автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ определения погрешностей при формировании скан-образов каротажных диаграмм для интерпретации геофизических исследований скважин

На правах рукописи

СУЛТАНОВ Равиль Олегович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СКАН-ОБРАЗОВ КАРОТАЖНЫХ ДИАГРАММ ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН

Специальность:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 и АПР 23]4

005546949

Ижевск - 2014

005546949

Работа выполнена на кафедре «Программное обеспечение» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова» (ИжГТУ им. М.Т. Калашникова).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- Лялин Вадим Евгеньевич, заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, доктор геолого-минералогических наук, профессор

- Дикусар Василий Васильевич,

доктор физико-математических наук, профессор, Вычислительный центр имени A.A. Дородницына РАН, Отдел проблем моделирования, главный научный сотрудник

Качурин Сергей Игоревич, кандидат технических наук, ЗАО «Ижевский нефтяной научный центр», начальник отдела информационных технологий и подготовки данных для проектирования

- Институт геофизики имени Ю.П. Булашевича Уральского отделения РАН

Защита состоится «24» апреля 2014 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 в ИжГТУ имени М.Т. Калашникова по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на его официальном сайте http://istu.ru. С авторефератом можно ознакомиться по адресу http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. В отзыве указываются фамилия, имя, отчество лица, представившего отзыв на автореферат диссертации, почтовый адрес, телефон (при наличии), адрес электронной почты (при наличии), наименование организации, работником которой является указанное лицо, и должность в этой организации.

Автореферат разослан «21» марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент I/В.Н. Сяктерев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При автоматизированной обработке данных геофизических исследований скважин (ГИС) используется качественная исходная информация. До изобретения цифровых регистраторов каротажной информации качество оцифровки данных ГИС, в первую очередь, зависело от ввода информации с архивных бумажных лент в ЭВМ. На современном этапе данные геофизических исследований скважин сканируются, т.е. в процессе сканирования создается цифровая копия, которая затем загружается в персональный компьютер и обрабатывается. Процесс сканирования осуществляют рулонные (протяжные) сканеры. На рынке современной техники представлено огромное количество разнообразных моделей рулонных сканирующих устройств, которые разнятся функциональностью, качеством, быстродействием, оптическим разрешением, максимально возможной шириной бумажной ленты и другими важными характеристиками. Даже при таком изобилии сканирующих устройств невозможно найти совершенный рулонный сканер. При оцифровке данных ГИС с помощью подобных сканеров часто возникают проблемы, которые невозможно устранить заменой одного сканера на другой.

К наиболее серьезным проблемам, которые могут повлиять на данные геофизических исследований скважин, относятся: некачественная бумага, смешение бумажных носителей, износ деталей и механизмов устройства сканера, отвечающего за подачу лент. Для исключения искажений данных геофизических исследований скважин необходимо разработать меры по контролю процесса сканирования данных ГИС, связанных с качеством сканирования, анализом и выявлением систематических и случайных помех.

Для изучения случайных помех, которые могут повлиять на качество данные геофизических исследований скважин, в работе использованы методы теории вероятностей и случайных функций. Методы и подходы, проверенные на практике и обоснованные в работе, позволят стать основой для разработки последующих механизмов предотвращения помех при автоматизированной обработке данных ГИС.

Совершенствование технологии оцифровки каротажных диаграмм с твердого носителя и усгранение влияния помех при их регистрации и считывании для формирования скан образов в цифровой форме является по-прежнему актуальной проблемой.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами 5. «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и 9. «Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов» паспорта специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике).

Объектом исследования является технологии компьютерного моделирования и оцифровки каротажных диаграмм на основе информационно-измерительной и управляющей системы.

Предметом исследования являются математические и профаммно-инструментальные средства оценки точности оцифровки при сканировании каротажных диаграмм.

Цель работы заключается в проведении комплексных исследований, на-

правленных на создание информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) для оцифровки каротажных кривых с бумажного носителя, разработку методики статистического анализа случайных помех при сканировании кривых, которые представимы в виде суперпозиции общего числа неслучайных незатухающих периодичностей и стационарного случайного процесса, а также разработку технических средств устранения погрешностей транспортирования бумажного носителя и алгоритмов коррекции скан-образов.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- построение информационно-измерительной и управляющей системы для преобразования каротажной кривой из аналоговой в цифровую форму;

- аппроксимация каротажной кривой по дискретным значениям ее ординат, по-лучешым с помощью сканирующих по бумажному носителю оптических датчиков;

- проведение спектрально-корреляционного анализа скан образов каротажной кривой для определения статистических характеристик помех, - возникающих при формировании скан образов;

- разработка принципов и технических средств измерения поперечных перемещений, угла перекоса и продольного растяжения сканируемого бумажного носителя.

- разработка методики и технических средств для устранения перекоса при продольном движении бумажного носителя;

- разработка алгоритмов коррекции для устранения погрешностей при оцифровке каротажных кривых.

Методы исследования. При построении ИИУС использованы методы структурной декомпозиции для обеспечения эффективной настройки узлов и блоков, а также для их сопровождения и адаптации к определенным экземплярам оборудования и особенностям каротажных данных. Структура созданной системы основана на теоретическом базисе построения информационных и микропроцессорных вычислительных систем.

Программное компоненты ИИУС реализованы на языке программирования высокого уровня С++. В основе разработки математической модели оценки точности оцифровки и создания методики статистического анализа процесса получения скан-образов каротажных диаграмм лежат методы теорий вероятности и случайных функций, а обработка полученных каротажных кривых и их параметрическая оценка осуществлены с помощью быстрого преобразования Фурье.

Экспериментальная часть исследований основана на применении методов анализа погрешностей, возникающих при движении бумажного носителя за счет наличия угла перекоса, поперечных перемещений и продольной деформации.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, подтверждены результатами практического применения ИИУС и созданного программного обеспечения.

Полученные математические модели, алгоритмы и методики основаны на теории статистического анализа временных рядов, теории вероятности и случайных функций. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением эффективных измерительных средств, обширным экспериментальным материалом, методами статистической обработки данных и высокой воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты по созданию информационно-измерительной и управляющей системы для определения, анализа и устранения

ошибок оцифровки, возникающих при сканировании каротажных диаграмм, направленной на повышение качества вводимой каротажной информации при оцифровке данных геофизических исследований скважин, в том числе:

- методика идентификации формы кривых каротажных диаграмм при получении скан образов.

- методика определения поперечных колебаний движущегося носителя методом среднеинтегралыюй фильтрации при рассмотрении процесса сканирования как детерминированного и стационарного в широком смысле случайного процесса.

- оптимальная оценка поперечных колебаний ленточного бумажного носителя при постоянной реализации случайного процесса

- статистический анализ возникновения случайных погрешностей с исследованием спектральной плотности и ковариационной функции по дискрети-зированной реализации процесса.

- математические модели контроля перекосов движущегося бумажного носителя и коррекции цифровых образов каротажных диаграмм

- структура и алгоритм работы информационно-измерительной и управляющей системы, включающей устройство определения перекосов в процессе сканирования и программные компоненты для обработки оцифрованных каротажных кривых.

- разработка основополагающих принципов создания компьютеризированной ИИУС, построения аппаратных и программных компонентов системы, предназначенных для обработки оцифрованных каротажных кривых.

