本體構(gòu)建理論在石油領(lǐng)域的應(yīng)用研究

摘 要：本體論與各個領(lǐng)域計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展結(jié)合產(chǎn)生了所謂的“領(lǐng)域本體”的構(gòu)建及應(yīng)用研究，首先介紹領(lǐng)域本體的構(gòu)建理論及方法，然后提出基于多層次業(yè)務(wù)流程的石油勘探和開發(fā)領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建方法，把石油勘探開發(fā)領(lǐng)域所涉及方面分為多級業(yè)務(wù)活動層次，并以圈閉活動為例列出對應(yīng)的微本體庫構(gòu)建方法的探討。

關(guān)鍵詞：本體；領(lǐng)域本體；石油本體；業(yè)務(wù)流程構(gòu)建本體；微本體

中圖分類號： TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引 言

本體論（Ontology)概念起源于哲學(xué)領(lǐng)域；在計算機(jī)學(xué)科的使用可以追溯到上世紀(jì)80年代，最終Gruber給出了廣泛接受的概念［1-3］：本體是概念化的明確的規(guī)范化說明。

本體作為一種知識共享模式，為特定領(lǐng)域的人和應(yīng)用系統(tǒng)的交流提供了極大的便利，也正因為如此，本體的研究和應(yīng)用迅速延伸到知識工程、自然語言處理、信息檢索系統(tǒng)、智能信息集成和知識管理、信息交換和軟件工程等領(lǐng)域。而如何對這些不同領(lǐng)域內(nèi)的知識進(jìn)行抽取和描述并構(gòu)建出合適的領(lǐng)域本體已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點之一［4-7］。

所謂領(lǐng)域本體（domainspecific ontology）是對學(xué)科概念的一種描述，包括學(xué)科中的概念、概念的屬性、概念間的關(guān)系以及屬性和關(guān)系的約束。由于知識具有顯著的領(lǐng)域特性，所以領(lǐng)域本體能夠更為合理而有效的進(jìn)行知識的表示。領(lǐng)域本體一般用來表示某一特定領(lǐng)域范圍內(nèi)的特定知識，以本文為例即研究石油勘探開發(fā)領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建方法為主要內(nèi)容。

2 本體的構(gòu)建

2.1 本體的結(jié)構(gòu)

本體的結(jié)構(gòu)(ontology structure)是一個五元組O：={C，R，Hc，Rel，Ao}。作為不同主體之間進(jìn)行交流的一種語義基礎(chǔ)，本體由描述某種現(xiàn)實情況的特定術(shù)語集，加上一組關(guān)于術(shù)語內(nèi)涵意義的顯式假定集合所構(gòu)成。在最簡單的情況下，本體只描述概念的分類層次結(jié)構(gòu):在復(fù)雜的情況下，本體可以在概念分類層次的基礎(chǔ)上，加入一組合適的關(guān)系、公理、規(guī)則來表示概念之間的其它關(guān)系，約束概念的內(nèi)涵解釋。一個完整的本體應(yīng)由概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實例五類基本元素構(gòu)成［8-13］:

1）概念是廣義上的概念，除了可以是一般意義上的概念以外，也可以是任務(wù)、功能行為、策略、推理過程等。本體中的這些概念通常構(gòu)成一個繼承的分類層次。

2）關(guān)系是領(lǐng)域中概念之間的交互作用，形式上定義為n維笛卡兒積的子集: R:C1×C2×…×Cn。在語義上關(guān)系對應(yīng)于對象元組的集合。

3）函數(shù)是一種特殊的關(guān)系，n元函數(shù)中的第n個元素由前面n-1個元素惟一確定，形式化的定義為:F:C1×C2×C3×…×Cn-1→Cn。

4）公理是一些永真式的描述。更具體地說，公理是領(lǐng)域中在任何條件下都成立的斷言。

5）實例是指概念中的具體例子，特定領(lǐng)域的所有實例構(gòu)成領(lǐng)域概念在該領(lǐng)域中的值域。

計算技術(shù)與自動化2011年9月

第30卷第3期袁國銘等：本體構(gòu)建理論在石油領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2.2 本體的建立方法

本體是對領(lǐng)域中的概念及概念之間關(guān)系的顯式描述。目前，領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法還處于探索性研究階段，對不同問題的不同認(rèn)識和解決會得出不同的方法論，但都包含五條規(guī)則：

1）明確性和客觀性:

用自然語言對術(shù)語給出明確、客觀的語義定義。

2）完整性:

所給出的定義是完整的，能表達(dá)特定術(shù)語的含義。

3）一致性:

知識推理產(chǎn)生的結(jié)論與術(shù)語本身的含義不會產(chǎn)生矛盾。

4）最大單向可擴(kuò)展性:

向本體中添加通用或?qū)Ｓ玫男g(shù)語時，通常不需要修改已有的內(nèi)容。

5）最少約束:

