基于元数据的油田完井信息集成框架研究

王玄， 杨丽波

(东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

元数据的初始定义是“关于数据的数据”，如今元数据的涵义随着长期的研究与发展已经演化为对系统环境知识的概括[1]。元数据的应用涉及诸多领域，范围十分广泛，如网络资源搜索、图书管理以及GIS等等。元数据的历史可以追溯到20世纪60年代，到目前为止的这段期间经过了数据字典的发展与基于数据仓储的CASE工具的发展，现正向着数据仓库元数据存储和元数据驱动业务系统阶段不断发展[2-3]。

元数据因其重要性吸引了众多学者的关注与研究。元数据的用途并不局限于描述数据与索引数据，还触及了数据的查找、转换、管理和使用[4-6]。尤其是在集成分布式多源异构空间数据时，为了屏蔽地理空间数据的复杂结构和模型，采取在内部构建数据源访问引擎、在外部预留元数据接口的方式来实现对多源空间数据的整合[7]。元数据在不断扩大其影响的过程中，在信息集成中的应用已经从单一的元素分析选择过渡转变为建模设计。许多专家学者对其在信息集成中的研究重心也发展成为描述与展现信息资源的一种手段和方法，尤其是对信息资源内部及资源之间具有复杂关联或层级结构关系的一类信息的描述[8]。元数据的研究己经从纯理论的探索研究阶段走出，现正走向更加广泛、深入的实际应用研究中[9-11]，将元数据相关理论及技术用于指导本文对油田完井信息集成的研究，将会是有力的理论依据。

1 概念界定

该模型定义了用户类别、实体对象类别、功能类别三个集合并对集合中元素的三个属性作了介绍。该模型根据用户、实体对象、功能之间的属性关系进而实现了实体对象和功能的集成绑定。各种集合的定义如下：

(1)用户类别集合Uu={U1,U2…,Um}其中m为用户类别数目，每个类别包含3个属性Rue、Ruf、Ru，分别用于描述用户所关心的实体对象、用户关心的功能、用户与用户类别关系。为了增强该模型的安全性，用户类别集合Uu对用户进行了级别划分；

(2)实体对象集合Ee={E1,E2…,En}其中n为空间实体对象数目。每个实体对象包含3个属性Reu(实体对象所涉及的业务领域)、Re(空间实体对象与地图图层之间的关系)、Ref(实体对象所绑定的功能)；

(3)功能类别集合Ff={F1,F2…,Fk}其中k为所有功能类别数目。每个功能包含3个属性Rfu(功能与业务领域的关系)、Rf(各类功能之间的关系)、Rfe(功能可以作用于哪些实体对象)；

分析定义可知，在链接用户集合与功能集合的过程中起到桥接作用的是实体对象集合。通过对上述三个集合进行联结，该模型构建了一种“每类实体对象上绑定的用户所关心的功能”的集成关系。

1.1 自动集成算法

基于1的3个概念的界定自动集成算法的步骤如下。

(1)首先进行地图图层数据组织，依据实体对象集合中每类实体对象的属性Re(空间实体对象与地图图层之间关系)划分GIS地图图层。

(2)通过用户登录的信息确定用户属于用户类别集合中的哪一类别Uj，根据Uj的2个属性Rue(用户关心的实体对象)、Ruf(用户关心的功能)确定该用户关心的实体对象及功能。

(3)依据上一步中的Uj的属性Rue(用户关心的实体对象)与实体对象集合E中每类实体对象Ei的Reu(实体对象所涉及的业务领域)进行匹配关联，明确用户在每类实体对象中可操作的实体对象有哪些，进而明确用户在每类地图图层上的可操作区域。

(4)依据第2步中Uj的属性Ruf(用户关心的功能)，与第3步中确定的可操作的实体对象集合中每类实体对象Ex的属性Ref(实体对象所绑定的功能)进行匹配，确定用户在可操作的每类实体对象上关联绑定的所有功能。

(5)对第3步中用户可操作的区域采取一定的手段或方法进行展示；对第4步中集成的所有功能以可视化接口(如菜单等)的方式进行组织与展示；通过用户与地图上实体的交互实现用户对GIS上集成的信息的获取、完成集成功能的使用。

1.2 通用信息集成元模型

根据上述集成的思路，设计了通用的信息集成元数据模型，如图1所示。

图1 完井业务数据关系模型

图1中的原子与分类关系分别对应了上文3个定义中的分类关系，图1中的3张关系表(用户与实体关系、实体与功能关系、用户与功能关系)分别代表了上述3个定义中的其他的属性关系，最后通过这3张元数据表的关联实现对这3种信息的集成。

