Ha rrpaBax pyKonHcH

Bnacos IOpHii AneKceesWI

Pa3pa6oTKa pacrrpe.neneHHoii TeJieMerpWiecKoii CHCTeMhl reoqmJWiecKoro

MOHHTOpHHra c nepe,naqeif,naHHDIX cKBaxrn:HHbiX Ha6mo.neHHii no CeTH GSM

Cne~HaJihHOCTb

05.12.13- CHcTeMhl, ceTH H ycT:poiicTBa TeneKOMMYHHK~ii

ABTOPEEPAT

.l{HCCepT~H Ha COHCKaHHe yqeHOH CTeneHH KaH.l{H,l{aTa TeXHWieCKHX HayK CaHKT-IIeTep6ypr 2014 Pa6oTa BhlllOJIHeHa B e,11;epa.TibHOM rocy,11;apcTBeHHoM 6JO.LPKeTHOM yqpe)l()l.eHHH Haym HHCTHTYT BYJIKaHOJIOrHH H ceiicMoJiorHH,[{aJihHeBoCToqHoro OTJJ:eJieHIDI PoccmicKoii aKa):{eMHH HaYK (r. TicrponaBJIOBCK-KaMqaTcmii) Hayq_HhiH PYKOBOJJ:HTeJib: ):{.T.H., npocpeccop IOpmi MaTBeeBHq Y CTHHOB HayqHhlii KOHCYJibTaHT: K.T.H.

BaJiepHH A.rreKCaH,1l;pOB~ raBpHJIOB OcpHU:Ha.JibHhle onnoHeHThl: KaHaeB AH,ll;Peii KoHCTaHTHHOBHq JJ:.T.H., lleTep6yprcmii rocyJJ:apcTBeHHhlH YHHBepcHTeT nYTeii coo6meHIDI 3aiin:eB A.rreKceii HBaHOBHq K.T.H., 000 HTITI «MAPHHEPYC»

BeJJ:ymaH opraHH3a.QIDI: l.{eH'Ipa.JibHbiH Hayq_HO-HCCJie):{OBaTeJibCKHH H npoeKTHO-KOHC'fPYKTOpCKHH HHCTHTYT MOpCKOrO cpJIOTa 3ai.QHTa COCTOHTC.SI 27 MaH 2014 r. B 15 qaCOB Ha 3aCe):{aHHH JJ:HccepTa.QHOHHoro coBeTa,[{223.009.06 npH IDOY BTIO «rocyJJ:apcTBeHHhiH YHHBepcHTeT MopcKoro H peqHoro JioTa HMeHH aJJ:MHpaJia C.O. MaKapoBa» no aJJ:pecy: r. CaHKT-lleTep6ypr, yJI.,[{BHHCKaH,,ll;OM 5/7 B 3aJie 3aceJJ:aHHH ):{HCCepTa.QHOHHOrO COBeTa (ay):{HTOpiDI 257) C JJ:HCcepTa.QHeJ.i MOiKHO 03HaKOMHThC.SI B 6H6JIHOTeKe IDOY BTIO «rocyJJ:apcTBeHHhiH YHHBepcHTeT MopcKoro H peqHoro cpJioTa HMeHH aJJ:MHpaJia C.O. MaKapoBa» (r. CaHKT-lleTep6ypr).

~ il »

ABropecpepaT pa3ocJiaH « 201fr.

YqeHhlH ceKpeTapb ):{HCCepTa.QHOHHOrO COBeTa, B.H. PSI6hlmKHH KaH):{H):{aTTeXH~eCKHXHaYK,JI:OUeHT

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность По уровню угрозы возникновения природных катастроф Камчатка относится к наиболее опасным регионам России. В первую очередь – это землетрясения, извержения вулканов и вызванные землетрясениями волны цунами.

По историческим данным с 1737 г. и до начала 20-го века на Камчатке происходили катастрофические землетрясения, которые вызывали сотрясения силой до 9 - 10 баллов по шкале MSK-64. Крупнейшие из них – это землетрясения 1737, 1792 и 1841 гг.

В 20-м веке масштаб событий известен уже по инструментальным данным. За этот срок на Камчатке произошло несколько сильнейших землетрясений. Сотрясения силой 8 баллов шкалы МSК-64 отмечались в Петропавловске-Камчатском 3 раза (1904, 1904, 1959 г). В 1959 г. 9- балльные толчки разрушили поселок Жупаново.

Свидетельством высокой сейсмической опасности территории Камчатки служат недавние события – землетрясение на территории северной части Камчатского края (20 апреля 2006 г., магнитуда 7,8) и его последующие толчки. В поселках Тиличики, Корф, Хаилино интенсивность сотрясений достигала 8 и более баллов по шкале МSК-64. Сотрясениям 6 и более баллов подверглись поселки Пахачи, Апука, Тымлат, Оклан, Ильпырский.

