基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式及實現(xiàn)

王曉麗, 鄧達康, 孟祥龍, 唐先明, 郭攀紅, 林暢松

( 1. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083；　2. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京　100083；　3. 中國地質(zhì)大學(北京) 海洋學院，北京　100083 )

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基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式及實現(xiàn)

王曉麗1,2, 鄧達康1, 孟祥龍1, 唐先明1, 郭攀紅1, 林暢松3

( 1. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京100083；3. 中國地質(zhì)大學(北京) 海洋學院，北京100083 )

油氣勘探開發(fā)行業(yè)的信息數(shù)據(jù)資源涉及多學科、多地域，結(jié)構(gòu)復雜，類型多樣。提出一種基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式，提取知識源的領(lǐng)域命名實體，將海量知識與已知的領(lǐng)域本體關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)快速知識獲?。煌ㄟ^改進Trie索引樹詞典構(gòu)造方法、創(chuàng)建節(jié)點失敗指針優(yōu)化正向最大匹配分詞方法，快速匹配并提取已登錄領(lǐng)域命名實體；采用領(lǐng)域命名實體規(guī)則特征和聚類統(tǒng)計分析方法，識別未登錄領(lǐng)域命名實體(包括疑似命名實體和新增命名實體)。該模式能夠提高油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域知識源的命名實體提取效率和準確率，有效解決油氣勘探開發(fā)行業(yè)獲取知識的難題。

勘探開發(fā)； 領(lǐng)域本體； 領(lǐng)域命名實體； 知識獲取

0　引言

油氣勘探開發(fā)企業(yè)零散分布的海量成果文檔類、數(shù)據(jù)類等信息數(shù)據(jù)資源，涉及地質(zhì)、地理、分析化驗等學科領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)復雜,類型多樣，缺乏統(tǒng)一組織和管理，油氣勘探人員難以根據(jù)特定需求準確、高效地獲取成果文檔、圖片和數(shù)據(jù)等知識。因此，從油氣勘探開發(fā)信息數(shù)據(jù)資源中快速獲取知識，并組織到知識庫成為油氣勘探知識管理亟需解決的問題。

知識獲取是知識管理的基礎(chǔ)和核心技術(shù)，也是制約知識管理的瓶頸[1]。本體理論在知識獲取中受到廣泛重視，本體的三層結(jié)構(gòu)架構(gòu)(即頂層本體、領(lǐng)域本體、應用本體)對各行業(yè)的知識獲取組織具有指導作用[2]。應用本體理論實現(xiàn)對多種形態(tài)知識的有效組織逐漸成為人們研究熱點，在航空[3]、醫(yī)藥[4]和數(shù)學[5]等領(lǐng)域取得成果。考慮油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域知識源現(xiàn)狀，以及領(lǐng)域本體與知識源緊密關(guān)聯(lián)的特點[6]，本體理論適用于指導油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的知識組織。

應用本體理論獲取組織知識的最重要環(huán)節(jié)是對知識進行分詞處理，將隱含于知識文本的領(lǐng)域本體提取出來。自動分詞技術(shù)是文本處理、知識管理等領(lǐng)域的重要信息處理技術(shù)，分詞結(jié)果的質(zhì)量及效率決定本體提取的準確度和速度[7]。油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域分詞存在歧義、未定義詞識別等問題，歧義問題如油氣勘探開發(fā)常用的“地球化學分析”手段，可以切分為“地球化學/分析”和“地球/化學分析”形式，前者是油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域知識文本的正確分詞切分方式；未定義詞識別問題如構(gòu)造單元命名、井名等。領(lǐng)域本體庫不可能囊括全部本體實例，并且在油氣勘探開發(fā)過程中還不斷產(chǎn)生新的本體，如新增的勘探區(qū)塊、新打的鉆井，需要識別并提取在領(lǐng)域本體庫中不存在的未定義命名實體。常用的分詞方法包括基于詞典的字符串匹配分詞方法[8]、基于統(tǒng)計的分詞方法[9]等，前者簡單易實現(xiàn)，切分速度快，應用效果很大程度上依賴于詞典的完備程度和查詢結(jié)構(gòu)；后者常用于局部文本的歧義消除、詞性標注等方面，不適用于全文本分詞處理。

基于油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域知識文本量巨大、已構(gòu)建較完備的領(lǐng)域詞典的情況，筆者改進詞典結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化正向匹配分詞算法，實現(xiàn)大量詞典中已登錄領(lǐng)域命名實體的提取，并提出領(lǐng)域命名實體的規(guī)則特征；采用基于聚類統(tǒng)計的方法，識別詞典中未登錄領(lǐng)域命名實體。

