宋晨陽，袁 偉，孫仕勝，李 斌

（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 102206）

0 引 言

采用井炮激發(fā)生產(chǎn)方式進行的地震勘探項目，在藥包下井后至激發(fā)前會有2～15天的空窗期，形成未激發(fā)的炮井。未激發(fā)炮井看護工作是物探安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其在村鎮(zhèn)周邊、農(nóng)田水網(wǎng)、叢林牧場等偏遠(yuǎn)地區(qū)，部分群眾對石油勘探作業(yè)缺乏了解，可能出于好奇等原因挖掘井中炸藥，存在很大的安全監(jiān)管隱患。國家、地方政府、勘探公司對已下藥未激發(fā)炮井的看護工作要求日趨嚴(yán)格，因此需要突破傳統(tǒng)看守方式，通過智能化、數(shù)字化、信息化的手段來實現(xiàn)地震隊安全生產(chǎn)和管理水平的同步提升。

1 研究目標(biāo)和內(nèi)容

1.1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前對于未激發(fā)炮井的看護多通過傳統(tǒng)的人工巡查方式，地震隊根據(jù)生產(chǎn)需要，將看護巡井的位置發(fā)給看護人員，憑人工定期到位進行看護（巡井），使用地圖軟件記錄到位時間，并填寫紙質(zhì)記錄，形成檔案。這種傳統(tǒng)的看護工作方式花費較多人工成本，且不能滿足全天候24小時看護要求，在偏遠(yuǎn)無網(wǎng)絡(luò)信號地區(qū)，巡井人員無法與營地及時取得聯(lián)系，仍然存在較高的安全風(fēng)險隱患。

1.2 研究目標(biāo)

為解決看護不及時、看護覆蓋度不足、巡井效率低下等問題，研究團隊重點圍繞以下目標(biāo)展開研究：

（1）時效性：報警要及時，一旦被非法盜挖，報警過程要求及時。

a.感知要及時：看護終端的感知要及時，這是源頭。

b.傳輸要及時：報警消息傳遞要及時，必要時需重傳，這是中間必要過程。

c.通知要及時：監(jiān)控端和處理端要及時顯示告警，這是通知最終送達處。

（2）精準(zhǔn)性：報警需精準(zhǔn)，由于作業(yè)位置范圍廣、數(shù)量大，一旦報警不精準(zhǔn)，如產(chǎn)生誤報，將會增加很多不必要的工作量，也可能會產(chǎn)生“狼來了”的效應(yīng)。

a.感知要精準(zhǔn)：既不能漏報，也不能誤報。

b.信息要精準(zhǔn)：定位信息需精準(zhǔn)。

（3）閉環(huán)性：報警過程必須是完整的閉環(huán)，每一條報警信息需能被顯示、查詢、處理和追蹤。

a.隊部監(jiān)控端可查詢，可指揮。

b.現(xiàn)場處理端可接收，可處理。

（4）規(guī)?；瘧?yīng)用：井炮監(jiān)控場景需滿足特定的要求才可規(guī)模化應(yīng)用。

a.場景特殊，看護終端需滿足對民爆品監(jiān)控的使用條件。

b.環(huán)境特殊，看護終端需滿足在野外各種復(fù)雜條件下使用的條件。

c.終端需穩(wěn)定可靠，且能循環(huán)使用。

d.低成本，由于數(shù)量巨大，必須考慮成本。

e.便攜易用，不能增加現(xiàn)場操作人員的工作量。

f.系統(tǒng)穩(wěn)定易用。

（5）研究內(nèi)容：依據(jù)研究目標(biāo)，經(jīng)分析，確認(rèn)需重點研究和解決如下問題。

a.研發(fā)出符合使用條件的看護終端。

b.研究工區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問題。

c.研發(fā)配套的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控指揮閉環(huán)。

2 技術(shù)方案

2.1 需求分析

依據(jù)不同的崗位工作性質(zhì)和監(jiān)控總體需求，總結(jié)出用戶需求，見表1所列。

表1 用戶需求分析表

2.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)整體分層架構(gòu)如圖1所示，表述如下：

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)

