IBM认知计算技术-在油气行业的发展与方向

1、IBM认知计算技术在油气行业的发展与方向IBM Cognitive Computing目 录 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc480609491 IBM认知计算的发展 IBM认知计算的发展认知科学是20世纪世界科学标志性的新兴研究门类，它作为探究人脑或心智工作机制的前沿性尖端学科，已经引起了全世界科学家们的广泛关注。而认知计算源自模拟人脑的计算机系统的人工智能，20世纪90年代后，研究人员开始用认知计算一词，用于教计算机像人脑一样思考，而不只是开发一种人工系统。传统的计算技术是定量的，并着重于精度和序列等级，而认知计算则试图解决生物系统中不精确、不确定和部分真实的问

2、题。研究认知的机理，建立认知的模型，然后用计算机模拟人类认知的过程来处理实际问题是人工智能领域的重要课题，受到很多研究者的关注。目前，谈到认知计算，我们指的更多的是自然语言处理、分析学、机器学习及其他的混合体。IBM研究院基于对认知计算的研究，认为认知计算的能力主要体现在四个层次：第一个层次是辅助能力。在认知计算系统的帮助下，人类的工作可以更加高效。百科全书式的信息辅助和支撑，可以让人类利用广泛而深入的信息，成为各个领域的“资深专家”。比如在医疗领域，医生诊断一个疑难病症要花很长时间，而如果有认知计算系统的帮助，时间则会大幅缩短。尤其在一些发展中国家，每位医生要服务的患者，和发达国家相比至少差

3、十倍，因此认知计算系统更能体现出优势。第二个层次是理解能力。非凡的观察和理解能力,可以帮助人类在纷繁信息中发现其内在的关联和涌现的趋势；面对海量的数据，虽然我们有搜索引擎这样的技术，但很多时候并不能如愿找到自己想要的信息。而认知计算系统可以更好地理解我们的需求，并为我们提供相应的服务。第三个层次是决策能力。企业制定发展战略，政府部门出台政策措施，都需要汇集和分析大量的信息，然后进行决策。认知计算系统则可以在决策方面为我们提供帮助。 第四个层次是发现和洞察的能力，可以帮助人类发现当今计算技术无法发现的新洞察、新机遇及新价值。2010年IBM开始着手于Watson项目，这是有史以来的人工智能认知计

4、算领域的最大的挑战。2011年2月 14日，IBM的Watson系统亮相美国智力竞赛节目危险边缘，与该节目史上最强的2位答题高手连续3天同场竞技，最Watson以绝对优势第一次赢得了人类历史上智力问答比赛的冠军！Watson挑战的目标是成为一个能够与人类回答问题的能力相匹敌的智能计算系统，要求具有足够的速度、精确度和置信度，并且使用自然语言回答问题。事实是，像“危险边缘”这样的节目实际上对于电脑来说是非常复杂的环境，它包含分类、双关语、俚语、不同语气等各种不同的电脑很难识别的东西，这需要大量计算和分析。Watson是IBM在智能分析认知计算方面的一项重大突破，它之所以取得成功，完全得益于它处理

5、的信息的数量、质量和速度。Watson能准确地给出和人类智慧匹敌答案，它是如何做到的？Watson在计算分析答案时将按以下方式进行运作：Watson会将你的问题分解为很多个关于这个问题的“特征”；Watson会在大量可能包含答案的信息中进行搜索，然后生成一系列潜在答案；Watson使用特有的复杂的模型算法，为每一个潜在答案评分；Watson会提供最有信心的答案，以及答案的相关证据；Watson会对打分分数进行权衡，为每个答案的置信度（信心指数）进行评估；Watson是IBM强大的认知计算技术的杰出系统代表，它可以像人类一样思考，积累经验不断跨界学习，具有高超的大数据分析能力，确保决策的置信度和

6、准确性。Watson对于IBM来说，不仅意味未来规模会有望超过数百亿美元的业务，更为重要的是，它引领了计算科学的未来，为人工智能和认知计算打开一个新的世界。IBM认知计算在油气行业实践IBM投资10亿美元成立了Watson集团，大力发展认知计算业务，在医疗领域帮助医生攻克癌症等重大疾病已崭露头角。在油气行业，部分国际油气公司开发利用Watson认知计算技术，帮助其提升勘探与生产业务水平也做了大量实践。具体油气行业Watson认知计算的大数据分析案例如下：提升勘探业务客户：西班牙某油气公司项目挑战决策存在各个业务环节。在决策的过程中，通常需要更多信息，有时需要进行人员重组，或有新的利益相关者参与

