книги из ГПНТБ / Цифровая обработка сейсмических данных

цифровой 1 магнитной ленты — и магнитной лентой ЭВМ. МОЗУ ЭВМ автономное вводное устройство не использует.

Автономное устройство вывода помимо тех блоков, которые име­ ются у неавтономного, должно иметь также собственное устройство управления и собственный магнитофон, позволяющий считывать результаты обработки с магнитной ленты ЭВМ, а также собственную промежуточную (буферную) память.

За рубежом, как правило, машины высокого класса используются для сейсморазведки в сочетании с малой ЭВМ, играющей роль авто­ номного внешнего устройства по отношению к основной ЭВМ. К малой ЭВМ обычно подключают неавтономные вводное и выводное устрой­ ства, которые по отношению к основной ЭВМ превращаются таким образом в автономные.

М А Т Е М А Т И Ч Е С К О Е О Б Е С П Е Ч Е Н И Е

Под математическим обеспечением ЭВМ понимается прежде всего совокупность программ, обеспечивающих функционирование ЭВМ в совокупности со всеми периферийными устройствами, решение основных задач вычислительной математики (вычисление значений элементарных функций, решение систем уравнений, преобразование из одной системы счисления в другую и т. п.), а также программ, обеспечивающих автоматизацию программирования и организацию процесса вычислений в самой ЭВМ с периферийными устройствами. Кроме того, к математическому обеспечению относят все программы и системы (комплексы) программ, разработанные для решения тех или иных конкретных задач в той или иной области применения данной ЭВМ. К этим программам относятся и программы для об­ работки данных сейсморазведки.

Таким образом, в составе математического обеспечения ЭВМ можно выделить следующие основные компоненты (рис. 112).

I . Операционная вычислительная система, выполняющая слу­ жебные функции по организации эффективной работы всех устройств ЭВМ.

I I . Библиотека, включающая программы, работающие под упра­ влением операционной системы: а) трансляторы, осуществляющие перевод программ, написанных на универсальных языках (АЛГОЛ, ФОРТРАН и др.) и автокодах, на машинный код; б) специализиро­ ванные системы, например, по обработке сейсмической, экономиче­ ской и других информации.

I I I . Системы, работающие автономно, без общей операционной системы. В свою очередь основные библиотечные программы и авто­ номные системы имеют собственные управляющие программы и свои

280

Математическое обеспечение V- Автономные системы

Операционная вычислительная система

Специализированные

системы

j Сейсмичесиая

Обрабатывающие

программы

7~Г

CORTMN

Другие

Р и с . 112. Общее математическое обеспечение о б р а б о т к и д а н н ы х на Э В М .

библиотеки. Так, трансляторы имеют набор стандартных программ элементарных функций; система по обработке сейсмической инфор­ мации — программы по реализации тех или иных процедур обра­ ботки.

Операционная вычислительная система. Эта система предста­ вляет собой набор большого количества программ, с помощью ко­ торых осуществляются следующие основные функции:

1) управление вычислительным процессом в соответствии с ин­ формацией, вводимой с помощью управляющих карт, или приказов

стандартных ошибок либо остановкой программы, если встретилась непоправимая ошибка; выдача сообщения — диагностики о ходе решения задач и выявленных ошибках;

6) защита памяти от разрушения системных программ другими программами и др.

Оговоримся. сразу, что не все функции операционной системы при обработке сейсмической информации являются обязательными. Например, прерывание программ может оказаться излишним. «Пау­ зы», образующиеся при процедурах ввода — вывода, используются центральным процессором на обработку следующей порции инфор­ мации, но при условии, если в обрабатывающих программах запро­ граммирована такая возможность.

261

Каждую из перечисленных функции выполняет та или иная про­ грамма управляющей системы. Кратко рассмотрим некоторые из них.

У п р а в л е н и е путем ввода управляющих карт или прика­ зов оператора производится с помощью центральной программы системы, называемой диспетчером или монитором. Функции такой программы весьма разнообразны. Она находит и вводит рабочие про­ граммы с библиотечных лент, настраивая их на тот или иной режим работы, подготавливая и подключая периферийные устройства, сле­ дит за прохождением задачи по программе, обрабатывая запросы, полученные в машине, следит за временем выполнения программы, осуществляет координацию и др. Эта программа связана тесно с ра­ ботой других программ системы: прерывания, загрузки, контроля, программами ввода — вывода. Весь или значительная часть диспет­ чера постоянно находится в оперативной памяти машины (так назы­ ваемый режим резидента).

