Хамухин А.А. Введение в информатику для инженеров нефтегазового дела:

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

______________________________________________________________

А.А.Хамухин

Введение в информатику

для инженеров нефтегазового дела

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в

области прикладной информатики в качестве учебно-методического

пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по

специальности «Прикладная информатика (по областям)» и другим

экономическим специальностям

Издательство

Томского политехнического университета

2007

ББК 32.81р30

УДК 004:378.4

X18

Введение в информатику для инженеров нефтегазового дела: учебно-методическое

Х18 пособие / Сост. А.А.Хамухин − Томск: Издательство Томского политехнического

университета, 2007. − 284 с.

В учебно-методическом пособии изложены основы, необходимые для

начального изучения и дальнейшего освоения современных методов обработки

информации в инженерной деятельности. Даны сведения из теоретических основ

информатики, рассмотрено состояние современных вычислительных средств,

изложены основы программирования с помощью объектно-ориентированного языка

VBA. Приведены примеры вычислительных моделей, используемых в нефтегазовых

расчетах. Дано введение в компьютерную графику, базы данных. В приложении

содержатся методические указания для постановки и выполнения лабораторных

работ. Пособие предназначено для студентов направления «Нефтегазовое дело»

ББК 32.81р30

УДК 004:378.4

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Рецензенты

Доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией гидрогеологии

нефтегазоносных бассейнов Томского филиала Института геологии нефти и газа

Сибирского отделения Российской академии наук, профессор

М.Б. Букаты

Доктор химических наук, заведующий кафедрой химии Югорского

государственного университета, профессор

А.А.Новиков

Томский политехнический университет – старейший технический вуз в

азиатской части России, основанный в 1896 году. Он оказал значительное влияние

на развитие науки, образования, промышленности и культуры страны. Это

достигнуто усилиями ученых, преподавателей, студентов и более чем сотни тысяч

выпускников.

Наш университет – это сочетание традиций и инноваций в области высшего

технического образования. Этим он отличается от других высших учебных

заведений. Ведущая роль Томского политехнического университета и его влияние

на культуру общества отмечены включением университета в «Свод особо ценных

объектов культурного наследия народов России» Указом Президента Российской

Федерации от 2 апреля 1997 года.

В своей работе Томский политехнический университет опирается на традиции,

сложившиеся за вековую историю университета:

• единство научной и учебной деятельности, дающее специалистам глубокие

общенаучные знания;

• фундаментальная инженерная и практическая подготовка, позволяющая

выпускникам быстро адаптироваться в современных производственных условиях;

• высокий уровень требований к студентам и преподавателям, гарантирующий

соответствующее качество подготовки специалистов;

• новаторство, требующее от студентов, преподавателей, ученых и менеджеров

университета постоянно находить лучшие пути решения стоящих перед ними задач.

Томский политехнический университет создает условия и стимулы для

свободного выражения мыслей и идей, поддерживает культ знаний и стремления к

успеху. Вот почему на нашем гербе девиз: «Знание. Свобода. Процветание».

Миссия Томского политехнического университета заключается в том, чтобы

нести в мир знания и опыт, позволяющие личности, обществу и Российскому

государству видеть и использовать лучшие образцы подготовки высококлассных

специалистов и эффективной реализации нововведений в сфере науки и высшего

образования. Стратегическими направлениями деятельности университета

являются:

• развитие фундаментальных и прикладных научных исследований;

• формирование и развитие научно-педагогических школ;

• активное взаимодействие с ведущими научными, образовательными и

производственными центрами;

• стимулирование студентов, преподавателей и сотрудников к интеграции

традиционных академических ценностей и предпринимательских идей;

• формирование гармонично развитой личности и подготовка специалиста,

способного быть лидером, работать в команде, действовать и побеждать в условиях

конкурентной среды;

• сопровождение выпускников образованием через всю жизнь и содействие их

успешной деловой карьере.

Реализация этой миссии направлена на то, чтобы Томский политехнический

университет стал международно-признанным центром подготовки специалистов

мирового уровня и инноваций в области высшего образования.

