Партнерский проект

Оцифровка недр

Сибирские ученые оттачивают цифровые методы геологоразведки

При поддержке программы «Приоритет 2030», запущенной Минобрнауки РФ в этом году, Сибирская Школа Геонаук, один из исследовательских институтов в структуре ИРНИТУ, создал стратегический консорциум в сфере недропользования и цифровизации геологических и геофизических исследований — i. GeoDesign. Цель этого проекта — развитие новых цифровых инструментов в проектировании сложных промышленных конструкций и подготовка профильных специалистов.

В объединение i. GeoDesign вошли институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, Новосибирский государственный технический университет НЭТИ, Всероссийский институт минерального сырья имени Федоровского (ВИМС). Основная задача консорциума — развитие инновационных методов изучения недр и поиска полезных ископаемых: беспилотная аэрогеология, 3D-инверсия, комплексная обработка разнородных геоданных, экспрессные и глубинные геохимические методы.

Организаторы консорциума называют i. GeoDesign проектом исследовательского института нового типа. На пилотной стадии университет содержал проект самостоятельно, однако институты, занимающиеся не только сугубо прикладными исследованиями, не могут существовать без прямой или опосредованной поддержки со стороны государства, констатирует руководитель Сибирской Школы Геонаук и проекта i. GeoDesign, к. г.-м.н. Александр Паршин: участие в программе «Приоритет 2030» позволит ученым инвестировать в развитие в развитие приборной и аналитической базы, а также закупать современную экспедиционную технику.

Косвенной предпосылкой для создания консорциума в рамках участия в программе «Приоритет 2030» послужила наблюдаемая в России тенденция к истощению минерально-сырьевой базы. Поиск новых месторождений сопряжен с большими рисками, которые исторически несло государство, а сейчас — добывающий бизнес, которому это в нормальном случае не свойственно, объясняет Паршин. По его словам, в России пока не сформировался эффективный механизм перераспределения расходов и рисков в геологоразведочной сфере от добывающего бизнеса и государства — на специализированные юниорные компании, работающие по венчурной модели. «Семь-восемь лет назад мы с коллегами поняли, что можем сделать свой вклад в развитие методологических и технологических аспектов минерально-сырьевой базы, — рассказывает Паршин. — С партнерами по консорциуму i. GeoDesign мы разрабатываем технологии, которые позволят снизить себестоимость отдельных методов и поисковых работ в целом».

Стоимость поисковых работ на небольшом участке по сервисной модели составляет около 80–160 млн рублей (ориентировочная стоимость среднего кейса на золото в условиях Сибири), а себестоимость выполнения такого же проекта университетом и его партнерами по консорциуму позволяет снизить ее до 7–8 млн рублей к 2024 году, подсчитали ученые. «В ИРНИТУ есть существенный технологический задел по целому ряду перспективных направлений: искусственный интеллект, анализ больших данных — с целью ранжирования больших площадей по вероятной перспективности на лицензировнание, — а также беспилотные системы для комплексной аэрогеологии, в частности БПЛА-электромагнитное зондирование и многие другие методы, как аэро- и наземные», — говорит Паршин.

Маловысотная аэрогеология

На отдельных лицензионных участках ученые собирают крупные массивы детальных геоданных при помощи беспилотных воздушных систем. Оснащенные одним или несколькими измерительными приборами дроны способны облетать большие площади и позволяют быстро и дешево получить большие объемы геологической информации. «С использованием беспилотной геофизики нам удалось заверить и изучить серию перспективных участков, — рассказывает заведующий отделом урана и редких металлов ФГБУ „ВИМС“ Николай Гребенкин. — Сотрудниками наших организаций совместно были разработаны первые в России методические рекомендации по проведению беспилотной магниторазведки, эти рекомендации были утверждены РОСНЕДРА. Сейчас нами внедряются гамма-спектрометрические и электроразведочные беспилотные технологии. Очевидно, что таких результатов невозможно было бы достичь в одиночку».

По словам Гребенкина, в рамках консорциума i. GeoDesign ученым удастся существенно увеличить объемы опытно-методических апробационных и ревизионных работ. В результате этого объединения отечественная геологоразведочная отрасль получит новые методы, методики, перспективные площади и как следствие выиграет от такого крепкого сотрудничества, уверен ученый.

Роботизированные системы предоставляют огромные объемы геоданных, но, чтобы их эффективно использовать, нужно их с той же скоростью обрабатывать. «До введения БПЛА-методов геологоразведочные работы проводились следующим образом: геологическая экспедиция работает весь сезон, затем всю зиму обрабатывает данные. На следующий год уточняются какие-то представления, картина постепенно насыщается деталями, — рассказывает Паршин. — Теперь иначе: нужно делать все сразу. Поэтому мы вложили большие усилия в развитие алгоритмов — для автоматизации обработки данных без потери геологической адекватности. Это то, над чем работают наши лучшие профессора».

Как совладать с геоданными

Поскольку ни один из геологических и геофизических методов по отдельности (кроме горных работ и бурения) не дает исчерпывающей информации о рудном потенциале того или иного участка, необходимо рассматривать все эти сведения в совокупности. Большой объем часто разнородных, часто неполных данных, нужно сначала обработать, а затем еще и дополнить наиболее актуальной информацией, например, данными со спутников, объясняет Паршин: при этом крайне важно перейти от геофизических исследований к вероятностным моделям распределения физических параметров в геологической среде. «К примеру, мы запустили дрон, который оснащен системой для измерения магнитного поля или фиксации электромагнитных импульсов, — рассказывает Паршин. — В классическом варианте на основе этих данных строятся карты распределения отдельных параметров, затем на этих картах отмечаются аномалии. Современные подходы к интерпретации данных позволяют перейти от карт полей к вероятностным 3D-моделям распределения физических свойств в горных породах как на поверхности, так и в глубине земли».

