油氣勘探開發(fā)數據集成/交換優(yōu)化探討

徐金蘭 譚遠華 李中泉 李文濤

[摘 要] 數據模型的復雜化和多元化以及油田應用系統(tǒng)的不斷增多，使油氣勘探開發(fā)信息系統(tǒng)的數據集成/交換日趨復雜，大幅增加了建立和維護數據集成/交換關系的成本。本文從優(yōu)化數據模型體系的角度探討在現行數據模型體系下，實現異構和復雜數據模型之間數據集成/交換以及自動維護管理的思路和方法。

[關鍵詞] 計算機應用；數據集成/交換；知識本體；語義網絡；油氣勘探開發(fā)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 17. 020

[中圖分類號] TP391 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）17- 0029- 05

1 前 言

石油天然氣勘探開發(fā)涉及地質、地球物理、地球化學、油藏工程、鉆井工程、井下作業(yè)、油田地面工程等多個專業(yè)技術領域。不同專業(yè)技術、不同管理部門、不同生產階段的業(yè)務關聯(lián)性、繼承性很強，對信息的共享需求很高，通過在數據庫之間建立數據集成/交換關系是信息共享的基本技術手段之一。隨著油田勘探開發(fā)信息建設和應用的深化，數據模型復雜化和多元化已經成為趨勢。如何在已經建成的大量信息資源及其構架其上的數十套信息系統(tǒng)的基礎上，解決異構和復雜數據模型之間的數據集成/交換，并滿足智能油田建設對信息本體結構的管理和數據的知識化管理需求？我們認為，優(yōu)化數據模型體系是最主要的途徑。

2 數據集成/交換現狀分析

中國陸上各大油氣田于20世紀90年代初開始規(guī)模化地勘探開發(fā)信息系統(tǒng)建設。目前，已經建成了覆蓋勘探開發(fā)核心業(yè)務的完整信息體系，包括數據模型體系。該體系主導了數字油田建設的數據組織、存儲和應用，并充分證明其具有的強大功能、高技術可靠性以及低成本優(yōu)勢。油田應用系統(tǒng)的增多以及油田對數據應用復雜化、數據模型多元化的趨向，使現行數據模型體系已逐漸不能適應復雜數據集成/交換的需求。現行數據庫模型作為關系數據模型（Relational Data Model），是用二維表結構來表示實體及實體間聯(lián)系的模型，缺少對復雜數據的表達，不能關聯(lián)對象和行為，不能準確地表達和理解數據語義。因此，不直接支持向復雜數據模型投影；現行數據庫模型體系是面向應用建立的，在很大程度上簡化了應用系統(tǒng)訪問數據庫的過程，具有很強的實用性，但同時也影響了對業(yè)務的客觀性和完整性的描述；現行數據模型由于缺乏語義功能和對業(yè)務聯(lián)系的完整描述，增加了實現數據集成/交換自動維護管理及數據進行知識化管理的難度。

在現行的勘探開發(fā)信息系統(tǒng)中，數據集成/交換主要發(fā)生于中心數據庫與各應用數據庫之間（見圖1），中心數據庫起著數據集成/交換的樞紐作用。由于模型方法不直接支持向復雜數據模型轉換/投影，缺乏對復雜數據體、多業(yè)務關聯(lián)描述以及數據自動演繹管理手段等，導致通過優(yōu)化中心數據庫數據模型體系來改善數據集成/交換問題十分困難。

鑒于關系數據模型方法本身的缺陷難以有效解決復雜數據模型轉換/投影和數據集成/交換問題，我們提出在現行數據模型體系基礎上再建一個公共數據集成/交換模型，在保障基于現行數據模型體系數據資源、軟件信息平臺和應用系統(tǒng)正常運行的基礎上，改善目前數據集成/交換的困難局面。

依據上述分析，我們認為該公共數據集成/交換模型應至少具備以下功能：

（1）滿足不同類型數據模型之間的模型轉換/投影和數據集成/交換；

（2）有利于已建成的數據庫資源的利用以及基于現行數據庫和軟件平臺的應用系統(tǒng)的正常運行；

（3）有利于實現復雜數據模型自動轉換/投影和數據集成/交換關系的自動維護管理；

（4）支持智能油田建設對數據的復雜應用，語義查詢及對數據的知識化管理等。

新疆油田勘探開發(fā)信息系統(tǒng)數據集成/交換體系優(yōu)化示意圖見圖2。

3 公共數據集成/交換模型的設計與實現

依據公共數據集成/交換模型的需求，該模型包括數據元素模型自動投影語義本體模型，語義本體模型自動投影數據集成/交換元數據模型，以及源與目標數據模型語義描述等關鍵技術環(huán)節(jié)，并以此實現公共數據的集成/交換。

