段建華，王云宏，王保利

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隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集控制軟件開發(fā)

段建華，王云宏，王保利

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨采地震能夠?qū)ぷ髅媲胺降刭|(zhì)異常體進(jìn)行連續(xù)探測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，成為近幾年的研究熱點(diǎn)，但是目前還沒(méi)有能夠在煤礦井下開展隨采地震長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的裝備及配套軟件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，基于Microsoft Foundation Classes (MFC)開發(fā)框架，開發(fā)了一套隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集軟件，在室內(nèi)、野外進(jìn)行了為期3個(gè)月的聯(lián)調(diào)測(cè)試，并且在貴州巖腳煤礦與井下隨采地震監(jiān)測(cè)設(shè)備開展了為期3個(gè)月的全面試運(yùn)行。測(cè)試表明，軟件實(shí)現(xiàn)了隨采地震信號(hào)的高效采集、完全存儲(chǔ)和處理軟件的實(shí)時(shí)通信功能，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷、處理高效、便于維護(hù)、無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)。

隨采地震監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；軟件設(shè)計(jì)

我國(guó)的煤礦以井下開采為主，與國(guó)外相比，我國(guó)煤炭行業(yè)的信息化水平較低，礦山空間信息仍然以圖表和文字作為主要的存儲(chǔ)介質(zhì)，信息基礎(chǔ)設(shè)施未能跟上時(shí)代變化的腳步，使得煤礦企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力受到嚴(yán)重的制約[1]。煤礦井下危險(xiǎn)具有多變性、隱蔽性，導(dǎo)致安全問(wèn)題成為威脅煤礦工人生命的核心問(wèn)題[2]。而采掘工作面更是礦井水害、頂板、火災(zāi)以及瓦斯等多種災(zāi)害事故的多發(fā)區(qū)，同時(shí)也是工作人員聚集區(qū)，因此，也是導(dǎo)致重大生命財(cái)產(chǎn)損失的高危區(qū)域[3-7]。隨采地震勘探[8]是利用采掘活動(dòng)激發(fā)的震動(dòng)作為震源，探測(cè)工作面內(nèi)部或者掘進(jìn)面前方一定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的一種地震勘探技術(shù)，可以擺脫放炮的安全隱患及對(duì)正常采掘生產(chǎn)的影響,實(shí)現(xiàn)了采掘的同時(shí)進(jìn)行超前探測(cè)[9-11]。隨采地震所用震源信號(hào)是連續(xù)、非可控的，只有進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，記錄遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，將其與遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)作互相關(guān)，得到清晰的相關(guān)峰值，才能將其轉(zhuǎn)化為脈沖子波，代替炸藥震源進(jìn)行地震勘探[12]。

因此，研制隨采地震監(jiān)測(cè)裝備及控制軟件成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對(duì)隨采地震監(jiān)測(cè)裝備的特點(diǎn)，充分分析其觀測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)和文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；考慮處理軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了與處理軟件之間的接口；最后基于Microsoft Foundation Classes(簡(jiǎn)稱MFC)開發(fā)框架，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件，聯(lián)合測(cè)試成功后，并在貴州巖腳煤礦進(jìn)行了3個(gè)月的野外采集工作。

1 隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)及其特點(diǎn)

為了能夠獲得工作面內(nèi)部煤層劇烈變化情況、斷層和陷落柱位置與規(guī)模以及應(yīng)力集中區(qū)等信息，目前的隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)采用復(fù)雜部署模式。如圖1所示，采用H形布局，共72道，其中孔中部署24道，分4個(gè)深孔，每個(gè)鉆孔內(nèi)部署6道，由一個(gè)孔中多級(jí)檢波器串承擔(dān)；其余的48道部署于工作面兩側(cè)巷道的錨桿上，圖1中綠色圓點(diǎn)為巷道檢波器。

圖1 隨采地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

數(shù)據(jù)采集分站為6通道，整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)共需12臺(tái)分站，數(shù)據(jù)處理時(shí)主要使用煤層中的槽波，而槽波的頻率較高，可以達(dá)到500 Hz，為了采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，采樣間隔為250 μs，這就對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了新的要求，不僅僅數(shù)據(jù)道數(shù)多，采樣率較高，而且是長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