1　領(lǐng)域本體知識獲取模式

本體在知識管理的研究和應用中日益成為熱點[10]。頂層本體是獨立于特定領(lǐng)域的高層本體，描述最普通的概念及其關(guān)系，可擴展衍生出領(lǐng)域本體[11]；領(lǐng)域本體是特定領(lǐng)域的專門本體，描述特定領(lǐng)域的概念及其之間的關(guān)系，通過定義類、實例、屬性、關(guān)系和公理等元素刻畫某領(lǐng)域中類、實例及其之間的層次關(guān)系[5]；應用本體描述依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念及其之間的關(guān)系。命名實體統(tǒng)一表述對象類型及實例，命名實體可以分為領(lǐng)域命名實體和常規(guī)命名實體[12]，前者是指特定領(lǐng)域中的命名實體；后者是指地名、人名和機構(gòu)名等以名稱為標識的常規(guī)實體，以及更廣義的實體[8]。

具體到油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，領(lǐng)域本體是一套多層級的對象類體系、實例、類與實例的屬性描述及關(guān)聯(lián)關(guān)系[13]，如工區(qū)、油氣田和井位等是油氣勘探領(lǐng)域具有特定含義的本體；一整套概念清晰而規(guī)范的油氣勘探概念類、屬性、實例、類與實例及實例之間的關(guān)系，構(gòu)成油氣勘探領(lǐng)域本體庫[14]。油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體的部分概念類及其關(guān)系、實例見圖1，其中實例和實例之間的關(guān)系繼承對應的概念類。文中領(lǐng)域命名實體特指油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體的實例，其關(guān)系繼承已構(gòu)建好的本體概念類關(guān)系。油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域命名實體最重要的一類是地質(zhì)對象，如盆地、構(gòu)造單元和井等。

圖1　油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體的部分概念類及其關(guān)系、實例Fig.1 Diagram of the oil and gas exploration & production domain ontology

圖2　基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式Fig.2 Chart of the oil and gas exploration & production knowledge acquisition mode based on domain ontology

基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式見圖2。假設(shè)基于頂層本體的概念、公理等，已衍生并構(gòu)建一套完整的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體，領(lǐng)域本體層為已知，應用本體是指油氣勘探開發(fā)知識獲取模式的領(lǐng)域本體，應用本體層為未知。在實施知識獲取時，一方面將已知的領(lǐng)域本體與知識條目的領(lǐng)域命名實體進行匹配，另一方面不斷地從知識條目中挖取新的領(lǐng)域概念類和命名實體，填充到應用本體層；之后將應用本體層挖取的內(nèi)容補充到領(lǐng)域本體層。該模式通過識別、匹配知識的領(lǐng)域命名實體，將海量油氣勘探開發(fā)知識納入到領(lǐng)域本體體系：領(lǐng)域本體的明確性將知識匹配到確定的領(lǐng)域命名實體，大幅減少獲取知識的重復性；領(lǐng)域本體的多層級性使與之匹配的知識之間建立相互關(guān)系，可以將知識以對象可視化方式呈現(xiàn)給用戶。

該模式的關(guān)鍵技術(shù)包括知識關(guān)聯(lián)的已登錄領(lǐng)域命名實體的提取技術(shù)、未登錄領(lǐng)域命名實體的識別技術(shù)等。通過改進Trie索引樹詞典結(jié)構(gòu)和優(yōu)化正向最大匹配算法，可以直接將領(lǐng)域本體庫中已登錄領(lǐng)域命名實體從知識條目中匹配識別出來；領(lǐng)域本體庫缺失舊的實例和未來的新實例，經(jīng)過分詞處理后，根據(jù)領(lǐng)域命名實體規(guī)則特征，進行未登錄領(lǐng)域命名實體識別，通過聚類統(tǒng)計分析，經(jīng)過人工確定完善到領(lǐng)域本體庫。

