CC BY
80
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС СБОРА, ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ В УСЛОВИЯХ МОБИЛЬНЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ГРУПП
Сергей Александрович Авроров
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: sergey. [email protected]
В работе представлен программный комплекс обработки данных геофизических экспериментов, ориентированный на решение задач геофизического мониторинга и совместного анализа волновых полей различной физической природы: сейсмических и акустических. Комплекс состоит из двух частей: инструментарий для интерактивного анализа данных с графическим интерфейсом «SeismoWatch» и сетевая программная система удалённого сбора, обработки и анализа геофизических данных в режиме реального времени, осуществляющая взаимодействие с сетью регистрирующих станций.
Ключевые слова: сейсмология, программный комплекс, удалённый сбор данных, сетевая технология, обработка в реальном времени.
THE SOFTWARE FOR COLLECTION, PROCESSING AND ANALYSIS OF GEOPHYSICAL DATA FROM STATIONARY AND MOBILE SEISMIC GROUPS
Sergey A. Avrorov
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Researcher, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]
The software for geophysical data processing intended for solution of problems of geophysical monitoring and analysis of wave fields of various physical nature - seismic and acoustic is reported. The software consists of two parts: the toolkit for interactive data analysis with GUI «SeismoWatch» and network software system for remote data collection, processing and analysis in real time mode designed to interact with recording stations via network.
Key words: seismology, software, remote data collection, network technology, real-time data processing.
Проблема мониторинга разного типа сейсмических событий -геоакустических предвестников землетрясений, промышленных и полигонных взрывов, мест падения фрагментов отделяющихся частей ракет-носителей и др. является одной из ключевых в современной экологии окружающей среды. Особенность такого мониторинга состоит в том, что он осуществляется мобильными сейсмическими группами (МСГ) [1, 2], которые должны базироваться в предполагаемом районе возникновения событий.
На сегодня существует большая потребность в автоматизированной технологии сейсмического мониторинга сейсмических событий. Такая технология призвана в помощь человеку - оператору для снятия рутинной работы по обнаружению событий на фоне шумов в условиях непрерывного
мониторинга. При этом должны быть учтены требования к унификации взаимодействия с регистрирующей аппаратурой различного типа (МСГ, стационарные регистрирующие станции) и к обеспечению работоспособности в режиме реального времени.
Структура программного комплекса состоит из 2-х частей: программного инструментария для полуавтоматической обработки данных в «отложенном» режиме “SeismoWatch” и сетевой программной системы удалённого сбора и обработки данных в режиме реального времени «Незабудка».
Инструментарий “SeismoWatch” предназначен для так называемого «интерактивного анализа данных», позволяющего в отложенном режиме производить обработку и анализ данных, проверку концепции, метода, алгоритма за счёт гибкости, простоты расширения и богатых средств визуализации.
Инструментарий “SeismoWatch” включает в себя:
• алгоритмы цифровой обработки сигналов, реализованные в виде отдельной библиотеки на языке Си (за основу структуры библиотеки взята объектная модель, иерархия алгоритмов реализована в виде стека объектов);
• стандартные средства взаимодействия с внешней средой (поддержка форматов хранения сейсмических данных SEG-Y, Baikal, PC, Wav, взаимодействие с ГИС-системами);
• графический интерфейс пользователя и специализированные средства 2D/3D-визуализации.
Базовый пакет алгоритмов цифровой обработки сигналов реализован с использованием языков системного программирования, низкоуровневых библиотек с расчётом на промышленное применение и решение прикладных задач. Такой подход позволяет решать спектр задач, при которых исследуются и являются значимыми такие критерии, как: контроль
вычислительного процесса, производительность, переносимость. Эти факторы важны при исследовании алгоритмов обработки данных в реальном времени.
Инструментарий “SeismoWatch” характеризуется:
• многоступенчатой конвейерной схемой обработки сигналов, предоставляющей возможность производить комплексную обработку за счёт комбинирования алгоритмов;
• высокой производительностью, благодаря использованию языка системного уровня и оптимизированных библиотек;
• свойством кроссплатформенности, позволяющим скомпилировать систему под различные POSIX-совместимые [3] операционные системы и различные аппаратные платформы.