7、进来，才能达到最终效果。在人们实际工作过程中，需要跨越多个工作环境，无论在办公室、在家里、或在现场，其中很重要的是让人们在无缝计算体验中，获得认知理解的能力。解决方案Repsol和IBM研究人员一起工作，在油气行业实际用例中，联合研发和应用新的认知工具原型；认知计算软件代理和技术将被设计成以更自然的方式与人类专家协作，通过互动的方式进行学习，克服海量数据所带来的认知局限性，使个人和团队做出更好的决策；科学家们也可以尝试结合传统的与新的界面，可以基于对话、手势、机器人、先进的可视化、及导航技术等。在决策过程中学习，利用可能存在的决策过程的人类特征、偏好和偏见的复杂模型。业务效果这个由IBM和Re

8、psol将联合开发原型用程序将，利用认知计算能力，专门帮助公司降低未来油田收购的风险和不确定性，及最大化现有油田的产量，这可以对Repsol和全球所有油气公司业务运营的效率产生重大影响。提升前景评价客户：挪威某油气公司项目挑战勘探决策的制定往往是基于评估过程，其受人员可用性、可用时间和获取相关信息能力等方面因素的约束；有一系列相关的信息来源以各种非结构化和结构化的格式，存储和分布于众多的内部或外部的不同位置；解决方案向研究人员提供现有项目信息，以及从石油天然气行业第三方数据提供者提供第三方信息，如：IHS能源、C&C油藏，麦肯锡等。天气与卫星数据也将发挥作用，还有一系列的其他大数据资源；勘探决

9、策顾问系统，统一结构化和非结构化的、内部和外部的数据源。它将应用认知计算技术处理数据，来校准可能的答案以达到“最佳置信度”，然后选择出问题的答案。业务效果减少所需的时间和资源，来开发一个现实可行的和经济可行的的开发方案；改善油田开发早期阶段的成本和进度评估；以较低程度的不确定性，来识别风险和回报；提供可能遇到的技术和非技术风险方面的洞察力；推荐最适合勘探和生产的概念；不管人员如何的变化，把专家经验和知识保存下来服务企业。辅助地震解释客户：美国某油气服务公司项目挑战地震解释相关的瓶颈之一，是需要结合地震解释专家对地质理解的隐性知识；这种隐性知识允许解释专家使用和整合语义上下文信息来填补一些知识空

10、白；勘探决策的制定往往是基于评估过程，其受人员可用性、可用时间和获取相关信息能力等方面因素的约束。解决方案认知方法允许协助语义上下文地震解释，是通过：结合先进的机器学习算法与计算机视觉技术，来识别地震体的特征；探索创新的视觉分析法，捕获在解释过程中识别关键决策点的用户互动操作，用来作为训练信号；利用语义上下文特征提取算法，处理与不确定性级别相关的可信的解释。语义上下文特征可以从结构化和非结构化数据来源提取（例如，从油藏类比数据库和One Petro等专业论文等）。快速决策支持客户：澳大利亚某油气公司项目挑战对于陆上作业现场的工程师，需要提升快速访问经验和知识的能力，简化即时获得知识的途径；需要

11、依据大量积累的经验，提高维保检修方案的制定的效率；需要实现智能及自然语言的方式，快速交互式地获取支持；解决方案公司工程师训练认识计算系统，可以让用户能够在几秒内能大量的非结构化的项目报告中发现证据充分的结论；Watson是该公司利用预测数据科学战略的一部分，作为一个领导地位的油气生产商，来深度利用30多年的积累知识和经验，来保持绝对的竞争优势；系统充许大量人员，一起利用已有的知识和经验，帮助Woodside设计、装配、建造油田设施，也可以提升检修维保管理；通过云平台，提供认知顾问服务：实现大量专家经验和知识能被大量人员快速访问，这可以帮助工程师快速做出解决方案，来改进工序流程和提高产出；经验学

12、习系统，可以让工程师能以自然语言的方式提出复杂的问题，并快速获得可靠的答案。项目效果“数据科学是知识管理的重要的下一章，使该公司能够打开集体智慧” Woodside战略科技高级副总裁肖恩格雷戈里“我们为公司带来了新的工具包，实现基于证据形式的数据科学预测，在我们的组织内将降低成本和提高效率。”赖特数据科学的地位，由于数据数量及复杂性的增长、计算机处理成本降低等原因，而得到巩固，这是一种下十年颠覆工业的技术。“我们的计划是把所有的数据变成一个预测工具，在这里每一个组织将能够，基于有效信息和准确的洞查来做出决策。”提升HSSE管理客户：挪威某油气公司项目挑战在油气行业经营管理和持续发展中，及时有效

