摘要：對石油勘探大數(shù)據(jù)進(jìn)行高效檢索、快速訪問和有效利用成為石油勘探數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的重要研究方向。高效檢索和利用這些大數(shù)據(jù)是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。針對石油勘探大數(shù)據(jù)高效檢索方法進(jìn)行研究，對現(xiàn)有的檢索方法進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種適用于兩高一寬、小面元采集海量數(shù)據(jù)的檢索方法，解決了離線和在線地震數(shù)據(jù)的高效檢索，結(jié)合熱點(diǎn)區(qū)域地震數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了石油地震數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和自動調(diào)度，提升了高性能存儲資源的利用效率，縮短了石油地震數(shù)據(jù)處理周期，為石油勘探工作提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：石油勘探；地震數(shù)據(jù)；檢索方法

一、前言

地震勘探大數(shù)據(jù)是石油勘探工作中重要的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，決定石油勘探工作成敗的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。近年來，隨著石油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的采集手段和采集設(shè)備使得石油地震勘探邁入了大數(shù)據(jù)時代。

過去，單個區(qū)塊數(shù)據(jù)體的容量在GB數(shù)量級，現(xiàn)在達(dá)到了TB級和上百TB[1]。野外采集記錄介質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)了每一個單炮數(shù)據(jù)的獨(dú)立記錄和管理，從而導(dǎo)致了地震數(shù)據(jù)文件個數(shù)的急劇增加，數(shù)據(jù)體個數(shù)也達(dá)到了幾十萬炮。例如，2023年采集的M區(qū)塊三維，采集面積390km2、原始單炮數(shù)量達(dá)到了107000炮，數(shù)據(jù)總?cè)萘窟_(dá)到了95TB以上，給數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)管理帶來了新的挑戰(zhàn)。

以往的地震數(shù)據(jù)管理模式為基于區(qū)塊信息建立的數(shù)據(jù)庫，一個區(qū)塊數(shù)據(jù)就是一條或幾條記錄，只是記錄了該區(qū)塊采集參數(shù)和地震數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)的信息以及相關(guān)標(biāo)記信息，見圖1。

這種數(shù)據(jù)管理只能做到數(shù)據(jù)介質(zhì)的搜索和查詢，無法做到單個測線甚至特定原始單炮數(shù)據(jù)的查詢和讀取，無法滿足目前數(shù)據(jù)下載服務(wù)的要求。

勘探開發(fā)研究院地球物理研究所作為新疆油田公司地震勘探數(shù)據(jù)倉庫，承擔(dān)著地震勘探數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)和下載服務(wù)工作。作為檔案資料和數(shù)據(jù)資產(chǎn)，以及數(shù)據(jù)安全和高效訪問數(shù)據(jù)的需求，地震勘探數(shù)據(jù)需要做離線備份和在線訪問兩種狀態(tài)保存。目前館藏離線數(shù)據(jù)體達(dá)到了4.5PB，由于存儲系統(tǒng)限制，在線數(shù)據(jù)無法做到100%覆蓋，只能提供1.2PB的在線數(shù)據(jù)，無法滿足地震勘探業(yè)務(wù)快速增加的數(shù)據(jù)下載需求。因此，需要研究一種適合地球物理研究所工作特點(diǎn)的數(shù)據(jù)管理和調(diào)度方法滿足地震勘探業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)讀取需求。

基于以上背景，開發(fā)一套離線和在線數(shù)據(jù)統(tǒng)一檢索平臺[2]，解決石油勘探數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和檢索問題。該平臺將采用自主設(shè)計的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把分散在不同管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集中到一個統(tǒng)一平臺，不僅提高了搜索速度，還將為常用數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)挖掘支持，為科研生產(chǎn)提供有力的支持和保障。

通過該平臺，研究人員可以輕松獲取和管理石油勘探數(shù)據(jù)，無論是在線還是離線數(shù)據(jù)。該平臺提供高效的數(shù)據(jù)檢索功能，使科研人員能夠快速準(zhǔn)確地找到所需的數(shù)據(jù)。同時，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，平臺還能夠挖掘常用數(shù)據(jù)中潛在的信息和規(guī)律，為科研生產(chǎn)提供更深入的洞察和支持。

二、方法

（一）大數(shù)據(jù)信息采集與處理

研究石油勘探大數(shù)據(jù)高效檢索方法。針對兩高一寬、小面元采集海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了適用于此類數(shù)據(jù)的檢索方法。結(jié)合熱點(diǎn)區(qū)域地震數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)管理和自動調(diào)度。

