реєстрації 0107U0022195), «Розвиток методики і технології моніторингу процесів, вивчення будови і динаміки структур, які їх моделюють», яка виконується в рамках Державної російсько - української програми «Моніторинг структури хвильових процесів, які генеруються в літосфері і інших геосферах Землі на території Півночі Європейської частини Росії і України (включаючи Кримський півострів, Краснодарський край, шельф Азовського і Чорного морів) в результаті зовнішніх і внутрішніх дій, з урахуванням еволюції неоднорідних (резонансних) сейсмогенеруючих структур, які визначають режими сейсмічності і масштаби природних і техногенних катастроф» (РУ/11-07 шифр 1.5.2.164, 2007, № держ. реєстрації 0107U003126).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є побудова автоматизованої системи збору і зберігання сейсмологічних даних.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

Побудувати моделі автоматичного пункту сейсмологічних спостережень;

Розробити моделі центру збору і зберігання сейсмологічних даних;

Змоделювати засоби зв'язку між вузлами сейсмологічної мережі;

Створити схеми оперативного аналізу сейсмологічних даних.

Об'єкт дослідження - система збору і зберігання сейсмологічної інформації. сейсмологічний вузол мережа автоматичний

Предмет дослідження - елементи автоматизованої системи збору і зберігання сейсмологічних даних з урахуванням їх взаємодії і функціонування при обробці інформації.

Методи досліджень. При побудові автоматизованої системи збору і зберігання сейсмологічних даних використовувалися методи спектрального і статистичного аналізів реальних сейсмологічних даних.

Наукова новизна. З урахуванням сучасних інформаційних технологій була вдосконалена модель трирівневої ієрархічної структури автоматизованої системи збору і накопичення сейсмологічних даних оперативного контролю, яка функціонально зв'язує автоматичні пункти сейсмологічних спостережень, регіональні сейсмологічні центри і Національний центр сейсмологічних даних.

Вперше формалізовано критерій виявлення аномального запису в квазіреальному потоці сейсмологічних даних;

Вперше розроблено схему оперативного аналізу сейсмологічного запису.

Достовірність і обґрунтованість одержаних результатів забезпечена значним об'ємом експериментальних даних, отриманих від сейсмологічних станцій з використанням засобів розподільно-регіональної інформаційної мережі, а також, апробацією методу виявлення аномального сейсмологічного запису на модельних і реальних матеріалах з подальшим використанням одержаних результатів на практиці.

Практичне значення одержаних результатів. На основі моделі трирівневої ієрархічної структури автоматизованої системи збору і накопичення сейсмологічних даних оперативного контролю, розробленої в дисертаційній роботі, автор спільно з колективом співробітників Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна, спроектував і створив Національний центр збору сейсмологічних даних України, який на даний час продовжує функціонувати.

Автоматизована система зберігання геофізичних даних з елементами публікації сейсмологічної інформації, що розробив автор, впроваджена в Українському відділенні Світового центру даних Національного технічного університету України «КПІ».

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, представлені в дисертації, одержані автором особисто. Зокрема, автор особисто:

спроектував, розробив і застосував програмний комплекс ядра розподіленої інформаційно-обчислювальної сейсмологічної мережі [1];

розробив і реалізував програмну модель передачі сейсмологічних даних з використанням цифрового каналу зв'язку Макарів-Київ і цифрового каналу зв'язку Сімферополь-Київ [2, 3];

розробив і реалізував систему публікації сейсмологічної інформації з використанням WEB інтерфейсу [1, 4];

розробив метод виявлення аномального сейсмологічного запису в потоці даних, заснований на специфіці алгоритму компресії бінарної послідовності Steim формату SEED [4];

об'єднав всі вищезгадані моделі в єдину автоматизовану систему збору і зберігання з елементами системи публікації сейсмологічних даних [1, 4].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на:

спеціалізованій науково-технічній конференції “Проблеми створення автоматизованої системи геофізичних спостережень” (SNTK2003GCSK), Макарів-1 (Україна, 2003);

міжнародному семінарі «Актуальні питання вивчення фізичних параметрів мінеральної речовини Землі» в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ (Україна, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 роботи: 2 - у наукових журналах, 1 - у збірнику наукових праць, 1 - в тезах науково-технічної конференції.

