地震解釋人機聯(lián)作仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)探索

汪佳蓓，賴富強，李小剛，徐少華，何加成，黃兆輝，陳 青，朱章雄

重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331

2013年8月教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。文件指出，仿真實驗教學(xué)是高校的信息化建設(shè)與實驗教學(xué)示范性中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物[1]。2018年9月，關(guān)于實驗教學(xué)的信息化建設(shè)，教育部印發(fā)了《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，在“構(gòu)建全方位全過程深度融合的協(xié)同育人新機制”中明確提出“綜合運用校內(nèi)外資源，建設(shè)滿足實踐教學(xué)需要的實驗實習(xí)實訓(xùn)平臺”[2]。

重慶科技學(xué)院在《重慶科技學(xué)院高水平新工科建設(shè)高校建設(shè)方案》指出，抓實實踐教學(xué)實施環(huán)節(jié)，積極推進線上線下混合式教學(xué)改革，推進信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，充分體現(xiàn)了實踐教學(xué)的建立、創(chuàng)新和改革是教學(xué)改革的重中之重。加強實踐教學(xué)資源建設(shè)、抓實實踐教學(xué)實施環(huán)節(jié)是我校一流應(yīng)用型本科建設(shè)的核心內(nèi)容之一。地震解釋虛擬仿真實踐項目建設(shè)正是我校本科重點教改項目之一，但學(xué)院地震解釋相關(guān)的仿真實驗尚處于建設(shè)初期，仿真實驗教學(xué)資源還比較缺乏。對于石油勘探類諸多現(xiàn)象、特征和規(guī)律的認知，充滿著高風(fēng)險、不可見、不可達，虛擬仿真實驗教學(xué)手段能夠直觀展示地下特征，通過虛擬仿真現(xiàn)實，構(gòu)建仿真虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，可以使學(xué)生在安全的環(huán)境下獲得直觀的實驗體驗。

一、石油勘探開發(fā)虛擬仿真建設(shè)現(xiàn)狀

虛擬仿真平臺是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體、人機交互等多種計算機技術(shù)構(gòu)建的高度仿真虛擬環(huán)境[3]。該平臺體現(xiàn)了人機交互性、以實為本，虛實結(jié)合，且易于維護性。平臺的重點性體現(xiàn)在虛擬仿真系統(tǒng)能夠克服真實環(huán)境中存在的各種限制，提供經(jīng)濟安全、穩(wěn)定可靠的虛擬環(huán)境，滿足實踐教學(xué)的需求[4]。由于石油行業(yè)的不可及、不可視、高風(fēng)險等操作過程的特點，因此實踐教學(xué)中需要利用信息化技術(shù)，借助于虛擬仿真手段，使地下特征變得直觀、形象，具可操作性，能夠鞏固對理論知識的認知，從而提高學(xué)生實踐動手能力[5-6]。國外石油相關(guān)高校已經(jīng)有部分建設(shè)起沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)，國內(nèi)各個石油高校也在大力建設(shè)中，但總的來說，由于建設(shè)成本較高，已經(jīng)建好并且形成廣泛應(yīng)用的高校較少，建設(shè)任務(wù)依然繁重。自從開展國家級虛擬仿真實驗項目申報以來，認定為國家級的項目中，地質(zhì)類有11個，海洋科學(xué)類和地球物理類均為0個，11個項目見表1，均為2018年認定結(jié)果。從認定結(jié)果來看，和石油勘探聯(lián)系最緊密的有5個，分別為吉林大學(xué)的地震波動理論實驗和興城野外路線地質(zhì)虛擬仿真教學(xué)、中國石油大學(xué)（華東）的油田地質(zhì)實習(xí)虛擬仿真實驗項目、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實習(xí)和東北石油大學(xué)的油氣勘探地球物理測井虛擬仿真實驗。可見石油勘探相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真建設(shè)依然還存在大量的建設(shè)空間。

