Автоматизация обработки и интерпретации данных ГИС и ГДИ кафедра геофизики БашГУ, НПФ ГеоТЭК

Задача сбора, обработки и накопления информации стояла перед человечеством на всех этапах его развития. В течение долгого времени основными инструментами для ее решения были мозг, язык и слух человека. Лишь малая часть накопленных человечеством фактов и знаний могла таким образом сохраняться и передаваться из поколения в поколение. В истории развития человечества можно выделить два революционных достижения в области сбора, обработки и накопления информации.
Первая из них связана с изобретением письменности и книгопечатания. На этой основе была создана принципиально новая технология хранения и распространении информации, ориентированная на внешние носители (бумажная информатика). Бумажная технология позволила избавиться от необходимости всецело полагаться на такой зыбкий и ненадежный инструмент, каким является человеческая память.
Несмотря на революционный прорыв в сборе и хранении информации бумажная информатика не затронула область обработки информации. Здесь основным рабочим инструментом продолжал оставаться человеческий мозг.
Второе революционное достижение связано с появлением электронных вычислительных машин (ЭВМ). Подобно тому, как изобретение паровоза открыло эру механизации и автоматизации физического труда, изобретение ЭВМ сделало то же самое в отношении труда умственного. Если для облегчения физического труда человек мог привлечь других представителей животного мира (лошадь, например), то для облегчения умственного труда человек не мог привлечь ни одного другого представителя животного мира. Поэтому изобретение ЭВМ для человечества представляется более значимым, чем изобретение паровой машины.
Компьютерная обработка данных в геофизике в Башкирии имеет давнюю историю. Предпосылки к этому были созданы еще в 1948 году, когда Юрий Алексеевич Гулин был назначен начальником тематической партии гамма-каротажа. Он тогда забросил термометрию и увлекся радиоактивным каротажем. Актуальные задачи радиоактивного каротажа и привели к интенсивному использованию компьютеров в геофизике. Дело в том, что натурное моделирование задач радиоактивного каротажа на модельных скважинах было весьма трудоемко. Более эффективным решением проблемы было математическое моделирование методом Монте-Карло. Другие методы не годились, поскольку нужно было рассчитывать реалистичные модели с большой степенью детализации конкретных условий.
В 1952 в Башкирию был распределен из Ленинграда молодой специалист Иосиф Гецелевич Дядькин. Примечательно, что Дядькин прихватил в Уфу гитару, будучи уверенным в отсутствии интересной работы в такой глуши. Впоследствии гитара была заброшена навсегда, а Башкирия, во многом благодаря его работам, стала одним из признанных центров развития метода Монте-Карло.
Началом компьютерной истории геофизики в Башкирии можно считать 1961 год, когда методом Монте-Карло на ЭВМ Урал-1 (100 операций в секунду, реально 10) были посчитаны координаты 100 случайных траекторий гамма-квантов. Результаты были выданы на печать в рулон бумаги метров на 30. Первым программистом-геофизиком стал приехавший в Башкирию из Краснодара бывший фронтовик, пчеловод Александр Тимофеевич Лисененков. Первое время результаты расчетов обрабатывались вручную. Автоматически обрабатывать результаты моделирования начали позже, уже на более совершенных ЭВМ БЭСМ-2, для работы на которой из Уфы приходилось ездить в Ригу.
Особенность метода Монте-Карло заключается в том, что он требует длительных вычислений на самых быстродействующих компьютерах. Эта особенность имела два последствия для пользователей метода.
Во-первых, монте-карлисты все время ездили по стране в поисках самой быстрой из доступных ЭВМ. Лучшие машины в то время первыми попадали к военным, и только через несколько лет к ним допускали гражданских пользователей. В связи с этим интересен тот факт, что первыми гражданскими пользователями известной модели БЭСМ-6 были геофизики из Башгосуниверситета. Они сумели провести свои вычисления на ЭВМ, который еще не был официально сдан в эксплуатацию.
Во-вторых, в программах, использующих метод Монте-Карло, приходилось "выжимать" все возможности ЭВМ. Поэтому монте-карлисты становились самыми опытными пользователями ЭВМ, и поэтому пользовались уважением со стороны инженеров и руководства ЭВМ. Дружба между инженерами и монте-карлистами обычно завязывались ночами, когда и проводились основные расчеты на ЭВМ. В машинный зал к большим машинам типа БЭСМ-4, ЕС-1022 допуск пользователей был строго запрещен. Монте-карлисты обычно имели такое разрешение. Я помню такое разрешение, выданное мне, где было написано рукой начальника ВЦ :" …разрешить, только в белых халатах."

