面向測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的本體構(gòu)建方法研究

尚福華 薛誠 曹茂俊

摘要：為提高測(cè)井處理解釋軟件的智能性，如何以一種顯示的、形式化的方式來表示測(cè)井領(lǐng)域知識(shí)是面臨的一個(gè)重要問題。在研究測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上引入本體的概念，將領(lǐng)域本體與測(cè)井處理解釋的具體應(yīng)用需求相結(jié)合提出了一種基于業(yè)務(wù)流程的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體的構(gòu)建，解決了傳統(tǒng)知識(shí)表示方法難以適應(yīng)大規(guī)模信息的處理和表示的問題。該方法使知識(shí)與測(cè)井處理解釋流程緊密關(guān)聯(lián)，更加高效的滿足應(yīng)用需求。以地層評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)流程為例，詳細(xì)介紹了領(lǐng)域本體的構(gòu)建過程。

關(guān)鍵詞：測(cè)井處理解釋，領(lǐng)域本體，業(yè)務(wù)流程，知識(shí)表示

中圖分類號(hào)：TP18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)井處理與解釋軟件已經(jīng)成為測(cè)井資料儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作中不可缺少的重要工具，同時(shí)勘探開發(fā)的油氣藏越來越復(fù)雜，對(duì)測(cè)井及資料處理解釋的要求也越來越高，地下儲(chǔ)集層的隱蔽性與非均質(zhì)性，造成測(cè)井解釋對(duì)地下地質(zhì)特性的分析與還原能力，很大程度上取決于測(cè)井分析專家的經(jīng)驗(yàn)、技能與判斷力，然而，具有這種經(jīng)驗(yàn)的專家要花很長(zhǎng)的時(shí)間才能形成，且形成之后往往有流失的可能，所以測(cè)井資料處理與解釋自動(dòng)化及智能化是當(dāng)前測(cè)井解釋領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一。目前，國內(nèi)外測(cè)井軟件如CIFLog、TechLog和GeoLog已經(jīng)在知識(shí)庫方面進(jìn)行了思考和工作的開展[1-2]，但是面臨的一個(gè)主要的問題是如何對(duì)測(cè)井處理解釋領(lǐng)域龐大的知識(shí)進(jìn)行表示，以便能夠在知識(shí)庫中快速獲取目標(biāo)知識(shí)。傳統(tǒng)的知識(shí)表示方法[3]如產(chǎn)生式表示法無法呈現(xiàn)完整的知識(shí)，只能用單一的規(guī)則描述部分的知識(shí)，但是在測(cè)井解釋過程中不僅要有推理邏輯，還要進(jìn)行許多算術(shù)運(yùn)算，純粹的產(chǎn)生式表示法無法滿足要求。知識(shí)庫的發(fā)展面臨的重要問題是如何讓計(jì)算機(jī)能理解和處理知識(shí)，解決這個(gè)問題的難點(diǎn)是建立怎樣的模型來描述知識(shí)，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的共享與重用[4]。

本體（Ontology）是共享概念模型的明確確的形式化規(guī)范說明，定義了組成主題領(lǐng)域的基本術(shù)語和關(guān)系等。誕生以來就在信息科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，其重要性也在許多方面表現(xiàn)出來，其應(yīng)用研究已經(jīng)延伸到多個(gè)領(lǐng)域，如知識(shí)工程、自然語言處理、軟件工程領(lǐng)域。國內(nèi)對(duì)本體論的研究，主要有信息檢索[5]、常識(shí)知識(shí)庫等方面。國外較為成熟的通用本體庫系統(tǒng)有WordNet，Dbpedia，Cyc，以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域本體、企業(yè)領(lǐng)域本體，國內(nèi)比較著名的通用本體庫系統(tǒng)是HowNetc6]、浙江大學(xué)人工智能研究所基于本體論的產(chǎn)品信息集成研究等[7]。由于在測(cè)井解釋過程中不僅需要進(jìn)行知識(shí)的推理還要進(jìn)行很多算術(shù)運(yùn)算，領(lǐng)域本體在該領(lǐng)域中的應(yīng)用很好的滿足了要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了測(cè)井領(lǐng)域知識(shí)的重用，以及測(cè)井領(lǐng)域信息知識(shí)內(nèi)容的集成、挖掘和關(guān)聯(lián)。

