Развитие методов управления качеством реконструкции моделей геологических сред на основе системного анализа процессов обработки геолого-геофизической информации

Актуальность выбранного направления определена, приоритетным значением проблем качества компонентов системы реконструкции, моделей сложнопостроенных геологических сред при интерпретации геолого-, геофизических данных и возможностью его управления на основе принципов' системного анализа.

Основной целью геолого-геофизических исследований является понимание внутреннего устройства геологической среды. Это понимание приходит в результате проведения системного анализа разнородной геолого-геофизической информации и построения на ее основе модели геологической среды из некоторого класса эквивалентности, соответствующего заданному критерию оптимальности, с помощью которого можно управлять качеством построения модели среды. Объективная оценка качества построенной модели делается на основе знания четких детерминированных зависимостей между компонентами среды и компонентами поля. Однако, весь накопленный к настоящему времени мировой опыт долговременных наблюдений за. различными геофизическими полями показал невозможность адекватного описания наблюдаемых вариаций геофизических полей и реконструкции1, моделей геологической среды в. рамках детерминистских представлений. На современном этапе важное место занимает оценка фоновой, шумовой составляющей геофизических полей. При этом анализ шума наталкивается на проблему отсутствия теоретической базы: не предложено более или менее удовлетворительной модели механизма образования шумовой структуры поля. Имеющиеся же модели реализуют тот или иной частный случай. Невозможность непосредственного описания полей геолого-геофизической информации в рамках детерминистского подхода приводит к тому, что реконструкция моделей геологических сред становится сложной, трудноуправляемой системой, которая включает множество слабо и неоднозначно взаимосвязанных процессов обработки информации, включающей процедуры коррекции данных, решения обратных задач, прогнозирования. Как следствие, качество результирующей модели геологической среды определяется качеством слагающих ее процессов обработки геолого-гео физической информации. Процессы обработки информации, включающие в себя компоненты: идеологическую (математический аппарат), обеспечивающую (технологии) и методическую (методика использования технологий) определяют качество процесса реконструкции в целом.

Следовательно, чтобы более эффективно управлять качеством моделей геологических сред, необходимо осуществлять мониторинг за процессами обработки информации. Поэтому необходимо разрабатывать соответствующие критерии и методы контроля качества. В условиях сильной зашумленности наблюдаемых полей возрастает неадекватность детерминистских представлений о модели геофизического поля и соответствующих этим представлениям критериев качества. Альтернативой является разработка эффективных критериев и методов мониторинга качества обработки информации на основе учета и анализа неопределенности геолого-геофизических данных, а точнее, их нечеткой, нерегулярной, шумовой структуры.

Технология управления качеством на основе эффективных критериев состоит во введении эффективных параметров поля, служащих индикаторами качества, и отслеживании динамики значений этих параметров в процессе обработки данных. Управление качеством на основе эффективных параметров-индикаторов качества осуществляется путем мониторинга за результатами обработки геолого-геофизической информации и анализа изменчивости эффективного параметра качества, а именно, его экстремальных значений с целью выбора оптимальной структуры и параметров обработки геолого-геофизической информации, а так же построения прогнозов. Эффективный параметр, критерий, качества должен быть чувствителен к качеству извлечения информации из шума. Это провоцирует развитие методов выявления полезной информации на основе анализа нечеткости/нерегулярности полей геолого-геофизических данных. Это требует определения меры нечеткости/нерегулярности, методов классификации (ранжирования) полей и их фрагментов по мере нечеткости/нерегулярности, методов распознавания сильно зашумленных сигналов. Принцип анализа нечеткости/нерегулярности также требует рассмотрения возможности позитивной роли шума в процессах обработки информации, по аналогии, как это происходит в эффекте стохастического резонанса. Помимо задач измерения и классификации принцип нечеткости/нерегулярности полей геолого-геофизической информации отражается и при осуществлении прогнозирования значений некоторого параметра по нечетким взаимосвязям между другими параметрами геологической среды.

