Вальковский С.Н., Миронов П.А., Павлов С.В., Нестеров И.А., Налётов Д.А., Чудин Я.С., ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Московская область, пос. Развилка, e-mail: P_Mironov@Vniigaz.Gazprom.ru, Web: www.vniigaz.ru
The use of geoinformation technologies on the base of ArcGIS Server in the GazProm projects on the development of Yamal Peninsula
Полуостров Ямал – уникальный природный резервуар углеводородного сырья, стратегический нефтегазоносный регион России. Промышленное освоение месторождений Ямала и прилегающих акваторий имеет принципиальное значение для обеспечения роста российской добычи газа после 2010 года. Проектирование, освоение и эксплуатация такой сложнейшей системы невозможны без достоверных сведений о ее текущем состоянии, а также без прогноза ее поведения в будущем как отклика на те или иные управляющие воздействия.
Решение задачи подобного масштаба в полной мере может быть реализовано на основе создания и использования специализированной информационной системы, имеющей многокомпонентный состав и ориентированной на организацию единого технологического процесса хранения, дополнения, поддержки и представления пользователям информации по району освоения как Бованенковского НГКМ, так и других месторождений п-ова Ямал.
Рис. 1. Интерфейсы компонентов «СИС-Ямал».
Рис. 2. Функциональные компоненты «СИС-Ямал».
ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по заказу Управления энергосбережения и экологии выполнил разработку такой системы в 2009 году. При проектировании будущей системы, названной «Специализированная Информационная Система («СИС-ЯМАЛ») в защищенном исполнении для решения природоохранных и производственных задач проектирования, строительства, эксплуатации и контроля состояния объектов добычи и транспорта углеводородного сырья месторождений Ямала и окружающей среды», были поставлены следующие задачи:
- выполнение интеграции информационных ресурсов: цифровых, пространственных и фактографических данных по п-ву Ямал;
- сопряжение «СИС-Ямал» с Отраслевой геолого-геофизической информационной системой (ОГГИС);
- сбор и включение в «СИС-Ямал» нормативно-справочной информации по природоохранной и производственной деятельности с учетом специфики работ на п-ве Ямал;
- разработка математических моделей влияния инженерных сооружений на окружающую среду;
- разработка приложений, реализующих решение природоохранных и производственных задач при проектировании, строительстве, эксплуатации и контроле состояния окружающей среды и объектов инфраструктуры БНГКМ и перехода МГ через Байдарацкую губу.
При проектировании будущей системы, названной «СИС-ЯМАЛ», акцент был сделан на максимальное использование технологии открытого кода и геоинформационные технологии компании Esri на базе ArcGIS Server. ArcGIS Server обеспечил быструю интеграцию накопленных цифровых, фактографических и пространственных данных в единое целое. Также были применены средства организации и хранения данных на базе PostGIS (открытый формат хранения). Сочетание ArcGIS Server 9.3.1 со встроенной поддержкой PostgreSQL/PostGIS обеспечило интеграцию пространственных данных с другими геоинформационными системами и приложениями, такими как MapInfo, AutoCAD и рядом специализированных геологических приложений. Открытый формат хранения позволял оперативно обновлять геоданные напрямую из геологических приложений или форм ввода. При этом успешно использовались все преимущества ArcSDE по хранению данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и пространственных слоев.
Рис. 3. Входная страница картографического модуля с выделенным проектом по Бованенковскому месторождению.
Рис. 4. Структура интегрированной базы данных.
Таким образом, инновации по проекту «СИС-Ямал» касались следующих технологий:
- технология хранения фактографических, цифровых и пространственных данных;
- технология визуализации пространственных данных;
- технология доступа к базе данных (БД) и ее актуализации;
- технология ведения проекта разработки информационной системы.
Были применены следующие системы с открытым кодом и свободно распространяемым кодом:
- ?портальная web-технология на базе портала MojoPortal с открытым кодом для легкого управления содержанием, пользователями, подключаемыми новыми модулями;
- БД PostgreSQL с расширением для хранения пространственных данных PostGIS;
- система пространственной визуализации GeoServer;
- библиотека классов Qt для реализации настольных (Desktop) приложений;
- ?OLAP-технология единого представления табличных данных с возможностью быстрого создания новых форм ввода без дополнительного программирования на базе технологии DevExpress;
- централизованная система управления версиями Subversion;
- система коллективного общения и взаимодействия на базе ПО компании Atlassian Software Systems.