Р е ж и м п р е р ы в а н и я увеличивает коэффициент исполь­ зования оборудования, снижая стоимость решения, но не уменьшает время решения каждой отдельной задачи. Современная машина представляет собой вычислительную систему, состоящую из боль­ шого числа устройств, часть которых способна функционировать самостоятельно и независимо от остальных, выполняя разные про­ граммы и отдельные команды. При выполнении некоторой программы каждое из автономных устройств в определенный момент включается в работу, выполняет свойственное ему действие и освобождается по­ сле выполнения. Основные устройства в это время простаивают.Такой режим работы приводит к неэффективному использованию дорого­ стоящего оборудования. Например, считается, что вычислитель простаивает примерно 40% машинного времени из-за вводов и вы­ водов.

Исправляет такое положение принцип параллельного выполне­ ния нескольких программ, при котором отдельные устройства рас­ пределяются между программами. Этот принцип называется мульти­ программированием. Он реализуется с помощью операционной системы, которая наряду с другими процедурами способна осущест­ влять прерывание одной программы и переход к выполнению другой таким образом, чтобы обеспечивалась наибольшая загрузка всех устройств ЭВМ. Решение прерванной задачи продолжается, когда подойдет ее очередь, которая продвигается согласно таблице при­ оритета. Приоритет обслуживания устройства ввода — вывода за­ висит от количества вводимой и выводимой информации и от перво­ очередности задачи. За очередью следят специальные конфликтные программы.

для больших программ (целиком программа находится во внешней памяти). В таком случае программа сегментируется на главную

262

часть и перекрывающие элементы. В оперативной памяти постоянно находится главная часть, которая последовательно вызывает пере­ крывающие (текущий перекрывающий элемент заносится на место

правильно формироваться адреса. Засылка информации по непра­ вильному адресу разрушает элементы программы, хранящиеся в этих адресах. Особенно опасно разрушение программ операционной сис­ темы. Продолжительная и устойчивая работа системы становится возможной, если ее программы будут защищены от этого. Средства защиты (специальные программы и элементы аппаратуры) обеспе­ чивают проверку адресов при каждом исполнении. Обычно системные и приоритетные программы работают в защищенной памяти.

ных лентах, считывающем устройстве и др. Они управляют устрой­ ствами, блокируют и разблокируют их, обеспечивают стандартные форматы, осуществляют контроль правильности ввода — вывода. Для каждого устройства имеются свои программы, например про­

системы, т. е. контроль осуществляется на всех этапах обслуживания и счета. Эти части программ проверяют правильность запроса и воз­ можность его выполнения. При обнаружении ошибок программа контроля печатает сообщение — диагностику. Она может либо сама устранять некоторые стандартные ошибки (например, присвоить свободный логический номер какому-либо устройству и др.), либо сообщить оператору, что ему следует сделать. В случае обнаружения непоправимой ошибки работа по данной программе прекращается, машина печатает для оператора сообщение о причинах остановки и либо ждет вмешательства оператора, либо начинает работу по сле­ дующей программе (режим прерывания). В распоряжении программ контроля имеются обширные таблицы с сообщениями — диагности­ ками, процедуры «стоп», «пауза» и др.

Трансляторы. Обычно программа пишется на входном языке: либо на одном из универсальных, т. е. проблемно-ориентированных (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ), либо на языке типа автокода. Не останавливаясь на описании этих языков, отметим лишь, что наи­ более близким к машинному языку является язык типа автокода. У такого языка на одну команду машинного языка приходится одна команда входного. В случае же универсальных языков оператор входного языка транслируется в несколько машинных команд.

Машина работает только на машинном языке. Программа с вход­ ного языка переводится на машинный с помощью специальных про­ грамм, называемых трансляторами. Обычно трансляция производит­ ся в несколько этапов: например, с универсального языка на авто­ код, а затем в машинный язык.

263

В ходе трансляции автоматически выявляются некоторые простейшие ошибки и опечатки, допущенные программистом, и пе­ чатаются соответствующие диагностики. Обращение к транслятору осуществляется с помощью управляющих команд через диспетчер операционной системы.