    Трудно даже представить, как изменилась с тех пор технология программирования. В то время задача решалась следующим образом:
  1. Тщательно составляется текст программы на бумаге,
  2. Каждая строка программы по буквам по специальной таблице соответствия при помощи перфоратора набивается на перфокарту,
  3. Колода перфокарт в назначенное время суток (максимум 3 раза в день) считывается в ЭВМ. Бывает, что какая-то перфокарта зажевывается в процессе чтения. Тогда нужно бежать в другую комнату к перфоратору, чтобы перебить эту карту.
  4. При успешном чтении программа транслируется. Если имеются ошибки синтаксиса (в основном из-за опечаток или плохой работы перфоратора), то выдается список ошибок. Нужно исправлять перфокарты и ждать очередное время отладки программ.
  5. Если трансляция прошла успешно, начинается счет. И здесь возможны ошибки выполнения. На самый распространенный вопрос в такой ситуации (самому себе) "Почему получается такой результат, должно же быть по-другому?" тогда ответить было трудно. Основным способом ответа был анализ текста программы. Единственным способом отладки являлась печать промежуточных результатов. В день максимум 3 отладочных результата в виде распечатки на бумаге. Стоило больших усилий уговорить девушек-операторов ЭВМ пропустить лишний раз отладку программы.
  6. Наконец программа считает правильно и выдает результат в виде кучи колонок цифр. Графических средств представления результатов в то время не было. Графики рисовались вручную на миллиметровке.

 

Многие выпускники специализации: Стариков В.Н., Хаматдинов Р.Т., Журавлев Б.К., Еникеева Ф.Х. и др. в совершенстве овладели как методами Монте-Карло, так и приемами работы на различных ЭВМ. Позже они организовали свои школы Монте-Карло в различных регионах России. Заметный вклад в развитие Монте-Карло внесли Галимбеков Д.К., Пшеничнюк А.И., Велижанин В.А. – все выпускники специализации “Геофизика”.
Примерно к середине 70 годов спрос на задачи радиометрии спал, и на специализации стали искать новые приложения для использования метода Монте-Карло. Такой областью стала физика полимеров. Были установлены научные связи с Институтом Высокомолекулярных соединений АН СССР в Ленинграде. В 1978 году мы вдвоем с Карпасасом М. поехали в г. Ленинград на дипломную практику в этот институт. Нашим научным руководителем стал д.ф.-м.н. Ельяшевич А.М. - руководитель лаборатории теории и математического моделирования полимеров. Затем еще три года я провел в этой лаборатории в очной аспирантуре. Ленинградская школа оказала большое влияние не только на мою компьютерную подготовку, поскольку я имел доступ в хорошо оснащенный ВЦ АН СССР, но и на мое мировоззрение, потому что в этой лаборатории работали специалисты мирового уровня.
Следующим важным этапом развития компьютерных технологий на кафедре был 1985 год, когда появились первые отечественные персональные компьютеры. В этом году был закуплен в Ереване первый микро-ЭВМ "Электроника Д3-28" (См. Рис.1).
32 килобайт ОЗУ, магнитофонная лента для загрузки Бейсика и программ, графический дисплей казались тогда верхом совершенства. Но самое главное преимущество было в том, компьютер был персональным. Никто не стоял между компьютером и пользователем. Через год по большому “блату” в Казани были закуплены еще несколько таких ЭВМ. Из них был организован первый на кафедре компьютерный класс, который затем перерос в компьютерный класс факультета.

Рис.1. Первый персональный компьютер Д3-28 в лаборатории радиометрии.

Рис.1. Первый персональный компьютер Д3-28 в лаборатории радиометрии.

