Информационная система для сбора и обработки гидроакустических данных на морском шельфе

Объект разработки и исследования.

В диссертации рассматривается информационная система поддержки экспериментальных гидрофизических исследований, основанная на современных информационных технологиях. На основе совместного использования модулей регистрации, статистической обработки, численного моделирования и объектной СУБД развивается распределенная, масштабируемая информационная система для научных исследований в процессе гидрофизического мониторинга.

Актуальность проблемы.

Прибрежная часть океана — океанский шельф — затрагивает широкий спектр интересов жизнедеятельности человека, например, задачи оборонного значения, добычи полезных ископаемых, проблемы экологии и рыболовства. Поэтому уже несколько десятков лет шельф является предметом повышенного внимания и объектом научных исследований для геологов, океанологов, акустиков и сейсмологов.

Характерной чертой прибрежной зоны является необычайно высокая активность ряда динамических процессов, возникающих в процессе взаимодействия атмосферы, океанической среды и литосферы. Так в океанической среде постоянно возникают разномасштабные гидродинамические возмущения: приливные и внутренние волны, вихри, меандрирующие течения, фронтальные зоны и др. 1] Изучение этих процессов позволяет прогнозировать состояние среды, предугадать климатические изменения, повысить безопасность судоходства, внести вклад в развитие экономики прибрежной зоны.

Наиболее перспективным и интенсивно развивающимся в последние годы направлением исследования динамических процессов и неоднородностей в мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические методы. Использование звуковых волн сделало возможным проводить комплексные исследования больших морских акваторий в непрерывном режиме.

Повышенный интерес к звуковым полям связан с возможностями акустического мониторинга разномасштабных гидродинамических возмущений морской среды [2]. Длительные наблюдения за процессами распространения звуковых волн дают принципиальную возможность обнаружения и физического анализа различных вихревых образований, приливных и внутренних волн, морских течений и процессов перемешивания водных масс. Такой мониторинг позволяет определять состояние океана по данным акустического зондирования, что в конечном итоге может стать решающим как для решения многих частных задач, таких, например, как обнаружение локальных неоднородностей водной среды.

Формирование звуковых полей в разных районах мелкого моря имеет целый ряд специфических особенностей, связанных со спецификой различных шельфовых зон Мирового океана.

Такая специфика обусловлена не только рельефом дна, структурой и акустическими свойствами донных осадков, но и пространственным распределением поля скорости звука, а также его возмущениями, вызванными гидродинамическими процессами на океанском шельфе. Количественные характеристики, описывающие формирование звуковых полей, всегда привязаны к конкретному географическому району и ко времени года. Это обстоятельство является главной причиной для проведения акустического мониторинга океанского шельфа.

Характерной чертой районов шельфовых зон Дальневосточных морей является активность метеорологических и атмосферных условий, наличие циклонов и тайфунов. Вследствие этого на шельфе Японского и Охотских морей наблюдаются активные гидродинамические процессы, как мезомасштабные — интенсивное перемешивание вод, так и синоптических масштабов — в виде выраженных вихреобразований. В осенний период на шельфах Японского и Охотского морей формируется выраженная плотностная стратификация, что является необходимым условием образования внутренних волн в шельфовой зоне.

Последние годы большое внимание привлекает «акустическое загрязнение» водной среды, вызванное активизацией экономической деятельности человека. Так на шельфе северо-востока Сахалина государственные проекты добычи нефти вступили в стадию широкомасштабного строительства морских промышленных объектов. Производственная деятельность в шельфовой зоне значительно увеличила опасность негативного воздействия промышленного шума на морскую биоту и потребовала проведения мониторинга с целью контроля влияния технологических процессов на экологию.

Проблематика гидрофизического мониторинга, необходимость проведения длительных наблюдений и сложность гидроакустических исследований на шельфе ставят задачи не только сбора и хранения информации, но и предполагают комплексную переработку данных с целью извлечения закономерностей и знаний, создавая условия для совместной работы специалистов разного профиля [3, 4]. Экспоненциальный рост объемов цифровой информации, внедрение новых типов оборудования, усложнение методов обработки и анализа данных требует соответствующего программного обеспечения, создания систем, моделирующих как представление собственно предметных областей, так и уже накопленных знаний о них — геоинформации, объединяющей модельное теоретическое представление, данные измерений и результаты их обработки, а также соответствующие средства представления сведений [5,6]. Недостатком большинства существующих программных комплексов, применяемых в научных гидроакустических экспериментальных исследованиях, является сосредоточенность на частных задачах, унитарность программно-аппаратной организации ввода сигналов, сосредоточенность процессов ввода, визуализации и обработки на одном компьютере, жесткая привязка программного обеспечения к используемому оборудованию и невозможность модернизации аппаратной базы исследований без значительного изменения в кодах программ [7]. Внедрение новых типов оборудования и режимов обработки влечет сложную и дорогостоящую корректировку программных и аппаратных решений и является источником рисков и ошибок. С концептуальной точки зрения основным недостатком существующих программных систем является отсутствие предметной ориентированности на исследуемый объект, смещение нацеленности с прогноза и анализа изучаемых пространственно-временных явлений на задачи регистрации и обработки данных [6].

