авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Методы автоматизированного проектирования системы прогнозирования землетрясений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Семенов Николай Алексеевич

Методы автоматизированного проектирования системы прогнозирования землетрясений

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

(приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2007 г.

Работа выполнена на кафедре “Проектирования компьютерных систем” Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Коробейников Анатолий Григорьевич

Научный консультант:

д.физ.-мат.н. Копытенко Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Тропченко Александр Ювенальевич

к.т.н., доцент Чернокнижный Геннадий Михайлович

Ведущая организация: Марийский государственный технический университет

Защита состоится 20 марта 2007 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д.212.227.05 при СПб ГУ ИТМО

Адрес: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр. 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 20 февраля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.227.05

к.т.н, доцент В.И.Поляков

Актуальность работы.

Автоматизация проектирования – неотъемлемая составля­ю­щая сов­ременного научно-технического прогресса. Она значи­тель­но сни­жает длительность, трудоемкость и стоимость создания ма­те­ма­ти­чес­кого обеспечения систем сбора и обработки ин­фор­ма­ции при одно­вре­­менном повышении его качественного уровня. Учи­тывая то, что на создание программно-алгоритмического обес­пе­чения уходит боль­ше средств, чем на создание всей системы, сни­жение трудо­ем­кос­ти разработки и, следовательно, ее стоимости яв­ляется очень важ­ным аргументом на пути применения систем ав­то­матизированного про­ектирования (САПР) при разработке мате­ма­тического обес­пе­че­ния.

Работы В.М. Курейчика, И.П. Норенкова, Л.С. Понтрягина оказали существенное влияние на развитие САПР и послужили базой для создания новых подходов в совершенствовании систем автоматизированного проектирования (АП).

Одной из областей применения САПР является сбор и обработка данных, связанных с ультранизкочастотными (УНЧ, F=0.001 - 1Гц) возмущениями, разработка математических моделей (ММ) и автоматизированных проектных решений с целью создания систем прогнозирования сильных землетрясений.

Анализ особенностей поведения градиентов и фазовых ско­рос­тей УНЧ вариаций в сейсмоактивных зонах показали, что задолго до пер­вого форшока на большом расстоянии от магнитных гради­ен­то­мет­ров (три трехкомпонентные магнитовариационные станции, ус­тановленные треугольником на небольшом расстоянии друг от дру­га) можно определять локальные области аномальной про­водимости в земной коре, которые приурочены к очагу пред­сто­я­ще­го сильного землетрясения. Поэтому проектирование методов для фа­зово-гра­ди­ент­ных ис­сле­до­ваний УНЧ электромагнитных пред­вест­ни­ков имеют большое значение для прогноза сильных зем­ле­тря­се­ний.

Построение и исследование ММ генерации УНЧ литосферных геомагнитных вариаций позволяет подтвердить возможность ге­нерации этих электромагнитных излучений, связанных с гипоцентром будущего сильного землетрясения.

САПР автоматизированных методов расчета коэффициентов корреляции УНЧ электромагнитных сигналов позволяют задолго до землетрясения оптимизировать и принимать проектные решения относительно необходимости подключения более высокочастотных дат­чиков, а также определять при необходимости удаленные датчики, вышедшие из строя.

Анализ показал, что создание САПР комплекса прогноза зем­ле­трясений позволяет автоматизировать процесс прогноза сильных землетрясений даже в от­сутствии форшоковой активности.

Таким образом, исходя из вышесказанного, тема дис­сер­та­ци­он­ной работы является актуальной.

Цель диссертационной работы.

Целью работы является разработка алгоритмов ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­ного выбора проектных решений для САПР прогноза землетрясений.

Задачи диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Разработать систему автоматизированного проектирования комплекса прогноза сильных землетрясений.
  2. Разработать САПР автоматизированных методов расчета коэффициентов корреляции УНЧ сигналов на разнесенных магнитных датчиках перед сильным землетрясением.
  3. Разработать автоматизированные методы анализа ано­маль­но­го поведения градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомаг­нит­­ных возмущений перед, во время и после сейсмоактивного периода.
  4. Разработать ММ генерации литосферных УНЧ геомагнитных вариаций и разработать алгоритм реализации этой модели.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы: теория САПР, методы обработки сигналов, фазово-градиентный метод, ме­тоды математического моделирования, методы теории вероятности. Программное обеспечение (ПО) разработано с применением методов объектно-ориентированного программирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

  • Автоматизированный метод выбора проектного решения построения САПР прогноза сильных землетрясений.
  • ММ генерации литосферных УНЧ геомагнитных вариаций
  • Методы анализа корреляции УНЧ сигналов на разнесенных магнитных датчиках перед сильным землетрясением

Научная новизна работы.

