面向過程的勘探開發知識管理系統

趙艷紅　李洪奇　朱麗萍

(中國石油大學(北京)石油數據挖掘北京市重點實驗室　北京 102249)

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面向過程的勘探開發知識管理系統

趙艷紅李洪奇朱麗萍

(中國石油大學(北京)石油數據挖掘北京市重點實驗室北京 102249)

摘要在石油勘探開發領域，井位部署是其中一個重要的子流程，直接決定著勘探的成敗和效益。因此，提出基于本體面向過程的知識模型，基于該模型，設計和開發了一套基于Web的知識管理系統，提供了可視化的過程建模工具，實現了業務流程的控制以及經驗知識的管理。該平臺在勝利油田的應用，充分發揮了已有成果和經驗知識的作用，實現了知識的疊加效應，對于新區塊的勘探和老區塊的二次調整開發具有重要的指導作用。

關鍵詞本體過程建模知識管理

0引言

知識是人們通過實踐對客觀事物及其運動過程和規律的認識，是被人們理解和認識并經過大腦思維重新組織和序列化的部分信息，是經驗、技能的總結[1]。在知識經濟時代，知識是重要的社會經濟資源，企業必須建立有效的知識管理模式，充分利用已有的知識資源，不斷增強知識創新能力，才能在競爭中立于不敗之地。然而，知識不是孤立存在的，只有與特定的業務流程緊密相連，才能有效地發揮作用。業務流程是企業中一系列創造價值的活動的組合，通過業務流程的管理可以優化企業經營過程，促進各部門協作，提高工作效率，降低業務成本，提高服務質量和用戶滿意度。

在石油勘探開發領域，包括勘探、測井、鉆井、錄井、試油、井下作業等二十多個專業，這些專業相互協同，構成石油勘探與開發的全部業務流程。井位部署是油氣勘探的重要業務流程，直接決定著勘探的成敗和效益。每個環節需要不同專業部門按照井位部署的業務流程相互協調完成，前面環節得出的結論和數據對后面環節的操作都有支撐作用。然而，面對嚴峻的勘探形式和日益加快的勘探節奏，傳統的井位部署工作存在兩個主要問題。一是井位部署業務流程的管理問題。在執行井位部署業務流程的時候，不同的環節需要不同的專業部門來完成，但是各個環節之間沒有協同管理平臺，決策人員無法及時掌握各個環節的進展情況，各個環節的產生的成果資料無法在各部門之間傳遞和共享。二是經驗知識的存儲和共享問題。業務專家通過幾十年的勘探開發實踐過程，積累了大量的經驗知識，這些隱性知識存儲在專家意識中，缺乏一個有效的知識表征工具，實現對隱性知識存儲、表示和管理。隨著時間推移，人員變動，經驗知識逐漸遺失，對于企業來說，無疑是巨大的損失。因此，建立集數據、知識、業務過程為一體的知識管理平臺，實現業務流程的控制、經驗知識的存儲和管理，促進企業各個部門之間的溝通協作和知識共享，具有重要的研究意義。

為了實現業務過程與知識管理的結合，首先要對業務過程進行建模。目前，有很多的技術和軟件產品支持業務過程建模[2,3]，例如UML、BPML、 Petri-nets、Rational Rose、JBPM等。雖然這些工具讓用戶更好地了解業務過程，但是大部分工具僅支持數學和圖形建模[4]，而對業務過程的表示缺乏語義層次的描述。工作流技術是業務過程建模、重組和執行的重要技術，但是工作流技術的主體是業務過程，它在實現對顯式的業務過程知識進行管理(通過工作流過程定義)的同時并不支持對普遍意義上的知識進行靈活管理[5]。在國內外，關于知識管理、本體、業務過程的結合有一些研究[6-8]，為實現基于過程的知識管理提供了一些可借鑒的理論和方法，但是仍存在一些問題：(1) 采用本體描述元信息，但是大部分本體都是手動構建的；(2) 采用UML、OWL-S等描述業務過程，但是這些過程是預先定義好的，用戶無法個性化地對業務流程進行組合和配置；(3) 部分研究提到了KM與BPM的集成，但是只是提出了一些理論性的研究方法。

