ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
А.Г. Коробейников, Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов
УДК 004.896;681.2.082;681.518.3
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
А.Г. Коробейников, Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов
Рассмотрены интеллектуальные информационные системы магнитных измерений, разработанные и применяемые в Санкт-Петербургском филиале учреждения Российской академии наук «Институт Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН» (СПбФ ИЗМИРАН). Данные системы основаны на знаниях и представляют собой комплекс программных, лингвистических и логико-математических средств для решения конкретных задач в режиме диалога на естественном языке. Ключевые слова: интеллектуальные информационные системы, прогноз землетрясений, навигация по магнитному полю Земли, поиск магнитных объектов.
Введение
Как известно, современные интеллектуальные системы (ИС) подразделяются на два класса: системы общего назначения и специализированные [1]. Технология использования систем общего назначения состоит в следующем. Пользователь (эксперт) формирует знания (данные и правила), описывающие выбранную проблемную область. Далее на основании этих знаний, заданной цели, исходных данных и метапроцедур система генерирует и исполняет решение задачи. Данную технологию называют технологией систем, основанных на знаниях, или технологией инженерии знаний. Она позволяет специалисту, не обладающему профессиональными знаниями в области программирования, разрабатывать информационные прикладные приложения. В настоящее время инструментальными средствами общего назначения являются экспертные оболочки и языки обработки знаний [2, 3].
В общем случае все системы, основанные на знаниях, можно подразделить на системы, решающие задачи анализа, и на системы, решающие задачи синтеза. Основное отличие задач анализа от задач синтеза заключается в том, что если в задачах анализа множество решений может быть перечислено и включено в ИС, то в задачах синтеза множество решений потенциально не ограничено и строится из решений, наиболее удовлетворяющих техническому заданию.
Многие задачи, где используются данные магнитных измерений, относятся к плохо или слабо формализованным задачам. Для их решения в настоящее время широко применяются разновидности ИС – экспертные системы (ЭС) и интеллектуальные информационные системы (ИИС).
Задачи, решаемые при помощи ИИС, обычно классифицируют следующим образом: интерпретация, планирование, прогнозирование, мониторинг, проектирование, диагностика, обучение, контроль и управление.
ИИС магнитных измерений (МИ) в реальной практике учитывают специфику предметной области, и поэтому используют методы соответствующего класса. Обычно это интерпретация, прогнозирование, контроль и управление.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
39
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
ИИС МИ для прогнозирования местоположения очага будущего сильного землетрясения
Наблюдения сверхнизкочастотных (СНЧ) и ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных волн (F=100,001 Гц) в сейсмоактивных зонах проводятся в течение последних 15–20 лет, после появления высокочувствительных магнитометров. Результаты измерений в различных сейсмически активных районах Земли показали, что как на подготовительной стадии развития очаговых зон средних и сильных (магнитуда M>5) землетрясений, так и в период афтершоковой активности на больших расстояниях от будущего эпицентра наблюдаются аномальные СНЧ электромагнитные излучения большой интенсивности. Как правило, эти эмиссии имеют шумовой характер, возникают задолго до главного сейсмического толчка и продолжаются в течение всего периода сейсмической активности.
Измерения параметров геомагнитных вариаций в одной точке на поверхности Земли не позволяют определить направление на источник вариаций. ИИС МИ позволяют решить эту задачу, используя дифференциальные методы измерений. В настоящее время одним из основных методов является фазовоградиентный метод для исследования геомагнитных пульсаций. Этот метод позволяет по трем трехкомпонентным магнитным станциям, расположенным на земной поверхности треугольником на небольшом (до 5 км) расстоянии друг от друга (магнитный градиентометр), построить вектора градиентов и фазовых скоростей геомагнитных пульсаций вдоль земной поверхности для любой из трех компонент магнитного поля. При этом предполагается, что расстояние между станциями много меньше расстояния до источника геомагнитных вариаций и длины геомагнитной волны. В этом случае градиенты магнитного поля вариаций и фазовые скорости геомагнитных волн будут близки к истинным величинам. Вектора градиентов геомагнитных волн, как правило, направлены к локальному источнику пульсаций, а вектора фазовых скоростей – от источника. Если имеются данные МИ от двух магнитных градиентометров, разнесенных на расстояние примерно в 100 км, то ИИС МИ по пересечению направлений этих векторов позволяет определять местоположение источника (точнее, его проекцию на земную поверхность), т.е. проводить магнитную локацию [4].