3.1 模型設計思想

3.1.1 以業(yè)務為主導

一方面，對于同一信息資源，不同業(yè)務、不同部門和管理層級的應用需求會不同，同一信息系統(tǒng)的應用需求也是不斷變化的。另一方面，信息技術本身的快速更替和軟件工程化程度低也是造成信息系統(tǒng)升級頻次遠遠大于油田傳統(tǒng)技術工程的原因，如缺乏成熟的業(yè)務分析建模和維護管理標準、流程和工具，軟件開發(fā)過程的可控程度低等。相對于無窮的應用需求變化和尚難控制的軟件開發(fā)工程質量，油田勘探開發(fā)業(yè)務是相對穩(wěn)定的，隨之產生的信息是穩(wěn)定的。在大型企業(yè)的復雜信息系統(tǒng)建設中，只有以成熟、穩(wěn)定的業(yè)務為主導建立數據模型體系，才能對業(yè)務進行客觀、完整的描述，而只有符合業(yè)務流程和客觀、完整描述業(yè)務的數據，才能適應不同的需求，并保障作為企業(yè)信息系統(tǒng)基礎的數據層的穩(wěn)定。因此，公共數據集成/交換模型必須是以業(yè)務為主導的模型。

3.1.2 力求業(yè)務內容全面完整

對于同一業(yè)務，管理理念、管理體系、信息建設階段等不同，關注的范圍和程度也不同。在以業(yè)務為主導的數據模型體系確定了業(yè)務類及具體業(yè)務范圍的基礎上，需盡可能完整描述業(yè)務，以保障需求變化的需要。現行數據模型中的部分數據集是面向應用設計的，例如：《試油（氣）成果數據（AJSY01）》，完全是依照勘探管理報表將地質分層、地質實驗、酸化、壓裂、射孔、測井等多個不同專業(yè)的業(yè)務活動信息組合的結果，是應用數據集；再如壓裂數據，僅表達了活動基本特征，未表達地層因此產生的變化和產能的變化，且勘探、開發(fā)信息系統(tǒng)是依據各自的需求分別設計的，使描述同一業(yè)務的數據結構、內容、名稱、代碼等大相徑庭，沒有對業(yè)務進行客觀、完整的描述。

3.1.3 建立廣泛的業(yè)務聯(lián)系

每一個對象和活動都與相關對象、活動存在直接的或間接的相互制約和影響。這種顯性或隱性的關系是對數據進行知識化管理的基本條件之一，只有廣泛建立業(yè)務對象、活動、特征值之間的聯(lián)系，才能實現對數據的知識化管理。現行數據模型僅限于數據結構中對主外鍵、參照表等最基本的邏輯關系的描述。業(yè)務活動之間，不同專業(yè)數據庫之間、數據集之間，存在大量關聯(lián)關系、經驗、知識信息未能記錄、描述和管理。

3.1.4 多維度描述業(yè)務

對同一業(yè)務活動信息，需求角度不同，組織（訪問）數據的方式可能完全不同。現行數據庫模型作為關系數據模型是用二維表結構來表示實體及實體間的聯(lián)系，制約了對數據進行多維度的訪問。公共數據集成/交換模型可借鑒POSC標準體系的6W和“對象—活動—關聯(lián)—特性”思想，對業(yè)務活動內在關系從多個維度進行描述，實現多視角和更加靈活的數據組織（訪問）方式。

3.1.5 最小化原則

原則上，模型體系對業(yè)務分解的越細，模型的靈活性越高，穩(wěn)定性越好。如同人們認識構成物質的分子、原子及其化學和物理性質，遠比只認識物質的表征性狀更能掌控它一樣。對于公共數據集成/交換模型，一是對業(yè)務活動描述單元的最小化，通過業(yè)務域、業(yè)務過程、業(yè)務活動、業(yè)務單元和業(yè)務要素將業(yè)務內在描述單元分解到最小單元；二是對數據元的最小化，通過業(yè)務對屬性特征進行系列、集合、實體、子集定義到不可再分的最小單元，即數據元素，實現數據元的最小單元定義，為異構數據集成/交換提供語義分析基礎。