對待建模對象應(yīng)該盡可能少列出限定的約束條件。

常見的本體構(gòu)建方法:TOVE、骨架法、IDEF5、METHONTOLOGY、KACTUS、SENSUS和七步法。本文探討以七步法為理論根據(jù)，步驟如圖1所示：

3 石油本體業(yè)務(wù)框架模型

建立領(lǐng)域本體模型的關(guān)鍵步驟首先在于建立合適的領(lǐng)域本體框架模型。石油業(yè)務(wù)模型（Business Model）是一種通過定義組成活動及活動之間邏輯關(guān)系來描述石油企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)過程的模型，它是勘探開發(fā)數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。

業(yè)務(wù)領(lǐng)域的劃分以某種與石油相關(guān)的主題為指導(dǎo)從整體上對油田主要業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分。它不是現(xiàn)有機(jī)構(gòu)部門的照搬，也不是基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的整理，而是概括的，總結(jié)性的劃分［8-13］。

3.1 業(yè)務(wù)領(lǐng)域方法

按照業(yè)務(wù)管理形式或油田生命周期組織方式進(jìn)行劃分，例如按照業(yè)務(wù)管理可劃分為“勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營”4大類。具體方法是：首先根據(jù)專業(yè)劃分業(yè)務(wù)域。某一專業(yè)在油氣田勘探、開發(fā)中承擔(dān)了某一確定領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，具有明晰的業(yè)務(wù)邊界。如“物化探”、“鉆井”、“采油”、“分析化驗”等，不同專業(yè)間具有明顯不同的業(yè)務(wù)范疇和業(yè)務(wù)特性。其次根據(jù)油氣田勘探、開發(fā)生命周期劃分業(yè)務(wù)域。油氣田勘探、開發(fā)存在著明顯的階段性，且有較明顯的階段性標(biāo)志，如勘探階段、開發(fā)階段、廢棄階段等，同一階段內(nèi)的若干子業(yè)務(wù)往往具有一定的相關(guān)性，如鉆探階段中的鉆、測、錄、試等。最后根據(jù)油氣田勘探、開發(fā)管理階段劃分管理業(yè)務(wù)域。針對油氣田不同生命周期或階段，存在著一些重要的階段性管理業(yè)務(wù)。其油氣田管理手段和管理方式都不相同，管理內(nèi)容也不相同，如勘探規(guī)劃部署階段、勘探綜合研究階段、開發(fā)部署規(guī)劃階段等。管理業(yè)務(wù)可能集中于勘探、開發(fā)一個或幾個階段，也可能貫穿于勘探、開發(fā)的全過程。

3.2 業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分

業(yè)務(wù)域的劃分以方法生命周期為主線，將專業(yè)業(yè)務(wù)域與方法管理業(yè)務(wù)域有機(jī)的串接起來，盡量符合油氣田勘探、開發(fā)管理的約定俗成的管理習(xí)慣，做到不同業(yè)務(wù)域間的業(yè)務(wù)不重復(fù)，并保證能覆蓋所有的勘探、開發(fā)業(yè)務(wù)。

根據(jù)以上原則和方法，把油氣田勘探開發(fā)業(yè)務(wù)劃分為“勘探規(guī)劃與部署”、“物化探”、“井筒工程”、“分析化驗”、“綜合研究”、“開發(fā)規(guī)劃與開發(fā)方案”、“油氣生產(chǎn)”、“油氣集輸”等8大業(yè)務(wù)域［14-15］。

業(yè)務(wù)領(lǐng)域中包含獨立的一個個業(yè)務(wù)和更細(xì)的子業(yè)務(wù)。每個業(yè)務(wù)包含該業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流程，業(yè)務(wù)流程中包含更細(xì)的、小的子業(yè)務(wù)流程。按照同樣的原則，可以將業(yè)務(wù)逐級細(xì)分下去，直至不可細(xì)分的業(yè)務(wù)功能單元為止，稱為業(yè)務(wù)活動。

大的業(yè)務(wù)包含更小的子業(yè)務(wù)。按照同樣的業(yè)務(wù)劃分原則，可以對業(yè)務(wù)繼續(xù)細(xì)分。業(yè)務(wù)的劃分要覆蓋業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的全部業(yè)務(wù)。直到將該業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的業(yè)務(wù)全部細(xì)分出來為止。業(yè)務(wù)域-業(yè)務(wù)-業(yè)務(wù)流程-業(yè)務(wù)活動的層次要大于等于三級，業(yè)務(wù)域-業(yè)務(wù)的劃分和業(yè)務(wù)流程的分級都不超過三級；如果確實超過三級，則向上一級壓縮，或重新規(guī)劃分級層次。

