Как спроектировать идеальный трубопровод

О том, есть ли польза для жителей России от запуска спутника исследования Земли Landsat 8, а также об «идеальном трубопроводе» корреспонденту Pro Science рассказывает кандидат географических наук, старший научный сотрудник географического факультета МГУ, директор по перспективному развитию компании «Арк-он» Илья Рыльский.

Корр.: Для чего запущен спутник Landsat 8, о котором много говорили в новостях?

Илья Рыльский: Запуск аппарата L8 - настоящее событие для специалистов в области тематического картографирования. Ждать его пришлось около 10 лет. Предшественник L8 - аппарат L7, являвшийся основным информационным ресурсом для огромного числа пользователей - фактически вышел из строя. Перечислю отличия новой модели от L7:

- высокое радиометрическое разрешение - 12 бит на пиксель вместо 8. Влиянию теней нанесен удар;

- наличие фиолетового (coastal) канала, более удобного для работы с водными объектами

- наличие нового канала в среднем ИК-диапазоне (канал Cirrus) - 1360-1390 нанометров

- один тепловой канал вместо 2

- канал Pan (панхроматическое изображение) сведен к области только видимого спектра (у предшественника он уходил до ближнего ИК, что оказалось не очень оправданно).

Спутник Landsat 8 на орбите

L8 продолжил баллистические традиции семейства Landsat. Та же солнечно-синхронная орбита, та же (неизменная уже три десятилетия) схема расположения сцен, та же высота орбиты. Компания-производитель после аварии предшественника более осторожно заявляет расчетный срок работы аппарата - 5 лет (вместо 7). Будем надеяться, что данный аппарат повторит судьбу его долгоживущего предка - Landsat 5!

Что получат не специалисты - обычные российские пользователи от спутника?

В целом - данные. Вероятно, не самые дешевые, но почти наверняка - эталонные по качеству. Качество и стабильность характеристик данных серии Landsat еще в прошлом веке стали аналогом «Мерседеса» в сфере ДДЗ.

Появится хорошая возможность проводить работы в области тематического картографирования и динамики крупных пространственных структур, используя архив старых данных - L5, L4. В течение последних 10 лет эти материалы было фактически не с чем сравнивать, так как современные данные с идентичными спектральными и баллистическими характеристиками было крайне сложно подобрать и еще сложнее обрабатывать. Вероятно, следует ожидать в ближайшие несколько лет всплеска активности крупных по охвату ресурсных и экологических проектов.

О крупных проектах и давайте теперь поговорим. Илья, не секрет, что экономика нашей страны в значительной степени зависит от экспорта нефти и газа, а основной способ их доставки - трубопроводный транспорт. Как спроектировать идеальную трубопроводную транспортную систему? Есть ли у геоинформатики какие-то специальные инструменты для этого?

Да, есть! Я не могу претендовать на то, что этот трубопровод будет идеальным - зато он точно будет лучше существующих. Но что такое «идеальный трубопровод»? Минимальная стоимость строительства? Максимальная безопасность эксплуатации? Минимальный экологический риск, какие-то комплексные критерии?

Сейчас модно говорить, что все можно оценить деньгами. Если считать так, то экологические риски не исключение, поэтому попробуем сформулировать, что идеальный трубопровод - значит самый дешевый, а также учитывающий, в том числе, и экологические риски, капитализированные в деньги.

Почему существующие трубопроводы построены «не так»?

Для того, чтобы получилось «так», требуется одновременно учесть пространственное распределение различных природных факторов, влияющих на стоимость прокладки. А число их может достигать нескольких десятков или сотен типов!

Требуется одновременно учесть пространственное распределение различных природных факторов, влияющих на стоимость прокладки. А число их может достигать нескольких десятков или сотен типов!

Например, какие?

Скажем, группа факторов рельефа, группа факторов грунтов, группа климатических факторов, мерзлотных, геоботанических, экологических... Или вот, смотрите, есть целая группа факторов в лице опасных инженерно-геологических процессов: два десятка опасных явлений и каждое - по-своему локализовано в пространстве и требует совершенно определенных технологических шагов, влияющих на безопасность и стоимость строительства. То же самое относится и ко всем остальным перечисленным факторам. Рельеф, например, может присутствовать в ипостаси углов наклона, протяженности склонов, экспозиции этих склонов и так далее.