本文研究了測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)流程，提出了基于業(yè)務(wù)流程的測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)井領(lǐng)域本體的構(gòu)建。并以地層評(píng)價(jià)為例，闡述了其在構(gòu)建領(lǐng)域本體中的具體應(yīng)用。

2 測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體概述

2.1 本體概述

本體最為廣泛接受的概念是：本體是對(duì)共同的概念進(jìn)行規(guī)范化的說明[8，9]。本體的表示方式有很多種，其中最常見的表示形式是一個(gè)五元組的集合O=（C，R，σ，A，I）。其中：C為概念集合，也稱為類的集合。R是領(lǐng)域中概念之間的關(guān)系。σ表示函數(shù)。A表示公理，用來說明函數(shù)之間或關(guān)系之間存在的關(guān)聯(lián)和約束。I是指實(shí)例，即概念中的具體例子。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯和詞匯之間相互關(guān)系的明確定義。

本體可以劃分為頂層本體、領(lǐng)域本體和應(yīng)用本體，其中頂層本體描述的是通用的概念即概念之間的關(guān)系，比如時(shí)間，空間等;領(lǐng)域本體描述的是特定領(lǐng)域如測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的概念和概念間的關(guān)系;應(yīng)用本體描述的是依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念和概念間關(guān)系。本文在測(cè)井處理解釋系統(tǒng)中引入本體，通過對(duì)測(cè)井處理解釋流程的具體分析，構(gòu)建面向測(cè)井處理解釋的領(lǐng)域本體，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的重用和邏輯推理，提高了測(cè)井處理解釋軟件的智能性。

2.2 測(cè)井處理解釋概述

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋，就是按照預(yù)定的地質(zhì)任務(wù)，用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行自動(dòng)處理，并綜合地質(zhì)、錄井和開發(fā)資料進(jìn)行綜合分析解釋，以解決地層劃分、油氣儲(chǔ)集層和有用礦藏的評(píng)價(jià)及其勘探開發(fā)中的其它地質(zhì)與工程技術(shù)問題[10]。

測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體，就是通過引入本體和描述邏輯對(duì)測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行形式化和規(guī)范化的描述。通過在測(cè)井處理解釋軟件框架的支持層中引入測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體，實(shí)現(xiàn)在領(lǐng)域本體中定義測(cè)井領(lǐng)域基礎(chǔ)信息本體概念如：骨架密度、壓實(shí)系數(shù)、孔隙度和滲透率等，同時(shí)還要從概念中抽取關(guān)系。領(lǐng)域本體為解決語義異構(gòu)問題提供了解決方法，不同測(cè)井處理解釋領(lǐng)域?qū)嶓w通過領(lǐng)域本體實(shí)現(xiàn)了語義共享。所以將本體與測(cè)井處理解釋領(lǐng)域相結(jié)合，明確領(lǐng)域概念及其之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的集成和共享。

3 測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體構(gòu)建

目前比較流行的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法有：“骨架法”、“評(píng)估法”、“Bernaras”、“Methontology”、“Sen-sus”以及斯坦福大學(xué)的“七步法”[11-15]，比較這些本體構(gòu)建方法，它們的特點(diǎn)如下[16].

1）本體構(gòu)建大致可劃分為階段法（如骨架法）和原型演化法（如Methontology淺}等;

2）在構(gòu)建過程中可分為“非形式化描述本體”和用正規(guī)描述語言“形式化描述本體”前后兩個(gè)階段;