Научная новизна полученных в работе результатов определяется впервые проведенным комплексом исследований, направленных на создание новых научно обоснованных аналитических и технических решений, положенных в основу разработки ИИУС для повышения качества оцифровки каротажных данных, а именно:

- построена математическая модель для оценки точности сканирования при оцифровке каротажных диаграмм, включающая выражения и зависимости для оптимальной оценки формы каротажных кривых;

- представлена методика выделения поперечных перемещений бумажного носителя с каротажными кривыми во время сканирования с помощью серии узких датчиков, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друг а;

- решена задача оптимальной оценки поперечного перемещения движущейся бумаги с записанной на ней каротажной кривой по непрерывной и дискретной реализациям случайного процесса, представленного как суммы значений поперечного смещения и случайной ошибки;

- разработана методика для статистического анализа случайных помех, образующихся при сканировании каротажных диаграмм с помощью сканеров, которая позволяет определять характеристики, необходимые для анализа потерь качества;

- разработаны технические устройства и программное обеспечение, интегрированные с рулонными сканерами, предназначенные для диагностики и выявления программных ошибок и сбоев при анализе точности процесса сканирования.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы были применены для создания ИИУС для определения, анализа и устранения ошибок при оцифровке каротажных диаграмм. Разработанное программное решение позволяет повысить качество и эффективность процесса оцифровки каротажных данных ГИС. Программное обеспечение имеет универсальную структуру и при необхо-

димости может быть легко модифицировано под определенные требования или расширено новым функционалом, включающим методы для решения различных комплексов задач и процедуры обработки данных.

Реализация работы в производственных условиях. Результаты диссертации использованы при проведении хоздоговорных научно-производственных работ по оцифровке данных ГИС, полученных с объекта Арланского месторождения, совместно с ОАО «Белкамнефть».

Автор принял непосредственное участие в разработке, внедрении и сопровождении ИИУС и ее программных компонентов для обработки оцифрованных каротажных кривых, а также в обработке каротажной информации с более чем четырехсот скважин.

Результаты работы могут найти практическое применение в организациях, непосредственно осуществляющих полный цикл оцифровки и интерпретации данных ГИС, или занимающихся геофизическими исследованиями месторождений.

Апробация работы. Результаты этапов диссертационной работы докладывались на 36-й междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Крым, Ялта-Гурзуф 2009), VI международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2011), XI международной конференции молодых ученых «Информационные технологии в науке, социологии и бизнесе» (Крым, Ялта-Гурзуф, 2013), XI международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (Москва, 2013). 6-й международной конференции «European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches (Stuttgart, Germany, 2013).

Публикации. Результаты работы отражены в 12 научных публикациях: 3 статьи в изданиях, рекомендованных для публикаций ВАК РФ, 9 статей в международных научно-технических конференциях и журналах.

Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 161 странице. В работу включены 47 рисунков, 3 таблицы, а также список литературы из 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит формулировки объекта и предмета диссертационного исследования, актуальность проведения исследований, направленных на разработку ИИУС для определения ошибок сканирования при оцифровке каротажных диаграмм, определение цели и задач работы.

В первой главе проведен обзор методов ГИС, существующих технологий регистрации и дальнейшей обработки каротажной информации, технологические этапы процесса оцифровки данных. Также приводится описание применяемых при оцифровке различного оборудования и программных комплексов, обсуждены вопросы оценки требований качества при оцифровке каротажных данных.

Во второй главе предложена методика определения функциональной зависимости каротажной кривой (КК) геофизического сигнала.

Рассмотрен случай, когда бумажный носитель (БН) (рис. 1) перемещается в его плоскости при постоянной скорости по сравнению к недвижимой системе координат OXY (сканер). Подвижная система координат 0\XY связана с КК. Форма КК и отклонение ее от оси 0,Х определяется уравнением Y = f(X).

У f(X)

У1 У2

о, со А X

Движение БН с константной скоростью v проходит параллельно с поперечными колебаниями s(t), параллельными оси OY. Определение формы КК осуществлено с помощью двух близкорасположенных узких датчиков.

На момент времени t получаем такие значения датчиков: У, (0 = 77(0 + 5(0, К2(0 = ??(/ + Д 0 + s(t), где At=(X2-Xt)/v, /;(/) = A vi) -форма КК в момент времени / (0 < / < Г0 - Д/); Т„ = Ха / v; Х0=О,А

х, х2 )

/(.v) - функция каротажного сигнала, 5- поперечное смещение, , К, - показания двух датчиков. Рис. 1. Определение формы КК

(О, А - длина КК на носителе).

Тогда П'(1) * (К,(г) - = (;?(г + Дг) - /;(г))/Д /.

Рассмотрен случай, когда - это обусловленный процесс, при данных 2Л-1 значениях ) = ^7*, здесь 1к=кА, Д = 7,', / 2/V, Л- = 0,1,..., — 1. Производная процесса аппроксимирована на интервале [0,7^,] тригонометрическим полиномом

'7т(0 = + ^(Л cosпс°о' + Ва sin/j<»0f), (<а0 = 2л /T0,m<N). 2 „=,1

Коэффициенты Ак, Вк в равенстве (1) определены по формулам 1 , , 1 , кпп

А - —У'?! > 4, = — У п1 cos——,я ^

' Nh Nh N

1 ^ , . knn — > n, sin-.

Nh N

(1)

(2)

где п = 1,2,..., т.

Решена задача тригонометрической интерполяции для производной Т]'(г) путем ее разложения в ряд Фурье на интервале [0,Г0]:

Определена среднеквадратическая ошибка с] аппроксимации производ-

1 Т°

ной г]'(1) тригонометрическим полиномом >]'„,(<) ■ ега =—|['7'(0_7»|(г)]2 ■

В работе показано, что сга < с~ - — + В*).

Форма кривой )/(?) определяется по приближенной формуле:

, Л А„ Л, Я А, .

'7(0 ~ + АЛ— cos ncot)t--— sin/?ft>(/).

2 tt na>„ ncoa

Величина Д/ подбирается из условия, что в случае приближенного определения значений производной функции каротажного сигнала q'(t) относительная

среднеквадратическая ошибка <5

';„('->-Л')-'?,„(')

At

-п'Л')

dt /\tf(t)dt не

должна превышать определенной величины.

В результате ряда преобразований получены следующие выражения

п\о - п:м) = £ су*», 7,(0 - Е —

п х—т 0

,,-т 1/М0о

чгО

здесь С„ = (Д, - 'Д,) / 2, С_„ = С, (п ~ 1,2,..., т), а С„ и С„ - это взаимно сопряженные комплексные числа. Таким образом

1"" " .................12

Т *

#0 О

??,,(/ +Ар-77„(0

А/ '

„±1 п2соЦ АО2

и, если | <?""'"*'" - 1 - /л<у0Д<| < я2й>^(Аг)2/2, то на основании формулы (3) получается

т } л) ¿-> 4

'о оЬ ш J Я—ш ^

Из (4) выводится выражение <52 </к2«2(Д/)2 ^ |С„|~ /4 ^ |С„|* . Окончательно получаем

г- тг(о?.( ДО2 2л л

<-—нли § <-с учетом того, что = — =-.

4 То Т„ NA

Если А//Ти = ц , то <5 < /ил-//.

В работе рассмотрен также случай, если т](1) представляется в широком понимании стационарным случайным процессом. Тогда спектральную плотность (СП) 77(0 можно выразить через /п(а>) (а>> 0). При допущении, что

^(т) = ^[2*,(г)- *,<г -д/)-+ ДО], где г=/,-Г, - корреляционная

функция стационарного случайного процесса ?7(<), то

/,(ю) = -?Л:,(Г)С08®Г ¿х = - } Кч(т)е*Чт.

Показано, что СП /д(си) и /(ш) связаны соотношением

/4(а>) = 2(\-со5аА1)/п(со)/(со2А12). (5)

Доказано, что

/»* ЛИ/®2, (6)

При приближенном определении СП /и(а>), используя формулу (6), подбирается Дг из расчета, чтобы относительная ошибка

= |(Л(<У) - «2/,(«))/(<У2/>))| (7)

не была больше заданной величины.

Подставив в формулу (7) выражение (5), получили <5, = \2-2СОБ<УД/ -<ц2(Д02|/(й>Д02 •

Воспользовавшись разложением cos соAt в ряд Тейлора получаем неравенство <5, < (соAt)2/12. Если 0 < со < Q, то

<5,<(Д/-Я)712. (8)

Введем Та = 2ж / Q и неравенство (8) представим как 5, < л-V/3, здесь v = At/Та. Следовательно, найдена оценка сверху для относительной ошибки определения СП стационарного процесса 77(f) с помощью формулы (6).