35,5°N
35,0°
S M Izu
K
Boso
F 5.8
Ki U
6.3
34,5°
6.4 6.1
50 km
139,0°
139,5°
140,0°
Рис. 1. Расположение магнитных станций и эпицентров сильных землетрясений в Японии. Треугольники – станции S, M, K (Сейкоши, Мочикоши, Камо) и F, Ki, U (Фудаго, Киосуми, Учиура),
звездочки – эпицентры землетрясений, цифры рядом – магнитуда землетрясения
ИИС МИ в каждом конкретном случае принимает решение о нахождении градиентов и фазовых скоростей геомагнитных вариаций одним из двух способов – чисто экспериментальным путем или в рам-
40 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.Г. Коробейников, Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов
ках модели плоской электромагнитной волны. В первом случае необходимо определять фазовые задержки и разности величин амплитуд вариаций между двумя любыми парами станций магнитного градиентометра, состоящего из трех разнесенных станций. Поскольку координаты магнитных станций и расстояние между ними известно, то можно определить градиенты и фазовые скорости для двух пар станций, выбранных из трех станций магнитного градиентометра, и затем построить вектор фазовой скорости и градиента пульсаций вдоль земной поверхности.
В рамках модели плоской электромагнитной волны величина фазовой скорости между двумя точками на земной поверхности определяется через амплитуды соответствующих компонент вариаций магнитного поля с учетом фазовой задержки.
Экспериментальная эксплуатация ИИС МИ для решения задач прогнозирования местоположения очагов будущих сильных землетрясений проводилась с 1998 года в Японии на полуостровах Изу и Босо, где велась регистрация вариаций магнитного поля Земли (МПЗ) и теллурических токов шестью высокочувствительными цифровыми трехкомпонентными магнитными станциями MVC-3DS, разработанными в СПбФ ИЗМИРАН. На рис. 1 показано расположение магнитных станций (черные треугольники) на территории Японии. Три станции расположены на полуострове Изу (Сейкоши, Мочикоши и Камо) и три – на полуострове Босо (Фудаго, Учиура и Киосуми). Дискретность регистрируемых данных составляет 50 Гц, а для синхронизации одновременной работы магнитных датчиков используется система GPS на каждой станции. В состав ИИС МИ входили две группы по три станции MVC-3DS, представляющие собой магнитный градиентометр. Станции в каждой группе располагались на расстоянии 4–7 км друг от друга. Эпицентры землетрясений показаны звездочками. Цифры рядом с эпицентрами означают магнитуду землетрясения, определенную по 9-балльной шкале в соответствии с классификацией Японского метеорологического агентства (JMA). Землетрясения с М>6 произошли в 2000 г., а с М=5,8 – в 2003 г.
66
44
00.22,22
Магнитуда
Gg,пТл/км
00.1,1 0000..40,,40 00.2,2
Gz,пТл/км
00.0,0 101000
Vg,км/c
5500
Vz,км/с
220000
15 1100
5
00
1-янв 2-мар
1-май
30-июн 29-авг
28-окт
Рис. 2. Градиенты Gg, Gz и фазовые скорости Vg, Vz геомагнитных эмиссий (F=0,1–0,4 Гц) до и после землетрясения М=5,8 на полуострове Босо (Япония) в 2003 г.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
41
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Сейсмически активный период, в ходе которого произошло три землетрясения с магнитудой больше шести, начался 26.06.2000 г. и продолжался затем более трех месяцев. Самый сильный сейсмический толчок произошел 01.07.2000 г. и имел магнитуду M=6,4. Эпицентр этого землетрясения был расположен на глубине примерно 15 км под морской поверхностью на расстоянии примерно 85 км к юго-востоку от магнитных станций, размещенных на полуострове Изу, и на расстоянии примерно 140 км к юго-западу от магнитных станций, расположенных на полуострове Босо (рис. 1).
Сейсмическая активность в районе полуострова Босо развивалась в течение всего 2003 года и характеризовалась большим количеством слабых и средних сейсмических толчков (М2) в окрестности до 50 км от магнитных станций. Из рисунка видно, что в 2003 году на полуострове Босо примерно за полгода до момента землетрясения с магнитудой М=5,8, отмеченного на рис. 2 вертикальной пунктирной линией, градиенты в полной горизонтальной и в вертикальной компонентах МПЗ начинают возрастать и достигают своего максимума за 2–3 месяца до землетрясения. В это же время фазовые скорости уменьшаются, и минимальные значения наблюдаются перед землетрясением.