Другой причиной развития эффективных критериев качества является технологичность построения модели, которая связана с возрастанием вычислительных мощностей и, как следствие, с появлением технических возможностей для реализации методов обработки информации, которые не были возможны ранее. Вследствие возрастания вычислительных возможностей, появляется потребность в формализации понятия качества обработки информации и моделирования с целью разработки формальных критериев управления качеством для создания автоматизированных и полуавтоматизированных систем поддержки принятия решений при построении моделей геологических сред. Развитие численных критериев качества обработки геолого-геофизической информации актуально для изучения эффектов практической эквивалентности при решении обратных задач, потому что позволяет находить множество графов обработки' с различной параметризацией, результаты которых эквивалентны по критерию качества.

Учитывая сложность системы реконструкции, для выработки критериев и методов контроля качества необходимо применять методологию системного анализа процедур обработки геолого-геофизической информации.

Цель работы.

Целью работы является повышение эффективности интерпретационного обеспечения геолого-разведочных работ на нефть и газ на основе технологий системного анализа геолого-геофизической информации.

Основным объектом исследования является интерпретационное обеспечение системы реконструкции геологических моделей сложнопостроенных сред.

Основным предметом исследования являются атрибуты, критерии и методы поддержки принятия решений, позволяющие управлять качеством процессов системы реконструкции. Задачи исследования:

1. Разработка принципов и методик оценки и управления качеством формальных процедур преобразования и обработки сейсмических полей.

2. Разработка теории, методов и алгоритмов обработки геофизических данных с целью распознавания образа геофизического сигнала.

3. Развитие методов автоматизированного прогнозирования параметров сложно построенных моделей с автоматической оценкой меры? неопределенности.

4. Создание и апробация компьютерных технологий элементов системного анализа геолого-геофизических данных.

Методы исследования:

1. системный анализ;

2. атрибутный анализ;

3. методы «сценариев»;

4. математическое моделирование;

5. вычислительный эксперимент;

6. методы экспертных оценок.

Защищаемые положения:

1. Принципы и методика определения критериев оптимальности параметров фильтрации на основе расчета корреляционного интеграла от результата фильтрации, представленного в реконструированном фазовом пространстве, для оценки и управления качеством обработки сейсмических данных.

2. Методы обработки и фильтрации реальных геофизических данных, не подчиняющихся априори сформулированным вероятностным законам, на основе моделирования стохастического резонанса и оценки хаотичности поля по корреляционному интегралу.

3. Принципы и методика прогнозирования значений характеристик геологической среды на основе применения аппарата нечетких множеств позволяют повышать достоверность и объективность прогнозов с оценкой меры возможности того или иного прогноза.

Научная новизна.

1. Впервые введены и обоснованы меры нерегулярности для геофизических полей (меры хаотичности), основанные на корреляционном интеграле в псевдо-фазовом пространстве.

2. Впервые предложен нелинейный цифровой фильтр, моделирующий эволюцию поля по эффективному параметру хаотичности с возникновением синергетического эффекта, проявляющегося в ослаблении хаотичных и усилении регулярных компонент сигнала.

3. Впервые для геофизических задач на основе системного анализа процедур обработки сформулированы и исследованы критерии оптимальности качества обрабатывающих фильтров.

4. Впервые для задач прогноза геологических параметров сформулированы и исследованы принципы нечеткого моделирования на основе композиции Мамдани.

5. Впервые построены нелинейные цифровые фильтры, основанные на принципах стохастического резонанса и позволяющие выделять скрытые закономерности регулярности.

Практическая значимость.

Обеспечивается повышение достоверности обнаружения регулярных компонент в геофизических полях за счет применения моделирования стохастического резонанса и эволюционной хаотической фильтраций совместно с традиционными методами обнаружения сигнала. Компьютерная программа 8Мчкег (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 010 613 402 от 21 мая 2010 г.) для поддержки принятия решения о местонахождении сигнала в волновом поле.