Предисловие

Какую роль играет информатика в нефтегазовом деле в мире в целом и в нашей

стране, в частности? Какие информационные технологии используются там сейчас,

и будут использоваться через 5 лет?

Ответ на эти вопросы по нашей стране косвенно освещен в книге Владислава

Суркова (заместителя руководителя Администрации Президента, помощника

Президента России): «для начала следует научиться добывать нефть и газ более

современными способами. Не секрет, что мы толком не умеем этого делать, и что

мы не умеем сами добывать нефть на шельфе, например, и что у нас, по существу,

нет ни одного НПЗ, отвечающего современным требованиям качества

нефтепродуктов (при всей гордости наших нефтяных гигантов и заявлениях о

своих достижениях)» [1].

Очевидно, что это отставание отечественной нефтегазовой отрасли можно

преодолеть только на основе современных информационных технологий,

применение которых начинается с изучения предмета «информатика» в вузе.

Что же изучать по предмету «информатика» будущему инженеру нефтегазового

дела?

Государственный образовательный стандарт для направления «Нефтегазовое

дело», утвержденный в 2000 году по информатике содержит следующее:

понятие информации, общая характеристика процессов сбора, передачи,

обработки и накопления информации; технические и программные средства

реализации информационных процессов; модели решения функциональных и

вычислительных задач; алгоритмизация и программирование; языки

программирования высокого уровня; базы данных; программное обеспечение

и технологии программирования; локальные и глобальные сети ЭВМ; основы

защиты информации и сведений, составляющих государственную тайну;

методы защиты информации; компьютерный практикум.

Выделяется на изучение этих тем 200 часов (или немного более с учетом

региональной составляющей), причем почти половина из них отводится на

самостоятельную (внеаудиторную) работу. Поэтому возникает проблема выбора

материала из огромного количества известных информационных технологий (ИТ).

К тому же информатика и информационные технологии, последние десятилетия

находятся в состоянии непрерывной технической революции, поскольку новые

технологические решения не только быстро изобретаются, но и не менее быстро

внедряются в производство, меняя кардинальным образом информационные

возможности техники, что требует регулярной модификации содержания предмета

[2].

Эта тенденция нашла свое отражение в международном стандарте по изучению

информатики в университетах, получившему название: «Computing Curricula 2001».

Но этот очень объемный и достаточно подробно расписанный документ

предназначен в первую очередь для подготовки IT-специалистов. Для подготовки

прикладных инженеров изучение информатики заключается в выборке из этого

плана тех конструкций, которые более всего необходимы в их будущей

профессиональной деятельности [3].

В таких условиях изучение информатики на первом курсе вуза не должно

приводить к тому, что к моменту получению диплома выпускником его знания,

полученные на первом курсе, оказались морально устаревшими и ненужными.

Поэтому, наполнение вышеперечисленного стандарта конкретным материалом, на

наш взгляд, должно быть, по-возможности, максимально фундаментальным, но в то

же время современным. Последнюю составляющую требуется обновлять каждый

учебный год [4].

Решению поставленной выше задачи должен способствовать принцип

преемственности образования, то есть опора на школьную программу по

информатике, которая утверждена в 2000 году и вполне соответствует мировому

стандарту компьютерной грамотности [5].

В настоящее время оснащение школ современной компьютерной техникой

практически закончено, в 2007–2008 годах школы получат доступ в Интернет, все

больше современно подготовленных учителей. Опираясь на принцип

преемственности учебных программ, мы освобождаем некоторое количество часов,

традиционно последнее десятилетие занятые под «компьютерный ликбез». При

таком подходе необходимо обязательно вводить входной контроль знаний по

программе школьной информатики, чтобы выявить студентов с недостаточным

уровнем компьютерной грамотности и предложить им дополнительные занятия. Это

может выполняться в форме компьютерного тестирования на первом занятии в

компьютерных классах вуза, используя существующие и утвержденные

Министерством образования РФ тесты выходного контроля знаний по школьной

программе информатики [6].

