大數(shù)據(jù)時代煤炭資源勘探中信息化工作的幾點思考

李青元， 張明輝， 程愛國， 劉 潔， 張 楠， 陳美英

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國測繪科學研究院 地球觀測與時空信息科學國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830；3.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

近年來，煤炭在我國一次能源中的比例有所下降，煤炭資源勘探也在經(jīng)歷了煤炭工業(yè)“黃金十年”的發(fā)展高峰期后進入了調(diào)整期。但在可以預見的二、三十年內(nèi)，煤炭仍將是我國一次能源的主力。鑒于我國可供建井的儲量并不充足，煤炭資源勘探在很長的一段時間內(nèi)仍然是不可或缺的[1-3]。煤炭資源勘查由過去的粗放型模式向著勘查精細化[4-6]、綜合化[7-8]、綠色化[9-11]、信息多維化的方向轉(zhuǎn)變將是大勢所趨。從上世紀七十年代開始，信息化就一直伴隨著煤炭資源勘探事業(yè)的起伏而起伏。從早期的數(shù)學地質(zhì)方法引入、PC1500可編程袖珍計算機應用、地震勘探與資料處理系統(tǒng)引進，字處理軟件引入地質(zhì)報告編寫，用Dbase/Excel管理各種屬性數(shù)據(jù)表，用AutoCAD制作柱狀圖、剖面圖、平面圖，到高精度三維地震、各種電法方法的大面積應用。這些靜悄悄的變化在無形中提升著煤炭資源勘探行業(yè)的野外勘探精度與報告編制效率。近年來，三維地質(zhì)建模技術(shù)開始沖擊傳統(tǒng)的煤田勘探行業(yè)二維圖件系統(tǒng)，而今又進入了大數(shù)據(jù)、人工智能時代[12-14]。大數(shù)據(jù)時代對煤炭資源勘探以及煤炭資源勘探中的信息化工作提出了新的要求。這是煤炭資源勘查行業(yè)的信息化工作者都在思考的問題。煤炭資源勘查要圍繞保障煤炭的綠色開發(fā)，圍繞煤田勘探的精細化、綜合化、綠色化的戰(zhàn)略定位。針對上述問題筆者提出一些不夠成熟的思考，希望起到拋磚引玉的作用。

1 信息化應該覆蓋煤炭資源勘探的從始到終的全過程

信息化工作必定是伴隨著煤炭資源勘探項目的全過程。每一個項目從項目的醞釀、編制方案、申請、立項、野外施工、資料采集、繪制圖件、編制報告、驗收、存檔。這當中的每一個環(huán)節(jié)都涉及到信息化，只不過不同階段其工作的重點有所不同。煤炭資源勘探的最終成果——地質(zhì)報告，就是一個信息化產(chǎn)品。地質(zhì)報告的信息化價值還應向后延伸，顧及到將來煤礦規(guī)劃、設(shè)計部門的使用。報告成果的三維地質(zhì)模型最好能直接進入煤礦設(shè)計院的設(shè)計系統(tǒng)，避免二次數(shù)字化、三維建模帶來的工作量和精度上、信息上的損失。標準的、地質(zhì)模型三維可視的數(shù)字化地質(zhì)報告的使用價值一定是大于傳統(tǒng)的二維圖件(即使其二維圖件已是數(shù)字化)為主要載體所表達的地質(zhì)報告的使用價值。

2 云平臺建設(shè)將成為煤炭地質(zhì)勘查企業(yè)信息化的主流

傳統(tǒng)的企業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu)由于其平均資源利用率及能耗低下，新業(yè)務上線測試周期長、效率低下等原因，已經(jīng)不能適應企業(yè)信息化的需求，煤炭地質(zhì)勘查行業(yè)也不例外?；谠朴嬎慊A(chǔ)架構(gòu)的云平臺架構(gòu)將成為煤炭地質(zhì)勘查行業(yè)企業(yè)信息化的主要抓手。通過將企業(yè)所屬的存儲服務器、網(wǎng)絡服務器、臺式機、筆記本、打印設(shè)備等存儲、計算資源通過IaaS虛擬化，轉(zhuǎn)換成為云架構(gòu)下資源池中的可共用資源，從而提高企業(yè)資源的利用率與整體效率。傳統(tǒng)的軟件資源通過基于Docker容器技術(shù)的新型PaaS架構(gòu)轉(zhuǎn)化成云應用，最后以SaaS的方式 提供給用戶使用。但是并不是所有的傳統(tǒng)軟件都能通過這種方式轉(zhuǎn)換升級。哪些傳統(tǒng)軟件能通過這種方式升級？哪些不能直接升級而需要改造，甚至需要重新開發(fā)？另外，在云平臺上開發(fā)應用軟件與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法有什么不同？這是云平臺時代需要企業(yè)信息化技術(shù)主管與決策者需要仔細調(diào)研的課題。云平臺的基礎(chǔ)架構(gòu)只要經(jīng)費到位一般來說就能實現(xiàn)，難的是在云平臺上開發(fā)適合于煤炭地質(zhì)勘查業(yè)務的應用系統(tǒng)，而這方面目前成功的案例尚不多。