Структура і обсяг роботи. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаної літератури, що складає 126 найменувань, та додаток. Загальний об'єм 162 сторінок, 53 рисунки, 11 таблиць.

Робота виконана у відділі сейсмометрії і фізичних властивостей речовини Землі Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України під керівництвом доктора фізико-математичних наук В.А. Дядюри, якого автор поважає і цінує, як вчителя і щиро вдячний йому за активну участь і цінні поради на всіх етапах роботи. Автор висловлює особливу подяку за обговорення і дискусії кандидату технічних наук І.Ю. Михайлику. Автор вдячний за увагу, консультації і всебічну допомогу впродовж роботи над дисертацією доктору геологічних наук В.П. Коболєву, доктору фізико-математичних наук В.М. Пилипенко, доктору геолого-мінеральних наук С.М. Кулику, доктору геологічних наук Т.К. Бурахович, кандидату фізико-математичних наук В.Б. Будкевичу і кандидату фізико-математичних наук А.О. Верпаховській, кандидату технічних наук М.А. Лазаренко. Автор також висловлює подяку співробітникам Інституту К.В. Петренко і О.А. Герасименко за корисні поради, розуміння і підтримку.

ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані цілі і завдання досліджень, а також положення, що захищаються, охарактеризовано наукову новизну, практичне значення роботи і особистий внесок автора.

СУЧАСНІ МІЖНАРОДНІ СЕЙСМОЛОГІЧНІ МЕРЕЖІ І ФОРМАТИ ДАНИХ

Розглянуто різні шляхи реалізації міжнародних і національних сейсмологічних мереж, що експлуатуються на даний час. Представлено найбільш типові за своєю структурою, програмно-апаратному забезпеченню і топологією моделі. Критеріями відбору при включенні кожної із систем в даний огляд послужили сучасність, оригінальність науково-технічних рішень мережі і їх економічна доцільність. Тому огляд обмежується лише реалізованими на даний час системами, які мають в своїй структурі унікальні і до того ж необхідні науково-практичні рішення.

Основною тенденцією розвитку в області сейсмологічного моніторингу є впровадження інформаційних технологій і автоматизація процесів збору і накопичення інформації. Сучасні інформаційні технології надають широкі можливості в підвищенні ефективності фундаментальних наукових досліджень, зниженні витрат на пошук, систематизацію і аналіз геофізичної інформації.

Найбільшою і розгалуженою системою сейсмологічного моніторингу в світі є IRIS GSN (Консорціумом Дослідницьких Інститутів в області Сейсмології) - мережа, яка активно взаємодіє з більшістю інтернаціональних і національних сейсмологічних систем. Ця сучасна мережа сейсмологічних спостережень використовує новітні інформаційні технології. Одним з її основних досягнень є стандартизація даних і результатів досліджень. Десятки розрізнених систем збору і зберігання даних можуть інтегруватися в єдину міжнародну сейсмологічну комп'ютерну систему, використовуючи опрацьовану IRIS систему стандартів і форматів. Формат SEED, розроблений і вперше застосований IRIS для збереження сейсмологічних даних, найчастіше використовується в сучасній сейсмології.

Мережева сейсмологічна система SeisComP, яка була розроблена і експлуатується Центром даних GEOFON/GFZ (Потсдам, Німеччина), охоплює практично всю територію Європи. Це перша система дійсно автоматичного збору і зберігання сейсмологічної інформації.

Сейсмологічна мережа Національного ядерного центру Республіки Казахстан (НЯЦ РК) - це результат міжнародної співпраці. В рамках "Угоди з питань співпраці в області моніторингу підземних ядерних випробувань" між Консорціумом університетів IRIS США і НЯЦ РК діє «Сумісна Сейсмологічна Програма» (JSP). Накопичення, буферизація, первинна обробка, архівування сейсмологічної інформації в режимі реального часу здійснюється програмним комплексом Antelope.