2　已登錄領(lǐng)域命名實體提取

領(lǐng)域命名本體識別提取的基礎(chǔ)是將知識條目進行正確合理的分詞處理，領(lǐng)域命名實體包含在分詞處理結(jié)果中。

示例塔北隆起是塔里木盆地的一級構(gòu)造單元，以塔深1井為例，該區(qū)寒武紀主要為碳酸鹽巖局限臺地相沉積。

第一句話的文本處理結(jié)果：“塔北隆起/是/塔里木盆地/的/一級/構(gòu)造單元”，下劃線標注的是命名實體識別結(jié)果，因此分詞結(jié)果的正確性在很大程度上決定命名實體識別結(jié)果的準確度。基于詞典范圍盡可能大而全、保證分詞準確度的原則，分詞過程充分考慮油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的專業(yè)性，構(gòu)建盡可能完備、全面的領(lǐng)域本體詞庫、領(lǐng)域?qū)I(yè)詞庫和通用詞庫，使計算機盡可能接近領(lǐng)域理解，進而保證分詞結(jié)果滿足油氣勘探開發(fā)研究的需求，因此快速查找詞典詞條成為分詞效率的關(guān)鍵[16]。

2.1改進Trie索引樹詞典

2.1.1詞典結(jié)構(gòu)

典型的詞典查詢方法包括整詞二分法、Trie索引樹法和逐字二分法等[8]，其中Trie索引樹法查找效率較高。Trie索引樹是采用多重鏈表形式的鍵樹，其典型應用模式是利用節(jié)點結(jié)構(gòu)建立詞典樹結(jié)構(gòu)，將相同前綴的詞合并在同一個節(jié)點下，直到出現(xiàn)差異；然后從差異節(jié)點中分出子節(jié)點[17]。采用該方法建立油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體庫詞典Trie索引樹(見圖3)，其首字數(shù)量較多，每個首字節(jié)點包含很多子節(jié)點，子節(jié)點深度較深，深度在4～5個字符的占到30%以上，深度在2～3個字符的占到50%以上；其他傳統(tǒng)領(lǐng)域的深度在2個字符以內(nèi)的占到95%以上，因此需要改進基于油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體特征的Trie索引樹法。

圖3　油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體庫詞典Trie索引樹

改進的詞典由首字哈希表、次字(關(guān)鍵字)哈希表和Trie樹節(jié)點構(gòu)成。次字節(jié)點和Trie樹節(jié)點包括繼續(xù)、中間、結(jié)束三種狀態(tài)，分別用1，2，0表示，中間和結(jié)束狀態(tài)的節(jié)點可能是詞條尾字，區(qū)別在于中間狀態(tài)的詞條節(jié)點還有子節(jié)點，可以構(gòu)成更長的詞條。油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域改進Trie索引樹的邏輯結(jié)構(gòu)見圖4。

2.1.2詞典構(gòu)造算法

步驟1：讀取詞條首字，將它作為子樹的頭節(jié)點插入首字哈希表；如果表中已存在該字符，則轉(zhuǎn)入步驟2。

步驟2：讀取次字字符，將它作為子樹的關(guān)鍵節(jié)點插入次字哈希表，狀態(tài)設(shè)置為繼續(xù)；如果表中已存在該字符，則轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3：讀取下一個字符，在子樹中插入子節(jié)點，狀態(tài)設(shè)置為繼續(xù)，如果父節(jié)點狀態(tài)為結(jié)束，則修改狀態(tài)為中間；如果子樹中已存在該字符，則轉(zhuǎn)入步驟4。

圖4　油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域改進Trie索引樹的邏輯結(jié)構(gòu)Fig.4 Logical structure diagram of improved trie of the oil and gas exploration & production domain ontology

步驟4：重復步驟3，將字符順序插入子樹，直至最后一個字符。

步驟5：如果最后一個節(jié)點是新插入的節(jié)點，則狀態(tài)設(shè)置為結(jié)束。

步驟6：重復步驟1-5。

2.2基于詞典的正向匹配分詞算法

正向最大匹配分詞方法的主要思想：假設(shè)分詞詞典詞條的最大長度為m，取待匹配文本當前字符串中的前m個字符與詞典詞條進行匹配，如果匹配成功，則切分出這個詞；如果不成功，則去掉待匹配字符串的最后一個字并重新與詞典匹配，直到待分詞字符串不能切分為止[18]。在知識條目進行正向匹配分詞時，文中方法不需要預知詞條的最大長度，以當前字符作為首字，查找改進Trie索引樹詞典，以當前字符為首字的詞條組成自動機，根據(jù)剩余字符的狀態(tài)進行轉(zhuǎn)移查詢匹配。當某一字符匹配失敗時，失敗指針[19]自動機跳轉(zhuǎn)到具有最長公共前綴的字符而繼續(xù)進行匹配，直到字符狀態(tài)為終結(jié)或者無法轉(zhuǎn)移時切分該詞；繼續(xù)匹配，直到文本結(jié)束。

