本体构建理论在石油领域的应用研究

摘 要：本体论与各个领域计算机技术的发展结合产生了所谓的“领域本体”的构建及应用研究，首先介绍领域本体的构建理论及方法，然后提出基于多层次业务流程的石油勘探和开发领域本体库的构建方法，把石油勘探开发领域所涉及方面分为多级业务活动层次，并以圈闭活动为例列出对应的微本体库构建方法的探讨。

关键词：本体；领域本体；石油本体；业务流程构建本体；微本体

中图分类号： TP302 文献标识码：A

1 引 言

本体论（Ontology)概念起源于哲学领域；在计算机学科的使用可以追溯到上世纪80年代，最终Gruber给出了广泛接受的概念［1-3］：本体是概念化的明确的规范化说明。

本体作为一种知识共享模式，为特定领域的人和应用系统的交流提供了极大的便利，也正因为如此，本体的研究和应用迅速延伸到知识工程、自然语言处理、信息检索系统、智能信息集成和知识管理、信息交换和软件工程等领域。而如何对这些不同领域内的知识进行抽取和描述并构建出合适的领域本体已经成为当前的研究热点之一［4-7］。

所谓领域本体（domainspecific ontology）是对学科概念的一种描述，包括学科中的概念、概念的属性、概念间的关系以及属性和关系的约束。由于知识具有显著的领域特性，所以领域本体能够更为合理而有效的进行知识的表示。领域本体一般用来表示某一特定领域范围内的特定知识，以本文为例即研究石油勘探开发领域本体库的构建方法为主要内容。

2 本体的构建

2.1 本体的结构

本体的结构(ontology structure)是一个五元组O：={C，R，Hc，Rel，Ao}。作为不同主体之间进行交流的一种语义基础，本体由描述某种现实情况的特定术语集，加上一组关于术语内涵意义的显式假定集合所构成。在最简单的情况下，本体只描述概念的分类层次结构:在复杂的情况下，本体可以在概念分类层次的基础上，加入一组合适的关系、公理、规则来表示概念之间的其它关系，约束概念的内涵解释。一个完整的本体应由概念、关系、函数、公理和实例五类基本元素构成［8-13］:

1）概念是广义上的概念，除了可以是一般意义上的概念以外，也可以是任务、功能行为、策略、推理过程等。本体中的这些概念通常构成一个继承的分类层次。

2）关系是领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n维笛卡儿积的子集: R:C1×C2×…×Cn。在语义上关系对应于对象元组的集合。

3）函数是一种特殊的关系，n元函数中的第n个元素由前面n-1个元素惟一确定，形式化的定义为:F:C1×C2×C3×…×Cn-1Cn。

4）公理是一些永真式的描述。更具体地说，公理是领域中在任何条件下都成立的断言。

5）实例是指概念中的具体例子，特定领域的所有实例构成领域概念在该领域中的值域。

计算技术与自动化2011年9月

第30卷第3期袁国铭等：本体构建理论在石油领域的应用研究

2.2 本体的建立方法

本体是对领域中的概念及概念之间关系的显式描述。目前，领域本体的构建方法还处于探索性研究阶段，对不同问题的不同认识和解决会得出不同的方法论，但都包含五条规则：

1）明确性和客观性:

用自然语言对术语给出明确、客观的语义┒ㄒ濉

2）完整性:

所给出的定义是完整的，能表达特定术语的┖义。

3）一致性:

知识推理产生的结论与术语本身的含义不会产生矛盾。

4）最大单向可扩展性:

向本体中添加通用或专用的术语时，通常不需要修改已有的内容。

5）最少约束:

对待建模对象应该尽可能少列出限定的约束条件。

常见的本体构建方法:TOVE、骨架法、IDEF5、METHONTOLOGY、KACTUS、SENSUS和七步法。本文探讨以七步法为理论根据，步骤如图1所示：

3 石油本体业务框架模型

建立领域本体模型的关键步骤首先在于建立合适的领域本体框架模型。石油业务模型（Business Model）是一种通过定义组成活动及活动之间逻辑关系来描述石油企业经营生产过程的模型，它是勘探开发数据模型的基础。

