GeRDA — комплекс автоматизации геохимических исследований и документирования

Опубликовано в номере:
PDF версия
Проведение оценочных измерений массовых долей содержания тех или иных химических элементов в пробе требует от геолога особенной тщательности при оформлении результатов. К концу смены, когда количество исследованных образцов переваливает за несколько сотен, внимание человека сильно притупляется, а процент ошибок возрастает. Это приводит к тому, что в базу данных попадают искаженные сведения и повышается вероятность неправильно отобрать пробы для исследования в лаборатории.

Описание проблемы, постановка задачи, общее назначение

Например, лаборант получает за смену большое количество пакетов с истертой пробой. Каждый из них он должен промаркировать, занести в базу данных, выполнить измерения с помощью рентгенофлуоресцентного анализатора (РФА), скачать с него результаты исследований, соотнести их с номером на пакете. Цикл измерений с помощью ручного РФА занимает 15–30 с. В это время оператор должен держать прибор в неподвижном состоянии. Затем ему необходимо внести данные о маркировке пакета в прибор или в файл на компьютере. Такая рутинная цикличность и становится источником человеческих ошибок.

Многие из приведенных выше операций, в том числе фотографирование образцов, можно автоматизировать. Комплекс GeRDA (Geochemical Research and Documentation Assistant), разработанный в ООО «Лаб127» (Россия) в сотрудничестве с MEFFA lab Oy (Финляндия), предназначен для автоматизации процессов геохимических исследований и документирования (рис. 1).

Проведение автоматизированных измерений с помощью РФА Olympus Vanta

Рис. 1. Проведение автоматизированных измерений с помощью РФА Olympus Vanta

Комплекс GeRDA может быть использован для следующих целей:

  • исследования керна непосредственно в керновых ящиках;
  • исследования литогеохимических проб в полевых пакетах;
  • исследования шламовых проб бескернового бурения методами RC, RAB;
  • определения золотой минерализации в дробленом материале по методике NEFFA;
  • изучения микроэлементного состава любых 2D-образцов, включая произведения искусства.

Польза от его применения не ограничивается снижением процента ошибок при оформлении результатов измерений:

  • высвобождается значительный объем рабочего времени оператора;
  • появляется возможность проводить процедуру выделения проб удаленно от места проведения анализа;
  • увеличивается оперативность принятия решений при бурении при использовании комплекса для экспресс-тестирования;
  • улучшается процедура переноса результатов исследований в корпоративную базу данных.

Комплекс GeRDA поддерживает удаленное управление, автоматизированное выделение проб керна и выгрузку результатов в базу данных.

 

Логическая и сетевая структура

Аппаратно комплекс GeRDA состоит из трехкоординатного стола с программным управлением и блока управления (БУ), собранного на основе одноплатного компьютера под управлением Unix-подобной операционной системы.

После подачи электропитания сетевой доступ к БУ осуществляется беспроводным способом по Wi-Fi либо проводным по Ethernet.

Для управления исследованиями на удаленном компьютере используется браузер, в URL-строке которого указывается адрес http://192.168.0.1/gerda/.

Такая схема построения комплекса с выделением серверной и клиентской частей успешно применялась ранее во многих проектах по автоматизации сбора и обработки данных [1]. В данном случае повышается надежность проведения исследований: даже если связь между удаленным компьютером и БУ прерывается, исполнение программы исследований не будет прекращено. А использование протокола HTTP позволяет ускорить процесс разработки.

С помощью программного обеспечения (ПО) оператор формирует задачи для проведения исследований, намечает координаты точек измерений и описывает объект исследований. Сформированная программа исследований пересылается в БУ, который последовательно выдает команды на перемещение каретки с закрепленным на ней измерительным инструментом (фотокамерой и др.). Программное обеспечение проведения исследований в режиме реального времени отображает результаты исследования.

После окончания такой процедуры результаты можно проанализировать в дополнительно разработанном программном обеспечении, а также сохранить в базе данных.

На рис. 2 приведена схема организации сети комплексов GeRDA с удаленным доступом, которые могут быть размещены в кернохранилищах, буровых и/или в полевых лабораториях. Операторы на установках проводят первичные оценочные исследования, фотографирование, каталогизирование. Выделение проб, занесение в базу данных, анализ результатов исследований возможны как на месте, так и в удаленном режиме с использованием сетевой технологии VPN. Подключение локальных комплексов к глобальной сети делает также возможными удаленную техническую поддержку и обновление программного обеспечения комплексов онлайн.