На Камчатке 29 действующих вулканов, среди которых вулкан Ключевской (4750 м) – самый высокий действующий вулкан Евразии.

Ежегодно в Камчатском крае происходит несколько извержений вулканов.

Катастрофические эксплозивные (взрывные) извержения вулканов происходили в 20 веке на Камчатке в 1907 г. (Ксудач), 1956 г. (Безымянный) и 1964 г. (Шивелуч), при каждом их них выбрасывалось от 0,7 до 2, кубических километров пепла и вулканических бомб, и полностью опустошались территории в сотни и тысячи кв. км.

Цунами, приводящие к затоплению и значительным разрушениям в прибрежной зоне, в подавляющем большинстве случаев вызываются сильными землетрясениями с М>7, происходящими под дном океанов или морей. Мощные цунами обрушивались на побережье Камчатки в 1923 г.

(2 раза (высота до 11 м), волны проникли в глубь побережья на 5 км, частично разрушив поселок Усть-Камчатск), 1959 г. (высота до 10 м), 1960 г.

(до 7 м), 1969 г. (до 10-15 м). В 1952 г. гигантское цунами (волны до 25 м) обрушилось на побережье юга Камчатки и островов Шумшу и Парамушир, погибло более 12 тысяч человек, был разрушен поселок Северо-Курильск.

Наиболее опасными и разрушительными являются локальные и региональные цунами, вызванные землетрясениями в ближней зоне, до 1000 км от угрожаемых населенных пунктов.

Безопасность населения и снижение экономических потерь от природных катастроф на угрожаемой территории определяются:

- перспективным планированием развития территории и рациональным землепользованием с учетом реальных опасностей;

- техногенной распределенной надежностью среды обитания, зависящей от сейсмостойкости зданий и сооружений;

- готовностью инфраструктуры населенных пунктов, служб и органов власти к стихийному бедствию.

Чтобы снизить опасность и уменьшить тяжелые последствия природных катастроф (гибель людей, разрушение инфраструктуры населенных пунктов и воинских частей, материальные потери) необходим постоянный мониторинг опасных природных явлений, накопление данных, научные исследования их природы, поиск средств снижения опасности.

Разработкой методик прогнозирования землетрясений и заключений о сейсмической обстановке на Камчатке занимается большой коллектив исследователей различных организаций (ИВиС ДВО РАН, КФ ГС РАН, ИКИР ДВО РАН, ОАО «Камчатгеология», КамГУ, ИФЗ РАН, КПЦ ИФЗ РАН, ФТИ РАН, Университет Хоккайдо, Университет Нагоя). Среди них такие исследователи как: к.ф.-м.н. И.Р. Абубакиров, д.ф.-м.н. В.В. Богданов, к.т.н. В.А. Гаврилов, д.ф.-м.н. И.А. Гарагаш, д.ф.-м.н. А.А. Гусев, к.ф.-м.н. Г.И. Дружин, д.ф.-м.н. А.Д. Завьялов, д.г.-м.н. Г.Н. Копылова, Н.М. Кравченко, к.ф.-м.н. А.Н. Кролевец, к.ф.-м.н. В.Е. Левин, д.ф.-м.н. Ю.Ф. Мороз, к.г.-м.н. Полетаев, д.г.-м.н. Е.А. Рогожин, к.г.-м.н. Г.В. Рябинин, к.ф.-м.н. Л.Б. Славина, Н.Н. Смолина, к.ф.-м.н. С.Э. Смирнов, член-корреспондент РАН Г.А. Соболев, к.ф.-м.н. Томилин, д.ф.-м.н. П.П. Фирстов, к.ф.-м.н. В.А. Широков, М. Касахара, Х. Такахаши, М. Ирван.

Создание сети с использованием средств телеметрии с общим центром сбора и обработки геофизических данных, формирующих базу данных для дальнейшей разработки алгоритмов поиска предвестниковых аномалий.

Разработка и создание телеметрической сети для формирования базы данных геофизических измерений для дальнейших поисков аналитиками предвестников землетрясений.

- определение структурных и функциональных технических решений при создании телеметрической сети;

- создание «интеллектуального» измерительного контроллера на основе серийно-выпускаемых микроконтроллеров;

- разработка алгоритма дистанционной перестройки параметров цифровых фильтров: Баттерворта, Чебышева и др. и передачи коэффициентов синтеза в измерительный контроллер;

- выбор и обоснование канала передачи данных;

- разработка алгоритма и программного обеспечения для приема и обработки данных в центре сбора и обработки.

В диссертационной работе использовался аппарат теории цифровых фильтров, цифровой обработки сигналов и теории передачи данных.

Для создания сети измерительных пунктов использовалась новейшая база аппаратурных средств, в том числе собственной разработки. При создании аппаратуры применялись современные микросхемы микроконтроллеров, АЦП, памяти и других узлов. Для программирования микроконтроллеров применялась среда разработки Code Vision AVR, а для разработки программного обеспечения для ЭВМ – Visual Studio 2008.