觀測(cè)系統(tǒng)隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng)，當(dāng)工作面推進(jìn)到檢波器測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，要依次將檢波器拆卸，避免被埋入采空區(qū)中，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離圖2中黃色深孔檢波器10~20 m時(shí)，要將全部的黃色測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到藍(lán)色測(cè)點(diǎn)位置，以此類推直到工作面回采結(jié)束。

2 隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)分站多、數(shù)據(jù)量大、觀測(cè)系統(tǒng)多變化、實(shí)時(shí)性要求高以及需要與數(shù)據(jù)處理分析軟件進(jìn)行通信的特點(diǎn)，采集軟件利用多線程技術(shù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，軟件框架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖2 隨采地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)滾動(dòng)示意圖

圖3 軟件框架設(shè)計(jì)

2.2 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采集軟件中的數(shù)據(jù)可以分為兩類，一類為數(shù)據(jù)量不大，變化周期較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，比如：監(jiān)測(cè)分站信息、觀測(cè)系統(tǒng)信息等；另一類為數(shù)據(jù)量較大，而且變化周期很短的數(shù)據(jù)，比如：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采集軟件采用數(shù)據(jù)庫(kù)與文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式保存數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)保存，其他數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式保存。

a.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要保存測(cè)區(qū)信息、采樣率、每個(gè)文件的采樣時(shí)長(zhǎng)、采集分站信息、傳感器信息、觀測(cè)系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保存路徑等信息，其E-R模型見(jiàn)圖4。

b.文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輔助信息，如采樣率、觀測(cè)系統(tǒng)、道數(shù)等信息全部保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表datafile_info中，按照采樣順序?qū)⒚康罃?shù)據(jù)作為一塊寫入文件，塊的順序與道號(hào)一致，樣點(diǎn)值采用有符號(hào)的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)類型保存，詳見(jiàn)圖5。文件名為第一個(gè)樣點(diǎn)的采樣時(shí)間，格式為：YYYY-MM-DD_HH_ MM-SS，不足兩位數(shù)的補(bǔ)零。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)E-R模型

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)

2.3 軟件交互接口設(shè)計(jì)

本軟件需要分別與井下采集分站和隨采地震數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行交互，主要涉及到兩個(gè)接口。

a.與采集分站接口

為了便于和井下采集分站通信，采用UDP與TCP協(xié)議相結(jié)合的通信模式，采集軟件的查詢指令通過(guò)UDP協(xié)議與采集分站通信，通知指令和數(shù)據(jù)傳輸則采用TCP協(xié)議傳輸，其通信流程見(jiàn)圖6。

b. 與數(shù)據(jù)處理軟件接口

為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，采集軟件采用數(shù)據(jù)庫(kù)與文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存在文件中，但是文件的相關(guān)信息，如：道數(shù)、采集時(shí)間、采樣率、觀測(cè)系統(tǒng)等信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)表datafile_info，與數(shù)據(jù)處理軟件的通信也通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)完成，數(shù)據(jù)記錄表中專門設(shè)計(jì)一個(gè)字段為數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志，數(shù)據(jù)采集時(shí)狀態(tài)為0，采集結(jié)束后為1，數(shù)據(jù)處理軟件不斷查詢?cè)摫碇袛?shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志為1的記錄，一旦有這樣的記錄，則根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束后將該標(biāo)志改為2，具體處理流程見(jiàn)圖7。

3 隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境

軟件基于 Visual Studio 的微軟基礎(chǔ)庫(kù)類(micro-soft foundation classes，MFC)開發(fā)框架，采用 C++語(yǔ)言編寫，充分利用其圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)，大大提高軟件的開發(fā)效率。在功能開發(fā)方面，為了滿足隨采地震監(jiān)測(cè)的需要，提供數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存功能，采用菜單欄和對(duì)話框方式來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件與用戶之間的人機(jī)交互。在整個(gè)應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能性、界面性的填充。將軟件開發(fā)分成若干部分，有效地提高軟件研發(fā)效率和可讀性，同時(shí)也便于后期維護(hù)升級(jí)。