Сетевая схема автоматизации геохимических исследований и документирования с использованием комплексов GeRDA

Рис. 2. Сетевая схема автоматизации геохимических исследований и документирования с использованием комплексов GeRDA

 

Комплектация, описание блоков

Базовый комплект GeRDA состоит из следующих блоков:

  • трехкоординатный стол с ЧПУ размером 1500×1000 мм;
  • USB-камера высокого разрешения Baumer VCXU-65 C.R;
  • блок управления на основе одноплатного компьютера (со встроенным модулем Wi-Fi);
  • SD-карта с программным обеспечением проведения исследований.

В состав может входить блок бесперебойного питания.

Комплекс построен по модульному принципу. Для расширения спектра исследований базовый комплект GeRDA может быть оснащен дополнительными инструментами, например различного рода спектрометрами (рентгенофлуоресцентными, инфракрасными, др.), каппаметром, твердомером, дополнительной фото- или видеокамерой общего вида, 3D-сканером и т. д.

Трехкоординатный стол и его характеристики

Трехкоординатный стол собран из алюминиевого профиля, поставляется с четырьмя шаговыми двигателями типа NEMA23 с использованием либо ременной передачи, либо с ходовыми винтами:

  • масса установки (не включая установочный стол и тару): около 35 кг;
  • габариты установки (X×Y×Z): 125×155×50 см;
  • рабочее поле составляет в среднем 110×77 см, в зависимости от применяемого измерительного инструмента;
  • напряжение питания: 220 В;
  • скорость перемещения инструмента по осям X, Y, Z: 2500 мм/мин (для механизма на ремнях — до 10000 мм/мин);
  • точность позиционирования измерительного инструмента: 1 мм.

Блок управления

Блок управления собран на основе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3B+, к которому подключены контроллер управления двигателями, фотокамера, измерительный инструмент.

Подключаемое оборудование запитывается от встроенных блоков питания на 24 и 5 В.

Блок управления может содержать дополнительное реле индикации событий и звуковой оповещатель (зуммер или акустическую систему, подключаемую к аудиовыходу Raspberry Pi 3B+).

Используемые измерительные инструменты

Как правило, измерительные инструменты устанавливаются на каретку стола и оснащаются салазками, обеспечивающими безударный контакт прибора с образцом (прибор лежит на образце под собственным весом).

Решение с салазками оказалось очень удачным, поскольку также обеспечило дополнительный ход инструмента в направлении оси X стола. Благодаря этому люфту инструмент самоцентрируется в ячейке ящика при размещении его вдоль оси Y.

РФА Olympus Vanta

Рентгенофлуоресцентный анализатор Olympus Vanta позволяет измерять массовые доли химических элементов в различных средах. В зависимости от вида анализа необходимо выбрать тот или иной профиль измерений. Конструкция прибора не позволяет проводить измерения на удалении более 5 мм от поверхности образца. Подключение внешнего компьютера осуществляется по интерфейсу USB.

Условным недостатком можно назвать закрытый протокол передачи данных и управления. Авторам удалось отладить взаимодействие с Vanta с версиями встроенного программного обеспечения 1.9.8 и 1.10.5. В некоторых случаях (для версии 1.9.4) приходилось принудительно обновлять прибор до более свежей версии.

РФА «Спектроскан GEO»

Портативный рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр «Спектроскан GEO» (производство НПО «Спектрон», Россия) используется для измерения содержания различных химических элементов. Прибор отличается гибкой настройкой при пересчете зарегистрированных энергетических спектров в значения массовых долей.

Подключается по интерфейсу Bluetooth.

Одним из плюсов прибора «Спектроскан GEO» также является широкое окно, которое позволяет разово оценивать интегральное содержание элемента на большой площади образца.

Каппаметр SM-30

Измеритель магнитной восприимчивости ZHinstruments SM-30 допускает удаленное управление измерениями и последующее чтение данных. Цикл измерений включает фазу контакта с исследуемым образцом и дальнейшее отведение на 10 см. Приближение и удаление от объекта проводится по двум осям — вертикальной и горизонтальной. SM-30 подключается к компьютеру по интерфейсу RS-232.

USB-фотокамера Baumer VCXU-65 C.R

Разрешение фотокамеры составляет 3072×2048 пикселей. Для объектива AZURE-NV0820M6M оптимальное расстояние до исследуемого образца достигает 0,2–0,4 м. Угол поля зрения (HAOV) фотокамеры Baumer VCXU-65 C.R с объективом AZURENV0820M6M примерно 57°. Рабочее поле стола полностью помещается на фотоснимок с расстояния ~1,2 м.

Камера подключается к компьютеру по интерфейсу USB.

Фотокамера Baumer может быть установлена статически (на каркасе крепления) для фотографирования всего стола или на каретке. В последнем случае поле фотографирования составляет всего 10–15 см. Несколько фотографий высокого качества могут быть использованы для сшивания в одну длинную панорамную.

