В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Канатовой Алии Талгатовны на тему Разработка программного обеспечения для аппаратного комплекса георадара по интерпретации радарограмм скважинной электроразведки по образовательной программе «8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Компьютерная и программная инженерия» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Рысбайулы Болатбек - доктор физико-математических наук, 01.01.07 – вычислительная математика, профессор, Астана IT университет (г.Астана, Республика Казахстан);
Султанов Мурат Абдукадырович – кандидат физико-математических наук, специальность: 01.01.07 – вычислительная математика, профессор, Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави (г.Туркестан, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Барахнин Владимир Борисович – доктор технических наук, заведующий кафедрой систем информатики ФИТ, Новосибирский государственный университет (г.Новосибирск, Российская Федерация);
Усатова Ольга Александровна – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор, ведущий научный сотрудник РГП «Института информационных и вычислительных технологий» КН МНВО РК (г.Алматы, Республика Казахстан);
Акжалова Асель – доктор философии (PhD), кандидат физико-математических наук, профессор, Казахстанско-Британский технический университет (г.Алматы, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
Мирғалиқызы Толқын – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор кафедры «Компьютерная и программная инженерия» Евразийского национального университета Л.Н. Гумилева. (г.Астана, Республика Казахстан);
Шишленин Максим Александрович – доктор физико-математических наук, профессор РАН, Институт математики имени С.Л. Соболева, Новосибирский государственный университет (г.Новосибирск, Российская Федерация).
Защита состоится: 30 июня 2025 года 11:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D061 – Информационно-коммуникационные технологии» по образовательной программе «8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Диссертационного совета будет проходит в гибридном формате (онлайн и оффлайн).
Ссылка: https://clck.ru/3MHvbD
Адрес: г. Астана, ул. А. Пушкина, 11, учебный корпус, аудитория №222.
Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы КАНАТОВОЙ (ШАХАТОВОЙ) АЛИИ ТАЛГАТОВНЫ «Разработка программного обеспечения для аппаратного комплекса георадара по интерпретации радарограмм скважинной электроразведки», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе 8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение Актуальность темы исследования. В контексте стратегических направлений развития геофизических исследований предусматривается активное внедрение георадарных исследований и экспериментов в угледобывающей отрасли Казахстана, особенно в Карагандинском регионе. В своём Послании Глава государства Касым-Жомарта Токаева народу Казахстана, представленном 1 сентября 2023 году, подчеркивается стремление к реализации «Экономического курса Справедливого Казахстана». В этом контексте развитие справедливой и эффективной экономики может быть поддержано интеграцией передовых технологий, таких как георадарные исследования, в стратегии горнодобывающей отрасли. Это не только способствует оптимизации процессов, но и соответствует высоким стандартам справедливого и устойчивого развития, что является ключевым аспектом современной геофизики в Казахстане. В условиях высокой капиталоемкости угледобывающей отрасли, где основным показателем экономической эффективности геологоразведочных работ является отношение разведанных запасов полезных ископаемых к стоимости поисков и разведки, разработка эффективных методов геофизических исследований становится ключевым элементом. Особое внимание уделяется электроразведке как средству сокращения объемов дорогостоящего бурения и горных выработок, составляющих значительную часть затрат при разведке угольных месторождений. Требование повышения эффективности электроразведки обусловлено необходимостью улучшения ее научно-технического уровня, а именно точности, глубинности, разрешающей способности, информативности и производительности. Применение георадарных исследований для определения локальных зон угольного массива и их воздействия на физические свойства в районе выработки представляет собой важную научно-техническую задачу для горного производства Казахстана. Использование георадаров различных конструкций в сочетании с программным обеспечением для интерпретации радарограмм дает возможность выявлять локальные зоны (пустоты) и определять их влияние на физические свойства