Таким образом, проблема разработки распределенной информационной программной системы сопровождения гидроакустических исследований на основе современных геоинформационных концепций и технологических стандартов является актуальной. Решению этой задачи посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи исследования

.

Целью данной работы является разработка информационной системы сопровождения экспериментальных гидроакустических исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— выполнен системный анализ и разработана информационная объектная модель гидроакустического мониторинга;

— реализована система программ для обеспечения накопления, сбора и хранения гидроакустических данных;

— создан пакет программ для численного моделирования внутренних волн и звуковых полей в шельфовой зоне, в соответствии с задачами гидроакустического мониторинга;

— исследовано влияние распространяющихся вдоль шельфа слабонелинейных внутренних волн на акустическое поле;

— выполнена регистрация и статистический анализ данных в условиях экспериментальных научных исследований на шельфах Японского и.

Охотского морей.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 13 статей, из них 5 — в рецензируемых журналах, имеется государственное свидетельство о внедрении базы данных.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы объектно-ориентированного системного анализа, математической статистики и анализа случайных процессов, численного моделирования.

Методы системного анализа привлекались для разработки объектной модели предметной области и определения требований к разработке.

Методы математической статистики и анализа случайных процессов использовались для реализации алгоритмов спектрального оценивания и обработки экспериментальных данных.

Численное моделирование применялось на этапе планировании работ и в процессе интерпретации результатов наблюдений.

Научная новизна.

В результате выполнения данной диссертационной работы была разработана система информационной поддержки научных гидроакустических экспериментальных наблюдений, основанная на современных аппаратно-программных технологиях.

Научная новизна заключается в комплексном характере, ориентированном на поддержку полного цикла экспериментальных гидроакустических наблюдений, начиная от планирования эксперимента и заканчивая оформлением результатов исследований с учетом совместной многопользовательской работы в компьютерной сети, используя объектную СУБД для хранения данных и алгоритмов.

В диссертации были получены следующие основные научные результаты:

1. В рамках геоинформационного подхода разработана подробная модель гидроакустического мониторинга на шельфе. Определена структура и функциональная схема измерительно-информационной системы, предложены варианты реализации распределенных модулей и компонентов.

2. Выполнена реализация распределенного программного комплекса, включающей серверную, клиентскую и аппаратные части. Созданы пакеты программ ввода данных от регистраторов, разработаны программы параметрического и непараметрического спектрального анализа, фильтрации и статистических методов. Реализован комплекс программ численного моделирования динамики слабонелинейных внутренних волн на шельфе с переменной топографией и расчетов акустического поля на основе широкоугольного параболического уравнения.

3. Согласно последовательности этапов гидроакустических натурных исследований — «планирование-регистрация-интерпретация данных» -выработана методика использования компонентов информационной системы. Методика основана на комплексном подходе к сопровождению гидроакустических экспериментальных наблюдений и использовании численного моделирования для создания и анализа модели предметной области и обеспечена возможностями статистической обработки данных.

4. С помощью ИИС выполнен комплекс важных гидроакустических измерений. На основе натурных данных и численного моделирования проведен анализ влияния распространяющихся вдоль шельфа внутренних волн на акустическое полеполучены и обработаны экспериментальные данные о уровнях технологических шумов на шельфе о.Сахалин.

Практическая ценность.

Предложенная информационная система разрабатывалась для решения практических задач и к настоящему времени использовалась в ряде экспериментальных исследований. Комплекс программ позволяет моделировать распространение звука от тональных источников с учетом реальной топографии и гидрологиивыполнить численное моделирование динамики слабонелинейных внутренних волн на шельфев режиме реального времени вводить данные от аналоговых и цифровых регистратороввыполнять спектральный анализ временных рядовсвоевременно фиксировать моменты изменения характеристик наблюдаемых процессовподготавливать накопленные массивы данных к хранению.