表1 2017年以來石油勘探相關(guān)的國家級虛擬仿真項目

二、我校開展地震解釋仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)的重要性

1.工程教育認證特別強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題的能力”

高等學(xué)校工程教育認證越來越受到高校的重視，其中畢業(yè)要求達成度的分析和評價是高校工程教育認證中的核心部分，而“解決復(fù)雜工程問題的能力”又是畢業(yè)要求中的關(guān)鍵所在[7-8]?！芭囵B(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力”就是要求高校工程類的相關(guān)專業(yè)需要緊密聯(lián)系實踐，在培養(yǎng)方案的制訂、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的加強、實驗室平臺建設(shè)等多方面都必須進行探索和嘗試。通過以“復(fù)雜工程問題”為目標(biāo)，加強實習(xí)基地的橫向聯(lián)系，搭建學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺，加強實驗室建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研平臺建設(shè)，緊扣“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力”的主題，開展適應(yīng)我國工程教育新形勢的專業(yè)改革。地震解釋課程群是綜合性實踐性課程，是真正要求培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決實際問題能力的課程[9-10]。通過將油田現(xiàn)場解釋內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)，在課堂授課與實踐訓(xùn)練的融合中進行教學(xué)，用所建立的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，讓學(xué)生通過參與實踐教學(xué)以加深對地震解釋方法原理的理解，并掌握地震解釋的操作流程。對實踐中遇到的難題，可結(jié)合虛擬仿真來加以分析研究，對提高學(xué)生“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力”有很大幫助。

2.地震解釋課程群涵蓋課程廣且課程具有很強實踐性

地震解釋課程群是以資源勘查工程、地質(zhì)學(xué)和勘查技術(shù)與工程等專業(yè)的“地震資料綜合解釋”課程為核心，以“地震勘探原理”“地震地層學(xué)”“地震地下地質(zhì)學(xué)”“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”“地球物理課程設(shè)計”和研究生課程“地球物理綜合勘探實訓(xùn)”等系列理論和實踐課程為輔助，共同構(gòu)建的一個以解決地下地層構(gòu)造特征、地層特征和巖性特征的專業(yè)課程群。該課程群主要研究地下各種地質(zhì)體的構(gòu)造現(xiàn)象、組合形式、巖性特征及其形成和發(fā)育規(guī)律，探索地層中油氣形成和分布的過程，并解決油氣形成富集過程的構(gòu)造和巖性問題。該課程群不僅對闡明地質(zhì)構(gòu)造在空間上的相互關(guān)系、探討何種地層形態(tài)下更易富集油氣具有重要的理論意義，而且對指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，解決地震勘探、工程地質(zhì)、地震地質(zhì)及石油物探等方面的有關(guān)問題具有重要實踐意義，學(xué)生可以把學(xué)到的知識與工程現(xiàn)場需求相對接，這樣能夠更好地開拓學(xué)生的思維，且能很大程度提高學(xué)生的積極性和自主學(xué)習(xí)能力?，F(xiàn)在的大學(xué)生科技創(chuàng)新，各類學(xué)科競賽包含全國油氣地質(zhì)大賽和“東方杯”勘探地球物理大賽，均要求學(xué)生具有很強的地震資料解釋的實踐能力。

三、仿真實驗平臺建設(shè)的探索與實踐

1.平臺建設(shè)背景

地震解釋人機聯(lián)作仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)是基于地球物理計算中心和物探技術(shù)聯(lián)合實驗室平臺，該平臺是基于重慶科技學(xué)院和中國石油東方地球物理公司校企聯(lián)合共建實驗室，目前主要包含地球物理計算中心和油氣儲層預(yù)測實驗室兩個部分。地球物理計算中心現(xiàn)有主要設(shè)備為聯(lián)想深騰1800PC集群、大型交換機、解釋工作站、終端圖形工作站和GEOEAST軟件以及其他各類配套設(shè)施，目前在海量數(shù)據(jù)處理和運算能力方面與西南地區(qū)同類高校相比優(yōu)勢明顯。