Обеспечивается возможность численной оценки результата произвольной фильтрации в хаотической метрике с целью получения численных оценок для контроля качества обработки геофизических полей. Это позволит строить оптимальные по критерию регулярности графы обработки сейсмических данных и сравнивать один граф с другим по мере регулярности получаемых результатов. Этим обеспечивается возможность автоматизированного тестирования качества работы методов обработки полей, за счет создания процедур автоматического подбора оптимальных значений фильтров, связанных с обнаружением регулярных компонент сигналов и полей.

Обеспечивается автоматизированный учет нечеткой структуры геолого-геофизических данных при прогнозировании характеристик среды с автоматической оценкой меры возможности того или иного прогноза. Реализация результатов работы.

Работы используются при выполнении научных исследований по программам:

Научное обоснование и разработка теоретических основ изучения распределенных параметров внутреннего строения геологических объектов по комплексу геофизических данных", Минобразования АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», 2009;2010, № 01.2.00 901 904.

Разработка теории и методов математического моделирования в задачах инверсии геофизических полей с целью прогноза и изучения локальных неоднородностей и внутреннего строения литосферы". Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», 2009;2011.

Оценка ресурсов и прогнозирование состояния литосферы на основе эволюционно-динамического анализа reo лого-геофизической информации". Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук», 2000;2012, ФЦП.

Работы использовались в учебном процессе при подготовке магистерских диссертаций и студенческих научных работ.

Предлагаемые фильтры и эффективные критерии оптимальности фильтров использовались при обработке материалов полевой геофизики в научных и научно-производственных организациях нефтегазовой отрасли: ГОУ ВПО УГТУ и филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта.

Выводы.

Предлагаемая технология расширяет рамки традиционного регрессионного анализа потому что,.

— во-первых, рассматривает всю совокупность точек при построении отношения между парой двумя параметрами,.

— во-вторых, для каждой точки вводит меру ее принадлежности к центру скопления некоторого множества точек, что позволяет обнаруживать тренд.

Унифицированный математический аппарат композиции нечетких множеств позволяет транзитивное прогнозирование значений с оценкой меры неопределенности прогноза.

Варьирование процедуры дефазификации позволяет управлять видом результирующей четкой функции при переходе от нечетких отношений к четким для осуществления непосредственного прогноза.

Требуется проведение дополнительных исследований по совершенствованию математического аппарата и анализа его применимости для внедрения в практику.

Заключение

.

В данной работе рассматривался вопрос управления качеством системы реконструкции физико-геологической модели среды. Делался акцент на необходимости управления качеством результатов формальных преобразований поля и процессами установления взаимосвязей между параметрами среды и поля, а так же прогнозирования значений.

В результате системного анализа процессов обработки поля было установлено, что качество преобразования связано с понятием регулярности поля. Была продемонстрирована возможность возникновения стохастического резонанса в виде усиления регулярных компонент поля при его дополнительном зашумлении специально наводимым шумом определенной интенсивности. С целью ответить на вопрос — в какой мере поле регулярно — потребовалось ввести специальную шкалу измерения меры регулярности. Был. выполнен анализ различных мер, в результате которого было отдано предпочтение инвариантной мере хаотичности. Хаотический режим является переходным между регулярным и нерегулярным режимами отображения динамической системы в поле. Поэтому, его мера естественным образом способна отображать переход из режима с большей хаотичностьюнерегулярностью, в режим с меньшей хаотичностью — регулярностью.

В качестве меры хаотичности поля была принята оценка корреляционного интеграла в реконструированном по отсчетам поля псевдофазовом пространстве.

Было показано, что корреляционный интеграл дает неплохую оценку соотношения сигнал/шум для поля. Этот факт использовался в двух направлениях развития методов поддержки принятия решения, влияющего на качество результата того или иного преобразования поля и нахождения оптимальных значений параметров преобразований.

