翟慧杰 張昊楠

（中海油田服務股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300450）

0 引言

拖纜地震勘探是海洋油氣勘探的主要施工方式之一，在其作業(yè)過程中，綜合導航系統(tǒng)處于指揮和控制中心地位。綜合導航系統(tǒng)在作業(yè)中需要接入DGNSS、電羅經(jīng)、測深儀、RGNSS 及水鳥等多種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的格式不同，采樣率從0.1 秒到數(shù)十秒，通過網(wǎng)絡及串口傳輸，同時綜合導航系統(tǒng)還需控制觸發(fā)拖纜控制與定位系統(tǒng)、地震采集系統(tǒng)及槍控系統(tǒng)，在整個作業(yè)過程中涉及大量的數(shù)據(jù)交互及命令控制。中海油田服務股份有限公司經(jīng)過多年技術攻關，形成了以海途HQI-Navi?實時綜合導航系統(tǒng)軟件及導航采集控制平臺INSP （Integrated navigation system platform）在內的拖纜綜合導航系統(tǒng)產品。

由于海上試驗環(huán)境特殊，系統(tǒng)無法長期在海上進行試驗，而室內測試，則難以搭建測試環(huán)境，因此需開發(fā)一套綜合導航模擬測試軟硬件系統(tǒng)，可模擬海上試驗場景。QT 是一個基于C++語言開發(fā)的跨平臺圖形化用戶界面應用程序開發(fā)框架，文獻[5]設計了一套基于QT 多線程多串口的綜合導航模擬上位機軟件，但該軟件直接通過串口連接到導航INSP 箱體，無法對觸發(fā)信號進行配置及控制，且對數(shù)據(jù)的支持格式有限。本文針對海上拖纜地震勘探綜合導航系統(tǒng)的室內開發(fā)測試需求，設計了一套可與綜合導航模擬測試系統(tǒng)硬件相配合的上位機軟件，對軟件的需求及設計方案進行探討，并進行功能模塊劃分和設計開發(fā)。

1 需求分析

海上拖纜地震勘探作業(yè)中，綜合導航系統(tǒng)收發(fā)的數(shù)據(jù)可分為3 類：

（1）被動接收，接入的傳感器種類多，數(shù)量大，包含DGNSS、RGNSS、電羅經(jīng)、測深儀、水速儀等，其中DGNSS 和電羅經(jīng)一般需要各接入3 套，數(shù)據(jù)格式也存在差異，該類數(shù)據(jù)完全按照傳感器自身的采樣間隔，通過RS232 或RS422 串口，遵循相應的通信參，持續(xù)不斷發(fā)送到導航系統(tǒng)中。

（2）是通過導航控制平臺主動觸發(fā)后接收到的數(shù)據(jù)，主要包括槍陣數(shù)據(jù)和羅經(jīng)鳥、聲學鳥、水平鳥、聲速鳥等數(shù)據(jù)，一般槍陣數(shù)據(jù)每炮觸發(fā)采集1 次，通過串口發(fā)送到導航系統(tǒng)，各類水鳥數(shù)據(jù)按照作業(yè)配置1～2 炮觸發(fā)采集1 次，主要通過網(wǎng)絡傳輸，羅經(jīng)鳥數(shù)據(jù)也可支持串口傳輸。

（3）主動發(fā)送，每炮響炮前將炮號和炮源發(fā)送給震源控制系統(tǒng)，響炮后收到槍數(shù)據(jù)，合并生成儀器頭段數(shù)據(jù)，發(fā)送給拖纜采集系統(tǒng)，2 種數(shù)據(jù)均通過串口發(fā)送。不同傳感器數(shù)據(jù)的具體信息見表1。

表1 傳感器采樣間隔

上位機軟件需要完成數(shù)據(jù)模擬及抽取，并通過通信接口將模擬數(shù)據(jù)發(fā)送給導航模擬測試機箱（硬件設備）進行進一步的格式、內容和時序的處理操作。同時，需要配合模擬實際作業(yè)中槍控、鳥控、采集系統(tǒng)的觸發(fā)控制，數(shù)據(jù)的發(fā)送依賴于特定的時序。此外，上位機還可監(jiān)控導航系統(tǒng)發(fā)出的槍頭段和儀器頭段。具體如下：

（1）二維、三維導航定位數(shù)據(jù)抽取及模擬。

（2）串口數(shù)據(jù)模擬發(fā)送：實現(xiàn)對DGPS、RGPS、電羅經(jīng)、測深儀、羅經(jīng)鳥、槍陣、頭段數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送，可進行串口配置。

（3）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模擬發(fā)送：實現(xiàn)對聲學鳥、水平鳥、羅經(jīng)鳥、聲速鳥等數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送，通過導航模擬測試機箱以網(wǎng)絡方式發(fā)送給綜合導航系統(tǒng)。