對所使用的石油地震勘探大數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和預(yù)處理。數(shù)據(jù)管理員在數(shù)據(jù)上傳時，對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼解析，提取采樣率、坐標(biāo)、道頭起始位置等關(guān)鍵信息，并將信息保存在數(shù)據(jù)庫中。

（二）檢索方法的設(shè)計

為了更好地檢索地震數(shù)據(jù)，設(shè)計一種基于索引和查詢優(yōu)化的檢索方法。對前面預(yù)處理獲取的數(shù)據(jù)中經(jīng)常用到的關(guān)鍵部分創(chuàng)建索引，該方法通過構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)檢索的速度和準(zhǔn)確性?？蒲腥藛T根據(jù)關(guān)鍵字搜索就可以快速定位所需的數(shù)據(jù)。同時，對查詢進(jìn)行優(yōu)化，以減少查詢響應(yīng)時間、提高檢索效率。

（三）熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)的自動調(diào)度機(jī)制

每年勘探任務(wù)下達(dá)時，會產(chǎn)生近期熱點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)。為了滿足石油地震勘探工作的動態(tài)需求，提出了熱點(diǎn)區(qū)域地震數(shù)據(jù)的自動調(diào)度機(jī)制。這一機(jī)制通過實(shí)時監(jiān)測和分析地震數(shù)據(jù)的使用情況，能夠自動調(diào)度數(shù)據(jù)存儲和計算資源，從而實(shí)現(xiàn)對高性能存儲資源的有效利用。

在熱點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度模塊中，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)管理和調(diào)度機(jī)制。通過對熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)的深度分析和持續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)能夠自動調(diào)度數(shù)據(jù)的存儲和計算資源，以提高資源利用效率。這種智能調(diào)度系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時需求，靈活地分配資源，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到高效處理，為地震勘探工作提供了強(qiáng)大支持。

（四）檢索系統(tǒng)開發(fā)

為了更好地實(shí)現(xiàn)石油勘探大數(shù)據(jù)高效檢索方法，還開發(fā)了一套基于該方法的檢索系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)索引構(gòu)建、查詢優(yōu)化和熱點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度等模塊。

1.系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用Web系統(tǒng)作為檢索系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，并將所有內(nèi)容封裝成服務(wù)。應(yīng)用程序采用跨平臺的.NET Core和Web API技術(shù)實(shí)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

用戶界面層負(fù)責(zé)用戶界面和與用戶的交互，通過Web API技術(shù)與應(yīng)用服務(wù)層進(jìn)行通信。應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯和提供服務(wù)。數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)庫訪問和數(shù)據(jù)持久化。系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

SEGY是一種常用于地震勘探的數(shù)據(jù)格式。

SEGY數(shù)據(jù)包括地震記錄（Trace）：每條地震記錄包含在不同位置上收集到的地震信號。道集（Cline）：SEGY數(shù)據(jù)通常由大量地震記錄組成，按道集的方式排列[3]。道集可以看作是在地震勘探中的一次測量，它們覆蓋了一定的空間范圍。地理位置信息：SEGY數(shù)據(jù)還包括每個道集的地理坐標(biāo)信息，這些信息可以幫助確定勘探區(qū)域內(nèi)的地理位置。抽樣率和采樣點(diǎn)數(shù)：SEGY數(shù)據(jù)中還包括了每個地震記錄的抽樣率和采樣點(diǎn)數(shù)信息。抽樣率表示每秒鐘收集的地震數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，而采樣點(diǎn)數(shù)表示每條地震記錄中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。數(shù)據(jù)文件頭（File Header）：SEGY數(shù)據(jù)的開頭部分包含了一些元數(shù)據(jù)，如文件格式、數(shù)據(jù)采樣方式、數(shù)據(jù)壓縮方式等。

對于石油勘探數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是必要的。讀取數(shù)據(jù)后對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。利用區(qū)域和工區(qū)內(nèi)容，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的特征向量。然后，通過特征選擇算法篩選出對地震勘探任務(wù)有關(guān)聯(lián)性的特征。數(shù)據(jù)庫中保存每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的特征信息，以確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

3.索引構(gòu)建、查詢優(yōu)化

索引是用來提高數(shù)據(jù)庫查詢效率的一種手段。在本文的場景下，需要采用合適的索引來快速定位數(shù)據(jù)。

（1）索引的選擇

該系統(tǒng)使用了MySQL為后臺數(shù)據(jù)庫。MySQL自身具備高性能、高可用、易存儲等特點(diǎn)，分布式設(shè)計使其能夠在理想環(huán)境下訪問千萬級別的數(shù)據(jù)量。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，MySQL的查詢效率受到多種因素的影響。例如，使用多表聯(lián)合查詢時一旦用戶量多常常出現(xiàn)業(yè)務(wù)阻塞等情況，導(dǎo)致用戶產(chǎn)品使用體驗(yàn)較差。因此，提升查詢效率是關(guān)鍵。