 

Описание серверного ПО и его структуры

Микрокомпьютер блока управления Raspberry Pi 3B+ работает под управлением основанной на Debian GNU/Linux операционной системы Raspbian. Как и прочие дистрибутивы Debian GNU/Linux, Rasbian состоит из свободного ПО.

Пользовательские данные хранятся на микрокомпьютере в виде системы файлов и каталогов. Через них осуществляется обмен данными между компонентами системы. Предусмотрено, что эти данные размещаются на внешней USB Flash-памяти, которая монтируется системой при загрузке. На ней также сохраняются текущие настройки конфигурации системы. Для резервирования информации доступ к содержимому USB Flash-памяти дополнительно предоставляется по протоколу SMB/CIFS (как ресурс сети Microsoft Windows) при помощи программного пакета Samba.

ПО комплекса GeRDA для микрокомпьютера Raspberry поставляется в виде программных пакетов в формате системы Debian:

  • gerda-common — общие файлы настроек;
  • gerda-control-panel — программа «Панель управления GeRDA»,
  • gerda-doc — программная и эксплуатационная документация к установке;
  • gerda-server-grbl программа «GeRDA-сервер» для исполнения экспериментов;
  • gerda-camser-baumer — сервер управления камерой Baumer;
  • gerda-plugin-\textit{xxxxx} — дополнительные пакеты к GeRDA-серверу для управления различными инструментами.

Пользователь взаимодействует с установкой при помощи ПО «Панель управления GeRDA». В результате формируются исследования — совокупности измерений над одним и тем же объектом, расположенным на координатном столе. Исследование состоит из заданий — сущностей, определяющих последовательность действий автоматики по получению данных измерений выбранными инструментами. Собранные измерения также могут быть сгруппированы с помощью других сущностей — объектов.

Задания исполняются GeRDA-сервером. На программном уровне задание представляет собой текстовый файл в формате JSON, содержащий список задействованных инструментов, их настройки и точки координатного стола, в которых необходимо произвести измерения. После выполнения задания GeRDA-сервер сохраняет в файле задания результаты измерений.

GeRDA-сервер написан на Python (версия 3) и запускается подсистемой инициализации и управления службами systemd [2]. Для ведения журнала программы используется стандартная подсистема syslog. Перед запуском GeRDA-сервера сценарий конфигурации для systemd предусматривает запуск двух программ: сценария, выполняющего попытку возвращения каретки в начальную точку (homing), а также сценария, пытающегося выполнить снимок камерой Baumer. Возвращение в ноль координат необходимо для устранения возможных сбоев контроллера управления двигателями, а в процессе тестового фотографирования происходит автоподстройка баланса белого.

Алгоритм работы GeRDA-сервера

Работа GeRDA-сервера построена по принципу спулера. Спулинг, то есть буферизация заданий и постановка их в очередь, в данном случае заключается в том, что «Панель управления GeRDA» сохраняет файлы подготовленных заданий в выделенном каталоге, а GeRDA-сервер мониторит этот каталог и при выявлении нового файла задания начинает его исполнять. Так согласуется скорость работы медленной механики и быстрого программного обеспечения: пока перемещается каретка стола, пользователь может создавать новые задания или просматривать старые результаты.

При помощи утилиты inotifywait GeRDA-сервер обращается к подсистеме inotify [3] ядра Linux и получает уведомления о событиях, связанных с файлами в заданном каталоге (каталоге спулера). Когда «Панель управления GeRDA» создает новое задание в каталоге спулера, inotifywait активирует GeRDA-сервер, тот в свою очередь перечитывает каталог спулера в поисках нового, еще не исполнявшегося задания. Если такое задание найдено, оно начинает исполняться.

Система поддерживает монотонно увеличивающуюся нумерацию заданий, которая отражена в именах их файлов. Более позднее задание имеет больший номер. При наличии нескольких неисполненных заданий GeRDA-сервер будет их исполнять по очереди в порядке возрастания номеров.

В GeRDA-сервере предусмотрено управление светосигнальным оборудованием установки через интерфейс GPIO. В стандартной комплектации установки имеется индикатор движения каретки, индикатор радиационной опасности (сигнализирует о включении рентгеновской трубки РФА), а также микродинамик для подачи звукового сигнала об окончании задания (зуммер).

Исполнение задания начинается с включения индикатора движения каретки. Затем выполняется инициализация инструментов, задействованных в данном задании.

При использовании в задании стационарно закрепленной камеры Baumer на стадии инициализации модуля поддержки этой камеры будет выполнен снимок установки, и на этом задание закончится.