业务领域的划分以某种与石油相关的主题为指导从整体上对油田主要业务进行划分。它不是现有机构部门的照搬，也不是基础业务的整理，而是概括的，总结性的划分［8-13］。

3.1 业务领域方法

按照业务管理形式或油田生命周期组织方式进行划分，例如按照业务管理可划分为“勘探、开发、生产、经营”4大类。具体方法是：首先根据专业划分业务域。某一专业在油气田勘探、开发中承担了某一确定领域的业务，具有明晰的业务边界。如“物化探”、“钻井”、“采油”、“分析化验”等，不同专业间具有明显不同的业务范畴和业务特性。其次根据油气田勘探、开发生命周期划分业务域。油气田勘探、开发存在着明显的阶段性，且有较明显的阶段性标志，如勘探阶段、开发阶段、废弃阶段等，同一阶段内的若干子业务往往具有一定的相关性，如钻探阶段中的钻、测、录、试等。最后根据油气田勘探、开发管理阶段划分管理业务域。针对油气田不同生命周期或阶段，存在着一些重要的阶段性管理业务。其油气田管理手段和管理方式都不相同，管理内容也不相同，如勘探规划部署阶段、勘探综合研究阶段、开发部署规划阶段等。管理业务可能集中于勘探、开发一个或几个阶段，也可能贯穿于勘探、开发的全过程。

3.2 业务领域划分

业务域的划分以方法生命周期为主线，将专业业务域与方法管理业务域有机的串接起来，尽量符合油气田勘探、开发管理的约定俗成的管理习惯，做到不同业务域间的业务不重复，并保证能覆盖所有的勘探、开发业务。

根据以上原则和方法，把油气田勘探开发业务划分为“勘探规划与部署”、“物化探”、“井筒工程”、“分析化验”、“综合研究”、“开发规划与开发方案”、“油气生产”、“油气集输”等8大业务域［14-15］。

业务领域中包含独立的一个个业务和更细的子业务。每个业务包含该业务的业务流程，业务流程中包含更细的、小的子业务流程。按照同样的原则，可以将业务逐级细分下去，直至不可细分的业务功能单元为止，称为业务活动。

大的业务包含更小的子业务。按照同样的业务划分原则，可以对业务继续细分。业务的划分要覆盖业务领域中的全部业务。直到将该业务领域中的业务全部细分出来为止。业务域-业务-业务流程-业务活动的层次要大于等于三级，业务域-业务的划分和业务流程的分级都不超过三级；如果确实超过三级，则向上一级压缩，或重新规划分级层次。

以“综合研究”业务划分为例，如图3-1所示，首先，综合研究在整个勘探开发生命周期处于勘探的中后期阶段，也是一个关键性阶段，它的专业特点很突出，产生大量的大块数据和成果文档，因此把“综合研究”作为一个顶级业务域对待。它下面包含五个一级业务：“构造研究”、“资源评价”、“油藏描述与评价”、“剩余油研究”和“油藏数值模拟”；而以其中的“资源评价”为例，它又包含：“盆地评价”、“区带评价”、“探井评价”和“预测储量计算”四个二级业务；其中“区带评价”又包含五个三级业务活动：“烃源岩条件评价”、“运聚条件评价”、“储层条件评价”、“保存条件评价”和“圈闭条件评价”。（注：F/S表明上下位关系）

3.3 业务活动的本体模型

业务活动是业务流程分解后最基本、不可再分解的最小功能单元。一般来说，一个业务流程包括若干个业务活动。业务活动的划分与业务分析的视角有关。

业务活动描述：对业务活动的文字性概要描述，描述按照“6W”的模式进行描述，即活动是由谁(Who)发起的、在什么时间(When)发起的、在哪里(Where)发起的、为什么(Why)要发起这个活动、在这个活动中都涉及到了哪些(Which)对象、这些对象的特性是什么(What)。通过这个“6W”过程，可以将某一业务活动中涉及的相关信息完全抽取出来。

6W的核心实质是“对象-活动-关联-特性”，如图3所示。

4 以圈闭活动本体构建为例

4.1 微本体模型

石油勘探开发领域本体模型给出了在该领域内利用本体组织知识、表示知识、应用知识的逻辑形式［18］。勘探和开发领域本体Pet-On可以形式化地表示为五元组Pet-On =，其中O是论域，即本体的集合，C是论域E中的领域概念或术语的集合，R是本体之间的关系，At是本体的属性，Ac是本体的活动或操作。具体的微本体模型如图4所示：

O：论域。根据勘探开发领域知识粒度的不同，论域O中的本体分为不同的级别。一级对应领域主题，如勘探井位部署；二级对应构成一级本体的最大粒度的知识，例如烃源岩；其它级别本体划分方法依次类推。