Такое же, но менее выраженное аномальное поведение градиентов и фазовых скоростей наблюдается также и в более низкочастотном диапазоне СНЧ геомагнитных возмущений (F
УДК 004.896;681.2.082;681.518.3
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
А.Г. Коробейников, Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов
Рассмотрены интеллектуальные информационные системы магнитных измерений, разработанные и применяемые в Санкт-Петербургском филиале учреждения Российской академии наук «Институт Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН» (СПбФ ИЗМИРАН). Данные системы основаны на знаниях и представляют собой комплекс программных, лингвистических и логико-математических средств для решения конкретных задач в режиме диалога на естественном языке. Ключевые слова: интеллектуальные информационные системы, прогноз землетрясений, навигация по магнитному полю Земли, поиск магнитных объектов.
Введение
Как известно, современные интеллектуальные системы (ИС) подразделяются на два класса: системы общего назначения и специализированные [1]. Технология использования систем общего назначения состоит в следующем. Пользователь (эксперт) формирует знания (данные и правила), описывающие выбранную проблемную область. Далее на основании этих знаний, заданной цели, исходных данных и метапроцедур система генерирует и исполняет решение задачи. Данную технологию называют технологией систем, основанных на знаниях, или технологией инженерии знаний. Она позволяет специалисту, не обладающему профессиональными знаниями в области программирования, разрабатывать информационные прикладные приложения. В настоящее время инструментальными средствами общего назначения являются экспертные оболочки и языки обработки знаний [2, 3].
В общем случае все системы, основанные на знаниях, можно подразделить на системы, решающие задачи анализа, и на системы, решающие задачи синтеза. Основное отличие задач анализа от задач синтеза заключается в том, что если в задачах анализа множество решений может быть перечислено и включено в ИС, то в задачах синтеза множество решений потенциально не ограничено и строится из решений, наиболее удовлетворяющих техническому заданию.
Многие задачи, где используются данные магнитных измерений, относятся к плохо или слабо формализованным задачам. Для их решения в настоящее время широко применяются разновидности ИС – экспертные системы (ЭС) и интеллектуальные информационные системы (ИИС).
Задачи, решаемые при помощи ИИС, обычно классифицируют следующим образом: интерпретация, планирование, прогнозирование, мониторинг, проектирование, диагностика, обучение, контроль и управление.
ИИС магнитных измерений (МИ) в реальной практике учитывают специфику предметной области, и поэтому используют методы соответствующего класса. Обычно это интерпретация, прогнозирование, контроль и управление.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
39
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
ИИС МИ для прогнозирования местоположения очага будущего сильного землетрясения
Наблюдения сверхнизкочастотных (СНЧ) и ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных волн (F=100,001 Гц) в сейсмоактивных зонах проводятся в течение последних 15–20 лет, после появления высокочувствительных магнитометров. Результаты измерений в различных сейсмически активных районах Земли показали, что как на подготовительной стадии развития очаговых зон средних и сильных (магнитуда M>5) землетрясений, так и в период афтершоковой активности на больших расстояниях от будущего эпицентра наблюдаются аномальные СНЧ электромагнитные излучения большой интенсивности. Как правило, эти эмиссии имеют шумовой характер, возникают задолго до главного сейсмического толчка и продолжаются в течение всего периода сейсмической активности.
Измерения параметров геомагнитных вариаций в одной точке на поверхности Земли не позволяют определить направление на источник вариаций. ИИС МИ позволяют решить эту задачу, используя дифференциальные методы измерений. В настоящее время одним из основных методов является фазовоградиентный метод для исследования геомагнитных пульсаций. Этот метод позволяет по трем трехкомпонентным магнитным станциям, расположенным на земной поверхности треугольником на небольшом (до 5 км) расстоянии друг от друга (магнитный градиентометр), построить вектора градиентов и фазовых скоростей геомагнитных пульсаций вдоль земной поверхности для любой из трех компонент магнитного поля. При этом предполагается, что расстояние между станциями много меньше расстояния до источника геомагнитных вариаций и длины геомагнитной волны. В этом случае градиенты магнитного поля вариаций и фазовые скорости геомагнитных волн будут близки к истинным величинам. Вектора градиентов геомагнитных волн, как правило, направлены к локальному источнику пульсаций, а вектора фазовых скоростей – от источника. Если имеются данные МИ от двух магнитных градиентометров, разнесенных на расстояние примерно в 100 км, то ИИС МИ по пересечению направлений этих векторов позволяет определять местоположение источника (точнее, его проекцию на земную поверхность), т.е. проводить магнитную локацию [4].
