Введение

Сегодня тема цифровых двойников, обменных форматов и трехмерных моделей занимает все более заметное место в инженерных изысканиях. Однако сама по себе цифровая оболочка не решает главной задачи, если в ее основе лежат разрозненные, неполные или плохо организованные исходные данные. Поэтому переход к цифровому двойнику следует рассматривать не как финальный акт моделирования, а как результат правильно выстроенного процесса получения и анализа инженерно-геологической информации.

Исходя из этого предлагается новый подход к созданию экосистемы для получения, хранения, обработки и использования результатов инженерно-геологических изысканий, который был разработан на основе накопленного опыта в ООО «ПЕТРОМОДЕЛИНГ» при взаимодействии с практикующими инженер-геологами. Задача предлагаемой экосистемы состоит не в создании очередного отдельного программного модуля, а в формировании сквозного цифрового процесса.

Фотофиксация керна как начало цифрового процесса

Первый элемент предлагаемой системы – приложение для фотофиксации керна. В существующей практике именно фотографии нередко оказываются слабым местом: съемка ведется в полевых условиях, на случайном фоне, при неоднородном освещении, а качество самих изображений ограничено, что затрудняет и визуальную оценку, и последующую цифровую обработку.

Поэтому в ООО «ПЕТРОМОДЕЛИНГ» была разработана стандартизированная схема съемки с применением специально созданного стенда с жесткой рамой (рис.1), на которой закрепляется камера, а зона размещения керна и условия освещения задаются заранее. Камера движется по фиксированным отметкам, керн укладывается в специальные выемки, изображение выводится на планшет, а снизу используется зеленая подложка, упрощающая дальнейшую обработку.

Рис. 1. Оборудованное место для качественной съемки керна

Такое решение важно не только для улучшения качества снимка как такового. Его смысл в том, чтобы сделать фотографию элементом общей цифровой среды, а не отдельным файлом, который затем приходится вручную сопоставлять со скважиной и глубиной извлечения. Именно поэтому приложение для фотофиксации включает авторизацию пользователя, выбор объекта, выбор скважины, задание интервала глубин, указание вида бурения и проверку результата съемки до сохранения и отправки на сервер.

В интерфейсе скважины отображаются уже отснятые, пропущенные и не начатые интервалы (рис.2).

Рис. 2. Общий вид окна приложения с описанием снимка и превью, отснятых/пропущенных интервалов

После сохранения снимок получает метаданные и может быть передан на сервер (рис.3), причем офлайн-режим сохраняется: сначала данные записываются на планшет, а затем автоматически синхронизируются при появлении интернета. Тем самым уже на первом этапе обеспечивается привязка фотографии к скважине, глубине, пользователю и конкретному участку полевых работ.

Рис. 3. Предварительной просмотр фотографии и ее метаданных перед отправкой на сервер

Полевое описание как структурирование информации

Второй блок экосистемы – приложение для полевого описания керна. Его принципиальное отличие от ряда существующих решений состоит в том, что описание не начинается с абстрактного выбора стратиграфии или возраста, а строится от инженерной логики самого интервала и его свойств.

Структура системы организована по уровням «объект – скважина – полевой журнал». Пользователю доступны карточка объекта, карта размещения скважин и карточка каждой скважины с координатами, проектной и фактической глубиной, абсолютными отметками, статусом и ответственным геологом. Администратор программы назначает конкретных исполнителей на конкретные скважины, после чего они становятся доступны и видны в интерфейсе полевого геолога.

Перед началом или продолжением описания система требует подтвердить конструкцию скважины. Это важный этап контроля: в отдельном окне отображаются интервалы обсадки, тип обсадной трубы и схема конструкции. Только после этого полевой геолог может перейти к журналу. Это необходимо, чтобы при продолжении описания конструкция точно соответствовала реальности.

Далее геолог задает текущий интервал, например, рейс от 0 до 3 м, и разбивает его на слои. При этом в системе предусмотрено выделение только тех границ, которые характеризуются резким контрастом свойств. На первичном этапе используется укрупненная классификация из четырех типов: скальный карстующийся, скальный не карстующийся, дисперсный связанный и дисперсный несвязанный (рис.4). Такая схема задает логику дальнейшего движения по интерфейсу и одновременно удерживает полевое описание в пределах тех решений, которые действительно можно уверенно принимать в момент наблюдения.

Рис. 4. Основное окно с выбором типа грунта для каждого слоя внутри интервала

В зависимости от выбранного типа грунта система направляет пользователя по соответствующей ветке заполнения. Для дисперсных связанных грунтов предусмотрен ввод результатов испытаний пенетрометром, причем данные заносятся по глубине, а график формируется сразу в процессе работы. Для скальных грунтов реализованы отдельные формы для описания трещиноватости и упругого отскока. Описание трещин ведется по набору параметров, включая глубину, угол к керну, раскрытие, азимут падения, разновидность, шероховатость, заполнители и влажность.

После пошагового прохождения интервалов и слоев формируется единое рабочее пространство – геологическая колонка. В ней совмещены рейсы, трещины, упругий отскок, пенетрометр, фотографии керна, описание по ГОСТ, полевое описание, уровень грунтовых вод и образцы (рис.5).