 В эти годы компьютеры на специализации “Геофизика” использовались для расчетов методом Монте-Карло в геофизике и физике полимеров, для численных расчетов тепловых полей. На персональных компьютерах начали разрабатываться подходы для интерактивных обрабатывающих программ.
Направление работ по применению методов Монте-Карло в геофизике по праву возглавлял доцент кафедры Галимбеков Д.К. Он уже выходил к защите докторской диссертации в этой области, но неожиданная для всех трагическая гибель в автокатастрофе в 1989 году нарушила все его планы.
Важной вехой в развитии специализации стал 1990 год, когда было организовано (совместное кафедры прикладной физики и геофизики и банка "Восток") предприятие "Потенциал". Нужно дать должное заведующему кафедрой Саяхову Ф.Л., организовавшему это предприятие. Геофизикам надо было решить, на что потратить полученные от банка "Восток" деньги. Мне удалось уговорить остальных на покупку настоящих персональных компьютеров, так как я был ярым сторонником использования персональных компьютеров. Каждый компьютер стоил тогда дороже автомобиля, и в этих условиях мы первыми в университете (если не считать компьютер на математическом факультете, привезенный из Америки) закупили два персональных компьютера IBM 286 и копировальный аппарат.
К тому времени в компьютерном зале физфака уже имелись IBM совместимые персональные компьютеры "Искра", на которых мы и научились работать, освоили Norton Commander и Turbo Pascal.
Тогда персональные компьютеры осваивали методом проб и ошибок в условиях полного отсутствия учебников и руководств. На этих «Искрах» выросло целое поколение замечательных студентов факультета.
Свои два компьютера мы быстро использовали для дела и уже в том же году одними из первых (если не первыми в России) выехали на скважину для цифровой регистрации с непосредственной записью данных в персональный компьютер. В это время никто не знал, возможно ли вообще такое. До сих пор хорошо помню тот первый выезд на скважину Юсуповской площади, когда я сидел в кабине станции, крепко держа в руках завернутый в одеяло системный блок персонального компьютера.
Этот первый же выезд на скважину для цифровой регистрации летом 1990 года был удачным. Мы впервые записали непосредственно на “винчестер” персонального компьютера каротажные кривые. Дальше нужно было как-то обработать эти данные.
К этому моменту времени данные ГИС обрабатывались уже на компьютерах, но это были большие компьютеры cерии ЕС. Кроме того, решались, в основном, задачи открытого ствола. Задачи же контроля за разработкой в обсаженных скважинах продолжали решаться вручную. Сложность и особенность задач контроля заключается в том, что они трудно поддаются формализации и стандартизации. Интерактивные возможности, предоставляемые персональными компьютерами, открыли новые пути для решения такого рода трудноформализуемых задач.
Уже в 1991 году мы разработали первую версию графического интерпретатора DEW. Это была одна из первых программ для персональных компьютеров для обработки данных ГИС закрытого ствола. Великолепный для своего времени графический интерфейс; неограниченной длины кривые и другие идеи реализации этого продукта оказали большое влияние на все последующие разработки в этой области.
К 1992 году была разработана вторая версия программы DEW. К тому времени стали понятны недостатки этой системы. Основным недостатком было то, что эту систему уже нельзя было развивать дальше. Поэтому к 1993 на базе системы Turbo Vision была разработана новая версия программы обработки данных ГИС под названием IGF.
Непрерывное развитие внутреннего формата данных системы завершилось в 1994 году разработкой собственной локальной базы данных WS. Главная особенность WS заключалась в ее гибкости. Наш опыт разработки предыдущих лет подсказывал, что для построения перспективной системы нужна будет гибкость в организации данных. Вначале на базе WS совместно с Рамазановым А.Ш. и Юсимом Ю.М. мы реализовали систему «Гидрозонд» для обработки данных гидродинамического зондирования пластов. Затем в 1995 г. эта технология организации данных была использована для развития графического редактора, которая получила название «ПРАЙМ». Использование передовых технологий (объектно-ориентированное программирование, готовые компоненты, модульность построения и т.д.) позволили создать очень гибкую и открытую систему для обработки данных ГИС.
В 1998 году была реализована версия системы «ПРАЙМ» для Windows 95/NT, которая для удобства пользователей была сделана совместимой с версией для DOS. В этот же год была защищена диссертация с использованием экспертной системы, разработанной на специализации.
Опыт практического использования системы «ПРАЙМ» и удачная ее организация послужили основой для проекта «БАШГИС» в 2000-2001 гг. Целью этого проекта была разработка интегрированной системы, которая должна была объединить обработку трех классов задач обработки данных ГИС: открытого ствола, цементирования ствола и обсаженного ствола скважины. Другая уникальная особенность этого проекта заключалась в том, что в ее реализации участвовали кроме головной организации в лице кафедры геофизики БашГУ еще 5 ведущих научных центров России. Успешная реализация проекта показала, что система «ПРАЙМ» является не только интегрированной системой обработки данных ГИС, но еще и открытой средой разработки геолого-геофизических приложений.
В 2003 г. в системы «ПРАЙМ» были реализованы уникальные многоскважинные технологии обработки данных ГИС.
Другое направление в использовании персональных компьютеров на кафедре геофизики параллельно развивал Шарафутдинов Р.Ф. – численное моделирование многофазной фильтрации жидкости. В 2000 году он защитил докторскую диссертацию на эту тему.
В настоящее время системы «ПРАЙМ» и “Гидрозонд” используется для обработки данных ГИС в крупнейших геофизических и нефтяных предприятиях России. Многие алгоритмы обработки в этих системах используют результаты теоретических и численных расчетов на ЭВМ. Кафедра геофизики БащГУ продолжает поддерживать передовой уровень разработки компьютерных технологий, заложенный еще ее основателями много лет назад. Сегодня никто не представляет обработку данных ГИС без привлечения компьютеров. Выпускники кафедры геофизики, как это было всегда, имеют хорошую компьютерную подготовку и являются проводниками современных компьютерных технологий в обработке данных ГИС.