Реферат: Структура и перспективы развития сервера «Математические проблемы гeофизики»

Структура и перспективы развития сервера «Математические проблемы гeофизики»


к.т.н. О.Н. Белоусова (Институт автоматики и электрометрии СО РАН, ученый секретарь интеграционного междисциплинарнго проекта № 10 СО РАН),
д.т.н. И.Н. Ельцов (Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, координатор и отв. исполнитель),
д.т.н. С.М. Зеркаль(Институт математики СО РАН, отв.исполнитель)


Настоящий доклад представляет работу, осуществляемую в рамках интеграционного междисциплинарного проекта № 10 «Сервер «Математические проблемы гeофизики»» следующим коллективом авторов:

Организации – исполнители:
^ Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН
Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

^ Новосибирский государственный университет

Координаторы проекта:

академик М.М. Лаврентьев

д.т.н. И.Н. Ельцов

д.ф.-м.н. М.М. Лаврентьев-мл.

Ученый секретарь проекта:

к.т.н. О.Н. Белоусова


Математические задачи возникают в геофизике, сочетающей как описательную составляющую, исследование и анализ математических идеализаций реальных физических процессов, так и математическую обработку результатов практических измерений, завершающуюся геологической интерпретацией.

Математические методы решения таких задач являются основой для многих фундаментальных и прикладных направлений в геофизике. Часто фундаментальные результаты математического характера обладают общностью для довольно далеких научных областей и могут быть получены при решении проблем одной из них, имея при этом практическое значение для других.

Математические проблемы геофизики пополняются и обновляются, как и совершенствуется математическая база их решения вместе с развитием математики. Современные информационные технологии, значительное достижение которых глобальная сеть Интернет и, связанные с ней возможности взаимодействия большого числа пользователей и систематизацией, хранения и анализа информации, позволяют создавать системы, обеспечивающие мощную информационную поддержку научных исследований.

Интернет–обобщений такого уровня в области математических задач геофизики пока не существует, а потребность в этом на фоне значительного прогресса в математическом обеспечении задач геофизики очень велика.

Государственные научные организации и научно-исследовательские отделы частных геофизических компаний имеют фрагментарные базы данных по решению прямых и обратных задач геофизики, в которых наиболее полно представлены законченные научные, технологические и коммерческие разработки. Теоретические результаты, а тем более, общий математический аппарат, как правило, не представлен вообще.

Выполняемые работы, безусловно, лежат в русле мировых научных приоритетов. Подобного уровня разработки в мировой литературе ранее не упоминались, что позволяет надеяться на приоритет Сибирского отделения в этой области.

Структура сервера базируется на традиционном делении и связи геофизики с другими науками [Федынский, 1964] (слайд 3).

Приоритетным направлением при создании, развитии и поддержке данного сервера стало установление соотношений как между математическими основами различных направлений фундаментальных и прикладных (связанных с решением практических задач) исследований в науках о Земле, так и между математическими формализациями и содержательными постановками. Использование структуры сервера позволит дать не только теоретические основы методов, но и соответствующие им алгоритмы и демонстрационные версии программ, отражающих особенности современных технологий обработки и интерпретации геолого-геофизических данных.

В структуре сервера предполагается развитие разделов по разведочной геофизике, в том числе, исследованиям в скважинах. Пропаганда достижений в сфере развития геофизических технологий, широкий доступ к программно-алгоритмическим средствам и экспериментальным данным будет способствовать установлению связей между научными и производственными организациями. Исполнители проекта планируют использование современных информационных средств для издания электронного журнала по математическим проблемам геофизики и проведения тематических телеконференций.

Структура сервера «Методы решения условно-корректных задач» (слайд 4).

Главная страница сервера «Математические проблемы геофизики» (слайд 5).

