基于本體的圈閉評價知識表示研究

文必龍，馬 凝

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163811)

0 引 言

各油田歷經多年勘探，在長期對地質油藏勘探調研過程中，積累了豐碩的地質研究成果和大量圈閉評價勘探資料，然而，絕大多數圈閉評價信息都以非結構化文本的形式存儲在文本中，多以自然語言呈現。自然語言雖然便于人們理解，但其中的歧義性和語義多重性使計算機不能很好地對其進行處理，這就造成了信息集成困難，知識難以統一表述和形式化等問題，圈閉評價知識難以被油田工作者和專家更好地利用。為了便于資源共享和信息化處理，領域知識能夠被計算機更好地接受和處理，引入知識表示，以一種適當的數據結構在計算機中存儲，用于對圈閉評價知識的描述和表達。圈閉評價知識表示，則是將圈閉評價領域這一客觀領域的事實、關系、過程等編碼為一種合適的數據結構，用于計算機識別和處理。本體作為一種知識共享模式,為特定領域的知識應用提供了極大的便利。有關本體論方法的研究和應用在知識工程、自然語言理解和知識表示等領域日益受到重視,使其成為知識工程中的熱點研究對象之一。為了更好地對圈閉評價知識進行有效的表示和集成，解決圈閉評價中知識共享和重用的問題，該文將結合本體的思想展開圈閉評價知識表示的研究。

1 圈閉評價定義及知識特點

1.1 圈閉評價知識定義

圈閉評價(trap evaluation)指利用地震、鉆井資料結合區域地質，對圈閉的落實程度、類型、面積、幅度、目的層深度以及生儲蓋、油氣顯示、含油可能性等條件進行系列評價，綜合確定圈閉等級，以資對比擇優提供預探的工作。它以油氣成藏理論為依據，以計算機為手段，以勘探數據庫為依托，充分利用地面物化探資料、井筒資料和綜合研究資料，進行圈閉石油地質綜合評價、資源量估算、圈閉優選、待鉆圈閉的精細描述，并提出預探井部署設計意見以及鉆探圈閉的反饋評價。圈閉評價的目的是為編制勘探計劃提供依據，指導預探井部署，提高圈閉預探成功率。圈閉評價知識是指從圈閉準備到預探井部署意見以及鉆探圈閉的反饋評價整個業務流程所涉及的所有知識。

其中圈閉評價內容主要指含油氣性評價、資源量評價、經濟評價等3個基本板塊。評價方式采取定性評價和定量評價相結合的方式，四大配套技術有地質研究為基礎的取代評價技術，成藏模式與勘探評價條件為依據來構建圈閉的評價模型研究技術，油氣系統理論指導下的圈閉含油氣性評價技術，系統分析方法為主要的圈閉綜合優選評價技術。

通過研究圈閉評價的應用需求和梳理實際油田業務內容，本課題所涉及的圈閉評價知識主要包括以下四類，分別是基礎實體知識、成果案例知識、方法規范知識、數據類知識。

基礎實體知識：是開展圈閉評價相關的基礎實體知識，圈閉評價全生命周期中涉及到的基礎學科理論知識，多以概念定義等對實體知識進行描述，屬于靜態知識。例如，在老爺廟圈閉描述報告中就對扇三角洲沉積體系進行了描述，扇三角洲沉積體系大多發育在盆地陡坡地區，呈“裙邊”狀分布，包括扇三角洲平原、扇三角洲前緣、前扇三角洲三部分。

成果案例知識：是指與圈閉評價工作相關的成果報告、經典案例等，能夠對之后圈閉評價的開展有指導、借鑒意義，對于方案對比選擇，案例分析推理能夠提供知識支持；通過過往成果案例中包含的時間地點、圈閉背景、地形條件、圈閉描述、評價結果等相關要素，為圈閉評價過程提供借鑒與參考。例如，在唐海地震資料巖性圈閉識別評價報告中就提供了相應的地層案例，即寒武系地層沉積具有北薄南厚的特征，由地震剖面看出，寒武系和侏羅系地層靠近西南莊斷層上升盤一側普遍缺失，向西變厚，為正常沉積。侏羅系地層局部及白堊系與上覆館陶組地層具有明顯的角度不整合接觸關系。其對剖面地層的案例為之后圈閉識別與評價的地質評價提供了支持。