Далее проверяется ответ от контроллера управления двигателями и выполняется команда возвращения каретки в начальную точку (homing). Затем точки измерений сортируются по принципу ближайшего соседа задачи коммивояжера [4].

При обходе точек задания GeRDA-сервер при выдаче очередной команды контроллеру управления двигателями дожидается подтверждения от контроллера о выходе на нужную координату прежде, чем давать новую команду позиционирования. Для этого GeRDA-сервер рассчитывает ожидаемое время перемещения каретки и через полученный интервал времени запрашивает у контроллера его статус с координатами.

Итерация измерения в заданной пользователем точке начинается с команды позиционирования в горизонтальной плоскости с большой скоростью. Затем при необходимости выполняется вертикальное перемещение инструмента на пониженной скорости. После окончания движения каретки закрепленный на ней измерительный инструмент включается и выполняется замер.

Для некоторых инструментов (например, для каппаметров) предусмотрены измерения, состоящие из двух этапов. После окончания первой фазы инструмент перемещается (в случае каппаметра —поднимается и уезжает в сторону), и затем выполняется вторая фаза измерений.

Для РФА после выдачи команды на включение рентгеновской трубки GeRDA-сервер включает индикатор радиационной опасности. По окончании измерения индикатор выключается.

После получения измерения инструмент поднимается и GeRDA-сервер начинает выполнять итерацию измерений в следующей точке.

По завершении всех измерений каретка трехкоординатного стола возвращается в начальную точку. Затем гасится индикатор движения каретки и генерируется звуковой сигнал.

При обнаружении ошибки позиционирования или коммуникации с инструментом задание прекращается, при этом выполняется попытка сброса контроллера управления двигателями и возвращения каретки в начальную точку (homing).

Предусмотрено также прекращение выполнения задания по команде оператора. Для этой цели задействован сигнал SIGINT. Обработчик сигнала SIGINT в GeRDA-сервере м выполняет последовательность действий по очистке, как при обнаружении ошибки. Для отправки сигнала SIGINT GeRDA-серверу из «Панели управления GeRDA» используется скрипт с командой sudo, согласующей различающиеся привилегии этих программ.

Таким образом, текущий статус задания, указываемый в его JSON-файле, может принимать одно из следующих значений:

  • queued — новое задание создано, исполнение не началось;
  • processing — задание исполняется в данный момент;
  • aborted — исполнение задания прекращено (из-за ошибки или по команде оператора);
  • done — задание успешно выполнено.

Архитектура GeRDA-сервера и API

GeRDA-сервер построен по модульному принципу. Комплектация установки тем или иным инструментом сопровождается инсталляцией дополнительного пакета с плагином (модулем поддержки соответствующего инструмента) к GeRDA-серверу. Каждый такой модуль может содержать ряд настроек инструмента, выносимых на конфигурирование пользователем.

Интерфейс модуля GeRDA-сервера предусматривает ряд вызовов:

  • Инициализация инструмента перед выполнением задания. На этой стадии модуль может создать коммуникационный канал для работы с инструментом (для РФА Olympus Vanta создается веб-сокет, для РФА «Спектроскан GEO» инициируется беспроводной канал Bluetooth в режиме последовательного порта), инициализировать инструмент, запросить его серийный номер, установить заданные пользователем настройки конфигурации инструмента, которые передаются модулю как параметры в этом вызове.
  • Поправка позиционирования каретки трехкоординатного стола для высокой скорости с учетом размещения инструмента на каретке. В качестве параметра в данном вызове модуль получает координаты точки измерения, а возвращает скорректированные координаты, в которые должна переместиться каретка, чтобы измерительный инструмент оказался над точкой измерения.
  • Поправка позиционирования каретки для медленной скорости (опускание инструмента к точке измерения).
  • Выполнение первой фазы измерения. Предусмотрена возможность передачи в качестве параметров дополнительных настроек инструмента, специфичных для данной точки. В результате модуль обычно формирует файл с результатами измерений с именем, определяемым номером задания и номером точки измерения. Если инструмент предусматривает вторую фазу, вызов возвращает координаты для перемещения каретки перед второй фазой. Если вторая фаза не предусмотрена, вызов возвращает False.
  • Выполнение второй фазы измерения (если требуется).
  • Поправка позиционирования каретки по окончании измерения (подъем инструмента в плоскость безопасного быстрого перемещения).
  • Завершение работы с инструментом по окончании задания.

