多孔介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建-宮法明

1、2012年齊魯大學(xué)生軟件設(shè)計(jì)大賽命題多孔介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建（中國(guó)石油大學(xué)宮法明）一、課題背景簡(jiǎn)介多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含有大量空隙（void）的固體，固體骨架遍 及多孔介質(zhì)所占據(jù)的體積空間。多孔介質(zhì)內(nèi)部的空隙極其微小。儲(chǔ) 集石油和天然氣的砂巖地層的空隙直徑大多在不足1微米到500微 米之間；毛細(xì)血管內(nèi)徑一般為515微米；肺泡-微細(xì)支氣管系統(tǒng)的 空隙直徑一般為200微米左右或更小；植物體內(nèi)輸送水分和糖分的 空隙直徑一般不大于40微米。一般多孔介質(zhì)的空隙都是相通的，也可能是部分連通、部分不 連通的。由于多孔介質(zhì)本身的不均勻性、隨機(jī)性和幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性，其內(nèi)部滲透特性、流體傳遞過(guò)程等難以實(shí)測(cè)。因此，

2、利用 計(jì)算機(jī)對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行微觀建模，通過(guò)計(jì)算獲取多孔介質(zhì)的相關(guān)構(gòu) 造參數(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值。注：本競(jìng)賽題目來(lái)自目前在研的一項(xiàng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題，是其中的一部分，屬 于比較關(guān)鍵的基礎(chǔ)研究，選報(bào)本題目的參賽選手在鍛煉自己的同時(shí)，取得的任何一點(diǎn)成 果，都很有可能會(huì)為國(guó)家做出重要的貢獻(xiàn)。二、課題研究的基本思路及環(huán)節(jié)用計(jì)算機(jī)對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行相關(guān)研究的基本思路及環(huán)節(jié)是：借助工業(yè)用微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)（目前已在使用納米測(cè)量技術(shù)， 數(shù)據(jù)更豐富，精度更準(zhǔn)確），獲取一系列能夠真實(shí)描述多孔介質(zhì)的 微觀空隙結(jié)構(gòu)的CT切片圖像；圖1所示為其中一張：圖1： CT切片圖像對(duì)每幅CT圖像進(jìn)行分割，找到空隙和固體骨架之間的邊 界，從

3、而可以將固體部分剔除，只留下空隙部分所占據(jù)的平面區(qū) 域；圖2所示為分割結(jié)果（一個(gè)矩形的部分區(qū)域）中的一張（黑色 部分為空隙）：圖2：分割結(jié)果將一系列CT圖像中空隙部分所占據(jù)的區(qū)域疊加在一起，便 構(gòu)成了整個(gè)體積空間中所有空隙構(gòu)成的一個(gè)三維體，從而可以用三 維顯示技術(shù)將空隙空間顯示出來(lái)；如圖3所示：圖3：空隙的三維體數(shù)據(jù)上述步驟產(chǎn)生的空隙體數(shù)據(jù)一般數(shù)據(jù)量較大，影響顯示的實(shí) 時(shí)性，且大量空隙相互遮擋，不利觀察，也不利于后續(xù)的各種參數(shù) 計(jì)算，因此需要構(gòu)建空隙空間的幾何模型，通俗的說(shuō)，就是在空隙 體數(shù)據(jù)外圍包上一層皮（一般是網(wǎng)狀的，如四邊形網(wǎng)格或三角網(wǎng) 格），對(duì)這個(gè)“皮”進(jìn)行材質(zhì)、光照等設(shè)置之后顯示出來(lái)

4、，效果就有 了較真實(shí)的展示。如圖4所示：圖4：空隙空間的幾何模型（左）及使用的三角網(wǎng)格（右）在第步生成的數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上，采用合適的算法（如燃燒 算法）提取空隙空間的中軸。如圖5所示：圖5：空隙空間的中軸第步提取的中軸反映了空隙空間中連通性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié) 合體數(shù)據(jù)及提取的中軸，識(shí)別出整個(gè)空隙空間中所有的孔隙（注 意：不是空隙，而是孔隙，所謂孔隙，是指在局部相對(duì)較大的空隙 空間）和喉道（孔隙與孔隙之間相互連接的相對(duì)細(xì)窄的空隙空 間），這一步驟稱為孔喉分割。建立空隙空間的網(wǎng)絡(luò)模型。用球體代表孔隙（球體的半徑反 映了孔隙的大小），用圓柱體代表喉道（圓柱體的截面半徑代表了 喉道最細(xì)處的截面大小），根據(jù)中