13、应对油气工业任何环保问题是至关重要。掌握在异常运行中可以利用的关键资源，可以拯救环境，这可以帮助改善和维持企业形象，并在关键的时间点上提供有效的解决方案。解决方案基于对需氧微生物行为的很好理解，能够提供有效的方法来支持HSSE事件中的泄漏清理活动。对于厌氧微生物行为的理解，可以提供了另一个层面的有效支持，用于环保问题中很难确定潜在的影响。利用认知能力来提炼全球的研究成果和见解，提供了有效和高效的方法，为前线作业提供最好的支持能力；业务产出利用及时有效的解决方案，实现有效应对全球业务挑战，推动改善环境响应能力；有效利用有氧和厌氧状态微生物方面全球知识 ，使人员能够迅速处理异常作业情况，根据位置、

14、风速、波浪、温度及大量细节变化，做出优秀的行动方案；有效应对异常作业，可以降低风险和有效保持良好的性能状态。提升原油交易客户：英国某油气公司项目挑战随着石油价格下降，炼油厂提高利润率的压力很大，正在寻找降低成本的方法，包括处理原油的成本；低成本的原油一般含有杂质，会影响炼油资产完整性，如：腐蚀或垢化上百万美元资产(设备)。因此,炼油厂需要充分了解原油的性质，收集先前的经验，理解根源问题和预防措施。达到以上目的，要通过搜索成千上万的文档，理解结构化和非结构化格式的数据。解决方案相关数据对于用户唾手可得；自然语言处理(NLP)和非结构化文档简单的模式识别，实现加速识别如大海捞针般的文档之间的关系；

15、可以从外部新闻对原油在评估获了洞察力和信心；数据驱动，动态视觉比较，关键原油特征的权衡分析；原油炼制经验的评估，利用历史运行数据和操作日志，来填充空白积极获取经验。业务效果通过改善原油贸易决策的质量和速度扩大原油交易规模，这需要了解原油特征、理解相关的风险缓解策略和支持的证据通过扩大原油交易的规模，Watson可以帮助实现在5年的内提升9-15亿$的额外利润。IBM在油气行业的大数据分析案例IBM与国际油公司做了大量的联合研发，在大数据分析技术领域，IBM与国际油公司在勘探与生产方面进行了大量的研究尝试，部分项目已完成并提交了成果，应用于勘探与生产业中，帮助提高勘探与生产业务水平，部分项目案例

16、及进展如下：油气藏类比业务问题在早期油气勘探中，只有有限的可用数据，在高风险油气行业的决策中，不了解细节也是不可必免的，如何利用现有的有限数据成是一个重要问题。解决方案分析系统协助石油天然气专家利用已知的、类似油气藏的物理特性来分析评价新的同类油气藏 (例如“类似油气藏”)。独特的价值用特征描述和不确定性来预测油气藏的物理特性，可以用类比和机器学习的方法，来填写后续勘探可行性研究的空白。油气藏类比可视化业务问题类似油气藏的识别（评估油藏属性）需要专家的鉴定和经验，因此存在许多语境分析方面的因素必须考虑。解决方案可视分析系统协助油气专家识别和分析类似油藏。独特的价值油藏细节和类似物，以用户友好的

17、可视化界面来展示，促进统计和迭代分析，开发出更可靠的项目组合。方案组件油气藏类比系统油气藏快速评价业务问题利用不同级别的可用信息分析备选油气藏的经济潜力，需要对每次投资机会的成功概率进行评估，从而来确定一套优化的项目组合。解决方案量化生产预测的不确定性，和净现值的评估，是由一个集成的工作流程来执行，其结合地质统计学、油气藏模拟、实验设计、抽样技术和优化。独特的价值大大加快油气藏经济评估，达到更快更可行的更新时间（是几天，而不是几个月）。测井数据分析业务问题由于水平井钻井技术的发展，油气商对页岩气项目的兴趣开始增长。对于钻井作业的高成本，选择正确的新井井位是一个至关重要的问题。因此，识别高潜力“

18、甜点区”对全球油气公司具有十分重要的意义。解决方案测井分析从测井数据提取简单一维特征。在同步水平和垂直井的坐标过程中进行空间插值。最终建立回归模型，基于从邻近的测井数据提取的一维特征，来预测水平井油气产量。独特的价值使用统计学鲁棒法（称为fPCA功能），从复杂的和高维的测井曲线中系统地提取一维特征。技术细节FPCA（ Functional Principal Component Analysis ）分析法：用来从测井曲线抽取一维特征（主成分评分），可抽取的主成分的K数量的选择，主要依据曲线中变量占比例多少是通过K成分来解释；克里格法：提取垂直井特征，空间插值到水平井的(中心)坐标；回归法：利用