Система автоматической обработки сейсмической информации. Комплекс программ, предназначенных для выполнения одного или нескольких различных законченных циклов обработки сейсморазведочных данных, называют еще системой программ автоматической обработки. По отношению ко всему математическому обеспечению ЭВМ такой комплекс может быть либо большой библиотечной про­ граммой, работающей под управлением общей операционной системы ЭВМ, либо автономной, «отдельно стоящей» системой. В обоих слу­ чаях комплекс программ обработки сейсморазведочных данных вклю­ чает библиотеку обрабатывающих программ и собственную управля­ ющую программу (монитор) или систему управляющих программ. У автономных комплексов система управляющих программ должна быть развита гораздо лучше, чем у неавтономных.

Система автоматической обработки сейсморазведочных данных должна отличаться достаточной геофизической и экономической эффективностью, а также обладать высокой степенью автоматизации и стандартизации. Для обеспечения геофизической эффективности системы ее библиотека должна состоять из обрабатывающихпрограмм, реализующих современные эффективные методы обработки сейсмо­ разведочных данных.

Для обеспечения экономической эффективности обработка долж­ на вестись с наименьшими затратами времени и средств. Достаточное быстродействие системы обеспечивается четкой организацией системы, экономными вычислительными алгоритмами обрабатывающих про­ грамм г , наличием развитой системы контроля прохождения про­ грамм и диагностики ошибок. Наибольшее быстродействие системы может быть достигнуто только при полном отказе от использования универсальных проблемно-ориентированных языков и написании всей системы на автокоде. Однако это сильно усложняет и замедляет сам процесс разработки системы. Поэтому допускается написание на универсальных языках наиболее сложных и сравнительно редко употребляемых библиотечных программ. Управляющие программы всегда составляются только на автокоде или непосредственно на машинном языке.

Для обеспечения высокой степени автоматизации, т. е. мини­ мального вмешательства человека в процессе обработки, необходимо, во-первых, чтобы ввод исходных (или частично обработанных) сейсмограмм осуществлялся простой перестановкой кассет на НМЛ ЭВМ; во-вторых, чтобы число вводимых с перфокарт параметров обработки (граничных частот фильтров, закона v (t), значений ста-

1 Н а п р и м е р , п р и м е н е н и е алгоритма Б П Ф д л я р е а л и з а ц и и п р е о б р а з о в а н и й Ф у р ь е .

264

тических поправок и т. п.), было минимальным и во всяком случае,

(как монитор, так и обрабатывающие программы) была способна отыскивать максимальное количество ошибок, допущенных как на стадии подбора параметров, так и на стадии перфорации. Диалог между машиной с одной стороны и интерпретатором и оператором — с другой в этом случае ведется путем машинной диагностики (см. ни­ же) и указаний оператора, набираемых на пульте. Благодаря этому при обнаружении ошибки обработка потока информации не приоста­ навливается, а выбрасывается из обработки лишь тот материал, где была допущена ошибка. В случае неправильного задания параметров обрабатывающая программа должна сама решать вопрос — преры­ вать обработку или переходить на стандартные значения параметров.

Высокая степень стандартизации системы обработки данных заключается в следующем: при ее разработке использовано ограни­ ченное количество унифицированных подпрограмм отдельных часто встречающихся операций; система имеет блочное строение и сдинообразую структуру различных своих звеньев; эксплуатация, об­ новление и пополнение системы реализуется с помощью простых еди­ нообразных процедур и операций.

Самый низкий уровень стандартизации обеспечивается уже самой современной системой программирования и заключается в исполь­ зовании стандартных подпрограмм операционной системы ЭВМ, обеспечивающих вычисление значений элементарных функций (си­ нус, косинус и т. п.), перевод из одной системы счисления в другую и т. д.

Следующим, более высоким уровнем стандартизации является выделение наиболее часто встречающихся элементарных операций обработки сейсморазведочных данных, составление для них макси­ мально быстродействующих подпрограмм и использование этих подпрограмм во всех случаях, когда в том или ином алгоритме встречается данная операция. Наиболее распространенной опера­ цией обработки данных сейсморазведки является операция типа свертки. К ней сводятся все виды пространственной и временной фильтрации, вычисление авто- и взаимнокорреляционных функций, различные виды регулируемого и нерегулируемого суммирования. Поэтому для этой операции стараются не только придумать наиболее компактные и быстродействующие подпрограммы, но и создать спе­ циализированные устройства типа конвольверов, блоков быстрого преобразования Фурье и т. п.

