袁久春，樂(lè) 強(qiáng)，朱 勇，付 艷，李彥彰

(1.中國(guó)石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司 四川 成都 610213；2.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 四川 成都 610017)

0 引 言

模擬地震檢波器(Seismometer)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和工程測(cè)量領(lǐng)域，是將地面機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)的傳感器。常規(guī)模擬地震檢波器包含動(dòng)圈式、渦流式、壓電式、壓阻式等類型。陸上地震勘探項(xiàng)目中，主要使用的檢波器類型是動(dòng)圈式。地球物理勘探項(xiàng)目使用的20DX系列動(dòng)圈式地震檢波器通常以組合的形式在野外施工[1]。因?yàn)樵趦x器的道接收能力和去噪水平還不能滿足勘探要求的情況下，組合檢波器是提高地震數(shù)據(jù)信噪比的有效方法。國(guó)內(nèi)常用20DX系列檢波器組串方式主要為六串兩并、五串兩并、三串三并等。

目前，野外勘探項(xiàng)目中20DX系列動(dòng)圈式地震檢波器串的維修具有以下四大特點(diǎn)：待修數(shù)量大，受檢波器串在野外連續(xù)施工時(shí)間長(zhǎng)、“兩寬一高”的三維勘探項(xiàng)目增多而導(dǎo)致的使用數(shù)量增大、野外環(huán)境復(fù)雜等因素影響，待修檢波器串?dāng)?shù)量變大；耗費(fèi)時(shí)間多，相對(duì)于單支檢波器，檢波器串由于外接線纜多、電路連接復(fù)雜，導(dǎo)致故障可能性增加，維修耗費(fèi)時(shí)間；操作重復(fù)性高，檢波器串的維修方法主要為線纜焊接，維修方式單一；故障判斷規(guī)律性強(qiáng)，因?yàn)闄z波器串是導(dǎo)線以串、并聯(lián)關(guān)系連接，故障判斷方法基于電路原理，有跡可循。

因此，如何利用檢波器串故障判斷規(guī)律性強(qiáng)的特點(diǎn)減少檢波器串維修時(shí)間，提高檢波器串維修效率，成為保障野外正常施工的一大難題。

1 現(xiàn)有方法的問(wèn)題及解決方案

檢波器串的現(xiàn)有維修方法流程如圖1所示。1)故障排除準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好故障排除使用的測(cè)試工具、維修工具，并清潔好待修檢波器串；2)測(cè)試待修檢波器串：使用萬(wàn)用表測(cè)量檢波器串接頭的阻值及電路通斷、測(cè)量搖動(dòng)檢波器產(chǎn)生的感應(yīng)電流；3)診斷故障并給出解決方案：通過(guò)維修人員自身的電路知識(shí)，分析檢波器串的故障原因并給出解決方案；4)故障排除操作：按照分析的解決方法進(jìn)行故障排除操作；5)判斷故障是否解決：通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試檢波器串的阻值、感應(yīng)電流方向是否正確；6)重復(fù)以上操作直至解決故障為止。

圖1 檢波器串現(xiàn)有維修流程圖

通過(guò)分析維修流程的耗時(shí)情況，檢波器串維修耗時(shí)主要由三部分組成：1)冗余耗時(shí)，即維修人員受電路知識(shí)限制而做出錯(cuò)誤判斷并引起錯(cuò)誤操作而導(dǎo)致的耗時(shí)；2)診斷耗時(shí)，即維修過(guò)程中判斷故障原因并得到解決方案所耗時(shí)間；3)操作耗時(shí)，即維修過(guò)程中花費(fèi)在組裝、拆卸、焊接等操作上所耗時(shí)間。

某三維勘探項(xiàng)目采用現(xiàn)有方法進(jìn)行500串檢波器串修復(fù)工作的耗時(shí)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1，冗余耗時(shí)與診斷耗時(shí)之和約占總耗時(shí)的52%，成為總耗時(shí)的重要組成部分。冗余耗時(shí)與診斷耗時(shí)主要受維修人員的故障解析能力影響。維修人員采用現(xiàn)有方法進(jìn)行檢波器串維修，受自身素質(zhì)影響無(wú)法快速分析檢波器串的電路錯(cuò)誤原因并給出正確的解決方案，增加了維修過(guò)程中的額外耗時(shí)。因此，如何提高故障解析能力成為提高檢波器串維修效率的重要因素。