Второй «опорой» для ориентации будущего инженера-нефтяника в мире

информационных технологий должны стать примеры вычислительных задач,

используемых в реальных нефтегазовых расчетах. Это позволит студентам

сконцентрировать свое внимание на более полезных для своей будущей

профессиональной деятельности направлениях информатики и не распыляться на

изучение всех информационных технологий. Предлагаемое пособие насыщено

примерами из реальных нефтегазовых расчетов как в специальных разделах, так и

по ходу изложения общих тем. Примеры взяты из специальной литературы и

личного опыта работы автора с нефтяными компаниями и приведены к

упрощенному виду, доступному для понимания студентов первого курса.

И, наконец, третьей «точкой опоры» при составлении содержания настоящего

пособия послужил обзор требований работодателей при приеме на работу

инженеров соответствующих специальностей. В последнее время все чаще

встречаются термины: «корпоративная информация», «корпоративные знания»,

«корпоративные информационные системы» и часто упоминается разрыв между

уровнем подготовки выпускников вузов в области информационных технологий и

требованиями современных предприятий. Это свидетельствует о наличии в

обществе устойчивой тенденции к модернизации учебных программ высшего

профессионального образования с учетом корпоративных требований. О важнейшей

роли этой составляющей в оценке качества высшего профессионального

образования неоднократно заявлял и Президент Российской Федерации В.В.Путин.

Так, 24 марта 2006 года на заседании Госсовета РФ он сказал, что «в образовании

важен конечный результат, а не безликая отчетность за работу учреждений», а

качество образования должно оцениваться «с опорой на критерии, предъявляемые

обществом, экономикой, работодателями, рынком труда».

Введение

Современные информационные технологии это очень обширная область и

чтобы целенаправленно изучать именно то, что понадобится в дальнейшем

инженеру-нефтянику, необходимо разделить термин «нефтегазовое дело» на

составляющие, сгруппировать информационные технологии тематически и

сопоставить затем их этапам нефтегазового дела.

Под «нефтегазовым делом» будем понимать все технологические процессы,

начиная от поиска нефти (слово «газ» далее опускаем, подразумевая, что оно тоже

присутствует), кончая переработкой и продажей сырья и нефтепродуктов. Эти

процессы известны и, без излишней детализации, их можно сформулировать

следующим образом.

1. Поиск нефти

2. Разведка нефти

3. Проектирование разработки месторождения

4. Добыча нефти

5. Транспортировка и хранение нефти

6. Переработка нефти

7. Реализация сырья и нефтепродуктов

Для сопоставления этих технологических процессов с информационными

технологиями, представим последние также в виде нескольких крупных разделов,

учитывая специфику нашей задачи (IT-модель).

1. Деловая (офисная) информатика

2. Инструментальные среды и пакеты программ для инженерных

расчетов и проектирования

3. Сетевые технологии и информационная безопасность

4. Базы данных и системы на их основе

5. Компьютерная графика и визуализация

6. Суперкомпьютеры, кластеры и вычислительные методы

7. Интегрированные системы управления предприятиями (ERP)

Первый раздел IT-модели в той или иной мере используются на всех этапах

нефтегазового дела и в дальнейшем не упоминается.

Далее рассмотрим каждый этап нефтегазового дела по порядку.

1. Поиск нефти осуществляется сочетанием геологических, геофизических и

геохимических методов. Задачей геологического этапа является составление

структурных карт с характеристиками осадочных и горных пород. Поскольку все

карты сейчас составляются в электронной форме, присоединим сюда раздел 5

(Компьютерная графика и визуализация) из IT-модели. В геофизических

методах при поиске нефти преобладает сейсморазведка, задачей которой является

восстановление геометрии подземных пород по наблюдениям распространения

сейсмических колебаний, возникающих от искусственных источников. Это очень

вычислительно-затратные задачи. Поэтому присоединяем сюда раздел 6

(Суперкомпьютеры, кластеры и вычислительные методы). Для геохимических

методов ничего не будем присоединять, так как они состоят в химическом анализе

проб газа, взятых из бурового раствора или керна. Результирующей информацией

первого этапа является установления факта наличия месторождения нефти и

предварительная оценка его запасов.