（4）同步控制：模擬實際作業(yè)中槍控、鳥控、采集等系統(tǒng)的觸發(fā)控制，數(shù)據(jù)的發(fā)送依賴于特定的時序。

（5） 能夠與導航模擬測試機箱進行數(shù)據(jù)通信，支持通信參數(shù)配置。

2 導航數(shù)據(jù)模擬方法

數(shù)據(jù)模擬是上位機軟件的主要功能之一，主要實現(xiàn)方式為解析P294 文件，按照配置格式，生成每個傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件及時間間隔文件。

P294 是國際通用的拖纜地震勘探原始數(shù)據(jù)交換文件，由頭信息和數(shù)據(jù)信息兩部分構成，其中頭信息規(guī)定了勘探船的作業(yè)配置信息，包括傳感器的種類、數(shù)量，各傳感器的觀測值ID、掛載位置等信息，數(shù)據(jù)信息部分按照P294 規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，記錄傳感器數(shù)據(jù)。P294 中記錄的數(shù)據(jù)格式與傳感器的原始數(shù)據(jù)格式不同，因此在進行數(shù)據(jù)模擬時，首先，根據(jù)P294 文件頭的配置信息確定數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)格式，以及數(shù)據(jù)對應的觀測值ID；其次，在P294 文件數(shù)據(jù)記錄部分，將各傳感器數(shù)據(jù)，按照導航控制平臺可接收的數(shù)據(jù)格式，進行數(shù)據(jù)合成，生成每個傳感器的數(shù)據(jù)文件，同時根據(jù)各傳感器相鄰數(shù)據(jù)的時間間隔，生成對應的時間間隔文件。RGNSS 數(shù)據(jù)中包含了多個傳感器數(shù)據(jù)，但在P294 文件中僅定義了一個觀測值ID，需在生成數(shù)據(jù)文件前，對每個RGNSS 傳感器配置獨立的ID，該ID配置需和綜合導航系統(tǒng)中的參數(shù)配置保持一致，才可使得數(shù)據(jù)發(fā)送到綜合導航系統(tǒng)時被正常解析。

除了水鳥數(shù)據(jù)外，所有數(shù)據(jù)格式均為標準ASCII數(shù)據(jù)串，水鳥數(shù)據(jù)為16 進制格式，在解析P294 文件進行模擬數(shù)據(jù)生成時也需按照綜合導航系統(tǒng)中的參數(shù)進行拖纜的平臺配置。

3 軟件設計及實現(xiàn)

3.1 架構設計

綜合導航模擬測試系統(tǒng)的軟件報告上位機軟件和ARM 嵌入式軟件兩部分。軟件架構示意圖如圖1所示，考慮到上位機與嵌入式設備性能上的差異，上位機軟件主要用于與用戶進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示等復雜功能。嵌入式軟件主要用于數(shù)據(jù)的接收與轉發(fā)。上位機軟件與ARM 嵌入式軟件使用網(wǎng)絡通信方式連接，通過socket 相交互，擁有該socket 的類，通過對接收的協(xié)議數(shù)據(jù)進行解析，控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖1 軟件架構示意圖

3.2 軟件設計及實現(xiàn)

綜合導航模擬測試系統(tǒng)的上位機軟件基于QT5開發(fā)，采用C++語言，可跨平臺運行在有Windows 或Linux 操作系統(tǒng)的計算機上，以實現(xiàn)導航原始數(shù)據(jù)的模擬及多種指定格式數(shù)據(jù)的控制發(fā)送，配置通信參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。其主要功能為：

（1）系統(tǒng)參數(shù)配置，包括網(wǎng)絡配置、P2 文件抽取文件目錄及參數(shù)配置、串口通信參數(shù)配置、觸發(fā)端口及觸發(fā)時序配置等，參數(shù)配置可保存及加載。

（2）導航數(shù)據(jù)模擬，對P2 文件解析及數(shù)據(jù)抽取，支持多種數(shù)據(jù)種類及數(shù)據(jù)格式，支持整個文件抽取及部分炮號抽取。

（3）顯示數(shù)據(jù)發(fā)送、接收及觸發(fā)狀態(tài)，監(jiān)控收到的頭端數(shù)據(jù)內容。

（4）系統(tǒng)運行控制，包括打開與關閉串口、開始與結束發(fā)送、數(shù)據(jù)計數(shù)清零等；綜合導航模擬測試系統(tǒng)上位機軟件運行界面如圖2 所示。

圖2 上位機軟件

4 結語

本軟件針對多套拖纜導航數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)模擬及發(fā)送測試，能有效支持拖纜綜合導航系統(tǒng)的室內開發(fā)測試，后續(xù)將進一步增加對海底電纜P2 數(shù)據(jù)的支持，為海底地震勘探綜合導航系統(tǒng)的研發(fā)提供支撐。