（1）感知層：在APP的輔助下，完成對看護終端的操作，看護終端上報位置和狀態(tài)、報警等數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層：依據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件，選取不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道進行數(shù)據(jù)傳輸，例如，移動公網(wǎng)、自組網(wǎng)、北斗短報文。

（3）業(yè)務(wù)層：主要用于處理各種業(yè)務(wù)，例如接入服務(wù)、規(guī)則服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、推送服務(wù)等。

（4）展示層：主要包括各類展示端，大屏、Web、APP等。

（5）用戶層：系統(tǒng)相關(guān)用戶。

3 井炮看護終端

3.1 硬件規(guī)格

由于地震隊施工環(huán)境復(fù)雜多變，炮井?dāng)?shù)量繁多，因此看護終端需具備高適應(yīng)、低成本、可規(guī)模化應(yīng)用等特點，主要功能及產(chǎn)品規(guī)格包括：

（1）防爆：應(yīng)用于雷管炸藥附近，終端具有防爆功能，且滿足射頻要求；

（2）防護：適用于埋置在地下或沼澤、水下地區(qū)，至少具備IP67的防護能力；

（3）防腐蝕：適用于埋置在濕地、油泥環(huán)境，終端具有一定的防腐能力；

（4）信號穿透性：埋置在地下，需要一定的信號穿透能力，需要至少10 cm浮土；

（5）工作溫度：溫度范圍-40～85 ℃；

（6）功率：無法外接電源，采用低功率信號傳輸；

（7）電池：需要能連續(xù)工作20天以上；

（8）傳感器：內(nèi)置傾角傳感器、振動傳感器、聲光傳感器，監(jiān)測終端的翻轉(zhuǎn)、振動狀態(tài)，異常時報警；

（9）定位：支持復(fù)合定位，精度米級；

（10）通信模塊：可選用移動公網(wǎng)/北斗短報文/LoRa等模組；

（11）尺寸 ：高 30 mm、寬 75 mm、長 105 mm ；

（12）便攜式：設(shè)計時需考慮設(shè)備的便攜性，方便攜帶；

（13）條碼：外部需要有防止磨損的條形碼和終端序列號。

3.2 系統(tǒng)規(guī)格

終端需要和服務(wù)端進行指令交互，可自定義1套數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，至少包含以下內(nèi)容：

（1）注冊協(xié)議，向服務(wù)端注冊；

（2）上報信息，具體包括定位、狀態(tài)（設(shè)防撤防、電池電量等）、報警等信息；

（3）心跳協(xié)議，定時上報心跳信息；

（4）參數(shù)上報，向服務(wù)端上報參數(shù)信息；

（5）改參指令，接收服務(wù)端發(fā)送的修改參數(shù)指令，修改參數(shù)；

（6）通用回執(zhí)。

4 通信模式

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件，可選用不同通信模塊的看護終端，圖2主要描述了基于LoRa通信模組的通信模式，純移動公網(wǎng)和純北斗短報文通信模式與此類似。

圖2 看護終端通信模式

5 井炮智能看護系統(tǒng)

看護終端和網(wǎng)絡(luò)傳輸問題解決后，需要研發(fā)配套的系統(tǒng)，用于監(jiān)控和指揮閉環(huán)。該系統(tǒng)主要分為兩部分，即監(jiān)控管理系統(tǒng)（簡稱Web端）、APP作業(yè)系統(tǒng)（簡稱APP端）。

5.1 系統(tǒng)方案原理

下藥工通過APP獲取井炮樁號，并導(dǎo)航到井口，將井炮看護終端埋置在井口位置，并設(shè)定其為設(shè)防狀態(tài)；正常情況下，看護終端不會報警，但是一旦感知有位移、翻轉(zhuǎn)等外界變化，滿足報警條件后，將產(chǎn)生報警信號并上報給監(jiān)控管理端，管理端產(chǎn)生報警提醒，并智能分配告警處置任務(wù)給現(xiàn)場巡井作業(yè)人員，巡井作業(yè)人員通過APP導(dǎo)航到現(xiàn)場，處置告警；爆炸工作業(yè)前，通過APP導(dǎo)航到井口，先將看護終端由設(shè)防狀態(tài)變更至撤防狀態(tài)，然后挖出回收，完成后續(xù)施工作業(yè)。系統(tǒng)方案流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方案

