Подход к восстановлению геомагнитных данных на базе концепции цифровых двойников

Автор: Воробьев А.В., Пилипенко В.А.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 2 т.7, 2021 года.

Бесплатный доступ

Ни одна наземная магнитная станция или обсерватория не гарантирует качество получаемой и передаваемой информации. Пропуски данных, выбросы и аномальные значения являются распространенной проблемой, касающейся практически любой сети наземных магнитометров и затрудняющей эффективную обработку и анализ экспериментальных данных. Обеспечение мониторинга надежности и повышение качества работы аппаратно-программных модулей, входящих в состав магнитных станций, возможно за счет разработки их виртуальных моделей, или так называемых цифровых двойников. В настоящей работе на примере сети высокоширотных магнитометров IMAGE рассматривается один из возможных подходов к созданию моделей такого рода. Обосновано использование цифровых двойников магнитных станций для минимизации ряда проблем и ограничений, связанных с наличием выбросов и пропущенных значений во временных рядах геомагнитных данных, а также для обеспечения возможности ретроспективного прогноза параметров геомагнитного поля со среднеквадратической ошибкой в авроральной зоне до 11.5 нТл. Интеграция цифровых двойников в процессы сбора и регистрации геомагнитных данных реализует возможность автоматической идентификации и замещения отсутствующих и аномальных значений, таким образом повышая за счет эффекта резервирования отказоустойчивость магнитной станции как объекта-источника данных. На примере цифрового двойника станции «Kilpisjärvi» (Финляндия) показано, что предлагаемый подход реализует восстановление 99.55 % годовой информации, при этом 86.73 % - с ошибкой, не превышающей 12 нТл.

Еще

Цифровые двойники, восстановление временных рядов, статистический анализ, геомагнитные данные, магнитные станции

Короткий адрес: https://sciup.org/142230073

IDR: 142230073   |   DOI: 10.12737/szf-72202105

Geomagnetic data recovery approach based on the concept of digital twins

There is no ground-based magnetic station or observatory that guarantees the quality of information received and transmitted to it. Data gaps, outliers, and anomalies are a common problem affecting virtually any ground-based magnetometer network, creating additional obstacles to efficient processing and analysis of experimental data. It is possible to monitor the reliability and improve the quality of the hardware and software modules included in magnetic stations by developing their virtual models or so-called digital twins. In this paper, using a network of high-latitude IMAGE magnetometers as an example, we consider one of the possible approaches to creating such models. It has been substantiated that the use of digital twins of magnetic stations can minimize a number of problems and limitations associated with the presence of emissions and missing values in time series of geomagnetic data, and also provides the possibility of retrospective forecasting of geomagnetic field parameters with a mean square error (MSE) in the auroral zone up to 11.5 nT. Integration of digital twins into the processes of collecting and registering geomagnetic data makes the automatic identification and replacement of missing and abnormal values possible, thus increasing, due to the redundancy effect, the fault tolerance of the magnetic station as a data source object. By the example of the digital twin of the station “Kilpisjärvi” (Finland), it is shown that the proposed approach implements recovery of 99.55 % of annual information, while 86.73 % with M not exceeding 12 nT.

Еще

Список литературы Подход к восстановлению геомагнитных данных на базе концепции цифровых двойников