В диссертации определены колебания носителя, перпендикулярные в плоскости его движения, с нанесенной на него КК, методом среднеинтегральной фильтрации. Y(t) - смещение каротажной кривой от оси ОХ(рис. 2) в некторый момент времени /. Отсюда, Y(t) = i](t) + s(t), где /?(/) - значение функции кривой в момент времени, a t,s(t) - поперечные колебания бумажного носителя в момент г. При определении значения s(i) используется метод среднеинтегральной фильтрации.

Обозначим Т = Liu, здесь и - это постоянная скорость считывания информации с носителя, L - длина среднеинтегрального фильтра. Для оценки поперечного перемещения л(/) в момент времени t0 взята величина

*(/„> = - J [rjO + *(/.)] dt, о < Т < Т„, Т0 = Xjv, 0 < /0 < т0 - т.

(9)

у V

с- it

° Л X

s(/0) - это точная, однако заранее не известная величина поперечного перемещения носителя в момент времени t„. То есть s(tn)~J(ta).

Рассмотрен случай, когда г]{!) -детерминированный процесс, т.е.:

T](t) « А/2 + cosncoj + Вп sin/jft>0f),

здесь Д, = Вп / по)а, Вп = -Ая / па>0

(я = 1,2,..., пг), а Ап и Вк выводятся по

Рис.2. Определение поперечных перемещений движущегося БН,

г) - значение функции кривой в момент г, 5 - поперечное смещение носителя

формулам (2).

По формуле (9),

м=-т ' I ^ л-— Л1чя?

здесь С, =(Д, -IВ„)/2, С„=С„ (я=1,2,...,/п).

Средняя мощность разности /;(0 в интервале [0,Г0] вычислена по формуле

/mW(J"<"oT

Ce""w(e

1)

Tinco„

'о о

С е"'"'' (е""''"1 -1)

iTna,,

п <о0Т

Время фильтрации Т определяется исходя из того, что 8\ должна достигать наименьшую величину в интервале 0 < Т < Та.

= f/*„(г)(1-Э</г. (Ю)

В случае, если rjQ) - стационарный случайный процесс, то дисперсия <yl(t) разности s(t0)-s(t0) записывается как

<xf (/) = D[J(/J-*(/„)] = Л/[»;(/)-m)] A J ,

где D означает операцию по определению дисперсии, т = Mt](t).

В результате преобразований получено выражение ]_

Т 3Т " Т'

Время фильтрации Г выявляется так, чтобы величина <Jj(t) в интервале

0 < Г < Г0 стала самой небольшой. Для этого нужно выявить все стационарные

значения crj. как функции от переменной Т в промежутке 0 < Г < Т0. После

дифференцирования уравнения (10) по параметру Гполучено уравнение г

\Кп(т){Т-2\т\)с1т = 0. (11)

-т

Когда g,t(a>) - это СП стационарного процесса q(t), корреляционная функция Кп(т) данного процесса и СП g,;(<u) соотносятся таким образом:

= J gn(oj) e""dco.

-X

Если известна СП g7(fit>), то уравнение (11) можно записать как

Т х.

J J (Г - 2\т\)е'т gn(со) e^drdco. (12)

-Г-*

После преобразования уравнения (12) получено выражение:

г . (°T ( . соТ / а юГ / 1 , w A

J sin-^j^2sin — jco -Tcos— la>jgn(co)d(o = 0.

Также в работе приведена методика оптимальной оценки поперечных перемещений бумажного носителя с нанесенной на него аналоговой КК. Необходимо оценить поперечное перемещение s(t) в момент времени tQ по непрерывной реализации процесса (рис. 3):

Y(t) = s(t0) + rj(t + /0) (0 < t < Т, 0 < t0 < Т0 - Т, Т0 = L/v, Т0 = (Х2 - X, )/и), здесь L - это длина КК, которая считывается с носителя.

Регистрация проводится измерительно-фильтрирующим устройством (на рис. 3 - заштрихованная область), при известной СП либо корреляционной функции кривой i](t) = f(ut) в качестве стационарного, в широком смысле случайного, процесса.

Оценка поперечного перемещения s(t) в момент времени /0 - это величина т

•?('„) = \h{t)Y(t)dt. (13)

■ У Лх)

V

F%= X

Рис. 3. График постоянной реализации случайного процесса F(í)

Да-) - функция каротажной кривой, s(lo) - поперечное смещение в момент lo

s(t0) характеризуется дисперсией:

Т Г-г

а2 = 2 J /С„(г) dz ¡ h{t) h(t + z)dt,

Несмещенная оценка !(/„) определяется как:

т о

Функция Л(/) может быть названа весовой функцией линейного фильтра, который применяется, чтобы определить случайный процесс _к(?). для получения оценки 5 (/0). Точность определения величины поперечного перемещения л(/0) согласно оценке

(14)

Оптимальной является оценка, у которой весовая функция h(t) обеспечивает минимум дисперсии. Функция h(t) определяется из решения уравнения:

т

¡h(r)Kn(r-t)dT = *lO<t<T. (15)

о

Для решения (15) использована СП

g(<a)=—---¡г, А>0 (16)

2яг|а0(ма)" +... + anJi(o) + а„\

Тогда решение можно записать как

Kt) = £а..,[*('~"(0 + (-1)'"' - Г)] + а V(2a„., + апТ),

ы\ /

здесь S(t) - это дельта-функция.

Исходя из формул (13), определение оптимальной оценки поперечных колебаний движущегося бумажного носителя в момент tQ соответствует выражению

s(to) = tia.J(-l)'',y'->(0) + y"\T)] + a,¡Y(t)dt /(2 a„_l+aj).

'=I 0 /

Дисперсия оптимальной оценки (17) равняется А

(17)

(18)

' а„(2а„_>+а,Т)

Рассмотрены варианты оценивания поперечного перемещения движущейся бумаги в 2 случаях СП (16). В случае, если СП g(co) равна

g(ft>) =

layW

лрсо)7 +2aiú} +у2

r2=cx2+iЗ2; a,ß>0;a2=Drj(t),

(19)

где у2 = а~ + {¡~; « > 0; /7 > 0; а2 = Ог)((), ей соответствует корреляционная функция Кп(т) = сг2е~

Оптимальную оценку л(г0), опираясь на формулу (17), можно вычислить так:

г

сов Рт + — соз/?|г|

2а[Г(0) + У(Щ - [ПО) ~ ГЛ

.?(,„) =-----2-. (20)

4 а + у Т

По выражению (18), оценка (20) имеет такую дисперсию: а2 = 4асг2/(4а + у2Т). В другом случае при СП g((o):

*(«) = -(21) я\1а> + а\

корреляционная функция равняется Кп(т) = а1е'"^(\ + а\т^.

Тогда, по формуле (17), .?(/„) в данном случае можно определить как

* (/0) = <2[К(0) + У(Т)] - [ПО) - У'(Т)] + а]г(с) Л) /(4 + аТ). (22)

и /

1 4 а~

Дисперсия оценки (22) по выражению (18) равняется сг~ =—-—.

Стационарный случайный процесс /7(0 > который характеризуется СП (19) и (21), по (14), является решением дифференциального уравнения:

И + 2а — + А2!] = ¿¡(I),

Ыг Л

здесь - это случайный процесс, у которого есть постоянная СП, а

2 2 7 7 ^

у =а + Р" когда случай 1 и у =а когда случай 2.

По выражению (18) дисперсии а2 оптимальной оценки .?(/„) поперечного перемещения носителя во время движения в момент времени /0, устанавливается время фильтрации Т из условия а2 < £, где £ - это малая неотрицательная числовая величина, подбираемая в зависимости от технических параметров используемых сканирующих устройств.

В третье главе диссертации проведен статистический анализ возникновения случайных погрешностей при оцифровке каротажных кривых и получении их скан образов. Рассмотрены принципы работы и характеристики рулонных сканеров.

Дискретизированная реализация процесса сканирования описывается как £(пЛ) = и(пА) + ЛГ(лД), п = 0,1,..., N-1, (23)

где //-1=[7*/Д] - целая часть от Т/А, и(пА) - определенная функция с неслучайной зависимостью, Х(иД) = ^ - случайный перемешанный

процесс со средним ЕХ(пА) = 0, г -характеристика измерения случайного процесса, Д - шаг дискретизации.