Канадська фірма Nanometrics пропонує постачання “під ключ” регіональну цифрову сейсмологічну мережу LIBRA, що використовує супутниковий зв'язок. Фірма постачає все устаткування і програмне забезпечення для цієї мережі. У постачання входять широкосмугові 3-х компонентні сейсмоприймачі, перетворювачі аналогових сигналів в 24-розрядний цифровий код з частотою 50 відліків в секунду, оренду супутникових каналів зв'язку між сейсмологічними станціями і центром збору даних, комп'ютери і програмне забезпечення для центру збору і зберігання даних.

Сейсмологічна мережа Університету Берклі - місцева мережа широкосмугових сейсмічних станцій, яка охоплює територію північної Каліфорнії і пов'язана з Університетом через лінії телефонної мережі. Система використовує чотирьох дротяні фізичні лінії і пропонує сервіс в режимі full-duplex (дротяна пара на прийом і дротяна пара на передачу). Швидкість передачі даних в лінії 1.544 Mб/с. Таким чином, якщо не враховувати тимчасових затрат на стаціонарному устаткуванні, потік абсолютних значень відліків в режимі реального часу потрапляє в центр сейсмологічної обробки.

Міжнародний досвід показує, що наявність великої кількості, доступних в режимі реального часу, сейсмологічних станцій та розвиненої системи комунікацій, яка зв'язує як станції, так і бази сейсмологічних даних, об'єднаних в єдину мережу - основа системи збору і зберігання сейсмологічної інформації.

Потреба організації обміну даними між численними центрами збору даних приводить до необхідності стандартизації формату зберігання інформації в базах даних і усунення непопулярних форматів.

Достатньо часто дані збираються і передаються по каналах зв'язку від сейсмостанцій в одному форматі, а зберігаються в базах центру збору в іншому форматі, обробляються і аналізуються в ще іншому форматі. Це пояснюється використанням різних конструкцій цифрових реєстраторів і необхідністю скорочення об'єму інформації при передачі по телекомунікаційних каналах і їх зберіганні в базах даних. В даний час найбільш поширеними в сейсмології є формати GSE, CSS, SEED.

Формат GSE (the Group of Scientific Experts) використовується Міжнародним Центром Даних (PIDC) і Центром Даних CTBTO у Відні для зберігання інформації Міжнародної мережі контролю за випробуваннями ядерної зброї.

Достатньо часто для зберігання і особливо обробки і аналізу даних використовується формат CSS (Center for Seismic Studies). Гідність формату CSS полягає в представленні відліків дійсними значеннями амплітуд, що робить його зручним при обробці сейсмологічної інформації. Недоліком цього формату є потреба значного об'єму пам'яті для зберігання цих даних.

Найширше для зберігання і обміну даними використовується формат SEED (the Standard for the Exchange of Earthquake Data), в якому накопичується основний об'єм даних мережі IRIS GSN. Стандарт SEED розроблений IRIS і активно використовується з 1990 року.

Враховуючи низький технічний рівень сейсмологічної мережі України, існує необхідність побудови моделі автоматизованої системи збору і зберігання сейсмологічних даних, з урахуванням використання сучасних інформаційних технологій.

МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ ЗБОРУ І ЗБУРІГАННЯ СЕЙСМОЛОГІЧНИХ ДАНИХ

Сформульовано завдання, які можуть бути вирішені за допомогою автоматизованої системи збору і зберігання сейсмологічних даних (АССД):

Моніторинг сейсмічної активності України і суміжних територій, метою якого є оперативна реакція на зареєстровані землетруси.

Вивчення специфіки геологічної будови регіону, метою якого є підвищення достовірності карт сейсмічного районування.

Вивчення сейсмічної обстановки в районах розташування екологічно небезпечних промислових об'єктів (атомні і гідроелектричні станції, крупні хімічні підприємства і т.п.).