  • Воробьев А.В., Воробьева Г.Р. Подход к оценке относительной информационной эффективности магнитных обсерваторий сети INTERMAGNET. Геомагнетизм и аэрономия. 2018а. Т . 5 8, № 5 . С . 6 48–652. DOI: 10.1134/S0016793218050158.
  • Воробьев А.В., Воробьева Г.Р. Индуктивный метод восстановления временных рядов геомагнитных данных. Труды СПИИРАН. 2018б. № 2. C. 104–133. DOI: 10.15622/sp.57.5.
  • Воробьев А.В., Воробьева Г.Р. Корреляционный анализ геомагнитных данных, синхронно регистрируемых магнитными обсерваториями INTERMAGNET. Геомагнетизм и аэрономия. 2018в. Т. 58, № 2. С. 187–193. DOI: 10.7868/S0016794018020049.
  • Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Еникеев Т.А., Воробьева Г.Р. Геоинформационная система для анализа динамики экстремальных геомагнитных возмущений по данным наблюдений наземных станций. Компьютерная оптика. 2020. Т. 44, № 5. С. 782–790. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-707.
  • Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. Исследование геомагнитного поля и проблемы точности бурения наклонно-направленных скважин в Арктическом регионе. Горный журнал. 2015. № 10. С. 94–99. DOI: 10.17580/gzh.2015.10.17.
  • Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. Оценка влияния геомагнитных возмущений на траекторию наклонно-направленного бурения глубоких скважин в арктическом регионе. Физика Земли. 2018. Т. 54, № 4. C. 19–30. DOI: 10.1134/S0002333718040051.
  • Гвишиани А.Д., Агаян С.М., Богоутдинов Ш.Р., Каган А.И. Гравитационное сглаживание временных рядов. Труды Института математики и механики УрО РАН. 2011. Т. 17, № 2. С. 62–70.
  • Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю., Соловьев А.А. Геомагнетизм: от ядра Земли до Солнца. М.: РАН, 2019. 186 с.
  • ГОСТ 27.0022015. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2016. 23 с.
  • Демьянов В.В., Савельева Е.А. Геостатистика: теория и практика. М.: Наука, 2010. 327 с.
  • Мандрикова О.В., Соловьев И.С. Вейвлет-технология
  • обработки и анализа геомагнитных данных. Цифровая обработка сигналов. 2012. № 2. C. 24–29.
  • Токмакова А.А., Стрижов В.В. Оценивание гиперпараметров линейных регрессионных моделей при отборе шумовых и коррелирующих признаков. Информатика и ее применение. 2012. Т. 6, № 4. C. 66–75.
  • Datcu M., Le Moigne J., Loekken S., et al. Special Issue on Big Data From Space. IEEE Transactions on Big Data. 2020. Vol. 6, no. 3. P. 427–429. DOI: 10.1109/TBDATA.2020.3015536.
  • Engebretson M.J., Steinmetz E.S., Posch J.L., et al. Nighttime magnetic perturbation events observed in Arctic Canada: 2. Multiple‐instrument observations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2019. Vol. 124, iss. 9. P. 7459–7476. DOI: 10.1029/2019JA026797.
  • Grieves M.W. Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication, Florida Institute of Technology Publ., 2014. 7 p.
  • Hoerl R.W. Ridge Regression: A Historical Context. Technometrics. 2020. Vol. 62, iss. 4. P. 420-425. DOI: 10.1080/ 00401706.2020.1742207.
  • Isaaks E.H., Mohan R. An Introduction to applied geosta-tistics. Oxford: Oxford University Press, 1989. 592 p.
  • Khomutov S.Yu. International project INTERMAGNET and magnetic observatories of Russia: cooperation and pro-gress. E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 62. P. 02008. DOI: 10.1051/e3sconf/20186202008.
  • Kondrashov D., Shprits Y., Ghil M. Gap filling of solar wind data by singular spectrum analysis. Geophys. Res. Lett. 2010. Vol. 37, iss. 15. L15101. DOI: 10.1029/2010GL044138.
  • Love J. An International Network of Magnetic Observato-ries. EOS, transactions, American geophysical union. 2013. Vol. 94, no 42. P. 373–384.
  • Mandrikova O.V., Solovyev I.S., Khomutov S.Y., et al. Multiscale variation model and activity level estimation al-gorithm of the Earth’s magnetic field based on wavelet packets. Ann. Geophys. 2018. Vol. 36, iss. 5. P. 1207–1225. DOI: 10.5194/angeo-36-1207-2018.
  • Parmar R., Leiponen A., Llewellyn D.W.T. Building an organizational digital twin. Business Horizons. 2020. Vol. 63, iss. 6. P. 725–736. DOI: 10.1016/j.bushor.2020.08.001.
  • Reich K., Roussanova E. Visualising geomagnetic data by means of corresponding observations. International Journal on Geomathematics. 2013. Vol. 4. P. 1–25. DOI: 10.1007/s13137-012-0043-4.
  • She Y. Sparse regression with exact clustering. Electron. J. Statist. 2010. Vol. 4. P. 1055–1096. DOI: 10.1214/10-EJS578.
  • Tanskanen E.I. A comprehensive high-throughput analysis of substorms observed by IMAGE magnetometer network: Years 1993–2003 examined. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, iss. A5. P. A05204. DOI: 10.1029/2008JA013682.
  • Vorobev A., Vorobeva G. Properties and type of latitudinal dependence of statistical distribution of geomagnetic field varia-tions, 2019, In: Kocharyan G., Lyakhov A. (eds). Trigger Effects Geosystems. Springer Proc. Earth and Environmental Sciences. Springer Cham. 2019. P. 197–206. DOI: 10.1007/978-3-030-31970-0_22.
  • Zongyan W. Digital Twin Technology. Industry 4.0 — Impact on Intelligent: Logistics and Manufacturing. IntechOpen. 2020. DOI: 10.5772/intechopen.80974.
  • Zou H., Hastie T. Regularization and variable selection via the elastic net. Journal of the Royal Statistical Society: Ser. B (Statistical Methodology). 2005. Vol. 67, iss. 2. P. 301–320. DOI: 10.1111/j.1467-9868.2005.00503.x.
  • URL: https://space.fmi.fi/image (дата обращения 1 марта 2021 г.).
  • URL: https://space.fmi.fi/image/www/index.php?page= user_defined (дата обращения 1 марта 2021 г.).
Еще