CC BY
32
УДК 550.34
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ
Дмитрий Яковлевич Машников
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20; Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, магистрант, тел. (383)330-87-43, e-mail: mashnikovdmitriy@gmail.com
Аль Майяли Хасанайн Али Хуссейн
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)330-87-43, e-mail: halmayalee@gmail.com
Илья Николаевич Матвеев
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, аспирант, тел. (383)330-87-43, e-mail: ilmat192@gmail.com
Создание и развитие сетевых информационных технологий активного геофизического мониторинга окружающей среды, направленных на обнаружение и предупреждение чрезвычайных ситуаций, относятся к числу актуальных экологоохранных проблем. В связи с этим важной является задача разработки программно-технических средств дистанционного сбора, накопления и оперативного анализа геофизических данных. Авторами представлен программно-технический приемо-передающий комплекс с возможностями дистанционной передачи данных по каналам сотовой связи, Wi-Fi, и результаты его апробации в технологии вибро-сейсмоакустического мониторинга земной коры и нижней атмосферы на дальности «источник-приемник» 50 км.
Ключевые слова: сейсмический мониторинг, спектральный анализ, сейсмические вибраторы, передаточная функция, дистанционный сбор данных.
PROGRAM-TECHNICAL COMPLEX FOR REMOTE DATA TRANSMISSION AND ANALYSIS
Dmitriy Y. Mashnikov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marks Prospect; Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, undergraduate student, тел. (383)330-87-43, e-mail: mashnikovdmitriy@gmail .com
Al Mayali Hassanein AH Hussein
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marks Prospect, undergraduate student, тел. (383)330-87-43, e-mail: halmayalee@gmail.com
Ilya N. Matveev
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, postgraduate student, тел. (383)330-87-43, e-mail: ilmat192@gmail.com
Creation and development of a network of information technology active geophysical monitoring environment, aimed at detecting and preventing emergency situations are among the urgent problems of ecological security. In this regard, an important task is the development of software and hardware for remote collection, compilation and analysis of geophysical data. The authors of the presented program technical acceptance passing in complex with the possibilities of remote data transmission via cellular communication channels, Wi-Fi and the results of its testing in technology vibro-seismic-acoustic monitoring of the Earth's crust and lower atmosphere range 50 km.
Key words: seismic monitoring, spectral analysis, seismic vibrator, transfer function, remote data collection.
Введение. Создание и развитие сетевых информационных технологий геофизического мониторинга окружающей среды, направленных на обнаружение и предупреждение чрезвычайных ситуаций, относятся к числу актуальных экологоохранных проблем. Указанные технологии важны для региональных систем оперативного обнаружения и локации разрушительных природных и техногенных источников - землетрясений, взрывов и др., а также вибросей-смоакустических колебаний, используемых в проблеме активного сейсмоаку-стического мониторинга окружающей среды [1]. В связи с этим важной является задача разработки программно-технических средств дистанционного сбора, накопления и оперативного анализа геофизических данных от сети пространственно распределенных автономных станций. Авторами создан программно-технический приемо-передающий комплекс с возможностями дистанционной передачи данных по каналам сотовой связи, Wi-Fi. Описание и результаты его апробации в технологии вибросейсмоакустического мониторинга земной коры и нижней атмосферы на дальности «источник-приемник» 50 км представлены в данной работе.
Структура программно-технического комплекса. Основой данного комплекса для регистрации сигналов является станция «Байкал-8» [2]. Станция представляет собой 6-канальный регистратор сейсмических, акустических и других сигналов с 24-х разрядным АЦП. Она имеет в своем составе порт Ethernet, с помощью которого возможно подключение к компьютерной сети. При этом управление станцией осуществляется по протоколам telnet и BMX, а выдача данных - по протоколам SeedLink и FTP [2]. Станция снабжена программным обеспечением (ПО), позволяющим по внешним командам управления осуществлять функции задания режимов регистрации внешних сигналов и передачи цифровых данных во вне.
Поскольку сама регистрирующая станция не способна выполнять подключение к интернету через USB-модем и установку VPN-соединения, необходимо для этих задач применять маршрутизатор. Маршрутизатор обеспечивает VPN-подключение с сервером с помощью протокола L2TP [4]. Подключение к сети Интернет обеспечивается с помощью USB-модема. Для обеспечения работы станции «в режиме реального времени», «Байкал-8» синхронизируется с помощью GPS-антенны.
Для регистрации сигналов к станции подключены трехканальный сейсмо-датчик СК-1П, двухканальный акусто-сейсмический и одноканальный акустический датчики. Станция вместе с датчиками, маршрутизатором/модемом и системами питания расположена на ионосферной станции «Ключи» Новосибирской области. Общая схема подключения оборудования приведена на рис. 1.
VPN: 192.168.30.0/24 Сеть регистратора:
192.168.0.0/24
Рис. 1. Общая схема подключения регистрирующей станции на полигон
Сбор данных и преобразование форматов. Регистрируемые данные автоматически сохраняются в памяти станции «Байкал-8». Полученные данные, с помощью ПО станции "baykal-control" извлекаются в формате miniSEED. Формат miniSEED является подмножеством формата SEED, который используется для данных временных рядов. Формат miniSEED представляет собой усеченную версию SEED формата, где не включены некоторые данные: географические координаты, масштабирование и другая информация [4].