Рис. 5. Вкладка со всей полевой информацией по скважине

В таком виде данные перестают быть набором разрозненных записей и становятся связной инженерно-геологической структурой, помогающей полевым геологам на месте в процессе полевого описания, добавляя для принятия решений интерпретацию полевых исследований, а также упрощающей процесс дальнейшей обработки. При этом границы, заданные при первичном описании, сохраняются как исходный факт наблюдения, а внутреннее расчленение и уточнение прослоев могут впоследствии корректироваться на основе испытаний и лабораторных данных. Такой подход позволяет не смешивать первичные результаты, полученные в поле, инженерную интерпретацию и последующие уточнения, а удерживать их в одной системе с понятной последовательностью преобразования данных, когда можно отследить всю историю описания вплоть до полевого геолога, который изначально задал глубину границ.

От журнала к пространственной модели

Следующий шаг – переход от структурированного полевого журнала к пространственному представлению. В программе предусмотрена возможность выгрузки описаний по скважинам в формате IFC с последующим открытием в BIMvision, где они отображаются как трехмерные объекты с привязанными графиками, образцами и описанием (рис.6).

Рис. 6. 3D Представление IFC с информацией по каждой скважине

Тем самым формируется переход от полевого документа к цифровому представлению, в которой подземная часть объекта уже представлена в структурированном и визуализируемом виде. Из этих данных, в том числе, впоследствии, будет собираться трехмерная инженерно-геологическая модель.

Здесь особенно важна сама логика процесса. Трехмерная модель не собирается вручную из отдельных таблиц, фотографий и текстовых файлов, а вырастает из уже упорядоченной базы данных. Именно поэтому цифровой двойник рассматривается не как последняя иллюстрация к отчету, а как естественное продолжение правильно организованных инженерных изысканий.

Мониторинг как динамический слой цифрового двойника

Третий блок экосистемы – геотехнический мониторинг. На сегодняшний момент разработан отдельный дашборд (рис. 6), в котором совмещены дерево датчиков, карта их размещения и графики наблюдений.

Рис. 7. Дашборд с датчиками на схеме и их показателями

Пользователю доступны данные термометрии, уровень грунтовых вод и раскрытия трещин. Все это важные параметры наблюдений. Данный модуль в настоящий момент уже работает на нескольких реальных объектах, а также продолжает проходить тестирование на геодинамическом полигоне «Арктика».

Модуль в первую очередь предназначен для предупреждения аварийных ситуаций на полигонах, промышленных объектах и аварийных зданиях, где необходимо отслеживать состояние среды и изменения контролируемых параметров, а также для оповещения ответственных лиц в случае выявления отклонений. В таком виде мониторинг становится динамической частью цифрового двойника, добавляющей к геометрии и инженерно-геологическому описанию временной слой наблюдений.

Прозрачность, масштабируемость, связность

В представленной системе принципиально важна не только цифровая форма хранения, но и прозрачность происхождения данных. На каждом этапе известно, кто выполнил съемку, кто вел описание, к какому объекту, скважине и интервалу относится информация, какие данные получены в поле, а какие появились на этапе дальнейшего уточнения. Такая организация позволяет избежать ситуаций, когда данные приходится многократно перепроверять и фактически заново собирать из несвязанных источников.

Не менее важна и масштабируемость. Речь идет о структурном процессе, который должен работать и на небольших, и на крупных объектах, позволяя накапливать большие массивы инженерно-геологических данных. Именно эта способность к масштабированию делает экосистему не частным инструментом для одной задачи, а основой для более широкого перехода к платформенной организации инженерных изысканий, которая будет постепенно обрастать сервисами для хранения различной информации, например, планируется в эту систему включать лабораторию и данные статического зондирования.

Выводы

1. Цифровой двойник в инженерной геологии должен формироваться не в конце, а с самого начала изыскательского процесса, начиная с получения качественных полевых данных.
2. Стандартизированная фотофиксация керна с контролируемой геометрией съемки, освещением и автоматической привязкой метаданных позволяет превратить фотографию из вспомогательного материала в полноценный элемент цифровой среды, который в прямом эфире помогает принимать решения и контролировать процесс бурения.
3. Полевое описание, организованное по схеме «объект – скважина – интервал – слой», с поэтапным вводом параметров, получаемых при полевых испытаниях, и разделением полевого факта и последующей интерпретации, за счет жестких границ, создает связную инженерно-геологическую структуру данных. Качество изысканий при которой легко контролируется и проверяется впоследствии.
4. Интеграция полевого журнала, испытаний, фотографий, образцов и данных мониторинга делает переход к IFC, трехмерным моделям и цифровому двойнику технически осуществимым как задачу сборки уже подготовленной базы данных.
5. Перспектива цифрового двойника связана не только с визуализацией, но прежде всего с платформизацией всего процесса инженерных изысканий, обеспечивающей прозрачность, сопоставимость и масштабируемость данных. Что приведет не только и не столько к визуально-красивому представлению, сколько к практичному инструменту, объединяющему подземную и надземную часть, расчеты и контроль качества изысканий.