  • Разработана САПР прогноза сильных землетрясений.
  • Разработаны автоматизированные методы анализа ано­маль­ного поведения градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомаг­нитных возмущений перед, во время и после сейсмоактивного периода.
  • Разработана ММ генерации литосферных УНЧ геомагнитных вариаций, разработан алгоритм реализации этой модели.
  • Разработаны автоматизированные методы расчета коэффи­ци­ен­тов корреляции УНЧ сигналов на разнесенных магнитных датчиках перед сильным землетрясением.
  • Исследовано аномальное поведение коэффициентов корреляции УНЧ сигналов на разнесенных магнитных датчиках перед сильным землетрясением.

Практическая ценность работы.

Разработана автоматизированная процедура выбора проектного решения построения САПР прогноза землетрясений.

Создана САПР комплекса прогноза землетрясений, разработаны соответствующие алгоритмы и ПО.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были внедрены в Санкт-Петербургском филиале Институте Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук, а также в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Научные и практические результаты дис­сер­тационной работы докладывались и обсуждались в период 2002-2007 г.г. на международных, всероссийских конференциях и семинарах. Среди них: XXVII European Geophysical Society General Assembly  Nice, Fran­ce, 21 - 26 April 2002, European Geosciences Union General Assembly 2005, Vienna, Austria, 24 – 29 April 2005, III-я межвузовская кон­фе­рен­ция молодых ученых, Санкт-Петербург, 10-13 апреля 2006 года, се­минарах кафедры ПКС СПб ГУ ИТМО, конференции ППС 2007 СПб ГУ ИТМО.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе вхо­дя­щие в список рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 67 наименований. Основная часть работы изложена на 136 стр. машинописного текста. Работа содержит 40 рисунков и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приведен обзор современного состояния САПР анализа УНЧ электромагнитных возмущений. Технический прогресс предъявляет высокие требования к процессам сбора и анализа информации. Растущие потребности к качеству измерений приводят к необходимости АП систем сбора и обработки ин­фор­ма­ции. АП позволяет сократить сроки разработки, улучшить качество разрабатываемой системы, провести анализ тех или иных способов об­работки, их эффективности, снижает трудоемкость, а следо­ва­тельно и стоимость разработки, уменьшает опасность устаревания, а также позволяет выявить новые свойства и способности системы, отвечающие требованиям практики.

Дается обзор существующих автоматизированных методов исследований УНЧ (диапазон от 1 до 1000 секунд) геомагнитных вариаций. Вводится определение эффективного метода таких исследований, называемого в дальнейшем фазово-градиентным. Этот метод позволяет по трем точкам на земной поверхности определять вектора градиентов и фазовых скоростей вдоль земной поверхности. Кроме того, обсуждается возможность применения фазово-градиентного метода для локации локальных источников УНЧ возмущений различного происхождения, а также возможность отслеживания динамики их передвижения.

Вводится понятие магнитного градиентометра, как трех магнитных датчиков (МД), отстоящих друг от друга на небольшое расстояние (значительно меньшее, чем расстояние до источника) и расположенных треугольником на земной поверхности.

Исследованы данные о наблюдениях УНЧ геомагнитных эмис­сий во время сильных землетрясений. Экспериментальные ис­сле­дования дают основания предполагать, что в сейсмоактивных зо­нах на земной поверхности наблюдаются аномальные УНЧ элект­ро­магнитные излучения связанные, по-видимому, с тектони­чес­ки­ми процессами в литосфере. Результаты измерений в различных сейс­мо­активных зонах Земли показали, что, как на подгото­вительной стадии развития очаговых зон сильных и средних (с магнитудой M>5) землетрясений, так и в период афтершоковой ак­тив­ности, на больших эпицентральных расстояниях могут на­блюдаться эмиссии большой интенсивности продолжительностью от нескольких минут до нескольких суток.