3 三維地質(zhì)模型是大地質(zhì)數(shù)據(jù)信息集成的空間框架

3.1 地質(zhì)圖件的制作環(huán)境將由二維轉(zhuǎn)向三維

地質(zhì)模型的空間幾何形態(tài)本來就是三維的。用二維的底板等高線圖、垂直剖面圖來表達三維的地質(zhì)模型是在信息技術(shù)不發(fā)達的條件下不得已的退而求其次的方法。二維的平面地質(zhì)圖、垂直剖面圖是對三維地質(zhì)模型的降維表達，底板等高線圖是對三維地質(zhì)曲面的2.5維表達。隨著計算機三維幾何造型與交互式編輯技術(shù)的成熟，地質(zhì)報告編制過程中地質(zhì)圖件的制作環(huán)境必將由二維轉(zhuǎn)為三維。三維地質(zhì)建模軟件所提供的真三維的作圖環(huán)境將使得地質(zhì)制圖工程師的空間想象與三維推理受到已有資料、數(shù)學幾何法則的支撐。三維地質(zhì)模型制作好以后，二維垂直剖面圖的制作將不再像以前那樣費工、費時，只需要指定剖面的起始與結(jié)束位置，眨眼之間就可制作完畢，而且所制作的剖面圖與底板等高線圖等平面圖在幾何形態(tài)都能很好的相容。字處理軟件和二維作圖軟件引入地質(zhì)報告編制曾經(jīng)使得地質(zhì)報告的編制效率得到了很大的提高。而地質(zhì)圖件制作由二維升到三維，將引發(fā)地質(zhì)工程師對三維地質(zhì)模型空間形態(tài)編輯、斷層切割關(guān)系、構(gòu)造演化過程的理解等一系列問題的深刻變革。在三維地質(zhì)模型時代，平面圖與剖面圖仍然十分重要，不僅是因為平面圖與剖面圖是對三維模型的降維表達。更重要的是對三維模型進行編輯修改時，仍然是在平面圖與剖面圖上最為方便。由于有后臺三維模型的支撐，在平面圖或剖面圖上的編輯將能夠做到平剖面三維聯(lián)動編輯[15]，即修改了平面圖，剖面圖會自動更新；修改了剖面圖，平面圖也會自動更新。

3.2 三維地質(zhì)建模軟件將能適應較為復雜的煤層與構(gòu)造

目前的三維地質(zhì)建模軟件在處理煤層的分叉、尖滅以及逆斷層方面的能力與方式令現(xiàn)場地質(zhì)作圖工程師非常不滿意?；旧虾茈y完成煤層分叉尖滅、逆斷層切割等較為復雜的形態(tài)建模。三維地質(zhì)建模軟件正在穩(wěn)步成熟。隨著計算機硬件能力的穩(wěn)步提升以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、深度學習、定向迭代等人工智能方法的引入，三維地質(zhì)建模的半自動化、自動化水平正在穩(wěn)步提升，在可以預見的3～5年內(nèi)，將能較為容易地處理煤層分叉、尖滅、以及逆斷層切割、地層倒轉(zhuǎn)等這些以前很難處理的較為復雜的煤層與構(gòu)造形態(tài)。地質(zhì)工程師使用三維地質(zhì)建模軟件將不會像以前那樣繁瑣與低效。

3.3 三維地質(zhì)建模將由以往的主要關(guān)注形態(tài)轉(zhuǎn)向形態(tài)與屬性并重

三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)由早期的主要關(guān)注形態(tài)建模方式向形態(tài)與屬性并重的方向發(fā)展，使得在精確地表達地層界面、地層體、分叉尖滅、斷層切割等構(gòu)造形態(tài)的同時，還能表達界面上、小層內(nèi)、大層內(nèi)的屬性非均勻變化情況。表達煤層、煤系地層、頁巖氣層等層狀礦床順層方向與穿層方向的屬性變化情況。為實現(xiàn)很多以前地質(zhì)工程師們想做而無法做的研究想法與創(chuàng)意提供了可能。