В результате удалось достигнуть ряда технологических преимуществ, дающих конкурентное преимущество ОАО «Газпром» в данной области и увеличение капитализации компании за счет интеллектуальной собственности, а именно:
- Единая точка получения всей совокупности информации по полуострову Ямал для поддержки принятия решений в области проектирования и строительства, ведения рационального недропользования и природопользования. Дает снижение временных потерь на поиск и получение необходимой информации, минимизацию косвенных и прямых потерь от получения недостоверной и потерявшей актуальность информации.
- Основа для создания собственного отраслевого решения для реализации вышеуказанных задач. Обеспечивает его беспрепятственное распространение в структурных подразделениях компании с нулевыми затратами на лицензионные отчисления сторонним компаниям и минимальные затраты на сопровождение.
- Основа для дальнейшего тиражирования системы на другие регионы, в которых осуществляется деятельность компании.
Проект был успешно реализован и был признан одним из лучших проектов ОАО «ГАЗПРОМ» в области ИТ за 2010 год (конкурс ОАО «Газпром» по компьютерному проектированию и информационным технологиям, июль, Санкт-Петербург). Проект интересен тем, что системы с открытым кодом были проверены в крупнейшем и ответственном проекте, на практике реализована крупнейшая в отрасли БД, система визуализации картографических данных, электронный архив фактографических данных. Успешно проведена интеграция фактографической, цифровой и пространственной информации в едином интерфейсе. Проект включен в реестр основных достижений ООО «Газпром ВНИИГАЗ» за 2010 год (http://www.gazprom.ru/subsidiaries/list-items/944).
Рис. 5. Каталог пользовательских проектных документов с правами доступа в файловом хранилище.
«СИС-Ямал» представляет собой взаимосвязанный набор следующих функциональных компонент:
- интегрированная база данных;
- региональные подсистемы: «СИС-Ямал-БНГКМ» и «СИС-Ямал-Байдара»;
- подсистема производственно-экологического мониторинга (ПЭМ);
- подсистема мониторинга рисков;
- подсистема ввода, редактирования данных;
- подсистема информационной безопасности;
- модуль интеграции с отраслевой геолого-геофизической информационной системой (ОГГИС);
- картографический модуль геоинформационной системы (ГИС) и хранилище данных дистанционного зондирования Земли.
Интегрированная база данных и хранилище данных дистанционного зондирования земли (ДДЗЗ) являются ядром системы «СИС-Ямал». Данные компоненты обеспечивают информационное наполнение системы как на уровне атрибутивных и пространственных данных, так и на уровне хранения и представления неструктурированной информации.
Региональные подсистемы «СИС-Ямал-БНГКМ» и «СИС-Ямал-Байдара» предназначены для предоставления результатов мониторинга природной среды, их анализа, прогноза оценок негативных изменений, выбора природоохранных решений с учетом специфики местоположения производственных объектов и их функционирования в конкретных условиях эксплуатации.
Подсистема производственно-экологического мониторинга (ПЭМ) «СИС-Ямал» предназначена для информационной поддержки регулярных наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей природной среды на территории центральной части полуострова Ямал (район Бованенковского месторождения), а при дальнейшем развитии системы – на полуострове Ямал в целом. Основной целью подсистемы ПЭМ является автоматизированное получение и своевременное обеспечение персонала производственных объектов БНГКМ, природоохранных служб, руководства ОАО «Газпром» достоверной информацией об экологическом состоянии на объектах и в зонах их влияния для обеспечения экологической безопасности и информационной поддержки принятия управленческих решений в области природоохранной деятельности.
Рис. 6. Связанные данные на примере с иерархическим перечнем объектов инфраструктуры.
Подсистема мониторинга рисков предназначена для управления рисками, включая: идентификацию рисков, построение карты рисков, количественную оценку рисков, ранжирование и выявление главных рисков, расчет показателей эффективности проекта с учетом рисков, а также мониторинг рисков с учетом реализации мероприятий по их снижению.