以“綜合研究”業(yè)務(wù)劃分為例，如圖3-1所示，首先，綜合研究在整個勘探開發(fā)生命周期處于勘探的中后期階段，也是一個關(guān)鍵性階段，它的專業(yè)特點很突出，產(chǎn)生大量的大塊數(shù)據(jù)和成果文檔，因此把“綜合研究”作為一個頂級業(yè)務(wù)域?qū)ΥＫ旅姘鍌€一級業(yè)務(wù)：“構(gòu)造研究”、“資源評價”、“油藏描述與評價”、“剩余油研究”和“油藏數(shù)值模擬”；而以其中的“資源評價”為例，它又包含：“盆地評價”、“區(qū)帶評價”、“探井評價”和“預(yù)測儲量計算”四個二級業(yè)務(wù)；其中“區(qū)帶評價”又包含五個三級業(yè)務(wù)活動：“烴源巖條件評價”、“運聚條件評價”、“儲層條件評價”、“保存條件評價”和“圈閉條件評價”。（注：F/S表明上下位關(guān)系）

3.3 業(yè)務(wù)活動的本體模型

業(yè)務(wù)活動是業(yè)務(wù)流程分解后最基本、不可再分解的最小功能單元。一般來說，一個業(yè)務(wù)流程包括若干個業(yè)務(wù)活動。業(yè)務(wù)活動的劃分與業(yè)務(wù)分析的視角有關(guān)。

業(yè)務(wù)活動描述：對業(yè)務(wù)活動的文字性概要描述，描述按照“6W”的模式進(jìn)行描述，即活動是由誰(Who)發(fā)起的、在什么時間(When)發(fā)起的、在哪里(Where)發(fā)起的、為什么(Why)要發(fā)起這個活動、在這個活動中都涉及到了哪些(Which)對象、這些對象的特性是什么(What)。通過這個“6W”過程，可以將某一業(yè)務(wù)活動中涉及的相關(guān)信息完全抽取出來。

6W的核心實質(zhì)是“對象-活動-關(guān)聯(lián)-特性”，如圖3所示。

4 以圈閉活動本體構(gòu)建為例

4.1 微本體模型

石油勘探開發(fā)領(lǐng)域本體模型給出了在該領(lǐng)域內(nèi)利用本體組織知識、表示知識、應(yīng)用知識的邏輯形式［18］。勘探和開發(fā)領(lǐng)域本體Pet-On可以形式化地表示為五元組Pet-On =，其中O是論域，即本體的集合，C是論域E中的領(lǐng)域概念或術(shù)語的集合，R是本體之間的關(guān)系，At是本體的屬性，Ac是本體的活動或操作。具體的微本體模型如圖4所示：

O：論域。根據(jù)勘探開發(fā)領(lǐng)域知識粒度的不同，論域O中的本體分為不同的級別。一級對應(yīng)領(lǐng)域主題，如勘探井位部署；二級對應(yīng)構(gòu)成一級本體的最大粒度的知識，例如烴源巖；其它級別本體劃分方法依次類推。

C：概念或術(shù)語。根據(jù)勘探開發(fā)領(lǐng)域知識粒度的不同，概念或術(shù)語的粒度也不同。通常情況下，概念或術(shù)語也就是相應(yīng)本體的名稱。例如，勘探井位部署是一級本體名稱，同時它也是領(lǐng)域概念的名稱。但是，二者有著完全不同的含義。作為本體，勘探井位部署有著自己的屬性、活動和與其它本體之間的關(guān)系。作為概念，勘探井位部署沒有活動，也沒有屬性，但是有與其它概念之間的聯(lián)系。

R：本體之間的關(guān)系。可以是構(gòu)成關(guān)系，繼承關(guān)系，也可以是作為其它本體屬性的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

At：本體屬性。例如圈閉的等級，烴源巖的豐度。

Ac：本體活動或者操作。例如，構(gòu)造評價就是構(gòu)造本體的活動。

4.2 圈閉活動的本體模型構(gòu)建

一個專業(yè)領(lǐng)域的本體模型首先必須確定一個業(yè)務(wù)主題，在相關(guān)業(yè)務(wù)主題的指導(dǎo)下收集和整理該業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的所有的詞匯和專業(yè)術(shù)語，然后按照詞匯的等級合理劃分詞集，以樹形的結(jié)構(gòu)模式組織這些詞匯之間的關(guān)系，在詞集整理完善的基礎(chǔ)上要建立這些詞匯的概念、屬性、評價技術(shù)和參數(shù)、操作流程和識別標(biāo)準(zhǔn)以及詞匯之間的關(guān)系等，就形成了一個完整的領(lǐng)域本體模型。

圈閉活動微領(lǐng)域本體的構(gòu)建模型如圖5所示。5 總 結(jié)

本體庫的構(gòu)建是一個浩大的人工智能系統(tǒng)工程，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，本文提供了在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域一種基于業(yè)務(wù)流程的多層次本體構(gòu)建方案探討。可以預(yù)見：在不久的將來，領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建與應(yīng)用會對人類社會的進(jìn)步作出巨大的貢獻(xiàn)。

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