表1 常規(guī)方法500串六串四并檢波器串維修累計(jì)耗時(shí)表

2 程序構(gòu)架和模型建立

為降低時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本，最大限度地提高故障解析能力，利用檢波器串故障判斷規(guī)律性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出開(kāi)發(fā)20DX檢波器串故障解析軟件的方案。解析軟件能對(duì)檢波器串進(jìn)行電路仿真，在輸入測(cè)試信息后快速檢索數(shù)據(jù)庫(kù)里所有可能故障原因，給出診斷結(jié)果及最佳解決方案，確定故障位置，從而降低檢波器的冗余耗時(shí)及診斷耗時(shí)。

2.1 程序構(gòu)架

20DX檢波器串故障解析軟件的開(kāi)發(fā)架構(gòu)選用分層架構(gòu)[2]。分層架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、架構(gòu)明確、同一層面可編輯能力強(qiáng)、有利于標(biāo)準(zhǔn)化、降低系統(tǒng)間依賴性等特點(diǎn)。解析軟件的分層架構(gòu)如圖2所示，分為用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶界面層主要負(fù)責(zé)與維修人員互動(dòng)。維修人員通過(guò)用戶界面層選擇檢波器串類型、輸入測(cè)試結(jié)果，而該層則輸出實(shí)際故障電路分析圖、分析原因及解決方案供維修人員參考。業(yè)務(wù)邏輯層是分層架構(gòu)的關(guān)鍵層。它在用戶界面層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層之間，起到數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。解析軟件的邏輯層主要用來(lái)分析判斷上一層用戶界面輸入的檢波器類型、測(cè)試結(jié)果，并給出分析邏輯到數(shù)據(jù)訪問(wèn)層去具體執(zhí)行。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)提供，按邏輯層給出的指令去訪問(wèn)故障分析數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要保存數(shù)據(jù)，包括各種串并聯(lián)關(guān)系的電路模型、故障分析及解決方案。解析軟件使用分層架構(gòu)不僅能讓維修人員在最少的環(huán)節(jié)內(nèi)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行有效交互，而且也方便數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)不同的故障內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展完善。

圖2 分層架構(gòu)圖

2.2 數(shù)學(xué)建模

軟件的數(shù)學(xué)模型基于電路基礎(chǔ)。檢波器串的主要測(cè)試方法有三種：1)檢波器串的阻值，可判斷檢波器串的故障類型及狀況信息；2)單個(gè)檢波器搖動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流的狀況，可以判斷該檢波器是否連入總體電路以及極性是否錯(cuò)誤；3)檢波器導(dǎo)線的通斷狀況，可判斷接入導(dǎo)線是否存在斷路、短路故障。軟件在電路的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)電阻值的計(jì)算、電路通斷的判斷、感應(yīng)電流方向的狀況來(lái)判斷故障位置。檢波器串維修時(shí)感應(yīng)電流方向決定極性，電路通斷決定是否導(dǎo)通。解析軟件數(shù)學(xué)公式主要為電阻值的計(jì)算公式。串聯(lián)時(shí)，總電阻值為所有檢波器電阻之和，即R=∑Ri。并聯(lián)時(shí)，總電阻的倒數(shù)為所有電阻倒數(shù)之和，即1/R=∑1/Ri。維修20DX檢波器串的阻值不涉及到電容、電感等電路元件，只需使用串并聯(lián)公式計(jì)算。

2.3 軟件建模

軟件選擇以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，建模方法采用以數(shù)據(jù)為中心的信息工程建模法。信息工程建模需要依次完成業(yè)務(wù)建模，邏輯建模以及物理建模。

業(yè)務(wù)建模完成軟件具體業(yè)務(wù)描述。解析軟件業(yè)務(wù)流程描述如圖3所示。故障排除開(kāi)始后，首先，選擇檢波器組串類型，便于軟件調(diào)用相應(yīng)組串類型的故障分析數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，采用三種主要測(cè)試方法測(cè)試檢波器串故障狀況，并將測(cè)試結(jié)果輸入軟件。再次，軟件調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)信息做故障確定分析。此時(shí)出現(xiàn)兩種可能：1)準(zhǔn)確判斷出故障原因，此時(shí)顯示故障判斷結(jié)果，并給出處理方案；2)無(wú)法準(zhǔn)確判斷出故障原因，此時(shí)進(jìn)入處置故障循環(huán)，開(kāi)始分析故障可能原因，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)給出相應(yīng)最優(yōu)處置方案。如果進(jìn)入處置故障循環(huán)，維修人員繼續(xù)按照數(shù)據(jù)庫(kù)提供的最優(yōu)處置方案使用三種主要測(cè)試方法對(duì)故障檢波器串進(jìn)行測(cè)試。故障測(cè)試完畢后，維修人員再次將測(cè)試結(jié)果輸入軟件。軟件再次進(jìn)入故障確定，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析后判斷。如果仍無(wú)法得到具體故障原因，將進(jìn)入下一輪處置故障循環(huán)，直到能得到具體故障原因?yàn)橹?。最后，得到并顯示故障具體原因，完成故障排除流程。在整個(gè)故障排除流程中，維修人員只需按照軟件給出的處置方案進(jìn)行測(cè)試操作，并將測(cè)試結(jié)果提供給軟件分析即可。

