龐聰，馬武剛*，程誠，江勇

（1.中國地震局地震研究所，湖北武漢 430071；2.地震預警湖北省重點實驗室，湖北武漢 430071；3.運城學院數(shù)學與信息技術學院，山西運城 044000）

0 引言

微震監(jiān)測技術是利用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出地震波來進行工程巖體穩(wěn)定性監(jiān)測的技術方法，微震技術應用領域較廣，集中在煤礦安全、頁巖氣監(jiān)測、石油勘探、企事業(yè)安防、水電工程建設、地震預測預警等，通過監(jiān)測巖體、地質活動和地面震動等天然地震活動或后天地震現(xiàn)象來達到監(jiān)測目的.例如，在煤礦安全生產(chǎn)領域，煤礦中發(fā)生的巖爆、煤和瓦斯突出等地質災害與巖體中的微震現(xiàn)象有著必不可少的聯(lián)系，而礦石開采過程中也會由于巖體應力的過量集中導致巖體破裂，產(chǎn)生礦震現(xiàn)象.通過監(jiān)測地下微震信號可以確定地下巖石破裂的范圍和程度，為礦山的地下安全監(jiān)測提供強有力的證據(jù)，可以有效減少生產(chǎn)中的不安全因素，防止事故的發(fā)生，從而保證煤礦生產(chǎn)的安全進行［1-6］.

微震源定位是微震監(jiān)測技術的核心目標之一，而微震監(jiān)測軟件平臺是微震監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，可以實現(xiàn)微震活動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工與存儲、輸出指定信息并顯示的軟件工具或技術.常見的微震監(jiān)測軟件根據(jù)技術開發(fā)手段的不同可分為以下幾種：

（1）虛擬儀器技術［7］：虛擬儀器和常規(guī)儀器結構相同，由信號采集模塊（ADC）、數(shù)據(jù)處理模塊（DSP）及信息輸出模塊（DAC）等部分構成，通過計算機軟硬件技術的集成代替常規(guī)儀器的示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等硬件模塊.一般虛擬儀器技術采用NI LabView軟件搭建虛擬儀器平臺，經(jīng)過方案設計、前面板模塊拖放、建立數(shù)據(jù)流程路線、圖形模塊化設計等軟件開發(fā)流程，基于LabView的強大數(shù)據(jù)處理能力，接收、處理并顯示前端微震數(shù)據(jù)采集器收集到的信號來源.這種軟件開發(fā)方式規(guī)避了大量非必要高精尖儀器硬件的采購行為，用戶定制性較高，可以較大程度地節(jié)約開發(fā)成本.

（2）嵌入式軟件開發(fā)與FPGA程序編程技術［8，9］：該技術深植于設備宿主機或重要硬件內部，常常在Linux系統(tǒng)下開發(fā)具體算法和相關程序，包括數(shù)據(jù)傳輸、信號預處理以及硬件控制等模塊；相對于Windows、Android等桌面型操作系統(tǒng)上的軟件，開發(fā)難度更大，可靠性要求更高.

（3）計算機和移動終端軟件技術［10-12］：采用C/C++/C#/JAVA/VB等程序語言自主開發(fā)基于Windows、Android、Linux等操作系統(tǒng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理軟件，一方面可以減輕系統(tǒng)硬件在數(shù)據(jù)處理、存儲、分析輸出方面的計算壓力，另一方面也增強了微震監(jiān)測的可視化效果，便于控制前端設備和用戶信息交互.

本文通過Visual Studio 2017在Windows操作系統(tǒng)上設計開發(fā)了一款基于ZedGraph和牛頓-拉夫遜法的礦山微震源定位與可視化平臺，本平臺包括微震源定位解算模塊和震源可視化模塊等部分，其中微震源定位解算模塊應用牛頓-拉夫遜法和四四組合定位法原理，微震源反演數(shù)學模型采用經(jīng)典的到時差模型；震源可視化模塊基于ZedGraph圖表類庫實現(xiàn)了多種震源顯示狀態(tài)，軟件整體界面友好，開發(fā)成本較低，可為微震監(jiān)測工程技術人員使用.

1 關鍵技術

1.1 牛頓-拉夫遜法

牛頓-拉夫遜法（Newton-Raphson法）［13，14］，又稱牛頓迭代法，是一種利用二次曲線逼近目標函數(shù)，以二次曲線的極小值逐漸逼近目標函數(shù)的極小值的方法.相對于最速下降法只在最初迭代幾步時較快、接近極值點時變慢，牛頓-拉夫遜法整體的收斂速度較快.牛頓-拉夫遜法作為梯度類算法，初始點若選擇不當（遠離極小點或靠近極大點），可能會導致算法收斂到鞍點或者不收斂.

1.2 組合定位法

組合定位法［15，16］是指將多個由微震監(jiān)測點三維坐標、到時數(shù)據(jù)、波速等參數(shù)構成的非線性方程作為樣本總體，從中抽取指定數(shù)目（與方程組未知變量數(shù)目相等）的非線性方程來建立非線性方程組，從而得到微震源的若干個近似解，然后針對這些近似解構成的解集進一步處理來得到最終的微震源位置.建立的四四組合非線性方程組形式一般為

上式中，(x,y,z,t)為未知變量，分別表示微震源的三維坐標和發(fā)震時刻；xi,yi,zi,ti分別表示監(jiān)測點處的三維坐標和到時數(shù)據(jù)，且i≠j≠p≠q.

