Методы проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Сарычев, Дмитрий Юрьевич

• Сарычев, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сарычев, Дмитрий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и задачи автоматизированного прогнозирования землетрясений

1.1 Обзор существующих комплексов прогнозирования сильных землетрясений

1.2 Анализ различных типов краткосрочных предвестников землетрясений

1.3 Выводы

ГЛАВА 2. Методы проектирования систем сбора и обработки геофизической информации

2.1 Структура автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

2.2 Параметры,.определяющие подсистемы комплекса сбора и обработки геофизической информации

2.3 Разработка проектной процедуры

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. Разработка и анализ алгоритма вычисления векторов градиента и фазовой скорости распространения УНЧ электромагнитных возмущений на основании фазово-градиентного метода

3.1 Описание фазово-градиентного метода

3.2 Общий алгоритм обработки данных

3.3 Алгоритм вычисления периода э/м волны

3.4 Алгоритм вычисления векторов градиента и фазовой скорости

3.5 Алгоритм вычисления разницы времен прихода фронта электромагнитных возмущений на станции магнитного градиентометра

3.6 Алгоритм вычисления коэффициента корреляции данных

3.7 Выводы

ГЛАВА 4. Проектирование, реализация и тестирование программного обеспечения автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации

4.1 Проектирование программного обеспечения системы

4.2 Разработка программного обеспечения

4.3 Интерфейс программного обеспечения системы

4.4 Формат файлов входа и выхода

4.5 Тестирование программного обеспечения системы

4.6 Метод определения координат будущего землетрясения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации»

Актуальность работы.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) на текущий момент используются практически во всех сферах деятельности человека -в машиностроении, энергетике, электронике, архитектурно-строительной отрасли, строительстве дорог, медицине и даже правовой деятельности. В одних областях САПР уже имеют широкое распространение и успешно применяются, а в других их использование только начинается.

Одной из таких областей, где САПР еще не достаточно широко используются, является проектирование систем сбора и обработки геофизической информации. Одна из важнейших задач, которая может быть решена подобными системами - это прогнозирование землетрясений. А ведь каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них - разрушительные, несущие гибель людям и целым городам. Среди самых страшных землетрясений-предыдущего XX века - землетрясение в Китае в 1920 году, унесшее жизни более 200 тысяч людей, и в Японии в 1923 году, во время которого погибли более 100 тысяч человек. Научно-технический прогресс оказался бессилен перед грозной стихией. И спустя более чем пятьдесят лет во время землетрясений продолжают гибнуть сотни тысяч людей: в 1976 году во время Тянь-Шаньского землетрясения погибли 250 тысяч человек. Затем были страшные землетрясения в Италии, Японии, Иране, США (в Калифорнии) и у нас - на территории бывшего СССР: в 1989 году в Спитаке и в 1995 году в Нефтегорске. Совсем недавно - в11999 году стихия настигла и погребла под обломками собственных домов около 100 тысяч человек во время трех страшных землетрясений в Турции.

Причина малого использования САПР в такой важной области заключается в том, что различные возможности и границы применения вычислительной техники для автоматизации проектирования определяются уровнем формализации научно-технических знаний в конкретной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации процесса их проектирования. А до недавнего времени не существовало теоретических методов, позволяющих сделать краткосрочный прогноз землетрясения, который бы с высокой долей вероятности реализовывался, а, следовательно, не существовало математического обеспечения САПР для систем, позволяющих делать такой прогноз.

Прогноз землетрясений - это вероятностная характеристика места, времени и силы сейсмического события. В мировой практике различают следующие виды прогноза - долгосрочный (годы - несколько десятков лет), среднесрочный (месяцы - годы), краткосрочный (дни - недели) и оперативный (минуты - чась*). На данный момент достаточно высокая вероятность реализации достигнута только для долгосрочных и среднесрочных прогнозов. То есть для определенной местности можно сказать, что землетрясение произойдет с большой долей вероятности с временной точностью в несколько лет. Краткосрочные же прогнозы пока имеют небольшую вероятность реализации.