Для статистического анализа погрешностей сканирования необходимо определить характеристики приведенного процесса. Слагаемые в формуле (23) означают погрешности, которые образуются в зависимости от конкретной модели сканирующего устройства, а стационарный процесс Х(пА) - как влияние несущественных источников спонтанно возникающих и быстро затухающих помех. Таким образом, характеристика и(пА) = 0 говорит о высоком качестве сканирования.

В работе для демонстрации методик оценки статистическим методом спектра и анализа одномерного распределения стационарного процесса Х(г), предназначенных для исследования случайных помех, возникающих при сканировании КК приведены результаты работы рулонного сканера А\>'щгатт. Рассмотрен процесс сканирования бумажной ленты с записанной информацией шириной 200 мм. На бумажную ленту помимо сигнала нанесена координатная сетка с расстоянием между линиями 10 мм. Расстояние между краями координатной сетки и бумажного носителя - 20 мм.

Бумажная лента с записанной на ней КК $,(/) изображена на рис. 4. Для определения помех, возникающих из-за перекосов и растяжения бумажного носителя, использованы три ряда контрольных точек на сканируемой поверхности (рис. 4.). Сканированные КК сравнивались с оригиналом по контрольным точкам. Одновременно определялись оюгозо гооо «.мм обе координаты погрешностей (для

Рис. 4. Изображение бумажной ленты скан-образа допускалось отклонение от с записанной КК нормали контрольных точек)

£,(пД), е, (нД),где п = 0,1,..., ТУ -1 = 199, с точностью до 0,1 мм.

Для выявлении стационарных случайных помех Х(1) статистическим методом проведено статистическое исследование ковариационной функции (КФ) С(/) = [СД(г)]* СП /(Л) = [/;4)]'[,- и одномерных функций распределения (ФР)

ф) = Р{х^)<х}, (24)

плотностей распределения (ПР)

Р;(х) = Р;(х),~ оо<л<оо; (25)

7=7,2,...г, по имеющейся реализации

Х(пА) = [X, (лД)] , п = 0,1,...ЛГ -1.

Для анализа КФ С/к применена статистика

Сд(лД) = —Л^"'Х7.((И1 + И)Д)А^(ШД), и = 0,1,—(26)

N „1=л

Вначале рассматривается разрешающая способность по частоте И [рад/с]. Далее высчитывается наименьшее число т, удовлетворяющее условию N =2" > N и 2к/N Д < А. Поиск параметра Л значит, что СП /(А) оценивается в точках А1=2я-/Л^Д, 5 = 0,1,...///2. Следующим шагом является вычисление статистики с помощью алгоритма БПФ (быстрое преобразование Фурье)

= (пА)е-'"л\ у= 1,2,..„г,

где о„ - временное окно (ВО). С помощью использования ВО на а„ можно значительно сократить влияние соседних частот. При исследовании СП помех считывания информации с помощью сканера при использовании треугольного ВО получились неплохие результаты, при четном N определяемого формулой [2(я + 1)/Л,л=0,1,...,ЛГ/2-1,

а" I av-n-i>п - N/2,...,N — I.

,V-n-1 »

Ha основе результатов (27) высчитываются значения периодограмм

-I

и значения оценок СП /у'/'(Я) 1

= ..,N/2.

¿т +1

(28)

где 2т+1 - ширина окна спектра, гт- подбираемый параметр т - 0,1.....

При довольно большом значении N вместо (28) следует воспользоваться следующей статистикой

= тЧ V). * = 0.1,..,ЛГ / 2

/=0

-I

V " у

з* о

где L = [(/>/ - F)/m] - целая часть от числа, am-подобранный параметр, /я = 1,2.....

На рис. 5 представлены графические изображения случайных помех X(t) устройства сканирования с шагом дискретизации при перемещении бумажной ленты 20 мм и 100 мм. На рис. 6 показаны графические показатели СП помех e(t), а на рис. 7 размещены графические изображения показателей СП помех X(t). В этих двух случаях помех показатели СП рассчитывались по формуле (28) с параметром т = 5. В представленных графических изображениях выявляется, что СП помех e(t) в основном состоит из явных пиков, об этом говорит присутствие регулярных периодично-стей в составе помех X(t). СП помех Х(1) отличают более сглаженные функции, поэтому помехи X(t) рекомендуется принимать как стационарный случайный процесс. На рис. 8 показаны графические изображения показателей КФ помех X(t).

о.гз

.1 20 *2<4){мм|

.*. 0.06

г (Л) [мм'/ГШ е

кАл^

Рис. 5. Графики случайных помехх(0

0,02

t |л) [ММ г/Гц]

Рис. 6. Графики предварительных оценок СП

„ [тшуиЛАдД^ллл л

Рис. 7. Графики оценок СП/(Л) случайных помех А'(0 .

Рис. 8. Графики оценок КФ СО) случайных помех Х(0

Далее в работе произведен анализ одномерного распределения (24-25) изолированно для каждого фиксированного у—1,2,..., г

^,=Л-у(иД),#«=0,1,...,ЛМ (29) В качестве анализа ФР (29) применена статистика

= = ^тах {п:Х'„< .г}, (30)

где - указатель интервала (-<о;дг),а Х[ < Х'г < ...й Х'п - отрегулированная

выборка (29).

Для выявления ПР (25) зададимся числами —от <а < Р <<х> и ш е {1,2,...}, при этом с вероятностью 1 а <Хп < Р, а число т представляется верхней оценкой степени тригонометрического полинома.

Располагая заданными числами а, р и т далее вычисляется У.={ХН -(а+р)/2)-2я/(р-а), «=0,1,.. .,N-1,

К'

где к=\,2,...,т и

Оценка ПР р(х) является тригонометрическим полиномом порядка М<т. Число М вычисляется в следующей последовательности. Сначала устанавливаются к0, 10 и к,, где

( (тах{£ = 1,2>...,и;:|с4|>4(т|, если такие к существуют

[0, в противном случае

1 = Гтт{* = А-,. +1 ,к, + 2,...,т -1 :|с,_,|> |с4| <

\т, если таких к нет

= |т'п{к = ~1 •'|^ | < \т,если таких к нет

У =1,2.....Если |с<1|<2|Т, то получаем М = /«. Если |с/[||^2сг, то в качестве М

получаем минимальное /,-, у = 1,2,..., такое что|<^(| < Зет. Если подобных не

существует, то М = /и. По значению М выявляется оценка ПР р(х). Если М = О, то р(х) = 1ЦР-а), а <х< р

ЕслиЛ/>0, то получается и', = |2/(¡¿^ |2 +(1-|с4|2)/'Л0, к=\,2,...М,

1 Г

<7(у) = шах10,—11 + 2^н'4(а^сов/у + вшАу)^, -л <у<к ,

р( х) = 4л2д(х-(а + р)'2)/(р-а)2, а <х< р.

Ри> <1ч ' « Г? ,

—1-1

-0.75

<>М »¿г, С1.СТ1)

-И

Рис. 9. Графики оценок одномерных ФР и ПР случайных помех Х(0 при шаге А = 20мм

(31)

Представленный процесс оценивания ПР р(х) всегда может быть теоретически объяснен при наличии независимых переменных Хо. X/.....Л'л ./.

На рис. 9 приведены графические изображения показателей (30) и (31) в случае помех Х(1) сканера при шаге дискретизации Д - 20лш и Л = 100.дш. При показателе ПР принималось

(а,Р) = (-0,75;0,75). На рис. 9 также отражены графические изображения гаус-совских функций распределения (ФР) и плотности распределения (ПР) со средними О и дисперсиями а2, рассчитанными по выражению (26). По данным графическим изображениям можно достаточно ясно определить, что одномерные функции распределения помех Х(1) являются гауссовскими. Таблица 1 содержит вычисленные значения параметров распределений помех Х(().