Разработана и создана действующая сеть измерительных пунктов на Камчатке для формирования базы данных геофизических аномалий. При создании сети использованы последние достижения в технологиях телекоммуникаций:

- реализовано аналого-цифровое преобразование результатов измерений на 24-разрядных АЦП;

- произведен синтез цифровых фильтров на цифровых сигнальных процессорах с амплитудно-частотной характеристикой, удовлетворяющей требованиям аналитиков. Среди возможных видов фильтров предложены фильтры Баттерворта с наименьшими искажениями спектра в полосе пропускания;

- разработана дистанционная перестройка вида и параметров цифровых фильтров;

- произведена статистическая обработка непрерывных измерений для уменьшения потока передаваемых данных;

- для повышения надежности радиосвязи предложена передача данных по GSM-каналу с применением модемов и антенн с высокой пространственной избирательностью;

- разработаны алгоритмы для автоматической обработки и передачи данных;

- на программы, используемые в центре сбора и обработки для обработки данных, получены три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ;

- предложен «энергетический приемник» в центре сбора и обработки для поиска оптимальных алгоритмов и анализа предвестников аномалий.

Научные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся:

- создание модели распределенной сети для передачи данных геофизических измерений по сети GSM;

- разработаны требования к алгоритму формирования и передачи коэффициентов для цифровых фильтров;

- разработаны требования к алгоритму передачи массива данных в центр сбора и обработки данных;

- разработаны требования к алгоритму автоматизированного приема многопараметрических данных в центре сбора и обработки данных;

- разработаны требования к алгоритму просмотра принятых геофизических данных в графическом виде.

Практическую ценность составляют:

- реализация различных типов цифровых фильтров с возможностью дистанционной перестройки их характеристик;

- глубокое подавление промышленной частоты 50Гц;

- передача массива данных в центр сбора и обработки по запросу;

- прием данных и их графическое отображение;

- создание инструмента, позволяющего в дальнейшем на основе сформированной базы данных разработать алгоритм поиска предвестниковых аномалий;

- имеется акт внедрения в ИВиС научных результатов диссертационной работы.

Телеметрическая сеть включает в себя четыре постоянных измерительных пункта с организацией непрерывных измерений. Рассмотрена возможность организации временных пунктов.

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных мероприятиях:

- научно-техническая конференция «Проблемы геофизического мониторинга Дальнего Востока России», г. Петропавловск-Камчатский, 11ноября 2007 г.

- научная конференция «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном Регионе», посвященная 65-летию Института морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск, 26- сентября 2011 г.

- IX Региональная молодежная научная конференция «Исследования в области наук о Земле, г. Петропавловск-Камчатский», 2 декабря 2011 г.

Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований:

06-05-64925-а (2006-2008 гг.), 06-05-96071-р_восток_а (2006 - 2008 гг.), 09-05-98543-р_восток_а (2009 – 2010 гг.), 10-05-00231-а (2010 - 2012 ), 12-05-00670-а (2012 гг.);

Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов Дальневосточного отделения Российской академии наук: 06-III-А-08- (2006 - 2008 гг), 09-III-А-08-420 (2009 – 2011 гг.), №11-III-В-01И-014 (2011г.), 12-III-А-08-167 (2012 г.), №12-III-В-08-173 (2012г.).

Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритмов, создании и практической реализации аппаратных и программных средств.

Автор благодарен д.ф.-м.н. П.П. Фирстову, д.т.н. Г.А. Пюкке, к.т.н. М.А. Магуськину, О.В. Федористову, В.П. Денисенко, Е.В. Полтавцевой, Ю.Ю. Бусс, Ю.В. Морозовой за помощь и поддержку.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, с общим объемом 128 страниц, содержит 38 рисунков, 5 таблиц и 2 приложения.

Список литературы включает 91 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приводится краткое содержание. Показана актуальность работы, цели исследования, задачи исследования, методы исследования, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, практическая ценность, реализация результатов и апробация.

Первая глава посвящена обзору существующих различных систем мониторинга, таких как мониторинг целостности трубопроводов, метеорологический мониторинг, мониторинг местоположения судов и сейсмический (геофизический) мониторинг. Проведен обзор 9 отечественных и зарубежных систем мониторинга. Любая система состоит из трех основных частей: измерительных пунктов, систем передачи данных измерений и центра мониторинга.

Вторая глава. Предложенная в рассматриваемой диссертации телеметрическая сеть включает в себя четыре постояннодействующих измерительных пункта комплексного геофизического скважинного мониторинга (рисунок 1) с организацией непрерывных геоакустических (12 каналов) и электромагнитных (4 канала) наблюдений - это пункт Г-1 в г. Петропавловске-Камчатском, а также пункты Р-2, Е-1 и К-33, расположенные в Елизовском районе. Кроме того, на пунктах Г-1 и Р- дополнительно ведутся измерения столба плотности и температуры воды в скважинах.