2 完井业务数据模型及GIS空间数据模型分析

2.1 完井业务数据模型

由于油田完井业务重点关注完井过程中井的相关生产数据管理，故下面主要对A2模型中实体井上关联的部分完井生产业务数据、组织结构关系进行分析。其中表井CD_WELL_SOURCE存储了井ID、井的基本信息、机构ID，则通过此表就可以关联井实体所涉及的完井生产业务数据，通过井ID关联，如井的完井生产统计信息、施工进度监测信息等；同时此表还可以关联组织机构表，通过机构ID关联，进而获取单位信息。部分完井业务数据关系模型，如图2所示。

图2 完井业务数据关系模型

2.2 GIS空间数据模型分析

油田GIS空间数据模型主要涵盖了与油田开发生产业务相关的空间信息模型，每一类实体都被规划在不同的图层之中，实体与实体之间，或者说图层与图层之间的数据关联的桥梁是组织机构。部分GIS空间数据模型，如图3所示。

图3 GIS空间数据模型

由此可见，GIS空间数据模型中的每个实体都与组织机构有关联。其中，井实体表中通过井ID、机构ID和站间ID连接组织结构和站间，该表还存储了其他一些信息：如井号、横纵坐标、所属图层ID等；站、间有各自存储的实体表，通过各自的唯一标识ID和组织机构连接，代表了一种归属关系。由于实体和组织机构的关联关系，在实际应用时使得图层在区分用户权限显示方面更加方便。图层表方便了地图加载中对图层进行控制，不同级别用户，依据组织关系和图层ID进行图层的显示控制。

3 元模型驱动下的完井信息集成系统元模型

集成后的完井信息集成管理系统的功能组织方式分为2种，一种是基于“用户-功能”的形式，一种是基于“用户-实体对象-功能”的形式。对于哪些用户对哪些业务功能有操作权限，以及涉及到实体对象的操作功能，不同用户对哪类对象上的功能有操作权限，想要对这些信息之间的关系进行清晰、有效地组织管理则必须使用元数据及其建模技术。基于笔者对两种数据模型的分析可知，想要实现完井业务数据模型和GIS实体的关联，则将完井业务数据模型和GIS空间数据模型进行关联即可，实体表是关联的桥梁。例如，井实体表作为媒介，将完井业务模型和GIS空间数据模型关联起来，则实现了用户(组织机构)-实体对象(井实体)-业务(完井生产业务数据)的关联模式，以达到信息集成的目的。基于以上分析，本节根据元模型驱动理论与技术，结合实际完井信息集成需求，以油田完井业务数据、GIS空间数据以及数据之间的关联为基础，构建了完井信息集成需要的系统元模型，如图4所示。

图4 集成系统元模型

系统元模型存储了用户权限信息、右键集成菜单信息、完井生产中出现的实体的问题信息等，用户权限模型设计的好处是为满足不同用户对系统业务功能的需求提供了便利，通过授权机制就可完成，可以通过对某个角色进行授权，或者对特定的用户进行直接授权，不需要改变程序代码，保证了系统的灵活性；右键集成模型存储了菜单组织方式、集成函数和URL等；问题汇总模型存储的是完井过程中某一环节出现的问题信息(问题类型)、出现问题的实体、问题的具体描述等。

集成系统元模型的设计有利于系统的维护与扩展，更有利于系统的推广。通过使用元数据描述集成系统的用户、业务数据、实体对象、功能间的关系，对于系统的用户权限和业务处理功能实现了维护的灵活性，元数据的使用也增强了系统的扩展性。

4 中间件技术

4.1 中间件分类

中间件在应用时必须有能够在分布式环境中使用的通信服务也就是平台，目的是为了屏蔽分布式环境下的异构操作系统和网络协议，根据这种服务(平台)实现的不同机制与使用的不同目的，主要有三类，分别为用于远程过程中调用的中间件、主要针对消息使用的中间件、基于对象请求代理的中间件。中间件可以向我们提供各种各样的通讯服务，例如：订阅发布、同步、广播、排队等，此外，我们还可以充分利用这些平台，搭建多种类型的构架，实现事务处理监控器以及对象事务管理器等不同应用下的功能，实现分布式多源数据的访问。中间件的存在使我们只需重点关注构架相关的要素即可，只需把描述这些要素的代码准备好，因为中间件帮助屏蔽了平台之间的异构性，加之构架已经定义了系统结构和相应的组件，在构架要素有所变化时这些代码就会产生作用。在此时这种应用情景下，用户所需要考虑与注意的地方很少，所有事情全部可以经由构架搞定。程序无需关注其执行的流程、系统API如何使用、架构的体系、以及架构的代码都可以和构架不相关。综上所述，中间件的优势显而易见，且具有多方位、多角度的优势，如实用性、扩展性、移植性等等。

