大数据背景下地球物理专业课程模式探索

来源:用户上传      作者:杨春颖　王赟　张致付

　　【摘要】随着学科间交叉以及大数据方法在地球物理学科的不断渗透，需要培养具有地球物理和大数据知识的综合型人才。传统地球物理专业向油气勘探开发各个阶段输送了大批人才，但在大数据方面的教学模型设计方面尚未形成对应的培养方案。本文从大数据的技术体系出发，分析了数据采集、存储管理、计算模式、数据挖掘分析等流程，并介绍了数据挖掘方法在油气勘探开发中的应用。以此为基础，设计了面向地球物理专业的数据挖掘教学模型，介绍了具体内容，希望以此教学模型为起点，设计教学大纲，开展教学探索。
　　【关键词】大数据  地球物理  数据挖掘  教学模型
　　【中图分类号】P3-4;G642.423【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）26-0116-03
　　大数据起源于互联网并迅速发展，在各个行业得以应用。油田勘探开发行业采集并管理着庞大的数据体：从三维宽方位采集、四维地震、生产数据到测井、岩心、生产测井，再到光纤实时数据传输。国内含油气盆地具有多样化、多期次的构造特征，有海相碳酸盐岩孔缝储层，又有陆相碎屑岩和隐蔽油气藏，诸多复杂构造、复杂储层的勘探开发需要高精度地球物理方法，利用大数据方法进行生产决策，可以充分利用发挥已有地震数据的优势，提高并推动地球物理核心技术的发展。而大数据方法在能源行业的发展和应用，需要懂专业和大数据知识的综合型人才，该背景下地球物理专业学生培养的投入相对薄弱。
　　1.大数据技术体系
　　大数据流程（图1）涉及数据采集和预处理，存储和管理，计算模式，大数据挖掘和分析，以及可视化等五个方面[1，2]。数据采集主要包括以下几个方面：（1）科学实验采集，是在预先假定条件下观测到并用于研究和学术的信息系统;（2）物理信息，可以是对各种物理现象或物理过程的监控和检测，是关于介质物性、化学性质的测量数据;（3）管理信息，为日常管理和经营过程中产生的数据，例如，办公和事务处理系统;（4）Web信息系统，通常指互联网产生的各种数据信息。这些数据是对某一过程或某周期状态或某种现象的描述，这些数据的质量决定了可用性，能否精确的描述生产过程、学术问题均受到数据质量的影响。
　　采集的大规模数据，可能是结构化的，也可能是非结构化的，均需要存储技术支撑;根据用户需求，数据的处理方式和结果也多种多样。因此数据的存储和管理，是大数据的另一个重要环节。将PB（1000TB）级甚至更高的EB（1000PB）级数据分散到各个节点或者设备上，是分布式存储的基本特征，目前常用的技术包括分布式文件系统，分布式数据库，大数据索引查询等。大数据计算模式（图2）有批处理、内存计算、流式计算、迭代计算、查询分析计算和图计算[3]。以常见的批处理为例，其对应的计算系统有Hadoop、MapReduce和Spark，采用的是分而治之的并行思路，是目前最为主流、较为成功的并行计算模式，具有简单易用的特点，很多企业内部使用这种批处理方法计算大数据。
　　大数据的优势在于数据的体量大，通过数据挖掘，可以克服观测数据的个体波动，从而揭示更多可信赖的深层次的模式和规律，发现更潜在的数据价值，数据挖掘是通过机器学习、统计等实现数据聚类的过程。在TB级别的数据体上迭代查找有用信息，需要深入理解和扎实的数据挖掘方法。该方法本身经过了很多年的发展，已经出现了很多较为成熟的挖掘算法[4]，而传统的算法较难直接应用到MapReduce、Spark等分布计算系统上，需要开发新的方法，挖掘算法可以分为聚类算法、预测回归算法、索引排序法和关联规则分析法[5]，可实现知识的提取。这些方法可以在分布式存储系统框架下，并行的执行大数据挖掘任务，在准确率和效率方面大大提升。