Подсистема ввода, редактирования данных осуществляет загрузку данных и их последующую корректировку. Наличие данной подсистемы на автоматизированном рабочем месте пользователя «СИС-Ямал» определяется правами доступа конкретного пользователя.
Модуль интеграции с ОГГИС осуществляет предоставление геолого-геофизической и промысловой информации по месторождениям ОАО «Газпром» (в рамках текущего проекта – Бованенковского НГКМ), хранящейся в системе. Наличие данной подсистемы на автоматизированном рабочем месте пользователя «СИС-Ямал» определяется правами доступа конкретного пользователя.
СУБД PostgreSQL была выбрана для этого проекта по нескольким причинам.
1. Организация хранения пространственных данных. В PostgreSQL реализован механизм интеграции с системой управления пространственными данными ArcSDE компании Esri, и это единственная открытая СУБД, которая напрямую поддерживается Esri. Кроме того, в PostgreSQL существует хорошо продуманная собственная открытая система хранения пространственных данных PostGIS (расширение СУБД PostgreSQL). Сочетание ArcSDE и PostGIS предоставило весь требуемый функционал по работе с пространственными данными. ArcSDE хорошо справляется с растровыми форматами и полностью сохраняет все результаты картопостроения из ArcGIS. В то же время, это закрытая система, имеющая внутренний специфичный формат хранения, не располагает механизмами обновления или добавления пространственных данных внешними программами. Проще говоря, сложно добавить, изменить или удалить запись в пространственной таблице чем-либо, кроме как собственными средствами ArcSDE. PostGIS имеет ограниченную функциональность, но полностью закрывает проблемы управления пространственными данными через внешние интерфейсы. Кроме того, PostGIS интегрирована со средствами формирования пространственных данных (карт) ArcGIS Desktop, что позволяет напрямую сохранять проекты ArcGIS в PostGIS. В СУБД Oracle имеется подобное сочетание ArcSDE и Oracle SDO (Spatial Data Option), но производительность SDO крайне низкая.
2. Контроль действий пользователя и целостности БД. На наш взгляд, эта функция наилучшим образом реализована именно в PostgreSQL, что позволяет полностью контролировать действия пользователя или системы через специальные таблицы и вовремя предотвращать нарушение целостности БД.
3. Портируемость БД на все основные платформы, совершенный механизм репликации. Так как важной составляющей проекта являлось обеспечение работы в географически разнесенных офисах (узлах), механизм репликации данных между узлами играет основную роль в обеспечении актуальности БД. В PostgreSQL этот механизм реализован на очень хорошем уровне.
Важным компонентом «СИС-Ямал» является геоинформационная система. Его сложность обуславливается большим количеством картографического материала (свыше 400 пространственных слоев для 74 карт), а также наличием большого количества космоснимков (более 100) объемом в 75 ГБ.
Несмотря на то, что в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и в ОАО «Газпром» в целом активно используется MapInfo, для построения геоинформационной системы была выбрана система управления пространственными данными ArcGIS Server 9.3.1. (Esri) с обеспечением хранения данных с помощью ArcSDE в СУБД PostgreSQL. Выбор был сделан исходя из прекрасных интеграционных способностей программных продуктов Esri, включая поддержку открытых технологий.
Рис. 7. Пример персонального перечня данных (цепочек перехода) при работе с объектами инфраструктуры.
Для обеспечения работы со всем набором картографических материалов был разработан динамический каталог карт. Пользователю достаточно зарегистрировать карту с надлежащими слоями в этом каталоге для обеспечения последующего коллективного доступа к ней. Так, в рамках картографического модуля можно выполнять следующие операции:
- увеличивать область интереса (изменять масштаб карты);
- перемещаться по карте;
- включать/отключать слои, устанавливать режим «прозрачности» для групп слоев;
- получать атрибутивные данные по объектам на карте c каждого слоя;
- осуществлять поиск объектов на карте;
- вычислять расстояния, площади и периметры;
- печатать визуализированные участки карт от формата А6 до А0 с различной плотностью печати (от 72 dpi до 600 dpi);
- делать привязку дополнительной информации в виде файлов, ссылок или комментариев к любому объекту на карте.