3）希望通過累積的方法來構(gòu)建本體，即先構(gòu)建一個(gè)基礎(chǔ)本體，然后做進(jìn)一步開發(fā)。

但是目前的本體構(gòu)建方法還未能像軟件工程那樣形成一種統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、通用的本體方法論。本文的研究是在骨架法以及“七步法”的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)流程提出一套基于業(yè)務(wù)流程領(lǐng)域的本體構(gòu)建方法。該方法的核心是：將領(lǐng)域本體的構(gòu)建與業(yè)務(wù)需求緊密的聯(lián)系起來，以具體的測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)為起點(diǎn)，并且貫穿于本體構(gòu)建的全部過程，這樣易于知識(shí)的獲取和本體功能的描述。本體的概念以及關(guān)系的抽取是一個(gè)不斷循環(huán)迭代的過程，先以應(yīng)用需求抽取規(guī)則，然后輔助完善領(lǐng)域本體，直至本體趨于完善。同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)方法采用從上到下的方式，首先構(gòu)建頂層本體，然后是領(lǐng)域本體，后是應(yīng)用本體，通過這一系列過程構(gòu)建的領(lǐng)域本體在滿足應(yīng)用需求的前提下，還具有一定的通用性、完整性和共享性。

3.1 測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體構(gòu)建框架

隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，測(cè)井處理解釋也逐漸向著自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)變，利用本體方法可以構(gòu)建測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的知識(shí)脈絡(luò)，能更好地繼承共享已有的知識(shí)。結(jié)合測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)流程提出基于業(yè)務(wù)流程的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，具體過程如圖1所示：

1）明確所屬領(lǐng)域及應(yīng)用范圍：為后續(xù)構(gòu)建過程的明確方向。領(lǐng)域本體構(gòu)建的目的是把領(lǐng)域的概念、屬性和規(guī)則等形式化的表達(dá)出來，為知識(shí)的共享和推理提供基礎(chǔ)。

2）需求分析：從業(yè)務(wù)功能需求方面入手使本體與應(yīng)用緊密結(jié)合。采用軟件工程方法，細(xì)化業(yè)務(wù)需求，形成詳細(xì)的說明文檔以便后續(xù)應(yīng)用。例如單孔隙度測(cè)井泥沙巖分析，需要首先對(duì)該過程進(jìn)行詳細(xì)的說明，如：期望輸出的結(jié)果和涉及到的領(lǐng)域信息如參數(shù)、公式等。

信息收集：包含兩個(gè)部分，一是對(duì)輸入的文檔進(jìn)行先期處理（如斷句，分詞等），二是要考慮本體的復(fù)用，即對(duì)已有領(lǐng)域本體的使用，可以省去元本體和頂層本體的建立，專注于領(lǐng)域本體的構(gòu)建。

3）概念、屬性抽?。褐饕δ苁菑妮斎胛谋局刑崛∧切┖湍繕?biāo)領(lǐng)域高度相關(guān)的概念。概念的抽取主要分為兩部分：一是從第一步確定的領(lǐng)域范圍內(nèi)的相關(guān)詞典和相關(guān)文獻(xiàn)中直接抽取;二是結(jié)合建立的業(yè)務(wù)流程模型，根據(jù)具體業(yè)務(wù)步驟抽取每一步驟中涉及到的術(shù)語。這樣得到的本體概念更加完整，覆蓋度高。

4）關(guān)系抽?。喊▽哟侮P(guān)系抽取和非層次關(guān)系抽取。關(guān)系抽取的核心在于怎樣選擇和提取關(guān)系特征[17]，為解決該問題從業(yè)務(wù)流程入手，分析每一步驟涉及到的概念，從中抽取本體概念關(guān)系。從語義上來說概念之間的基本關(guān)系有整體一部分關(guān)系、分類關(guān)系、實(shí)例與概念關(guān)系和屬性關(guān)系，但是實(shí)際建模過程中并不止這四種，可以根據(jù)領(lǐng)域的具體情況來定義。

5）本體的形式化：采用OWL DL語言，在保證描述能力的同時(shí)也兼顧了推理能力。構(gòu)建領(lǐng)域本體文檔，可以對(duì)后續(xù)的領(lǐng)域本體優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

6）本體評(píng)價(jià)和本體應(yīng)用：對(duì)形成的本體進(jìn)行一致性，完整性等的評(píng)價(jià)，然后針對(duì)某一具體業(yè)務(wù)，進(jìn)行初始領(lǐng)域本體的試運(yùn)行，來驗(yàn)證是否滿足業(yè)務(wù)需求，若符合則可以投入實(shí)際應(yīng)用，否則根據(jù)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行更改。