исследуемого массива. Это имеет особое значение в условиях, где наличие воды в этих зонах создает высокие контрасты диэлектрической проницаемости. Также, анализ диэлектрической проницаемости сухих горных пород может предоставить ценную информацию о их пористости. Однако, георадарные исследования сталкиваются с вызовами из-за физической неоднородности геоэлектрического разреза, что усложняет анализ и требует разработки специализированного программного обеспечения. Результаты диссертационного исследования, направленного на разработку программного обеспечения для интерпретации радарограмм, будут вносить вклад в решение этих проблем и повысит эффективность геофизических исследований в угледобывающей отрасли Казахстана. Разработка программного обеспечения для интерпретации радарограмм полученных георадаром серии Mala предполагает создание комплекса программ открытого доступа, специализированных для решения прикладных задач в области электроразведки. Основанный на методах георадиолокационного надповерхностного зондирования и профилирования, этот метод опирается на изучение распространения электромагнитных волн в среде, описываемой системой уравнений Максвелла в геоэлектрике. В данной работе рассматриваются прямая и обратная задачи. Прямая задача заключается в определении вектора напряженности электрического поля по известным электрическим свойствам геологического разреза и источнику возмущения. Обратная задача состоит в определении геоэлектрического разреза, т.е., физического состояния среды, на основе дополнительной информации – отклика среды, а именно горизонтальной компоненты вектора электрической напряженности в точке наблюдения. Эксперименты проведены с использованием георадара серии Mala на участках открытой добычи угля, то есть карьера, с известными геофизическими свойствами. Исследовано другое направление интерпретации радарограмм - математическое и компьютерное моделирование распространения и отражения электромагнитных волн. Радарограмма содержит информацию о времени пробега до неоднородности, что вызывает интерес к определению физических характеристик угольных пластов, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость. Для определения этих коэффициентов применяются методы теории некорректных и обратных задач, основанные на работах академика А.Н. Тихонова. Полученные данные использованы для численного расчета восстановленной формы и табличного значения излучаемого сигнала. Таким образом, в рамках диссертационного исследования произведена разработка методов обработки сигналов, излучаемых георадаром Mala, проведено научно-техническое исследование современных георадаров, а также решение прямых и обратных задач электроразведки. Целью диссертационного исследования является разработка алгоритмов и программного обеспечения для аппаратного комплекса по интерпретации радарограмм скважинной электроразведки с использованием георадара серии Mala. Для осуществления поставленной цели были определены следующие задачи: 1 Постановка задачи и обзор современных геофизических методов исследования скважин. 2 Исследование алгоритмов очистки сигналов от шумов и помех реальных данных георадара. 3 Анализ методы интерпретации радарограмм на основе цифровых данных георадара на поверхности и в скважине. 4 Алгоритмы и методы математического моделирования интерпретации радарограмм по определению геоэлектрического разреза на основе цифровых данных отклика сред оптимизационным методом. 5 Алгоритм совмещенной постановки обратной задачи определения проводимости в околоскважинном пространстве. 6 Разработка программного обеспечения для интепретации радарограмм на реальных цифровых данных скважинной электроразведки. Объектами диссертационного исследования являются алгоритмы и программы для проведения интерпретации скважинной электроразведки: определение геоэлектрического разреза слоистой среды геологического разреза: проводимость; алгоритмы для очистки цифровых сигналов, полученных от приемника георадара серии Mala (как дополнительной информации); комплекса программ для численных расчетов. Предметами диссертационного исследования являются алгоритмы и программное обеспечение по определению геоэлектрического разреза на основе цифровых данных георадара. В частности, мы исследуем процессы очистки сигналов, получаемых антенной прибора, от различных видов шумов. Наш анализ включает инженерно-технические методы и алгоритмы, основанные на математическом и компьютерном моделировании для интерпретации радарограмм. Также было проведены исследования геологического разреза угольного месторождения с целью тестирования