Метод прогнозирования на основе комплексных геоданных называется Mineral Prospectivity Mapping (MPM), его применение позволяет с довольно высокой точностью определить, где может находиться месторождение, и где его точно не может быть. Важной составляющей этого метода является машинное обучение. «Мы собираем региональные базы данных известных объектов, — говорит Паршин. — Обучаем алгоритмы на одной половине выборки, смотрим, как воспроизвелась вторая половина. В итоге мы получаем карту вероятностной ресурсной перспективности, сравниваем ее с картой нераспределенного фонда недр, смотрим, какие из перпективных участков еще не изучены». Однако компьютерные прогнозы несут скорее вспомогательную функцию, потому что всегда нужно учитывать разные дополнительные признаки, которые лежат в экспертной области, подчеркивает Паршин, и в любом случае базируются не только на математическом, но и на экспертном подходе. Методы MPM применяются как на региональном (выбор новых участков для проведения поисковых работ на основе архивных и дистанционных данных), так и на локальном (определение наиболее перспективных мест на конкретном лицензионном участке) уровне.

Современные подходы к интерпретации данных позволяют перейти от карт полей к вероятностным 3D-моделям распределения физических свойств в горных породах как на поверхности, так и в глубине земли

При поддержке программы Минобрнгауки России «Приоритет 2030» и Российского научного фонда ученые рассчитывают к 2024 году завершить работу над системой, которая будет строить вероятностные 3Д-модели геологической среды не на основе данных каждого геофизического метода по отдельности, а на основе всех имеющихся данных в совокупности. Так эффективность решения обратных задач существенно повышается, говорит Паршин. По направлению 3Д-инверсии комплексных разнородных данных коллектив ИРНИТУ работают совместно с учеными НГТУ НЭТИ. «Мы уже давно сотрудничаем по вопросам обработки больших данных, — рассказывает Паршин. — Коллеги обладают выдающимися компетенциями в области математической геофзики, у нас же хорошо развиты геология, геоинформатика и сенсорика». Кроме того, ученые продолжат развивать такие инновационные методы, как нетрадиционная разведочная геохимия, невзрывная сейсморазведка, solid-state лазерное сканирование поверхности Земли, а также экологичное мобильное бурение. По задачам машиностроения, программирования и радиоэлектроники коллектив i. GeoDesign сотрудничает с другим консорциумом, образованным ИРНИТУ и поддержанным программой «Приоритет 2030» — Digital Industrial Technoloigies (i. DIT).

Упор на цифровые компетенции

Проект i. DIT направлен на решение задач связанных с устаревшим технологическим укладом, невысокой производительность труда и недостаточной цифровизацией в различных отраслях промышленности, рассказывает заместитель директора Научно-исследовательского и проектного института авиамашиностроительных технологий, куратор i. DIT, к.т.н. Александр Малащенко. В рамках проекта будут разрабатываться передовые технологические решения, выполнять подготовка высококвалифицированных кадров, способных разрабатывать и внедрять в производство инженерные решения мирового уровня, рассказывает Малащенко: к примеру, разработка технологий для производства изделий из композиционных материалов, гибридных аддитивных технологий и методов цифровизации технологических процессов. При проектировании будут использоваться методы искусственного интеллекта, BIM технологий, нейронных сетей, интернет-вещей, Big-data, AR/VR, а вовлечение в проекты цифровой трансформации станет обязательным требованием при подготовке нового поколения специалистов.

Ученые продолжат развивать такие инновационные методы, как нетрадиционная разведочная геохимия, невзрывная сейсморазведка, solid-state лазерное сканирование поверхности Земли, а также экологичное мобильное бурение

Проект предусматривает выстраивание принципиально новой системы подготовки научных кадров, начиная со студенческой скамьи, объясняет Малащенко: участие студентов в реальных проектах обеспечит увеличение количества исполнителей и позволит нарастить объем НИОКР. Через проекты у студентов будут ускоренно формироваться исследовательские и инженерные компетенции, а компании партнеры смогут оценивать качество подготовки специалистов, уверен Малащенко. Кроме того, организаторы объединения рассчитывают, что консорциум i. DIT поможет университету увеличить объем НИОКР более чем в 3 раза к 2024 году и занять лидирующие позиции по ряду технологических направлений в авиастроении, машиностроении, строительстве и энергетике.

В коллаборации с проектом i. GeoDesign ученые продолжат совместную работу над беспилотными летательными аппаратами для геологоразведки из композиционных материалов, а также разработкой и изготовлением машин и оборудования специального назначения, говорит Малащенко. Важной составляющей проекта является тесное сотрудничество с промышленными предприятиями и другими научными организациями:

Московским авиационным институтом, Национальным исследовательским Томским политехническим университетом, Восточно-Сибирским государственным университетом технологий и управления, а также Воронежским государственным техническим университетом. По словам Малащенко, консорциум как формат взаимодействия позволяет задействовать в проектах компетенции каждого из участников и, благодаря этому, достигнуть лучших показателей как по разработкам, так и по подготовке кадров.

Формирование нового поколения научных руководителей, способных выступать полноправными партнерами главных инженеров ведущих высокотехнологичных компаний, формировать междисциплинарные команды и разрабатывать конкурентоспособные на мировом уровне технологические решения, — один из приоритетов проекта Digital Industrial Technologies.