Рисунок 1. Карта расположения сети пунктов скважинных наблюдений Геоакустические измерения производятся по трем ортогональным осям. Датчики установлены в герметизированных гильзах. Результаты измерений частотного спектра по каждой оси поступают на полосовые аналоговые фильтры для выделения четырех полос частот.

Центральные частоты полос отличаются друг от друга на треть октавы.

Используется не весь спектр, а его низкочастотная часть от 20 до 1500 Гц.

Соответственно получается четыре полосы частот: 26…34 Гц, 140…180 Гц, 495…635 Гц и 1050…1350 Гц. В дополнение к фильтрации используется осреднение данных, что позволяет значительно сократить объем передаваемой информации. Информацию о предвестниках аномалий несет огибающая, формируемая осредненными значениями выделенных частот.

Данный метод был предложен А.С. Беляковым (ОИФЗ, г. Москва). Таким образом, на выходе геоакустического датчика формируется 12 разных сигналов.

В дальнейшем метод А.С. Белякова был развит В.А Гавриловым (ИВиС ДВО РАН г. Петропавловск-Камчатский). Выяснилось, путем экспериментальных исследований, что только определенные полосы частот являются наиболее информативными. Эти полосы частот располагаются в полосах 0…10000 Гц или 100…10000 Гц. В этих полосах может располагаться ряд наиболее информативных дискретных частот. В ИВиС ДВО РАН специалистами по геофизике непрерывно продолжаются исследования по поиску наиболее информативных для поиска предвестников аномалий частот спектров сигналов различных видов датчиков. С учетом этих исследований в состав системы фильтров на выходе АЦП должны быть включены различные виды фильтров.

На рисунке 2 показана обобщенная модель обработки сигналов на измерительном пункте при цифровой обработке сигналов. На рисунке изображена структурная схема аппаратуры измерительного пункта при использовании цифровой фильтрации. Устройство датчиков при использовании цифровой фильтрации аналогичное устройству датчиков при использовании аналоговой фильтрации. В самой скважине установлены только датчики. Аккумуляторы (батареи химических элементов), измерительные контроллеры, блоки фильтров располагаются в защитном бункере. Антенны устанавливаются на крыше защитного бункера.

Рисунок 2. Обобщенная модель обработки сигналов на измерительном пункте при Модель с цифровой фильтрацией и ее аппаратурная реализация имеет ряд преимуществ: возможность микроминиатюризации, меньшая потребляемая мощность, высокая надежность, возможность дистанционной перестройки.

Рисунок 3. Структурная схема измерительного пункта при цифровой обработке сигналов В дальнейшем рассматривается построение пункта на основе цифровой фильтрации.

Основными элементами системы являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровые фильтры.

По критерию «разрядность-частота дискретизации» (рисунок 4) в работе сравниваются различные типы АЦП: параллельные, сигма-дельта и интегрирующие. Оптимальным для применения в системе обработки данных измерительного пункта является сигма-дельта АЦП.

Измерения на выходе датчиков производятся с высокой точностью:

- для геоакустических и электромагнитных датчиков используются 16разрядные АЦП с частотой дискретизации 62,5 кГц;

- для датчиков плотности и температуры столба воды используются 24разрядные АЦП с частотой дискретизации 1 Гц.

На выходе акустических и электромагнитных датчиков должна использоваться система фильтров. Частотные характеристики фильтров для наилучшего поиска предвестниковых аномалий не определены. Поэтому предусмотрено использование различных видов характеристик фильтров.

Параметры цифрового фильтра могут быть заданы путем программирования:

частота среза ФНЧ, частота среза ФВЧ, частота режекции, полоса пропускания, интерполяция, децимация, частота дискретизации.

В цифровом фильтре возможна реализация 9 типов программных фильтров: Кайзера, прямоугольного, Хемминга, Блекмана, ВонХанна, эллиптического, Чебышева I рода, Чебышева II рода, Баттерворта.

Рисунок 4. Максимальные разрядности различных типов АЦП в зависимости от частоты Для реализации цифровой фильтрации используется формула (1) для применения фильтров с конечной импульсной характеристикой и формула (2) для применения фильтров с бесконечной импульсной характеристикой:

где ak и bk - коэффициенты фильтра.

Система сохранения данных предназначена для многоканальной записи данных с последующей передачей их в центр сбора и обработки.

Во внутренней памяти для каждого канала выделяется определенный объем, который можно посчитать по формуле (3):

где ОПК – объем выделяемой памяти для одного канала, len _ seq – количество измерений, type _ data – количество байт на одно измерение.