綜上，公共數據集成/交換模型應該是一個更加符合業(yè)務流程，而與任何管理體系無關的模型；對業(yè)務的描述更加客觀、完整和規(guī)范，而不針對任何具體應用；對業(yè)務的描述是多維度的，而不拘于目前在用的模型方法（關系模型方法、面向對象模型方法等）；公共數據集成/交換模型比現行數據模型（采集模型、中心數據庫存儲模型、應用數據模型等）對業(yè)務之間相互關系和活動狀態(tài)描述得更加豐富，更具有通用性、穩(wěn)定性和靈活性。

3.2 建模方法探討

3.2.1 面向業(yè)務的業(yè)務流分析與業(yè)務建模

油氣勘探開發(fā)業(yè)務種類繁多、業(yè)務流程復雜。以往設計勘探開發(fā)數據標準、制定信息規(guī)劃和進行業(yè)務流程分析，沒有完全以業(yè)務為主導以及缺乏模型管理環(huán)境，業(yè)務模型標準化的設計大多以流程圖、Word文檔的形式進行，很難開展動態(tài)管理。因此，需要建立以業(yè)務流程為主導的業(yè)務分析流程和業(yè)務建模標準規(guī)范，形成符合行業(yè)技術規(guī)范及業(yè)務特色的業(yè)務分析、建模工作流程。通過規(guī)范化的勘探開發(fā)業(yè)務分析和模型維護流程，實現業(yè)務模型的可持續(xù)管理，為勘探開發(fā)相關數據模型設計和智能系統(tǒng)的開發(fā)提供業(yè)務參照和模型轉換依據（見圖3）。

油氣勘探開發(fā)業(yè)務模型是在勘探開發(fā)業(yè)務分析的基礎上，對勘探開發(fā)業(yè)務流進行結構化、標準化、規(guī)范化加工處理和優(yōu)化整合，形成整體統(tǒng)一可管理、可轉換的“勘探開發(fā)業(yè)務流模型標準”，成為數據模型和應用系統(tǒng)之間的關鍵橋梁。通過劃分業(yè)務域，識別、定義業(yè)務域的業(yè)務流程，分解業(yè)務流程中的各項業(yè)務活動，對業(yè)務活動及其單元進行描述；業(yè)務流程是對業(yè)務域的再分解，是業(yè)務域中一組聯(lián)系緊密的活動。一個業(yè)務域可以有多個業(yè)務流程。業(yè)務活動是業(yè)務流程分解后最基本的、不可再分解的最小功能單元。一般來說，一個業(yè)務流程包括若干個業(yè)務活動，如：測井業(yè)務包括測井設計、測井施工、測井數據預處理、測井數據處理、測井資料解釋5個業(yè)務活動（見圖4）。

3.2.2 面向活動的6W模型分析

1990年，美國的BP Exploration、Chevron Corporation、Elf Aquitaine、Mobile Corporation及Texaco Inc五大石油公司聯(lián)合發(fā)起并成立了POSC組織，該組織是目前最具權威的一個石油數據標準化組織。它定義的數據模型從1.0、2.0、2.1、2.2，一直發(fā)展到目前的3.0。模型的定義反映了石油勘探與開發(fā)中各種業(yè)務關系及技術關系。其核心精湛理念就是6W和“對象—活動—關聯(lián)—特性”思想。

對業(yè)務活動的文字性概要描述按照“6W”的模式進行，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、在這個活動中涉及哪些（Which）對象、這些對象的特性是什么（What）。6W模型示意圖見圖5。

3.2.3 基于業(yè)務模型的模型轉換與投影

這里所說的模型，包含但不限于數據模型、業(yè)務模型、功能模型、系統(tǒng)模型、集成模型、協(xié)同工作模型、知識管理模型、空間拓撲模型、業(yè)務權限模型等。同一業(yè)務活動信息，需求角度不同，活動、特性組織（訪問）的方式可能完全不同，在基于多維度描述的基礎上，按照實際需求重新組織活動，以適應油田業(yè)務的不斷發(fā)展，實現不同類別和同類異構間的模型相互轉換。基于業(yè)務模型的模型轉換與投影示意圖見圖6。