2.地震解釋人機聯(lián)作仿真實驗建設(shè)內(nèi)容

（1）不同沉積環(huán)境下地層數(shù)據(jù)三維可視化建設(shè)。

選取不同沉積環(huán)境下的原始地震數(shù)據(jù)，將地震數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)后轉(zhuǎn)換為可以視覺識別的三維體，利用已有的三維地震可視化解釋技術(shù)，將地震數(shù)據(jù)變成可調(diào)顏色的三維模型，學(xué)生能夠查看內(nèi)部特征（圖1）。通過不同高低值的振幅，顯示地震道，以便查看地下地層形態(tài)特征。同時可以對三維地震內(nèi)部信息進行調(diào)整，實現(xiàn)內(nèi)部地層特征和結(jié)構(gòu)的觀察。通過不同顏色的調(diào)整和數(shù)據(jù)區(qū)域的選取，可以突出局部異常特征, 實現(xiàn)特殊地質(zhì)體或者異常體的分離觀察。在仿真系統(tǒng)中學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇數(shù)據(jù)庫中某個沉積環(huán)境下的數(shù)據(jù)案例進行查看和分析，有助于學(xué)生對地下地層的特征有直觀的感受，并得出自己的理解和認識。

圖1 三維可視化地層特征彩色仿真圖

（2）不同屬性數(shù)據(jù)體的定義及切片演示模塊的建設(shè)。

將已經(jīng)提取好的屬性體及具有典型特征的不同切片圖導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。屬性體數(shù)據(jù)可以有助于學(xué)生觀察到地層內(nèi)部的沉積和構(gòu)造特征。學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)中選取相應(yīng)的屬性體，并能夠進行屬性體切片的查看，同時屬性體旁邊對應(yīng)不同屬性體的定義和解釋，學(xué)生可以查看不同屬性對應(yīng)的含義，從而了解不同屬性體代表的含義。屬性體也可以展示地層的沉積特征，比如三角洲沉積、巖溶相沉積等；有的屬性體可以清楚地展示斷層的平面和剖面特征，比如切片上可以展示斷層在平面上的分布走向，剖面上可以展示斷層的不同構(gòu)造樣式。這樣學(xué)生通過選取不同屬性體，查看地層的沉積和構(gòu)造特征，該模塊可以讓學(xué)生獲得構(gòu)造特征或者沉積特征的直觀展示，還可以得出相關(guān)的解釋結(jié)論，提高了學(xué)生地震解釋能力。

（3）不同構(gòu)造背景下的斷層模型模塊的建設(shè)。

將不同構(gòu)造樣式的解釋模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，并提供對應(yīng)的解釋結(jié)論。構(gòu)造樣式均來自前期大量油田真實構(gòu)造數(shù)據(jù)的整理和歸類，具有真實性、實踐性強的特征。學(xué)生進入仿真系統(tǒng)后，可以選取不同構(gòu)造背景下的數(shù)據(jù)，進行斷層構(gòu)造樣式的查看，不同的構(gòu)造樣式對應(yīng)著不同的解釋，學(xué)生通過選取不同構(gòu)造背景下的斷層樣式，可以開展構(gòu)造模型的仿真解釋。解釋完成后，可以查看對應(yīng)的解釋結(jié)論，檢查是否與自行解釋結(jié)果相吻合。該模塊提供了大量的原始構(gòu)造樣式和模型圖（圖2），學(xué)生可以瀏覽不同類型的構(gòu)造樣式圖，提高學(xué)生對地層構(gòu)造特征的理解，增強學(xué)生的構(gòu)造特征解釋能力。這也與地震解釋類課程的教學(xué)宗旨一致，致力于提高學(xué)生的地震解釋實踐水平。

