ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім.С.І.СУББОТІНА

Гай Анжела Євгенівна

УДК 550.834

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ АКТИВНОГО ТА ПАСИВНОГО

СЕЙСМОАКУСТИЧНОГО МОНІТОРИНГУ ПРИРОДНИХ ТА

ПРИРОДНО-ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 04.00.22 – геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі математичного моделювання геофізичних полів Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної Академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

Мостовий Сергій Васильович,

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАНУ, завідувач відділу математичного моделювання геофізичних полів

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор,

Бугаєвський Генадій Миколайович,

Кримська Академія природоохоронного

та курортного будівництва Міністерства

освіти та науки України, м. Симферополь,

завідувач кафедри механіки та

сейсмостійкості споруд

доктор технічних наук, професор,

Кулінкович Арнольд Євгенович,

Український державний геологорозвідувальний

Інститут (УкрДГРІ), м. Київ,

головний науковий співробітник

Провідна установа Київський національний університет

ім. Т. Шевченко, геологічний факультет

Захист відбудеться “20 ” 12 2001 року о “ 11 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26.200.01 Інституту геофізики ім.С.І. Субботіна НАН України: 03680 м. Київ - 142, проспект Палладіна, 32

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім.С.І. Субботіна НАН України

Автореферат розіслано “15 ” 11 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор геологічних наук М.І. Орлюк

Загальна характеристика роботи.

Актуальність теми. Існуючий в Україні екологічно небезпечний стан, повязаний з наявністю таких обєктів, як атомні електростанції, хімічні підприємства, обєкти нафтохімічної галузі, дамби, трубопроводи тощо. У контексті задач екології, задача побудови математичних моделей процесів сейсмічного моніторингу є своєчасною та актуальною. Математичні моделі повинні відповідати певним вимогам до адекватності модельованого процесу, можливості їх реалізацій в автоматизованих системах моніторингу у реальному часі, спроможність автоматизованого прийняття рішень щодо стану об’єкта та прогнозу його розвитку. Класичним зразком потреби в таких моделях є необхідність моніторингу екологічно небезпечних споруд та прилягаючих до них зон таких, як обєкт “Укриття” ЧАЕС, який потребує пасивного, а окремі фрагменти активного моніторингу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертаційній роботі наведені результати досліджень автора у відділі математичного моделювання геофізичних полів Інституту гефізики ім. С.І.Субботіна НАН України. Дослідження проводилися у рамках наукових тем:

“Теоретичні основи неідентифіцированого виявлення вимірів параметрів аномалій геофізичних полів” (1990р.-1995р., № держ. реєстр. UА1004871Р); “Математична модель прогнозу сейсмічної події” (1992р.-1993р., № держ. реєстр. 0193U039801); “Розробка методів використання результатів сейсмічних вимірювань” (1994р., № держ. реєстр. 0194U035827); “Дослідження можливості вияву підводних обєктів за створеними ними сейсмічними збуреннями” (1994р., № держ. реєстр. 0194U035826); “Теоретичні та прикладні аспекти моніторингу геофізичних полів”(1995р.-2000р., № держ. реєстр 0196U015072); “Модернізація системи сейсмоакустичного контролю об’єкту “Укриття” і розробка технічного завдання на систему вібромоніторинга і індикації руйнувань будівельних конструкцій” (1995р., № держ. реєстр. 0195U008589); “Математичне моделювання активного та пасивного сейсмічного моніторингу” (2000р.-2005р.,№ держ. реєстр. 0101U000448). Ці теми входять у програму “Комплексне вивчення Земної кори та верхньої мантії”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є:

1. Створення методик та підходу до збору необхідних даних для формування бази даних про сейсмічний стан обєкту та прогноз його розвитку.

2. Створення математичних моделей активного сейсмоакустичного моніторингу.

3. Створення математичних моделей пасивного сейсмоакустичного моніторингу.

4. Створення алгоритмічного забезпечення автоматизованих систем, які базуються на запропонованих моделях.

5. Реалізація моделей в існуючих автоматизованих системах моніторингу.

Наукова новизна одержаних результатів. Пропонуються нові моделі активного та пасивного сейсмоакустичного моніторингу, які враховують випадковий характер реєстрованих та аналізованих у системі сейсмічних полів. Головна особливість роботи – застосування дослідником апріорних статистик, евристик про розподіл нестабільних параметрів системи. А у випадку активного моніторингу – параметрів зондуючих сигналів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в роботі підходи до формування бази даних про сейсмічний стан обєкту, математичні моделі активного та пасивного сейсмоакустичного моніторингу, алгоритми можуть використовуватися у автоматизованих системах сейсмічного моніторингу природних та природно-технічних систем, що представляють собою потенційну екологічну небезпеку. Фрагменти математичних моделей можна використовувати для прямих пошуків покладів вуглеводню методом активного сейсмоакустичного моніторингу.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота виконувалась у рамках планової наукової тематики відділа математичного моделювання геофізичних полів під науковим керівництвом доктора фізико-математичних наук С.В.Мостового. У процесі роботи автором виконані концептуальні основи сейсмічного моніторингу (спільно з д.фіз.-мат.н..Мостовим С.В., к.фіз-мат.н. Мостовим В.С., к.фіз-мат.н. Осадчуком А.Є.).