В последние 10 — 15 лет интенсивно изучаются УНЧ электромагнитные возмущения, связанные с процессами подготовки сильных землетрясений. Исследования особенностей поведения градиентов и фазовых скоростей УНЧ вариаций в сейсмоактивных зонах показали, что задолго до первого форшока, при помощи магнитных градиентометров (три трехкомпонентные магнитовариационные станции, установленные треугольником на расстоянии нескольких километров друг от друга) можно на большом расстоянии (до нескольких сотен километров) определять локальные области аномальной проводимости в земной коре, которые приурочены к очагу- предстоящего сильного землетрясения. Поэтому ] фазово-градиентные методы исследования УНЧ электромагнитных предвестников могут быть положены в основу краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений.

Таким образом, задача проектирования и реализации автоматизированной системы обнаружения краткосрочных предвестников сильных землетрясений является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью данной работы является разработка методов автоматизированного проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информации.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Анализ состояния современных систем сбора и обработки геофизической информации на предмет выявления преимуществ и недостатков существующих систем.

• Разработка математического и программного обеспечения системы автоматизации проектирования комплекса оборудования, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

• Разработка проектной процедуры системы автоматизации проектирования программного обеспечения комплекса, предназначенного для сбора и обработки геофизической информации.

Методы исследования.

В ходе работы над диссертацией использовались: методы теории автоматизированного проектирования, математический аппарат теории обработки сигналов, математической статистики, вычислительной геометрии, вычислительной математики, математического программирования, теории алгоритмов и дискретной математики.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрируется 17-ю рисунками, 2-мя таблицами, и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 82 наименования.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Сарычев, Дмитрий Юрьевич

4.7 ВЫВОДЫ

В данной главе описано проектирование, разработка и тестирование программного обеспечения автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Проведено описание интерфейса разработанного программного обеспечения, форматов входных и выходных файлов, способов использования разработанной библиотеки, реализующей фазово-градиентный метод.

Далее описан процесс тестирования разработанного программного обеспечения и его результаты.

Всё это позволяет сделать вывод о том, что данное программное обеспечение может использоваться в составе автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Так же приводится метод вычисления координат будущего землетрясения, по выходным данным разработанного ПО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализированы современные системы краткосрочного прогнозирования сильных землетрясений.

Разработаны методы проектирования ПО автоматизированной системы краткосрочного прогноза сильных землетрясений;

Разработаны автоматизированные методы сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений.

Разработан и реализован алгоритм определения векторов градиентов и фазовых скоростей распространения УНЧ электромагнитных возмущений вдоль земной поверхности.

Спроектировано, разработано и протестировано ПО автоматизированной системы краткосрочного прогнозирования сильных землетрясений

Разработаны автоматизированные методы определения района прогнозируемого землетрясения по результатам работы ПО.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сарычев, Дмитрий Юрьевич, 2008 год

1. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Серия: Библиотека программиста. СПб.: Изд-во Питер, 2007 г. 366 с.

2. Грекул В., Денищенко Г., Коровкина Н. Проектирование информационных систем. Курс лекций. Учебное пособие. — М.: Изд-во "Интернет-университет информационных технологий", 2005 г. 304 с.

3. Дзюба Д.В., Крылов С.С. Автоматизированное моделирование программных систем. М.: Изд-во Высшая школа, 2003 г. 96 с.

4. Исмагилов B.C., Першаков Л.А. К вопросу об измерениях градиентов геомагнитных пульсаций. В кн.: "Хранение и обработка экспериментальных данных. Математическое модлирование. Апатиты, ПГИ, 1992, с.114-119.

5. Исмагилов B.C., Першаков Л.А. Моделирование пульсаций типа Рс4. В кн.: "Хранение и обработка экспериментальных данных. Математическое модлирование. Апатиты, ПГИ, 1992, с. 107-113.

