КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-11-00087
НазваниеКомплексный анализ акустических и электромагнитных сигналов для оценки уровня сейсмической опасности и предупреждения природных и техногенных катастроф
Руководитель Марапулец Юрий Валентинович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и распространения радиоволн Дальневосточного отделения Российской академии наук , Камчатский край
Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-213 - Обработка и анализ изображений и сигналов
Ключевые слова Геоакустическая эмиссия, электромагнитная эмиссия, интеллектуальный анализ данных, частотно-временной анализ, разреженная аппроксимация, структурно-лингвистический анализ, параллельные вычисления.
Код ГРНТИ28.21.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку методов и технических средств комплексного анализа сигналов геоакустической и электромагнитной эмиссии для автоматизированной оценки состояния системы поверхностный слой Земли - низкие слои атмосферы в периоды предшествующие опасным сейсмическим событиям. Исследование относится к актуальному и важнейшему научному направлению - развитию теории моделирования механизмов природных катастроф на основе учета влияния определенного множества различных физических факторов. Существуют известные слабопредсказуемые угрозы гибели населения и глобальных разрушений технических и жилых конструкций вызванные сильными землетрясениями и цунами. Наиболее сейсмоопасными регионами, имеющими социальное, экономическое и оборонное значение, являются территория Тихоокеанского побережья России: остров Сахалин, Курильские острова, Магаданская область, Камчатский край, Чукотка. Сотрудники ИКИР ДВО РАН с начала 90-х годов прошлого века самостоятельно проводят исследования по выявлению и отбору предвестников заметных сейсмических событий с применением различных методов обработки и анализа сигналов, поступающих от сети станций, развернутых в различных точках Камчатки. Результатом проведенных исследований явились выявленные в ходе обработки и анализа геоакустических сигналов характерные признаки, которые обнаруживаются в них до наступления сейсмического события с периодом от нескольких часов до нескольких суток. Аналогичный результат был также получен и при анализе сигналов электромагнитной эмиссии. В настоящее время в ИКИР ДВО РАН для анализа геоакустических сигналов разработаны оригинальные методы частотно-временного анализа на основе разреженной аппроксимации, которые позволяют производить синхронную многоканальную обработку и накопление поступающих данных в реальном времени на синтезированном аппаратно-программном комплексе, реализующем параллельные вычисления на графических процессорах (технология CUDA). Это позволило обеспечить обнаружение признаков наступления сейсмического события в реальном времени. В ходе предлагаемого проекта будут реализованы разработка и апробация надежных алгоритмов выделения значимых признаков - маркеров предсказания сейсмических событий по данным совместной обработки и анализа геоакустических и электромагнитных сигналов, повышающие вероятность правильного предсказания сейсмических событий. Будет проведен значительный объем вычислительных работ, связанных с препроцессингом и анализом накопленных файловых архивов и баз данных предобработки геофизических сигналов от источников разной физической природы с последующим установлением связи выделенных характеристик с известными сейсмическими событиями. Это позволит выделить определенное признаковое пространство для функционирования вычислительных алгоритмов обнаружения литосферно-атмосферных аномалий, связанных с сейсмическими событиями. Для оперативного предупреждения о возможной сейсмической опасности в проекте будет разработан аппаратно-программный комплекс, реализующий автоматизированный анализ поступающих данных в масштабе близком реальному времени.
Основными задачами проекта являются:
1. Создание теоретических основ описания поведения и внутренней структуры геоакустических и электромагнитных сигналов импульсной природы в пространственно-временной и частотно-временной областях.
2. Разработка методологии формирования пространства признаков - показателей типового и аномального пространственно-временного поведения характеристик сигналов, сформированной на основании комплексного анализа накопленных файловых архивов и баз данных результатов предобработки сигналов геоакустической и электрической эмиссий.
3. Создание технологии обнаружения и отбора пространственно-временных фрагментов фиксируемых сигналов, очистки их от помех, выделения значимых моментов динамических процессов геоакустической эмиссии, а также наблюдаемых электромагнитных импульсов, обусловленных литосферно-атмосферными связями.
4. Создание технологии комплексного анализа геофизических параметров и изучения процессов в приповерхностной литосферно-атмосферной системе Земли в периоды фоновой и аномальной активности по данным средств регистрации.