方法規范知識：是指開展圈閉評價可以參照和涉及的方法、規范，大多由石油及相關行業協會、權威機構以及國內外具有公信力組織及部門發布的標準、規章和學術方法等規范性定義知識，為圈閉評價提供技術方法和規范支持。例如，最新的圈閉評價技術規范中就對圈閉經濟評價方法進行了描述，包括價值量評價和實物量評價，實物量評價采用靜態評價法，計算圈閉鉆探成功率、圈閉鉆探率等指標。在方法規范上為圈閉經濟評價提供了規范的支持。

數據類知識：是指圈閉評價相關的數據，包括時間地點、地形結構、背景條件、圈閉描述、優選策略、圈閉優選、評價結果等多個要素，同時也包含實際探測的各種記錄數據，計算動態數據以及各種油田參數數據，數據類知識為圈閉評價過程供應事實實例。例如，高北區塊圈閉描述與評價報告中就涉及到了孔隙度平均值、滲透率平均值以及油層厚度等多個參數的具體數據，為描述圈閉評價提供實際數據。

1.2 圈閉評價信息知識特點和需求分析

(1)圈閉評價知識的模糊性。

圈閉評價知識涉及到地理物理、分析化驗、地質勘探、石油天然氣、油氣開發、油氣存儲與運輸等多個業務主題知識，知識間相互交叉，錯綜復雜，無法對圈閉評價知識的邊界進行嚴格劃分，這就對知識的分類和定義造成了模糊性。另一方面參數范圍的不確定性，評價的優劣以及效果和影響程度等都造成了知識的模糊性。例如，在圈閉含油氣概率評價中概率賦值就存在模糊不確定性，對于如何評定資料充實證明成藏條件/關鍵因素參數多為人為主觀判斷，因人而異，造成了知識的模糊性。

(2)圈閉評價知識的層級性。

圈閉評價的層級性主要體現在以圈閉評價業務流程為主線的階段層級性和以圈閉地質特征所體現的空間層級性。階段層級性指圈閉評價具有一套較為規范的業務流程，從圈閉識別開始依次通過一系列的評價和優選，最終以達到圈閉預探成果目的結尾，將圈閉評價劃分為各個不同的階段，從而依據各階段劃分業務架構，依據業務架構進行層級性劃分知識?？臻g層級性是根據圈閉特有的地質空間層級來描述，例如儲集層的上一層是防止油氣流失消散的蓋層，而烴源層則又多居于儲集層之下。這種空間層級性也對于圈閉評價知識的描述具有特殊影響。

(3)圈閉評價知識的動態性。

圈閉評價知識中油田實際開發探測情況引發了動態變化，在圈閉評價知識中生產數據和輸出數據存在著中間量轉化和公式計算等情況，這就造成了圈閉評價過程中動態知識的存在。例如，圈閉含油氣隨著科學技術的發展，油田領域也在不斷開創新的里程，各種勘探開發技術、圈閉識別技術、評價方法等新方法、新技術的層出不窮，也為圈閉評價知識不斷注入新血液。例如，在新出版的SY/T 5520-2019辦圈閉評價技術規范中，就增加了不確定性情況下圈閉資源量計算公式及其合理性校驗方法。圈閉評價知識的動態性就容易造成知識更新不及時和動態變化引起的知識多重表達。