2. Разведка нефти заключается в бурении разведочных скважин для того,

чтобы оконтурить залежи, определить мощность и нефтегазонасыщенность пластов

и горизонтов месторождения. Подсчитывается промышленный запас нефти,

определяются ее характеристики. Этот этап, видимо, требует, кроме раздела 1, и,

частично, раздел 2 IT-модели информационных технологий.

3. Этап проектирование месторождения, безусловно, требует раздел 2, но мы

добавим и раздел 4 (Базы данных и системы на их основе), применение которых

делает процесс проектирования более эффективным. На этом этапе используются

(или должны использоваться) мощные современные пакеты программ, работающие

в стандарте POSC (Petrotechnical Open Software Corporation – международный

консорциум по разработке стандартов для прикладного ПО в нефтегазовой

отрасли). Следование стандартам POSC обеспечивает сопоставимость, сравнение и

интеграцию данных по разведке и добыче (exploration & production) нефти и газа

различных компаний. Стандарт POSC поддерживают более 80 компаний – Oracle,

Schlumberger, CGG, BP, Shell, Landmark Graphics, Chevron, Hewlett-Packard, и др.

Для проектирования объектов обустройства месторождения применяются системы

автоматизированного проектирования (CAD-системы). Лидеры в этой области

информационных технологий, применяемых в нефтегазовой отрасли, являются

компании «Autodesk» (AutoCAD, PlanCAD) и «Microstation».

4. Добыча нефти c позиции информационных технологий требует в связи с

территориальной распределенностью применения сетевых технологий (раздел 3), а

также суперкомпьютерных вычислений (раздел 6) для моделирования гидроразрыва

пласта и повышения нефтеотдачи. Все процессы по подъему и промысловой

подготовке товарной нефти и газа в настоящее время в передовых фирмах

полностью автоматизированы, то есть снабжены множеством датчиков, информация

от которых передается в компьютерные центры мониторинга и управления

процессом

5. Транспортировка и хранение нефти имеет основную информационную

задачу – учет и контроль. Поэтому присоединяем сюда базы данных (раздел 4) и

сетевые технологии (раздел 3) в связи с территориальной распределенностью (в

России среднее расстояние, на которое транспортируется нефть, около 1500 км). На

этом этапе главной проблемой является отсутствие надежного и оперативного

информационного оповещения о состоянии нефте- и газопровода, что в настоящее

время приводит к многочисленным тяжелым авариям с большими экономическими,

экологическими и человеческими потерями

6. Переработка нефти осуществляется, как правило, самостоятельными

юридическими предприятиями. Поэтому с информационных позиций присоединяем

сюда в первую очередь раздел 7 IT-модели информационных технологий.

7. К этапу реализация сырья и нефтепродуктов в качестве основного

присоединяем базы данных (раздел 4) и, частично, раздел 7.

Приведенная выше модель условна, показывает только основные тенденции и

предназначена для того, чтобы сориентировать начинающих в их выборе

дальнейшей собственной траектории изучения информационных технологий в

соответствии со своей специализацией нефтегазового дела.

Настоящее пособие является введением, помогающим начать изучение

перечисленных выше разделов.

В главе 1 даны основные определения и характеристики информационных

процессов на основе оксфордского подхода к определению информатики. Приведен

пример взаимодействия данных, информации и знаний в нефтегазовом деле,

рассмотрены источники погрешностей, неизбежных при получении информации

путем измерений. На основе сведений из дискретной математики даны примеры

использования булевых функций в поисковых системах Интернет. Показано, как

представляются числа в различных системах счисления, их экономичность и

числовые типы данных, используемые в языках программирования и базах данных.

Рассмотрены основы сетей передачи данных и понятия информационной

безопасности. Даны начальные сведения о методах извлечения информации из

данных путем их анализа (Data Mining).