19、回归水平井的产量，用插值主成分得分来构建预测模型，可用于预测新井点的产量。裂缝性油藏的地质力学研究业务问题断层应力状态必须做到事先预测，以避免钻井作业中的不稳定性，如断层活动、地震事件等解决方案为改善油藏描述和管理水平，考虑到在蕴涵有油气的裂缝网络中，有储层应力场的流体压力的变化。独特的价值通过先进的并行处理、数值计算方法、及智能耦合流动模拟，来改进生产计划和预测。四维地震历史拟合业务问题为了实现一个油藏的高效开采，更好地理解地下储层的属性是至关重要的。一般情况下测量的数据不能提供足够的信息，以完成地下储量动用状态的精确描述。解决方案结合生产、测井、及地震数据来减小不确定性的影响。我们推荐对4

20、维地震和生产历史数据拟合，通过虚拟测试进行伴随式联合反演。独特的价值结合生产历史数据拟合与解释过的4维地震数据，允许更精确快速的敏感性（导数）的计算，例如：模型变量的细小变化（网格块渗透率)，及状态变量的变化（压力)）等。全波形反演业务问题全波形反演（FWI）是一种具有高计算量挑战反演方法，它是一个可以量化地下岩石特性的方法，需要与地震记录观测数据进行匹配。解决方案非矩阵前配组件与灵活稳定的反演与优化组件连在一起，此解决方案通过并行优化，部署在一个独特的模型上，其基于混合云的HPC坏境。独特的价值可组合的地震处理架构，通过HPC服务提供随需应变的计算平台。自动调整处理平台的规模，从本地平台到云

21、平台，适应突增的处理量。纳米仿真提高采收率业务问题预测三采（EOR）纳米添加剂在微/纳米级孔隙中的的驱油效率，在这情况下流动性是由液态和固态不同相态互作用决定的。解决方案建立流体模拟器，研究地层中岩石的几何特性和表面化学特性与流体的关系。独特的价值能够模拟三次采油添加剂的残余量，减少实际实验的成本。提供了一个系统框架帮助优化三采（EOR）活动。方案组件：IBM Bluemix PlatformIBM Bluemix DevOps Services纳米润湿性预测业务问题岩石表面润湿性能很难评估，然而用于三采（EOR）的驱油剂通常是在没有考虑具体的储层条件的情况下研发出来的。解决方案通过对比实验数

22、据与计算模拟数据，我们开发一个非常科学的方法来预测岩石表面润湿性。独特的价值结合更实际的物理特性，提高储层岩石的数字表现力，同时分析添加剂（化学、聚合物、或纳米粒子）在三次采油的驱油效率方面的影响。智能检修管理业务问题检修与停机是石油石油化、能源电力等行业中的主要运维活动，这对运行效率产生重大的影响。但是,它们消耗大量能源、成本，并导致生产损失。我们建议使用大数据分析提高现有技术水平。解决方案成套的分析与优化能力用于上游和下游中的主要案例。我们的解决方案与项目管理工具无缝集成。作为创新项目在一个大型上游公司已实施。独特的价值实现最优化的检修计划、执行及偏差管理。技术细节检修在几个执运行本高和生

23、产损失大的行业中是一个重要的问题。在石油石化行业，这个问题是很重要，在上游和下游都具有独特的特点。检修活动的规模、复杂的资源需求，建立在不同的组织和人员基础之上，海底资产依赖的检修计划和优化成为一个具有挑战性的问题。我们开发了一套工业规模分析解决方案，用于横跨相互依存的海上资产网络的长期规划，优化项目计划，假设资源场景分析，及在执行期间动态重排优先级。采用基于这样的原则和分析方法是必要的，因为它是一个周期性的活动，可以节省潜在的运行成本,减少产量损失，并改善运营。例如：节省一天炼油厂检修时间，可以达到150万美元的节省，和500万美元的产量收益。IBM美国参观访问草案真诚地欢迎中国石油领导，到

24、IBM美国Watson研究院参观访问，了解和体验最前沿科技成果，结合中国石油业态特点，寻找能真正帮助企业创新发展的新技术、新方法。为各位领导参考访问，IBM准备的初步参观方案如下：第1天第2天第3天9:00 AM技术讨论：（1）自动化的资产智能管理（2）油藏类比（3）测井数据分析大数据技术、技术讨论：（1）全波形反演服务（2）四维地震历史拟合10:00 AMIBM研究院概览介绍11:00 AM潜在的联合研发项目12:00 PM1:00 PM午休午休午休2:00 PM讨论：中国石油业务介绍技术讨论：（1）认知计算地震解释（2）纳米级驱油模拟，提升产量讨论：中国石油与IBM可能的合作方向：短期目标、长远目标，及下步工作计划3:00 PM中国石油大数据业务发展现状4:00 PMIBM Wa