Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка инновационной технологии и создание экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений с использованием наземных и спутниковых данных.

Докладчик: Гвишиани Алексей Джерменович

Должность: Директор ГЦ РАН, академик, профессор, доктор физико-математических наук

Цель проекта:
Выполнение проекта направлено на совершенствование научно-технического комплекса России, развитие отечественных технологий до уровня, превышающего мировой, и стимулирование инноваций в области геоэкологии, мониторинга и предупреждения опасных геофизических процессов природного и техногенного характера. Основной целью научных исследований и технологических разработок в рамках проекта является разработка и экспериментальная отработка новых методов и технологий сбора, обработки и систематизации данных, регистрируемых наземными и космическими средствами, для мониторинга геомагнитной обстановки с целью предупреждения и уменьшения негативных последствий от экстремальных явлений, связанных с изменением магнитного поля Земли. Для достижения основной цели ПНИ будут созданы инновационные технологии и экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений с использованием наземных и спутниковых данных. Будет реализовано решение следующих проблем: 1) создание инновационных средств мониторинга геомагнитной обстановки на основе новых отечественных технологий и методов искусственного интеллекта для анализа и автоматизированного детектирования аномалий в больших массивах спутниковых и наземных данных наблюдений магнитного поля Земли; 2) разработка методик оценки состояния геомагнитного поля на различных временных и пространственных масштабах, включая фоновые состояния и аномалии природного и техногенного характера; 3) обеспечение соответствия получаемых наземными обсерваториями данных высшему международному стандарту ИНТЕРМАГНЕТ и предоставление очищенных от помех и верифицированных данных (статус окончательных в стандарте ИНТЕРМАГНЕТ) с минимальной временной задержкой, т.е. в квазиреальном времени; 4) разработка методов, математических моделей и программного обеспечения для обеспечения мониторинга, обработки данных, интерполяции, создания баз данных наземных и спутниковых измерений; 5) разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса. Создаваемый образец аппаратно-программного комплекса будет служить основой центра сбора, обработки, хранения и анализа данных растущего российского сегмента геомагнитных наблюдений международного стандарта ИНТЕРМАГНЕТ. В настоящее время такие центры есть только за рубежом, куда на данный момент передают свои данные и российские обсерватории. Создание отечественного центра будет способствовать обеспечению научно-технической независимости и повышению конкурентоспособности РФ. Разработанный в ходе ПНИ продукт будет представлять собой принципиально новую технологическую единицу (в мире существует пять подобных единиц, аналогов в РФ нет). Разрабатываемый продукт по своим характеристикам будет превышать мировой уровень за счет внедрения новейших математических методов интеллектуального анализа данных. В оснащении российских обсерваторий, обеспечивающих получение экспериментальных данных, будут использоваться современные приборы, которые разрабатываются и производятся в РФ. Созданный в рамках проекта новый экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса обеспечит увеличение производительности подготовки очищенных от помех и верифицированных геомагнитных данных за счет автоматизированной фильтрации методами искусственного интеллекта. Скорость обработки данных от статуса предварительных до статуса окончательных (по терминологии ИНТЕРМАГНЕТ) увеличится не менее чем в 12 раз. Реализованные в новом аппаратно-программном комплексе технические решения обеспечат экономию до 52 млн руб. в год за счет автоматизированного интеллектуального анализа геомагнитных данных на основе современных математических методов и снижения расходов на передачу и обработку данных по сравнению со стоимостью технологий, реализованных в зарубежных аналогах. За счет реализации результатов ПНИ будет обеспечено импортозамещение, поскольку в настоящее время аналоги разрабатываемого образца аппаратно-программного комплекса существуют только за рубежом. Отечественное оборудование, используемое для экспериментальных исследований, будет не менее чем на треть дешевле импортных аналогов. Результаты ПНИ будут способствовать выходу отечественной наукоёмкой продукции и услуг на международный рынок инновационных разработок в области наук о Земле. Как отмечалось выше, важным аспектом является то, что предлагаемые в рамках ПНИ работы с наибольшей эффективностью надо проводить именно сейчас, т.к. недавно запущена группировка европейских геомагнитных спутников, и открывается уникальная возможность комплексного анализа геомагнитного поля с поверхности Земли и из космоса. Данные спутников являются открытыми и в ближайшем будущем будут активно использоваться странами, имеющими на своей территории обсерватории, на которых производятся регулярные измерения абсолютных значений и вариаций геомагнитного поля.