6. Касахара К. Механика землетрясений. М: Мир, 1985. 246 стр.

7. Ковтун A.A. «Использование естественного электромагнитного поля при изучении электропроводности Земли». Изд. Ленгосуниверситета, Ленинград, 1980, 195 с.

8. Копытенко Ю.А., Исмагилов B.C., Копытенко Е.А., Воронов П.М., Зайцев Д.Б. Магнитная локация источников геомагнитных возмущений. ДАН, серия "Геофизика", 2000, т.371, № 5, с. 685-687.

9. Копытенко Ю.А., Распопов О.М., Троицкая В.А., Шлиш Р. Некоторые результаты анализа устойчивых геомагнитных пульсаций типа Рс4 на сети станций.- Геомагнетизм и Аэрономия, 1972, т.12, №4, с. 720-726.

10. Ларман К. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. Введение в объектно-ориентированный анализ, проектирование и итеративную разработку. М.: Изд-во Вильяме, 2007 г. 736 с.

11. Леоненков А. В. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с использованием UML и IBM Rational Rose. Серия: Основы информационных технологий. М.: Изд-во Бином. Лаборатория знаний, 2006 г. 320 с.

12. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Изд-во Питер, 2004 г. 560 с.

13. Николаев C.B. Проектирование программного обеспечения: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002 г. 146 с.

14. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. Учебник. Серия: Информатика в техническом университете. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г. 336 с.

15. Пархоменко А.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и температурах. JL, 1972, 279 с.

16. Петросян Г. Тестирование и прогноз землетрясений. — Ер.: Авторское издание, 2004. 160 стр.

17. Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Часть II. Короткопериодические колебания геомагнитного поля. JL, Изд.Ленингр. Ун-та, 1976, 271с.

18. Путилин А. Б., Юрагов Е. А. Компонентное моделирование и программирование на языке UML. Практическое руководство по проектированию- информационно-измерительных систем. Серия: Проектирование и моделирование. -М.: Изд-во: HT Пресс, 2005 г. 664 с.

19. Рокитянский И.И. «Исследование аномалий электропроводности методом магнитного профилирования». Изд. «Наукова думка», Киев, 1975, 280 с.

20. Семенов A.A. Теория электромагнитных волн. Изд. Московского университета, Москва, 1968, стр.129.

21. Сорокин В.М., Чмырев. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф. Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т. 42, №6, с. 821-830.

22. Троицкая В.А. Короткопериодные возмущения электромагнитного поля Земли.- В кн.: Вопросы изучения переменных электромагнитных полей в Земле. М., 1956, с.27-61.

23. Bernardi A., Fraser-Smith A.C., McGill P.R., Villard O.G. ULF magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake. Phys. Earth Planet. Interiors 68, p.45-63, 1991.

24. Birch F. Density and composition of mantle and core. J. Geophys. Res., 69, p.4377-43 88, 1964.

25. Bott M. The interior of the Earth. Edward Arnold, London, 375 p., 1971.

26. Bullard E.C. Electromagnetic inducton in the Earth. Q. J. Roj. Astron. Soc., 8, 143-160, 1967.

27. Chinese State Seismological Bureau. "1976 Tangshan Earthquake". Earthquake Publishing House, Beijing, 1982.

28. Cress G.O., Brady B.T., Rowell G.A. Sources of electromagnetic radiation from fracture of rock samples in laboratory. Geophys. Res. Lett., 14, p.331-334, 1987.

29. Dosso H.W. A review of analog model studies of the coast effect. Phys. Earth Planet. Inter., V.7, p. 294-302, 1973.

30. Enomoto J., Akai M., Hashimoto H., Mori S., Asabe Y. Exoelectron emission possibly related to geo-electromagnetic activities microscopic aspect in geotribology. Wear 168, p.135-145, 1993.

31. Enomoto J., Hashimoto H. Emissions of charged particles from indentation fracture of rocks. Nature, 346, p.641-643, 1990.

32. Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman lectures on physics. Addison-Wesley Pub. Co., London, 1964.

33. Fraser-Smith A.C., Bernardy A., McGill P.R., Ladd M.E., Helliwell R.A. and Villard O.G., Jr. Low frequency magnetic field measurements near the epicenter of the Loma-Prieta earthquake. Geophys. Res. Lett., 1990, 17, p. 1465-1468.

34. Gershenson N.I., Gohberg M.B., Karakin A.V., Petviashvili N.V., Rykunov A.L. Modelling of connection between earthquake preparation process and crustal electromagnetic emission. Phys. Earth Planet. Interiter., 57, p. 128138, 1989.

35. Goto T.-N., Sayanagi K., Mikada H. Calibration and running test of torsion magnetometer made in Russia. Rep. Of Japan Marin Sci. and Tech. Center (JAMSTEC), 45 (March, 2002), 41-53, 2002.

36. Hayakava M., Kawate R., Molchanov O.A., Yumoto K. Results of Ultra-low- frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993. Geophys. Res. Lett., 1996, N23, p.241-244.

37. Hayakawa M, Kawate R., Molchanov O.A. Ultra Low - Frequency Signatures of the Guam Earthquake on 8 August 1993 and Their Implication. J. Atm. Electr., 1996, v.16, No 3, p.193-198.

38. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A. Sources of geomagnetic variations located near plasmapause. "Physics of Auroral Phenomena", preprint PGI 0101-109, 2001, p.42.

39. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A. ULF electromagnetic emissions connected with under sea bottom earthquakes. "Physics of Auroral Phenomena", preprint PGI 01-01-109, 2001, p.42.

40. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Hayakawa M. Variations of phase velocity and gradient values of ULF geomagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes. Nat. Hazards and Earth Sys. Sci. v.20, p.1-5, 2002.

41. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Voronov P.M., Molchanov O.A., Hayakawa M. ULF magnetic emissions connected with under sea bottom earthquakes. News Letter, EGS, report at XXVI General Assembly, France, N78,2001,p.281.

42. Ismaguilov V.S., Kopytenko Yu.A., Hattori K., Voronov P.M., Molchanov O.A., Hayakawa M. ULF Magnetic Emissions Connected with Under Sea Bottom Earthquakes. Natural Hazards and Earth Sys. Sci., v.l, p. 1-9, 2001.

43. Jeffreys H., Swirles B. Methods of mathematical physics. Third Edition, Cambridge Univ. Press, Cambridge, p. 157, 1966.

44. Kawasumi H. Proofs of 69 years periodicity and expectancy of destructive earthquake in southern Kwanto district and problems in the countermeasures thereof. Chigaku Zasshi, 76, 115-138.

45. Kawate R., Molchanov O.A., Hayakawa M. Ultra low - frequency magnetic fields during the Guam earthquake of 8 August 1993 and their interpretation. Phys. Earth Planet. Interiors 105, p.229-238, 1998.

46. Klejmenova N.G., Kozireva O.V., Shott J.-J., Bitterly M. Some features of structures of geomagnetic pulsations of ipcl type at coast high latitude observatories. Geomag. And Aeronomy, V. 40, N 6, p. 33-37, 2000.

47. Kopytenko Y., Ismagilov V., Hayakawa M., Smirnova N., Troyan V., Peterson T. Investigation of the ULF electromagnetic phenomena related to earthquakes: contemporary achievements and the perspectives. Annali di Geofisika, v.44, N.2, 2001, p.325-334.

48. Kopytenko Yu.A., Zaitsev D.B., Kopytenko E.A., Voronov P.M., Amosov L.G, Timoshenkov Yu.P. «Magneto-Variation Complex MVC-1DG». Proceedings of the 1st International Conference on Marine Electromagnetics «Marelec-97», 23-25 June 1997, p.PIO, London, UK.

