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第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY intelligent mining; software development; real time multiple tasks 近年来，矿井槽波地震勘探技术为煤矿工作面 回采解决了很多地质问题，但这种探测技术通常要 求以炸药作为震源，用来提高槽波波场信噪比。这 种震源方式在高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井中的施工 较为受限，同时在施工时往往要求停止生产，从而 影响到煤矿的正常生产活动。此外，该技术为静态 一次性探测，难以反映回采工作面内的动态应力变 化。随着煤矿生产的发展转向高效化、自动化、集 约化和智能化，以采煤机切割时的震动作为震源的 随采地震探测技术被提出并越来越受到重视。 20 世纪 80 年代末，有学者提出利用采煤机作 为震源对回采工作面内部进行探测[1-2]，然而由于激 发能量以及采煤机位置无法自动定位等问题未能深 入研究。直到 2008 年，Xun Luo 等[3-4]用采煤机震 源对回采工作面内部的应力进行探测，获得了第一 个有意义的结果。陆斌等[5-7]和覃思等[8-9]分别研究 了随采地震信号的干涉成像法和井地联合探测方 法，研究结果表明，随采地震技术可以用来实时监 ChaoXing 30 煤田地质与勘探 第 47 卷 测工作面采动过程中应力的变化，及时发现危险区 域并做出灾害预警。 得益于地震干涉技术[10]的快速进步，随采地震 技术越来越受到重视，相关技术研究也得以进一步 深入。但由于缺少配套软件的支撑，采集的资料得 不到有效处理，该技术的发展受到一定制约。常规 地震数据处理软件应用于随采地震数据时存在诸多 问题，如不满足随采地震的实时、连续不间断的大 数据量处理需求，达不到随采随探的目的；不具有 随采地震数据处理所需的处理模块，无法单独完成 所有处理流程。因此现有软件系统无法满足随采地 震数据的处理需求，迫切需要开发一套适用于随采 地震数据处理的软件系统Seismic of While Mining， 简称 SWM，推动这一新技术的发展应用。针对随 采地震数据的处理需求，采用分层模型[11-14]及实时 多任务的体系设计了 SWM 软件体。通过分层，使 得数据管理、 界面显示和数据处理模块逻辑性分开， 从而使软件具有更好的适应性和可扩展性。 1 SWM 软件体系架构 设计的 SWM 软件体系的具体分层结构如图 1 所示。 图 1 SWM 系统分层体系结构图 Fig.1 SWM sorftware architecture 1.1 数据层 数据层负责规范数据的定义、格式、存储、转 换和导入导出等。随采地震数据类型多、数据量巨 大， 采集过程中每天的原始数据达到数十 GB， 中间 处理数据则更多。针对不同数据类型，定义了不同 的数据结构。主要的数据类型包括采集原始数据、 观测系统、处理参数、干涉形成的虚拟共炮集数据、 指标性数据、反演成像数据及其他一些数据类型如 导入的 CAD 材料图、从采煤机获取的采煤机位置、 滚筒高度、截割速度、功率等。 数据层中的上述数据类型，其大小差异较大， 考虑到运行效率问题，依据数据大小以及访问频率 将其按两种存储方式进行储存。如原始数据、虚拟 共炮集数据、反演成像数据等数据量特别巨大的数 据类型，不适宜存储到存储库中，否则会严重降低 查询效率。将其以文件形式存入磁盘阵列，数据的 具体信息，如文件名、采样率、道长、道数、对应 观测系统索引号以及采集起始时间等，存储到数据 库信息表中，便于管理、查询和访问。其他类型数 据则分别建立数据库表进行存储。 数据层除了数据格式的规范定义、存储，还包 括了数据格式转换，以及导入导出等功能。比如从 导入地震数据中提取观测系统，或导出时将观测系 统存储到导出地震数据的道头。此外，还为各种数 据类型定义了读写接口函数，便于应用层的数据处 理模块访问和存储数据。 1.2 表示层 地震数据处理软件中， 图形图像的高质量显示、 界面设计的美观、实用以及交互显示的便捷性等都 是较为重要的特征。在实现这些特征的基础上，完 成表示层将数据层中的数据在软件界面中绘制，以 展示给用户进行分析与解释的功能。 SWM 中需要展示的数据类型主要有地震数据、 观测系统、属性数据、参数数据、日志数据以及成 像剖面的显示。不同类型数据显示时还需要配合交 互编辑等操作，如地震数据显示时，具有 AGC、带 ChaoXing 第 3 期 王保利 随采地震数据处理软件开发与应用 31 通滤波、道间均衡以及局部放大等功能；观测系统 显示时还需要交互编辑、导入导出等；属性数据的 显示需与地震数据联动；成像结果显示时需要将其 投放到 CAD 图中， 以便与回采工作面的实际情况进 行对比分析与解释；参数数据在进行编辑修改后需 要实时通知处理模块对使用的处理参数进行及时更 新，确保使用参数的一致性等。 