Количество измерений можно определить по формуле (4):

где SYSTEM – объем памяти, выделяемый для системных нужд, а summ _ len - суммарный объем памяти, выделяемый для единичного измерения измерительных каналов можно найти по формуле (5):

где lench2 - количество каналов с двухбайтными измерениями, а lench3 – количество каналов с трехбайтными измерениями.

Для цифровой обработки сигналов используется предложенный алгоритм обработки данных (рисунок 5). Сначала из центра сбора принимаются параметры и настройки необходимого фильтра. Включается режим преобразования. После начинается цикл, в котором проверяется наличие сигнала завершения преобразования. Если сигнал не установлен, производится его проверка до установки. По установлению сигнала завершения преобразования осуществляется перенос данных в управляющий микроконтроллер, при необходимости данные сохраняются на флэш-карте без усреднения. Далее производится усреднение за одну секунду. Затем данные поступают в систему сохранения данных, где цикл повторяется до тех пор, пока не потребуется изменить параметры и настройки фильтра.

Для сохранения данных используется соответствующий алгоритм (рисунок 6). Сначала производится настройка GSM-модема в режим приема-передачи данных. После запускается цикл записи данных. По очереди считываются цифровые значения сигналов, поступающих из систем обработки. После данные сохраняются в двух типах флэш-памяти: во внутреннюю объемом 8 МБ и внешнюю объемом до 32 ГБ. При запросе из центра сбора и обработки происходит выход из цикла и передача данных в GSM-модем для дальнейшей передачи в центр сбора и обработки. Затем принимаются коэффициенты параметров и настроек цифровых фильтров, они передаются в системы обработки, после чего устанавливается время и производится запуск новых измерений.

В третьей главе проводится сравнение различных видов связи, таких как: спутниковая, оптоволоконная, через коаксиальный кабель, радиорелейная и GSM. Сравниваются и анализируются технические возможности и стоимость услуг провайдеров сотовой связи стандарта GSM.

Проводится сравнение модулей, модемов и антенн для передачи данных по GSM-сети. Показан принцип организации передачи имеющихся данных.

Оптоволоконная связь имеет ряд преимуществ. Передаваемый сигнал не искажается исходящими извне электромагнитными и радиочастотными помехами, поэтому оптический кабель абсолютно невосприимчив к воздействию высокого напряжения, или грозовым разрядам. Кроме того, в оптоволоконных кабелях отсутствует электромагнитное излучение, что идеально соответствует строгим стандартам, предъявляемым сегодня к телевизионным и компьютерным прикладным системам. Благодаря тому, что оптические сигналы не требуют заземления, передатчик и приемник изолированы и, следовательно, свободны от проблем, связанных с организацией заземляющего контура. Несмотря на ряд преимуществ, оптоволокно имеет недостатки: высокая сложность монтажа, как правило, используется для передачи данных только в одном направлении, низкая прочность, чувствительность к механическим воздействиям, необходимость прокладки кабеля.

Достоинства радиорелейной связи: возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных, возможность обеспечения двухсторонней связи, практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех, узконаправленность излучения антенных устройств. К недостаткам можно отнести следующее: необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций, необходимость использования высокоподнятых антенн, использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, громоздкость аппаратуры, сложность в строительстве в труднодоступной местности.

Наиболее подходящей системой связи для передачи данных скважинных наблюдений является GSM-связь. Преимущества: дешевое оборудование, быстрое подключение, простота настройки, низкое потребление энергии оборудованием, большая зона охвата позволяют легко организовывать передачу данных. Главный недостаток – это необходимость нахождения в зоне покрытия сети.

Для передачи измерений из сети измерительных пунктов обоснованы использования GSM-канала с использованием трех провайдеров: ОАО «Ростелеком», ОАО «МТС», ОАО «Мегафон».

Выбор провайдера обусловлен существующей зоной покрытия (рисунок 7). На данный момент передача данных из измерительного пункта Г-1 осуществляется через ОАО «Ростелеком», из измерительного пункта Р- – через ОАО «МТС», из измерительных пунктов Е-1 и К-33 – через ОАО «Мегафон».

Рисунок 7. Зоны покрытия GSM-связи разными провайдерами. В таблице приведены Система передачи по GSM-каналу обеспечивает высокую достоверность и низкую стоимость. Стоимость трафика системы мониторинга за одни сутки из четырех измерительных пунктов составляет около 40 рублей с учетом двухсторонней связи.

Для данной сети базовых станций максимальное удаление от центра сбора и обработки до измерительного пункта не превышает 35 км. Для передачи данных используется скорость 9600 бит/с.

Передача накопленных данных с измерительного пункта в центр сбора и обработки:

где КД — количество данных, ОБi — объем i-го блока буфера, N — количество блоков буфера для передачи данных.

Время передачи данных можно найти по формуле (7):

где t дан — время передачи данных, t нс — время нагрузки на сеть, t зу — время законченности услуги, t кач — время качества услуги.