Существенные задачи были возложены и на анализ результатов космосъемки. Реализованы следующие функции:
- создано хранилище снимков с дополнительной атрибутивной информацией;
- создано представление схемы размещения снимков на карте;
- обеспечивается адаптивная детализация карт за счет подзагрузки данных при увеличении масштаба карты на требуемом участке.
Взаимодействие подсистем обеспечивается соглашениями и стандартами, вырабатываемыми при разработке компонент системы. Состав и специфика функционирования компонент системы, а также специфика функционирования системы в целом определяется научно-методическими компонентами и тематической направленностью функциональных блоков системы, опирающихся на действующие требования, наставления и инструкции по проектированию и осуществлению технических, технологических и природоохранных решений в районе исследований. Посредством применения всех подсистем реализуется непрерывный информационный цикл: от сбора и накопления, до анализа и интерпретации данных о природной среде района.
Информационное наполнение системы выполнено специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по следующим предметным областям:
- общие тематические справочники и классификаторы;
- топографические основы;
- перечень объектов инфраструктуры с учетом административного подчинения;
- нормативно-справочная информация;
- данные дистанционного зондирования по региону;
- проектная и отчетная документация.
Тематические блоки «СИС-Ямал» включают в себя данные по отходам, атмосфере, поверхностным водам, морским условиям, биоразнообразию и климату. Информационное наполнение этих блоков проведено на основе результатов обширного перечня выполненных инженерно-экологических исследований, эколого-технологических экспедиций и математического моделирования с помощью аналитических приложений, в том числе:
- выполненными эколого-технологическими экспедициями на Бованенковское месторождение и в район Байдарацкой губы для оценки интенсивности техногенного воздействия на окружающую среду и научно-методическим сопровождением работ обустройства БНГКМ и строительства МГ Бованенково-Ухта;
- проведенными комплексными инженерно-экологическими исследованиями на полуострове Ямал, оценкой тенденций изменения климата, систематизацией информации по состоянию отдельных характеристик природных сред (гидрологических, геокриологических, геоботанических, зоологических и др.);
- разработанными математическими моделями влияния инженерных сооружений на окружающую среду;
- разработанными приложениями для решения природоохранных и производственных задач при проектировании, строительстве, эксплуатации и контроле состояния окружающей среды и объектов инфраструктуры;
- проведенным анализом динамики протекания процессов изменения экологического состояния природных экосистем при первоочередном освоении полуострова Ямал и разработкой прогноза их состояния методами экспертных оценок, анализа и классификации рисков, анализа внутренней и внешней проектной информации.
При создании системы применены наиболее современные интернет-технологии и решения, доминирующие на рынке. Для обеспечения удобства работы с системой были реализованы следующие механизмы и подходы:
- управление документами (создание групп документов, файловое хранилище, классификация документов на этапе загрузки, управление доступом к файлам);
- управление представлением данных и генерация отчетов;
- механизм перехода по связанным данным на основе «цепочек перехода» согласно модели данных;
- механизм персональных списков объектов и данных пользователя АРМ на основе «тонкого клиента»;
- интеграция картографических и цифровых данных, дающая возможность перехода с выбранных на карте объектов к доступным по ним информационным материалам и наоборот.
Механизмы персональных списков объектов и цепочек перехода позволяют пользователю или администратору информационной системы утвердить при работе с системой лишь определенный набор объектов и связанных с ними данных. Это позволяет удобным образом организовать работу пользователя, обеспечив или ограничив его лишь требуемой для работы информацией.
В заключение хотелось бы отметить следующее. Опыт эксплуатации «СИС-Ямал» убедительно показал актуальность и необходимость создания комплексной информационной системы по данному региону. Тем самым создана единая информационная платформа для получения достоверных и актуальных сведений, предоставлен инструментарий сбора результатов подчас уникальных исследований и научных изысканий по столь чувствительному к антропогенному воздействию региону, предоставлены средства моделирования и прогнозирования развития ситуации.
«СИС-Ямал» будет развиваться и в дальнейшем как за счет совершенствования применяемых информационных технологий для повышения эффективности использования сотрудниками ОАО «Газпром», так и путем расширения и охвата всех областей производственной и природоохранной деятельности компании. Существенное внимание должно быть уделено технологиям прогнозирования и моделирования состояния окружающей среды, оценке рисков техногенных катастроф, особенно с учетом событий, произошедших в Мексиканском заливе.