З урахуванням завдань, що стоять перед АССД автором були сформульовані вимоги до даної системи:

Виконання безперервних спостережень і реєстрації даних відповідно до міжнародних стандартів в автоматизованому режимі;

Накопичення в автоматизованому режимі сейсмологічних баз даних і архівів без обмеження терміну зберігання інформації;

Можливість розділення в автоматизованому режимі сейсмічних записів на записи мікросейсм і записи, що містять землетруси, в квазіреальному масштабі часу.

Це дозволило спроектувати модель трирівневої ієрархічної структури АССД оперативного контролю за функціональним призначенням.

Автоматичний пункт сейсмічних спостережень (АПСС). При побудові моделі АПСС як автоматичного цифрового сейсмічного реєстратора (АЦСР) був використаний сейсмоприймач, розроблений в Інституті геофізики НАН України під керівництвом кандидата технічних наук І.Ю. Михайлика.

Регіональний сейсмологічний центр (РСЦ). Особливості геологічної будови території України і сейсмічної активності її окремих регіонів пояснюють факт зосередження пунктів сейсмологічних спостережень, що функціонують сьогодні в Кримському і Карпатському регіонах, та необхідність Кримського і Карпатського Регіональних центрів.

Національний центр сейсмологічних даних (НЦСД). НЦСД є головним елементом в ієрархічній структурі АССД. Одним з основних завдань функціонування НЦСД, є координація моніторингу сейсмологічної ситуації на Україні і оперативного інформування зацікавлених органів про факти реєстрації сильних землетрусів на території України та суміжних країн. НЦСД здійснює формування оперативного банку і архівів сейсмологічних даних, необхідних для оперативної і поглибленої обробки зареєстрованих сейсмічних подій.

Підбір засобів зв'язку між елементами АССД і визначення правил їх функціонування мають вирішальне значення для структури АССД в цілому. Необхідність компромісного рішення цієї проблеми обумовлена вартістю засобів зв'язку, яка залежить від об'єму інформації, що передається та оперативності доставки даних.

Автором виконана оцінка кількості інформації в потоці даних по одному каналу АПСС - центр сейсмологічних даних (ЦСД). При опитуванні датчика з частотою дискретизації 20 Гц реєструється двадцять 24-х бітових відліків в секунду (480 біт/с). Трьома датчиками (X, Y, Z компоненти) реєструються 1440 біт/с. При переході від дійсних значень амплітуд до значень приростів, 98% інформації представляється одним байтом, що скорочує інформаційний потік в 2.9 раза і його об'єм стає не більше 500 біт/с. За наявності службової інформації 160 біт/с (формат АЦСР) загальний потік складе не більше 660 біт/с. При реальній швидкості передачі інформації 6.6 Кбіт/с (номінальна швидкість 9.6 Кбіт/с) дані, зареєстровані за 1 секунду будуть передані за 0.1 секунд. Таким чином, відношення часу реєстрації до часу передачі (коефіцієнт випередження) буде не менше 10, тобто дані, зареєстровані за добу, будуть передані за 2.4 години.

Зв'язок між АПСС і ЦСД забезпечується дискретно-безперервною передачею даних, при якій всі спостереження, що реєструються АПСН із заданим (відносно коротким) тимчасовим інтервалом, передаються в ЦСД. При організації зв'язку між АПСС і ЦСД можуть бути використані супутникові канали, виділені або комутовані канали комерційної телефонної мережі, канали операторів мобільних телефонних мереж і мережа Інтернет.

Ядро розподіленої інформаційно-обчислювальної мережі (РІОМ). Одержання аналогової інформації, що характеризує коливання ґрунту в точці вимірювання, її перетворення в цифрову форму і передача в канали зв'язку здійснюється устаткуванням, зосередженим в місцях розташування АПСС. Прийом, узагальнення, накопичення і обробка інформації виконується устаткуванням, зосередженим в ЦСД, яке утворює ядро РІОМ. Ядро РІОМ здійснює як повний цикл обробки сейсмологічної інформації, так і управління апаратно-програмними засобами АССД, включаючи систему комунікацій.