3.4 以圖形表達的三維模型與以表格(數(shù)據(jù)庫)表達的屬性數(shù)據(jù)結(jié)合將更加緊密

以圖形形式表達的三維模型將與以表格(數(shù)據(jù)庫)表達的屬性數(shù)據(jù)結(jié)合更加緊密。在地質(zhì)報告中，圖形與表格是表達地質(zhì)要素的空間形態(tài)與屬性特征的兩種常用的形式。其實，圖形、表格與文字在計算機世界里都是“數(shù)據(jù)”。數(shù)據(jù)庫是以一種結(jié)構(gòu)化的方式存儲的數(shù)據(jù)。從其存儲數(shù)據(jù)的類型的角度可分為圖形數(shù)據(jù)庫(也稱空間數(shù)據(jù)庫)與屬性數(shù)據(jù)庫。圖形數(shù)據(jù)庫存儲要素的空間幾何形態(tài)的數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫以“表格”的形式存儲要素的屬性特征值。

圖形數(shù)據(jù)(也稱空間數(shù)據(jù))的存儲方式有矢量與柵格兩種方式。矢量方式是以抽象的點、線、面、體的集合表達的要素世界。這里的點、線、面、體，是指點狀要素、曲線要素、曲面要素和不規(guī)則多面體要素。點、線、面、體的劃分是與要表達的層次細節(jié)有關(guān)，即與所謂的“尺度”或“比例尺”有關(guān)。點狀要素并不是這個對象就是一個點，而是說在對象表達的這個層次上可以將其抽象為一個點。例如北京這個城市在全國行政區(qū)劃圖上可以將其抽象為一個點要素，在比例尺更大一點的行政區(qū)劃圖上又可以將其抽象為一個多邊形(即面要素)。其實北京這個“點狀要素”或“面狀要素”里包含了無限可細分的許多的層次細節(jié)，就看用戶希望抽象到哪一級。

4 多源信息集成、整合與同化仍然是煤炭資源勘探信息化中的重點與難點

地質(zhì)大數(shù)據(jù)的三個最顯著的特點是(1)空間上的定位性，即采集數(shù)據(jù)的空間位置(進而可確定其地層層位位置)；(2)橫向上具有專業(yè)分類性，即不同專業(yè)數(shù)據(jù)應分門別類存放；(3)縱向上具有層級性，不同分辨率的數(shù)據(jù)代表了不同的抽象、綜合層次。

地質(zhì)大數(shù)據(jù)具有復雜的數(shù)據(jù)構(gòu)成，這是由研究對象的復雜性決定的。因此，對于地質(zhì)實體與現(xiàn)象的描述總是由部分抽樣數(shù)據(jù)或不同專業(yè)數(shù)據(jù)來表征，這就決定了地質(zhì)數(shù)據(jù)類型的多樣性[12-14]。數(shù)據(jù)不整合就發(fā)揮不出大數(shù)據(jù)的大價值[16]。

多源信息的集成、整合與同化仍然是煤炭資源勘探信息化中的重點與難點。煤炭資源勘探數(shù)據(jù)是典型的多源、異構(gòu)大數(shù)據(jù)，諸如：不同分辨率的地表遙感影像、野外拍攝的照片、手繪的路線剖面圖、野外采集的巖石標本、古生物標本、鉆井過程中的錄井測井數(shù)據(jù)、巖芯照片、薄片顯微圖像、分析化驗數(shù)據(jù)等。這些原始數(shù)據(jù)以及通過處理所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)與最終成果都是TB甚至PB量級的，用常規(guī)的方法難以同時調(diào)入進行顯示，即便能夠能夠同時調(diào)入，顯示出來也是混沌一片、雜亂無章的。因此對這些海量的多源、多尺度、多分辨率、多類型的地質(zhì)大數(shù)據(jù)，進行有效地分類，使之相互關(guān)聯(lián)，既能獨立地處理與調(diào)度，又能相互調(diào)用、相互印證，從而構(gòu)成一個高效組織、有機關(guān)聯(lián)的信息網(wǎng)絡，是煤炭資源勘探信息化中的重點與難點。三維地質(zhì)模型可以為地質(zhì)大數(shù)據(jù)的信息集成、整合與同化提供基本的空間框架。