35,5°N
35,0°
S M Izu
K
Boso
F 5.8
Ki U
6.3
34,5°
6.4 6.1
50 km
139,0°
139,5°
140,0°
Рис. 1. Расположение магнитных станций и эпицентров сильных землетрясений в Японии. Треугольники – станции S, M, K (Сейкоши, Мочикоши, Камо) и F, Ki, U (Фудаго, Киосуми, Учиура),
звездочки – эпицентры землетрясений, цифры рядом – магнитуда землетрясения
ИИС МИ в каждом конкретном случае принимает решение о нахождении градиентов и фазовых скоростей геомагнитных вариаций одним из двух способов – чисто экспериментальным путем или в рам-
40 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.Г. Коробейников, Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов
ках модели плоской электромагнитной волны. В первом случае необходимо определять фазовые задержки и разности величин амплитуд вариаций между двумя любыми парами станций магнитного градиентометра, состоящего из трех разнесенных станций. Поскольку координаты магнитных станций и расстояние между ними известно, то можно определить градиенты и фазовые скорости для двух пар станций, выбранных из трех станций магнитного градиентометра, и затем построить вектор фазовой скорости и градиента пульсаций вдоль земной поверхности.
В рамках модели плоской электромагнитной волны величина фазовой скорости между двумя точками на земной поверхности определяется через амплитуды соответствующих компонент вариаций магнитного поля с учетом фазовой задержки.
Экспериментальная эксплуатация ИИС МИ для решения задач прогнозирования местоположения очагов будущих сильных землетрясений проводилась с 1998 года в Японии на полуостровах Изу и Босо, где велась регистрация вариаций магнитного поля Земли (МПЗ) и теллурических токов шестью высокочувствительными цифровыми трехкомпонентными магнитными станциями MVC-3DS, разработанными в СПбФ ИЗМИРАН. На рис. 1 показано расположение магнитных станций (черные треугольники) на территории Японии. Три станции расположены на полуострове Изу (Сейкоши, Мочикоши и Камо) и три – на полуострове Босо (Фудаго, Учиура и Киосуми). Дискретность регистрируемых данных составляет 50 Гц, а для синхронизации одновременной работы магнитных датчиков используется система GPS на каждой станции. В состав ИИС МИ входили две группы по три станции MVC-3DS, представляющие собой магнитный градиентометр. Станции в каждой группе располагались на расстоянии 4–7 км друг от друга. Эпицентры землетрясений показаны звездочками. Цифры рядом с эпицентрами означают магнитуду землетрясения, определенную по 9-балльной шкале в соответствии с классификацией Японского метеорологического агентства (JMA). Землетрясения с М>6 произошли в 2000 г., а с М=5,8 – в 2003 г.
66
44
00.22,22
Магнитуда
Gg,пТл/км
00.1,1 0000..40,,40 00.2,2
Gz,пТл/км
00.0,0 101000
Vg,км/c
5500
Vz,км/с
220000
15 1100
5
00
1-янв 2-мар
1-май
30-июн 29-авг
28-окт
Рис. 2. Градиенты Gg, Gz и фазовые скорости Vg, Vz геомагнитных эмиссий (F=0,1–0,4 Гц) до и после землетрясения М=5,8 на полуострове Босо (Япония) в 2003 г.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
41
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Сейсмически активный период, в ходе которого произошло три землетрясения с магнитудой больше шести, начался 26.06.2000 г. и продолжался затем более трех месяцев. Самый сильный сейсмический толчок произошел 01.07.2000 г. и имел магнитуду M=6,4. Эпицентр этого землетрясения был расположен на глубине примерно 15 км под морской поверхностью на расстоянии примерно 85 км к юго-востоку от магнитных станций, размещенных на полуострове Изу, и на расстоянии примерно 140 км к юго-западу от магнитных станций, расположенных на полуострове Босо (рис. 1).
Сейсмическая активность в районе полуострова Босо развивалась в течение всего 2003 года и характеризовалась большим количеством слабых и средних сейсмических толчков (М2) в окрестности до 50 км от магнитных станций. Из рисунка видно, что в 2003 году на полуострове Босо примерно за полгода до момента землетрясения с магнитудой М=5,8, отмеченного на рис. 2 вертикальной пунктирной линией, градиенты в полной горизонтальной и в вертикальной компонентах МПЗ начинают возрастать и достигают своего максимума за 2–3 месяца до землетрясения. В это же время фазовые скорости уменьшаются, и минимальные значения наблюдаются перед землетрясением.
Такое же, но менее выраженное аномальное поведение градиентов и фазовых скоростей наблюдается также и в более низкочастотном диапазоне СНЧ геомагнитных возмущений (F