(4)圈閉評價知識的偏差性。

由于含油氣圈閉位于地下，圈閉地質影響也頗為復雜，圈閉信息則具有時差和間接性，不能及時有效地得到反饋信息，這就造成了圈閉評價知識的偏差性。

1.3 圈閉評價知識表示的重要作用

圈閉評價的多種不確定性知識特征，造成了油藏工程師和技術人員對于圈閉評價知識理解的片面性和主觀性，引起了不必要的誤解和工作失誤，不利于圈閉評價知識的管理和應用。知識表示是知識管理的基礎，知識表示模型直接決定了知識管理的有效性。通過圈閉評價知識表示，進行知識規范性描述，給予圈閉評價知識一個形式化表示，對于圈閉評價更好地進行油藏勘探開發中圈閉評價知識的管理和應用。

1.4 知識表示方法比較與選擇

在知識工程的歷史長河中，眾多學者和專家也提出了多種知識表示方法，選擇一個實用性強、性能優良的知識表示方法至關重要。在選取知識表示方法的時候，需要從可理解性、表示充分性、易維護性、可推理性、易操作性等幾個方面綜合考慮。知識表示方法對比如表1所示。

表1 知識表示方法對比

通過對比顯示，本體表示法在以上多個方面中都具有良好的性能，能夠清晰明了地表示出領域知識概念的定義、本質特征、層次結構的表達，以及實體概念間的復雜關系。本體表示法能夠以形式化方式表示多種形式知識，適用于大多數領域知識，其反映的是領域內共同認可的概念，目的是為了實現領域內知識的共享。并且本體語言的無二義性也使知識描述和理解中的偏差得以解決，這是相較于其他知識表示中所具備的良好適用性能。所謂領域本體是對學科概念的一種描述，包括學科中的概念、概念的屬性、概念間的關系以及屬性和關系的約束,由于知識具有顯著的領域特性，所以領域本體能夠更為合理而有效地進行知識的表示。

在圈閉評價知識中，本體概念間關系的表達能夠很好地解決圈閉評價知識的模糊性帶來的問題，能夠通過關系的表示來描述圈閉評價涉及的多個業務主題知識，對于圈閉評價知識間錯綜復雜的關系能給予一個形式化的表達；而針對圈閉評價知識的層級性恰好適用于本體中類和類的等級關系，通過逐級劃分的方式更好地將圈閉評價知識的業務流程和空間層級體現出來；同時本體具有良好的可擴展性，便于知識的更新和修改，能夠解決圈閉評價知識的動態性和偏差性問題。由此可見，本體表示法對于圈閉評價知識的表示具有較強的適用性。

依據圈閉評價知識的特征和本體表示法的適用性，最終采用基于本體的圈閉評價知識表示法來描述圈閉評價知識。

2 基于本體的圈閉評價知識表示

2.1 圈閉評價知識本體

利用本體的建模元語，將圈閉評價本體定義為一個五元組，其形式化定義如下：

TEKO={C,A,R,H,I}

其中TEKO(trap evaluation knowledge ontology)表示圈閉評價知識本體，C(Concept)表示圈閉評價知識中概念的合集，是圈閉評價中實體的概念、術語等；A(Attribute)表示圈閉評價概念的屬性合集，描述概念所具備的特性；R(Relation)表示圈閉評價各概念之間的關系合集；H表示概念間的層級結構；I(Instance)表示圈閉評價概念的實例合集。

2.2 圈閉評價本體構建與知識表示

該文采用斯坦福七步法展開圈閉評價知識本體的構建，其主要步驟包括知識領域和范圍的確定，分類和層級關系以及屬性和關系約束，以Protégé5.5本體開發工具展開構建，采用OWL語言描述圈閉評價知識本體，以地質評價為例，展開基于本體的圈閉評價知識表示。

2.2.1 確定圈閉評價知識領域及應用范圍

該文所涉及的圈閉評價的知識主要是地質油藏方面的知識，大體分為地質評價、資源量評價和經濟評價三個方面。該本體的適用人群為圈閉評價人員及其相關的勘探開發、油藏預測研究人員。該本體可以直接以OWL文檔的形式保存供相關人員使用。目前，尚未存在針對地質油藏領域中圈閉評價構建的知識本體，沒有可復用本體。