Здобувачем розроблені математичні моделі активного та пасивного сейсмоакустичного моніторингу (спільно з д.фіз.-мат.н..Мостовим С.В., к.фіз-мат.н. Мостовим В.С., к.фіз-мат.н. Осадчуком А.Є.).

Виконані обчислення по відновленню відгука системи обєкта, що підлягає моніторингу, на зондуючі сигнали.

У процесі проведення теоретичних та практичних досліджень автором виконано аналіз модельних та натурних даних, отриманих в Інституті геофізики у результаті сейсмоакустичного моніторингу.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені: на міжнародних конференціях “KDS-97”, Ялта, 1997; “The transaction of KDS-98”, Szchecin, 1998; “EGS2001: XXVI General Assembly”, NICE, FRANCE, 2001; “IAGA-IASPEI Joint Scientific Assembly”, Hanoi, 2001; 28 сесія Міжнародного семінару ім. Д.Г.Успенського “Питання теорії та практики геологічної інтерпретації гравітаційних, магнітних та електричних полів”, м.Київ, Україна, 2001 р.; на семінарі кафедри математичних методів еколого-економічних досліджень Київського національного університету ім. Т. Шевченко; на семінарі відділу математичного моделювання геофізичних полів Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано пять наукових робіт в наукових журналах та в збірниках Праць міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновку, переліку використаних літературних джерел, що складають 115 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 135 сторінок, 18 рисунків.

Автор висловлює глибоку подяку науковому керівникові – доктору фізико-математичних наук С.В.Мостовому за постановку задач, надання допомоги при розробці концептуальних положень, теоретичних досліджень, наукових консультацій, критичних зауважень на всіх етапах роботи. За всебічну підтримку на протязі тривалого періоду роботи автор висловлює щиру подяку співробітникам відділу: кандидату фізико-математичних наук Осадчуку А.Є., кандидату фізико-математичних наук Мостовому В.С., провідному інженеру Венгеру А.Й., провідному інженеру Несіну С.П.

Короткий зміст роботи.

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, вказано її звязок з науковими програмами, її важливість та спрямованість. Дано загальну характеристику роботи, сформульовано цілі та задачи досліджень.

У першому розділі дано загальні відомості про моніторинг геофізичних полів. У зв’язку із задачами, пов’язанними з концепцією моніторингу, дуже важливо визначити властивості об’єктів дослідження, виявити закономірності тимчасових змін у природно-технічних системах, встановити параметри, що впливають на стан об’єктів. Найбільш важливими та цікавими представляються явища, які загрожують можливими катастрофами, та/або приводять до них.

Звичайно розрізняють два класи геофізичних експериментів: активні та пасивні. Відмінність у тому, що у активних експериментах зовнішні збурення включаються або управляються згідно волі людини, а у пасивних експериментах – зовнішні збурення від людини не залежать, а залежить тільки контроль за головними параметрами цього збурення.

Другий розділ присвячений питанням формування необхідної бази геофізичних даних для підтримки сейсмоакустичного моніторингу на прикладі таких споруд та прилягаючих до них зон, як обєкт “Укриття” ЧАЕС. Мета роботи полягає в тому, щоб на основі компілятивного матеріалу (літературні та фондові джерела) виробити принципи для формування бази геофізичних даних, необхідних в системах сейсмічного та акустичного моніторингів. Визначення сейсмічних характеристик досягаеться на основі існуючих даних про сейсмічність; встановлення величин посувань грунтів на території промплощадки; геологічного аналізу сейсмічного впливу на території промплощадки; результатів геотехнічного аналізу відповідних коливань відгуку на території промплощадки; результатів аналізу реакцій конструкції обєкта за певних сейсмічних впливів.

У третьому розділі розглянуто математичну модель активного моніторингу, основану на потокових уявах про посилки зондуючих сигналів.

Вважаємо, що відгук середовища на біномний поток (Бернуллі) з К фізично здійснимих зондуючих сигналів, кожний з яких має відповідну амплітуду, форму та час запуску,становить собою згортку цього потоку з фізично здійснимою передаточною функцією середовища та адитивної перешкоди.

У розділі розглядається більш загальний випадок біномного потоку із бета розподіленними парціальними щільностями потоку та пропонується алгоритм відновлення сигналу.

Розглядається випадок непересічених парціальних щільностей сигналів та повністю дозволених, а саме з непересіченими носіями сигналів.