首先是物探數(shù)據(jù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)的結(jié)合。遙感影像、野外地質(zhì)觀察、鉆探、物探(重、磁、電、震、測/錄井)，每一種勘探手段都具有其他手段無法取代的優(yōu)勢。在統(tǒng)一的平臺與坐標框架下，對這些勘探手段獲得的不同類型的數(shù)據(jù)進行集成，能夠相互約束、相互印證，取長補短。

這些不同來源、不同類型、不同分辨率的勘探數(shù)據(jù)能夠集成、同化的數(shù)學基礎(chǔ)就是共同的空間坐標參照。相同的坐標框架，只是多源數(shù)據(jù)信息集成的基礎(chǔ)，還需要將低分辨率的數(shù)據(jù)合理細化，將高分辨率的數(shù)據(jù)粗化，以及根據(jù)參數(shù)間的相關(guān)性，由已知的某幾種參數(shù)推算出與其相關(guān)的參數(shù)等一系列的技術(shù)方法。煤炭、油氣勘探中兩類主要數(shù)據(jù)(地球物理中地震和測井數(shù)據(jù)與地質(zhì)實驗分析數(shù)據(jù))存在分辨率和尺度上的矛盾，即所有高分辨率數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，而連續(xù)的數(shù)據(jù)的分辨率都是有限的。解決勘探面臨的數(shù)據(jù)分析問題，關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)低分辨率數(shù)據(jù)細化(Downscaling)到目標勘探層，高分辨率數(shù)據(jù)粗化(Upscaling)到地質(zhì)體中[17]。

5 煤炭資源勘探中幾種應開發(fā)的專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)在上世紀八、九十年代就曾風靡，但由于當時的軟件水平的限制，大多數(shù)的專家系統(tǒng)遠達不到“專家”的水平，而且總體表現(xiàn)欠佳，基本未達到實用水平，因此逐漸被人們所淡忘。近年來，由于各種人工智能算法的成熟，尤其是在圍棋領(lǐng)域“阿爾法狗”戰(zhàn)勝世界冠軍后，人們對于人工智能、專家系統(tǒng)的熱情再一次被點燃。正如馬云所說，人工智能專家們不應都一窩蜂地去研究“阿爾法狗”，而應將“阿爾法狗”所表現(xiàn)出來的人工智能的能力應用到各行各業(yè)中幫助人們解決實際問題。在三維地質(zhì)建模、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)的支持下，煤田地質(zhì)勘探很多領(lǐng)域的工作效率將獲得極大地提高。下面是筆者認為可以借助人工智能構(gòu)建的煤田地質(zhì)領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)。

5.1 煤巖層對比專家系統(tǒng)

煤巖層對比是煤田勘探的基礎(chǔ)工作，煤巖層對比出現(xiàn)錯誤，那后續(xù)的構(gòu)造形態(tài)分析、儲量計算都不會正確。基于三維地質(zhì)建模平臺的煤巖層對比專家系統(tǒng)可以給地質(zhì)工程師提供根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)在縱、橫剖面上拉線進行地層連接方案對比的工具。對于多層難以人工確定對比方案時，專家系統(tǒng)可以用神經(jīng)元網(wǎng)絡、遺傳算法等人工智能方法計算不同對比方案的全局符合率，遴選最優(yōu)的對比方案。

5.2 構(gòu)造分析專家系統(tǒng)

構(gòu)造分析與評價是煤炭地質(zhì)勘探的重要內(nèi)容?；谌S地質(zhì)建模平臺，開發(fā)幫助煤田構(gòu)造研究者進行定量構(gòu)造分析與評價的專家系統(tǒng)，對勘探區(qū)的構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造樣式、構(gòu)造演化史進行重建，是三維地質(zhì)建模深入煤田地質(zhì)構(gòu)造分析的一個切入點。

5.3 沉積環(huán)境分析專家系統(tǒng)

沉積環(huán)境分析是在煤巖層對比的基礎(chǔ)上，對含煤盆地的沉積演化歷史，以及煤系、煤層的形成環(huán)境進行分析?？梢愿鶕?jù)野外采樣、鉆井巖樣、顯微薄片分析結(jié)果、測錄井曲線、地震剖面等多源數(shù)據(jù)所提供的信息，進行綜合分析，構(gòu)建古沉積環(huán)境，重建古陸源、古海灣、古河道、古三角洲等古代沉積與成煤環(huán)境。

5.4 開采條件評價專家系統(tǒng)