本文提出基于本體面向過程的方法，解決了石油勘探開發領域業務流程的控制和經驗知識的管理問題。首先，本文第一次基于POSC的Epicentre本體模型建立了勘探開發領域井位部署的本體模型。POSC發布的Epicentre本體模型定義了勘探開發領域所有的對象以及對象之間的關系，是一個全球性的石油工業標準。其次本文建立了基于本體的過程模型。在業務建模過程中，采用本體描述業務流程中各個活動所需要的對象，例如活動的輸入輸出對象。基于Epicentre建立的本體為該領域不同的應用程序之間提供了共同的公共數據解釋，解決了業務流程執行過程中數據交換和數據共享的問題。同時，業務過程各個環節所需要的知識、產生的知識都采用本體進行表示。通過本體將不同業務過程之間的知識聯系起來，形成了一個過程知識網絡。在業務過程執行的時候，可以主動推送與該業務相關的知識。最后，本文實現了面向過程的知識管理系統，并將其應用于勘探開發領域的井位部署過程。該平臺主要包括本體管理、過程管理和知識檢索三大模塊。本體管理模塊主要用于維護基于Epicentre構建的本體。過程管理模塊提供了一個可視化的知識表征工具，不僅可以對專家的經驗知識進行存儲和管理，而且可以對業務過程進行個性化的配置和組合。知識檢索模塊向用戶提供本體知識和過程知識。通過知識管理平臺在井位部署業務中的應用，實現了勘探開發已有工作成果的回溯和知識重用，對于指導新一輪的油氣勘探開發發揮了重要的作用。

1研究方法

1.1本體構建

本體是描述概念以及概念之間關系的概念模型，是知識表示的一種重要方式。構建本體可以形式化地描述領域知識結構，為知識獲取和表示奠定了基礎，避免重復的領域知識分析；統一的術語和概念使得知識共享成為可能。目前，不同領域信息化程度不同，有些領域的信息化程度較高，不但有大量的科學數據資源還具有領域標準規范。如基因本體GO (Gene Ontology)、開放生物學本體OBO (Open Biological Ontologies)等。有些領域還不具有領域內通用的本體，需要進行人工構建。而通過人工方法構建本體是一項費時費力的過程，不僅需要系統化、工程化的方法論提供支持，而且需要領域專家的參與，開發效率非常低，質量更難保證。因此，國內外許多研究者正在積極探索支持本體(半)自動化構建的學習方法。利用知識獲取技術從已有的數據源中獲取期望的本體備受關注，數據源可是關系數據庫、Web頁面、機器可讀的詞典、純文本等。企業或者互聯網中的大部分數據存儲在關系數據庫中，關系數據庫到本體的映射采用的主要技術有：逆向工程、模式映射和數據挖掘。通過關系數據庫到本體的映射可以快速地構建領域本體[9,10]，國內外關于此項技術的研究也取得了很大的進展，但是也存在一些問題。本體的構建依賴于數據模型，數據模型的規范性和標準化程度直接影響著本體的質量。大部分關系數據庫是基于不同的業務需求而建立的，表的重復、屬性的重復、元組的重復、屬性值的重復等數據冗余現象是不可避免的，通過映射技術建立的本體是粗糙的，需要領域專家不斷地進行調整和維護，增加了本體構建的成本。因此，一個標準化、規范化、能夠被領域認可的數據模型是構建領域本體的關鍵。

POSC是BP Exploration等五大石油公司為了解決不同公司之間信息共享和各專業的協同工作而建立的石油技術開放聯盟，其技術目標是為石油勘探開發應用軟件提供一套標準規范。為了解決應用程序之間協同工作的問題，給所有的應用程序提供共同的公共數據解釋，POSC發布了Epicentre 數據模型。Epicentre采用面向對象的技術定義了油田整個生命周期中各階段涉及的活動、對象及特性，并采用國際標準信息描述語言Express對模型進行定義，是一個結構化的文本文件。Epicentre將勘探開發數據中的一些共同特性抽象地表示出來，并將他們歸為activity、property、object_of_interest、association、geological_process、ref_data等。圖1描述了Epicentre頂級本體的繼承關系。

