石油勘探开发工程数据模型设计

石油勘探开发工程数据模型设计Ξ

叶飞跃　高延文　段友祥

(石油大学计算机系,山东东营257062)

摘要　结合勘探开发工程数据的特点,讨论了改造关系数据库的模型结构,利用嵌套关系解决矢量、数组、文本、图形等工程数据的存储问题。提供了16种适合勘探开发工程应用的新数据类型,设计了一套在新的嵌套关系模型下的数据操作语言,规定了标准的数据操作方法。实际应用表明,石油勘探开发工程数据模型为石油勘探开发应用提供了方便、高效、统一的数据存储结构和数据存储方法,解决了常规关系数据库系统下无法解决的一些工程数据和数据管理问题,为石油工业勘探开发数据库的建立和应用研究提供了有效的手段。

主题词　系统工程;数据库;数据存储;模型;计算机应用

中图法分类号　TP392ΞΞΞ

第一作者简介　叶飞跃,男,副教授,1959年出生,1982年毕业于石油大学(华东)。现在攻读博士学位,从事计算机应用和数据库科研工作。

1　存在的问题

关系模型是建立在集合代数基础之上的,从集合代数的角度来定义关系,即在域D1,D2,…,D n 上的关系R是集合D1,D2,…,D n的笛卡尔乘积D1×D2×…×D n的一个子集。其中,域(Domain)D i 是值的集合,即值域。关系的定义是抽象的,而其物理意义是利用值域的各元素的笛卡尔乘积来表达现实世界的一个事物。

随着关系数据库在石油勘探开发领域应用的深入,对数据组织及操作有了更高的要求,关系方法逐渐显示出其局限之处,对于复杂数据的处理不能满足要求,具体表现在以下几个方面:

(1)第一范式不支持结构实体。由于关系数据库理论的成熟,关系模型成为数据组织的主要形式,任意一种关系系统均必须遵循第一范式(1NF)的要求。也就是说,关系模式中的每一个属性必须是不可再分的基本属性。然而,对于石油勘探开发工程领域中所涉及大量的、种类复杂的数据,例如,矢量、矩阵数组类数据,以及文本、图形和图象等数据,关系系统不能够直接支持这类数据。

(2)关系不支持对象的标识。工程应用中的数据可能有两个相同的值,却代表不同的内容。也就是说,以关系模式来实现时,会出现两个相同的元组,而分别表示不同的含义。这在关系系统中是无法表示的,即使可以存储也无法将其区分开,原因是关系不支持对象的标识。例如,测井曲线数据,虽然不同的曲线数据值不一样,但不能以值的大小来区分各条曲线,而应该有一种系统的标识方法,这在关系模型数据库中是无法表示的。

(3)数据的先后次序无法在关系中表达。关系中的各个元组无先后次序,但是勘探开发工程数据库有时希望按顺序存放数据,这用关系模型实现时是不便的。

(4)关系操作不支持对工程数据的操作。关系数据库最基本的操作有并、差、笛卡尔积、选择和投影5种操作,E1F1Codd曾经证明了这5种基本操作的完备性。但是取而代之的二维数组、图形、图象数据,利用选、投、连等关系操作,很难直接表示这类数据的操作特点。

(5)数据操作的统一影响了数据完整性的控制。数据库作为一个客观系统的模拟,其状态必须时刻满足该客观系统特有的约束条件。为此,对于有些操作必须加以限制,有些操作必须依赖于数据库的不同状态。数据操作的这些限制并不体现在关系系统的“标准操作”之中,而是因数据对象而异的。在

1998年　第22卷

第1期

石油大学学报(自然科学版)

Journal of the University of Petroleum,China

Vol.22　No.1

Feb.1998

Ξ

ΞΞ总公司“八五”重点科研项目“勘探开发工程数据库系统”成果之一.

收稿日期:1997-07-03

关系数据库中,数据操作的过分统一造成了数据完

整性控制方面的困难。

(6)对系统可扩充性的支持不够。关系数据库系统动态扩充的余地很小,它所容纳的数据可以增加,但所具备的基本数据操作是固定的。系统对于数据的组织模式及组织模式的扩充、删简或修改,缺乏总体控制的能力。另外,当引入新的数据类型时,系统中不能生成新的框架以组织这种类型的数据,并难以针对这一数据类型定义一组新的操作,因此,适应性较差。

(7)不具备版本控制的能力。在石油勘探、开发

过程中,许多数据是经过反复试验或多次解释得到的。为了便于数据的反复对比,一般不应将旧的数据删除,而应尽可能地保留多个解释结果。

2　勘探开发工程数据模型的建立

211　嵌套关系数据模型

勘探开发工程数据模型是对关系模型的扩充,将原关系模型中不可再分的基本属性扩充为可以定义为另一个关系的复合属性,使得关系中可以嵌套定义关系,以表达结构实体,使关系的表达范围大大拓宽,以适应复杂数据结构的存储。

定义　广义域D 1,D 2,…,D n 上的嵌套关系R 是集合D 1,D 2,…,D n 的笛卡尔积D 1×D 2×…×

D n 一个子集。

其中,广义域D 1,D 2,…,D n 是值的

集合或另一关系R ′.

根据以上的定义,广义域D i 除了可以是基本

数据类型值的集合之外,还可以嵌套定义别的关系。这一方法消除了传统关系数据库必须满足第一范式的限制。此外,嵌套关系模型除了可以定义新的结构化的数据类型外,还能够表达结构实体。这样就可满足勘探开发中处理对象因应用要求而发生变化的情况。

嵌套关系是建立在关系模型数据库系统上,要实现嵌套关系的存储,采用给关系赋予指针属性的方法,利用指针建立嵌套关系与主关系之间的联系,实现了非第一关系范式关系的存储。其实现存储的基本原理如图1所示。

为了在关系系统中实现嵌套关系,对于定义了结构实体或结构化数据类型的主关系,添加TU PID 属性,作为主关系中各元组的标识;而对结构实体或结构化数据,另外定义一个嵌套关系实现结构实体中的各属性,并增加M TU PID 属性作为与主关系建立联系的指针。这样,利用TU PID 和M TU PID 两种属性之间的指针联接来保持主关系与嵌套关系之间的数据一致。嵌套关系可以多层嵌套,即如果嵌套关系中的某些属性仍是结构实体,那么将嵌套关系看成为主关系,逐层嵌套实现。

图1　嵌套关系数据模型结构

利用嵌套关系可以很方便地表示石油勘探开发过程中所谓的结构实体问题。例如:在一口井的钻

井、采油或测井应用中可以看成为一个实体,用单独一个关系来表示;而在地震勘探应用中,井只是地震剖面上的一个点,如果用关系来描述地震剖面,井只是其中的一个属性;如果在地质油藏或构造研究中,人们又希望把一个油藏或构造用关系来表示,这样,

地震剖面又成了关系中的一个属性。实际应用中要求,自然地向嵌套关系扩展。

图2是利用嵌套关系定义包含有两个油藏的结构实体的示意图,其中每个油藏中包含有若干地震剖面,每条地震剖面又由若干深度点的地震波曲线组成,并包含有数口井的数据。

・68・石油大学学报(自然科学版) 1998年2月