И это еще не все. Каждый из факторов будет по-разному влиять на стоимость прокладки в разных географических зонах. Слабый угол наклона в заболоченной местности - позитивный фактор, а в горной - наоборот.

Человеческий мозг, как правило, не в состоянии анализировать одновременно более пяти-шести факторов, расположенных в пространстве. Причем методы аналитики, которые существуют и были разработаны человеком для экспертной оценки, находятся на уровне 40-х - 50-х годов. Естественно, ни о каких численных оптимизациях данного процесса речи идти просто не может.

Разве эксперт не может легко решить такую задачу, если он занимается этим всю жизнь?

Не совсем так. Приведу в пример простейшую «задачу о рыцаре». Предположим, вы - рыцарь, перед вами - поле размером километр на километр, и его первые пятьсот метров распаханы, а по пашне вы можете скакать со скоростью в два раза меньше, чем по ровной местности. Вам жарко, и хочется побыстрее пересечь это поле по диагонали. Встает закономерный вопрос: а какова оптимальная траектория движения по этому полю?

Человеческий мозг, как правило, не в состоянии анализировать одновременно более пяти-шести факторов, расположенных в пространстве.

Понятно, что прямолинейное движение не может быть оптимальным: вы будете долго двигаться по пашне. Логичным является сократить этот отрезок и пересечь его напрямик, но при этом движение по непаханой части сильно удлинится. Оптимальным же является движение по такой траектории, которая делит угол между перпендикулярным направлением и прямым направлением на цель в соотношении их синусов, равным соотношению скоростей.

Совершенно нетривиальный ответ, согласитесь? А ведь задача совершенно простейшая. Но глазами вы не можете получить четкого видения этой проблемы.

Вы рассмотрели систему, состоящую фактически из одного фактора («пашня»), которая присутствует в двух вариантах: есть - пашни нет. А что делать на местности, где присутствуют сотни таких факторов?

Прежде чем отвечу, учтите: каждый фактор может присутствовать в 10-12 вариациях (причем отнюдь не линейно возрастающих в отношении цены строительства), и наше поле состоит из нескольких миллионов таких элементарных участков. Это нереальная задача для решения способами обычной экспертной аналитики.

Однако в геоинформатике способы решения этой проблемы отработаны и являются совершенно тривиальными. Например, даже в пакете ArcView версии 3.2, которая лет 10 как не выпускается, алгоритм решения подобной задачи был уже встроен в инструментарий аналитики. И листинг элементарной программы, которая учитывает, допустим, 8 интегральных слоев, каждый из которых собран из 20-30 факторов, присутствующих в соответствующих ипостасях, занимает 30 строк.

Строительство нефтепровода Заполярье-Пурпе

Время расчета (этой теме была посвящена моя диссертационная работа) в подобной системе трубопровода длиной около трехсот километров, в деталях соответствующей уровню технико-экономического обоснования, занимает около 8-10 часов машинного времени на обычном персональном компьютере. Наполнение информацией данной системы может занять больше времени. Например, в рамках моей работы, программы МГУ на географическом факультете, совместно с компанией ЗАО «АРК-ОН», время на наполнение этой системы данными (при условии, что они есть!) составило примерно две недели. Стоимость этих данных в рыночном исполнении составляет на данный момент около 80-100 тысяч долларов.

В итоге - сравнили свои результаты с результатами, получаемыми обычными экспертными методами?

Да, - и, поскольку мы ведем трассирование по поверхности стоимости, то стоимость, о которой идет речь, фактически является прогнозом стоимости строительства линейной части. Мы сравнили свои расчеты с уже имеющимися расчетными данными по участку, проложенному по другим районам, и оказалось, что стоимость была ниже полученной классическим способом, примерно на 12 процентов. Что такое 12 процентов от стоимости строительства трубопровода, который измеряется миллиардами или сотнями миллионов долларов?! И как она может быть сравнена со стоимостью входных данных в сто тысяч долларов?!

Это совершенно несопоставимая величина со стоимостью исходных затрат на информационное обеспечение. Время, которое на это потрачено, не идет ни в какое сравнение со временем изысканий, а тем более строительства или ремонта данной конструкции в случае, если она будет проложена неправильно. Если произвести сравнение по конкретным природным факторам.

Допустим, мы берем две трассы и начинаем их сравнивать: какой процент из них проложен по уклонам более 12-ти градусов, то есть требующий применения полок, спецтехники, специальных креплений на склоне, и, соответственно, каков риск столкнуться с опасными инженерными процессами?