圖3 故障解析流程圖

邏輯建模將概念實(shí)體以及實(shí)體間關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)層次的邏輯化，主要使用實(shí)體-聯(lián)系圖顯示。解析軟件邏輯建模如圖4所示。待修檢波器串在選擇組串方式后，進(jìn)行相關(guān)檢波器測(cè)試。通過(guò)對(duì)檢波器串的極性、電阻值、通斷狀況測(cè)試，得到不同的測(cè)試結(jié)果。輸入相關(guān)測(cè)試結(jié)果后，軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并獲取所有可能的解決方案。再通過(guò)軟件對(duì)所有解決方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，找出耗費(fèi)時(shí)間較少的最優(yōu)解決方案，并將該解決方案通過(guò)圖形、文字說(shuō)明方式推薦給維修人員。

圖4 軟件E-R圖

物理建模的關(guān)鍵問(wèn)題是將邏輯建模落實(shí)到不同關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。解析軟件在物理建模過(guò)程中，需要按照不同的檢波器串組合方式建立獨(dú)立的故障分析子數(shù)據(jù)庫(kù)。子數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)該類型檢波器串組合的各種檢波器常規(guī)故障現(xiàn)象，然后按對(duì)應(yīng)的檢波器串實(shí)際電路示意圖分析具體故障原因，并從所有故障解決方案中分析出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)故障解決方案。軟件將所有類型檢波器組串的故障解析子數(shù)據(jù)庫(kù)，都鏈接到故障分析數(shù)據(jù)總庫(kù)列表里，便于分類及調(diào)用。

3 軟件特點(diǎn)

3.1 訪問(wèn)方式友好

20DX檢波器串故障解析軟件的訪問(wèn)方式友好，在于選擇瀏覽器作為訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式。在野外簡(jiǎn)易環(huán)境里，瀏覽器作為訪問(wèn)方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)兼容性好。瀏覽器能兼容所有主流操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux、Ios、Android。因此，瀏覽器能在電腦、平板、安卓手機(jī)、蘋果手機(jī)等任意電子產(chǎn)品正常運(yùn)行；2)易于升級(jí)。瀏覽器作為訪問(wèn)窗口，通過(guò)HTML文件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，每次只需升級(jí)更替相關(guān)故障分析數(shù)據(jù)庫(kù)文件即可，方便數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充；3)野外適應(yīng)性好。瀏覽器在作為窗口進(jìn)行交互時(shí)，響應(yīng)時(shí)間短、容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性好、交互性好。

3.2 界面顯示直觀

解析軟件的界面顯示直觀，體現(xiàn)在軟件電路分析圖的建立。在日常檢波器串維修培訓(xùn)時(shí)，維修教材使用等效電路圖作為電路分析圖。由于等效電路圖與實(shí)際電路示意圖有較大差異，維修人員無(wú)法將真實(shí)故障與理論故障聯(lián)系起來(lái)，培訓(xùn)效果差。解析軟件的電路分析圖選用實(shí)際電路示意圖。以六串二并檢波器串為例，等效電路示意圖如圖5所示，實(shí)際電路示意圖如圖6所示。等效電路示意圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能詳細(xì)顯示整個(gè)電路的芯體連接，但無(wú)法真實(shí)顯示檢波器芯體的導(dǎo)線連接狀況。實(shí)際電路示意圖結(jié)構(gòu)詳細(xì)，詳細(xì)顯示了檢波器芯體、三種導(dǎo)線(火線、零線以及串線)。通過(guò)兩種示意圖的對(duì)比，由于實(shí)際電路示意圖更能真實(shí)地顯示檢波器串電路結(jié)構(gòu)，因此維修人員更容易理解，能快速等效應(yīng)用于檢波器串的維修操作。