Преобразование форматов и анализ данных. Для анализа данных применяется программный пакет «Астра», работающий на платформе MATLAB. «Астра» является обобщением накопленного опыта в области создания программ обработки сейсмических и акустических данных. Она интегрирует в себе комплект инструментальных средств, который поддерживает широкий диапазон операций по обработке сейсмоданных, таких как поляризационный анализ, спектральный и спектрально-временной анализ, корреляционный анализ и т. д. Также пакет «Астра» содержит конвертер форматов miniSEED в формат PC. Последний является скриптом, который может быть запущен как для одного файла, так и для директории. Во втором случае скрипт рекурсивно обходит дерево каталогов и конвертирует все найденные файлы с расширением .seed.
С помощью пакета «Астра» произведен спектральный анализ данных, полученных с помощью созданного комплекса. Регистрация данных производилась на различных удалениях от вибратора ЦВ-40. В первом случае, оно составляло 0,3 км (регистрация данных производилась на полигоне «Быстровка»-в месте расположения источника), во второй - 50 км (на базе ионосферной станции «Ключи» Новосибирской области). С помощью данных, полученных в обоих пунктах, получена передаточная функция среды, показывающая затухание сейсмического сигнала по расстоянию.
С помощью дискретного преобразования Фурье со сверхвысоким разрешением происходит выделение узкополосного полезного сигнала на фоне шумов. На рис. 2 представлено выделение полезного сейсмического сигнала с частотой 8.5 Гц при спектральном разрешении Af = 0,001Гц.
С помощью спектрального анализа определяются амплитуды полезного сигнала. На рис. 3 представлены спектры амплитуд сейсмического сигнала от источника ЦВ-40, возбуждающий сейсмические колебания в низком диапазоне частот 8-10,5 Гц, полученные с полигонов «Ключи» и «Быстровка».
Ш. "Ключи" ■ "Быстровка"
11
8Гц 8,5 Гц 9 Гц 9,5Гц 10Гц 10,5Гц
Частота сейсмического сигнала, Гц
Рис. 3. Спектр амплитуды сейсмического сигнала в диапазоне частот 8-10,5Гц
Рис. 2. Спектр сейсмического сигнала на удалении от источника 50 км
По спектрам амплитуд сейсмического сигнала построена передаточная функция F, показывающая ослабление амплитуды сигналов в зависимости от расстояния на разных частотах: ^ = , где Г - передаточное число, Аш - амплитуда сигнала на расстоянии Я1, Аш2 - на расстоянии Я2. В качестве примера использовались уровни сейсмических колебаний, полученные на полигоне «Быстровка» на расстоянии R1 = 0,3 км от вибратора ЦВ-40 и на станции «Ключи» на удалении Я2 = 50 км.
На рис. 4 представлены графики передаточных функций для сейсмических сигналов по каналам X, У, Ъ и акустического сигнала. Из графика видно, что ослабление сейсмических сигналов сильнее всего происходит в диапазоне частот 8,0-10 Гц, где величины ослабления составляют в среднем 400 раз. Напро-
тив, ослабление акустических колебаний на этих расстояниях существенно меньше: на 8 Гц оно составляет около 50 раз, на 10.5 Гц - около 200 раз.
Рис. 4. Передаточные функции для сейсмического и акустического сигналов
Заключение. В статье представлен программно-технический комплекс, построенный на принципах сетевой архитектуры. Комплекс реализует функции регистрации и дистанционной передачи геофизических данных по каналам сотовой связи. Приводятся результаты апробации комплекса по регистрации и спектральному анализ данных на трассах 50 км и 0,3 км с помощью пакета «Астра». Построена передаточная функция канала передачи данных и сделаны выводы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хайретдинов М. С. Информационные технологии в глобальных мониторинговых сетях // Проблемы информатики. - 2009. - № 3. - С. 10-26.
2. Байкал-8. Техническое описание [Электронный ресурс]: Ревизия 1.4 от 16.06.2014. -Электронные данные. - Режим доступа: http://www.expas-sib.com/images/supplements/ by_8/By-8 %20manual %201.5.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
3. SeedLink protocol [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.seiscomp3.org/ doc/seattle/2012.279/apps/seedlink.html, свободный.
4. Incorporated Research Institutions for Seismology [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ds.iris.edu/ds/nodes/dmc/data/formats/miniseed/, свободный.
5. Протокол L2TP (Layer Two Tunneling Protocol) [Электронный ресурс]: MSDN Library. - Электронные данные. - Режим доступа: https://msdn.microsoft.com/m-ru/library/cc759432(v=ws.10).aspx, свободный. - Загл. с экрана.
© Д. Я. Машников, Аль Майяли Хасанайн Али Хуссейн, И. Н. Матвеев, 2017