SQL查詢過程包括語句查檢、邏輯優(yōu)化、物理設(shè)備優(yōu)化等多個步驟，當(dāng)一條SQL語句執(zhí)行時，CPU利用率、I/O等待時間，甚至是網(wǎng)絡(luò)傳輸效率都會成為影響查詢效率的因素。

（2）索引的設(shè)計與優(yōu)化

建立索引需要考慮數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和訪問模式，本文建議按照以下步驟建立索引。

第一，分析數(shù)據(jù)。一個表上不要過多創(chuàng)建索引。根據(jù)檢索需求盡可能地減少索引的數(shù)量。確定最常用的查詢類型和訪問模式，如按時間、按空間、按屬性等。保證查詢SQL語句是否使用索引，如：Explian Select * from SEGY_archive。

第二，最左前綴法則。指的是查詢從索引的最左前列開始并且不跳過索引中的列。盡量用覆蓋索引進(jìn)行SQL書寫，SQL執(zhí)行時盡量使用索引，提升查詢效率。

第三，查詢語句覆蓋索引。查詢語句使用覆蓋索引（select lt;某個列名gt;），減少一個表全列查詢，如Select * TableName。

第四，一律禁止使用全表掃描。禁止使用not in、not exists等無法使用索引的語句。因?yàn)檫@些語句會導(dǎo)致全表掃描，影響查詢效率。

第五，定期維護(hù)索引。對于經(jīng)常被查詢但數(shù)據(jù)量比較大的表可以使用覆蓋索引，盡量減少I/O操作；定期對索引進(jìn)行維護(hù)和優(yōu)化，如刪除過期索引、合并碎片化索引、重構(gòu)自動增長列等。

（3）查詢語句的優(yōu)化

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中SQL語句直接影響查詢效率和速度，所以SQL語句優(yōu)化是查詢優(yōu)化的主要技術(shù)手段之一。查詢語句編寫時應(yīng)注意避免SQL不合理而造成系統(tǒng)無法正常引用索引。

查詢語句的優(yōu)化包含以下幾個方面：

第一，優(yōu)化查詢條件。使用索引列進(jìn)行過濾，確保查詢條件中涉及的列名都是索引列，減少無用查詢條件、采用合適的查詢條件類型等。這樣可以最大限度地利用索引，提高查詢效率。避免使用以％開頭的模糊匹配。如果查詢使用了Like關(guān)鍵字，并且以模糊匹配的字符串％開頭，會導(dǎo)致索引失效，因?yàn)橐裕ラ_頭的模糊匹配無法確定索引列的起始位置，所以無法利用索引進(jìn)行快速查找，如select * from SEGY_emp where Projectname like‘%KT01’。

第二，避免使用OR語句。查詢條件不建議使用OR，替換成Union聯(lián)合查詢。因?yàn)镺R關(guān)鍵字只滿足一個條件就可以。如果查詢語句用OR時只要有一個列名不是索引列，其他索引列就沒有意義，就會進(jìn)行全表掃描，導(dǎo)致索引失效。所以查詢條件中包含多個OR條件，可以考慮將其拆分成多個獨(dú)立的查詢，然后通過UNION聯(lián)合查詢的方式進(jìn)行合并，這樣可以更有效地利用索引。

第三，避免使用子查詢。子查詢的效率比較低。子查詢重寫為等價的多表連接語句，如原始查詢語句：SELECT * FROM Segy _Archive WHERE id in （SELECT id FROM Segy_user WHERE id = 3）。重寫后的多表連接語句：SELECT Segy _Archive.* FROM Segy _Archive INNER JOIN Segy_user ON Segy _Archive.id = Segy_user.id" WHERE Segy_user.id = 3。這種重寫可以將子查詢轉(zhuǎn)換為連接操作，提高查詢效率，并消除內(nèi)部查詢語句的層次結(jié)構(gòu)。這種優(yōu)化方法適用于沒有復(fù)雜格式（如分組或排序）的SQL語句，同時要求外層查詢與內(nèi)層查詢的結(jié)果沒有重復(fù)記錄行。