5. Создание интерактивной программной среды для поиска обнаруживаемой фоновой и аномальной активности литосферно-атмосферной системы, а также последующего комплексного анализа в интересах выделения прогностических признаков значимых сейсмических событий. Адаптация и внедрение известных методов интеллектуального анализа, в том числе оригинальных алгоритмов, разработанных авторами проекта, к обработке файловых архивов и баз данных многолетних результатов предобработки сигналов геоакустической и электромагнитных эмиссий.
6. Создание реестра признаков фоновой и аномальной активности литосферно-атмосферной системы по результатам совместного анализа сигналов геоакустической эмиссии и электромагнитных явлений в атмосфере. Создание методических рекомендаций по использованию реестра для идентификации предвестников сейсмических явлений.
7. Разработка и создание автоматизированных аппаратно-программных средств оперативного наблюдения, выделения, идентификации выявленных эффектов, возникающих в периоды прогнозируемых сейсмических событий в масштабе реального времени. Создание дополнительных точек – источников эмиссионных сигналов в интересах повышения точности измерения пространственно-временных характеристик сигналов. Апробация системы на реальных данных геоакустической и электромагнитной эмиссий.
8. Разработка автоматизированного программного пакета для комплексного структурно-лингвистического анализа выявленных эффектов для обнаружения признаков сейсмических событий, уровня их значимости и вероятности возникновения предсказываемого события, обеспечивающего оперативность работы оператора в масштабе близком реальному времени. Апробация системы на реальных данных геоакустической и электромагнитной эмиссии.
9. Создание аппаратно-программной реализация созданных инструментов обработки и анализа сигналов в реальном времени с использованием технологии CUDA.
Разработанный в ходе реализации проекта макет программно-аппаратного комплекса, пройдет апробацию на Камчатке, а затем будет реализован в качестве серии полнофункциональных программно-аппаратных комплексов, которые будут установлены в сети обсерваторий ИКИР ДВО РАН на территории Российской Федерации (Камчатка, Сахалин, Магадан, Хабаровск, Чукотка) для получения среднесрочных и краткосрочных маркеров - предвестников землетрясений и цунами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Сенкевич Ю.И., Гапеев М.И.
Среда визуального проектирования макетов обработки и анализа сигналов акустической и электромагнитной эмиссий
Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки., № 2(22). C. 71-84. (год публикации - 2018)
10.18454/2079-6641-2018-22-2-71-84
2. Сенкевич Ю.И., Луковенкова О.О., Солодчук А.А. Методика формирования Реестра геофизических сигналов на примере сигналов геоакустической эмиссии Геосистемы переходных зон (год публикации - 2018)
3.
Ларионов И.А., Малкин Е.И., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Солодчук А.А.
Макет автоматизированного аппаратно-программного комплекса для оперативного мониторинга, идентификации и анализа геофизических сигналов
Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки., № 4(24). С. 213-225. (год публикации - 2018)
10.18454/2079-6641-2018-24-4-213-225
4.
Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А.
Modernization of adaptive matching pursuit method to analyze geophysical signals of pulse nature
E3S Web of Conferences, 2018. Vol. 62. 02012. 13 p (год публикации - 2018)
10.1051/e3sconf/20186202012
5. Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А. Using a sparse model to evaluate the internal structure of impulse signals Conference Proceedings of IEEE Signal Processing: Algorithms, Architectures, Arrangements, and Applications (SPA-2018), P. 235-238 (год публикации - 2018)
6. Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А. A Comparison of Numerical Schemes for Dictionary Iterative Refinement in Problems of Sparse Approximation Proceedings of 21th IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM 2018) (год публикации - 2018)
7. Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А. Methods for Increasing the Accuracy of Geoacoustic Emission Signal Models Based on Sparse Approximation Proceedings of International multi-conference on industrial engineering and modern technologies (FarEastCon-2018) (год публикации - 2018)
8. Луковенкова О.О., Марапулец ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А. Investigation of Optimization Methods for Matching Pursuit Algorithm Based on Geoacoustic Emission Data Proceedings of IEEE Northwest Russia conference on mathematical methods in engineering and technology (MMET NW 2018) (год публикации - 2018)
Публикации
1. Луковенкова О., Марапулец Ю., Ким А., Тристанов А. Investigation of Pre-seismic Signals of Electromagnetic VLF Range Emission in Kamchatka Proceedings of International multi-conference on industrial engineering and modern technologies (FarEastCon-2019) (год публикации - 2019)
2.
Сенкевич Ю.И., Марапулец Ю.В., Луковенкова О.О., Солодчук А.А.
