地震解释人机联作仿真实验教学平台建设探索

汪佳蓓，赖富强，李小刚，徐少华，何加成，黄兆辉，陈 青，朱章雄

重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331

2013年8月教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。文件指出，仿真实验教学是高校的信息化建设与实验教学示范性中心建设的重要内容，是信息技术与学科专业深度融合的产物[1]。2018年9月，关于实验教学的信息化建设，教育部印发了《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，在“构建全方位全过程深度融合的协同育人新机制”中明确提出“综合运用校内外资源，建设满足实践教学需要的实验实习实训平台”[2]。

重庆科技学院在《重庆科技学院高水平新工科建设高校建设方案》指出，抓实实践教学实施环节，积极推进线上线下混合式教学改革，推进信息技术和教育教学深度融合，充分体现了实践教学的建立、创新和改革是教学改革的重中之重。加强实践教学资源建设、抓实实践教学实施环节是我校一流应用型本科建设的核心内容之一。地震解释虚拟仿真实践项目建设正是我校本科重点教改项目之一，但学院地震解释相关的仿真实验尚处于建设初期，仿真实验教学资源还比较缺乏。对于石油勘探类诸多现象、特征和规律的认知，充满着高风险、不可见、不可达，虚拟仿真实验教学手段能够直观展示地下特征，通过虚拟仿真现实，构建仿真虚拟实验环境和实验对象，可以使学生在安全的环境下获得直观的实验体验。

一、石油勘探开发虚拟仿真建设现状

虚拟仿真平台是以虚拟现实技术为基础，结合多媒体、人机交互等多种计算机技术构建的高度仿真虚拟环境[3]。该平台体现了人机交互性、以实为本，虚实结合，且易于维护性。平台的重点性体现在虚拟仿真系统能够克服真实环境中存在的各种限制，提供经济安全、稳定可靠的虚拟环境，满足实践教学的需求[4]。由于石油行业的不可及、不可视、高风险等操作过程的特点，因此实践教学中需要利用信息化技术，借助于虚拟仿真手段，使地下特征变得直观、形象，具可操作性，能够巩固对理论知识的认知，从而提高学生实践动手能力[5-6]。国外石油相关高校已经有部分建设起沉浸式虚拟仿真系统，国内各个石油高校也在大力建设中，但总的来说，由于建设成本较高，已经建好并且形成广泛应用的高校较少，建设任务依然繁重。自从开展国家级虚拟仿真实验项目申报以来，认定为国家级的项目中，地质类有11个，海洋科学类和地球物理类均为0个，11个项目见表1，均为2018年认定结果。从认定结果来看，和石油勘探联系最紧密的有5个，分别为吉林大学的地震波动理论实验和兴城野外路线地质虚拟仿真教学、中国石油大学（华东）的油田地质实习虚拟仿真实验项目、中国地质大学（北京）的北京周口店野外地质仿真模拟实习和东北石油大学的油气勘探地球物理测井虚拟仿真实验。可见石油勘探相关专业的虚拟仿真建设依然还存在大量的建设空间。

表1 2017年以来石油勘探相关的国家级虚拟仿真项目

二、我校开展地震解释仿真实践教学平台建设的重要性

1.工程教育认证特别强调培养学生“解决复杂工程问题的能力”

高等学校工程教育认证越来越受到高校的重视，其中毕业要求达成度的分析和评价是高校工程教育认证中的核心部分，而“解决复杂工程问题的能力”又是毕业要求中的关键所在[7-8]。“培养解决复杂工程问题的能力”就是要求高校工程类的相关专业需要紧密联系实践，在培养方案的制订、实践教学环节的加强、实验室平台建设等多方面都必须进行探索和尝试。通过以“复杂工程问题”为目标，加强实习基地的横向联系，搭建学生创新实践平台，加强实验室建设和产学研平台建设，紧扣“培养解决复杂工程问题的能力”的主题，开展适应我国工程教育新形势的专业改革。地震解释课程群是综合性实践性课程，是真正要求培养学生运用知识解决实际问题能力的课程[9-10]。通过将油田现场解释内容转化为实践教学，在课堂授课与实践训练的融合中进行教学，用所建立的虚拟仿真实验教学平台，让学生通过参与实践教学以加深对地震解释方法原理的理解，并掌握地震解释的操作流程。对实践中遇到的难题，可结合虚拟仿真来加以分析研究，对提高学生“培养解决复杂工程问题的能力”有很大帮助。