圖2 斷層和地層切割關(guān)系三維立體仿真圖

四、虛擬仿真實驗的特色與創(chuàng)新

1.開展不同沉積環(huán)境下地層特征的仿真實驗

仿真實驗建立了不同沉積環(huán)境下的實驗數(shù)據(jù)庫，方便學(xué)生根據(jù)不同需求選擇數(shù)據(jù)庫進行仿真實驗。因此進入仿真系統(tǒng)后，學(xué)生可以對一系列不同沉積環(huán)境下的地層特征進行對比和選擇（圖3），可針對自己的需求實現(xiàn)多重選擇，在數(shù)據(jù)庫下進行仿真練習(xí)，對數(shù)據(jù)進行有目的的查看和分析，加強自主分析能力和實際動手能力，同時三維可視化環(huán)境也讓學(xué)生更直觀地感受地下地層特征，從而更加吸引學(xué)生注意力，保持對課程的興趣，同時加強學(xué)生針對不同沉積環(huán)境的地震解釋實踐能力。

圖3 不同沉積環(huán)境下原始剖面和地質(zhì)模型展示

2.融入實際工程案例數(shù)據(jù)，提高直觀性和學(xué)生參與度

傳統(tǒng)教學(xué)大多通過在課堂上以圖片形式展示地震剖面并進行解釋，學(xué)生參與度低且不直觀，很難達到好的效果。本仿真實驗基于油田的真實地層數(shù)據(jù)，生成各類地層和地質(zhì)模型，將真實數(shù)據(jù)的處理結(jié)果運用到虛擬仿真中并進行教學(xué)。學(xué)生可通過仿真系統(tǒng)直觀查看地下地層特征，可以在三維可視化條件下開展不同角度的查看和解釋，同時可以選擇不同的地層切片，觀察地下地層數(shù)據(jù)的平面和剖面特征。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)教學(xué)能夠更加生動再現(xiàn)地下地層特征，融入三維地震可視化技術(shù)，幫助學(xué)生更好地掌握地下地層構(gòu)造樣式和沉積形態(tài)，提高學(xué)生地震資料解釋綜合實踐與創(chuàng)新能力。

3.以校企共建實驗室為依托，有很好的技術(shù)支撐

本實驗教學(xué)平臺依托重慶科技學(xué)院與中石油東方地球物理公司共建的實驗室，具有很好的技術(shù)支持，以培養(yǎng)具有高水平、良好競爭力的高級石油勘探人才為目標(biāo)。本實驗致力于建設(shè)開放性的實驗、實訓(xùn)、研究、創(chuàng)新一體化實驗教學(xué)平臺，構(gòu)建與理論教學(xué)有機結(jié)合、符合石油勘探特點、“工作站地震解釋模擬+實際資料訓(xùn)練”各有側(cè)重并互為補充的“二位一體”實驗實訓(xùn)仿真模塊，形成基礎(chǔ)性、綜合性、研究設(shè)計性與創(chuàng)新性等四層次的課程體系。在過去幾年中，重慶科技學(xué)院石油勘探類專業(yè)學(xué)生在經(jīng)過本實驗教學(xué)學(xué)習(xí)之后，參加了近幾年的全國油氣地質(zhì)大賽，取得了優(yōu)異的成績。

五、結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)模式是高等教育信息化環(huán)境下的必然產(chǎn)物，也是我校石油勘探教學(xué)中心的重要建設(shè)內(nèi)容之一。我校在地震解釋仿真平臺建設(shè)過程中，以全面提高學(xué)生實踐能力為宗旨，充分利用自身的優(yōu)勢學(xué)科，將虛擬仿真技術(shù)與石油勘探技術(shù)相融合，將地震解釋地層仿真實驗融入教學(xué)內(nèi)容，并注重校企聯(lián)合，協(xié)同創(chuàng)新，以現(xiàn)代化的教學(xué)手段豐富了地震解釋課程群的實驗教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗教學(xué)水平。雖然在教學(xué)實踐中取得了一定的成果，但在實驗平臺的完善、模塊優(yōu)化和模塊補充、虛擬現(xiàn)實效果提升等方面，都有待進一步深入的研究和探索。