Основная часть GeRDA-сервера выполняется в единственном потоке. Тем не менее предусмотрена возможность запуска отдельных операций в параллельных потоках. Для этого GeRDA-сервер инициализирует менеджер пула потоков ThreadPoolExecutor и передает его экземпляр модулям при их инициализации. Единственная операция, которая выполняется в параллельном потоке в самом GeRDA-сервере, — это генерация прерывающегося звукового сигнала по окончании задания («тройной свисток»). Модуль взаимодействия с РФА Olympus Vanta создает параллельный поток для цикла коммуникационного обмена с инструментом. Этот инструмент шлет статусные отклики постоянно, а не только в ответ на команды, а потому их нужно постоянно вычитывать.

 

Описание ПО «Панель управления»

«Панель управления GeRDA» представляет собой веб-сервис на основе веб-сервера Lighttpd, запущенного на микрокомпьютере блока управления. Серверная часть сценариев веб-сервиса реализована на PHP (версии 7). Клиентская часть — с использованием HTML5 и сценариев JavaScript (используются библиотеки jQuery и Datatables). Клиентская часть веб-сервиса (графический интерфейс пользователя) доступна через любой веб-браузер, поддерживающий стандарты HTML5 и ECMAScript 2015.

Работа пользователя с «Панелью управления GeRDA» начинается с создания нового исследования, с просмотра или изменения существующего исследования или с редактирования конфигурации установки.

Каждое исследование хранит данные о конфигурации, в которой оно было выполнено. Поэтому изменение конфигурации сказывается лишь на вновь создаваемых исследованиях.

К конфигурируемым параметрам установки относятся: предустановленные наборы точек измерений, имена исследователей, список элементов и пороги отбортовки, настройки измерительных инструментов (рис. 3), а также язык сообщений программы (русский или английский).

Конфигурирование инструментов в «Панели управления GeRDA»

Рис. 3. Конфигурирование инструментов в «Панели управления GeRDA»

Новое исследование может быть создано с нуля либо с копированием параметров и конфигурации уже существующего исследования.

Конфигурация исследования и заданий сохраняется в рабочем каталоге GeRDA-сервера (каталоге спулера), откуда «Панель управления GeRDA» также вычитывает статус заданий и результаты измерений.

Основной сценарий «Панели управления GeRDA» формирует интерфейс (рис. 4) в виде нескольких блоков, позиция которых определяется при помощи обтекания. Размеры блоков уточняются клиентским сценарием на JavaScript при загрузке страницы.

Редактирование заданий исследования в «Панели управления GeRDA»

Рис. 4. Редактирование заданий исследования в «Панели управления GeRDA»:
1 — кнопка «Создать исследование на основе ранее проведенного (по шаблону)»;
2 — кнопка «Экспорт в csv-формате»;
3 — кнопка «Экспорт в формате GeRDA»;
4 — нутрисистемный идентификатор исследования;
5 — поле редактирования названия исследования;
6 — вкладка заданий;
7 — вкладка объектов;
8 — кнопка визуализации фотографии;
9 — кнопка «Сделать фотографию стационарной камерой»;
10 — поле указания рабочего инструмента;
11 — поле индикатора статуса выполнения задания;
12 — поле идентификатора исследователя;
13 — блок формирования точек измерений (выбор готового набора и формирование нового);
14 — кнопка визуализации настроек инструментов;
15 — точка проведения исследований;
16 — указание на начало координат (ось X направлена влево, ось Y — вниз, значения координат измеряются в миллиметрах);
17 — блок выбора измерительных инструментов;
18 — поле выбора идентификатора исследователя;
19 — индикатор работы РФА;
20 — индикатор исполнения задания

Верхний левый блок содержит название программы и панель инструментов и статуса. На панель инструментов вынесены основные операции:

  • возврат на информационную страницу «Панели управления GeRDA»;
  • переход в редактор конфигурации;
  • создание нового исследования с нуля;
  • создание нового исследования на основе уже существующего;
  • открытие существующего исследования;
  • экспорт результатов в формате CSV;
  • экспорт результатов в оригинальном формате (архив с JSON-файлами);
  • просмотр программной и эксплуатационной документации.

В этом блоке при помощи соответствующих иконок также дублируется состояние светосигнальных индикаторов установки. Для этого средствами JavaScript с интервалом 0,5 с происходит обращение к скрипту, перечитывающему состояние указанных портов GPIO.

Второй блок слева описывает исследование в целом: как список заданий либо как список объектов. Переключение между этими видами осуществляется по принципу вкладок (рис. 4, поз. 6, 7). В каждом списке один из элементов может быть выделен (задание или объект). Внизу блока имеются кнопки для манипуляций с выделенным элементом (удалить, изменить, для заданий также: запустить, очистить, прервать).

Третий блок содержит результаты: либо для выделенного задания (рис. 5), либо для выделенного объекта. В режиме редактирования задания этот блок используется для отображения полей изменения параметров задания.