2.地震解释课程群涵盖课程广且课程具有很强实践性

地震解释课程群是以资源勘查工程、地质学和勘查技术与工程等专业的“地震资料综合解释”课程为核心，以“地震勘探原理”“地震地层学”“地震地下地质学”“构造地质学”“地球物理课程设计”和研究生课程“地球物理综合勘探实训”等系列理论和实践课程为辅助，共同构建的一个以解决地下地层构造特征、地层特征和岩性特征的专业课程群。该课程群主要研究地下各种地质体的构造现象、组合形式、岩性特征及其形成和发育规律，探索地层中油气形成和分布的过程，并解决油气形成富集过程的构造和岩性问题。该课程群不仅对阐明地质构造在空间上的相互关系、探讨何种地层形态下更易富集油气具有重要的理论意义，而且对指导生产实践，解决地震勘探、工程地质、地震地质及石油物探等方面的有关问题具有重要实践意义，学生可以把学到的知识与工程现场需求相对接，这样能够更好地开拓学生的思维，且能很大程度提高学生的积极性和自主学习能力。现在的大学生科技创新，各类学科竞赛包含全国油气地质大赛和“东方杯”勘探地球物理大赛，均要求学生具有很强的地震资料解释的实践能力。

三、仿真实验平台建设的探索与实践

1.平台建设背景

地震解释人机联作仿真实验教学平台建设是基于地球物理计算中心和物探技术联合实验室平台，该平台是基于重庆科技学院和中国石油东方地球物理公司校企联合共建实验室，目前主要包含地球物理计算中心和油气储层预测实验室两个部分。地球物理计算中心现有主要设备为联想深腾1800PC集群、大型交换机、解释工作站、终端图形工作站和GEOEAST软件以及其他各类配套设施，目前在海量数据处理和运算能力方面与西南地区同类高校相比优势明显。

2.地震解释人机联作仿真实验建设内容

（1）不同沉积环境下地层数据三维可视化建设。

选取不同沉积环境下的原始地震数据，将地震数据导入仿真系统后转换为可以视觉识别的三维体，利用已有的三维地震可视化解释技术，将地震数据变成可调颜色的三维模型，学生能够查看内部特征（图1）。通过不同高低值的振幅，显示地震道，以便查看地下地层形态特征。同时可以对三维地震内部信息进行调整，实现内部地层特征和结构的观察。通过不同颜色的调整和数据区域的选取，可以突出局部异常特征, 实现特殊地质体或者异常体的分离观察。在仿真系统中学生可以根据自己的兴趣选择数据库中某个沉积环境下的数据案例进行查看和分析，有助于学生对地下地层的特征有直观的感受，并得出自己的理解和认识。

图1 三维可视化地层特征彩色仿真图

（2）不同属性数据体的定义及切片演示模块的建设。

将已经提取好的属性体及具有典型特征的不同切片图导入仿真系统。属性体数据可以有助于学生观察到地层内部的沉积和构造特征。学生可以在仿真系统中选取相应的属性体，并能够进行属性体切片的查看，同时属性体旁边对应不同属性体的定义和解释，学生可以查看不同属性对应的含义，从而了解不同属性体代表的含义。属性体也可以展示地层的沉积特征，比如三角洲沉积、岩溶相沉积等；有的属性体可以清楚地展示断层的平面和剖面特征，比如切片上可以展示断层在平面上的分布走向，剖面上可以展示断层的不同构造样式。这样学生通过选取不同属性体，查看地层的沉积和构造特征，该模块可以让学生获得构造特征或者沉积特征的直观展示，还可以得出相关的解释结论，提高了学生地震解释能力。