第四，控制查詢結(jié)果集的大小。為了控制查詢結(jié)果集的大小，采用TOP或LIMIT語句獲取前N條記錄，以避免返回過多的結(jié)果，提高查詢效率。

（四）近線存儲方案

近線存儲方案是針對在線存儲容量有限的問題提出的一種解決方案。傳統(tǒng)的在線存儲方式往往會受到存儲容量和成本的限制，因此需要一種更具效率和經(jīng)濟(jì)性的存儲方案來解決這一問題。

近線存儲系統(tǒng)介于在線存儲和離線存儲之間，具有較大的存儲容量和較低的成本，適用于存儲不常使用但仍然需要保留的數(shù)據(jù)，其核心思想是根據(jù)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)容將部分離線數(shù)據(jù)暫時存儲到近線存儲上，從而釋放在線存儲的空間，提高存儲資源的利用率。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，近線存儲系統(tǒng)使用了智能算法來判斷哪些離線數(shù)據(jù)應(yīng)該被移動到近線存儲。這個判斷可以基于熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的訪問頻率、數(shù)據(jù)的重要性以及存儲空間的限制等因素進(jìn)行。

當(dāng)需要使用近線存儲上的離線數(shù)據(jù)時，可以采用快速的拷貝方式將數(shù)據(jù)從近線存儲遷移到用戶在線存儲上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時可用。這種快速拷貝方式可以利用高速光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸、并行處理等技術(shù)手段，以提高拷貝的效率和速度。相比于將離線數(shù)據(jù)直接拷貝到在線存儲的方式，近線存儲方案能夠更快地將數(shù)據(jù)遷移到在線存儲上。因?yàn)榻€存儲中的離線數(shù)據(jù)已經(jīng)按照熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的內(nèi)容進(jìn)行了篩選，只需將這部分?jǐn)?shù)據(jù)移動到在線存儲即可，避免了對所有離線數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝的耗時操作。

綜上所述，近線存儲方案是一種有效解決在線存儲容量有限問題的方法，它能夠提高存儲資源的利用率，提升數(shù)據(jù)訪問效率，同時保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，為數(shù)據(jù)管理和訪問提供了更好的支持。在未來的數(shù)據(jù)存儲和管理中，近線存儲方案將發(fā)揮越來越重要的作用，成為解決存儲容量有限問題的重要手段。

三、認(rèn)識

本研究提出的石油勘探大數(shù)據(jù)高效檢索方法，解決了石油地震勘探領(lǐng)域面臨的大數(shù)據(jù)管理挑戰(zhàn)。

（一）數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

成功收集了多種采集方式下的石油地震勘探大數(shù)據(jù)，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后保存在數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)檢索和管理提供了基礎(chǔ)。

（二）檢索方法的設(shè)計

通過構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)和優(yōu)化查詢語句，檢索方法在速度、準(zhǔn)確性和響應(yīng)時間方面取得了顯著的改進(jìn)。與傳統(tǒng)方法相比，此方法能夠更快速地檢索到所需的數(shù)據(jù)，并提供準(zhǔn)確的搜索結(jié)果。

（三）熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)的自動調(diào)度機(jī)制

通過實(shí)時監(jiān)測和分析地震數(shù)據(jù)的使用情況，成功實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域地震數(shù)據(jù)的自動調(diào)度。根據(jù)需求動態(tài)分配存儲和計算資源，滿足動態(tài)需求，并提高資源利用效率。

（四）檢索系統(tǒng)開發(fā)

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)索引構(gòu)建、查詢優(yōu)化和熱點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度等模塊。通過使用分布式存儲技術(shù)，提高了系統(tǒng)的吞吐量和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)能夠有效地處理大規(guī)模的石油勘探大數(shù)據(jù)，并提供高效的數(shù)據(jù)訪問和管理。

（五）近線存儲方案

近線存儲方案在解決在線存儲容量有限問題方面取得了顯著的成果，能夠更好地滿足熱點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的需求，并保證數(shù)據(jù)的及時可用性。

四、結(jié)語

綜上所述，研究提出的石油勘探大數(shù)據(jù)高效檢索方法在解決石油地震勘探領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)管理挑戰(zhàn)方面具有重要的意義。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)檢索和查詢效率、實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)管理和調(diào)度、引入近線存儲方案等手段，有效地提高了數(shù)據(jù)訪問和管理的效率。在使用過程中，該研究方法在性能和效果方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有的方法。要注意上述提到的方法，只適合數(shù)據(jù)量很大、在線存儲空間不夠，需要離線和在線方式管理數(shù)據(jù)等情況。

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