Возможности информационной системы позволяют получить ценную информацию на этапе планирования экспериментов. Расчеты собственных функций линейных внутренних волн для характерных гидрологических условий позволяют оценить их возможный состав, скорости распространения и степень воздействия на гидрологию вдоль гидроакустических трасс. Численное моделирование слабонелинейных внутренних волн позволяет оценить скорости распространения таких волн, важнейшие точки перестройки волновых пакетов, связанные с изменением глубин и гидрологических условий. Оценка модового состава линейных акустических волн для жидкой среды дает представление о геометрии подводного звукового канала. Численное моделирование распространения звука дает ценную информацию о влиянии взаимного расположения приемников и излучателей на акустическое поле в условиях типичной гидрологии, позволяет оценить ожидаемые значения измеряемых величин вдоль трасс «источник-приемник». и.

К наиболее востребованным на практике составляющим системы относятся: программно-аппаратная системы ввода и обработки экспериментальных гидроакустических данных [8, 9]. Система обеспечивает цифровой ввод и спектральный анализ данных с нескольких регистрационных устройств, причем отдельное устройство (вертикальная гидроакустическая антенна) может содержать 40 датчиков, передающих информацию от температурных и акустических сенсоров. На основе современной технологии удалось добиться распределения вычислительной нагрузки в компьютерной сети и обеспечить высокую надежность и стабильность работы системы регистрации в течение длительного времени.

В 2004 г система была модернизирована, расширена и успешно применялась в дальнейшем для задач гидроакустического мониторинга на шельфе о. Сахалин. Использование разработанной технологии позволило унифицировать методику работы с аналоговыми и цифровыми системами регистрации, работающими в различных режимах (частоты передачи данных, параметры аппаратуры, методика обработки) и указало направления необходимой модификации регистрирующих устройств.

Введение

информационной системы в состав интернет-портала поддержки гидроакустических исследований, создало условия для развития расширенной системы гидроакустического мониторинга и координации накопленной в ходе экспериментов информации [10].

Функциональность и практическая ценность подтверждена актами внедрения системы в ОАО «Сахалинская энергия» (от 03/11/2006 г. Ю-Сахалинск) и «Jasco Ltd» (от 26/10/2006 г. Виктория, Канада).

Оригинальность объектной структуры базы данных для хранения информации, накопленной в процессе гидроакустического мониторинга, подтверждена государственным свидетельством о регистрации 2 007 620 047.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. В первой главе определена системная модель информационно-измерительной системы (ИИС) сопровождения гидроакустических наблюдений, основанная на геоинформационной концепции предметной области.

Во второй главе рассмотрены компоненты ИИС, обеспечивающие теоретическую основу цифровой модели гидроакустического мониторинга, математическую обработку и статистический анализ данных.

В третьей главе изложена практика применения ИИС в гидроакустических натурных наблюдениях и сформулирована методика использования.

В Приложении 1 изложен системный анализ области применения информационной системы, который включает разработку и подбор представлений предметной области, определение сценариев работ, рассмотрение потоков данных, выделение совокупности наиболее употребляемых математических моделей.

В Приложении 2 демонстрируется способ организации программного комплекса на основе многослойной архитектуры.

В Приложении 3 приведены копии актов внедрения ИИС и патент.

На защиту выносятся:

1. Разработанная модель информационной системы с анализом важнейших этапов работ и потоков данных в процессе гидроакустического мониторинга;

2. Программный комплекс поддержки гидроакустических экспериментальных исследований;

3. Методика применения информационной системы в гидроакустических исследованиях на шельфе.

Выводы по главе.

С помощью ИИС, на основе экспериментальных наблюдений выполнено моделирование внутренних волн, возбуждаемых буксируемым траломпроведено моделирование и выполнен анализ влияния распространяющейся внутренней волны на акустическое поле для условий на мелком шельфе с развитым сезонным пикноклином. Из результатов обработки натурных экспериментов и моделирования сделаны заключения о влиянии и характерных особенностях волновых процессов. Приведенные расчеты показали, что использование сравнительно простых моделей внутренних волн и звуковых полей дает результаты, находящиеся в качественном, а по некоторым параметрам — и в количественном соответствии с экспериментальными данными.

