Наглядное пособие для нефтяников

Системы визуализации для ТЭК вышли на новый уровень, позволяющий строить эффективные системы контроля и управления

ИТ-индустрия движется вперёд семимильными шагами, но ответственные решения пока всё-таки принимает не компьютер, а человек. А потому одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками современных информационных систем для нефтяных предприятий, - обеспечивать наглядное и удобное представление информации.

От скважины до аудитории

Популярные в последнее время центры поддержки принятия решений (ситуационного анализа) строятся ради того, чтобы руководители могли справиться с увеличением объёмов поступающей информации и усложнением её структуры, получить инструмент для прогнозирования сценариев и оценки рисков. Такие центры обязательно содержат мощные системы визуализации.

Конгресс-центры и залы для совещаний нефтяных компаний тоже включают современные средства визуализации, но вдобавок часто дополняются системами аудио- и видеоконференцсвязи, позволяющими обеспечивать удалённое взаимодействие с региональными офисами. Помещения для собраний акционеров помимо этого ещё снабжаются системами автоматического подсчёта голосов.

Отечественные научно-исследовательские проектные институты (НИПИ) сегодня проводят техническое переоснащение и переобучение персонала с целью перехода от двухмерных к трехмерным системам автоматизированного проектирования (САПР), которые гораздо нагляднее представляют информацию, чем двухмерные. Это позволяет ускорить проектирование объектов и облегчает поиск нестыковок в частях проекта, выполняемых различными специалистами и отделами. Для эффективного применения трехмерных САПР требуются мощные системы стереоскопического отображения информации.

На нефтепромыслах сегодня широко внедряются автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ), что позволяет централизовать управление различными технологическими установками и облегчить условия труда операторов благодаря построению диспетчерских, куда стекается вся технологическая информация. Здесь, как правило, стереоскопическое отображение не требуется, но средства визуализации, тем не менее, должны иметь достаточно высокое разрешение, быть надёжными, эргономичными и гибкими в настройке.

На отечественных НПЗ сегодня идет централизация управления путем создания единых операторных, монтиру емых в помещениях бункерного типа, как предписано специальным техническим регламентом "О требованиях к безопасности нефтеперерабатывающих производств". Соответственно, здесь тоже нужны системы отображения информации.

Самую серьёзную нагрузку на средства визуализации, несомненно, дают системы геолого-гидродинамического моделирования. Будучи размещёнными в корпоративных центрах нефтяных компаний или НИПИ, они обслуживают сложнейшие компьютерные геофизические и гидродинамические модели залежей, работающие с терабайтными базами данных. Основные производители данного программного обеспечения известны - это Landmark, Paradigm, Roxar, Schlumberger. Подобные системы используются не только для оптимизации освоения собствен ных запасов, но и для экспертной оценки моделей месторождений, созданных сторонними компаниями.

Тенденция нынешнего дня - разработка упрощённых систем геофизического и гидродинамического моделирования. Дело в том, что полновесные программные модели перечисленных фирм дороги и требуют для своего обслуживания специалистов высокого уровня. У сотрудников территориально-производственных предприятий и цехов по добыче нефти и газа нет возможности каждый раз обращаться в НИПИ или корпоративный центр. Им для оперативного анализа хода разработки залежей и принятия решений по её оптимизации необходимы свои программные комплексы представления и обработки геолого-геофизических и промысловых данных. Соответственно, здесь тоже требуются средства визуализации.

Ещё одна область применения систем визуализации - корпоративное образование. Они устанавливаются в аудиториях, на тренажёрных комплексах для обучения операторов и т.д.

Какая технология лучше?

Системы визуализации, выполненные на основе проекторов, делятся на два класса: с фронтальной и с обратной проекцией (проектор и аудитория находятся с разных сторон экрана). Последние могут занимать больше места в помещении из-за того, что за экраном нужно оставить пространство для проекторов и доступа к ним. Фронтальная система экономит площадь, но заставляет тщательно продумать местоположение проектора с тем, чтобы ничто не перекрывало падающий на экран свет.

Сами проекторы могут быть выполнены по LCD- или DLP-технологии. В LCD-аппаратах изображение формируется аналоговым способом тремя работающими на просвет ЖК-панеля-ми (по одной для красного, зелёного и синего света). DLP-технология (Digital Light Processing) предусматривает цифровую обработку светового потока с помощью одной или трёх DLP-матриц, представляющих собой массив из большого количества качающихся микрозеркал размерами около 10x10 мкм каждое. DLP-проекторы используют свойство инерционности человеческого глаза. Например, для получения яркости 75% от максимальной зеркала матрицы колеблются, три четверти времени направляя свет лампы на экран, а одну четверть - пуская его в поглощающую световую ловушку.