正向最大匹配分詞算法流程：

步驟1，從知識片段T中讀取字符Cn，在首字哈希表中查找Cn，形成頭節(jié)點N1；如果表中沒有Cn，則轉(zhuǎn)入步驟10。

步驟2，從T中讀取Cn+1，在頭節(jié)點對應的次字哈希表中查找Cn+1，形成關(guān)鍵節(jié)點N2，如果表中沒有Cn+1，則轉(zhuǎn)入步驟10。

步驟3，從T中讀取下一個字符Cm，形成節(jié)點Nm，讀取其父節(jié)點中子節(jié)點個數(shù)i，沿子樹順序查找子節(jié)點N[m，j]，設(shè)置初始值j=1。

步驟4，如果N[m，j]=Cm，則轉(zhuǎn)入步驟6；如果當N[m，j]！=Cm時，則沿失敗指針回溯到父節(jié)點，繼續(xù)查找與父節(jié)點對應的子節(jié)點N[m，j++]，轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟5，當j

步驟6，讀取Nm字符狀態(tài)，如果字符為繼續(xù)或中間狀態(tài)，則轉(zhuǎn)入步驟7；如果為結(jié)束狀態(tài)，則轉(zhuǎn)入步驟8。

步驟7，重復步驟3-6。

步驟8，提取詞條，轉(zhuǎn)入步驟1。

步驟9，如果前一節(jié)點狀態(tài)為中間，則轉(zhuǎn)入步驟8；否則，轉(zhuǎn)入步驟10。

步驟10，將索引回溯到n+1，轉(zhuǎn)入步驟1。

如示例中知識片段分詞匹配到“塔里木盆地”時，當前字符為“塔”，在首字哈希表中查找到“塔”，自動機在“塔”的子節(jié)點哈希表中查到“里”，狀態(tài)為繼續(xù)；在“塔里”的子樹節(jié)點中按順序查找到“木”，狀態(tài)為繼續(xù)；當前字符為“盆”，在“塔里木”的子節(jié)點按順序查找，首先查找到“河”，無法匹配，失敗指針自動跳轉(zhuǎn)到“河”的父節(jié)點“木”，繼續(xù)按順序查找“塔里木”的子節(jié)點，查找到“盆”，狀態(tài)為繼續(xù)；最后查找到結(jié)束狀態(tài)的“地”(見圖3)。

改進Trie索引樹詞典結(jié)構(gòu)清晰，能夠有效解決詞典不斷實時更新的問題。該詞典結(jié)構(gòu)首字和次字支持哈希查找，剩余字符沿Trie索引樹鏈表查找，可以節(jié)省存貯空間和提高效率；同時在Trie索引樹節(jié)點添加失敗指針時，可以減少正向最大匹配分詞算法中較長詞條重復匹配次數(shù)。經(jīng)過語料庫測試，該算法的分詞和命名實體識別提取效果良好，不僅提高分詞效率，而且分詞準確率達到0.985，召回率達到0.963。

3　未登錄領(lǐng)域命名實體識別

油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體數(shù)量多，并且隨著油氣勘探開發(fā)的深入，不斷產(chǎn)生新的本體實例，大量領(lǐng)域命名實體未錄入領(lǐng)域本體庫，需要從知識中挖取新的領(lǐng)域命名實體，以完善領(lǐng)域本體和獲取知識。

3.1領(lǐng)域命名實體規(guī)則特征

油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體的命名具有一定規(guī)律性[8]，將其規(guī)則特征總結(jié)為“A和B”的構(gòu)成模式，其中A為修飾語，通常是具有地域語義的名詞及組合或簡稱，有時包含數(shù)詞、動詞等非名詞性修飾詞；B表示本體類的詞，是本體命名的中心語，如“塔里木盆地”，其中“塔里木”為地域名詞，“盆地”為中心語，是地質(zhì)對象本體的概念類之一。分析油氣勘探領(lǐng)域本體的命名特征，將“A和B”模式細化為具體類型領(lǐng)域本體的命名規(guī)則，假設(shè)“井”類本體的命名特征一般為“漢字1、漢字2、數(shù)字、‘井’”的形式，當分詞結(jié)果中出現(xiàn)單字“井”，且緊鄰其前的為數(shù)字，如果數(shù)字前為1～2個單字詞，則將詞識別為疑似新本體；假設(shè)“塔深1井”開始在領(lǐng)域本體庫中不存在，如示例中第二句話分詞結(jié)果為“以/塔/深/1/井/為/代表”，“井”字前面連續(xù)出現(xiàn)3個單字詞和1個數(shù)字，根據(jù)領(lǐng)域本體的命名規(guī)則，提取“塔深1井”為疑似井類實例。