Основные планируемые результаты проекта:
Результатом работы по проекту станет следующая научно-техническая продукция:
1) Результаты теоретических и экспериментальных исследований;
2) Результаты анализа данных экспериментальных исследований;
3) Результаты патентных исследований;
4) Система классификации и кодирования данных о геомагнитных явлениях природного и техногенного характера;
5) Методика сбора и систематизации исходной информации для формирования базы геомагнитных данных;
6) База данных геомагнитных наблюдений;
7) Экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса мониторинга геомагнитной активности и эволюции геомагнитного поля на основе полномасштабных обсерваторских и спутниковых наблюдений;
8) Результаты испытаний в тестовом режиме экспериментального образца аппаратно-программного комплекса;
9) Эскизная конструкторская и программная документации на экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса;
10) Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики;
11) Методика первичной, промежуточной и окончательной (очищенной от помех и верифицированной) обработки данных измерений магнитного поля, полученных в соответствии с современным высоким международным стандартом ИНТЕРМАГНЕТ;
12) Математические методы интеллектуальной обработки геомагнитных данных, в частности, автоматического выделения природных и техногенных аномалий, реализованные в виде программ для ЭВМ;
13) Результаты расчетов и оценка точности математического моделирования геомагнитного поля на различных временных масштабах;
14) Усовершенствованные методы интерполяции и аппроксимации распределения магнитного поля Земли и макеты карт интерполированных характеристик магнитного поля Земли;
15) Математическая численная модель для оперативного расчета магнитных вариаций, обусловленных распределением электрических полей и токов в ионосфере Земли, ассимилирующая спутниковые измерения магнитного поля;
16) Оценки геомагнитных эффектов экстремальных природных и техногенных процессов;
17) Новые индикаторы геомагнитной активности, основанные на дискретной мере аномальности вариаций по комплексу данных наземных наблюдений;
18) Методические рекомендации и сервисы, в том числе предоставляемые в режиме онлайн, для потребителей геомагнитных данных, занимающихся проектами обеспечения комплексного и рационального освоения природных ресурсов РФ, эксплуатации высокотехнологичных систем и предотвращением чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на территории РФ;
19) Программа, методика и описание теоретических и экспериментальных исследований геомагнитного поля на базе расширяющейся сети обсерваторий в период работы новой группировки геомагнитных спутников;
20) Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений с использованием наземных и спутниковых данных».
Разработанные в ходе ПНИ методы получения, передачи и применения информации о геомагнитной обстановке в РФ с использованием наземных и космических средств наблюдений обеспечат возможность реализации комплексного мониторинга состояния окружающей среды. Система комплексного мониторинга внесет вклад в решение значимых проблем в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности, создание современной системы прогнозирования чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера, а также изменений климата. Полученные при проведении ПНИ результаты будут превышать мировой уровень работ в исследуемой области, будут конкурентоспособны в сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками.
Коммерциализация результатов работ может быть осуществлена при практическом использовании полученных объектов интеллектуальной собственности заинтересованными организациями, а также за счет создания и стабильного функционирования системы измерений геомагнитного поля, удовлетворяющей современным мировым стандартам качества для обеспечения эффективной работы высокотехнологичных предприятий на территории РФ.
В процессе выполнения ПНИ будут достигнуты следующие значения научно-технических показателей результативности предоставления субсидии: подготовлены 6 публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных Web of Science, поданы 4 патентные заявки, проведено 3 мероприятия по демонстрации и популяризации результатов ПНИ, защищена 1 диссертация на соискание ученой степени.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенных ПНИ могут быть использованы для:
- создания систем предупреждения, предотвращения и минимизации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;
- проведения ПНИ и ОКР, направленных на изучение влияния геофизических полей на безопасность технологических процессов и жизнедеятельности человека, снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф;
- создания и совершенствования отечественных технологий в отраслях промышленности, в частности: систем оперативной коррекции инклинометрических измерений при высокотехнологичных процессах направленного бурения скважин; систем защиты от магнито-индуцированных токов при проектировании и эксплуатации линий электропередачи, трансформаторных подстанций и протяженных трубопроводов, что позволяет избежать аварийных отключений и коррозионных повреждений;
- обеспечения навигации воздушных и морских судов;
- корректной интерпретации данных при проведении магниторазведки с учетом поправки на вариации магнитного поля, амплитуды и частоты которых могут быть сравнимы с параметрами аномалий, которые возникают за счет геологических структур;
- медико-биологических исследований влияния магнитных бурь и других аномалий геомагнитного поля на физиологическое состояние организма человека;
- и т. д.
Базы геомагнитных данных, методы и модели могут использоваться в научно-исследовательских институтах РФ, в отраслевых учреждениях для проведения научных и прикладных исследований; в университетах и других высших учебных заведениях для выполнения исследований и в учебном процессе. Методика интерполяции накопленных измерений и измерений в реальном времени может быть внедрена в ПНИ в учреждениях ФАНО и научно-исследовательских подразделениях МЧС РФ. Макеты электронных карт интерполированных магнитных данных и параметров наблюдаемых отклонений реальных данных от интерполированных в местах контрольных наблюдений для приарктических регионов могут использоваться научно-исследовательскими организациями и коммерческими фирмами, занимающимися добычей нефти и газа в северных регионах РФ.
Для экспериментальных исследований будет использовано отечественное оборудование, которое значительно дешевле импортных аналогов при сопоставимом качестве. Результаты ПНИ будут способствовать увеличению спроса на магнитометрическую аппаратуру российского производства, а также выходу отечественной наукоёмкой продукции и услуг на международный рынок инновационных разработок в области наук о Земле.
ПНИ поддерживаются Технологической платформой «Технологии экологического развития». Цели и задачи ПНИ полностью соответствуют основным направлениям деятельности, сформулированным в Меморандуме о Технологической платформе от 14 февраля 2011 г., и способствуют, в частности, развитию технологий и систем мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, последствий изменения климата, технологий рационального природопользования, обеспечения экологической безопасности и новых экологических стандартов жизни человека и развитию рынка экологических услуг.

Текущие результаты проекта:
На основании обзора систем мониторинга и изучения геомагнитного поля с помощью наземных и космических средств измерений (~50 научно-информационных источников за период 2009 – 2014), а также патентных исследований по ГОСТ 15.011-96 показана необходимость создания в РФ экспериментального образца АПК для сбора, обработки, анализа данных и детектирования экстремальных геомагнитных явлений. Наиболее эффективным и востребованным для решения технологических задач направлением является производство на базе АПК полного цикла обработки данных стандарта ИНТЕРМАГНЕТ, создание объединенной базы данных российских обсерваторий и спутника SWARM, оснащение АПК инновационными программными средствами автоматизированной обработки и анализа данных. Подготовлена 1 публикация.