圖6 與采集分站通信流程圖

圖7 與處理軟件通信流程圖

3.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

為了提高軟件的運(yùn)行效率，將軟件操作界面、數(shù)據(jù)采集、保存和整理以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)功能分別由單獨(dú)的線程來(lái)完成。

a.數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫(kù)中最主要的兩張表為傳感器信息表和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表，傳感器信息表為觀測(cè)系統(tǒng)表的基礎(chǔ)，而且隨著工作面的回采傳感器移動(dòng)后，傳感器的位置信息就會(huì)發(fā)生變化，觀測(cè)系統(tǒng)隨之變化；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表是數(shù)據(jù)采集軟件與處理軟件通信的基礎(chǔ)，表中需要包含大數(shù)據(jù)文件路徑、觀測(cè)系統(tǒng)、采樣率、采樣時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)等重要信息，具體見(jiàn)表1和表2。

表1 傳感器信息表(detector_info)

傳感器信息表中(表1)以Station_ID、Channel和Modify_Time為聯(lián)合主鍵，這樣表中可以把同一個(gè)傳感器在不同時(shí)間的坐標(biāo)都保存起來(lái)，隨時(shí)可以獲取任何時(shí)間段的觀測(cè)系統(tǒng)。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表(datafile_info)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表中(表2)由File_Index為主鍵，該值為根據(jù)時(shí)間自動(dòng)生成一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的數(shù)，確保唯一性，同時(shí)將大數(shù)據(jù)文件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息全部存入該表中，以方便數(shù)據(jù)處理軟件隨時(shí)查詢。

b.軟件操作界面

隨采地震監(jiān)測(cè)軟件屬于監(jiān)測(cè)類軟件，具有自動(dòng)化程度高、人工干預(yù)少等特點(diǎn)，因此，需要用戶的操作很少，主要是一些參數(shù)設(shè)置和監(jiān)測(cè)分站運(yùn)行狀態(tài)的顯示：系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)分站的數(shù)量、每臺(tái)分站的傳感器數(shù)量及其工作狀態(tài)。

傳感器參數(shù)設(shè)置功能主要包括傳感器的安裝位置及其坐標(biāo)、所屬監(jiān)測(cè)分站號(hào)、通道號(hào)、測(cè)點(diǎn)號(hào)等信息的增加、刪除和修改，由修改傳感器的時(shí)間為主鍵，即可獲得該時(shí)刻的觀測(cè)系統(tǒng)。

c.數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能主要包括數(shù)據(jù)采集軟件與監(jiān)測(cè)分站之間的通信、監(jiān)測(cè)分站狀態(tài)查詢與控制、數(shù)據(jù)采集等。為了達(dá)到隨時(shí)能夠與監(jiān)測(cè)分站通信的目的，與監(jiān)測(cè)分站的通信通過(guò)UDP和TCP協(xié)議兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中監(jiān)測(cè)分站的信息和狀態(tài)查詢由UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，指令的發(fā)送、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP協(xié)議中采集軟件為服務(wù)器端，監(jiān)測(cè)分站為客戶端，服務(wù)器端采用完成端口技術(shù)來(lái)接收多個(gè)監(jiān)測(cè)分站上傳的數(shù)據(jù)，為了便于數(shù)據(jù)保存，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別存放在獨(dú)立的緩存區(qū)中，緩存區(qū)采用循環(huán)數(shù)組的設(shè)計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)中后，循環(huán)數(shù)組的數(shù)據(jù)采集下標(biāo)iColDataIndex+1，數(shù)據(jù)采集詳細(xì)流程見(jiàn)圖8。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程

d.數(shù)據(jù)保存

為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為數(shù)據(jù)保存和整理兩個(gè)步驟，分別由兩個(gè)線程執(zhí)行。數(shù)據(jù)保存線程監(jiān)測(cè)緩存區(qū)中數(shù)據(jù)采集下標(biāo)iColData-Index與已保存數(shù)據(jù)下標(biāo)iSaveDataIndex之差，當(dāng)該差值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，從數(shù)據(jù)緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并保存成數(shù)據(jù)文件(采用異步模式將每道單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)文件)。數(shù)據(jù)保存完成后，循環(huán)數(shù)組的已保存數(shù)據(jù)下標(biāo)iSaveDataIndex+1，其數(shù)據(jù)保存詳細(xì)流程見(jiàn)圖9。

圖9 數(shù)據(jù)保存流程

e.數(shù)據(jù)整理

為方便數(shù)據(jù)處理需要把同一時(shí)段的各道檢波器的數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件，當(dāng)由于檢波器或者采集分站故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失時(shí)做填零處理。因而增加一個(gè)專門進(jìn)行數(shù)據(jù)整理的子模塊，由一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)處理，其數(shù)據(jù)整理詳細(xì)流程見(jiàn)圖10。