3.2聚類統(tǒng)計

類似的疑似命名實體在知識獲取過程中可能多次出現(xiàn)，對它進行聚類統(tǒng)計，分析疑似命名實體在多條知識中被重復佐證的次數(shù)及其對應的語句佐證環(huán)境示例，借鑒條件隨機場方法(Condition Random Field，CRF)[20]選擇疑似新增命名實體，相較于K-Means聚類、等頻率和信息增益等離散化方法有更好的效果。

該方法主要利用本體的特征進行判定：本體的字符長度、本體的詞性結(jié)構(gòu)、本體的左信息熵和右信息熵、本體的全文詞頻、重要性指標IDF和IFA，以及互信息等，其中本體的左、右信息熵是衡量語料庫中作為詞語左、右側(cè)鄰近詞語的固定程度，詞語之間的組合出現(xiàn)得越固定，其熵值越大：

(1)

(2)

式中：LE為左信息熵；RE為右信息熵；w為本體；A、B分別為本體左右的詞的集合；C(a,w)為本體w與集合元素a同時出現(xiàn)的次數(shù)。

(3)

式中：D為文檔總數(shù)；|Dw|為包含本體w的文檔數(shù)量。

(4)

式中：M為互信息；p(w)為本體w出現(xiàn)的概率。

利用CRF方法預測已分詞詞語邊界是否為新詞邊界的問題，判斷疑似本體是否包含在已有本體集合內(nèi)；然后將疑似新增命名實體、新增知識點對應的佐證示例匯集，并通過可視化方法展現(xiàn)給專家，最終確認或否決新增命名實體。

4　結(jié)論

(1)提出基于領(lǐng)域本體的油氣勘探開發(fā)知識獲取模式。該模式通過提取知識的領(lǐng)域命名實體，將知識與已知的領(lǐng)域本體進行關(guān)聯(lián)，以領(lǐng)域本體為基礎(chǔ)快速獲取知識，其關(guān)鍵在于快速提取已登錄領(lǐng)域命名實體和有效識別未登錄領(lǐng)域命名實體。

(2)采用改進Trie索引樹詞典結(jié)構(gòu)，結(jié)合帶有失敗指針的優(yōu)化正向最大匹配分詞算法將已登錄領(lǐng)域命名實體從知識條目中提取出來?；谳^完善的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體庫、專業(yè)詞庫和通用詞庫，對油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域命名實體詞條長度普遍較長的特點，通過首字哈希表、次字哈希表和Trie樹節(jié)點結(jié)合，減少掃描匹配的重復次數(shù)，提高提取已登錄領(lǐng)域命名實體的查找效率。

(3)采用領(lǐng)域本體規(guī)則特征和聚類統(tǒng)計分析結(jié)合的方法，有效識別未登錄領(lǐng)域命名實體，提出油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體命名的“A和B”模式規(guī)則特征;根據(jù)本體的字符長度、左信息熵、右信息熵和互信息等特征，利用CRF方法預測已分詞詞語邊界是否為疑似命名實體邊界；最終人工確認或否決新增命名實體。在新增命名實體時，詞典不需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)，插入簡單，可以解決油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域本體庫需要不斷更新實例的問題。

(4)該模式自動分詞效率比傳統(tǒng)的二分法、Trie索引樹法提高50%以上，領(lǐng)域本體的識別提取結(jié)果準確率達到95%以上，能夠滿足知識獲取效率和準確率的要求，大幅提高將零散知識通過領(lǐng)域本體有效關(guān)聯(lián)并轉(zhuǎn)化為有效知識的效率和質(zhì)量，提高搜索匹配知識的效率，為組織知識地圖、實現(xiàn)智能搜索和推送奠定基礎(chǔ)。

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2015-03-29；編輯：任志平

國家科技支撐計劃項目(2012BAH34F04)

王曉麗(1982-)，女，博士研究生，工程師，主要從事碳酸鹽巖沉積學、油田知識管理方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.04.009

TE19;TP311

A

2095-4107(2016)04-0074-06