地震解釋人機聯作仿真實驗教學平臺建設探索

汪佳蓓，賴富強，李小剛，徐少華，何加成，黃兆輝，陳 青，朱章雄

重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331

2013年8月教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。文件指出，仿真實驗教學是高校的信息化建設與實驗教學示范性中心建設的重要內容，是信息技術與學科專業深度融合的產物[1]。2018年9月，關于實驗教學的信息化建設，教育部印發了《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》，在“構建全方位全過程深度融合的協同育人新機制”中明確提出“綜合運用校內外資源，建設滿足實踐教學需要的實驗實習實訓平臺”[2]。

重慶科技學院在《重慶科技學院高水平新工科建設高校建設方案》指出，抓實實踐教學實施環節，積極推進線上線下混合式教學改革，推進信息技術和教育教學深度融合，充分體現了實踐教學的建立、創新和改革是教學改革的重中之重。加強實踐教學資源建設、抓實實踐教學實施環節是我校一流應用型本科建設的核心內容之一。地震解釋虛擬仿真實踐項目建設正是我校本科重點教改項目之一，但學院地震解釋相關的仿真實驗尚處于建設初期，仿真實驗教學資源還比較缺乏。對于石油勘探類諸多現象、特征和規律的認知，充滿著高風險、不可見、不可達，虛擬仿真實驗教學手段能夠直觀展示地下特征，通過虛擬仿真現實，構建仿真虛擬實驗環境和實驗對象，可以使學生在安全的環境下獲得直觀的實驗體驗。

一、石油勘探開發虛擬仿真建設現狀

虛擬仿真平臺是以虛擬現實技術為基礎，結合多媒體、人機交互等多種計算機技術構建的高度仿真虛擬環境[3]。該平臺體現了人機交互性、以實為本，虛實結合，且易于維護性。平臺的重點性體現在虛擬仿真系統能夠克服真實環境中存在的各種限制，提供經濟安全、穩定可靠的虛擬環境，滿足實踐教學的需求[4]。由于石油行業的不可及、不可視、高風險等操作過程的特點，因此實踐教學中需要利用信息化技術，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，從而提高學生實踐動手能力[5-6]。國外石油相關高校已經有部分建設起沉浸式虛擬仿真系統，國內各個石油高校也在大力建設中，但總的來說，由于建設成本較高，已經建好并且形成廣泛應用的高校較少，建設任務依然繁重。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，地質類有11個，海洋科學類和地球物理類均為0個，11個項目見表1，均為2018年認定結果。從認定結果來看，和石油勘探聯系最緊密的有5個，分別為吉林大學的地震波動理論實驗和興城野外路線地質虛擬仿真教學、中國石油大學（華東）的油田地質實習虛擬仿真實驗項目、中國地質大學（北京）的北京周口店野外地質仿真模擬實習和東北石油大學的油氣勘探地球物理測井虛擬仿真實驗?？梢娛涂碧较嚓P專業的虛擬仿真建設依然還存在大量的建設空間。

表1 2017年以來石油勘探相關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平臺建設的重要性

1.工程教育認證特別強調培養學生“解決復雜工程問題的能力”

高等學校工程教育認證越來越受到高校的重視，其中畢業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“解決復雜工程問題的能力”又是畢業要求中的關鍵所在[7-8]?！芭囵B解決復雜工程問題的能力”就是要求高校工程類的相關專業需要緊密聯系實踐，在培養方案的制訂、實踐教學環節的加強、實驗室平臺建設等多方面都必須進行探索和嘗試。通過以“復雜工程問題”為目標，加強實習基地的橫向聯系，搭建學生創新實踐平臺，加強實驗室建設和產學研平臺建設，緊扣“培養解決復雜工程問題的能力”的主題，開展適應我國工程教育新形勢的專業改革。地震解釋課程群是綜合性實踐性課程，是真正要求培養學生運用知識解決實際問題能力的課程[9-10]。通過將油田現場解釋內容轉化為實踐教學，在課堂授課與實踐訓練的融合中進行教學，用所建立的虛擬仿真實驗教學平臺，讓學生通過參與實踐教學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，可結合虛擬仿真來加以分析研究，對提高學生“培養解決復雜工程問題的能力”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、地質學和勘查技術與工程等專業的“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”“地震地下地質學”“構造地質學”“地球物理課程設計”和研究生課程“地球物理綜合勘探實訓”等系列理論和實踐課程為輔助，共同構建的一個以解決地下地層構造特征、地層特征和巖性特征的專業課程群。該課程群主要研究地下各種地質體的構造現象、組合形式、巖性特征及其形成和發育規律，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造和巖性問題。該課程群不僅對闡明地質構造在空間上的相互關系、探討何種地層形態下更易富集油氣具有重要的理論意義，而且對指導生產實踐，解決地震勘探、工程地質、地震地質及石油物探等方面的有關問題具有重要實踐意義，學生可以把學到的知識與工程現場需求相對接，這樣能夠更好地開拓學生的思維，且能很大程度提高學生的積極性和自主學習能力?，F在的大學生科技創新，各類學科競賽包含全國油氣地質大賽和“東方杯”勘探地球物理大賽，均要求學生具有很強的地震資料解釋的實踐能力。