МЕТОДИКА І ЗАСОБИ СТВОРЕННЯ І ФУНКЦІОНУВАННЯ СЕЙСМОЛОГІЧНОЇ БАЗИ ДАНИХ.

Запропонована комбінована модель сейсмологічної мережі з використанням опорних пунктів сейсмологічних спостережень (оАПСС) яка дозволяє збирати, зберігати і обробляти великі об'єми сейсмологічної інформації в основному у відповідних регіональних центрах. Це дозволяє уникнути дублювання інформації в єдиній інформаційній системі сейсмологічного моніторингу. Така схема обслуговування даних істотно знижує об'єм переданої інформації між центрами сейсмологічної мережі.

Враховуючи значні швидкості розповсюдження сейсмічного сигналу в літосфері Землі і відносно невелику площу території України Національний та регіональні центри протягом короткого відрізку часу після реєстрації землетрусу потребуватимуть уточнюючої інформації для ініціації заходів відповідно до регіонального і національного рівнів. Конкуренція при отриманні даних від пунктів спостережень протягом невеликого проміжку часу вимагатиме побудови загальної для всієї інформаційної мережі сейсмологічного моніторингу достатньо складної системи пріоритетів доступу до інформації. Тому автор використовує групу оАПСС розташованих в регіонах.

Національний Центр контролює оАПСС і за схемою багатокористувацького доступу забезпечує регіональні центри оперативною сейсмологічною інформацією (рис. 1).

Розподілена схема зберігання сейсмологічних даних підвищує життєздатність всієї інформаційної системи сейсмологічного моніторингу і покращує якість роботи служб оперативного інформування про землетруси. Сейсмологічна база підтримує єдину методику доступу до всіх даних інформаційної системи і представляє їх так, наче вони є локальними а також відповідає за збереження цієї “ілюзії”. Користувач має можливість об'єднати дані відповідних тимчасових інтервалів різних АПСС, навіть, якщо ця інформація розташована в різних регіональних системах зберігання.

Вирішення задачі управління запитами до територіально-розподіленої інформації забезпечує механізм баз даних. У базі зберігаються не тільки сейсмологічні дані, але й інформація про сейсмологічні станції і про все необхідне для функціонування сховища сейсмологічної інформації.

Підрозділ аналізу сейсмологічних даних, в завдання якого входить оперативне інформування відповідних служб про сейсмологічні події, отримує дані від опорних сейсмостанцій в квазіреальному режимі часу. В процесі проектування засобів публікації сейсмологічної інформації автором розроблено два напрямки взаємодії користувача і бази сейсмологічної даних:

За допомогою WEB інтерфейсу, з використанням протоколу файлового обміну FTP (www.geo.org.ua);

За допомогою використання програмного інтерфейсу, який дозволяє користувачеві підключати свої програми обробки сейсмологічної інформації до сховища сейсмологічної інформації.

МЕТОД ОПЕРАТИВНОГО АНАЛІЗУ СЕЙСМІЧНИХ ЗАПИСІВ.

У пункті сейсмічних спостережень безперервно виконується реєстрація коливань ґрунту за трьома взаємно перпендикулярними напрямками (X, Y, Z компоненти). Аналогові сигнали, що виробляються сейсмоприймачем, подаються на вхід цифрового реєстратора, який із заданим кроком дискретизації за часом виконує їх перетворення в дискретно-безперервні послідовності відліків дійсних значень відліків. Функція коливання ґрунту від часу (по вибраному напряму X, Y або Z) покажемо у вигляді суми трьох функцій:

де - функція помилки перетворення аналогових сигналів в дискретно-безперервну послідовність відліків амплітуд (інструментальна похибка);

- функція коливань ґрунту в точці установки сейсмоприймача, яка завжди має місце в будь-якій точці Землі (мікросейсми);

- функція сильних впливів на грунт в точці спостережень зовнішніх чинників (землетруси, промислові вибухи і ін.).