3.2 測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體構(gòu)建

地層評(píng)價(jià)是一種復(fù)雜的、運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)地層進(jìn)行綜合分析的過程，涉及到大量的數(shù)值運(yùn)算及復(fù)雜的推理，是測(cè)井資料處理與解釋過程中最為重要和關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。下面以地層評(píng)價(jià)為例說明測(cè)井領(lǐng)域本體的構(gòu)建過程。使用protege

4.3 作為構(gòu)建工具，OWL DL為構(gòu)建語言。

1）明確所屬領(lǐng)域以及需求分析

（1）本體構(gòu)建目標(biāo)：解決測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的知識(shí)表示的不足，使系統(tǒng)更好的輔助操作人員進(jìn)行綜合分析以及演繹推理最后做出決策得到地層評(píng)價(jià)結(jié)果。

（2）應(yīng)用需求分析：首先構(gòu)建地層評(píng)價(jià)的整體知識(shí)模型，然后對(duì)每一階段進(jìn)行具體分析形成詳細(xì)的功能說明以及所涉及到的概念說明。例如在劃分儲(chǔ)集層時(shí)的巖性識(shí)別過程，在淡水泥漿的井內(nèi)可以根據(jù)自然電位曲線、微電極曲線、聲波時(shí)差曲線和電阻率來劃分，首先如果SP有明顯負(fù)異常微電極有正幅度差，則為砂巖或者生物灰?guī)r;如果聲波時(shí)差高則為砂巖其次為生物巖。在這個(gè)過程中明確了業(yè)務(wù)需要的信息，為后續(xù)的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。地層評(píng)價(jià)的知識(shí)模型如圖2所示。

為了保證領(lǐng)域本體的完整性，信息收集要從多方面進(jìn)行。本領(lǐng)域的基本信息主要來自兩方面：一是測(cè)井基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，二是本領(lǐng)域行業(yè)規(guī)范相關(guān)詞典，如《測(cè)井原始資料質(zhì)量要求》、《測(cè)井解釋報(bào)告編寫規(guī)范》和《裸眼井單井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理流程》等。

2）概念、屬性的抽取

概念的抽取主要采用兩種方式，一種是根據(jù)建立好的業(yè)務(wù)流程框架從上到下順序抽取，逐步細(xì)化。在概念的抽取過程中要緊密的結(jié)合測(cè)井處理解釋的具體業(yè)務(wù)流程，如在進(jìn)行儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)時(shí)，非儲(chǔ)集層判別過程中，需要根據(jù)不同測(cè)井曲線在不同巖性中表現(xiàn)出來的不同測(cè)井特征來劃分巖性，測(cè)井曲線是屬于測(cè)井信息。首先需要建立測(cè)井曲線的概念本體，例如：自然電位曲線（SP）、自然伽馬曲線（GR）和微電極曲線（MD，而測(cè)井曲線是由各種不同的測(cè)井方法生成的，所以需要抽取測(cè)井方法的概念本體，自然電位測(cè)井、微電極測(cè)井、中子伽馬測(cè)井等，同時(shí)還需要構(gòu)建巖性本體例如泥巖、煤、砂巖等。

另一種是采用搜索的方法，對(duì)所收集的信息進(jìn)行搜索包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、文檔等，來獲得需要定義的概念。如：對(duì)“處理參數(shù)”進(jìn)行搜索，可以查到的結(jié)果可能有“AMN”、“骨架密度”、“GRmin”、“GRmax”、“壓實(shí)系數(shù)”等，這些結(jié)果可以作為本體中的概念進(jìn)行直接定義。在定義這些概念后，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，區(qū)分概念和屬性，調(diào)整類的層次結(jié)構(gòu)。得到的概念模型包括，參數(shù)、模型和圖版，其中參數(shù)包括孔隙度、滲透率、飽和度、沉積特征等;模型有李寧通解方程、雙水模型、Archie公式等;圖版有標(biāo)準(zhǔn)解釋圖版和地區(qū)解釋圖版等。