Отображение и редактирование результатов исследования в «Панели управления GeRDA»

Рис. 5. Отображение и редактирование результатов исследования в «Панели управления GeRDA»:
1 — точка измерений с очищенными результатами исследования;
2 — выделенная текущая точка измерений;
3 — кнопка «Очистка результатов измерений в точке»

Правый блок занимает всю высоту страницы и содержит HTML5-элемент canvas, в котором средствами JavaScript отображаются точки измерений, выделенные точки, курсор, рамки объектов и т. п. Фоном для canvas служит векторное изображение в формате SVG, генерируемое на стороне сервера для выбранного исследования, задания и порогового элемента. При смене порогового элемента JavaScript инициирует перечитывание фонового изображения для этого canvas. Если в исследовании имеется растровое изображение координатного стола, снятое стационарной камерой, то средствами JavaScript оно также накладывается поверх фонового векторного изображения с прозрачностью 0,5, перед тем как будут отображены точки измерений в выбранном объекте или задании.

Все списковые и табличные элементы интерфейса реализованы средствами библиотеки Datatables и позволяют выполнять поиск, постраничную разбивку, прокрутку, выделение строк и тому подобные операции.

По мере выполнения программы исследований происходит обновление таблицы результатов и их графического отображения на поле рабочего стола. Кружки мест измерений могут окрашиваться в цвета, соответствующие концентрации искомого элемента (рис. 5). Значения концентраций в таблице приведены в ppm (parts per million, ppm = 10^{–6} = 10^{–4} %).

Для отображения в таблице результатов пользователь может выбрать из справочника до пяти элементов (левый блок на рис. 5). Самый верхний из выбранных считается основным. Именно для него показаны цветом концентрации в местах измерений (мышьяк (As) на рис. 5).

Результаты исследования могут быть загружены на компьютер пользователя в формате CSV (Comma Separated Value), пригодном для обработки в различных программах электронных таблиц типа Microsoft Excel или LiberOffice Calc. Также предлагается вариант экспорта данных в формате *.gerda — это ZIP-архив с JSON-файлами конфигурации и результатов.

 

Описание ПО «Визуализатор исследований»

После выполнения всех заданий результаты измерений экспортируются в ПО «Визуализатор исследований».

ПО разработано в кроссплатформенной среде Java и требует для работы Java SE Runtime Environment 8 (версия 8u251). В частности, «Визуализатор исследований» успешно запускается под операционной системой Windows 10.

В ходе работы с «Визуализатором исследований» оператор сначала импортирует файлы исследований в формате gerda, затем выбирает импортированные исследования для проведения анализа данных, изучает графики и фотографии, потом формирует пробы и экспортирует результаты исследований в корпоративную базу данных.

Эти операции проводятся на соответствующих вкладках программы, отмеченных на рис. 6, поз. 1–3.

Импорт исследований в «Визуализаторе исследований»

Рис. 6. Импорт исследований в «Визуализаторе исследований»:
1 — вкладка импорта исследований;
2 — вкладка выбора измерений для анализа;
3 — вкладка формирования проб;
4 — кнопка импортирования выбранных исследований;
5 — кнопка формирования справочника «месторождение/скважина»;
6 — кнопка включения режима автоимпорта;
7 — выбранное исследование;
8 — выпадающий список месторождений;
9 — месторождение, не распознанное автоматически по содержимому поля описания

Оператор заранее должен создать структуру с названиями месторождений и скважин, используя кнопку формирования справочника «месторождение/скважина» (рис. 6, поз. 5).

При экспортировании данных из «Панели управления GeRDA» формируется файл с расширением *.gerda, который необходимо сохранить в каталоге данных «Визуализатора исследований».

Каждое импортируемое исследование должно быть приписано месторождению и скважине. Для этого используется поиск совпадений между созданной структурой месторождений/скважин и описанием исследования, сформированным в «Панели управления GeRDA». В примере большинство исследований правильно отсортировано.

Однако в некоторых случаях (например, из-за наличия опечаток в поле описания исследования) необходимо выбрать месторождение/скважину вручную.

Импорт данных может быть выполнен автоматически (при активированной кнопке автоимпорта) или вручную с помощью кнопки «Импортировать».