За своєю природою є випадковою функцією типу “білий шум” і не несе корисної інформації. Інтенсивність цієї функції визначає динамічний діапазон цифрового реєстратора, тому при його розробці необхідно прикладати максимум зусиль для її зниження. Наприклад, при розробці цифрових реєстраторів GURALP і АЦСР це досягається при застосуванні 24-х розрядних перетворювачів аналог-код і реєстрацією тільки старших 21 розрядних амплітуд.

Функцію мікросейсм доцільно розглядати як суму двох випадкових функцій:

де - функція коливань ґрунту, які мають місце в будь-якій точці Землі (власні мікросейсми), а - функція, що відображає дію на грунт зовнішніх чинників (техногенні перешкоди). Функція це дія на грунт сильних зовнішніх чинників, яку також можна представити у вигляді суми двох функцій:

де - функція, обумовлена реєстрацією землетрусів, а - функція сильних техногенних перешкод (промислові вибухи і ін.).

Для дослідження властивостей випадкової функції використовуватимемо теорему Вінера про автокореляцію, яка стверджує, що перетворення Фурье від функції автокореляції випадкової функції існує і дає спектр потужності.

Дійсно, якщо:

автокореляційна функція для , то спектр потужності може бути обчислений за формулою:

Автором прораховані спектри потужності більш ніж для 500 відрізків сейсмологічних записів, зареєстрованих на сейсмостанціях “Київ”, “Степанівка”, “Сквира” і “ІГФ”. Вибір цих станцій пояснюється відмінностями в конструктивних особливостях пунктів сейсмічних спостережень. Спектри потужності розраховувалися в діапазоні частот 0 - 10 Гц, який забезпечує крок квантування за часом (50 мс). Аналіз отриманих кривих спектрів потужності показав наступні результати.

Сейсмостанція “Київ”. Характеризується стабільною фіксацією мікросейсм з максимумом спектру потужності в діапазоні 0.3 - 0.4 Гц. Спектр потужності має близьку до трикутної форму. В деяких випадках реєструється перешкода в районі близько 5 Гц, яка пояснюється роботою каменедробильного комбінату, розташованого близько 30 км, на північ від сейсмостанції.

Сейсмостанція “Степанівка”. Спектр потужності має складнішу форму, що пояснюється розташуванням станції в штольні, що прокладена у вапнянистих пісковиках. Типовою картиною для цієї станції є наявність в спектрі потужності максимумів в смузі частот 0.3 - 1.2 Гц. Окрім цього спостерігається незначні техногенні перешкоди на частотах понад 2.5 Гц.

Сейсмостанція “Сквира”. У нічний час спостерігаються в основному одні екстремальні (в області 0.4 Гц) криві спектрів потужності, які ускладнюються техногенними перешкодами в області частот 4 Гц.

Сейсмостанція “ІГФ”. Розташування станції поблизу кільцевої шосейної дороги і залізничної колії створюють умови для завад в області частот 5 - 10 Гц. Проте і тут спостерігається максимум спектру потужності, обумовленого впливом власне мікросейсм.

Загальний аналіз всіх розрахованих спектрів потужності показує, що обов'язковим елементом є наявність власне мікросейсм на частотах 0.3 - 0.6 Гц. Всі коливання в області вище 4 Гц є техногенними завадами (рис. 2).

Приведені також хвильові форми, автокореляційні функції і спектри потужностей, розраховані для землетрусів зони Вранча з магнітудою більше 3.0, які зареєстровані сейсмостанцією “Київ” в період з 1999 по 2006 рр. Аналіз спектрів потужності показує, що загальною для них є наявність максимуму на частоті 0.1 Гц, тобто нижче за максимум власне мікросейсм. В деяких випадках спектри потужності мають максимум в області частот 1.1 -1.8 Гц. Проте, навіть, в цих випадках має місце локальний максимум на частоті 0.1 Гц. Аналіз хвильових форм для всіх зареєстрованих землетрусів показує значне перевищення амплітуд сигналу над амплітудами мікросейсм (рис. 3).