中间件由于其能够使资源的再利用这一特性，将成为其在软件构件领域的一个突出使用特点，中间件的应用使得软件开发者能够迅速地、方便地对应用模式进行抽取并形成标准，是较为显著的构件化特性。

4.2 中间件优势

首先，中间件的应用使得产品具有良好的兼容性。举一个事实案例说明：有一位BEA的客户想把自己的系统从IBM平台转移到Sun平台，代码应用C语言制作，恰恰由于使用了中间件技术，使得从开始移植到在Sun平台再次编译完成只使用了3个小时，重点是未出现任何其他错误，既快速又便捷。由此我们可以看到，无论是在多种不同的操作系统、硬件平台和网络数据库产品还是在客户端，基于中间件的不同种类的产品都具有且保持了极好的兼容效果。

其次，中间件使系统更加稳定，降低了系统模块之间交互带来的风险。

另外，开发者都期望达到软件的开发成本预算少、开发效果好的目的。中间件的使用使得这一期望成为现实。在软件程序的实际开发中，程序各部分所占的比例不同对软件的开发成本与效率影响很大，一般情况下，业务逻辑和应用部分占三成，基础功能占七成，应用中间件以后，其简化逻辑操作、提高基础功能复用性的优点显而易见。

最后，中间件的合理利用对软件整体的竞争性发展也起到了促进作用，因为中间件的使用使得开发人员能够集中精力在软件的特色功能研发方面，避免或缩短了工作量大且累人的软件开发周期，有利于软件在市场中的迅速应用与盈利，同时提高了软件的竞争性。

4.3 基于中间件技术的完井信息集成

本文研究的完井信息集成是通过使用中间件技术实现WebGIS与完井的信息之间的交互集成的。使用中间件的目的是为了将各集成模块关联起来，屏蔽各集成模块之间的各异性。通过对现有完井信息管理系统功能的分析，系统中的参数主要通过URL和Session方式传递。中间件在信息集成中起到的是双向数据的传递与转换的作用，具体的实现方式是通过建立中间件映射表(该表中包括了URL地址、参数及参数值等信息的映射关系)并对中间映射表中的信息进行读取再转换成URL或者Session值来实现信息的集成转换。基于中间件技术的集成方法，如图5所示。

根据图5可知中间件的执行流程如下：用户登录系统后，与WebGIS进行交互，进而发起请求，该请求经由中间件发送到现有的完井信息管理系统，该系统进行了分析后将传递的相关参数发送给中间件，中间件再将参数传递给WebGIS，WebGIS最终依据传递过来的参数在浏览器中展示相应的功能视图给用户[12-14]。其中，实体与功能的对应关系、需要传递的参数、函数等都保存在中间件中，中间件实现了现有的完井信息管理系统与WebGIS的合理集成与融合。比如在对右键集成菜单进行集成研究时，用户与地图进行交互点击井实体，进而触发函数事件，系统将井号和展示的菜单项名称发送给中间件，经过中间件解析与匹配后便对应了现有系统中的井号和菜单所链接的功能页面，最后在现有系统中根据该井号进行相关业务处理操作，将功能处理后的结果返回给WebGIS呈现给用户。

图5 基于中间件技术的集成方法

5 总结

本文的研究内容已实际应用在采油厂完井中，综合了采油厂完井各项关键业务，实现了完井业务多领域分散信息的归一化，促进了各部门间对完井业务数据信息的共享与高效管理，这正是本文研究的目的、意义与价值所在。此外，该信息集成框架的应用在很大程度上消除了以往完井各领域各自独立且形式各异的管理方式所带来的完井信息一体化综合管理的难题，实现了完井业务在各部门间的无缝衔接与集成，同时使得系统易于扩展与维护，为后续业务功能的增加与变更带来便利；通过完井业务的直观展示与管理，改变了传统手工设计、纸质或电子表格传输低效率的管理方式，明显大幅度提高了对完井整体施工进度的把控与信息管理的效率。

系统已经投放在大庆油田采油三厂的工技大队、地质大队、生产运行部和基建等业务部门运行，并且对大庆油田多个开发区块的井进行了系统应用实践，同时紧密结合大量完井不同领域、不同权限用户的反馈意见，根据实际需求进行了完善与改进，目前运行情况良好，由此证明了本文的研究具有实际应用价值与理论研究意义。

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