Глава 2 посвящена обзору современного состояния аппаратного и программного

обеспечения с позиции применения этих средств в нефтегазовом деле. Приведена

классификация компьютеров по функциональному признаку, уделено внимание

суперкомпьютерам, как наиболее значимым аппаратным средствам решения

нефтегазовых задач. Подробно рассмотрены линии компьютерной связи и

современные хранилища данных, имеющие важное значение в условиях

удаленности нефтегазодобывающих объектов и больших объемов передаваемых

данных. Дан краткий обзор программного обеспечения, в том числе, –

специализированных пакетов программ для нефтегазовых расчетов.

В главе 3 изложены основы программирования на встроенном в приложения

Windows, пакет AutoCAD и некоторые другие системы объектно-ориентированный

язык программирования высокого уровня Visual Basic for Applications (VBA). Из

описания языка выделено необходимое для инженерных расчетов подмножество

структур, сопровождаемое подробными примерами и пояснениями.

Глава 4 является центральным разделом настоящего пособия, в котором

требуются знания, полученные при изучении предыдущих глав. Она посвящена

моделям функциональных и вычислительных задач в нефтегазовом деле. Даны

общие сведения о математическом моделировании, приведен ряд функциональных

задач, которые сводятся к широко используемым в нефтегазогеологии

вычислительным методам: интерполяции, аппроксимации, численному

дифференцированию и численному интегрированию, поиску особых точек. По этим

методам даны расчетные формулы и фрагменты программ, необходимые для

практического применения.

В главе 5 рассмотрены дополнительные разделы информатики, не вошедшие в

предыдущие главы: основы компьютерной графики, необходимые для инженерного

применения, введение в базы данных с примерами из широко распространенной

базы Microsoft Access, введение в расчеты с помощью пакета MathCAD.

В Приложениях приведены примеры вопросов входного контроля, дан

примерный перечень и подробные методические указания для постановки и

выполнения лабораторных работ, изложена примерная программа самостоятельной

работы студентов и методические указания для ее выполнения.

Существенную помощь в изучении современной информатики оказывают

имеющиеся Интернет-ресурсы, так как в рамках 200-часового университетского

курса информатики невозможно изучить подробно ни одну из существующих

информационных технологий, а можно только познакомиться с ними для

дальнейшего самостоятельного освоения. Кроме этого информатика – самая

быстроразвивающаяся наука и чтобы не отстать от прогресса, необходимо

постоянно пополнять свои информационные знания в течение всего цикла трудовой

деятельности современного инженера нефтегазового дела.

Среди множества Интернет-ресурсов рекомендуем выделить один, который

прямо предназначен для решения сформулированной выше проблемы и имеет ряд

выгодных преимуществ перед другими ресурсами. Это – Интернет-университет

информационных технологий (ИНТУИТ) www.intuit.ru.

ИНТУИТ учредил в 2003 году Анатолий Шкред, выдающийся деятель в области

информационного просвещения русскоязычного населения конца ХХ – начала ХХI

века. В ИНТУИТе обучение проводится через Интернет и само по себе полностью

бесплатно, хотя есть и платные программы, связанные в основном с выдачей

документов об образовании от имени вузов – партнеров ИНТУИТа. В основу

методик и принципов организации учебных планов положены стандарты

Международного документа Computing Curricula 2001.

Основу обучения составляют курсы лекций с тестовыми заданиями в конце

каждой лекции. Каждый курс проходит обязательную сертификацию учебно-

методическими объединениями вузов (УМО) и имеет гриф «рекомендовано» для

соответствующих специальностей. Все курсы написаны в единой форме изложения,

что существенно облегчает их изучение. Авторы курсов – ведущие российские и

зарубежные специалисты в области информационных технологий. Любой курс

можно заказать в виде книги, диска или изучать через Интернет, но пройденным он

считается только тогда, когда будут сданы тесты ко всем лекциям на сайте

ИНТУИТа (www.intuit.ru). После этого автоматически выписывается удостоверение

о прохождении обучения по этому курсу, которое можно скопировать через

Интернет или заказать оригинал в бумажном виде.