（3）不同构造背景下的断层模型模块的建设。

将不同构造样式的解释模型数据导入仿真系统，并提供对应的解释结论。构造样式均来自前期大量油田真实构造数据的整理和归类，具有真实性、实践性强的特征。学生进入仿真系统后，可以选取不同构造背景下的数据，进行断层构造样式的查看，不同的构造样式对应着不同的解释，学生通过选取不同构造背景下的断层样式，可以开展构造模型的仿真解释。解释完成后，可以查看对应的解释结论，检查是否与自行解释结果相吻合。该模块提供了大量的原始构造样式和模型图（图2），学生可以浏览不同类型的构造样式图，提高学生对地层构造特征的理解，增强学生的构造特征解释能力。这也与地震解释类课程的教学宗旨一致，致力于提高学生的地震解释实践水平。

图2 断层和地层切割关系三维立体仿真图

四、虚拟仿真实验的特色与创新

1.开展不同沉积环境下地层特征的仿真实验

仿真实验建立了不同沉积环境下的实验数据库，方便学生根据不同需求选择数据库进行仿真实验。因此进入仿真系统后，学生可以对一系列不同沉积环境下的地层特征进行对比和选择（图3），可针对自己的需求实现多重选择，在数据库下进行仿真练习，对数据进行有目的的查看和分析，加强自主分析能力和实际动手能力，同时三维可视化环境也让学生更直观地感受地下地层特征，从而更加吸引学生注意力，保持对课程的兴趣，同时加强学生针对不同沉积环境的地震解释实践能力。

图3 不同沉积环境下原始剖面和地质模型展示

2.融入实际工程案例数据，提高直观性和学生参与度

传统教学大多通过在课堂上以图片形式展示地震剖面并进行解释，学生参与度低且不直观，很难达到好的效果。本仿真实验基于油田的真实地层数据，生成各类地层和地质模型，将真实数据的处理结果运用到虚拟仿真中并进行教学。学生可通过仿真系统直观查看地下地层特征，可以在三维可视化条件下开展不同角度的查看和解释，同时可以选择不同的地层切片，观察地下地层数据的平面和剖面特征。该系统相比传统教学能够更加生动再现地下地层特征，融入三维地震可视化技术，帮助学生更好地掌握地下地层构造样式和沉积形态，提高学生地震资料解释综合实践与创新能力。

3.以校企共建实验室为依托，有很好的技术支撑

本实验教学平台依托重庆科技学院与中石油东方地球物理公司共建的实验室，具有很好的技术支持，以培养具有高水平、良好竞争力的高级石油勘探人才为目标。本实验致力于建设开放性的实验、实训、研究、创新一体化实验教学平台，构建与理论教学有机结合、符合石油勘探特点、“工作站地震解释模拟+实际资料训练”各有侧重并互为补充的“二位一体”实验实训仿真模块，形成基础性、综合性、研究设计性与创新性等四层次的课程体系。在过去几年中，重庆科技学院石油勘探类专业学生在经过本实验教学学习之后，参加了近几年的全国油气地质大赛，取得了优异的成绩。

五、结语

虚拟仿真实验教学模式是高等教育信息化环境下的必然产物，也是我校石油勘探教学中心的重要建设内容之一。我校在地震解释仿真平台建设过程中，以全面提高学生实践能力为宗旨，充分利用自身的优势学科，将虚拟仿真技术与石油勘探技术相融合，将地震解释地层仿真实验融入教学内容，并注重校企联合，协同创新，以现代化的教学手段丰富了地震解释课程群的实验教学内容，提高了实验教学水平。虽然在教学实践中取得了一定的成果，但在实验平台的完善、模块优化和模块补充、虚拟现实效果提升等方面，都有待进一步深入的研究和探索。