（1）正常流（無報警流程）

下藥工綁定井炮和看護終端，開啟終端設(shè)防狀態(tài)，并埋置終端，終端定時上報位置、狀態(tài)數(shù)據(jù)，地震隊的生產(chǎn)指揮人員在可在Web端監(jiān)控。完成看護任務(wù)的終端，在井炮激發(fā)前，先將終端設(shè)定為撤防狀態(tài)，并由爆炸工挖出回收。井炮看護流程—正常流如圖4所示。

圖4 井炮看護流程—正常流

（2）異常流（有報警數(shù)據(jù)產(chǎn)生）

終端進入設(shè)防狀態(tài)，觸發(fā)報警條件后，將報警數(shù)據(jù)發(fā)送到管理監(jiān)控端，生產(chǎn)指揮人員查看報警信息，并將處理告警的任務(wù)發(fā)送到指定現(xiàn)場作業(yè)人員的APP，現(xiàn)場作業(yè)人員查看處理并上報處理結(jié)果，形成報警處置閉環(huán)。

井炮看護流程—異常流如圖5所示。

圖5 井炮看護流程—異常流

5.2 井炮監(jiān)控系統(tǒng)管理監(jiān)控端主要功能

井炮監(jiān)控系統(tǒng)管理監(jiān)控端是一個監(jiān)管平臺，主要面對小隊經(jīng)理/副經(jīng)理/HSE安全員/施工組長等角色，主要功能包括：

（1）實時監(jiān)控：可在地圖上顯示和查詢激發(fā)井、看護終端、人員數(shù)量、分布、位置和狀態(tài)等；

（2）告警處置：新告警提醒、告警列表、告警查詢、告警處置任務(wù)分派等；

（3）統(tǒng)計分析：現(xiàn)場生產(chǎn)進度、告警等統(tǒng)計分析；

（4）信息管理：可對現(xiàn)場必要的班組、人員、車輛等信息進行綜合管理和顯示；

（5）分級監(jiān)管：支持多項目結(jié)構(gòu)，分級管控。

5.3 井炮監(jiān)控系統(tǒng)APP端主要功能

井炮監(jiān)控系統(tǒng)APP端主要供炸藥工/爆炸工/巡井工等現(xiàn)場操作人員使用，主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)同步：遠(yuǎn)程獲取同步基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

（2）作業(yè)導(dǎo)航：可設(shè)置導(dǎo)航目標(biāo)點，通過導(dǎo)航將作業(yè)人員指引到目標(biāo)點；

（3）設(shè)防撤防：綁定和解綁終端和激發(fā)井，對終端進行設(shè)防和撤防操作；

（4）處理報警：接收告警處理任務(wù)，上報告警處理結(jié)果；

（5）統(tǒng)計功能：統(tǒng)計激發(fā)井、終端、告警等內(nèi)容；

（6）離線緩存：緩存登錄、炮點數(shù)據(jù)，在工區(qū)網(wǎng)絡(luò)條件不佳甚至無法正常工作時，支持炮點等離線數(shù)據(jù)的查看。

6 應(yīng)用情況

井炮看護終端和監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)完成后，部署在東方地球物理公司的生產(chǎn)安全監(jiān)測平臺上，由安全環(huán)保處主導(dǎo)，各地區(qū)物探處和物探隊深入應(yīng)用。截至目前，已經(jīng)有10個物探處，19支物探隊在使用該系統(tǒng)，注冊使用終端達15 885臺，項目遍布全國各地，對處于復(fù)雜山地、黃土塬、沙漠戈壁、池塘稻田等環(huán)境的井炮實現(xiàn)了實時監(jiān)控，也實現(xiàn)了公司、物探處、小隊的三級管控。

7 結(jié) 語

井炮監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用解決了國內(nèi)山地、荒漠、沼澤等復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)依靠人力巡檢導(dǎo)致看護不及時的問題，簡化了工作流程，節(jié)約了人工成本，提升了報警的準(zhǔn)確性和及時性，為數(shù)字化地震隊、智能化地震隊的發(fā)展帶來了新模式。