Для каждого зарегистрировавшегося студента ИНТУИТ ведет зачетку

(бесплатно), где отражаются все пройденные (а также начатые и пока

незавершенные) курсы. Важным достоинством ИНТУИТа является наличие

множества альтернативных курсов по одной тематике, что позволяет студенту

выбирать того или иного автора курса, а сам ИНТУТ обеспечивает себе постоянное

обновление изучаемого материала, поскольку компьютерные науки являются сейчас

самыми быстроизменяющимися.

На конец 2006 г. в ИНТУИТе собрано 125 курсов и их количество продолжает

увеличиваться. В ИНТУИТе нет таких консервативных понятий, как «срок

обучения» или «отчисление». Единожды записавшись в ИНТУИТ, можно всю свою

активную трудовую жизнь «подтягиваться» за стремительно развивающимися

информационными технологиями, путем изучения вновь появляющихся в

ИНТУИТе курсов, необходимых Вам по роду деятельности. В настоящем пособии

материалы ИНТУИТа используются в содержании самостоятельной работы

студентов.

Материалы настоящего пособия апробированы при обучении студентов

направления «Нефтегазовое дело» по дисциплине «Информатика» Томского

политехнического университета с 2002 года (два потока 8 групп). Ход обучения и

его результаты доложены на ряде конференций и опубликованы на сайте автора

http://ad.cctpu.edu.ru/Personal/Alex/ZHtml/default.htm

Глава 1. Сведения из теоретических основ

информатики

1.1. Введение в теорию информации

1.1.1. Основные определения

Существует множество определений терминов «информатика» и «информация».

Мы, в силу вышесказанного, выберем определение информатики, данное в

Оксфордском университете: «Информатика – это наука об информационных

процессах и связанных с ними явлениях в природе, обществе и человеческой

деятельности» (Nygaard K. An Emergency Toolkit. Ciborra C. The Labirinths of

Information. – Oxford University Press, 2002). Для инженерного образования это

определение без потери сущности можно ограничить: «Инженерная информатика

– это наука об информационных процессах и связанных с ними явлениях в

профессиональной деятельности инженера». В этом определении главную роль

играет связь между информационными процессами и теми явлениями, которые их

вызывают. Чтобы уметь ее устанавливать, нужно научиться извлекать информацию

из данных. Такие знания являются фундаментальными и мало зависят от того, какой

Pentium, или какая операционная система сейчас в моде.

В соответствии с таким подходом то, что ранее называли информацией, в

настоящее время подразделяют на данные, информацию и знания.

Данные – это отображенные на некотором носителе свойства объектов, которые

могут быть измерены или сопоставлены с определенными эталонами.

Информация – осознанные (понятые) субъектом (человеком) данные, которые

он может использовать в своей (профессиональной) деятельности.

Таким образом, два главных свойства информации: объективность и

субъективность. Объективность информации состоит в том, что она всегда

получается из данных о свойствах некоторых объектов. А субъективность состоит в

том, один человек (субъект) может извлечь из некоторых данных информацию, а

другой – нет.

Знания – систематически подтверждаемая опытным или логическим путем

информация об объекте.

Корпоративная информация, корпоративные знания – относительно новые

термины, введенные для обозначения и закрепления прав предприятия на ту

информацию и знания, которые необходимы для обеспечения его интересов и

функционирования и составляют его интеллектуальный капитал.

Схему взаимодействия информационных процессов, отражающую их глубину и

значимость для субъекта (инженера), можно представить в виде рис. 1.1. По схеме

видно, как из данных извлекается информация, из которой формируются знания.

Последние, в свою очередь, в виде обратной связи влияют на оба этапа: измерение

данных и извлечение из них информации. Такой информационный цикл может

повторяться неоднократно и позволяет добиваться принятия инженерных решений

высокого уровня. Конечно, первичная информация у субъекта появляется уже в

процессе получения данных и для многих инженерных задач и на этом уровне

можно принимать те или иные инженерные решения.