Опыт применения численных моделей позволяет сделать вывод о том, что применение программ моделирования позволяет улучшить качество обработки данных и расширяет возможности применения ИИС в целомдает возможность выполнить подготовительный анализ на этапе планирования акустико-гидрофизических работ и более глубоко исследовать результаты наблюдений.

В период с 2003 по 2006 г. г., с помощью ИИС выполнен большой объем работы в районе шельфа о. Сахалин, с целью исследования характеристик затухания звука в зависимости от направления, дистанции, типа и положения источника. Ежегодно, в течение 2−2.5 месяцев в экспедициях проводилась непрерывная регистрация и анализ данных для задач мониторинга технологических шумов. В ходе исследований получены результаты об основных видах акустических индустриальных шумов, их изменчивости и параметрах распространения в зависимости от направления и условий распространения.

Полученный опыт работ показал целесообразность выбранного программного инструментария и подтвердил эффективность ИИС в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе описана информационная система сопровождения гидроакустических наблюдений на шельфе, реализованная на основе опыта личного участия автора во всех стадиях исследований и с учетом многолетней практики экспериментальных работ.

В рамках геоинформационного подхода разработана подробная модель гидроакустического мониторинга на шельфе. Модель реализована согласно концепции объектно-ориентированного программирования и методов распределенных приложений.

Создан программный комплекс, включающей серверную, клиентскую и аппаратные части. Созданы пакеты программ ввода данных от регистраторов, разработаны программы параметрического и непараметрического спектрального анализа, фильтрации и статистических методов. Реализован комплекс программ численного моделирования динамики слабонелинейных внутренних волн на шельфе с переменной топографией и расчетов акустического поля на основе широкоугольного параболического уравнения.

Согласно последовательности этапов гидроакустических натурных исследований — «планирование-регистрация-интерпретация данных» выработана методика использования компонентов информационной системы. Методика основана на комплексном подходе к сопровождению гидроакустических экспериментальных наблюдений и использовании численного моделирования для создания и анализа модели предметной области и обеспечена возможностями статистической обработки данных. Использование методов численного моделирования позволило расширить область применимости разработки как на задачи подготовки и планирования экспериментов, так и на вопросы интерпретации полученных данных.

С помощью ИИС выполнен комплекс важных гидроакустических измерений. На основе натурных данных и численного моделирования проведен анализ влияния распространяющихся вдоль шельфа внутренних волн на акустическое полеполучены и обработаны экспериментальные данные о уровнях технологических шумов на шельфе О.Сахалин. Практическая ценность разработки подтверждена эксплуатацией системы в течение 2001;2006 годов для задач научных гидроакустических исследований на шельфах Японского и Охотского морей. Работоспособность и качество подтверждены двумя актами внедрения и свидетельством о регистрации БД.

Ориентация системы на гидроакустические приложения позволила без задержки перейти от стадии проектирования и разработки к применению в реальных экспериментальных исследованиях, проверить на практике работоспособность заложенных схем и решений, получить рекомендации специалистов различного профиля. Учитывая, что гидроакустические измерения являются одними из наиболее сложных и технологичных, полевая практика эксплуатации системы в гидроакустических экспериментах на стационарном полигоне ТОЙ ДВО РАН и в экспедициях ходе экологического мониторинга шельфа О. Сахалин, стали неоценимыми критериями для проверки всех звеньев цепи информационного сопровождения экспериментов.

Современные тенденции в области интеграции информации методами Интернет, оказали значительное влияние на разработку, открыв новые возможности для организации совместной работы исследователей в рамках крупных проектов.

Накопленный опыт разработки и применения ИИС позволяет проводить необходимую модернизацию программного комплекса, обеспечивая сопровождение и информационную поддержку широкого класса научных гидроакустических наблюдений на морском шельфе.

Благодарности.

Научное руководство Ярощука И. О. (ТОЙ ДВО РАН) и его постоянный интерес к работе позволил расширить направленность разработки на геофизические исследования и найти новые приложения системы на практике.

Комплекс экспериментальных работ, выполняемых в лаб. 2/4 ТОЙ ДВО РАН, под руководством Рутенко А. Н., обеспечил практическую базу для развития программного комплекса и дал ценный опыт взаимодействия специалистов различного профиля.

Научное руководство в области численных методов анализа и моделирования осуществлялось Трофимовым М. Ю. (ТОЙ ДВО РАН).

Привлечение к работам над интернет-проектом, постановка более широких задач информационного плана, конструктивная критика и рекомендации стали значимой помощью Бездушного А. Н. (ВЦ РАН г. Москва).