圖10 數(shù)據(jù)整理流程

f. 系統(tǒng)自恢復(fù)

井下的供電系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常檢修或者故障，導(dǎo)致隨采地震監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障，當(dāng)故障解決后，系統(tǒng)應(yīng)該能夠自動(dòng)恢復(fù)，但是該系統(tǒng)是由多個(gè)監(jiān)測(cè)分站組成的，分站之間需要不斷進(jìn)行時(shí)間同步，當(dāng)一臺(tái)分站出現(xiàn)故障后，該分站停止采集，其他分站仍然正常采集，當(dāng)該分站故障解決后，要想恢復(fù)采集，必須要把系統(tǒng)中所有的分站進(jìn)行重啟。圖11所示流程，就是用來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，則一直檢測(cè)，直到故障修復(fù)，然后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

圖 11 系統(tǒng)自恢復(fù)流程

4 隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集軟件聯(lián)調(diào)與測(cè)試

4.1 運(yùn)行環(huán)境

數(shù)據(jù)采集軟對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求如下：

操作系統(tǒng)：windows7及其以上；CPU：2.5 GHz，4核；內(nèi)存：8 GB；硬盤：500 GB。

4.2 聯(lián)調(diào)與測(cè)試

該軟件與井下監(jiān)測(cè)分站以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期1個(gè)月的聯(lián)調(diào)測(cè)試，聯(lián)調(diào)過(guò)程中對(duì)采集軟件與監(jiān)測(cè)分站和數(shù)據(jù)處理軟件的接口進(jìn)行了修改和完善，并在野外進(jìn)行了為期2個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行后，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，軟件實(shí)時(shí)波形界面見(jiàn)圖12所示。最后在貴州巖腳煤礦進(jìn)行為期3個(gè)月全面試運(yùn)行，無(wú)論是采集數(shù)據(jù)還是與數(shù)據(jù)處理軟件的通信都正常工作。

5 結(jié)論

a.整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)契合了隨采地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了隨采地震信號(hào)的高效采集、完全存儲(chǔ)和與處理軟件的實(shí)時(shí)通信，軟件具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷、處理高效、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖12 實(shí)時(shí)波形界面

b.軟件采用數(shù)據(jù)庫(kù)與文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式，不僅僅提高了原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率，而且也方便了與數(shù)據(jù)處理軟件的通信。

c. 利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)模塊可以在井下監(jiān)測(cè)分站恢復(fù)后，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)重啟，將恢復(fù)正常的監(jiān)測(cè)分站重新加入系統(tǒng)進(jìn)行采集，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)人值守。

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Development of data acquisition and control software for seismic monitoring with mining

DUAN Jianhua, WANG Yunhong, WANG Baoli

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Seismic monitoring with mining can continuously detect and real-time predict geological anomalies in front of work,it has become a research hotspot in recent years, but at present, there is no equipment that can carry out seismic monitoring with mining in coal mine.Therefore, the development of seismic monitoring equipment with mining has become a top priority. In order to solve this problem, based on the MFC development framework, a set of seismic monitoring data acquisition software is developed. A three-month joint survey was carried out indoors and outdoors, and a three-month comprehensive trial operation was carried out in Yanjiao Coal Mine and underground seismic monitoring equipment. Tests show that the software has realized the functions of efficient acquisition, complete storage and real-time communication with the processing software. It has the advantages of stable operation, convenient operation, efficient processing, easy maintenance and unattended.

seismic monitoring with mining;data acquisition;software design

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD02)；Science and Technology Innovation Fund of CCTEG(2017MS007)

段建華，1979年生，男，山西五臺(tái)人，副研究員，博士，從事煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作. E-mail：duanjianhua@cctegxian.com

段建華，王云宏，王保利. 隨采地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集控制軟件開發(fā)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：35–40.

DUAN Jianhua，WANG Yunhong，WANG Baoli. Development of data acquisition and control software for seismic monitoring with mining[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：35–40.

1001-1986(2019)03-0035-06

P631；TD166

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.007

2019-01-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目([2018]3003-1)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2018XAYZD02)；中煤科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2017MS007)

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)