Таблица 1

Д = 20.ш< Д = 100.К.«

у [мм] Хщт [мм] Хтах [мм] а [мм] а [мм] Хщт [мм] Хпих [мм] а [мм] а [мм]

180 X, -0,192 0,204 0 0.108 -0,221 0,234 0 0,112

X; -1,123 1,145 0 0,381 -1,182 1,178 0 0,395

100 X, Х3 -0,174 -1,056 0,184 1,091 0 0 0,097 0,377 -0,219 -1,165 0,226 1,148 0 0 0,103 0,390

20 X, -0,186 0,199 0 0,104 -0,220 0,234 0 0,112

х2 -1,109 1,138 0 0,380 -1,171 1,165 0 0,393

В четвертой главе работы описана разработка информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) для оценки, анализа и устранения

погрешностей формирования скан образов ЮС, а также основные принципы работы линейных вибродвигателей, входящих в состав устройства устранения перекосов БН.

Созданная ИИУС (рис. 10) регистрирует и рассчитывает величину и характер помех, которые появляются во время сканирования КК, и управляет процессом, чтобы повысить точность при создании скан-образов. В аппаратные компоненты системы входят: устройства, повышающие точность ввода каротажной информации с БН, современный механизм подачи бумаги линейными вибродвигателями. Комплексом для обработки скан-образов КК является программный компонент. Подача БН с помощью линейных вибродвигателей устраняет перекосы, которые появляются, если БН подается с помощью независимой работы подающих вибродвигателей.

Рис. 10. Структура ИИУС Устройство, которое определяет пере-

косы, появляющиеся во время сканирования, взаимодействует с цифровой информацией - пикселями, которые считываются сканером с БН. Описанный программный комплекс необходим для конечной обработки скан-образов, в частности устранения мелких погрешностей, и может быть применен самостоятельно.

Предложены формулы для оценки величины угла перекоса БН (рис. 11), который сканируется

<5 = ,?щп(А1)агс^(А1/128), (32)

А/ = (/, - /_,,,), А = L ■ tg(S) = L Al/h = L Д//128,

(33)

здесь L - это ширина области, которая сканируется (ширина ленты), А - величина смещения ленты для устранения перекоса, учитывается также, что в практике при сканировании черно-белых каротажных диаграмм чаще всего применяют оптическое разрешение 100 dpi, значение шага h = 83... 124 пикселя. Чтобы было просто кодировать в бинарной системе, принимаем h = 27 =128 Для учета перекосов и деформации бумажной ленты, следует рассчитать угол перекоса S (32) отдельно и для правого, и для левого краев ленты, как угол перекоса примем среднее значение

1 - граница области сканирования 2 - край бумажной ленты

Рис. И. Способ контроля перекосов БН

8=(_8ПРАВ +8ЛЕВ)/2, (34)

или максимальное (по модулю)

5 = 518п(аПРАВ + 8ЖВ)-тах(|5/7/>',в|)|<5-™|).

Чтобы определить угол перекоса соответственно (34), выражение (33)

л; //¡ПРАВ ,111411, , ..ЛЕВ ¡ЛЕЗ \\

принимает такой вид: Д/= ((/; - ) + (/, -1._1П))/2.

Чтобы упросить кодирование в двоичной системе, представляем ¿ = 21/2.54 100 = 827 «512+ 256+ 64 = 832. Выражение Д принимает такой вид.

Д = Д//4 + Д//2 + Д/-2. (35)

Для расчета коэффициента растяжения БН использована формула: К = с1/(1ст, (36)

где с! — измеренное, а с1С1 - это стандартное расстояние в пикселах между линиями координатной сетки, вычисляемое как с!ст = [у' ■ £>^/2.54], здесь г- это

расстояние в см между линиями координатной сетки на бумажной ленте.

Чтобы реализовать данный способ предлагается устройство, схема которого изображена на рис. 12. Устройство состоит из следующих компонентов: оптические элементы сканера 1, механизмы с зарядовой связью 2, АЦП 3, ячейки памяти 4, операционный блок 5, вибродвигатели линейные 6, носитель данных 7. С 1 по 3 блок - это стандартные элементы рулонного сканера. Также стандартный механизм подачи бумаги сканера возможно заменить на вибродвигатели 6, это ведет к небольшим изменениям в схеме устройства.

Механизм функционирует в таком порядке. Сначала сканер считывает один ряд точек с бумажного носителя 7, далее от оптических элементов I и механизмов с зарядовой связью 2 исходит аналоговый сигнал на АЦП 3, откуда полученный цифровой сигнал передается в ячейки памяти 4 и операционный блок 5, параллельно сигнал из ячеек памяти 4 направляется в операционный блок 5. После этого операционный блок 5 побитово сравнивает сигналы, далее рассчитывает величину перекоса (35), а потом формирует импульс на одном из выходов, его протяженность будет равна времени работы вибродвигателя, который нужен для того, чтобы устранить перекос. Сигнал идет на вход 1 вибродвигателя 6. Он срабатывает 6 и бумажная лента 7 перемещается, таким образом убирая перекос.

Далее в работе определены критерии для определения помех, математические модели и методы графической коррекции изображения на сканируемом образе. Рассмотрена задача о повороте изображения размером п х т точек (пикселей) на угол 8 (рис. 13). Пусть есть матрица сканируемого образа £ = а ¡=1.л,/=1..т (рис. 14). Элементы матрицы 5 отвечают за интенсивность цвета каждого пикселя.

Рис. 12. Блок-схема устройства, направленного на определение и устранение помех

Нужно сформировать скорректированную матрицу изображения Л" = (V ). Преобразование поворота в форме матрицы выглядит таким образом

S' = S-R, Л =

^-sin(<S) cos(<5)

здесь R - матрица поворота:

YJ

(37)

Фон

Край бумажной ленты

я' =

Рис. 13. Поворот точки на угол S Рис. 14. Матрица сканируемого образа S.

Во время поворота растровых изображений на угол, не кратный к / 2, появляются проблемы, которые вызваны дискретным характером изображения. Для решения данной задачи применен следующий подход. Нужно рассчитать координаты исходной точки (л;у) по известным координатам (л:';/)• Формула (37) принимает такой вид: S-S'R', здесь/?' - матрица поворота выглядит так: (cos(<5) -яш(<5)^ sin(<5) cos(<5) )

Так как речь идет о растровом изображении и координаты точек (.г';у') представляются целыми числами, то координаты всех точек (х;>>) также следует округлить до ближайшего целого:

л: = [У - cos(8) + у' ■ sin(<S)]

у = [-х' ■ sin(<S) + у' • cos(<5)]

Определен порядок выбора параметра п - это длина участка скан-образа, который обрабатывается (на параметр m влияет ширина области сканирования и принятого оптического разрешения). Следует выбирать я=10.. 15% от т. Тогда, при принятой ширине сканирования 21 см и оптическом разрешении 100 dpi, значения параметров равны т=827 пике., /г=83..124 пике. Отметим, что с целью корректного преобразования исходной матрице S нужно быть больше по размеру, к примеру 2п х т .

Так как единица длины в расчетах - это пиксель, то формулы расчета угла перекоса (34) можно преобразовать в такой вид:

8 = sign(Al)arctg(Al/n), (38)

здесь Ы=((1"РЛВ -1"™") + {1?'ЕВ -If"))/2, /, - это число пикселей от края абсолютно черной области изображения в строке i матрицы S. Так как блок изображения имеет размерность п х да , следовательно, нужно представить

М = ({1°''АЙ - САК) + (А"7" - If" ))/2 ■

То есть, скорректированная матрица изображения станет выглядеть так: — (5</ )' ~ (39)

Осуществлено масштабирование изображения по отношению к началу координат. Масштабирование нужно, чтобы корректировать продольные растяжения/сжатия изображения, которые произошли во время сканирования. Выразить данное количество помех можно с помощью коэффициента растяжения (36).

Масштабирование преобразуется по отношению к началу координат: х' = х*Кх,у' =у-Кг, где Кг, Кг - это коэффициенты масштабирования по каждой оси (поперечное и продольное растяжение).