圖5 檢波器串等效電路示意圖

圖6 檢波器串實(shí)際電路示意圖

3.3 擴(kuò)展性強(qiáng)

解析軟件的擴(kuò)展性強(qiáng)基于數(shù)據(jù)庫(kù)采用表格存儲(chǔ)模式。表格存儲(chǔ)提供HTTP Restful API，數(shù)據(jù)模型以二維表為中心。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)不同，表格存儲(chǔ)的表具有更大的容量，每行可以有不同的列，可動(dòng)態(tài)增加或減少屬性列，建表時(shí)不需要為表屬性定義嚴(yán)格的Schema。在功能上，表格存儲(chǔ)提供較為基礎(chǔ)的功能，但具有更好的規(guī)模擴(kuò)展性，能支持更大的數(shù)據(jù)規(guī)模。伴隨著檢波器串組合方式的增多，解析軟件數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)表格存儲(chǔ)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)擴(kuò)展。

4 應(yīng)用效果

4.1 軟件應(yīng)用效果

將20DX檢波器串故障解析軟件應(yīng)用于兩個(gè)勘探項(xiàng)目的檢波器串維修，應(yīng)用效果如圖7所示。首先選擇組串類型以及輸入相關(guān)測(cè)試信息，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)里有效數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行原因分析及解決方案說(shuō)明，并將故障位置可視化地顯示在實(shí)際電路示意圖中。解析軟件能幫助維修人員按電路示意圖尋找到故障位置，描述故障原因，指導(dǎo)維修人員按故障說(shuō)明進(jìn)行維修操作。

圖7 20DX檢波器串故障解析軟件應(yīng)用效果圖

4.2 項(xiàng)目應(yīng)用效果

記錄某三維勘探項(xiàng)目使用故障解析軟件對(duì)500串檢波器串維修工作的用時(shí)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)使用故障解析軟件進(jìn)行檢波器串維修的前后對(duì)比，可知使用后冗余耗時(shí)和診斷耗時(shí)之和從總耗時(shí)的52%下降到34%，總耗時(shí)數(shù)也從404工時(shí)降低到293工時(shí)。使用故障解析軟件后，檢波器串維修效率大幅提高。

表2 使用故障解析軟件后，500串六串四并檢波器串維修累計(jì)耗時(shí)表

由對(duì)比分析得到使用解析軟件的效果：1)檢波器串的故障解析效率提高，冗余耗時(shí)及診斷耗時(shí)降低，所占總耗時(shí)比率也大幅減少；2)檢波器串維修總耗時(shí)降低，效率得到有效提高；3)在使用非常規(guī)性檢波器串項(xiàng)目中，維修效率提高得更加明顯。

但是，解析軟件仍存在問(wèn)題需要改進(jìn)：1)冗余耗時(shí)降低較少。這主要因?yàn)椴糠植l(fā)型故障，解析軟件無(wú)法正確描述說(shuō)明，導(dǎo)致維修人員在軟件指示下做出錯(cuò)誤操作。2)部分故障的解析仍依賴維修人員自身電路知識(shí)和維修經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)里收錄的故障解析方法不全，部分復(fù)雜故障軟件無(wú)法解析。3)軟件穩(wěn)定性需要提高。在軟件使用中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出現(xiàn)象，導(dǎo)致軟件鎖死需要關(guān)閉進(jìn)程重啟。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于檢波器串電路原理而開(kāi)發(fā)的20DX檢波器串故障解析軟件，遵循電路原理及規(guī)律，建立各種檢波器串的串并聯(lián)電路特性總結(jié)庫(kù)，分析檢波器串的故障類型及原因，提供最佳解決方案，操作簡(jiǎn)單，使用方便。故障解析軟件在野外維修的應(yīng)用，有效提高了檢波器串維修效率，節(jié)約了野外維修的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，深受維修人員好評(píng)。

伴隨大規(guī)模、高密度的地震勘探項(xiàng)目的增多，20DX檢波器串的維修壓力將進(jìn)一步增大。面對(duì)地震勘探項(xiàng)目對(duì)提高20DX檢波器串維修效率的迫切需求，故障解析軟件具有進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)價(jià)值。下一步，故障解析軟件將從以下三個(gè)方面進(jìn)行升級(jí)：1)軟件將進(jìn)一步增加故障樣本數(shù)及相關(guān)解析方案，減少故障解析的“盲區(qū)”；2)軟件將對(duì)故障做標(biāo)準(zhǔn)化描述，方便維修人員的理解；3)程序需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高軟件穩(wěn)定性。