Главное преимущество DLP-проек-торов - повышенная контрастность. В свою очередь, LCD-устройства могут похвастаться меньшим мерцанием и, как следствие, щадящей нагрузкой на зрение.

Среди основных характеристик проекторов всех типов назовём световой поток, измеряемый в ANSI-люменах (он показывает яркость), и разрешение в точках (пикселях) по горизонтали и вертикали, например, 1024x768 или 1920x1080. В зависимо-С1и от соотношения сторон экрана различают обычные (4:3 или 5:4) и широкоформатные (16:9 или 16:10) проекторы.

Для получения больших панорамных экранов используется сшивка изображений от нескольких проекторов. Чтобы места стыков картинок для зрителей были незаметны, сшивка идёт полосами с плавным уменьшением яркости одного проектора и увеличением яркости другого.

Видеокуб (видеомодуль) представ ляет собой просветный экран и распо ложенный за ним проектор, собран ные в единую стандартную конструк цию. Видеокубы подобны кубикам детского конструктора - из них системные интеграторы составляют видеостены. Их размер может варьироваться от 2x2 до 7x7 кубов и даже больше. Как и проекторы, видеокубы могут быть выполнены по DLP- или LCD-технологии. Видеостена обычно снабжается специальным видеопро цессором, позволяющим выводить одну большую картинку на всю пло щадь или распределять её пространство на несколько окон.

Переходим на стерео

Технологии получения стереоскопического эффекта добавляют системам визуализации новое качество - возможность выводить обьёмное изображение. Для этого в системах используется бинокулярный принцип - формируются две немного разные картинки, предназначаемые для левого и правого глаз зрителей.

Для выделения световых потоков, направляемых разным глазам пользователя, применяются специальные очки. В зависимости от того, каким обра зом разделяется информация для левого и правого полукадра, очки могут быть пассивными или активными (снабжёнными электронными схемами и быстродействующими световыми ЖК-затворами).

Временное разделение информации для левого и правото глаза преднола гает поочерёдную смену полукадров. Синхронно с этим активные очки открывают световые затворы то для левого, то для правого глаза. Чтобы зрители не страдали от утомления зрения, смена полукадров должна происхо дить по меньшей мере 110 раз в секун ду. Подобная система обслуживается одним быстродействующим DLP или LCD-проектором. Она неудобна тем, что зрителям приходится использовать громоздкие очки, от которых тянутся провода, или (в случае беспроводного управления ИК-си1налом) снабжённые батареями для питания.

Поляризационное разделение информации предполагает, что изобра жения для левого и правого глаз пере даются светом разной поляризации. Картинка формируется двумя проекторами, оснащёнными соответствующими поляризаторами. Зрители надевают недорогие пассивные очки с перпендикулярно ориентированными поляризаторами. Данный метод позволяет облегчить очки, но требует наличия специального экрана,которь й храняст плоскость поляризации отра жаемого или проходящего луча. Недостаток технологии - необходимость держать голову прямо (если зритель наклоняет ее вбок, возникают искаже ния в виде призрачных контуров).

Для снижения стоимости системы визуализации некоторые компании совмещают временное и поляризационное разделение информации, что позволяет использовать один проектор, но требует добавления специального оптического устройства, которое периодически поворачивает поляризацию луча проектора.

Прежде чем рассказывать о сути спектрального метода разделения информации (иногда его называют узкополосным), отметим, что ни мулыи медийный проектор, ни компьююр ный монитор, ни телевизор не воспроизводят картинку в том виде, в каком её создаёт природа. Солнечный свет обладает широкой цветовой гаммой, в нём присутствуют все оттенки радуги, не товоря об ультрафиолетовом и инфракрасном излучениях. Воссо их все искусственным путём нереально. Возможность более или менее адекватно воспроизвести картинку на экране зиждется на том, что наши цветовые рецепторы (колбочки сетчатки глаза) настроены лишь на три основных цвета - красный, зелёный и синий. Все остальные оттенки мы воспринимаем как комбинацию этих цветов.

Метод спектрального разделения информации для левого и правого глаз предполагает использование узкополосных интерференционных филы ров, разделяющих каждый из базовых цветов на два оттенка: сине-фиолетовый и сине-голубой, зелёно-жёлтый и зелено-голубой, красно оранжевый и красно кумачовый.

Спектральный метод позволяет не редавать полукадры для левого и правого глаз одновременно, для чего требуются два проектора, имеющие узко-полосные цветовые фильтры. Зрители для наблюдения стереоскопического изображения надевают пассивные очки с фильтрами, выделяющими соответствующие оттенки.

Компания Ваrсо (изготовитель профессиональных инсталляционных проекторов) разработала технологию lnfitec+, которая даёт возможность получить спектральное разделение с помощью лишь одного проектора. Аппараты серии Galaxy с большой частотой чередования посылают на экран картинки для правого и левого глаз. Выделение информации обеспечивается с помощью пассивных очков с интерференционными фильтрами.