現(xiàn)在煤與煤層氣、黏土礦、煤系礦床的綜合勘探與開發(fā)，是煤炭資源勘探的重要研究課題[18-20]。煤炭資源勘查的最終目的是要進行開采。利用開采條件評價專家系統(tǒng)對煤層、構(gòu)造、水文、圍巖條件等多種因素進行綜合評價，為煤炭資源的規(guī)劃、設(shè)計、開采提供更加科學合理的依據(jù)。

以上這幾個專家系統(tǒng)可以集成到一個系統(tǒng)中。

6 標準化是煤炭資源勘探中信息化達到目標的重要保障

國內(nèi)煤炭地質(zhì)勘查行業(yè)形成了以(DZ/T 0215-2002)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》為核心，專業(yè)地質(zhì)勘查標準為配套的煤炭地質(zhì)勘查標準體系[21]，有效地指導和規(guī)范了煤炭地質(zhì)工作，保障了勘查工程和成果的質(zhì)量。技術(shù)是在不斷地進步，因此標準工作也需要不斷地跟進。

6.1 煤炭地質(zhì)勘探三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換標準

筆者認為三維地質(zhì)建模是反映目前地質(zhì)勘探領(lǐng)域信息技術(shù)進步的重要成果之一。在實際工作中，找煤階段的成果會被勘探階段繼承使用，勘探階段的成果會被煤礦設(shè)計院繼承使用，煤礦設(shè)計院的設(shè)計成果會被建井部門和最后的煤礦生產(chǎn)部門繼承使用。三維地質(zhì)模型的標準化有助于勘探成果的繼承、傳遞，避免重新數(shù)字化、重新建模帶來的社會資源的浪費和模型精度的降低。2015年12月中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標準(Geo3DML)[22]。該標準是由中國地質(zhì)調(diào)查局下達任務，由中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心牽頭，中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所、中國礦業(yè)大學(北京)、中國地質(zhì)大學(武漢)、北京大學、北京航空航天大學、中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所等7家單位參加，歷時5年研制而成。這幾家研制單位以及中國測繪科學研究院、北京三地曼公司等單位參與了標準的試用。參試單位都可以將自己軟件所建的三維地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換成Geo3DML，并能將其他幾家軟件所建三維地質(zhì)模型通過Geo3DML導入到各自的軟件中進行正常顯示。

Geo3DML標準的背后有一個很強大的團隊在提供技術(shù)支持。針對煤炭地質(zhì)勘探行業(yè)，可以在Geo3DML的基礎(chǔ)上補充相應的規(guī)定，形成適用于煤炭地質(zhì)勘探特色的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標準。

6.2 煤炭地質(zhì)勘探三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)集成標準

多源、多類型、多分辨率數(shù)據(jù)集成、同化的方法與標準是一個值得研究的課題。這里面既有技術(shù)、方法問題，同時也有工作流程、步驟、設(shè)置的標準化問題。一個好的解決方案只有形成一定的標準后才可能大規(guī)模推廣使用。而建模的的順序、流程與操作方法往往是由軟件所確定的，例如GoCAD、Petrol、Surpac、DeepInsight、MapGIS、3DMine、Dimine等軟件都有自己的建模流程。煤炭地質(zhì)勘探領(lǐng)域要建立自己的數(shù)據(jù)集成標準，可能需要選擇2～3家軟件開發(fā)廠商進行定制開發(fā)，然后在應用中優(yōu)勝劣汰。

7 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代，煤炭地質(zhì)勘探信息化的核心技術(shù)仍然是三維地質(zhì)建模技術(shù)。

三維地質(zhì)模型如果只是用來看一看，旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，切割切割，那就意義不大，可有可無。三維地質(zhì)模型只有與煤田地質(zhì)勘探的業(yè)務深度結(jié)合，并且構(gòu)建于云平臺的架構(gòu)之上才有生命力。煤田地質(zhì)勘探領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模才剛剛展露出一點曙光。軟件研發(fā)的道路還很漫長，可增長的空間還很大，還有很多技術(shù)難題等待研發(fā)人員去攻克。煤炭地質(zhì)勘探行業(yè)的三維地質(zhì)建模技術(shù)需要研發(fā)經(jīng)費的支持才能走向成熟。這是一個值得煤炭地質(zhì)勘探行業(yè)的決策者們進行投入的方向，也是引領(lǐng)煤炭地質(zhì)勘探技術(shù)水平上臺階的關(guān)鍵技術(shù)之一。