Для передачи одного блока потребуется время:

Общее время для передачи накопленных данных получится:

Экспериментально полученная зависимость:

Если передача данных длится более 30 минут, то добавляется время на набор номера, которое составляет 30 с:

Если потребуется изменить параметры цифровых фильтров, то добавится время на передачу коэффициентов цифровых фильтров и формула (11) примет вид:

где M — количество блоков данных для передачи коэффициентов цифровых фильтров.

Время использования канала с учетом передачи данных и передачи коэффициентов цифровых фильтров для нескольких пунктов получится:

где L — количество измерительных пунктов.

Данные передаются один раз в сутки, но при необходимости по запросу могут быть переданы в любое время. Для передачи суточного массива данных с четырех измерительных пунктов в центр сбора и обработки необходимо передать до 1,7 МБ, для чего потребуется около 120 мин.

Некоторые пункты находятся на значительном расстоянии от ретрансляционных станций и для обеспечения качественной связи применяются антенны с узкой диаграммой направленности. Антенна типа «Волновой канал» позволяет решить проблему потери мощности, но у нее есть недостаток – большие габариты. Наиболее подходящим решением этой проблемы является использование направленных антенн AKL- производства компании ООО «АКЛ-БЕСТ». Антенна имеет узкую диаграмму направленности (ДН), что позволяет достичь коэффициента усиления до 20,5 дБ. Ширина ДН в Н-плоскости (горизонтальная) 30°, в Е-плоскости (вертикальная) 21° (рисунок 8).

Рисунок 8. Диаграмма направленности антенны AKL-900 в горизонтальной плоскости Четвертая глава Для работы с измерительными пунктами разработано автором программное обеспечение (ПО) d_filtr. Данное ПО позволяет осуществлять:

прием данных с измерительных пунктов, передачу характеристик и настроек цифровых фильтров, передачу текущего системного времени на измерительный пункт, просмотр текущих измерений.

Для приема данных с пункта и формирования базы данных в центре сбора и обработки используется алгоритм, изображенный на рисунке 9.

Сначала оператор выбирает пункт, с которого необходимо принять данные.

Затем производится установление связи. При установке связи осуществляется прием данных, которые сохраняются в файлах в двоичном виде. После связь с пунктом разрывается и формируется многоуровневая база данных. Первый уровень создается из поступивших данных путем дописывания файлов базы данных. Второй уровень формируется из первого уровня: из 40 значений первого уровня выбирается начальное, максимальное, минимальное и конечное значения. Полученные четыре значения записываются во второй уровень, остальные три уровня формируются аналогичным образом. Общее увеличение объема массива данных возрастает примерно на 11%.

Рисунок 9. Алгоритм приема данных в центре сбора и обработки Для изменения настроек цифровых фильтров, используемых на пунктах, применяется следующий алгоритм (рисунок 10). Сначала выбирается тип фильтра и его частотная спецификация при помощи ПО Systolix Pulse DSP Filter Wizard For AD7725. После создается конфигурационный файл. Далее программой d_filtr конфигурационный файл преобразуется в двоичный массив данных и по GSM-каналу передается в измерительный пункт, где производится инициализация блока цифрового фильтра. Далее массив данных параметров и настроек фильтров передается в систему обработки данных (блок выбранного цифрового фильтра).

Рисунок 10. Алгоритм дистанционной настройки цифровых фильтров в измерительном Существует много видов ПО, которое позволяет просматривать геофизические данные и вести базу данных, например, ABD (А.В.Дещеревский, В.И.Журавлев, ИФЗ РАН, г. Москва), WinPos (НПП «Мера», г. Королев), однако, это ПО имеет ряд недостатков. Для устранения этих недостатков разработан программный продукт geoprocess. На рисунках 12 и 13 показано главное окно программы geoprocess, для разных реализаций исследуемых рядов измерений.

При построении отображаемого графика для расчета координаты y (t ) используется формула:

где max_ val _ i – является максимальным значением отображаемой пропорциональности koeff рассчитывается по формуле:

rect _ window.Height – высота пользовательского окна, значение bound – разность между максимальным и минимальным значениями из отображаемой части ряда. Вне зависимости от разрешения экрана и размерности пользовательского экрана график будет отображаться корректно.

Для просмотра многоуровневой базы данных используется следующий алгоритм (рисунок 11). Оператор выбирает ряд и задает интервал отображения. Программа рассчитывает количество отображаемых выборок и находит оптимальный уровень базы данных. Далее данные выводятся на экран. Если пользователь изменяет интервал отображения, программа возвращается к расчету количества отображаемых точек и так, пока пользователь не завершит работу с программой.

Рисунок 11. Алгоритм просмотра многоуровневой базы данных Для удобства пользователей есть возможность копирования файлов рядов и последующего автоматического определения рядов базы, т.к.