1.3 ZedGraph可視化類庫

ZedGraph類庫［17，18］是一個用于圖表可視化的.NET類庫，由于其繼承自Framework的UserControl接口，可以較自由地使用各種數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建二維柱形圖和折線圖，便于開發(fā)者定義圖表屬性、窗口操作，以及與C++、VB等高級編程語言的訪問（如圖1）.相對于其他的.NET類庫，ZedGraph支持一定的用戶開發(fā)與動態(tài)顯示，有效減少計算機I/O消耗，已被眾多開發(fā)人員采用.

圖1 ZedGraph類庫應用經(jīng)典案例

2 微震源定位流程

本文微震源定位流程如圖2所示，具體為：

圖2 微震源定位流程圖

步驟1首先獲取n組礦山微震監(jiān)測到時數(shù)據(jù)與監(jiān)測點三分量坐標，將P波波速作為恒定量代入到微震源到時差反演數(shù)學模型中；

步驟2對n個到時樣本進行四四組合，共產(chǎn)生組非線性多元方程組，依次進行Newton-Raphson法迭代求解，并得到n個微震源近似解；

步驟3對n個微震源近似解求取均值，即使用質心法得到最終的微震源解.

3 軟件架構設計

本軟件開發(fā)基于Visual Studio 2017平臺、C#語言與ZedGraph可視化類庫，采用WinForm軟件開發(fā)模式［19］（相比WPF軟件開發(fā)模式［20］，WinForm界面設計速度短平快、數(shù)據(jù)綁定更高效）開發(fā)本系統(tǒng)的監(jiān)控中心客戶端和用戶端等軟件，應用程序目標框架采用.NET Framework 4，操作系統(tǒng)為Windows 10.

基于ZedGraph和牛頓-拉夫遜法的礦山微震源定位與可視化平臺主要包括微震元數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)預處理、樣本四四組合、微震源定位結算、震源近似解二維顯示等功能.

1）元數(shù)據(jù)讀取.軟件以文件下拉選項的方式讀取TXT等文本數(shù)據(jù)，將微震源的到時數(shù)據(jù)和監(jiān)測點坐標保存至全局變量中.

2）四四組合.將讀取到的元數(shù)據(jù)進行編號，并根據(jù)排列組合原理進行四四組合分組，組合的順序遵循編號由小及大、由右向左的原則.

3）微震源定位.微震源反演依據(jù)四四組合方程組，并利用牛頓-拉夫遜法進行微震源解算，最終得到一系列震源近似解，最后使用質心法得到結果.

4）數(shù)據(jù)結果顯示.微震源解算的數(shù)據(jù)結果以平面投影的形式顯示在3個圖形模塊中，分別是X-Y平面、Y-Z平面、X-Z平面.

4 實驗仿真

微震監(jiān)測實際工程數(shù)據(jù)選用柿竹園礦爆破數(shù)據(jù)，其地震波P波速度選取平均值（5 700 m/s），共有8組微震監(jiān)測點三維坐標和到時數(shù)據(jù)（如圖3）被成功記錄到，即經(jīng)過四四組合后會有70組非線性多元方程組被建立，可得到70個近似震源解.

圖3 微震監(jiān)測點位置

基于ZedGraph和牛頓-拉夫遜法的礦山微震源定位與可視化平臺操作流程如圖4所示，軟件實現(xiàn)界面如圖5所示，可看出該軟件界面友好，微震源坐標以XOZ、XOY、YOZ等3種二維平面的高亮紅色顯示，主要功能模塊或功能件較齊全，包含軟件常規(guī)操作（重啟、退出、清空），用戶操作流程簡便，可直觀地顯示微震源定位計算過程和結果.

圖4 軟件操作流程

圖5 微震源定位方法對比

為了橫向對比本文方法在同類方法中的優(yōu)勢，選擇模擬退火算法（SA）、遺傳算法（GA）以及非線性最小二乘算法等作為參照，真實震源為（8 732.70；6 570.60；511.30），比對結果如表1所示.結果表明，本文方法在微震定位效果方面表現(xiàn)較好，該思路值得相關人士繼續(xù)深入研究.

表1 微震源定位方法對比結果

5 結論

本文簡要介紹了礦山微震源定位與可視化平臺的設計與實現(xiàn)，通過Visual Studio 2017開發(fā)平臺和C#語言搭建了微震平臺的ZedGraph可視化控件，實現(xiàn)了基于牛頓-拉夫遜法的微震源定位過程，依靠WinForm模式簡捷快速開發(fā)的優(yōu)點，本平臺易于操作，核心功能緊湊，所采用的定位方法有一定積極效果，為國內科研學者及技術人員自主開發(fā)微震監(jiān)測軟件系統(tǒng)提供了建設性方案.