三、仿真實驗平臺建設的探索與實踐

1.平臺建設背景

地震解釋人機聯作仿真實驗教學平臺建設是基于地球物理計算中心和物探技術聯合實驗室平臺，該平臺是基于重慶科技學院和中國石油東方地球物理公司校企聯合共建實驗室，目前主要包含地球物理計算中心和油氣儲層預測實驗室兩個部分。地球物理計算中心現有主要設備為聯想深騰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施，目前在海量數據處理和運算能力方面與西南地區同類高校相比優勢明顯。

2.地震解釋人機聯作仿真實驗建設內容

（1）不同沉積環境下地層數據三維可視化建設。

選取不同沉積環境下的原始地震數據，將地震數據導入仿真系統后轉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，將地震數據變成可調顏色的三維模型，學生能夠查看內部特征（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特征。同時可以對三維地震內部信息進行調整，實現內部地層特征和結構的觀察。通過不同顏色的調整和數據區域的選取，可以突出局部異常特征, 實現特殊地質體或者異常體的分離觀察。在仿真系統中學生可以根據自己的興趣選擇數據庫中某個沉積環境下的數據案例進行查看和分析，有助于學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）不同屬性數據體的定義及切片演示模塊的建設。

將已經提取好的屬性體及具有典型特征的不同切片圖導入仿真系統。屬性體數據可以有助于學生觀察到地層內部的沉積和構造特征。學生可以在仿真系統中選取相應的屬性體，并能夠進行屬性體切片的查看，同時屬性體旁邊對應不同屬性體的定義和解釋，學生可以查看不同屬性對應的含義，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造樣式。這樣學生通過選取不同屬性體，查看地層的沉積和構造特征，該模塊可以讓學生獲得構造特征或者沉積特征的直觀展示，還可以得出相關的解釋結論，提高了學生地震解釋能力。

（3）不同構造背景下的斷層模型模塊的建設。

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

圖2 斷層和地層切割關系三維立體仿真圖

四、虛擬仿真實驗的特色與創新

1.開展不同沉積環境下地層特征的仿真實驗

仿真實驗建立了不同沉積環境下的實驗數據庫，方便學生根據不同需求選擇數據庫進行仿真實驗。因此進入仿真系統后，學生可以對一系列不同沉積環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多重選擇，在數據庫下進行仿真練習，對數據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，同時三維可視化環境也讓學生更直觀地感受地下地層特征，從而更加吸引學生注意力，保持對課程的興趣，同時加強學生針對不同沉積環境的地震解釋實踐能力。

圖3 不同沉積環境下原始剖面和地質模型展示

2.融入實際工程案例數據，提高直觀性和學生參與度

傳統教學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據，生成各類地層和地質模型，將真實數據的處理結果運用到虛擬仿真中并進行教學。學生可通過仿真系統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，觀察地下地層數據的平面和剖面特征。該系統相比傳統教學能夠更加生動再現地下地層特征，融入三維地震可視化技術，幫助學生更好地掌握地下地層構造樣式和沉積形態，提高學生地震資料解釋綜合實踐與創新能力。

3.以校企共建實驗室為依托，有很好的技術支撐

本實驗教學平臺依托重慶科技學院與中石油東方地球物理公司共建的實驗室，具有很好的技術支持，以培養具有高水平、良好競爭力的高級石油勘探人才為目標。本實驗致力于建設開放性的實驗、實訓、研究、創新一體化實驗教學平臺，構建與理論教學有機結合、符合石油勘探特點、“工作站地震解釋模擬+實際資料訓練”各有側重并互為補充的“二位一體”實驗實訓仿真模塊，形成基礎性、綜合性、研究設計性與創新性等四層次的課程體系。在過去幾年中，重慶科技學院石油勘探類專業學生在經過本實驗教學學習之后，參加了近幾年的全國油氣地質大賽，取得了優異的成績。

五、結語

虛擬仿真實驗教學模式是高等教育信息化環境下的必然產物，也是我校石油勘探教學中心的重要建設內容之一。我校在地震解釋仿真平臺建設過程中，以全面提高學生實踐能力為宗旨，充分利用自身的優勢學科，將虛擬仿真技術與石油勘探技術相融合，將地震解釋地層仿真實驗融入教學內容，并注重校企聯合，協同創新，以現代化的教學手段豐富了地震解釋課程群的實驗教學內容，提高了實驗教學水平。雖然在教學實踐中取得了一定的成果，但在實驗平臺的完善、模塊優化和模塊補充、虛擬現實效果提升等方面，都有待進一步深入的研究和探索。