　　从大数据的技术体系可见，与数据的存储方式、计算系统研究相比，数据挖掘是面向用户需求的一种计算过程，可服务各行各业，对油气行业的发展将有很大的帮助。大数据在能源行业的发展和应用，需要懂专业和大数据知识的综合型人才，此类人才缺口较大，仅美国就需要14万到19万名拥有数据深度分析专长的从业者。近年来，像中石油这样的大型央企未雨绸缪，也在加大数据专业人才的培养力度，开始大数据的人才储备;广海局在可燃冰技术方向走在国内外前列，近两年也开始招聘数据挖掘方向，招聘专业限制为测绘和地球物理这两个专业，可见，企业和科研高校对这方面人才的需求趋势;寻求数据挖掘和地球物理专业的结合点，将是未来人才培养的一个新方向。
　　2.大数据对地球物理技术的影响
　　勘探地球物理旨在圈定油气藏边界，需要采集和分析大量数据，例如：野外宽方位、节点式采集产生海量地震数据，时延地震通过对有利区块重复三维采集，产生的大数据等。随着技术的发展，采集1000平方公里的三维数据是500TB，1.92万次覆盖，道数已高达700亿道。通过大数据和云技术实现数据快速传输，并实现野外与室内的实时互动，这些工作的展开都要围绕大数据技术。很多工作者已经尝试采用数据挖掘方法开展油田解释和反演工作。例如，通过关联规则、神经网络方法，统计分析油田勘探开发数据库，并研究水淹层自动识别技术[6];通过贝叶斯方法和聚类分析技术实现油田数据库监控，实现数据质量、静态、动态数据跟踪等[7]。
　　国内外公司也已经开始布局大数据在油田勘探方面的应用，像国外大型油服公司CGG、Schlumberger，都在开发大数据应用平台。Schlumberger推出了认知勘探开发环境，利用了数据挖掘方法，例如，机器学习、物联网等来提供生产率，同时，也发布了数字化井建设规划方案，以便能够在统一的系统内访问钻井数据，并将此项技术逐渐应用到勘探开发的其他环节。中石化自主开发了π-frame地震数据处理和解释软件，是处理和解释一体化平台，实现了数据IO和处理的并行化，在业界首次使用MapReduce和Hadoop等分布式大数据技术，能够支撑PB级别海量地震数据的高效组织和管理。π-frame的功能不仅局限于此，未来还将包括钻井、测井等勘探开发技术，该平台与现在主流软件相比，已经具备了明显的优势。此外，中石油也在开展油田生產管理系统。随着技术的不断发展，以及生产效率的不断提高，数据挖掘技术在油气行业将展现出广泛的应用前景，对具有地球物理背景的综合型人才需求较大。 　　而地球物理专业对人才的培养多集中在地震勘探方法、地震数据处理和解释、数字信号处理等传统科学的建设，在学时安排方面传统专业课的比重较大，作为高校的教学工作者，对行业动态和最新发展趋势的认知，利于探索地球物理专业学生的培养方式，以适应能源行业的新时代特征，加大这方面人才培养的力度。在国内外能源需求降低，人才竞争激烈的背景下，培养高素质毕业生，可以提高专业的核心竞争力，保证人才的输送质量。
　　3.地球物理专业培养方式
　　经过多年教学和实践，地球物理专业传统课程设置的教学模型优势在：大学一年级基础知识学习，奠定学科基础，包括高等数学、大学物理、地球物理概论等基础课程;同时，学科讲座贯穿整个学年，新生对专业有较为清晰的认识。大学二年级开始较为深入的数理学习，包括线性代数、复变函数、概率论等专业基础课学习，为下一年度专业课学习打下基础;此外，还将系统学习C++语言程序设计，算法基础编程实践;也有专业课学习，例如，数字信号处理等。第三年将集中学习弹性动力学、场论、地震、测井、地磁等多种物探方法，从课程设置来看，学生将接受较为全面的专业课学习。第四年是对专业课的一个系统学习。考虑学科特点，探索数据挖掘课程模式，需要整合分析现有课程设置特点、采取分层阶梯优化的原则，整体推进教学模型设计：
　　（1）基础层：学科基础课是大数据分析的基本工具，以常规大数据处理方法为依据，研究学科基础课程内容设置，设计基于大数据分析（数据挖掘）技术的教学内容：
　　①数据挖掘基本概念：包括定义、方法的价值和目的，即输出的是一个预测模型，并改善预测模型;地震海量数据引起的生产需求;挖掘技術分类：按照功能分为预测和描述两种，又可细分为聚类算法、分类与预测、关联分析法;挖掘算法的特征;异常检测的应用以及异常检测分类。