разработанных алгоритмов. Методика исследования включает использование неразрушающих методов для изучения угольных слоев геофизическими методами, в частности методы скважинной электроразведки, с использованием аппаратных средств. Применяем классические методы очистки сигналов от шумов с использованием вейвлетов и различных фильтров. В рамках методов математического моделирования мы исследуем распространение электромагнитных волн в неоднородных средах. Алгоритмы численного решения обратных и некорректных задач основаны на оптимизационных методах. Научная новизна предлагаемой докторской диссертации заключается в следующих ключевых аспектах: 1. Выполнены задачи и проведен обзор современных геофизических методов исследования скважин. 2. Исследованы алгоритмы очистки сигналов от шумов и помех реальных данных георадара. 3. Применены методы интерпретации радарограмм на основе цифровых данных георадара на поверхности и в скважине. 4. Выполнено математическое моделирование интерпретации радарограмм для определения геоэлектрического разреза на основе цифровых данных отклика сред с использованием оптимизационного метода. 5. Разработан алгоритм совместной постановки обратной задачи для определения проводимости в околоскважинном пространстве. 6. Создано программное обеспечение для интерпретации радарограмм на основе реальных цифровых данных скважинной электроразведки. Такой комплексный подход не только способствует точному восстановлению параметров угольного пласта, но также сокращает затраты и повышает устойчивость производства. Материалы и методы исследования. В основу работы положены: данные с угольного месторождения Карагандинской области в открытом условии добычи угля. Поставленные задачи решались с позиций системного подхода с использованием аппарата математической статистики и компьютерных средств обработки данных, включая геоинформационные технологии. Программные приложения разрабатывались на языке программирования С++, в среде Matlab. На защиту выносятся следующие положения докторской диссертации: положения, сформулированные как полученные результаты: 1. Разработана постановка задачи исследования и проведен обзор современных геофизических методов для изучения скважин, что позволило обоснованно выбрать подходящие методы для интерпретации данных. 2. Созданы и протестированы алгоритмы для эффективной очистки сигналов георадара от шумов и помех, обеспечивающие повышение точности обработки реальных данных. 3. Проведен анализ методов интерпретации радарограмм на основе цифровых данных георадара, как на поверхности, так и в скважинах, что позволило выявить преимущества и ограничения существующих методов. 4. Разработаны и реализованы алгоритмы и методы математического моделирования для интерпретации радарограмм, направленные на определение геоэлектрического разреза с использованием оптимизационных методов обработки цифровых данных отклика среды. 5. Предложен и реализован алгоритм для совмещенной постановки обратной задачи, обеспечивающий точное определение проводимости в околоскважинном пространстве. 6. Разработано программное обеспечение для интерпретации радарограмм на основе реальных цифровых данных скважинной электроразведки, обеспечивающее автоматизацию процесса анализа и повышение точности получаемых данных. Материалы и методы исследования. В основу работы положены: данные с угольного месторождения Карагандинской области в открытом условии добычи угля. Поставленные задачи решались с позиций системного подхода с использованием аппарата математической статистики и компьютерных средств обработки данных, включая геоинформационные технологии. Программные приложения разрабатывались на языке программирования С++. В работе представлены алгоритмы первичной обработки цифровых данных, полученных георадаром. Электромагнитные импульсы, вызванные возбуждением передающей антенны генератором наносекундных импульсов, распространяются в исследуемой среде. Приемная антенна преобразует электромагнитный отклик в электрический сигнал. Этот сигнал оцифровывается и передается в блок цифровой обработки, где производится первичная обработка сигнала, его запись в память и последующая обработка и визуализация, возможно, с использованием компьютера. Для решения прикладных задач необходимо установить зависимость амплитуды сигнала от его глубины отражения, однако исходная радарограмма выражает зависимость амплитуды от времени отражения. Поэтому необходимо избавиться от различных помех, скрывающих полезный сигнал. В результате исследования надповерхностной среды мы получили множество сигналов от приемной антенны для каждого измерения георадаром. Эти трассы визуализированы методом переменной плотности в виде изображения. Полученные результаты демонстрируют адекватность математической модели и практическую применимость рассматриваемого метода для интерпретации радарограмм. Внедрены результаты исследования в образовательную программу Карагандинского технического университета имени Абылкаса Сагинова, Обудайского университета Венгрии и демонстрируются в учебных дисциплинах в данных вузах. Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Компьютерной и программной инженерии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева, механико-математического факультета Новосибирского государственного университета, горного факультета и факультета инновационных технологий Карагандинского технического университета имени Абылкаса Сагинова: 1. Заседании кафедры вычислительных систем Новосибирского государственного университета, 2021 г. 2. 10-я и 11-я международные молодежные научной школы-конференции «Теория и численные методы решения обратных и некорректных задач» (Новосибирск: Академгородок, 2021 г. и 2022 г.). Публикации результатов исследования. - публикации в изданиях, входящих в наукометрические базы данных Scopus: 1. Recovering of the reservoir conductivity by measurements on the surface using gpr data. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 11(1), 124-138. 2. Application of GPR Research for the Diagnosis of Decompaction Zones of Coal Massif of Shubarkol Field. Paper presented at the SIST 2021 - 2021 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies. - статья, опубликованная в научном журнале, индексируемый в Web of Science: 1. Recovering of the reservoir conductivity by measurements on the surface using gpr data. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 11(1), 124-138. - статьи, опубликованные в научных журналах, рекомендуемых КОКСНВО МНВО РК: 1. Обзор современных геофизических методов исследования скважин. Университет Еңбектері- Труды Университета №1, 2021, 89-94 стр. 2. Анализ современных программных обеспечений для интерпретаций радарограмм. Университет Еңбектері- Труды Университета, №3, 2021, 275-279 стр. 3. Обработка данных на основе интерпретации результатов по электромагнитному полю угольного месторождения. Университет Еңбектері- Труды Университета №4, 2021, 344-350 стр. 4. Алгоритм совмещенной постановки обратной задачи определения проводимости в околоскважинном пространстве. Университет Еңбектері- Труды Университета №1, 2023, 430-433 стр. 5. Геомеханическая оценка влияния отработки выемочного участка на состояние подземных геомеханических конструкций. Университет Еңбектері- Труды Университета №3, 2023 - публикации, опубликованные в трудах международных конференций: 1. Применение машинного обучения для обработки геофизических данных. «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2020» Студенттер мен жас ғалымдардың XV Халықаралық ғылыми конференциясы = «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2020»: ХV Международная научная конференция студентов и молодых ученых = «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2020»: The XV International Scientific Conference for students and young scholars – Нұр-Сұлтан: Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті,, 2020. 693-696 стр. 2. Scientific and technical review (ground-penetrating radar) of devices: operating principle. Proceedings of the 2nd International Scientific Conference «Scientific Research and Experimental Development» (March 02-03, 2023). London, England, 2023. 383p. 3. Application mining for processing geophysical data. Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XXXIV Международной научнопрактической конференции. В 2 ч. Ч. 1. – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2020. – 108-111 стр. - свидетельство о государственной регистрации на объект авторского права: 1. Программа спектрального анализа и вейвлет очистки трасс радарограмм (программа ЭВМ). Комитет по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан. Запись в реестре комитета по правам интеллектуальной собственности за №37349 от 21.06.2023 г. (Приложение А); 2. Численное решение прямой задачи в цилиндрической системе (произведение науки). Комитет по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан. Запись в реестре комитета по правам интеллектуальной собственности за №38286 от 07.08.2023 г. (Приложение А); 3. Акты внедрения: в учебный процесс в НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова» кафедра «Информационно-вычислительные системы» для студентов образовательной программы «Вычислительная техника и программное обеспечение» (Приложение Б); в организации АО «Шубарколь комир» (Приложение Б). Было опубликовано 12 научных трудов, из которых одна статья и один доклад на конференцию проиндексированы в базе данных в Scopus, 5 статей– в научных изданиях, рекомендованных КОКСНВО МНВО РК, 5 научных докладов в сборниках международных конференций, имеется акт о внедрении результатов диссертации в учебный и производственные процессы и 2 свидетельства о государственной регистрации на объект авторского права. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций поддерживается статистическим анализом обширного массива производственных данных, основанных на полевых исследованиях. Структура Диссертации. Эта диссертация охватывает полный объем и структуру исследования. Она включает введение, четыре раздела, заключение, список использованных источников, приложения. Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи, объект, предмет научно-исследовательской работы. Представленные результаты, выносимые на защиту проведенных исследований, показаны их научная новизна и практическая значимость. Приведены данные об апробации основных результатов исследования. Первый раздел посвящен анализу современных методов скважинной электроразведки. Рассмотрены теоретические основы и задачи данной области, приведены основные методики, применяемые при проведении исследований. Описано применение технологий машинного обучения и методов обработки больших данных (Big Data) в геофизике. Также рассмотрены принципы работы аппаратного комплекса георадара серии Mala. Во втором разделе представлены методы обработки и интерпретации георадарных данных. Приведен обзор технических характеристик Карагандинского угольного бассейна, описаны инженерно-технические методы диагностики с применением скважинной и наземной электроразведки. Рассмотрены методики математического моделирования, направленные на определение отклика сред на глубине залегания зон разуплотнения угольного массива, а также методы надповерхностной съемки месторождений. В третьем разделе рассматриваются математические и компьютерные модели интерпретации геоэлектрического разреза. Анализируются методы восстановления диэлектрической проницаемости пласта по георадарным данным. Приведены постановка задачи для математической модели, численные расчеты и обработка цифровых данных скважинной электроразведки. Описаны различные подходы к решению обратных задач, включая квазистационарное приближение и совмещённую постановку. Четвертый раздел посвящен разработке программного обеспечения для интерпретации георадарных данных. Приведен анализ конструктивных особенностей различных георадаров, их структуры, особенностей и комплектующих. Проведен сравнительный анализ программного обеспечения RADEXPRO и ГЕОСКАН, а также интерпретации цифровых данных с использованием Ground Vision. Разработано программное обеспечение для обработки и визуализации георадиолокационной информации. В заключении сформулированы основные результаты проведенного исследования, сделаны выводы о научной и практической значимости работы. Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту Phd, Мирғалиқызы Толқын, зарубежному консультанту доктору физико-математических наук, профессору НГУ Шишленину Максим Александровичу. Автор признателен член корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук, профессору НГУ Сергей Игоревичу Кабанихину, за бесценные замечания и советы на международных школах-конференциях в ИМ СО РАН. Выражаю благодарность ассоциированному профессору кафедры компьютерной и программной инженерии, доктору PhD Оралбековой Жанаре Орумбаевне, старшему преподавателю кафедры компьютерной и программной инженерии ЕНУ имени Л.Н. Гумилева Боранбаеву Самат Акшабаевичу, за оказанные неоценимые консультации, в результате совместных обсуждений которых явился ряд совместных научных работ. Выражаю благодарность доктору технических наук, профессору Карагандинского технического университета имени Абылкаса Сагинова Портнову В.С., доктору технических наук, профессору Ожигину С.Г., Ожигиной С.Б., PhD Ожигину Д.С., кандидату технических наук, доценту Оленюку С.П. за содействие проведения экспериментальных исследований на угольном месторождении, находящийся в Карагандинской области. Искренно, отдельно, выражаю благодарность заведующему кафедрой, компьютерной и программной инженерии доценту Дюсекееву Канагат Абетовичу, а также сотрудникам кафедры, за оказанную возможность и поддержку, оказанную в процессе работы над диссертацией.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=K6UJ35-BwuY