Экран на вкладке «Выбор исследований» делится на три части:

  • блок со списком импортированных исследований (слева, рис. 7, поз. 1);
  • панель выбранных для анализа исследований (справа, рис. 7, поз. 2);
  • блок фильтров для отображения списка исследований (внизу, рис. 7, поз. 3).
 Выбор исследований в «Визуализаторе исследований» для анализа

Рис. 7. Выбор исследований в «Визуализаторе исследований» для анализа:
1 — список импортированных исследований;
2 — выбранные для анализа исследования (объекты исследования);
3 — блок фильтров для отображения списка исследований;
4 — сортировка списка исследований по глубине в пределах одной скважины;
5 — поле описания исследования;
6 — незаполненное поле номера ящика;
7 — заполненное поле номера ящика;
8 — несохраненное поле номера ящика;
9 — выбранное исследование;
10 — кнопки выбора исследования;
11 — список элементов;
12 — поля ввода даты для фильтрации списка исследований;
13 — поле ввода строки фильтра;
14 — критерии фильтрации;
15 — список химических элементов, которые встречаются в этом объекте исследования

Импортированные исследования отсортированы по возрастанию глубины, приписанной керну в «Панели управления GeRDA».

Исследования на левой панели раскрываются до списка объектов исследований, для которых предусмотрено редактирование глубин.

Исследование в списке (рис. 7, поз. 9) можно перенести на панель выбранных исследований с помощью кнопок выбора (переноса на правую панель и обратно) (рис. 7, поз. 10). Как только хотя бы одно исследование перенесено на правую панель, становится активной вкладка «Формирование проб».

На панель выбранных для анализа исследований можно перенести исследования только из одной и той же скважины.

Список химических элементов сформирован по данным, полученным на установке GeRDA при исследовании только этого объекта. Список отсортирован в порядке убывания степени превышения порогового значения. Списки в разных объектах/исследованиях могут отличаться друг от друга.

В блоке фильтров (нижняя панель) содержится список элементов. Самым верхним в списке указан элемент, по которому строятся графики на вкладке «Формирование проб». Список остальных элементов формируется автоматически на основе анализа данных в gerda-файлах.

Экран на вкладке «Формирование проб» (рис. 8) поделен на три части. Вверху — график концентрации по искомому элементу (рис. 8, поз. 4), построенный на основе данных, отобранных в пробу. Справа — фотография общего вида ящика с керном (рис. 8, поз. 6), полученная на установке GeRDA. Слева — графики концентрации (рис. 8, поз. 5), соответствующие ячейкам ящика, изображенного справа.

Формирование пробы в «Визуализаторе исследований» и ее экспорт:

Рис. 8. Формирование пробы в «Визуализаторе исследований» и ее экспорт:
1 — кнопка «Добавить в пробу»;
2 — кнопка «Исключить из пробы»;
3 — кнопка «Экспортировать пробу»;
4 — график с данными, выделенными в пробу;
5 — порядные графики концентрации элемента, соответствующие ячейкам в ящике справа;
6 — фотография(и) ящика с обозначенными точками измерений;
7 — средняя концентрация по выборке для графика;
8 — порог отбортовки;
9 — указание на химический элемент и единицу измерения;
10 —шкала глубин;
11 — измерение в текущем выделении;
12 — игнорируемое измерение (артефакт);
13 — измерение, выделенное в пробу;
14 — значение концентрации;
15 — измерение, занесенное в ранее сформированную пробу;
16 — указание на месторождение/скважину;
17 — номер ящика;
18 — номер пробы;
19 — начальная глубина пробы;
20 — конечная глубина пробы

Выделение (группировка) точек измерений осуществляется кликом мышки либо по фотографии, либо на порядных графиках с последующей протяжкой указателя по экрану при нажатой клавише CTRL. Далее оператор с помощью кнопок «Добавить» и «Исключить» формирует пробу (включает в нее и исключает из нее измерения в конкретных точках керна). Отобранные данные и другие характеристики пробы сохраняются в корпоративной базе данных нажатием кнопки «Экспортировать пробу».

На графике пробы (гистограмме) отображаются:

  • идентификатор химического элемента и единицы измерения, ppm;
  • автоматически подстраивающаяся шкала глубин, м;
  • предел отбортовки, обозначенный синей линией и абсолютным значением, которое было установлено при проведении исследования в «Панели управления GeRDA»;
  • средняя концентрация, рассчитываемая как среднее арифметическое по данным, включенным в пробу;
  • измеренные значения концентраций (массовых долей) в разных точках по глубине.

Проба может быть выделена в пределах одного ящика с керном, либо ее начало может находиться в одном ящике, а продолжение и окончание — в другом (других).

 

Примеры использования

Оценка содержания химических элементов в керне

Установка GeRDA, укомплектованная РФА «Спектроскан GEO», представлена на рис. 9. Установка позволяет измерять содержание серебра в керне и истертой пробе как напрямую, так и косвенно (по наличию химических элементов-спутников).