Оценка уровня проделанной работы в этом направлении в СО РАН

В ряде институтов Сибирского отделения РАН ведутся работы по созданию теоретико-методической и алгоритмической базы для решения прямых и обратных задач геофизики. В Сибирском отделении сформировались и работают несколько научных школ мирового уровня (академика С.В. Гольдина, академика А.С. Алексеева, академика М.М. Лаврентьева, чл.-корр. М.И. Эпова). Накоплен большой опыт в решении задач геофизики, сделаны уникальные обобщения. Выполнение проекта именно в Сибирском отделении РАН, где сосредоточены основные научные силы в области математических задач наук о Земле, создает выгодные стартовые условия для успешного выполнения проекта.
^ Ранее исполнителями проекта получены следующие основные результаты, которые составят теоретико-алгоритмическую основу данного проекта.
- На основе оригинальных алгоритмов решения прямых и обратных задач наземной и скважинной геоэлектрики созданы компьютерные системы интерпретации электромагнитных зондирований ЭРА, МФС ВИКИЗ, которые широко применяются в геофизических и научных организациях России и за рубежом.

- Разработаны новые приближенные методы двух и трехмерного численного моделирования электромагнитных полей применительно к задачам электромагнитных зондирований в задачах структурной и скважинной геоэлектрики. Применение метода возмущений для моделей с малоамплитудными неоднородностями и приближений Борна и Рытова позволило создать высокоэффективные алгоритмы имитации электромагнитных откликов, не имеющие аналогов.

- Рассмотрена и численно исследована томографическая постановка обратной кинематической задачи (ОКЗ). Это позволило отойти от плоских постановок ОКЗ и построить ее решение на поверхностях второго порядка. В результате впервые ОКЗ была редуцирована к обратному преобразованию Радона, а введение томографической (круговой) системы наблюдений сняло переопределенность ОКЗ.

- Разработан вычислительный алгоритм решения специальной задачи дефектоскопии с использованием фантома эталонного образца исследуемого объекта.

- На основе численного исследования обратной задачи определения правой части волнового уравнения синтезирован устойчивый алгоритм диагностики расположенных взаимно близко в дальней зоне источников акустического сигнала в сложной помехо-сигнальной ситуации. Кроме того, получены результаты в области дифракции и фокусировки волн.

- Создан информационно-аналитический сервер «Методы решения условно-корректных задач», включающий разделы: «Геотомография», «Обратные задачи геофизики».

Перечисленные работы выполнены на высоком научном уровне, многие из них не уступают мировым аналогам, а по некоторым позициям превосходят мировой уровень, являясь, во многом, пионерскими.

Цели и предполагаемые результаты предлагаемых исследований

Цель предлагаемых настоящим проектом исследований – в рамках общего подхода, опираясь на потенциал институтов Сибирского отделения и Новосибирского госуниверситета, а также наработки исполнителей проекта, создать специализированную систему, выполняющую информационно-аналитические функции, что возможно в рамках Интернет – проекта, основным инструментом которого является сервер, соответствующей конфигурации, структуры и наполнения. Структура сервера позволит не только выполнить систематизацию и обобщение математических проблем геофизики, дать теоретические основы методов их решения, но и сформулировать практические рекомендации, привести соответствующие алгоритмы и демонстрационные версии их программной реализации.

Предполагается создание разделов в виде баз данных и гипертекстовых систем для классов математических задач различных направлений геофизики, систематизация знаний и установление взаимосвязей между этими направлениями, основанных на общности базового математического аппарата решения характерных задач. Разработка типовых математических моделей. Создание пакетов демонстрационных программ и программ для обработки данных пользователей, в частности, для оперативной передачи и удаленной обработки геофизических данных, что создаст условия для наполнения банка экспериментальных материалов и стимулирует создание практических значимых постановок задач для реалистичных моделей. Развитие пакетов прикладных программ для управления и наполнения базы данных в геофизике.

В частности, с использованием метода вычислительной томографии (вариант алгебраической реконструкции) будет разработана вычислительная технология обработки кинематической информации рефрагированных волн, направленная на получение скоростного распределения в исследуемой среде. Планируемые итерационные методики ориентированы как для решения двумерных, так и трехмерных сейсмических задач, в том числе с профильными системами наблюдений.

Работа по проекту активизирует международный обмен информацией, стимулировать развитие исследований математических задач геофизики на основе широкого использования современных информационных средств и технологий нового века.

Одной из задач коллектив исполнителей проекта считает подготовку кадров и укрепление научной школы для работы в этом направлении науки.