3.2.4 基于業(yè)務模型的數據訪問邏輯自動轉換

該業(yè)務模型完整描述了活動與活動之間的關系，活動與對象之間的關系，活動、對象、特性之間的關系。數據庫中所使用到的關系，在業(yè)務模型中均可以找到相應的描述，而且無論任何結構的數據庫，所存儲的數據最終都是以業(yè)務實體的形式展現給用戶，因此，其形式是可以相互轉換的，通過規(guī)范化的映射規(guī)則，可以滿足業(yè)務實體與復雜的物理數據庫結構的映射，用以支撐數據查詢、寫入等操作，承擔起替代中心數據庫的重任。

3.2.5 元數據登記和基于元數據的應用

采用定時掃描數據庫、讀取數據庫系統(tǒng)日志等方式，以業(yè)務活動為單位對數據庫數據進行登記，并建立主題模型與活動的關系，對所有數據庫數據進行統(tǒng)一描述，滿足不同用戶對于數據查詢和管理，如：

（1）數據資料管理。將資料管理辦法的要求與業(yè)務活動、活動中的某個特性值建立關系，依據活動是否應該發(fā)生或者已經發(fā)生，判斷相關數據資料的齊全性。

（2）數據采集管理。將數據采集流程與活動建立映射，用活動的生命周期來控制采集任務的流轉，實現采集任務的自動下發(fā)，數據的自動抽取等。

（3）數據智能搜索。活動、活動的參與者、發(fā)生時間、活動涉及的對象等都可以作為查詢條件進行數據的查詢。

（4）數據質量管理。依據業(yè)務模型中特性值重要性的設定，對入庫數據的完整性進行評價，以提高數據可用性。

（5）數據資料整合。通過數據存儲元數據（某個活動的數據存在哪個庫里），對數據進行整合并以業(yè)務模型的形式統(tǒng)一瀏覽或下載，滿足生產、科研的需要。

（6）全面工作協(xié)同。依據活動之間的關系和活動參與角色與現有各種工作流系統(tǒng)進行集成，實現整個油田勘探開發(fā)的工作協(xié)同。

3.2.6 業(yè)務智能化統(tǒng)一管理

當業(yè)務模型發(fā)生變化，通過投影規(guī)則可以迅速分析影響的面，并給出合理化的修改建議，輔助系統(tǒng)管理員、數據庫管理員及時做出應對。例如：一個活動涉及的對象特性發(fā)生變化時，影響到數據模型、功能模型、異構交換模型；一個特性計量單位發(fā)生變化時，影響到數據模型、異構交換模型等。對于這些變化，可由計算機自動處理，也可以將影響分析結果交給系統(tǒng)管理員來處理。

4 結束語

以業(yè)務為主導的公共數據集成/交換模型不僅用于現行數據模型體系下實現異構和復雜數據模型之間的投影、數據集成/交換，實現數據集成/交換關系的自動維護和管理，而且在數據資源整合、數據知識化管理、應用系統(tǒng)遷移等方面都有著廣泛的應用前景。以業(yè)務為主導的公共數據集成/交換模型對業(yè)務的系統(tǒng)、完整、多維度描述，對業(yè)務關聯(lián)關系的廣泛定義及語義功能，為數據的知識化管理建立基礎；應用公共數據集成/交換模型可實現基于業(yè)務邏輯的情境驅動網構化協(xié)同工作一體化應用體系建設；基于公共數據集成/交換模型的應用系統(tǒng)向異構數據庫體系遷移時，可通過定義異構數據庫與公共數據集成/交換模型的關系整體遷移，大大減少系統(tǒng)遷移工程量；采用業(yè)務建模標準、規(guī)范和流程建立公共數據集成/交換模型，還可促進業(yè)務人員更加深入地參與到信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中，降低由于軟件工程師對業(yè)務需求及業(yè)務流程理解的偏差對軟件開發(fā)質量的影響。

公共數據集成/交換模型是對現行數據模型體系的補充和完善。公共數據集成/交換模型可以僅僅是一個邏輯關系，通過這個關系能更有效地集成油田的信息資源，為數據的知識化管理創(chuàng)造基礎條件；也可以是一個描述業(yè)務和存儲數據的實體，取決于油田對數據庫整體架構性能的總體需求和實施成本。

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