Инструментарий “SeismoWatch” включает в себя алгоритмы:
• многоканальной обработки (аддитивной, мультипликативной);
• вейвлет-фильтрации;
• построения огибающих (STA/LTA, амплитудной);
• корреляционного анализа данных;
• интерполяции данных;
• спектрального анализа;
• поляризационного анализа;
• генерации различных модельных сигналов;
• обнаружения и вычисления времён вступлений импульсных сигналов;
• вычисления азимутального направления источника.
Модуль синтеза вейвлет-фильтров инструментария “SeismoWatch” представляет собой среду двумерного анализа сигналов (по уровням разложения и по времени), позволяющую производить тонкую настройку вейвлет-фильтра исходя из задачи: фильтрация, обнаружение, сжатие сигналов. Синтезированный фильтр, будучи сохраненным в виде двоичного файла, может быть использован при обработке данных в составе сторонних приложений, использующих созданную динамическую библиотеку. Это позволяет решать задачи вейвлет-обработки данных с применением гибкой настройки как в системах реального времени, так и в составе Web-приложений.
Модуль сопряжения с ГИС-системой инструментария “SeismoWatch” основан на использовании унифицированного языка на основе XML для представления трёхмерных геопространственных данных - KML. Благодаря открытости и универсальности формата это позволяет производить визуализацию и дальнейшую обработку результатов локации целым набором профессиональных средств.
Сетевая программная система удалённого сбора и обработки данных в режиме реального времени («Незабудка») представляет собой программную основу для построения сети регистрирующих станций с использованием современной регистрирующей аппаратуры («Байкал», «RefTek»), поддерживающей удалённую передачу данных по сети Интернет. Система предназначена:
а) для автоматизации процесса удалённого сбора данных из множества источников различного типа (сетей сейсмических станций, сетевых хранилищ данных);
б) для многоступенчатой обработки, анализа, визуализации потоковых данных и последующей передачи в хранилище в реальном времени.
Архитектурно система представляет собой распределённую сетевую модульную программную платформу для объединения в вычислительный конвейер автономных вычислительных модулей. Каждый вычислительный модуль оформляется в виде отдельной программы (по принципу «чёрного ящика»), имеет многоканальный вход, многоканальный выход, взаимодействует с внешней средой через протокол обмена посредством потоков ввода/вывода POSIX.
Системные модули осуществляют операции:
- чтения данных из внешнего источника, генерации модельных данных, записи данных во внешнее хранилище;
- разделения одного потока данных в несколько, слияния нескольких потоков данных в один;
- управления скоростью течения данных внутри вычислительного тракта;
- визуализации многоканальных потоковых данных.
Прикладные вычислительные модули разрабатываются пользователем на основе спецификаций (протокола ввода-вывода).
Особенностью системы является:
- возможность задействования любого современного вычислительного инструментария, как аппаратного (графические процессоры, кластеры), так и программного (библиотеки NVidia CUDA, OpenCL, OpenMP, MPI, языки программирования Си/Си++, Fortran и т.д.);
- применение стандартных средств межпроцессного взаимодействия POSIX, что упрощает процедуру расширения в интересах решения новых прикладных задач;
- распределённая архитектура, что позволяет объединять пространственно-разнесённые ресурсы (регистраторы, хранилища данных, обработчики);
- возможность распределения потоков данных между вычислительными конвейерами (решение нескольких задач над одними и теми же данными).
Программная система «Незабудка» представляет собой перспективное программное решение для создания сети удалённого сбора и обработки геофизических данных в режиме реального времени и основу для исследования алгоритмов и программ обработки данных совместно с регистрирующими станциями «Байкал-8, Reftek».
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 10-07-003 87-а, № 11-05-92215-Монг_а, проектов СО РАН 4.5, 4.6, ИП СО РАН 54, 130.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хайретдинов М.С., Авроров С.А. Обнаружение и распознавание взрывных источников. // Вестник НЯЦ РК. - 2012. - №12. - С.17-24.
2. M. S. Khairetdinov, S. A. Avrorov, G. M. Voskoboinikova, G. F. Sedukhina. A geoinformation technology for assessment of the ecological risk of powerful technogenic and natural explosions. // Proc. of The 8thInternational Forum on Strategic Technology (IFOST 2013), June 28 - July 1, 2013, Ulaanbaatar, Mongolia. - С.256-258.
3. Галатенко В.А. Программирование в стандарте POSIX. [Электронный ресурс]/
В.А. Галатенко. - Режим доступа: http://www.intuit.ru/department/se/pposix. Дата
обращения: 27.02.2014.
© С. А. Авроров, 2014