Проще всего реализуется целочисленное масштабирование. Когда происходит увеличение в К раз, каждый пиксел в строке также в К раз дублируется. Когда происходит уменьшение в К раз, из каждой группы в К строк нужно выбрать одну строку и в ней из каждой группы в К пикселов взять 1 пиксел как результат. Масштабирование, которое нецелочисленно, должно характеризоваться нерегулярным дублированием при росте и выбрасыванием при спаде. Чтобы в результирующем изображении не было «дырок» при любых преобразованиях растровых картин нужно для следующего пиксела результирующего образа выделить соответствующие пикселы оригинального изображения, а затем определить значение пиксела с последующим его занесением.

Следовательно, для каждых 2 строк / и /+с/ матрицы 5' (39) рассчитываем коэффициент К (36) и формируем матрицу :

= (40)

По мере масштабирования меняется размер вертикально результирующей матрицы Б".

В работе решена задача о распознавании контрольных линий координатной сетки на сканируемом образе. Наличие линии в у'-ой строке матрицы скан-образа свидетельствует о выполнении условия:

здесь </ - это подобранный экспериментально параметр, ц = (0.8-г-0.9)-¿; Ь -это ширина в пикселах полученного скан-образа; - значение цвета преобладающего фона изображения в матрице 5.

Условие (41) берет в учет толщину координатной линии, потому что значения по строкам) и/+1 суммируются.

В обработке скан образа КК выделено три основных этапа:

Этап 1. Устранения помех, образованных перекосами движущегося бумажного носителя в процессе сканирования:

- выделение области изображения;

- вычисление угла перекоса для определенной области;

- коррекция (поворот) определенной области;

Этап 2. Устранение помех, образующихся в результате продольных растяжений носителя:

- определение контрольных линий на участке изображения;

- вычисление коэффициента растяжения носителя;

- коррекция (масштабирование) редактируемого участка изображения;

Этап 3. Подготовка оцифрованного изображения для дальнейшей обработки:

- удаление фрагментов изображения, не несущих полезной информации (поля и др.);

- настройка яркости и контрастности, цветовой гаммы изображения;

- выгрузка изображения в файл формата PSF (для возможности использования при обработке в программе ScanDigit).

Этапы соответствуют 3 программным модулям комплекса обработки скан-образов каротажных диаграмм:

1. Элиминирование помех, которые были обусловлены перекосами бумажного носителя во время сканирования, они являются случайным процессом с поперечными колебаниями. Этот этап характеризуется тем, что изображение разделяется на несколько блоки, нужно рассчитать угол, а также направление перекоса у каждого из блоков и скорректировать, поворачивая изображения на рассчитанный угол.

2. Элиминирование помех, которые были вызваны продольными деформациями (растяжением и сжатием) бумажного носителя. Этот этап характеризуется последовательным распознаванием горизонтальных линий сетки координат. Для 2 выбранных линий, расположенных рядом, рассчитываем коэффициент растяжения, а далее блок изображения, который ограничен этими линиями, масштабируем (сжимаем или растягиваем) соответственно полученному коэффициенту.

3. Обработка сканируемого образа для обработки далее. Этот этап характеризуется тем, что обязательно нужно сперва удалить со скан-образа те участки, которые не несут какую-то важную информацию (поля и пр.). Эту операцию следует проводить в интерактивном режиме. Дальше нужно дать пользователю возможность коррекции яркости, контрастности и цветовой гаммы скан-образа для того, чтобы получить наибольшую четкость изображения. Этот этап можно и не производить, когда ПО сканера дает возможность настраивания указанных параметров изображения. По окончании данных работ нужно экспортировать изображение, которое было скорректировано, в формат, который позволяет обрабатывать его дальше. Если мы используем как инструмент оцифровки пакет программ компании Nord Soft, то данным форматом можем выбрать PSF, он поддерживается в программах Scan Digit, Digit Control.

Предлагается алгоритм, который сочетается с разработанной математической моделью коррекции перекосов:

1. Формируется цикл L-I..N с шагом п, тут N - это длина сканируемого образа, пикселы.

2. Вычисление смещения (38) для области скан-образа к + (к+п).

3. Расчет угла перекоса д (34).

4. Для всех ;" = 1..от, j' = k..k + n-\ составляется матрица 5"[/';у"'] = 5"[у],

где i,j определяются по формуле (39).

5. Матрицу S' записываем в результирующий файл построчно, начинаем со строки к.

6. Выполняются пункты 2-4 выполняются для следующего к.

7. Окончание алгоритма.

Также, аналогично математической модели коррекции продольных деформаций, представлен такой алгоритм:

1. *=1.

2. Если к-я строка матрицы 5" имеет контрольную линию (41), значит переходим к пункту 4.

3. Увеличим А" на 1 и перейдем к пункту 2.

4. /=к+1; /=1 (параметр Г- это количество «пропускаемых» соседних линий).

5. Если то переходим к пункту 10.

6. Если 1-я строка матрицы 5' содержит контрольную линию (41), то переходим к пункту 8.

7. Увеличим / на I, то переходим к пункту 6.

8. Если 1=Т, то переходим к пункту 10.

9. Увеличим / на 1, увеличим / на 1 и переходим к пункту 6.

10. Рассчитаем коэффициент растяжения К (36).

11. Для I =\..ш, / = А\./-1 заполняем матрица £"[/';/] = (40).

12. Матрица сохраняется в результирующий файл построчно, начиная со строки к.

13. к=1.

14. Если /<>Л/, то переходим к пункту 4.

15. Окончание алгоритма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в ходе диссертационной работы комплекса исследований, направленных на получение решений по созданию устройств и программного обеспечения для повышения качества ввода данных при оцифровке каротажных диаграмм ГИС, как интегрированных компонентов ИИУС, предназначенной для выделения, анализа и устранения ошибок, вызванных процессом сканирования при оцифровке. На основе полученных алгоритмов и методик разработан и применен в технологическом процессе формирования скан-образов по данным ГИС специализированное программное обеспечение, способствующее существенному повышению качества ввода каротажных кривых и упрощению их дальнейшей обработки.

Основные полученные результаты и выводы работы заключаются в следующем.

1. В результате изучения технологического алгоритма оцифровки каротажных диаграмм, полученных в ходе ГИС, построена структура автоматизированной информационно-измерительной и управляющей системы и определена необходимая функциональность ее программных компонентов.

2. Предложены математические модели определения точности при создании цифровых отображений каротажных диаграмм, включающие формулы, которые позволяют оптимально оценивать форму каротажной кривой, идентифицировать поперечные колебания ее бумажного носителя и определять количество необходимых интефируемых контрольно-измерительных устройств для оп-

тимального определения функции каротажной кривой. Все расчетные формулы сопровождаются определением дисперсий и среднеквадратичных ошибок.

3. Предложена методика статистической оценки случайных погрешностей, возникающих в процессе оцифровки информации с бумажных носителей рулонным сканером, на основе исследования таких характеристик процесса, как спектральная плотность, ковариационная функция, а также функции и плотности распределения составляющих случайных помех.

4. Предложены концепция, универсальная структура, математические модели, а также алгоритмы и модули программно-аппаратных средств для оценки, анализа и устранения помех при формировании скан образов КД.

5. Созданное устройство для определения и компенсации ошибок сканирования позволяет устранять перекосы движущегося бумажного носителя каротажных диаграмм, существенно повышая таким образом точность ввода информации при оцифровке. Устройство спроектировано как дополнительный модуль рулонного сканера. В работе приведена общая схема структуры устройства, описан его рабочий процесс и методы взаимодействия с остальными компонентами ИИУС.

6. Использование двух линейных вибродвигателей в цепи обратной связи в качестве протяжного механизма для перемещения бумажного носителя способствует достижению большей точности, а возможность их асинхронной работы позволяет оперативно компенсировать перекосы носителя, возникающие в процессе сканирования.

7. Разработаны алгоритмы для программного комплекса обработки сканированных образов каротажных диаграмм. Программное обеспечение позволяет проводить редактирование сканированных изображений для устранения неточностей, вызванных перекосами и деформацией бумажного носителя. Комплекс прошел опытные испытания, в работе присутствуют результаты обработки тестового фрагмента каротажной диаграммы.