Еще более высоким уровнем стандартизации является унифи­ кация написания и оформления каждой из библиотечных обрабаты­ вающих программ, т. е. использование единообразных приемов об­ ращения к программам, задания исходных данных, приемов диагно­ стики и т. п. Стандартизация эксплуатации системы заключается в отработке ограниченного числа наиболее эффективных графов обработки в соответствии с кругом решаемых задач и диапазоном

265

изменения сейсмогеологических условий, а также в разработке чет­ кой, строго единообразной системы документации всех процедур, связанных с обработкой материалов, начиная с рапорта оператора и кончая оформлением результатов обработки и отчетности. Рассмот­ рим подробнее функции и особенности построения отдельных эле­ ментов системы автоматической обработки сейсморазведочных дан­ ных.

Управляющая программа (монитор). Эта программа, с помощью которой выполняются управляющие, организационные функции по автоматической обработке информации. Монитором решаются сле­ дующие основные задачи.

1. Компиляция обрабатывающих программ в порядке заданного графа обработки. После того как с перфокарты прочитано условное наименование очередной обрабатывающей программы, одна из про­ грамм монитора — компилятор осуществляет вызов и подключение к работе этой обрабатывающей программы, а к ней и различных слу­ жебных подпрограмм. При этом используется интерпретирующий язык, с помощью которого монитор опознает программы, устанавли­ вается связь монитора с библиотекой и таблицами данных, обеспе­ чиваются внутренние взаимосвязи. Условные адреса команд заме­ няются на действительные.

2. Организация данных — это одна из основных и наиболее сложная функция монитора. Программы, осуществляющие эту функцию, организуют сейсмограммы, а также таблицы других ис­ ходных данных и параметров обработки, размещая их на различные запоминающие устройства и по мере необходимости осуществляют доставку их в обрабатывающие программы. При этом следует четко подразделить эти данные и параметры (рис. 113) на следующие классы:

а) данные и параметры, относящиеся ко всему профилю (шаг квантования, расстояние Ах между каналами, количество каналов в расстановке, количество обрабатываемых сейсмограмм, времена обнуления начальных участков трасс, время начала и конца обра-

Р и с . 113. В и д ы и с х о д н о й и н ф о р м а ц и и .

266

ботки, данные о скоростях или таблицы кинематических поправок

и др.); б) параметры и данные, присущие определенной сейсмограмме

(различные редакционные признаки — флаги, т. е. наличие брако­ ванного канала или канала с обратной полярностью, таблицы стати­ ческих поправок, а также отклонения от параметров, относящихся ко всему профилю);

в) параметры, относящиеся к обрабатывающей программе (на­ пример, длина окна при выравнивании, граничные частоты фильтров и др.).

Для работы с различными классами параметров и данных соз­ даются свои служебные программы. Например, для работы с сейсмо­ граммами разрабатываются программы считывания и записи с маг­ нитных лент, барабанов и дисков.

3.Ввод — вывод информации на различные стандартные запо­ минающие устройства осуществляются программами общей опера­ ционной системы, которые для автономных сейсмических комплексов вводятся в их состав. Однако специальная сейсмическая обработка требует применения нестандартных периферийных устройств, таких как устройства для ввода и вывода сейсмограмм, конвольверы, плот­ теры. Поэтому в распоряжении монитора должны быть специальные программы, которые производят необходимые преобразования фор­ матов записи сейсмограмм и других данных, а также для контроля качества ввода — вывода информации.

4.Контрольные функции, осуществляемые системой, имеют ог­ ромное значение при поточной обработке цифрового материала. Контрольные функции монитора и обрабатывающих программ раз­ личны. Монитор контролирует, главным образом, правильность

которая вызывает прекращение обработки, или информативная, которая не вызывает прекращения работы программы, но указывает

Например, зафиксирован сбой при считывании сейсмограммы с маг­ нитной ленты в оперативную память.

На АЦПУ выдается сообщение: ВВОД ОБНАРУЖЕН СБОЙ ПРИ СЧИТЫВАНИИ С МАГНИТНОЙ Л Е Н Т Ы ПУНКТ ВЗРЫВА 4, ТРАССА 12.

