Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0058

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0058
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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. В соответствии с целью проекта, были поставлены и решены следующие задачи: разработаны методические и технические решения для реализации экспериментального образца аппаратно-программного комплекса; разработан экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса для развития систем мониторинга и оценки геомагнитной обстановки на территории РФ на основе данных наземных и спутниковых измерений; разработаны новые математические методы системного интеллектуального анализа для больших объемов спутниковых и наземных данных, в том числе поступающих в квазиреальном времени, в целях мониторинга, оценки и прогнозирования состояния геомагнитного поля с проведением сравнительного анализа результатов работы алгоритмов, основанных на методах дискретного математического анализа, и традиционных методов выявления аномалий; разработаны методы интерполяции и аппроксимации, а также математические модели распределения магнитного поля Земли по территории РФ с учетом развития систем мониторинга и оценки геомагнитной обстановки на территории РФ; разработаны методы выделения в спутниковых измерениях сигнала внутреннего магнитного поля Земли, с использованием данных наземных обсерваторий на территории РФ.
Актуальность и новизна исследования
Системы геомагнитных наблюдений на Земле и в околоземном пространстве являются основой фундаментальных исследований в области геомагнетизма. До создания экспериментального образца АПК российские геомагнитные обсерватории представляли собой разрозненные пункты наблюдений, которые передавали оперативные «сырые» данные в зарубежные центры. В созданном АПК впервые обеспечивается централизованное накапливание российских данных и их доведение до высшего стандарта наблюдений ИНТЕРМАГНЕТ при помощи автоматизированных методов системного анализа. Рутинные операции с потоками магнитных данных, принятые во всем мире, были преобразованы из ручного в автоматизированный аналитический режим с привлечением математических элементов искусственного интеллекта. В результате повышена точность результирующих измерений и сокращена задержка в их подготовке по сравнению с зарубежными центрами данных. Координация спутниковых и наземных измерений с использованием современных баз данных является крайне актуальной и своевременной задачей, которая также впервые решена в нашей стране за счет созданного АПК. Были созданы новые методы оперативного многокритериального распознавания магнитных возмущений с максимальным временным разрешением и интегрированы в работу системы. По сравнению с классическими подходами к оценке геомагнитной активности и космической погоды они дают возможность более точного и своевременного прогнозирования и предупреждения экстремальных электромагнитных явлений, опасных для технологических систем и хозяйственной деятельности человека. Разработанные математические методы вносят весомый вклад не только в задачи геомагнетизма, но и в целом в проблему адекватного анализа больших данных.
Описание исследования

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.

Результаты исследования

На теоретическом этапе ПНИ была создана Методика сбора и систематизации данных для формирования БД об экстремальных геомагнитных явлениях. Предложен новый теоретический подход к интерполяции данных, основанный на принципах геостатистики и моделирования параметров случайного поля. Создан алгоритм интерполяции напряженности магнитного поля на территории РФ. Разработаны новые методы для обработки больших объемов спутниковых и наземных данных геомагнитных наблюдений. На базе них построен новый индикатор геомагнитной активности, позволяющий в единой шкале оперативно оценивать геомагнитную обстановку в заданном регионе. На базе квантильных характеристик разработана новая мера экстремальности по спутниковым измерениям. Создан новый метод оперативного выделения сигнала ГМПЗ в спутниковых данных на базе поляризационного анализа. Проведен аналитический обзор геомагнитных эффектов экстремальных процессов, обусловленных крупномасштабной атмосферной динамикой. Предложена математическая модель распределения наземных вариаций внешнего магнитного поля. Разработаны функциональная схема и программно-технические решения для создания ЭО АПК. Разработаны система непрерывного сбора обсерваторских наблюдений с функциями выделения аномалий и верификации данных, а также видео-стенд для отображения поступающих магнитограмм в режиме квази-реального времени. На этапе экспериментальных исследований было финализировано создание ЭО АПК. Его аппаратная часть состоит из четырех серверов, видео-стенда и компьютера администратора. Программные компоненты разделены на шесть блоков: Сбор данных и Загрузка в БД, Анализ данных, Модельные расчеты, Доступ и Визуализация данных. Составлено описание логической и физической структуры БД для хранения геомагнитной информации, входящей в состав ЭО АПК. Подготовлены руководство пользователя и описание применения ЭО АПК. Были проведены экспериментальные исследования полученных в ходе выполнения ПНИ результатов в соответствии с разработанными программой и методикой экспериментальных исследований и требованиями ТЗ. Разработаны методические рекомендации для поддержки и развития сети российских магнитных обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ. Произведена оценка результатов расчетов математического моделирования и интерполирования геомагнитного поля и связанных с ним электромагнитных процессов в окружающей среде. Подготовлены рекомендации по оптимальным технико-экономическим решениям при строительстве и оснащении геомагнитной обсерватории стандарта ИНТЕРМАГНЕТ в регионах РФ и по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера, а также в дальнейших исследованиях и разработках. По результатам оценки полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ было выявлено, что задачи решены в полном объеме и цели ПНИ достигнуты.

Результаты говорят о своевременности работ в рамках настоящего ПНИ за счет появившейся возможности координированного анализа спутниковых и наземных измерений магнитного поля Земли. За счет внедрения новейших математических методов разрабатываемый ЭО АПК не имеет аналогов, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Выполненные работы полностью соответствуют требованиям ТЗ.

Практическая значимость исследования
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.