5、軸反映的拓?fù)溥B接關(guān)系，用圓柱 體將代表孔隙的這些球體連接起來(lái)，就形成了空隙空間的網(wǎng)絡(luò)模 型。如圖6所示：圖6：空隙空間的網(wǎng)絡(luò)模型在獲得了空隙空間的幾何構(gòu)造、連接拓?fù)洳⑦M(jìn)行了孔喉分割 后，即可計(jì)算相關(guān)參數(shù)，比如空隙的表面積，空隙與固體骨架的體 積比等，至于需要計(jì)算什么樣的參數(shù)，可由參賽選手通過(guò)查找相關(guān) 文獻(xiàn)自主確定。三、研究方法本課題屬于方法研究類課題，最終作品不對(duì)用戶界面做過(guò)多要 求，甚至可以采用字符界面，重點(diǎn)應(yīng)放在每個(gè)環(huán)節(jié)的算法思路及輸 入輸出數(shù)據(jù)的格式設(shè)計(jì)與處理上?！岸敝薪o出的各個(gè)環(huán)節(jié)存在著 一些依賴關(guān)系，即A環(huán)節(jié)需要用到B環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為輸入，A 產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)又可能作為另一環(huán)節(jié)C的

6、輸入。在上述7個(gè)環(huán)節(jié) 中，依賴，依賴，依賴，依賴和，依賴， 團(tuán)隊(duì)在分工和課題實(shí)施過(guò)程上要充分考慮到這些環(huán)節(jié)之間的依賴關(guān) 系，做好人員分配及各環(huán)節(jié)的實(shí)施進(jìn)度安排。每個(gè)環(huán)節(jié)都需要設(shè)計(jì)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，這些算法都具有 相當(dāng)?shù)碾y度，一般說(shuō)來(lái)，有兩種途徑來(lái)獲得算法思路，一是自己獨(dú) 立設(shè)計(jì)，按照已有數(shù)據(jù)及要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)出可行的算法并加以 實(shí)施和驗(yàn)證；二是查閱科技文獻(xiàn)（大多是一些英文文獻(xiàn)，由于這些 算法具有較大難度，國(guó)內(nèi)起步又較晚，所以中文文獻(xiàn)很少），借鑒 前人的思路及經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些算法，我個(gè)人認(rèn)為，兩種途徑?jīng)]有優(yōu) 劣之分，各有各的優(yōu)勢(shì)，后者是站在巨人的肩膀上，得到的啟發(fā)會(huì) 比較多，但同時(shí)思路也被限

7、制到了前人的框架中了；前者難度雖然 較大，可能絞盡腦汁也想不出來(lái)，但一旦有了可行的思路，那很可 能會(huì)產(chǎn)生一種前人沒有做過(guò)的途徑，給這些難題的解決帶來(lái)新的生 機(jī)。四、評(píng)審依據(jù)大賽組委會(huì)或命題教師為各參賽團(tuán)隊(duì)提供統(tǒng)一的CT切片圖 像數(shù)據(jù)，為了客觀公正的對(duì)比各團(tuán)隊(duì)作品的質(zhì)量，私自采用其他圖 像數(shù)據(jù)是不允許的。在每個(gè)環(huán)節(jié)算法基本正確的前提下，優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)互這7 個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)量，若實(shí)現(xiàn)數(shù)量相同，再反過(guò)來(lái)一一評(píng)判每個(gè)環(huán)節(jié)算法 質(zhì)量（包括準(zhǔn)確度及執(zhí)行效率）。每個(gè)環(huán)節(jié)的算法都具有一定的難度，有了思路，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程 中會(huì)遇到大量的這樣那樣的問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致最終不能運(yùn)行，因 此，要求各團(tuán)隊(duì)針對(duì)（有了思路的）每個(gè)環(huán)節(jié)的算法，要提交一篇 技術(shù)論文，詳細(xì)介紹并論證其算法的思路、原理、可行性、存在（或可能存在）的問(wèn)題或劣勢(shì)等，格式可參考正規(guī)的科技文獻(xiàn)書寫 格式。每個(gè)算法的論文獎(jiǎng)作為評(píng)審的重要依據(jù)，因此，最終某個(gè)環(huán) 節(jié)的作品沒有完成或不能運(yùn)行，并不意味著失分。界面不作