У даному випадку цілком задовільною апроксімацією для парціальних щільностей моментів вступу сигналів може бути бета розподіл з параметрами, варіювати котрими, можна отримати апроксімацію практично кожного розподілу на відрізку довжиною .

Сигнали розрізняються лише різними зсувами на довжину більшу, ніж тривалість сигналу.

Фізична здійсненість сигналу дозволяє представити сигнал наближено.

У четвертому розділі розглянуто модельні та експериментальні дослідження по динамічним ознакам активного сейсмоакустичного моніторингу, ілюструється матеріал щодо роботи автоматизованої системи активного моніторингу в сейсмічному та нижній частині акустичного діапазону частот. Наводиться математична модель методу.

Для вибраної моделі введемо оператор перетворення сейсмічного запису , який здійснює процедури зсуву та підсумовування.

Отримали оцінку сигнала у вигляді .

Це приводить до рішення системи лінійних рівнянь .

У п’ятому розділі розглянуто математичні моделі пасивного моніторингу як задачу розладки випадкового процесу. Запропоновано математичну модель пасивного моніторингу для нестаціонарних процесів та нелінійних моделей. Суттєвим у пасивному моніторингу є факт виміру поля емісії та відображення результатів у простір ознак.

Запропонована модель визначається двома параметрами b, вхідними до моделі лінійно та , вхідною до моделі нелінійно.

Якщо покласти, що n(t) – білий шум, то оптимальні оцінки будуть мінімізувати скалярний добуток

Отримуємо систему лінійних рівнянь для визначення та b

Рішення дає оцінки та .

У шостому розділі рзглядаються концептуальні питання створення систем моніторингу “раннього сповіщення” та систем тривоги.

У роботі характеризуються попередні роботи у даному напрямку. Слід зауважити, що при рішенні альтернативних варіантів рішення задачі, окремі сейсмічні події можуть виникати на межах динамічного діапазону, діапазону частот та енергій, тому потрібно включати техногенні прояви до сейсмічних збурень, підлягаючих контролю, реєстрації, класифікації.

Далі у розділі зоглядається концепція мережі локального моніторингу для роботи в районі ЧАЕС та проект перетворення системи сейсмоакустичного моніторингу обєкту “Укриття” в систему тривоги.

Висновки.

1.Наведений компілятивний матеріал дає уяву про природний мікросейсмічний фон, як обєкт пасивного моніторингу та як фон при активному моніторингу. Показано необхідність формалізації, як окремих фрагментів систем моніторингу, так і всієї системи в цілому.

2. Згідно з історією сейсмічної активності, необхідної для об’єктів моніторингу, вироблено підхід для формування бази геофізичних даних.

3. Запропонована та проаналізована модель активного моніторингу на основі потокових уяв про процес отримки даних у режимі нагромадження сигналів. Для корекції результатів експерименту використані апріорні знання про розподіл нестабільності моментів запуску сигналів.

4. Запропоновано математичну модель активного моніторингу на прикладі оцінки параметрів слабких сигналів та ідентифікації нафтогазових покладів по динамічним характеристикам сейсмічного запису. Пропонується здійснювати моніторинг з використанням малопотужних невибухових джерел зондуючого сигналу.

5. Запропоновано та реалізовано математичну модель пасивного моніторингу, як задачу розладки випадкового процесу.

6. Розглянуто концептуальні питання створення систем моніторингу “раннього сповіщення” та систем тривоги. Сформульовано вимоги до таких систем. Запропоновано концепцію перетворення системи сейсмоакустичного моніторингу конструкцій обєкту “Укриття” в систему тривоги.

Головні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Гай А.Є. Математичні моделі активного та пасивного сейсмоакустичного моніторингу природних та природно-технічних систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2001.

В дисерттаційній роботі приводяться загальні відомості про моніторинг геофізичних полів та стан проблеми на сучасному етапі. Рзглядаються питання про формування необхідної бази геофізичних даних для підтримки системи сейсмоакустичного моніторингу на прикладі обєкта “Укриття” ЧАЕС та прилягаючих до нього зон.

Пропонуються нові математичні моделі активного та пасивного сейсмоакустичного моніторингу, які повинні відповідати певним вимогам до адекватності модельованого процесу, можливості реалізації їх у автоматизованих системах моніторингу у реальному часі, здатності до автоматизованого прийняття рішення щодо стану обєкта та прогнозу його розвитку. Створені моделі враховують випадковий характер реєстрованих та аналізованих сейсмічних полів. Головною особливістю є використання апріорних статистик, евристик дослідника про розподіл нестабільних параметрів системи, а випадку активного моніторингу- парметрів зондуючих сигналів. Створено алгоритмічне забезпечення, що базується на запропонованих моделях, та реалізація моделей у автоматизованих системах моніторингу.