При формуванні банку даних інформація ущільнюється заміною дійсних значень амплітуд значеннями приростів між двома сусідніми відліками, тобто заміною вхідної функції значеннями різниць:



де - половина кроку дискретизації за часом.

На підставі теореми про зсув спектр потужності функції можна представити у вигляді:

звідки:

тобто на всіх частотах функція зменшується на величину .

Послідовність безперервних відліків функції представляється фіксованим томом сейсмологічних даних, сформованим у форматі SEED за алгоритмом Steim2. Фактично кількість відліків в томі залежить від коефіцієнта ущільнення N алгоритму Steim2.

Критерієм для відбору записів з аномальними значеннями амплітуд із запасом є величина N=3500, що і підтверджує аналіз графіків гістограм сейсмічних даних сейсмостанцій «Київ» (рис. 4), «Степанівка» і «Сквира».

Розроблена модель схеми оперативного аналізу сейсмологічних записів використовує критерій відбору записів з аномальними значеннями амплітуд для автоматичної процедури опитування автоматизованих цифрових сейсмічних станцій, що працюють в режимі накопичення подій, а також для зменшення об'єму інформації, який передається в підрозділ аналізу сейсмологічних даних.

Суть даної схеми полягає у використанні специфіки аномального сейсмологічного запису і алгоритму компресії бінарної послідовності Steim формату SEED.

Послідовність амплітудних значень, що характерна для мікросейсмічного шуму (фонові значення), ефективно стискається, а послідовність значень, характерна для сейсмічно активного запису - (аномальні значення), неефективно компресується Steim алгоритмом.

Використовуючи критерій відбору записів з аномальними значеннями амплітуд (N=3500) можна розділити сейсмологічний запис на фоновий і аномальний. Якщо врахувати, що значення N приведене в заголовку тому SEED, то факт визначення аномального тому може бути здійснений без декомпресії значень амплітуд.

Метод оперативного аналізу сейсмічних записів забезпечує ефективну підготовку масиву сейсмологічної інформації для її подальшого поглибленого вивчення в підрозділі аналізу сейсмологічних даних.



ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи зводяться до наступного:

Вдосконалена трирівнева ієрархічна автоматизована система збору і зберігання сейсмологічних даних, яка дозволяє виконувати безперервні спостереження і реєстрацію даних відповідно до міжнародних стандартів, забезпечує довгострокове зберігання даних в базі сейсмологічної інформації, дає можливість визначити факт виникнення аномального явища в квазіреальному масштабі часу.

Створена сейсмологічна база даних, яка підтримує єдину методику доступу до всіх даних розподіленої інформаційної системи.

Розроблено два напрями взаємодії користувача і бази сейсмологічної інформації за допомогою WEB інтерфейсу з використанням протоколу файлового обміну FTP (www.geo.org.ua) і програмного інтерфейсу, за допомогою якого користувач може підключати свої програми обробки сейсмологічної інформації до сховища сейсмологічної інформації.

Вперше визначений критерій відбору записів з аномальними значеннями амплітуд на основі аналізу сейсмічних даних сейсмостанцій.

Вперше розроблений метод оперативного аналізу сейсмічних записів, який забезпечує ефективну підготовку масиву сейсмологічної інформації для її подальшого поглибленого вивчення в підрозділі аналізу сейсмологічних даних.

Метод оперативного аналізу сейсмічних записів випробуваний на експериментальних даних сейсмічних станцій “Київ”, “Степанівка”, “Сквира” і “ІГФ”.

На даний час в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна Національний центр збору сейсмологічних даних України функціонує згідно з проектом.



ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Статті.

1. Ганиев А.З., Михайлик И.Ю. Структура аппаратно-программного комплекса подразделения сбора и накопления информации Национального центра сейсмологических данных Украины. //Геофизический журнал. - 2004. - Т.26, №4. - C.108-115.

2. Ганиев А.З. Оценка применения спутникового и Интернет каналов связи для передачи сейсмологических данных. // Геофизический журнал. - 2004. - Т.26, №5. - C.115-118.