Высокочастотные излучения, источниками которых являются микротрещины, появляющиеся в земной коре перед средними и крупными землетрясениями, сосредоточенные в небольшом объе­ме, дают в сумме сигнал, в котором наблюдаются и УНЧ геомаг­нит­ные вариации в том числе.

Вот задачи, которые необходимо было решить для кор­ректного измерения градиентов естественных пульсаций:

  • Точность привязки по времени. Время прихода фронта волны на какую-то магнитную станцию (фазовая задержка), будет от­ли­чаться от времени прихода на другую станцию, при разносе стан­ций, например, на расстояние 5 км на десятые доли секунды и меньше, особенно, если фронт волны составляет малый угол с ли­нией, соединяющей эти магнитные станции. Таким образом, аб­солютная привязка по времени на каждой из станций, со­ставляющих магнитный градиентометр, должна быть точнее 10-2 сек. Такую точность можно обеспечить, если снабдить каждую магнитную станцию, составляющую градиентометр, единой систе­мой времени, обеспечиваемой спутниковыми системами навигации – GPS или GLONAS.
  • Дискретность сбора данных. Малая дискретность сбора данных не позволит точно определять фазовые задержки. Слишком высокая скорость сбора данных приводит к очень большим объемам первичного материала и, поэтому, не позволяет провести длительный эксперимент.
  • Несоосность (неколлинеарность) установки разнесенных МД и ошибки калибровки. В полевых условиях невозможно уста­но­вить оси разнесенных МД идеально параллельно, если они раз­несены на расстояние несколько километров. Неколлинеарность разнесенных МД может быть устранена путем специальной обработки регистрируемых данных.

Подробно анализируется эксперимент BEAR (Baltic Electro­mag­netic Array Research), проведенный в июне – июле 1998 года. Приведены результаты исследований фазовых скоростей, градиентов геомагнитных пульсаций, местоположения источников геомагнитных пульсаций, распределения фазовых задержек геомагнитных пульсаций на разных частотах.

На основании результатов исследований была сформу­ли­ро­ва­на основная цель работы - разработка алгоритмов проектирования ММ на основе фазово-градиентного метода и метода аномального уве­личения корреляции электромагнитных сигналов для разработки САПР прогноза землетрясений.

Во второй главе исследуются методы: определения фазовых скоростей, градиентов УНЧ пульсаций, месторасположения эпи­цент­ра будущего землетрясения, анализа корреляции УНЧ пуль­саций, определения динамических амплитудных спектров.

С помощью уравнений Максвелла можно получить волновое уравнение, описывающее процесс распространения электромаг­нитных волн. В случае УНЧ диапазона ( < 1 Гц) для однородной и изотропной среды волновое уравнение можно редуцировать к диффузионному уравнению, поскольку можно пренебречь членами, содержащими 2. В одномерном случае для плоской волны решение волнового уравнения можно записать в следующем виде:

При этом для низкочастотных процессов в земной коре с большой точностью =k и мы получаем решение диф­фу­зи­он­но­го уравнения. В этом случае на расстоянии x=/k фаза становится про­тивоположной фазе магнитного поля в источнике, а на рас­сто­я­нии x=2/k фаза опять равна фазе в источнике. Фазовая скорость диф­фузионного процесса оказывается равна фазовой скорости рас­про­странения низкочастотной электромагнитной волны. Для опи­са­ния электромагнитных процессов в земной коре мы можем ис­пользо­вать как диффузионный, так и волновой подход. В первом случае мы должны говорить о неоднородностях индукционных то­ков, во втором – об электромагнитных волнах. Таким образом, па­ра­метр k=2/ имеет смысл волнового числа, где = = .

Так как нам известно волновое число k, то мы можем определить фазовую скорость распространения геомагнитной волны:

Vph = /k = /T =

Величину фазовой скорости можно определить двумя способами - по фазовым задержкам в приходе фронтов геомагнитных волн на разнесенные магнитные станции или, использовать амплитуды пульсаций на разнесенных точках.

Во втором случае получаем:

B1(t) = B0 e –kx1 cos(t – kx1)

B2(t+) = B0 e –kx2 cos(t – kx2 + )

Соответственно, t – kx1 = t – kx2 + . И окончательно:

kd21 = , где d21 = x2 - x1 – расстояние между двумя точками на земной поверхности.