圖1　POSC Epicentre頂級本體

隨著本體技術的發展和應用，POSC建立了Express與OWL DL 1.0之間的映射規則，提供了OWL格式的數據模型規范。Epicentre數據模型的OWL文件可以導入本體編輯工具protégé中，并通過內置組件OntoGraf實現本體可視化。Epicentre是一個全球性的石油工業數據模型，基于Epicentre 數據模型建立的勘探開發領域本體是標準的、規范的、被領域認可的。本文基于已有的Epicentre本體，從中抽取出勘探開發領域的核心概念集、屬性集以及概念之間的關系，然后交由領域專家進行確認、修改和完善。勘探開發領域本體的構建確認了對該領域知識的共同理解，為實現知識的共享和重用奠定了基礎。

1.2基于本體的過程建模

知識和數據不是孤立存在的，伴隨著業務活動的執行而產生或者再造，數據、知識應該和業務過程相聯系。在本文中，將本體應用于過程模型，為過程模型的活動結點提供標準的規范化的輸入對象和輸出對象。基于本體的過程模型框架如圖2所示，實現了業務流、數據流和知識流的融合。

圖2　基于本體的過程模型

業務流程表示為完成特定的目標而按序執行的一系列活動的集合。業務流程可以不斷進行分解細化，分解出的流程稱之為二級流程、三級流程等。業務流程中不能再分的最小單元，稱之為活動節點。活動節點包括輸入、輸出、角色和操作集合。在活動節點執行過程中，需要從各種專業數據庫中獲取活動節點所需的業務數據。由于數據源的異構性，數據模型的不一致，導致數據很難統一地映射到活動節點中。為了實現活動節點輸入輸出的通用性和普適性，必須建立一個標準的規范化的邏輯模型，實現數據源由多樣性到統一性的轉換。本體作為一個領域認可的規范化的概念模型，獨立于任何應用程序和物理存儲實現，可以將不同領域不同專業的數據集成到一起，解決了異構數據源之間的互操作性。過程模型表示的是活動與活動之間的關系、活動與對象之間的關系，本體模型表述的是對象之間的關系，將本體應用與過程模型，實現了活動節點輸入輸出數據的一致性和規范性。本體不依賴于過程模型，過程模型的修改不影響領域本體的穩定。采用BNF給出流程和活動節點的形式化概括：

business process ::= {,}|

::=

::= {}|{}

::= {}|{}

::=

::=

::=

::= {,}

::= {,}

::= [(,

)]

活動節點的輸入輸出對象主要由兩種：數據對象和文檔對象。活動的輸入輸出對象采用本體進行表示，這樣保證了同一個活動不同實例的輸入輸出在邏輯模型上的一致性。定義活動節點輸入輸出對象的時候，直接從本體庫中選擇需要的本體。當業務流程執行，活動節點被實例化的時候，通過本體和關系數據庫的映射，數據轉換為本體實例，為活動節點提供所需的數據。本體是與活動相關的，同一個本體可以被不同的活動使用，為區分同一個本體在不同活動中的實例，在本體定義中添加了一個屬性字段活動id，記錄了該本體實例所關聯的活動。

活動節點的操作集合是一系列服務的集合。在本文中，采用基于SOA架構的將領域內一些固化的算法(例如數據挖掘算法等)、圖版或者經驗圖版封裝成服務。通過服務名和操作名用戶可以直接調用該服務完成特定的功能。

角色指明了該活動執行者的類別，例如分析家、評價家或者分析家等。當業務流程實例化的時候，角色被指派給具體的業務人員，同時該活動會出現在指派用戶的代辦任務列表中。當活動執行完畢的時候，用戶將輸出結果上傳到系統中，并發送消息通知流程引擎，控制業務流程繼續運行。角色實現了不同部門之間的相互協作，使得數據流和知識流在不同的活動節點中進行傳遞和共享。

2系統實現

基于如上所提的知識模型，開發了POKMS(Process-oriented Ontology-based knowledge management system)知識管理系統，并將其應用于勘探開發的井位部署領域。系統采用J2EE架構，并使用開源框架spring和hibernate實現事務管理。開發環境細節如下所示：