Перспективы развития ГИС-компоненты «СИС-Ямал»
В организации ежедневно формируется и анализируется большой объем пространственных данных, зачастую информация дублируется или используется недостаточно эффективно. Это происходит по причине отсутствия в организации единого централизованного картографического ресурса, доступного всем заинтересованным пользователям.
Внедрение Картографического Банка Данных (КБД) позволит существенно увеличить ценность пространственной информации в организации. Разработка КБД позволит заложить очень важные основы для создания и развития такого понятия как единый стандарт пространственных данных, используемых в компании. В свою очередь, это повысит качество и точность тех пространственных данных, которые создаются в организации.
Дальнейшее развитие ГИС-компоненты системы предполагается по следующим направлениям:
- Унификация слоев пространственных данных в БД, усовершенствование механизмов регистрации данных. Централизация хранения, загрузки и выгрузки пространственных данных (слоев) для структурных подразделений института.
- Унификация механизмов доступа к пространственной базе данных как со стороны «СИС-Ямал», так и напрямую из геоинформационных и специализированных систем. Широкое внедрение Web-сервисов и стандартизация представления пространственных данных на картах вне зависимости от используемого программного обеспечения.
- Унификация механизмов привязки проектируемых или исследуемых объектов и однозначности их представления на карте, централизация выдачи пространственного положения объектов для структурных подразделений института.
- Совершенствование механизмов разделения прав доступа к пространственным данным.
- Оптимизация скорости визуализации карт.
Главным результатом работ по созданию КБД на базе разработанного ГИС-компонента «СИС-Ямал» является создание типового решения, обеспечивающего сбор, хранение, использование и обмен пространственными данными внутри компании и между территориально-удаленными подразделениями.
Центральным для КБД является понятие «узла». Узел КГИС включает телекоммуникационный комплекс и базу пространственных данных (БПД). Он обслуживает подразделения, принимающие участие в процессах сбора, обработки и использования пространственных данных. Обмен данными будет организован средствами ArcGIS Server и ArcGIS Desktop.
База пространственных данных под управлением ArcSDE дополнительно структурируется на логическом уровне с помощью специально разработанного программного обеспечения, следуя выработанным в компании принципам упорядочивания информации по тематическому и объектному составу.
Для упорядочивания по тематическому признаку в БПД создаются разделы данных, с каждым из которых связан классификатор; загружаемые данные проверяются на соответствие классификатору раздела.
На уровне раздела определяются также права доступа к информации. Для упорядочивания по объектовому составу и источнику поступления данных используется понятие проекта данных. Проект определяет территориальный охват или соответствие данных определенному производственному объекту.
Доступ к материалам корпоративной базы обеспечивается путем публикации картографических служб и созданных на их основе web-приложений во внутренней сети компании с использованием технологий ArcGIS Server. Даже «тяжелые» наборы данных могут быть доступны в многопользовательском режиме за счет поддерживаемой ArcGIS Server технологии кэширования.
Для конечных пользователей, в зависимости от специфики решаемых задач, будут разработаны универсальные и специализированные рабочие места:
- АРМ администратора – на основе «толстого клиента» ArcGIS Desktop и дополнительно реализованных программных пакетов для управления логической структурой БПД и правами доступа к данным;
- АРМ оператора по загрузке и обновлению данных – на основе «толстого клиента» ArcGIS Desktop, дополнительно реализованных модулей для контроля качества данных, загрузки данных из внешних источников (поддерживаются векторные данные в форматах MapInfo, ArcGIS и растровые данные);
- универсальный АРМ на основе «тонкого клиента», позволяющий как открывать для просмотра предварительно скомпонованные картографические проекты, так и динамически формировать содержимое карт путем поиска интересующей информации в БПД;
- набор АРМов на основе «тонкого клиента», используемых для обслуживания специфических запросов отдельных групп пользователей.
Все это позволит в полной мере использовать ценность собираемых геоданных и работу с ними всех заинтересованных в пространственной информации сотрудников и, в конечном итоге, повысить конкурентоспособность компания.