這樣抽取出來的概念能夠最大程度的確保覆蓋率，同時(shí)還能為后續(xù)的本體的應(yīng)用建立良好的基礎(chǔ)。

3）關(guān)系的定義

關(guān)系是領(lǐng)域中概念之間的交互作用，由于在類中所涉及到的屬性及關(guān)系較多，會(huì)形成一個(gè)層次關(guān)系，這種層次關(guān)系反映了屬性的類別知識(shí)，我們采用屬性本體結(jié)構(gòu)以及聚類屬性的方式來表示這種屬性關(guān)系間的分類關(guān)系。POR分析程序是單孔隙度測(cè)井泥質(zhì)砂巖地層評(píng)價(jià)的一種常用方法，以此為例說明關(guān)系的抽取。

根據(jù)抽取的概念，以及需求分析中得到的結(jié)果，進(jìn)一步明確各類之間的關(guān)系。例如測(cè)井曲線與測(cè)井信息之間存在著is-part-of的關(guān)系，測(cè)井方法與測(cè)井曲線之間存在著generate（關(guān)系），模型和處理參數(shù)之間存在著calculate（計(jì)算）的關(guān)系，等等。在關(guān)系的定義過程中，業(yè)務(wù)的流程有著十分重要的作用，例如在POR分析程序中計(jì)算地層泥質(zhì)含量時(shí)采用的公式為

由此可得到處理參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)的關(guān)系，儲(chǔ)層參數(shù)有處理彈數(shù)經(jīng)計(jì)算分析得到。同樣經(jīng)過對(duì)地層孔隙度計(jì)算和含水飽和度計(jì)算流程的分析，同樣能得到更加細(xì)化的關(guān)系。又如巖性的劃分需要根據(jù)測(cè)井曲線的響應(yīng)特征，所以巖性與測(cè)井曲線之間存在著divide（劃分巖性）。部分關(guān)系定義如表1所示。

4）本體形式化

采用OWL DL對(duì)本體進(jìn)行形式化的描述，根據(jù)測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體設(shè)計(jì)的基本原則，在對(duì)類進(jìn)行描述時(shí)主要包括類（categories），表示專業(yè)領(lǐng)域中的歸屬集體，每一個(gè)類中都有相應(yīng)的個(gè)體（indi-viduals）及實(shí)例Gnstances）。類間的基本關(guān)系是繼承Gnheritances）和為了描述類及類的個(gè)體及實(shí)例，我們使用屬性（attribute）及關(guān)系（relationship）的描述符，并對(duì)屬性及關(guān)系的值進(jìn)行限制

5）本體評(píng)價(jià)

對(duì)構(gòu)建完的本體進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)通過后應(yīng)用本體。對(duì)本體的評(píng)價(jià)采用基于特定應(yīng)用的本體評(píng)價(jià)策略，即基于測(cè)井處理解釋業(yè)務(wù)的本體評(píng)價(jià)，其基本思想是直接將構(gòu)建的本體用于解決實(shí)際問題中去檢驗(yàn)本體的質(zhì)量，即在底層評(píng)價(jià)過程中實(shí)際檢驗(yàn)本體，這種評(píng)價(jià)策略雖然無法完全保證本體的質(zhì)量，但是簡(jiǎn)單、直觀。

經(jīng)過如上的操作，得到構(gòu)建的測(cè)井處理解釋領(lǐng)域初始本體，如圖3展示的是部分與地層評(píng)價(jià)相關(guān)的領(lǐng)域本體。

4 結(jié)論

結(jié)合傳統(tǒng)本體構(gòu)建方法提出了適合測(cè)井處理解釋領(lǐng)域的基于業(yè)務(wù)流程領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，并且初步構(gòu)建了測(cè)井處理解釋本體，很好的解決了知識(shí)重用性差以及邏輯推理困難的問題。在本體在測(cè)井領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索，同時(shí)為后續(xù)的研究工作打下了基礎(chǔ)。測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建是一個(gè)十分龐大的工程，涉及到各學(xué)科如人工智能、石油、地質(zhì)等，并不是一蹴而就的而是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。領(lǐng)域本體的構(gòu)建與應(yīng)用又是其中最有廣闊發(fā)展前景的方面，本文對(duì)測(cè)井處理解釋領(lǐng)域本體的研究和應(yīng)用，希望對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的同行有所借鑒。

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