УДК 550.380.22,510.64
РАСПОЗНАВАНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ С ЗАДАННОЙ МОРФОЛОГИЕЙ НА ВРЕМЕННЫХ РЯДАХ. I. ВЫБРОСЫ НА МАГНИТОГРАММАХ ВСЕМИРНОЙ СЕТИ ИНТЕРМАГНЕТ
© 2010 г. Ш. Р. Богоутдинов1, А. Д. Гвишиани1, С. М. Агаян1, А. А. Соловьев1, Э. Кин2
1 Геофизический центр РАН, г. Москва 2Национальный центр геофизических данных НОАА, Болдер, США Поступила в редакцию 09.03.2010 г.
ИНТЕРМАГНЕТ (INTERMAGNET = International Real-time Magnetic Observatory Network) является крупнейшей международной сетью наземных обсерваторий, обеспечивающих получение геомагнитных данных в режиме близком к реальному времени (запаздывание не более 72 часов) [Kerridge, 2001]. Данные наблюдений оперативно передаются обсерваториями, участвующими в программе, в региональные геомагнитные информационные узлы (GIN — Geomagnetic Information Nodes), которые осуществляют глобальный обмен данными и результатами их обработки.
Наблюдение за главным магнитным полем Земли и его изучение является одной из важнейших задач геофизики. Система ИНТЕРМАГНЕТ служит основой мониторинга состояния магнитного поля Земли, поэтому требования к достоверности предоставляемой ею информации очень высоки. Несмотря на жесткий высокий стандарт качества регистрирующих приборов, они подвержены внешним воздействиям, которые отражаются на качестве записей. Поэтому важной задачей является объективное, формализованное распознавание, а затем и устранение возникающих аномалий (сбоев) на записи. Продолжая идеи [Агаян и др., 2005; Гвишиани и др., 2008а; 2008б] в данной статье предложен новый алгоритм автоматического распознавания аномалий с заданной морфологией, который позволяет выделять на магнитограммах выбросы как физической, так и техногенной природы. Алгоритм построен с использованием нечеткой логики и в силу этого обладает большой адаптивностью и универсальностью. Разработанная алгоритмическая система формализует работу эксперта-интерпретатора в терминах искусственного интеллекта. Это позволяет единообразно проводить обработку больших массивов данных, что практически невозможно сделать вручную. Наряду с алгоритмом в статье описаны результаты применения разработанной алгоритмической системы для выделения выбросов на обсерваториях всемирной сети ИНТЕРМАГНЕТ.
Главным результатом работы является создание алгоритма, который позволяет получать очищенные (definitive) от выбросов магнитограммы из предварительных (preliminary) записей практически без участия человека. Такая автоматизированная система создана впервые с применением аппарата нечеткой логики для геомагнитных измерений. При этом распознавание временных возмущений формализовано и единообразно. Представленный здесь алгоритм позволяет существенно повысить достоверность очищенных магнитограмм сети ИНТЕРМАГНЕТ, что, в свою очередь, повышает объективность наших знаний о магнитном поле Земли. В то же время, созданная система дает возможность проведения единообразного формализованного ретроспективного анализа огромных архивов цифровых и оцифрованных магнитограмм, накопленных в системе Мировых Центров Данных. Соответствующий проект уже начат в рамках сотрудничества Мировых Центров Данных в Геофизическом Центре РАН и в Национальном Центре Геофизических Данных НОАА (США). Таким образом, улучшая и делая более объективными как вновь поступающие, так и исторические исходные данные, разработанная алгоритмическая система может внести ощутимый вклад в развитие нашего понимания о магнитном поле Земли.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время в мире функционируют 109 обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ (рис. 1), которые в режиме реального времени регистрируют информацию о магнитном поле Земли в виде временнЫх рядов. Обсерватории расположены по всему земному шару и каждая из них обладает оборудованием, необходимым для цифровой регистрации трех компонент и модуля магнитного поля Земли: векторный магнитометр, вариометр, протонный
магнитометр и магнитометр на теодолите. Большинство обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ осуществляют регистрацию с частотой 1/60 Гц. В настоящее время ряд французских обсерваторий переходят на работу с частотой 1 Гц. Переход на секундную регистрацию планируется и на российской обсерватории "Борок" [Анисимов, Дмитриев, 2003]. Данные из обсерваторий с минимальным за-паздыгаанием (не более 72 часов) поступают в центры данный С1№ ИНТЕРМАГНЕТ в Канаде (Оттава), США (Голден, Колорадо), Франции (Париж),
99
7*
Рис. 1. Схема расположения обсерваторий всемирной сети ИНТЕРМАГНЕТ.
KEV KIL KIR KOU KTN KUV LEM LER
. . . J ^ kn f
ч
f Y . . . * Li. .
1 ..... Y
E " ' "
E
Y_ К
Нет события, тогда как на других записях оно обнаружено
Скачок базового уровня
5 Z
7 Z
I? 8Z
22 z
-a*
Выброс без Дрейф подтверждения
базового уровня на других записях
Выброс ("Spike") Инвертированное событие
Z
Z
Рис. 2. Примеры аппаратных сбоев магнитометра, отраженных на записях.