Достоинства спектрального метода очевидны: возможность использовать простые и легкие пассивные очки, не требуется экран, пользователь может наклонять голову без появления фантомных изображений.

Бинокулярная стереоскопия создает весьма эффектную картинку - зрителям кажется, что изображение висит в воздухе перед экраном. Чётко видна пространственная структура, можно оценить взаимное расположение элементов. Находясь в разных местах в аудитории, зрители, тем не менее, видят одно и то же. Возможность развернуть картинку для показа сбоку, увеличить, приблизить и т.д. реализуется программными средствами в пакете визуализации.

Следует отметить, что стереоскопические системы не всегда удаётся использовать на практике, порой приходится довольствоваться монорежи мом. Для показа стереокартинки программные пакеты должны быть совместимы со стандартом Open GL, тогда трёхмерное изображение можно сформировать с помощью дополнительной внешней утилиты. Встречаются и внутренние средства стереоскопии -бинокулярный механизм в виде двух работающих одновременно и разнесённых в пространстве виртуальных камер. Другими словами, не каждое ПО трёхмерного моделирования приспособлено к работе в стереорежиме.

"Трёхмерный взгляд" нефтегазовых компаний

В компании ВР системы визуализации развёрнуты во многих офисах, в частности, в городах Хьюстон, Сан-бьюри и Абердин. В них используются большие панорамные экраны и средства стереоскопического отображения.

Успешно работает центр пространственной визуализации компании "ЛУКОЙЛ", созданный специалистами ООО "ЛУКОЙЛ-ИНФОРМ". О нём журнал "Нефть России" подробно рассказывал в специальном выпуске "Автоматизация и информационные технологии в управлении нефтяным производством" в2005 г.

В ООО "Ямбурггаздобыча" стереоскопической системой на основе мощных проекторов Вагсо оснащён большой конференц-зал. Управление и переключение видеосигналов осуществляются из операторной с помощью техники компаний Crestron и Extron.

"Уренгойгазпром" недавно с помощью фирмы Polymedia оборудовал зал заседаний на 30 человек. Там установлена система обратной проекции с жёстким широкоформатным экраном размером 3200x1800 мм и проектором Panasonic PT-DW7000E. Из-за того, что большинство участников располагаются за столом боком к основному экрану, предусмотрены вспомогательные 40-дюймовые ЖК-дисплеи.

Намётки на будущее

Строго говоря, объёмное восприятие не опирается исключительно на бинокулярный характер зрения. Закрыв один глаз, вы обнаружите, что картинка плоской не стала. Дело в том, что пространственное изображение создаётся не на сетчатке глаза, а в мозгу человека. Причём в процессе аккомодации (фокусировка глаз на различных предметах с помощью глазных мышц) и конвергенции (сведение направлений взгляда левого и правого глаз) мозг получает информацию о расстоянии до объектов. Пространственное восприятие усиливается и такими эффектами, как заслонение одних объектов другими, изменение угловых размеров при удалении от наблюдателя и т.д. Двигаясь вокруг трёхмерного объекта, наблюдатель меняет ракурс наблюдения, может заглядывать за грани, в отверстия и т.д. Если же вы начнёте ходить вокруг стереоскопического экрана, вы обнаружите, что со всех направлений видна практически одинаковая картинка.

Понимая, что бинокулярная схема серьёзно ограничивает возможности систем трёхмерного отображения информации, специалисты уже сегодня говорят о перспективных топографических и объёмных (волюметрических) дисплеях. Они оперируют уже не пикселями, а вокселями, то есть пространственными графическими элементами, и не требуют применения стереоочков. Несколько зарубежных фирм ведут интенсивные исследования в данной области. Например, американская компания Actuality Systems разрабатывает волюметрические дисплеи семейства Perspecta, выглядящие как прозрачная сфера диаметром порядка 50 см, внутри которой парят объёмные цветные изображения.

Внутри сферы Perspecta располагается экран 8 виде прозрачного полукруга, на который проецируется изображение с проектора. Полукруг вращается со скоростью порядка 24 оборота в секунду, картинка на нём меняется в зависимости от угла поворота, в результате перед наблюдателем возникает трёхмерное изображение из примерно 100 млн вокселей.

Другие прототипы объёмных дисплеев предусматривают вращение матрицы светодиодных излучателей, по очередное включение собранных в пакет и освещаемых проектором ЖК-экранов и т.д. Можно ожидать, что через 10-20 лет технология объёмных дисплеев будет готова к применению в нефтегазовом комплексе. К тому вре мени до нужного уровня вырастет и мощность компьютеров.