информация по каждому каналу в базе данных хранится отдельно и состоит из файла-описателя и файлов ряда. Данное ПО позволяет работать не только с базой данных рядов локального компьютера, но и по сети. Исходные файлы объемом более 4 ГБ могут быть прочитаны и внесены в базу. Файлы базы данных ряда имеют емкость менее 4 ГБ, что позволяет хранить её на дисках с файловой системой FAT32.

Анализ результатов, полученных из сети измерительных пунктов, в дальнейшем позволит определить характеристики предвестника аномалий.

Экспериментально выявлено, что наблюдается изменение уровня огибающей напряжения измеряемого сигнала с датчиков, прошедшего через систему фильтров. Сигнал представляет собой стохастический процесс изменения геофизического состояния земной коры. Далее приводится энергетический метод определения предвестника аномалии.

Измеряемый сигнал представляет собой квазистационарный процесс с дисперсией 2 на фоне квазистационарного случайного шума с дисперсией 2 - этот шум является естественным фоном, ш 1 – порог увеличится.

При уменьшении 2 вероятность пропуска уменьшается, а вероятность ложной тревоги возрастает.

Для увеличения вероятности обнаружения следует выбирать C > 1.

Если, например, C=1000, то порог 2 возрастает на величину При правильном выборе порога (1 ) >>. Критерий обнаружения предвестника аномалии по результатам не одной, а k выборок определяется с помощью биномиального распределения:

где – число зарегистрированных предвестников при k – выборок.

При k выборок вероятность правильного обнаружения предвестника аномалии определится в виде:

ложной тревоги в зависимости от, в) вероятность пропуска обнаружения пропадания суточного хода в зависимости от При наличии n датчиков:

где Pсовм - совместная вероятность обнаружения предвестника, P1, P2, P3,…, Pn - вероятности локального состояния земной коры на 1-ом, 2-ом,… n-ом датчике.

На основании созданной системы обеспечивается формирование базы данных комплексных геофизических измерений с целью поиска предвестниковых аномалий и изучения физики сильных землетрясений Южной Камчатки.

Измерения геоакустической и электромагнитной эмиссий с высокой точностью обеспечиваются:

- использованием 16-разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей с частотой дискретизации до 62,5кГц;

- использованием оптимальной фильтрации спектров измеряемых сигналов на основе цифровых фильтров с регулируемой частотой среза до 23кГц;

- реализацией цифровых фильтров с возможностью дистанционной перестройки характеристик фильтров.

Измерения плотности столба и температуры воды с высокой точностью обеспечиваются использованием 24-разрядных сигма-дельта аналогоцифровых преобразователей с частотой дискретизации 1 Гц.

Для автоматизации процесса формирования базы данных на измерительных пунктах скважин предложены и реализованы два алгоритма:

- алгоритм обработки данных;

- алгоритм сохранения данных.

С целью передачи и приема данных с измерительных пунктов в центр сбора и обработки используется GSM-канал связи, для этих целей был разработан и создан измерительный контроллер.

Разработано и реализовано программное обеспечение «d_filtr» для передачи параметров цифровой фильтрации и приема накопленных данных с измерительных пунктов в центр сбора и обработки. Для отображения данных разработано программное обеспечение geoprocess, на котором реализованы два алгоритма:

- алгоритм формирования многоуровневой базы данных;

- алгоритм просмотра многоуровневой базы данных.

Созданная сеть с использованием средств телеметрии на базе GSMканала связи позволила объединить 4 измерительных пункта в единую территориально распределенную информационно – измерительную сеть с общим центром сбора и обработки геофизических данных и создать базу данных геофизических измерений для дальнейшей разработки алгоритмов поиска предвестниковых аномалий.

Публикации, предусмотренные «Перечнем изданий ВАК»

1. Гаврилов В.А., Власов Ю.А, Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Яковлева Ю.Ю. Опыт комплексных скважинных геофизических наблюдений в целях мониторинга состояния геосреды // Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. Петропавловск-Камчатский. 2006. № 2. Вып. 8. С. 43-53.

2. Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Денисенко В.П., Федористов О.В..

Телеметрическая система сети комплексного геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. М.: ОИФЗ РАН, 2008. Вып. 44. С.33-38.

3. Е.В. Полтавцева, Ю.А. Власов, В.А. Гаврилов Исследование откликов на приливное воздействие в рядах скважинных геоакустических измерений// Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. ПетропавловскКамчатский. 2013. № 2. Вып. 22. С. 178-183.

Свидетельства регистрации программ ЭВМ 4. Власов Ю.А., Полтавцева Е.В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617176: «z220_winpos» // ФИПС 2 августа 2013 г.

5. Власов Ю.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617177: «simselect» // ФИПС 2 августа 2013 г.

6. Власов Ю.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618293: «age» // ФИПС 5 сентября 2013 г.

7. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Разработка и применение в системе геофизического мониторинга измерительного микропроцессорного контроллера с блоком флэш-регистрации // Геофизический мониторинг Камчатки. Материалы научно-технической конференции, 17-18 января 2006 г., г. Петропавловск-Камчатский / Петропавловск-Камчатский: "Оттиск", 2006. С. 69- 8. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Федористов О.В.

Аппаратура для комплексного геофизического мониторинга // Роль системообразующего фактора в процессе формирования и развития объединяющихся территорий. Сборник материалов межрегиональной научно-практической конференции. Петропавловск-Камчатский. 2006. С.59Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Федористов О.В.Комплексный геофизический мониторинг геосреды: новые методы – новые результаты // Проблемы сейсмобезопасности Дальнего Востока и Восточной Сибири. Тезисы докладов международного научного симпозиума 27 – 30 сентября 2007 г. Южно-Сахалинск. 2007.

10. Беляков А.С., Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Диденкулов И.Н., Лавров В.С., Малеханов А.И., Стромков А.А., Фокин А.Н., Чернов В.В..

Сейсмоакустический мониторинг в глубокой скважине // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества, 27-31 октября 2008г, г. Москва.

2008. Т. 1. М.: ГЕОС. С. 333-336.

11. Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Морозова Ю.В., Федористов О.В., Яковлева Ю.Ю. Методы и результаты скважинных геоакустических и электромагнитных измерений на Камчатском геодинамическом полигоне // Связь поверхностных структур земной коры с глубинными. Материалы четырнадцатой международной конференции 27-31 октября 2008 г.

Петрозаводск. 2008. Ч. 1. С.107-108.

12. Диденкулов И.Н., Малеханов А.И., Стромков А.А., Чернов В.В., Беляков А.С., Лавров В.С., Власов Ю.А., Гаврилов В.А. Сейсмоакустический мониторинг в Воротиловской глубокой скважине // Связь поверхностных структур земной коры с глубинными. Материалы четырнадцатой международной конференции 27-31 октября 2008 г. Петрозаводск. 2008. Ч.1.

С.171-172.

13. Власов Ю.А, Гаврилов В.А., Денисенко В.П. Федористов О.В.

Яковлева Ю.Ю. Телеметрическая система сбора и обработки данных комплексного геофизического мониторинга // Геофизический мониторинг и проблемы сейсмической безопасности Дальнего Востока России: Труды региональной научно-технической конференции Петропавловск – Камчатский, 11-17 ноября 2007 г. Том 2/ Петропавловск – Камчатский. 2008.

С.104-106.

14. Беляков А.С., Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Диденкулов И.Н., Лавров В.С., Малеханов А.И., Марышев А.П., Стромков А.А., Фокин А.Н., Чернов В.В.. Сейсмоакустические измерения в Воротиловской глубокой скважине: первые результаты и перспективы// Препринт №774. Н.Новгород:

ИПФ РАН, 2008. 20 С.

15. Гаврилов В.А., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Федористов О.В. Методика, техника и некоторые результаты непрерывных скважинных геоакустических наблюдений. // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Тезисы докладов второй региональной научно-технической конференции 1-17 октября 2009 г., г. Петропавловск-Камчатский. 2009. С. 113.

16. Власов Ю.А., Гаврилов В.А., Денисенко В.П., Федористов О.В.

Телеметрическая сеть скважинных геофизических измерений ПетропавловскКамчатского геодинамического полигона // Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе: научная конференция, посвященная 65-летию Института морскй геологии и геофизики ДВО РАН:

Южно-Сахалинск 26-30 сентября 2011 г. Тезисы докладов. 2011. С. 193.

17. Гаврилов В.А., Власов Ю.А. Эффект модуляции уровня геоакустической эмиссии электромагнитным сверхнизкочастотным излучением по результатам измерений на разных скважинах ПетропавловскКамчатского геодинамического полигона // Сборник докладов III научнотехнической конференции 09-15 октября 2011г., г. ПетропавловскКамчатский. 2011. С. 207-211.

18. Полтавцева Е.В., Власов Ю.А. Исследование откликов на приливное воздействие в рядах геоакустической эмиссии // Материалы XII региональной молодежной научной конференции «Природная среда Камчатки» 16 апреля 2013г., г. Петропавловск-Камчатский 2013 г. С. 125Гаврилов В.А., Бусс Ю.Ю., Власов Ю.А., Денисенко В.П., Морозова Ю.В., Полтавцева Е.В., Федористов О.В. Скважинные комплексные геофизические измерения на Камчатке: прогноз ЮжноКамчатского землетрясения (28.02.2013г., М=6.9) // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. IV научнотехническая конференция. 30 сентября - 4 октября 2013г., г. ПетропавловскКамчатский. Программа. Тезисы докладов. Петропавловск-Камчатский: КФ ГС РАН, 2013. С. 33.