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.

Номер контракта: 14.607.21.0058

Руководитель: Гвишиани Алексей Джерменович

Должность: директор

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
геомагнитное поле, сети обсерваторий, интермагнет, наземные и спутниковые измерения, системы сбора и обработки данных, математические методы и модели, внутреннее магнитное поле земли, внешнее магнитное поле земли, геомагнитные вариации различных временных и пространственных масштабов

Цель проекта:
Выполнение проекта направлено на совершенствование научно-технического комплекса РФ, развитие отечественных технологий до уровня, превышающего мировой, и стимулирование инноваций в области геоэкологии, мониторинга и предупреждения опасных геофизических процессов природного и техногенного характера.

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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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). В оснащении российских обсерваторий, обеспечивающих получение экспериментальных данных, будут использоваться современные приборы, которые разрабатываются и производятся в РФ. Разработанные в ходе ПНИ методы интеллектуального анализа геомагнитной информации с использованием наземных и космических средств наблюдений обеспечат возможность реализации комплексного изучения состояния магнитного поля Земли для мирового научного сообщества. В разрабатываемый экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса (ЭО АПК) внедряются как существующие подходы к систематизации и анализу геомагнитных данных, официально принятые в международных сетях геомагнитных наблюдений США, Франции, Японии и др., так и множество новых возможностей, не имеющих зарубежных аналогов: автоматизированное распознавание техногенных аномалий, оперативное распознавание природных аномалий при помощи пополняемого набора индикаторов, комплексное моделирование пространственных и временных характеристик МПЗ, визуализация на сферическом экране и др. Таким образом, разрабатываемый продукт по своим характеристикам будет превышать мировой уровень за счет внедрения новейших математических методов интеллектуального анализа данных. Выполнение ПНИ обеспечит предоставление оперативных квази-окончательных данных российских магнитных обсерваторий в рамках международной сети ИНТЕРМАГНЕТ. Международное научное сообщество также получит возможность интерактивного доступа как к исходным данным, так и к результатам интеллектуального анализа и моделирования данных, реализованных в ЭО АПК при помощи разработанных онлайн-сервисов.
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.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Базы геомагнитных данных, методы и модели, разработанные в рамках ЭО АПК, 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.
Разработанный ЭО АПК может быть использован 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.

Текущие результаты проекта:
Показано, что выбор исследований направлен 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. Результаты проведенных работ говорят о своевременности проведения работ в рамках настоящего ПНИ за счет появившейся возможности координированного анализа спутниковых и наземных измерений магнитного поля Земли беспрецедентной точности. За счет внедрения новейших математических методов интеллектуального анализа данных разрабатываемый аппаратно-программный комплекс по своим характеристикам будет превышать мировой уровень и не имеет аналогов, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Была произведена сравнительная оценка различных путей решения проблем предупреждения и уменьшения негативных последствий от экстремальных явлений, связанных с изменением МПЗ.
На теоретическом этапе ПНИ была разработана система классификации данных об экстремальных геомагнитных явлениях исходя из физически обоснованного подхода к выделению таких явлений. Создана Методика сбора и систематизации исходной информации для формирования базы данных об экстремальных геомагнитных природных явлениях, в которой учтен опыт зарубежных сетей геомагнитных наблюдений, а также предложено несколько новых функций. Предложен новый теоретический подход к интерполяции геомагнитных данных, основанный на принципах геостатистики и моделирования непрерывных параметров случайного поля. Создан алгоритм интерполяции солнечно-суточной вариации полной напряженности поля на территории РФ по данным обсерваторских наблюдений в режиме квазиреального времени, основанный на методе триангуляции. Разработана эффективная методика координатного обеспечения геофизических наблюдений с применением современных геодезических технологий. Расширены теоретические основы дискретного математического анализа для решения задач автоматизированной обработки больших объемов спутниковых и наземных данных наблюдений магнитного поля Земли (МПЗ). Разработаны новые методы для оперативного и корректного выделения в спутниковых измерениях вкладов внутреннего и внешнего МПЗ. Для автоматизированной оценки уровня геомагнитной активности в заданном регионе или глобально по комплексу обсерваторий разработан индикатор на базе меры аномальности геомагнитной записи, измеряемой в единой шкале. Продемонстрирована работа применительно к данным российских обсерваторий в периоды повышенной и пониженной геомагнитной активности.
Проведен аналитический обзор геомагнитных эффектов экстремальных процессов, включая кратковременные эффекты глобальных природных процессов, длительные эффекты медленно протекающих природных процессов, а также специфические эффекты, вызванные техногенными процессами. В результате показано, как рассмотренные эффекты отражены в продуктах ЭО АПК. Разработаны математические модели распределения наземных вариаций внешнего геомагнитного поля и распределения продольных токов в ионосфере, реализованные в рамках ЭО АПК. Разработана система непрерывного сбора обсерваторских наблюдений в квази-реальном времени с функциями оперативного выделения техногенных и природных аномалий, верификации и оперативного расчета квази-окончательных данных. В ходе различных проверок было показано, что система позволяет в оперативном режиме получать данные высокого качества. Разработана концепция ЭО АПК мониторинга экстремальных электромагнитных природных явлений, в которой сформулированы общие положения, задачи, основные принципы и функционал ЭО АПК; определены его аппаратные и программные части, их логические и технологические связи, а также приведены области применения и способы использования ожидаемых результатов. Разработана БД для хранения обсерваторских и спутниковых измерений магнитного поля и информации об экстремальных геомагнитных природных явлениях. Разработана функциональная схема ЭО АПК для накопления, анализа и распространения геомагнитной информации. На программно-технические решения, реализующие расчет базисных значений компонент магнитного поля, оценку их качества и визуализацию результатов оформлены свидетельства о РИД. Частично оформлен комплект эскизной технической документации на ЭО АПК непрерывного мониторинга экстремальных геомагнитных явлений. Разработаны аппаратная и программная составляющие видео-стенда для потокового отображения поступающих данных о геомагнитной обстановке. Разработаны программа и методика последующих экспериментальных исследований.