2.2.2 圈閉評價知識的分類和層級結構

依據油田實際業務背景，圈閉評價知識分類采用面向業務模型和主題相結合的知識分類方法，首先根據業務模型的等級從主要概念逐級劃分，該分類方式主要在油田專家劃分的一級業務等級的支持下，根據實際業務活動內容、應用范圍、業務對象、業務單元描述，進行業務邊界限定和等級劃分。并結合相同特征劃分的主題，根據其具有的共同屬性進行知識的詳細分類。根據業務等級和主題細化相結合的逐層細致分類，形成了知識本體的層級結構。圈閉地質評價知識的分類結構如圖1所示。

圖1 圈閉地質評價知識分類結構

2.2.3 圈閉評價知識的屬性與關系約束

屬性是類的特征，分為對象屬性和數據屬性，其中對象屬性描述的是類與類之間的關系，也就是知識概念間的關系約束，數據屬性描述的是類的相關數據，是其本質特性。

圈閉評價知識本體定義了多種關系約束:

IsPartOf:表示概念間的部分與整體關系，一個概念的實例包含另一概念實例的內容，例如圈閉就包含了構造圈閉和地層圈閉。

DependOn:表示概念間的依賴關系，是不可逆的，例如圈閉的形成依賴儲集層、蓋層。

同時還具有針對地質油藏中圈閉評價特有的空間關系，例如：覆蓋、重疊、接觸關系等。

在歸納整理后，關于地質評價知識的數據屬性大致包括知識編號、類型、名稱、深度、面積、時間、評價參數、評價等級等。

2.2.4 基于OWL的圈閉評價知識本體的表示與描述

基于OWL語言的圈閉評價知識本體，依據地質評價實例，進行圈閉評價知識規范化描述，借用領域本體更加清晰、完整地表達圈閉評價知識，便于知識共享和重用。圖2為Protégé圈閉評價知識本體部分展示圖。

圖2 Protégé圈閉評價知識本體部分展示圖

OWL語言描述圈閉評價知識本體：

(1)圈閉概念表示編碼。

圈閉根節點下包括圈閉劃分、圈閉描述、圈閉評價三個子節點，見圖3。

圖3 圈閉概念OWL文件截圖

(2)圈閉對象(關系)屬性表示編碼。

圈閉具有isPartof對象(關系)屬性，該對象屬性的定義域是圈閉，值域包括地層圈閉、復合圈閉和構造圈閉，見圖4。

圖4 圈閉對象屬性OWL文件截圖

(3)圈閉數據屬性表示編碼。

圈閉具有其基本自身屬性也就是數據屬性，包括圈閉名稱、圈閉類型等，見圖5，其數據類型為“String”類型。

圖5 圈閉數據屬性OWL文件截圖

采用基于OWL語言的圈閉評價知識本體進行知識表示，能夠形式化地表示知識，被計算機識別和應用。其對圈閉評價知識概念的定義，很好地解決了知識描述中的二義性問題，對于知識的多平臺共享和有效復用都有一定的優勢。同時TEKO的可擴展性有利于知識的后期修改和完善。由此可見，基于OWL語言的圈閉評價知識本體能夠合理有效地對圈閉評價知識進行表示。

3 結束語

該文從本體論的角度出發,探討了圈閉評價領域中的知識表示,通過對圈閉評價知識進行定義，分析歸納圈閉評價知識特點，總結知識表示在圈閉評價中的重要作用。并通過多種知識表示方法比較，最終選擇基于本體的知識表示方法對圈閉評價知識進行描述和表達。通過改進的本體構建流程，構建了一個較完善的、可共享、可擴展、可重用、形式化的圈閉評價知識本體。最后，采用Protégé本體工具對TEKO模型進行可視化展示，用基于OLW的語言對圈閉評價知識進行形式化表示和描述。基于TEKO的知識表示方法能夠很好地對圈閉評價知識進行表示，可將其應用于圈閉評價相關的知識抽取、推理，后續適用于圈閉評價專家系統以及圈閉評價知識庫和知識圖譜構建等方面。