Проведение автоматизированных измерений с помощью РФА «Спектроскан GEO»

Рис. 9. Проведение автоматизированных измерений с помощью РФА «Спектроскан GEO»

На фотографии ящика с керном, полученной со стационарной камеры (вид сверху), автоматически выделяются отдельные фрагменты, соответствующие выделенным пробам, и сохраняются в базу данных.

При проведении исследований средняя скорость обработки одного трехрядного ящика с керном при измерении концентрации серебра в 57 точках составляет 20 мин.

По оценке сторонних специалистов, первичная разбраковка керна позволяет экономить до 1500 руб. на пробу (пробоподготовка + анализ). Установку также можно использовать при принятии решений для оперативного закрытия скважин, что позволяет экономить от 3000 руб. за 1 м бурения.

Использование GeRDA на наклонном столе

Комплекс GeRDA может быть установлен на наклонном столе. Предельный угол составляет 35–40°. Для углов, превышающих это значение, конструкция узла с салазками должна быть изменена. Скорость движения каретки не зависит от угла наклона.

Исследование литогеохимических проб

Комплекс GeRDA хорошо зарекомендовал себя при проведении измерений образцов в пакетиках, например литогеохимических проб. Оператор выкладывает пакетики с почвой на поверхность стола (рис. 10), задает их количество, идентификаторы и места точек измерений на каждом образце. Установка при этом работает в режиме «24×7».

Проведение исследований литогеохимических проб

Рис. 10. Проведение исследований литогеохимических проб

Исследование содержания золота по методике NEFFA

Используя методику NEFFA (Nugget EFFect gold Assay) для дробленых материалов, можно проводить многоточечные исследования по сформированной сетке по одному образцу (рис. 11). Применяя статистическую обработку, можно регистрировать даже сверхнизкие концентрации золота, ранее плохо определяемые рентгенофлуоресцентным способом из-за эффекта самородка, поскольку частички золота склонны к глобулированию. И если эта глобулированная крупинка не находится на поверхности исследуемого образца в точке проведения измерений, то измеренная объемная концентрация золота получается сильно заниженной.

Проведение исследований по методике NEFFA

Рис. 11. Проведение исследований по методике NEFFA

Проведение экспресс-тестов с помощью РФА позволяет экономить средства, поскольку лабораторный анализ одной пробы на содержание золота стоит примерно 20-30 евро.

Проект: измерения «на лету» при бурении

Очень перспективным выглядит внедрение разработанной технологии для экспресс-анализа шлама, добываемого бескерновым методом бурения in situ.

Расчеты показывают, что точность измерений будет достаточна для первичной оценки профиля массовых долей искомого химического элемента по глубине добычи.

В эту же группу проведения исследований в режиме реального времени можно отнести анализ пульпы (жидкофазных объектов) для проточной схемы измерений с помощью РФА.

Эксперименты с каппаметром

В 2020 году были проведены предварительные эксперименты, подтверждающие, что комплекс GeRDA может быть оснащен измерителями магнитной восприимчивости (имелись опасения, что металл трехкоординатного стола будет оказывать заметное влияние на результаты измерений), рис. 12.

Рис. 12. Проведение автоматизированных измерений с помощью каппаметра SM-30

Рис. 12. Проведение автоматизированных измерений с помощью каппаметра SM-30

Были взяты семь образцов (N1–N7) с разной магнитной восприимчивостью. Результаты представлены в таблице.

Таблица. Измерения магнитной восприимчивости

Режим измерений

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

Ручное измерение, со стороны спила, среднее, *10^{–3}

–0,03

11,4

53,1

106

195

308

786

Автоматическое измерение, отведение SM-30 вверх на 7 см, в сторону на 10 см, *10^{–3}

1,6

12,2

54

99

180

287

793

Результаты автоматических измерений совпадают в пределах погрешностей с результатами ручных замеров.

Проект: 3D-сканирование с построением модели керна

Оснащение комплекса подвижной или стационарной стереокамерой либо сканирующей фотокамерой позволит строить трехмерные модели керна с визуализацией структуры поверхности. Это предоставляет возможность определять трещинноватость, углы скола, размер вкраплений и другие параметры керна и связать их с элементным составом.

Литература
  1. Мощевикин А.П. Участие студентов в научно-исследовательских коммерческих разработках коллектива Lab127. Цифровые технологии в образовании, науке, обществе: материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции. Петрозаводск, 2019.
  2. Lane J. Systemd: We move on from init, and bring in systemd // Linux format. 2013. No. 167.
  3. Vervloesem K. Inotify: Watch your filesystem // Linux format. 2011. No. 140.
  4. Reinelt G. The Traveling Salesman Problem: Computational Solutions for TSP Applications. Berlin, Springer-Verlag, 1994

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.