5. Формирование библиотеки — это одна из функций монитора автономных и некоторых неавтономных систем. Включение (исклю­ чение) обрабатывающих программ в библиотеку системы осущест­ вляется самостоятельным блоком монитора либо самостоятельной программой, называемой «Библиотека». Она подключает к библио­ теке новые программы, стирает ненужные старые, модифицирует программы, формирует таблицы-каталоги библиотечных программ,

267

где фиксируются по каждой программе ее название, начальный адрес, точка входа, номер блока на барабанах или дисках, длина. Библио­ тека формирует также комплект изображений эталонных управля­ ющих цифрокарт, в которых наряду с названием программы указы­ ваются предельные параметры для каждой из них. Например, для программы, корректирующей обратной фильтрации (деконволюции), можно представить следующую эталонную карту: ДЕКОНВОЛЮ-

осуществляется с помощью управляющих команд, которые задаются геофизиком в соответствии с выбранным графом. Параметры и другие данные обрабатывающих программ обязательно следуют за назва­ нием программы. Интерпретироваться они могут только монитором

исамой обрабатывающей программой. Работа осуществляется в по­ рядке расположения управляющих перфокарт. При этом монитор компилирует программу одну за другой, создает для них необходи­ мые таблицы, подключает необходимые вспомогательные программы

изатем передает управление самой обрабатывающей программе, которая ведет обработку.

Библиотека обрабатывающих программ. Задачей каждой обра­ батывающей программы является реализация какого-то определен­ ного процесса обработки. О том, какие процессы должны быть реали­ зованы при цифровой обработке сейсмической информации, гово­ рилось в гл. 3—6. Здесь мы коротко остановимся на вопросах организации библиотеки.

Каждая из обрабатывающих программ использует целый ряд подпрограмм. Например, программа обратной фильтрации может использовать подпрограммы автокорреляции, обращения матрицы и др. В свою очередь каждая из этих подпрограмм использует целый ряд других стандартных или нестандартных подпрограмм — свертки, интерполяции, поиска экстремума функции и т. п. Цепочки подчи­ нения подпрограмм могут быть довольно длинные и разветвленные. Чтобы не запутаться в их сложной и неоднозначной иерархии, усло­ вимся относить к низшему структурному уровню программы и под­ программы, не имеющие определенного геофизического смысла, т. е. не решающие определенную геофизическую задачу, вытекающую из модели сейсмической записи и общих задач ее обработки.

Таким образом, к низшему структурному уровню относят такие подпрограммы, как свертка, быстрое преобразование Фурье, вы­ числение авто- и взаимной корреляции, обращение матриц и т. п.

268

Часть этих программ просто заимствована из библиотеки общего математического обеспечения данной ЭВМ. Однако большинство разработано специально, с учетом тех конкретных требований, кото­ рые предъявляются к соответствующим процедурам при массовой обработке сейсморазведочных данных.

Следующему, более высокому структурному уровню соответ­ ствуют программы, реализующие отдельные геофизические проце­ дуры обработки данных сейсморазведки, вытекающие из особенно­ стей модели сейсмической записи. Такими программами являются, например, программы регулировки амплитуд, расчета кинематиче­

турными элементами библиотеки. Из них составляют этапы и графы обработки (см. ниже); на них «настроены» основные функции упра­ вляющей программы.

Необходимо отметить, что иногда основным структурным эле­ ментом библиотеки становятся программы более высокого уровня — комплексные программы, объединяющие несколько геофизических процедур, например регулировку амплитуд, согласованную фильт­ рацию, подбор трасс по сейсмограммам ОГТ для нескольких участ­ ков профиля, где предполагается выполнить анализ скоростей с целью подбора кинематических поправок, ввод предварительных стати­ ческих поправок, осуществление того или иного варианта регули­ руемого суммирования и вывод результатов анализа в виде графиков

дельных процедур обработки «жестко» соединены между собой. Не требуется никаких «организационных мероприятий» со стороны управляющей программы, чтобы осуществить переход от одной про­ цедуры к другой. В некоторых случаях сами процедуры могут быть совмещены, например фильтрация и регулировка амплитуд.

Использование комплексных программ такого структурного уров­ ня снижает гибкость, но повышает быстродействие системы в целом.

Наконец, элементом высшего структурного уровня является сама система обработки в целом, рассматриваемая как часть общего ма­ тематического обеспечения ЭВМ данного типа и существующая наряду с другими системами массовой обработки данных, в том числе сейсморазведочных (например, системой обработки и интерпретации данных метода РНП).

Выделение перечисленных структурных уровней облегчает и упо­ рядочивает реализацию блочного принципа построения системы, позволяет обеспечить достаточную унификацию оформления от­ дельных блоков-программ и подпрограмм различных уровней, упро­ щает управление системой и ее реализацию. Последовательное при­ менение блочного принципа организации системы приводит к тому, что программы для отдельных геофизических процедур обработки

269