3. Ганієв О.З. Оцінка можливості застосування мобільного телефонного зв'язку для передачі сейсмологічних даних. //Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики. Збірник наукових праць. - Київ - 2005. - С.94-103.

Тези доповідей

4. Ганиев А.З. Аппаратная и программная составляющие центра сбора и накопления сейсмических данных национального центра сейсмических данных НАНУ // Проблемы создания системы геофизических наблюдений. Материалы специализированной научно-технической конференции (SNTK2003GCSK). - Макаров-1: ГЦСК. - 2003. - С.29.



АННОТАЦІЇ

О.З. Ганієв Автоматизована система збору і зберігання сейсмологічних даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 04.00.22 - геофізика. Інститут геофізики ім. С.И. Субботіна НАН України, Київ, 2008.

В дисертації запропоновано вдосконалену трирівневу, ієрархічну автоматизовану систему збору і зберігання сейсмологічних даних, яка виконує безперервну реєстрацію даних відповідно до міжнародних стандартів, забезпечує довгострокове зберігання даних в базі сейсмологічної інформації, і дозволяє визначити факт виникнення аномального явища в квазіреальному масштабі часу.

Спроектовано розподілену систему зберігання сейсмологічних даних, яка підтримує єдину методику доступу до всіх даних інформаційної системи.

У роботі визначено критерій відбору записів з аномальними значеннями амплітуд на основі аналізу сейсмічних даних з використанням алгоритму Steim формату SEED. На його основі розроблено метод оперативного аналізу сейсмічних записів, який забезпечує ефективну підготовку масиву сейсмологічної інформації.

Ключові слова: сейсмологічна інформація, формат сейсмологічних даних, оперативний аналіз сейсмологічних записів.



А.З. Ганиев Автоматизированная система сбора и хранения сейсмологических данных. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию трехуровневой, иерархической автоматизированной системы сбора и хранения сейсмологических данных, которая выполняет непрерывную регистрацию сейсмологических событий в соответствии с международными стандартами, обеспечивает долгосрочное хранение информации в базе данных, и позволяет определить факт возникновения аномального сейсмологического явления в квазиреальном масштабе времени.

Автором рассмотрены возможные варианты организации видов связи между элементами системы сбора сейсмологической информации и проанализировано оптимальное применение каждого из них.

Построено ядро всей автоматизированной системы сбора и хранения сейсмологической информации.

Спроектирована распределенная система хранения сейсмологических данных, которая поддерживает единую методику доступа ко всем данным информационной системы.

Разработаны два направления взаимодействия пользователя и базы сейсмологической информации посредством WEB интерфейса с использованием протокола файлового обмена FTP (www.geo.org.ua), а также программного интерфейса, с помощью которого пользователь может подключать свои программы обработки сейсмологической информации к хранилищу сейсмологических данных.

В работе определен критерий отбора сейсмологических записей с аномальными значениями амплитуд на основе анализа сейсмических данных с использованием алгоритма Steim формата SEED. На его основе разработан метод оперативного анализа сейсмологических записей, который обеспечивает эффективную подготовку массива сейсмологической информации.

Ключевые слова: сейсмологическая информация, формат сейсмологических данных, оперативный анализ сейсмологических записей.



O.Z. Haniyev The automatic system of acquisition and storage of seismological data. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Science Degree of Physics and Mathematics by the specialty 04.00.22 - geophysics. Institute of geophysics S.I. Subbotin National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2008.

The improved tree-levels, hierarchical automated system of acquisition and storage of seismological data is offered in dissertation work. It executes continuous registration of information according to the international standards, provides long-term storage of data in the base of seismological information, and allows defining the fact of origin of the anomalous phenomenon in the quasi-real time scale.

The distributed system of storage of seismological data is projected. This system supports the common method of access to all data of the informative system.

The criterion of screening the records with the anomalous amplitude values was certained in this work. This criterion is based on seismic data analysis using the Steim algorithm of SEED format. This method provides effective preparation of seismological data array.

Keywords: seismological information, format of seismological data, operative seismological records analysis.

Размещено на Allbest.ru