Допустим, по классической технологии - это 15 процентов, по оптимизированной - 12. Если таким образом сравнивать показатели, то окажется, что 90 процентов всех ключевых параметров, которые имеют важное значение для строительства трубопровода, будут гораздо лучше, а в сочетании с более низкой стоимостью, мы можем говорить, что этот трубопровод будет "более идеален", чем то, что сейчас производится экспертным методом. Проблема трассирования и прокладки трубопроводов заключается не только в том, что они не оптимальны, а в том, что их даже невозможно оценить, так как придется вручную поднимать весь материал и пытаться вручную его как-то анализировать.

Данная работа была апробирована еще в 2006 году, но я должен констатировать, что, к сожалению, этот метод не нашел применения в современной нефтяной промышленности. Причины все могут предположить самостоятельно, мы не будем их касаться.

Правильно ли я понимаю, что лет через десять геоинформатика сможет изменить образ жизни и действительность?

Да. Это, несомненно, так. Более того, этот процесс уже происходит, он начался более пяти или шести лет назад. Первое, с чем сталкивается простой обыватель, который может не иметь дело с геоинформатикой, - это необходимость решения своих повседневных задач. Чего хочет человек? Он хочет оптимизации своих усилий и повышения того, что он получает за эти усилия. Отсюда фраза: время - деньги. Сейчас мы имеем пользователей, которые заинтересованы в определенном результате.

Допустим, он хочет найти место, где он мог бы провести вечер в соответствии со своими интересами. Как действовал пользователь двадцать лет назад? Он открывал бумажный справочник, потом смотрел, как туда проехать по бумажной карте, потом смотрел по справочнику, какие маршруты автобусов туда ходят, или делал что-то подобное.

Как действует пользователь сейчас?

Он открывает Google, ищет то, что ему нужно, и на Yandex.карты ищет, где это находится!

Однако если мы уберем из этой системы Yandex и Google, то она может быть сведена к небольшому модулю, который может быть установлен на планшетный компьютер, который при наведении на местность определяет свое собственное положение с помощью GPS/Глонасс модуля, определяет углы разворота в пространстве с помощью нескольких встроенных в него гироскопов уровня электронного компаса, и, сопоставляя положение, которое он определил для данной картинки в пространстве с уже имеющейся у него пространственной базой геоданных и тем тематическим запросом, который формулировал пользователь, он способен отфильтровать интересующие пользователя объекты, наложить их в картинку, а если таковых в поле зрения не окажется, то наложить в эту картинку путь к этому объекту. В итоге, мы устраняем из этой системы два промежуточных компонента, непосредственно выдавая пользователю результат. Это на бытовом уровне.

Если говорить о более сложных вещах, давайте рассмотрим, что является фактором цены на существующие материальные блага, почему доставить нефть и бензин в страны Западной Европы стоит достаточно дорого? Почему строительство дорогое?

Оно дорогое, так как существует достаточно затратная часть по изысканиям и достаточно дорогая часть по его мониторингу, чтобы он работал на начальном этапе и не взорвался на последующем. Если мы сможем уменьшить стоимость этого информационного, по сути дела, обеспечения, (которое в индустриально развитых странах достигает 30-40 процентов), то тем самым мы сможем существенно снизить стоимость бензина. Если говорить о других объектах: о строительстве зданий, сооружений, то мы удешевляем стоимость затрат на их проектирование, мы ускоряем сроки строительства, мы увеличиваем надежность этих сооружений, позволяем осуществлять ремонтные работы в более короткие сроки.

Это ведет к снижению стоимости строительства, к снижению стоимости эксплуатации. Это то, что чувствует на себе каждый. Мы просто об этом не знаем. То же самое может быть сказано и про инфраструктурные объекты: ведь сейчас система организации логистики перевозок в таких странах, как Германия, находящихся в одной из наивысших точек организации логистического процесса, на несколько порядков обходит тот же самый процесс в России.

Стоимость транспортировки 1 тонны/километра в несколько раз меньше, чем на просторах Российской Федерации. Хотя, в принципе, скорости движения по дорогам сопоставимы. В чем заключается причина? В идеальности, в оптимизации смычки разных транспортных средств за счет учета в каждый момент времени пространственного положения каждого из перевозчиков, типа груза и местоположения получателя. Фактически, прямой анализ пространственной логистической ситуации выдает нам деньги!