Методология создания и перспективы применения проблемно-ориентированных цифровых двойников магнитных обсерваторий и вариационных станций
Ключевые слова:
цифровые двойники, машинное обучение, восстановление временных рядов, статистический анализ, геомагнитные данные, магнитные станцииАннотация
Постановка проблемы: магнитные станции являются одним из основных инструментов наблюдения геомагнитного поля, однако пропуски и аномалии во временных рядах геомагнитных данных, нередко превышающие 30 % от числа зарегистрированных значений, негативно отражаются на эффективности реализуемого подхода и затрудняют применение элементов математического обеспечения, требующих соблюдения условия непрерывности информационного сигнала. Кроме этого, отсутствующие значения вносят дополнительную неопределенность в задачах компьютерного моделирования динамики пространственного распределения параметров геомагнитных вариаций. Цель: разработать методологию повышения эффективности технических средств наблюдения геомагнитного поля. Метод: создание и интеграция в процессы сбора и предварительной обработки геомагнитных данных проблемно-ориентированных цифровых двойников магнитных станций, позволяющих с известной точностью имитировать функционирование их физических прототипов. Результаты: на примере магнитной станции Kilpisjärvi (Финляндия) показано, что использование цифровых двойников, информационную среду которых составляют геомагнитные данные окрестных станций, позволяет провести восстановление (ретроспективный прогноз) параметров геомагнитных вариаций со среднеквадратической ошибкой в авроральной зоне до 11,5 нТл. Интеграция проблемно-ориентированных цифровых двойников магнитных станций в процессы сбора и регистрации геомагнитных данных способна обеспечить автоматическую идентификацию и замещение отсутствующих и аномальных значений, повышая за счет эффекта резервирования отказоустойчивость магнитной станции как объекта-источника данных. Так, например, цифровой двойник станции Kilpisjärvi реализует восстановление 99,55 % годовой информации, из них 86,73 % с ошибкой, не превышающей 12 нТл. Обсуждение: по причине пространственной анизотропии параметров геомагнитного поля ошибка на выходе цифрового двойника для каждого конкретного случая будет отличаться в зависимости от географического местоположения магнитной станции, а также числа и удаленности окрестных магнитных станций. Однако данную проблему возможно минимизировать, интегрируя в информационную среду цифрового двойника геомагнитные данные спутниковых наблюдений. Практическая значимость: применение предложенной методологии делает возможными автоматизированную диагностику временных рядов геомагнитных данных на предмет выбросов и аномалий, а также восстановление отсутствующих значений и идентификацию мелкомасштабных возмущений.