Отсюда получаем: Vph = /k = d21/.

Предложены автоматизированные методы определения эпицентра будущего землетрясения по векторам градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомагнитных вариаций

Разработан алгоритм расчета коэффициентов корреляции компонент магнитного поля разнесенных магнитных датчиков.

Для сейсмически-активных зон формула расчета корреляции сигналов между станциями 1 и 2 имеет следующий вид:

,

где B1 – сигнал на станции 1, B2 – сигнал на станции 2, а B - естественные УНЧ излучения, отраженные от аномалии проводимости, развивающейся в области будущего очага, а также и аномальные литосферные УНЧ излучения.

Показано, что при возрастании B, коэффициент корреляции также возрастает, а когда B>>B1 и B>>B2, как следует из вышеприведенной формулы, этот коэффициент приближается к 1.

Кроме того, разработано специализированное ПО, по­зво­ля­ю­щее как моделировать сигналы, необходимые для расчетов кор­реляции, так и производить эти расчеты.

Произведены расчеты коэффициентов корреляции перед сильным землетрясением.

Результаты были получены по данным шести высокочувст­ви­тельных цифровых трехкомпонентных магнитных станций, распо­ло­женных (по три станции) в Японии на полуостровах Изу (Сейкоши, Мочикоши и Камо) и Босо (Фудаго, Учиура и Киосуми).

В результате проведенных исследований показано, что за несколько месяцев до сильных землетрясений (М > 5) коэф­фи­ци­ен­ты корреляций компонент разнесенных магнитных станций на по­лу­острове Босо для УНЧ геомагнитных возмущений в диапазоне частот 0.1-0.5 Гц возрастают от 0.5-0.6 до 0.7-0.8. По-видимому, это свидетельствует о возникновении дополнительного источника УНЧ геомагнитных вариаций, расположенного в литосфере в районе гипоцентра будущего сильного землетрясения. Коэффициенты корреляции для длиннопериодных вариаций близки к единице.

Произведена разработка и реализация программно-ал­го­рит­ми­чес­­кого обеспечения определения динамических амплитудных спект­ров.

Для реализации поставленной задачи было предложено реализовать механизм так называемого «плавающего окна». Суть его заключается в том, что на каждом шаге спектр рассчитывается в сравнительно небольшом окне, после чего окно сдвигается на заданное число точек. Это было сделано вследствие того, что необходимо наблюдать динамический спектр, то есть изменение спектра во времени.

Для расчета спектра использовалось два алгоритма:

  • Быстрое преобразование Фурье (в этом случае число точек в окне должно быть равно степени 2)
  • Метод максимальной энтропии

Два различных алгоритма использовалось для того, чтобы можно было, сравнивая результаты их работы, устанавливать относительную разницу для выявления погрешностей и ошибок.

В третьей главе исследована математическая модель процессов возникновения литосферных УНЧ геомагнитных вариаций, связанных с землетрясениями

Участок земной поверхности, электромагнитное излучение которого моделируется, берется в форме параллелепипеда, как это представлено на рис. 1.

 Рис 1. Схема процессов генерации-5

Рис 1. Схема процессов генерации литосферных УНЧ геомагнитных вариаций.

Задаются координаты точки наблюдения (той точки, в которой мы хотим наблюдать излучение), обозначаемые в дальнейшем как (X,Y,Z). Сам параллелепипед разбивается на параллелепипеды меньшего размера, каждый из которых считается в дальнейшем потенциальным источником излучения. Задается также некоторый период времени, в течение которого продолжается тектонический процесс, служащий первопричиной электромагнитного излучения. Этот период разбивается на две части:

  • Первая часть (1), в которой происходит нарастание плотности излучения.
  • Вторая часть (2), в которой происходит снижение плотности излучения.

Плотности временных отметок в точке пересечения первой и второй частей совпадают. При этом спад плотности излучения происходит значительно быстрее, чем возрастание.

Вертикальная составляющая BZ характеризует составляющую магнитного поля, перпендикулярную земной поверхности и направленную вниз, а BG - характеризует составляющую магнит­ного поля, лежащую в плоскости земной поверхности.

Горизонтальная составляющая BG в свою очередь раскладывается на компоненты по широте и по долготе BH и BD.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.