C：概念或术语。根据勘探开发领域知识粒度的不同，概念或术语的粒度也不同。通常情况下，概念或术语也就是相应本体的名称。例如，勘探井位部署是一级本体名称，同时它也是领域概念的名称。但是，二者有着完全不同的含义。作为本体，勘探井位部署有着自己的属性、活动和与其它本体之间的关系。作为概念，勘探井位部署没有活动，也没有属性，但是有与其它概念之间的联系。

R：本体之间的关系。可以是构成关系，继承关系，也可以是作为其它本体属性的关联关系。

At：本体属性。例如圈闭的等级，烃源岩的岫取

Ac：本体活动或者操作。例如，构造评价就是构造本体的活动。

4.2 圈闭活动的本体模型构建

一个专业领域的本体模型首先必须确定一个业务主题，在相关业务主题的指导下收集和整理该业务范围内的所有的词汇和专业术语，然后按照词汇的等级合理划分词集，以树形的结构模式组织这些词汇之间的关系，在词集整理完善的基础上要建立这些词汇的概念、属性、评价技术和参数、操作流程和识别标准以及词汇之间的关系等，就形成了一个完整的领域本体模型。

圈闭活动微领域本体的构建模型如图5所示。5 总 结

本体库的构建是一个浩大的人工智能系统工程，领域本体的构建与应用又是其中最有广阔发展前景的方面，本文提供了在石油勘探开发领域一种基于业务流程的多层次本体构建方案探讨。可以预见：在不久的将来，领域本体库的构建与应用会对人类社会的进步作出巨大的贡献。

参考文献

［1］ Thomas R Grube. Ontolingua:A Translation Approach to Potable Ontology SPecification［J］. Knowledge Acquisition,1993,5(2):199-200.

［2］ Bomt W N. Construction of Engineering Ontofogies for Knowledge Sharing and Reuse［D］. PhD Thesis,Enschede:University of Twente,1997.

［3］ Fridman Noy and CD Hafher. The State of the Art in Ontology Design. A Survey and Comparatlve Review［J］. AI Magazine,1997:53-74.

［4］ Guoming Yuan,Hongqi Li and Bo Fan.Discussion on the Construction Method of Oil Exploration and Exploration and Development Domain Ontology［C］//Proceedings of ICEOE 2011,the 2011 IEEE International Conference on Electronics and Optoelectronics,Dalian,China :V4-397.

［5］ 陈刚,陆汝钤,金芝.基于领域知识重用的虚拟领域本体构造［J］.软件学报,2003,14(3):350-355.

［6］ 冯志勇,李文杰,李晓红.本体论工程及其应用［M］.北京:清华大学出版社,2007.

［7］ 袁国铭,李洪奇.关于决策支持系统的综述.微型机与应用［J］.2010,29(23):5-7.

［8］ 陈新发，曾颖，李清辉.数字油田建设与实践-新疆油田信息化建设［M］.北京：石油工业出版社，2008.27.

［9］ 汪福勇，李爱国.浅谈中国石油信息标准化［J］.石油工业计算机应用，2005，13(1):2-6.

［10］AFridman Noy and CD Hafher. The State of the Art in Ontology Design. A Survey and Comparatlve Review［J］.AI Magazine,1997:53-74.

［11］AGuarino N. Formal Ontology and Information Systems. In: Proceedings of the lst International Conference on Formal Ontology in Information Systems (FOIS’98)［J］.Trento,Italy:IOS Press,1998,3-15.

［12］AQuine W V. From a logical Point of view: Nine Logicophilosophical Essays,Cambridge, Massachuetts［M］USA:Harvard University Press,1980.

［13］AGuarino N,Carrara M,Giaretta P.Formalizing Ontological Commitments. In:Proceedings of 12th National Conference on Artificial Intelligence(AAAI’94)［J］. Seattle, Washington, USA, 1994,(1):560-568.

［14］A邓志鸿,唐世渭,杨冬青，等.本体内代数系统之研究［J］.计算机工程与应用,2001,7(23):7-8.

［15］APeter Mika. Ontologies are us: A unified model of social networks and semantics ［J］ .Web Semantics: Science, Services and Agents on the World Wide Web, 2007, 5(1) :5-15 .

［16］A杨义忠,王承勇,林淑凤.石油主题词表［M］.北京：石油工业出版社,1994.

［17］A刘宝和.中国石油勘探开发百科全书［M］.北京：石油工业出版社,2008.

［18］A袁国铭,李洪奇,樊波.关于知识工程的发展综述［J］.计算技术与自动化,2011,30(1):138-143.