Великобритании (Эдинбург) и Японии (Киото и Хираисо) [Kemdge, 2001; Love, 2008].
В нашей стране обсерватории ИНТЕРМАГНЕТ успешно функционируют в поселке Борок (Геофизическая обсерватория ИФЗ РАН), в Иркутске (Институт солнечно-земной физики СО РАН) и Новосибирске (Алтае-Саянское отделение Геофизической службы СО РАН). Еще две обсерватории разворачиваются в Якутске (Институт космофизи-ческих исследований и аэрономии СО РАН) и Ма-
гадане (Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН).
Как мы уже упоминали выше, регистрирующие приборы подвержены внешним воздействиям, которые отражаются на качестве записей. На рис. 2 приведены примеры характерных временных аномалий, которые требуется устранить для дальнейшего использования полученных наблюдений в целях мониторинга магнитного поля Земли и других фундаментальных исследований. Подобные анома-
лии (сбои), как правило, вызваны следующими причинами:
1) природные явления;
2) техногенные явления, включая перемещения больших объемов металла;
3) калибровка измерительного прибора;
4) искажение данных при их передаче из обсерваторий в информационные узлы с помощью Интернет.
К природным явлениям, прежде всего, относятся грозы, которые индуцируют электрические токи внутри Земли и вызывают кратковременные изменения естественного хода ее магнитного поля. Полярное сияние при максимальной амплитуде магнитной бури может также оказывать кратковременное воздействие на обсерватории, расположенные в полярных областях, за счет возникновения токов в атмосфере. Примером подобных природных явлений являются и пульсации магнитного поля, вызванные солнечной активностью.
К техногенным явлениям можно отнести близость городов, аэродромов, железных дорог, линий электропередач. Это также приводит к индуцированию тока внутри Земли и созданию помех в работе магнитного оборудования. При регулярной калибровке прибора искусственно создаются помехи для проверки его работоспособности, что также сказывается на регистрируемых записях.
При передаче данных через Интернет нестабильный канал связи (например, спутниковый) может быть причиной появления сбоев на записях. Такие сбои обнаруживаются экспертом при сравнении Интернет-данных с данными за тот же период регистрации, хранимыми независимо в локальных архивах. В то же время на выделенных каналах подобные сбои не наблюдаются.
В настоящей работе представлена алгоритмическая подсистема объективного выявления на записи таких часто встречающихся сбоев, как выбросы (spikes, рис. 2). Важным аспектом распознавания выбросов является тот факт, что выделение выбросов экспертом "вручную — на глаз" не только трудоемко, но часто и недостаточно объективно. Действительно, в процессе ручной обработки больших информационных массивов подход эксперта необходимо изменяется со временем, что напрямую влияет на его объективность. Под влиянием усталости и внешних воздействий эксперт может пропускать искомые события или трактовать по-разному аналогичные потенциальные аномалии в различные моменты времени проведения обработки.
Созданный алгоритм, который по аналогии с решаемой задачей мы называем SPIKE и будем обозначать SP, в существенной степени устраняет субъективность ручной обработки. Он дает возможность автоматизированного и единообразного выделения выбросов в любых по объему массивах временных
рядов, например, в таких огромных массивах, как базы данный ИНТЕРМАГНЕТ или архивы магнитограмм мировых центров данных. Накопленный опыгт, навыжи и знания экспертов-магнитологов оказываются инкорпорированными в алгоритм на этапе обучения. Не следует считать, что алгоритм БР применим только для распознавания техногенных ошибок на магнитограммах. Применяя алгоритм БР к очищенным записям, мы приходим к распознаванию физических временных аномалий — пульсаций [Троицкая, Гульельми, 1969]. Аналогичные временные возмущения для сейсмических записей изучались в работах [Соболев, Любушин, 2006].
Выбросы, отвечающие различным причинам, характеризуются определенной морфологией. Соответственно, данная статья является продолжением работ авторов, связанных с морфологическим анализом временных рядов [Агаян и др., 2005] и распознаванием их временных возмущений [Гвишиани, 2008а; 2008б]. Авторы планируют посвятить отдельную статью методам распознавания на записи таких сбоев, как скачок и дрейф базового уровня (рис. 2), построенным на аналогичных принципах.
АЛГОРИТМ БР
Неформальная логика, лежащая в основе поиска выброса на записи (рис. 2), может быть коротко описана следующим образом: "Выброс — цепь связанный друг с другом сингулярныгх фрагментов записи, представляющих собой значительные по вертикали и незначительные по горизонтали возмущения, не приводящая к смещению уровня записи".
Аналогично с алгоритмами [Агаян и др., 2005; Гвишиани и др., 2008а; 2008б], построенный в этой работе алгоритм распознавания выбросов на записи имеет два уровня. На локальном уровне ищутся сингулярные фрагменты, а на глобальном уровне анализируются их сочетания на предмет смещения уровня записи.
Запись (магнитограмму) мы будем интерпретировать как временной ряд у = {у, = у(,)}, заданную на отрезке (периоде регистрации) Т дискретной полуоси Я+ = {,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.