Розглянуто концептуальні питання про створення систем моніторингу “раннього сповіщення” та систем тривоги. Пропонується концепція перетворення системи сейсмоакустичного моніторингу обєкта “Укриття” ЧАЕС, розробленої в Інституті геофізики, у систему тривоги.

Ключові слова: активний та пасивний моніторинг, моделювання, програмне забезпечення, автоматизована система, сейсмічна подія, зондуючий сигнал, виявлення сигналу.

Гай А.Е. Математические модели активного и пассивного сейсмоакустического мониторинга природных и природно-технических систем. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 – геофизика. Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, Киев, 2001.

В диссертационной работе приводятся общие сведения о мониторинге геофизических полей и состояние проблемы на современном этапе. В настоящее время существует два различных подхода к мониторингу природно-технических систем и развивающихся в них опасных процессов природного и техногенного характера. Согласно первому подходу мониторинг – это система наблюдений, оценки состояния и прогнозирования изменений природной среды, согласно второму – это система контроля (режимные наблюдения) и управления окружающей средой.

Экологически опасные объекты, такие как АЭС, плотины, водохранилища и т.д. нельзя рассматривать отдельно от состояния окружающей среды. Даже незначительные изменения в состоянии среды могут привести к катастрофам.

В задачах, связанных с мониторинговыми исследованиями важно определить свойства объекта исследования, выявить закономерности временных изменений в природных и природно-технических системах, установить источники, которые воздействуют на объекты, создания систем наблюдений.

Рассматриваются вопросы формирования необходимой базы геофизических данных для поддержки системы сейсмоакустического мониторинга на примере таких сооружений и прилегающих к ним зон, как объект “Укрытие” ЧАЭС.

Обычно различают два класса геофизических экспериментов: активные и пассивные. Если в активных экспериментах внешнее возмущение включается или управляется по воле человека, то в пассивных экспериментах – внешнее возмущение от человека не зависит, а зависит лишь контроль основных параметров этого возмущения.

Предлагаются новые математические модели активного и пассивного сейсмоакустического мониторинга. Основной особенностью является использование априорных статистик, эвристик исследователя о распределении нестабильных параметорв системы, а в случае активного мониторинга – параметров зондирующих сигналов. Модели пассивного мониторинга рассматриваются как задача разладки случайного процесса, которые реализованы физически в действующей системе мониторинга. Предложена математическая модель пассивного мониторинга для нестационарных процессов и нелинейных моделей.

Существенным в пассивном мониторинге является измерение поля эмиссии и отображение результатов наблюдения в пространство признаков. Суть его в обнаружении уклонения и оценке этого уклонения в априори выбранном пространстве признаков от стационарного поведения наблюдаемого поля. Это уклонение и является информативным для физически содержательных выводов о состоянии и развитии системы подверженной мониторингу.

Необходимо учитывать, что отдельные сейсмические события могут происходить на границах динамического диапазона, диапазона частот и энергий и, поэтому техногенные события должны быть включены в перечень сейсмических возмущений, подлежащих контролю, регистрации и классификации.

Рассмотрены концептуальные вопросы создания систем мониторинга “раннего оповещения” и систем тревоги. Предлагается концепция преобразования системы сейсмоакустического мониторинга объекта “Укрытие” ЧАЭС, разработанной в Институте геофизики, в систему тревоги.

Ключевые слова: активный и пассивный мониторинг, моделирование, програмное обеспечение, автоматизированная система, сейсмическое событие, зондирующий сигнал, выявление сигналов.

Gay A.E. Mathematical models of an active and passive seism acoustic monitoring of natural and men made systems. – Manuscript.

Thesis is for Candidate of Sciences Degree in Physics and Mathematics by the specialty 04.00.22 –geophysics – Institute of geophysics S.I.Subbotin National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2001.

In this work there are given the information connected with geophysics field monitoring and the present-day state of the problem. Under consideration there is the task of geophysical database design for, as an example, such construction as Shelter and the site territory of Chernobyl Nuclear Power Plant.

The new mathematical models of an active and passive seismic-acoustic monitoring are offered. The opportunities should answer to the certain requirements to adequacy of simulated process to realize them in the automated systems of monitoring in real time, ability to the automated acceptance of the decision on a condition of object and forecast of its development. The created models take into account stochastic character of registered and analyzed seismic fields. The basic feature is use a priori statistics, the researcher heuristic information about distribution of stable parameters of system, and in case of active monitoring - sounding signals.

The conceptual questions of the monitoring systems creation are considered. Especial the early notification and alarm systems are under consideration.

The concept of the project for transformation a seismic-acoustic monitoring system, which was early designed in S.Subbotin Institute of geophysics for Shelter, into the alarm system is offered.

Keywords: active and passive monitoring, modeling, program software, automated system, seismic event, sounding signal, revelation of signals.