8. Предложенные алгоритмы, программные и аппаратные компоненты могут быть применены как в технологическом процессе оцифровки каротажных диаграмм, так и в других областях. Предлагаемый подход по повышению точности сканирования может быть положен в основе разработки новых моделей протяжных сканирующих устройств, информационно-измерительных и управляющих систем интерпретации, включающих ввод данных с бумажных лент.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Султанов P.O., Данилов М.В. Алгоритмы устранения помех при формировании скан образов каротажных кривых // Интеллектуальные системы в производстве. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013. - №2. - С. 165-169.

2. Султанов P.O. Технические средства для определения и устранения погрешностей при сканировании каротажных диаграмм // Вестник ИжГТУ - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013 - №4. -С. 133-136.

3. Султанов P.O., Данилов М.В. Оптимальное определение формы каротажной кривой при сканировании. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: Изд-во ВНИИОЭНГ, 2013. - №12. - С.32-35.

4. Оцифровка каротажного материала Каширо-подольского объекта Вятской площади Арланского месторождения: Отчет о НИР / Институт интеллектуальных технологий; Рук. В.Е. Лялин; Исп. А.П. Щеглов, P.O. Султанов, А.В. Гурьянов и др. - № ГР 01200 405095 - Ижевск, 2007. - 91 с.

5. Сенилов М.А., Абдуллаев Р.В., Султанов P.O. Моделирование технологических процессов на основе нейро-нечеткого вывода // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Материалы 36-й междунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Прилож. к журн. «Открытое образование», 2009. - С. 94-96.

6. Исмагилов Р.Н., Султанов P.O. Выбор реологической модели оптимальной сложности в условиях малых выборок по методу перекрестной проверки // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы VI международной научно-практической конференции. - М.: 2011. - С. 353-359.

7. Султанов P.O. Способ измерения угла перекоса и коэффициента продольных деформаций ленточного носителя при сканировании. // Информационные технологии в науке, социологии и бизнесе 2013. Материалы XI международной конференции молодых ученых. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Прилож. к журн. «Открытое образование», 2013. - С. 72-73.

8. Султанов P.O. Исследование спектра случайных помех при формировании скан образов каротажных диаграмм // Актуальные вопросы науки. Материалы XI международной научно-практической конференции. - М: Изд-во «Спутник+», 2013. С. 56-63.

9. Султанов P.O. Анализ одномерного распределения случайных помех, образующихся в процессе сканировании протяжным сканером // Актуальные вопросы науки. Материалы XI международной научно-практической конференции. - М: Изд-во «Спутник+», 2013. С. 64-70.

10. Ravil, Sultanov. Determination of transverse displacements of paper tape carrier during scanning // European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches, proceedings of the 6th International scientific conference. ORT Publishing. Stuttgart, Germany. 2013. P. 82-85.

11. Султанов P.O. Оптимальная оценка поперечных смещений бумажной ленты при сканировании по непрерывной реализации процесса // Приволжский научный вестник. - 2013. - № 11 (27). - С. 10-15.

12. Султанов P.O. Оптимальная оценка смещения сканируемой поверхности по дискретной реализации исследуемого процесса// Приволжский научный вестник.-2013.-№ 11 (27).-С. 15-20.

В авторской редакции

Подписано в печать 17.03.14. Усл. печ. л. 1,4. Заказ № 90. Тираж 100 экз. Издательство Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т. КАЛАШНИКОВА»

0420'*! 457663 На правах рукописи

СУЛТАНОВ Равиль Олегович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИЯ СКАН-ОБРАЗОВ КАРОТАЖНЫХ ДИАГРАММ ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН

Специальность:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике);

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, доктор геолого-минералогических наук, профессор Лялин В.Е.

Ижевск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение......................................................................................................................................................................................................................5

Глава 1. Каротажные данные и их предварительная обработка

перед интерпретацией ГИС....................................................................................................................11

1.1. Введение..........................................................................................................................................................................................11

1.2. Представление данных в цифровой форме............................................................................16

1.3. Математическая модель каротажной кривой............................................................19

1.4. Редактирование данных ГИС..............................................................................................................21

1.5. Технологическая схема формирования базы данных

материалов ГИС............................................................................ ' 25

1.6. Схема автоматизированной обработки и интерпретации

данных ГИС......................................................................................................................................................................27

1.7. Хранение каротажной информации. Формат LAS............................................29

1.7.1. Общее описание формата............................................................................................29

1.7.2. Секции Las-файла........................................................................................................................30

1.7.3. Мнемоники Las-файла..........................................................................................................31

1.8. Программное обеспечение для оцифровки каротажных

диаграмм....................................................................................................................................................33

1.8.1. СИАЛ-ГИС..............................................................................................................................................33

1.8.2. ScanCrv..........................................................................................................................................................36

J. 8.3. Карпаты......................................................................................................................................................39

1.8.4. Геопоиск......................................................................................................................................................43

1.8.5. ScanDigit......................................................................................................................................................45

1.9. Современные устройства протяжного сканирования..................................48

1.8.1. Mustek Paragon PageExpress......................................................................................48

1.9.2. NeuraScanner........................................................................................................................................49

1.9.3. NeuraScanner "Turbo"..........................................................................................................52

Глава 2. Математические критерии оценки точности сканирования

каротажных диаграмм при оцифровке............................................................................54

2.1. Идентификация формы каротажного сигнала при

формировании скан-образов............................................................................................................54

2.1.1. Определение функциональной зависимости

каротажной диаграммы геофизического сигнала......................54

2.1.2. Определение колебаний носителя, перпендикулярных в плоскости его движения, с нанесенной на него каротажной диаграммой, методом

среднеинтегральиой фильтрации................................ 61

2.2. Определение поперечных колебаний бумажного носителя при сканировании каротажных диаграмм........................................ 67

2.3. Оптимальная оценка поперечных колебаний бумажной ленты с нанесенной на нее аналоговой каротажной диаграммы........

2.3.1. Оптимальная оценка поперечных колебаний бумажного носителя при движении по непрерывной реализации исследуемого процесса.............................. 74

2.3.2. Оптимальная оценка поперечных колебаний бумажного носителя при движении при

дискретизации исследуемого процесса........................ 79

2.4. Оптимизация идентификации формы каротажной кривой при сканировании............................................................................... gy

2.5. Полученные результаты и выводы............................................ ^

Глава 3. Образование случайных погрешностей при оцифровке каротажных кривых и получении скан образов: статистический анализ.............................................................

3.1. Введение...................................................................................... 97

3.2. Рулонный сканер: устройство и принципы работы.................. 98

3.3. Образование помех сканирования каротажных диаграмм при оцифровке: математический анализ........................................... 102

3.4. Исследование спектра случайных помех................................... 105

3.5. Одномерное распределение: анализ........................................... 108

3.6. Полученные результаты и выводы............................................ 121

Глава 4. Создание информационно-измерительной и управляющей системы для анализа и устранения ошибок сканирования при оцифровке каротажных диаграмм................................. 123

4.1. Введение...................................................................................... 123

4.2. Общая структура ИИС................................................................ ^23

4.3. Описание и принципы работы линейных вибродвигателей..... 125

4.4. Способы и устройства для определения и устранения ошибок, возникающих в процессе сканирования.................................... 129

4.4.1. Измерение угла перекоса бумажного носителя при

движении по отклонению его края от нормали....................129

4.4.2. Методика измерения коэффициента продольных

растяжений бумажной ленты ......................................................................134

4.5. Алгоритмы обработки скан образов каротажных кривых 135

4.5.1. Математическое описание процесса поворота сканированного изображения..............................................................................135

4.5.2. Математическая модель масштабирования скан-

образа..........................................................................................................................................................138

4.5.3. Описание алгоритмов коррекции скан образа........................140

4.5.4. Результаты работы программного комплекса....................145

4.6. Полученные результаты и выводы........................................................................................146

Заключение......................................................................................................................................................................................................148

JlHiepaiypa........................................................................................................................................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При автоматизированной обработке данных геофизических исследований скважин (ГИС) используется качественная исходная информация. До изобретения цифровых регистраторов каротажной информации качество оцифровки данных ГИС, в первую очередь, зависело от ввода информации с архивных бумажных лент в ЭВМ. На современном этапе данные геофизических исследований скважин сканируются, т.е. в процессе сканирования создается цифровая копия, которая затем загружается в персональный компьютер и обрабатывается. Процесс сканирования осуществляют рулонные (протяжные) сканеры. На рынке современной техники представлено огромное количество разнообразных моделей рулонных сканирующих устройств, которые разнятся функциональностью, качеством, быстродействием, оптическим разрешением, максимально возможной шириной бумажной ленты и другими важными характеристиками. Даже при таком изобилии сканирующих устройств невозможно найти совершенный рулонный сканер. При оцифровке данных ГИС с помощью подобных сканеров часто возникают проблемы, которые невозможно устранить заменой одного сканера на другой.