Первое направление было связано с построением изображений поля, отражающих классификацию его компонент посредством оценивания соотношения сигнал/шум. Были разработаны: фильтр на основе стохастического резонанса и эволюционный хаотический фильтр.

Второе направление было связано с построением функций корреляционного интеграла, которые отражали соотношение сигнал/шум не для отдельно выбираемых в скользящем окне фрагментов поля, а для всего рассматриваемого поля в целом. Поскольку существуют преобразования, изменяющие в поле соотношение сигнал/шум, то это изменение сказывается на поведении функции корреляционного интеграла. Однако анализировать поведение кривых не всегда удобно, особенно если их много и разница между ними еле уловима. Поэтому были определены функционалы, или функционалы критериев качества, которые отображали функции корреляционного интеграла на множество действительных чисел. Таким образом, результаты преобразований поля ранжировались по выбранному критерию качества и появлялась возможность поиска оптимальных значений критерия, которые указывали на соответствующее преобразование и значения его параметров.

Критериальный подход, примененный А. И. Кобруновым для доопределения обратных задач геофизики, определяет естественную нечеткость результата и находит свое развитие в задачах обработки поля, при доопределении формальных и эталонирующих преобразований поля. Концепция нечеткости находит свое применение в задачах установления взаимосвязей между геолого-геофизическими параметрами и прогноза и, в целом, позволяет организовать контроль относительной достоверности получаемых результатов до их проверю! на практике и тем самым снизить риски принятия управленческих решений, ссылающихся на достоверность модельных построений.

Основные научные результаты.

Впервые выполнена постановка и исследование задачи системной организации процесса реконструкции моделей сложно-построенных сред на основе принципов критериальности и нечеткости.

Сформулированы принципы и развита методика определения критериев оптимальности параметров фильтрации сейсмических данных для оценки и управления качеством их обработки на основе трансформации результата обработки в псевдо-фазовое пространство и расчета в нем функции корреляционного интеграла.

Исследованы нелинейные эффекты стохастического резонанса позволяющего выявить регулярные компоненты сигнала с использованием специально сконструированного нелинейного фильтра.

Показано, что нелинейная эволюционная хаотическая фильтрация в эффективном времени приводит к возникновению синергетического эффекта, позволяющего обнаруживать регулярные компоненты сигнала.

Разработаны принципы и методика прогнозирования значений характеристик геологической среды на основе применения аппарата нечетких множеств для повышения объективности и достоверности прогнозов параметров с оценкой меры возможности того или иного прогноза.

Основные практические результаты заключаются в том, что разработанные принципы системного анализа, методы и рекомендации обеспечивают возможность повышения информационной эффективности комплекса геофизических работ и, в частности:

— предлагаемые в работе фильтры помогают принимать решение о местонахождении регулярных компонент сигналов в сильно зашумленных геофизических полях и дополняют традиционные методы обнаружения сигнала;

— предлагаемые в работе критерии обеспечивают возможность численной оценки результата произвольной фильтрации и преобразований для контроля качества обработки геофизических полей;

— предлагаемая в работе методика нечеткого моделирования обеспечивает учет и управление множественностью вариантов установления взаимосвязей между геолого-геофизическими параметрами при прогнозировании их значений с численной оценкой меры истинности;

— результаты работ закладывают основы дальнейших исследований в области системного анализа геофизических данных.

Дальнейшие исследования могут быть связаны с:

— изучением влияния нормы расчета расстояния между точками в фазовом пространстве на показания критерия оптимальности (критерия качества обработки поля);

— созданием библиотеки критериев оптимальности для различных видов преобразований или фильтров поля;

— разработкой автоматизированной системы для выработки критериев оптимальности формальных преобразований поля;

— развитием теории и методов фильтрации на основе моделирования стохастического резонанса;

— применением методики нечеткого моделирования в практике обработки геолого-геофизических данных;