49. Mansurov S.M. About some peculiarities of the magnetic field in region of south-polar observatory Mirny. Magneto-ionospheric disturbances, (in Russian), N 1, p. 64-66, 1959.

50. Mazzella A., Morrison H.F. Electrical resistivity variations associated with earthquakes on the San Andreas fault. Science 185, p.855-857, 1974.

51. Menville M., Rossignol J.C., Tarits P. The coast effect in terms of deviated electric currents: a numerical study. Phys. Earth Planet. Inter., V.28, p. 118128, 1982.

52. Mogi K. Earthquake predictions. Academic Press Japan, 1985, 166 p.

53. Mogi K. Study of elastic shocks caused by the fracture of heterogeneous materials and their relation to earthquake phenomena. Bull. Earthquake Res. Inst., Univ. Tokyo, 40, p. 125-173, 1962.

54. Molchanov O.A. On penetration of electromagnetic fields from seismic sources in upper atmosphere of the Earth. Preprint N 56 (810), Moscow, IZMIRAN, 1988, 37 p.

55. Molchanov O.A. Penetration of electromagnetic fields from seismic sources in upper ionosphere of the Earth. Geomagnetism and Aeronomy, v.31, N 1, 1991, p. 121-128.

56. Molchanov O.A., Hayakava M. On the generation of ULF seismogenic electromagnetic emissions. Phys. of the Earth and Planet. Interiors, 105, p.201-210, 1998.

57. Nitsan U., Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz-bearing rocks. Geophys. Res. Lett., 90, p.333-337, 1977.

58. Parkinson W.D. Conductivity anomalies in Australia and the ocean effect. J. Geomag. Geoelectr. V.15, N 4, p. 222-226, 1964.

59. Parkinson W.D., Jones F.W. The geomagnetic coast effect. J. Geomag. Geoelectr. V. 17, p. 1999-2015, 1979.

60. Rokitjansky I.I., Senko P.K., Mansurov S.M., Kalinin J.K., Fonarev J.A. The coast effect in the variations of the Earth's electromagnetic field. J. Geomag. Geoelectr. V.15, N 4, p. 271-274, 1964.

61. Saka O., Shimoizumi M., Sato N. Earth induction effect for Pc5 pulsations observed by unmanned magnetometer network near Syowa station, Antarktika. J. Geomag. Geoelectr. V. 94, p. 2684-2690, 1979.

62. Scholz C.H., Molnar P., Johnson T. Detailed studies of frictional sliding of granite and implications for earthquake mechanism. J. Geophys. Res., 77, p.6392-6406, 1972.

63. Semenov A.A. Theory of electromagnetic waves. Moscow Univ. Press (in Russian), Moscow, 316 p., 1968.

64. Senko P.K. The coast effect in the magnetic variations. Inform. Bulletin of Sov. Atark. Exped., (in Russian), V.4, p. 61-67, 1959.

65. Shott J.-J., Klejmenova N.G., Kozireva O.V., Bitterly M. The coast effect in geomagnetic pulsations at Antarctic observatory Dumond d'Yurville. Geomag. and Aeronomy, V. 42, N 1, p. 67-74, 2002.

66. Song Y., Kim H.J., Lee k.H. High-frequency electromagnetic impedance method for subsurface imaging. Geophysics, v.67, No.2 (March April), p.50

67. Vanjan L.L., Marderfeld B.E., Rodionov A.V. Regional and local coast effect in the geomagnetic variations at islands of the Far East. Rep. of Academy of Sci. of USSR, V.176, p. 820-821, 1967.

68. Warwick J.W., Stocker C., Meyer T.R., 1982, Radio emission associated with rock fracture: Possible application to the Great Chilean earthquake of May 22, 1960, J. Geophys. Res., 87, p.2851-2859, 1960.

69. Yu.A. Kopytenko, V.S. Ismaguilov, Algorithm of detection of signal from moving magnetic object. Proceedings of International Conference on Marine Electromagnetics, 'MARELEC-97', 1997, p. 15.