К наиболее серьезным проблемам, которые могут повлиять на данные геофизических исследований скважин, относятся: некачественная бумага, смещение бумажных носителей, износ деталей и механизмов устройства сканера, отвечающего за подачу лент. Для исключения искажений данных геофизических исследований скважин необходимо разработать меры по контролю процесса сканирования данных ГИС, связанных с качеством сканирования, анализом и выявлением систематических и случайных помех.

Для изучения случайных помех, которые могут повлиять на качество данные геофизических исследований скважин, в работе использованы методы теории вероятностей и случайных функций. Методы и подходы, проверенные на практике и обоснованные в работе, позволят стать основой для разработки последующих механизмов предотвращения помех при автоматизированной обработке данных ГИС.

Совершенствование технологии оцифровки каротажных диаграмм с твердого носителя и устранение влияния помех при их регистрации и считывании для формирования скан образов в цифровой форме является по-прежнему актуальной проблемой.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами 5. «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и 9. «Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов» паспорта специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике).

Объектом исследования является технологии компьютерного моделирования и оцифровки каротажных диаграмм на основе информационно-измерительной и управляющей системы.

Предметом исследования являются магматические и программно-инструментальные средства оценки точности оцифровки при сканировании каротажных диаграмм.

Цель работы заключается в проведении комплексных исследований, направленных на создание информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) для оцифровки каротажных кривых с бумажного носителя, разработку методики статистического анализа случайных помех при сканировании кривых, которые представимы в виде суперпозиции общего числа неслучайных незатухающих перподичностей и стационарного случайного процесса, а также разработку технических средств устранения погрешностей транспортирования бумажного носителя и алгоритмов коррекции скан-образов.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- построение информационно-измерительной и управляющей системы для преобразования каротажной кривой из аналоговой в цифровую форму;

- аппроксимация каротажной кривой по дискретным значениям ее ординат,

полученным с помощью сканирующих по бумажному носителю оптических датчиков;

- проведение спектрально-корреляционного анализа скан образов каротажной кривой для определения статистических характеристик помех, -возникающих при формировании скан образов;

- разработка принципов и технических средств измерения поперечных перемещений, угла перекоса и продольного растяжения сканируемого бумажного носителя.

- разработка методики и технических средств для устранения перекоса при продольном движении бумажного носи геля;

- разработка алгоритмов коррекции для устранения погрешностей при оцифровке каротажных кривых.

Методы исследования. При построении ИИУС использованы методы структурной декомпозиции для обеспечения эффективной настройки узлов и блоков, а также для их сопровождения и адаптации к определенным экземплярам оборудования и особенностям каротажных данных. Структура созданной системы основана на теоретическом базисе построения информационных и микропроцессорных вычислительных систем.

Программное компоненты ИИУС реализованы на языке программирования высокого уровня С++. В основе разработки математической модели оценки точности оцифровки и создания методики статистического анализа процесса получения скан-образов каротажных диаграмм лежат методы теорий вероятности и случайных функций, а обработка полученных каротажных кривых и их параметрическая оценка осуществлены с помощью быстрого преобразования Фурье.

Экспериментальная часть исследований основана на применении методов анализа погрешностей, возникающих при движении бумажного носителя за счет наличия угла перекоса, поперечных перемещений и продольной деформации.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, подтверждены результатами практического

применения ИИУС и созданного программного обеспечения.

Полученные математические модели, алгоритмы и методики основаны на теории статистического анализа временных рядов, теории вероятности и случайных функций. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением эффективных измерительных средств, обширным экспериментальным материалом, методами статистической обработки данных и высокой воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты по созданию информационно-измерительной и управляющей системы для определения, анализа и устранения ошибок оцифровки, возникающих при сканировании каротажных диаграмм, направленной на повышение качества вводимой каротажной информации при оцифровке данных геофизических исследований скважин, в том числе:

- методика идентификации формы кривых каротажных диаграмм при получении скан образов.

- методика определения поперечных колебаний движущегося носителя методом срсднсинтсгральной фильтрации при рассмофении процесса сканирования как детерминированного и стационарного в широком смысле случайного процесса.

- оптимальная оценка поперечных колебаний ленточного бумажного носителя при постоянной реализации случайного процесса

- статистический анализ возникновения случайных погрешностей с исследованием спектральной плотности и ковариационной функции по дискретизированной реализации процесса.

- математические модели контроля перекосов движущегося бумажного носителя и коррекции цифровых образов каротажных диаграмм

- структура и алгоритм работы информационно-измерительной и управляющей системы, включающей устройство определения перекосов в процессе сканирования и программные компоненты для обработки оцифрованных каротажных кривых.

разработка основополагающих принципов создания компьютеризированной ИИУС, построения аппаратных и программных компонентов системы, предназначенных для обработки оцифрованных

каротажных кривых.

Научная новизна полученных в работе результатов определяется впервые проведенным комплексом исследований, направленных на создание новых научно обоснованных аналитических и технических решений, положенных в основу разработки ИИУС для повышения качества оцифровки каротажных данных, а именно:

- построена математическая модель для оценки точности сканирования при оцифровке каротажных диаграмм, включающая выражения и зависимости для оптимальной оценки формы каротажных кривых;

- преде¡авлена методика выделения поперечных перемещений бумажного носителя с каротажными кривыми во время сканирования с помощью серии узких датчиков, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга;

решена задача оптимальной оценки поперечного перемещения движущейся бумаги с записанной на ней каротажной кривой по непрерывной и дискретной реализациям случайного процесса, преде гавленного как суммы значений поперечного смещения и случайной ошибки;

- разработана методика для статистического анализа случайных помех, образующихся при сканировании каротажных диаграмм с помощью сканеров, которая позволяет определять характеристики, необходимые для анализа потерь качества;

- разработаны технические устройства и программное обеспечение, интегрированные с рулонными сканерами, предназначенные для диагностики и выявления программных ошибок и сбоев при анализе точности процесса сканирования.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы были применены для создания ИИУС для определения, анализа и устранения ошибок при оцифровке каротажных диаграмм. Разработанное программное решение позволяет повысить качество и эффективность процесса оцифровки каротажных данных ГИС. Программное обеспечение имеет универсальную структуру и при необходимости может быть легко модифицировано под определенные требования

I

I

I

I 10

или расширено новым функционалом, включающим методы для решения различных комплексов задач и процедуры обработки данных.

Реализация работы в производственных условиях. Результаты диссертации использованы при проведении хоздоговорных научно-производственных работ по оцифровке данных ГИС, полученных с объекта Арланского месторождения, совместно с ОАО «Белкамнефть».'

• I

Автор принял непосредственное участие в разработке, внедрении и сопровождении ИИУС и ее программных компонентов для обработки оцифрованных каротажных кривых, а также в обработке каротажной информации с более чем четырехсот скважин.

Результаты работы могут найти практическое применение в организациях, непосредственно осуществляющих полный цикл оцифровки и интерпретации данных ГИС, или занимающихся геофизическими исследованиями ме