Методика выделения информативных признаков в сигналах геоакустической эмиссии
Труды СПИИРАН, Т. 18. № 5. С.1066-1092 (год публикации - 2019)
10.15622/sp.2019.18.5.1066-1092
3. Гапеев М.И., Сенкевич Ю.И., Луковенкова О.О., Солодчук А.А. Method for identification of geopulses to include into the Geophysical Signal Catalogue Сборник трудов V международной конференции и молодежной школы "Информационные технологии и нанотехнологии" (ИТНТ-2019), Сборник трудов ИТНТ-2019. Самара: Новая техника, 2019. Т. 4: Науки о данных. 2019. С. 455-461 (год публикации - 2019)
4.
Сенкевич Ю.И.
Auto clustering of the variety of pulse signals based on their symbolic description
E3S Web of Conferences, 2019. Vol. 127, 02005.14 p. (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912702005
5.
Луковенкова О., Солодчук А., Тристанов А., Малкин Е.
Complex analysis of pre-seismic geoacoustic and electromagnetic emission signals
E3S Web of Conferences, 2019. Vol. 127, 03001. 8 p. (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912703001
6. Тристанов А., Луковенкова О., Марапулец Ю., Ким А. Improvement of methods for sparse model identification of pulsed geophysical signals Conference Proceedings of IEEE Signal Processing: Algorithms, Architectures, Arrangements, and Applications (SPA-2019), Conference Proceedings. P. 256-260 (год публикации - 2019)
7. Ларионов И.А. Аппаратно-программный комплекс сбора и обработки геофизических данных Труды 7 научно-технической конференции "Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России", Сборник трудов. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2019. С.459-462 (год публикации - 2019)
8.
Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Ким А.А.
Investigation of electromagnetic VLF-range signals applying sparse approximation schemes
IEEE Xplore Digital Library, Soft Computing and Measurements (SCM), 2019, P. 37 - 40 (год публикации - 2019)
10.1109/SCM.2019.8903784
9.
Гапеев М.И., Сенкевич Ю.И., Луковенкова О.О., Солодчук А.А.
System approach to identification of geopulses
Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 2019. 1368. 052034. 12 P. (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1368/5/052034
Публикации
1.
Луковенкова О.О., Солодчук А.А.
Analysis of geoacoustic emission and electromagnetic radiation signals accompanying earthquake with magnitude Mw = 7.5
E3S Web of Conferences, Vol. 196, 03001, 12 p. (год публикации - 2020)
10.1051/e3sconf/202019603001
2.
Сенкевич Ю.И.
Search for anomalies in pulse flows of acoustic and electromagnetic emissions
E3S Web of Conferences, Vol. 196, 03006, 8 p. (год публикации - 2020)
10.1051/e3sconf/202019603006
3.
Марапулец Ю.В., Сенкевич Ю.И., Луковенкова О.О., Солодчук А.А.
Method of analysis and classification of acoustic emission signals to identify pre-seismic anomalies
Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, Special Issue on Multidisciplinary Innovation in Engineering Science & Technology (2020), Vol. 5, No. 6, P. 894-903 (год публикации - 2020)
10.25046/aj0506106
4.
Сенкевич Ю.И.
Search for hidden patterns in acoustic and electromagnetic pulse signals
2020 XXIII International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM), IEEE, pp. 210-213 (год публикации - 2020)
10.1109/SCM50615.2020.9198754
5. Сенкевич Ю.И., Солодчук А.А., Луковенкова О.О. Classification of geophysical signal pulses based on their shapes 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), IEEE (год публикации - 2020)
6. Сенкевич Ю.И. Лингвистический анализ потоков акустической и электромагнитной эмиссии Доклады 22-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA-2020", C. 158-162 (год публикации - 2020)
7. Марапулец Ю.В., Сенкевич Ю.И., Луковенкова О.О., Солодчук А.А., Ларионов И.А., Мищенко М.А., Малкин Е.И., Щербина А.О., Гапеев М.И. Комплексный анализ акустических и электромагнитных сигналов для оценки уровня сейсмической опасности Комплексный анализ акустических и электромагнитных сигналов для оценки уровня сейсмической опасности. – Владивосток: Дальнаука, 2020. – 120 с., 120 c. (год публикации - 2020)
8. Сенкевич Ю.И. Поиск скрытых закономерностей в потоках импульсных сигналов акустической и электромагнитной эмиссии Сборник докладов XXIII Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2020), Т. 1, С. 264-267 (год публикации - 2020)