　　②分类与预测：每条记录都包含一组属性，其中的一个属性就是类，若根据类属性获得一个模型，则这个模型就是其他属性的函数;预测是根据某些变量预测未知或其他变量在将来的值，或者，根据已知数据集和类属性，构建预测模型并分类现有数据，并使用分类的新数据，预测未知对象。可实现非线性样本学习，进行非线性函数预测。
　　分类法包括决策树分类法、神经网络、支持向量机和朴素贝叶斯分类法[8]，都是通过学习算法确定分类模型，能够很好的拟合输入数据和属性之间的关系[8]。重点讲述广泛使用的决策树分类技术：基本原理，建立决策树流程，决策树归纳设计，属性测试条件，属性划分度量的合理选择。最后介绍模型的过拟合问题：训练误差、过拟合原因等。
　　③聚类算法：按照某种标准把一个数据集分割成不同的类，使得类内相似性尽可能大，同时类间区别也尽可能大。最终每个分类在空间上是个相对稠密的空间。和分类的区别在于聚类不依赖于预先定义的类。如图3所示。教学内容主要包括分类、划分方法、基于模型的聚类、异常分析。
　　④案例分析：储层性质横向变化大，采用聚类分析可以有效、准确地建立储层预测流程。而地震属性是地震反射波的任一属性，从数据驱动的角度，将属性和特定储层特征联系起来，可以建立合理预测模型。例如，碳酸盐岩油层含水和裂缝分布，通过裂缝和油井分类统计含水饱和度，进而制定潜在有价值的生产策略，整个数据分析流程如图4所示：
　　以上是根据现今大数据和地球物理的结合点，设计的教学内容和案例分析，希望通过课上讲解，激发学生的积极性，提高学生基本学习能力。课程安排方面，可以安排在
　　C++和算法基础编程实践课程后，或者安排在大学四年级，作为作业的新方法新技术。虽然课程和传统专业课略有差异，但可以充分发挥大数据方法在引导学生兴趣中的作用，并可以依托传统专业课的优势，普及“大数据+专业”在寻找能源、国民经济发展中的重要方法和技术。
　　（2）专业层：学生通过课堂学习，逐渐对学科专业课：如地震数据处理、解释方法课程，融会贯通。在这个层面，可以整合理论教学和实践内容，学习SAS Data Mining（SAS 数据挖掘软件）、Software-R等软件，设计一些实验流程，增强学生对课程的认知。也可以设计一些小微课题，任课老师指导，从文献查阅、方案制定、流程设计开始组织学生独立开展学习，解决实验设计与调试过程中遇到的问题，培养学生的创新意识。
　　4.结束语
　　通过介绍大数据处理的基本体系，详细分析了适合地球物理专业的大数据方向——数据挖掘，该项技术在国内外大型单位都具有很好的前景，而且人才需求很大。将地球物理和大数据进行融合，优化课程内容，设计符合地球物理专业的教学模型，可以形成较为完整的大数据地球物理课程，帮助课程大纲撰写，也有助于教学探索。此外，设计合理的教学内容，可以适应学科和行业发展，拓展了人才培养空间可以提高学生的综合竞争力，推动我校地球物理专业学科建设。
　　参考文献：
　　[1]李学龙，龚海刚.大数据系统综述[J].中国科学：信息科学，2015（45）：1-44.
　　[2]涂新莉，刘波，林伟伟.大数据研究综述[J].计算机应用研究，2014（31）：1612-1616.
　　[3]李秋虹.基于MapReduce的大规模数据挖掘技术研究[D].复旦大学，2013.
　　[4]孟小峰，慈祥.大数据管理： 概念，技术与挑战[J].计算机研究与发展，2016（50）： 146-169.
　　[5]Han J， Pei J， Kamber M. Data mining： concepts and techniques[M]. Elsevier，2011.
　　[6]王宏威.油田数据挖掘技术的研究与应用[D].大庆石油学院，2005.
　　[7]樊嘉麒.基于大数据的数据挖掘引擎[D].北京邮电大学，2015.
　　[8]李欣.基于神经网络的数据挖掘方法研究[D].大庆石油学院，2003.
　　作者简介：
　　杨春颖，女，讲师，主要从事地球物理教学与研究工作。
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