? Web Server: Apache Tomcat 6.0

? Programming Language: Java, Flex

? Development Platform: Eclipse 3.5, Adobe Flash builder 4

? RPC Service: BlazeDS

? Database: Oracle 10g

? Library: RDF, Jena

? Graph Visualization Software: Prefuse, BirdEye

業務流程是系統的核心，主要包括活動、參數、端口、執行單元等。本文采用面向對象的方法對流程進行建模和表示，如圖3所示。

圖3　業務過程核心類圖

POKMS主要包括本體管理、流程管理和知識管理三部分，還有一些通用的模塊例如權限控制、服務管理、人員管理等。

本體管理子系統：本體維護、本體可視化和本體查詢等模塊。系統提供了本體的維護界面，實現本體以及本體實例的查看、修改和刪除。本體可視化方式有三種：樹形結構、網狀結構和OWL形式。其中樹形結構和網狀結構使用了開源的Adobe Flex圖表制作組件BirdEye，如圖4所示。在業務流程的活動節點被實例化的時候，對應的輸入端本體、輸出端本體亦被實例化。本體查詢模塊可以查看單個本體的所有實例、與實例關聯的活動、與活動關聯的流程等，實現了對業務數據生命周期的監控和追溯。

圖4　井位部署頂級本體的可視化(網狀結構)

流程管理子系統：流程管理子系統包括業務過程建模、存儲、管理和可視化、過程知識管理等。本體庫是該子系統的基礎，活動節點輸入輸出對象的定義、核心算法的參數對象的定義等都是基于本體進行的，這樣保證了活動定義的普適性和通用性，以及不同活動節點之間數據傳輸的一致性。該模塊提供了一個可視化的知識表征工具，專家可以將自己的經驗知識以過程模型的形式錄入到系統中，實現了對經驗知識的存儲、管理和回溯，如圖5所示。

圖5　裸眼測井業務流程

圖6　知識管理子系統

知識管理子系統：主要包括知識檢索和知識可視化，如圖6所示。基于本體面向過程的知識模型，實現了數據、知識和業務的一體化管理，提高了知識檢索的查全率和準確率。用戶輸入檢索關鍵詞，系統向用戶提供本體知識、數據知識和過程知識。

3結語

知識的創造、共享和再利用不是在真空中發生的，知識的收集和再利用只有與特定的業務流程密切聯系，才能有效地發揮作用。為了解決企業業務流程控制和經驗知識的管理問題，本文提出了基于本體面向過程的知識模型。本體模型為業務模型的輸入輸出提供了規范化的概念模型，過程模型定義了主題業務的具體流程、資源以及輸入輸出對象。POKMS的建立，實現了數據流、知識流和業務流的融合，實現了專家知識和經驗知識的存儲、管理和回溯。基于流程化的管理，將引導企業的經營方式由以職能為中心向以流程為中心轉變，促進企業內部各個部門之間的溝通協作和知識共享，提高企業生產效率。該系統在勝利油田井位部署過程中的應用，充分發揮了已有成果和經驗知識的作用，對于新區塊的勘探和老區塊的二次調整開發具有重要的指導作用。

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A PROCESS-ORIENTED EXPLORATION AND DEVELOPMENT KNOWLEDGE MANAGEMENT SYSTEM

Zhao YanhongLi HongqiZhu Liping

(PetroleumEngineeringandDataMiningLab,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

AbstractIn the field of oil exploration and development, well positions deployment is an important sub-process in geophysical exploration, which decides the final results and benefit of the exploration. Therefore, we proposed an ontology-based and process-oriented knowledge model, and designed and developed a set of web-based knowledge management systems based on the model. It provides a visualised process modelling tool and thus implements the business process control and the experience and knowledge management. The platform has been applied in Shengli oilfield in China, it brings the roles of existing outcomes and experience and knowledge into fullplay, and realises the superimposition effect of the knowledge. These play an important guidance role to the explorations in new regional blocks and the secondary adjusted developments in old regional blocks.

KeywordsOntologyProcess modellingKnowledge management

收稿日期：2015-01-07。十二五國家重大專項子課題(2011ZX050 20-007-007)；測井儲層數據挖掘技術研究項目(20112x05020-009)。趙艷紅，博士，主研領域：軟件工程，過程建模，知識管理，本體。李洪奇，教授。朱麗萍，副教授。

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.020