除了 UI 桌面主线程对表示层进行控制外， 应用 层中的各模块的执行线程也可通过发送 Windows消 息控制相应数据，从而进行实时显示。 此外， SWM 还需要通过表示层对以前的数据以 视频方式进行回放展示，突出了随采地震的实时动 态探测特点。 1.3 应用层 应用层主要负责数据的处理，由几大功能相对 独立的模块组成，是 SWM 软件系统的核心部分， 最能体现 SWM 软件数据的处理效果。应用层只与 数据层进行数据交换，从数据层读取数据，应用完 毕后将输出的数据送入数据层进行存储。 SWM 应用层模块设计主要依据于随采地震数 据的处理流程，如图 2 所示，软件通过监听来判断 是否有新数据需要进行处理、若无则继续等待，否 则读入数据，然后利用地震干涉方法对数据进行处 理，获得虚拟共炮集数据。接着利用该数据进行 CT 反演及反射波成像，通过循环流程作业实时处理所 有采集到的随采地震数据记录。 图 2 随采地震数据处理流程示意图 Fig.2 The processing flow of SWM data 依据上述流程，将应用层分成 4 个任务数据 监听、随采干涉、CT 反演和反射成像。每个任务启 动一个任务线程，互相之间独立运行，每个线程只 与数据层进行数据访问和存储。这种方式的优点是 任务间依赖度小，便于独立开发、调试和部署，也 方便后续进行功能的扩展与维护。 应用层模块在数据处理完毕，需要进行结果显 示时，通过发送 Windows 消息通知表示层实时显示 需要显示的数据， 从而将显示任务交予表示层执行。 1.3.1 数据监听 由于随采地震数据的采集通过采集软件完成， 采集软件采集到的数据根据时间进行分段，并以文 件形式保存，同时将数据的关键信息存入数据库表 中。 SWM 通过数据监听的方式判断是否有新采集数 据，若有则将新数据信息和记录通过表示层进行实 时显示， 并给应用层的处理线程发送 windows 消息， 使处理线程完成对该数据的处理；若无则线程进入 短暂休眠状态，结束休眠后继续监听。 1.3.2 地震干涉 地震干涉模块的作用是通过地震干涉方法将随 采地震数据处理成虚拟共炮集记录， 并计算出数据指 标， 用于判断采煤机的工作状态停机、 空转和采煤。 地震干涉模块从数据层访问并读入数据，完成 后将处理结果中的指标数据、互相关时差数据及虚 拟炮集数据经数据层进行存储，并给表示层发送消 息，以实时显示相关处理结果。 1.3.3 CT 反演 CT 反演将地震干涉模块获得的走时信息， 经预 处理后进行 CT 层析成像，获得更新后的波传播速 度，再通过给表示层发送消息对反演结果进行实时 显示，并通过数据层进行保存。 采掘过程中， 工作面内部煤层应力会发生变化， 但应力短时间内变化很小，实时 CT 反演占用大量 计算资源降低计算效率。因此 SWM 采取每割一刀 煤进行一次 CT 反演，并与上一刀煤的反演结果做 差，获得割煤过程中地震波传播速度的变化，以此 来反应工作面内应力的变化，从而避免了地层本身 的应力分布差异。 1.3.4 反射波成像 与 CT 反演模块相似，反射波成像属于长期对 静态目标进行多次成像，应符合叠加要求。数据的 读取、存储及显示等其他方面，实现方式与 CT 反 演相同。 2 SWM 软件具体实现 2.1 关键数据类型定义 2.1.1 工区数据类型 采用如下数据结构定义 SWM 的工区数据，主 要包含了工区数据保存路径、工作面长和宽以及网 格划分间隔、工区建立时间等，具体如表 1 所示。 2.1.2 随采原始数据类型 原始数据是 SWM 中数据量最大的数据类型之 一，这一类型数据的信息通过建立数据信息表的方 式保存到数据库中便于查询和访问，而数据则以文 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 1 工区数据结构体定义 Table 1 Definition of data structure in work area 字段名 字段类型 说明 path int 工区中数据个数 note nvarcharMAX 工区描述 built_time DATETIME 工区创建时间 Width int 工作面宽度/m Length int 工作面长度/m dx real 长度方向网格间距/m dy real 宽度方向网格间距/m 件形式存入磁盘阵列。其中每一数据文件对应一个 索引号，同时指定该数据的观测系统索引号。具体 的数据信息表如表 2 所示。 表 2 原始采集数据结构体定义 Table 2 Definition of data structure of raw data 字段名 字段类型 说明 index int 数据索引号 filename nvarchar255 数据文件名 start_time DATETIME 数据起始采集时间 samplerate int 采样间隔/μs Ntrace int 接收道数 Npoint int 采样长度 geomindex int 对应的观测系统索引号 2.1.3 观测系统数据类型 地震数据处理软件中，采集观测系统具有重要 的作用， 是不可或缺的。 SWM 中考虑到工作面回采 时观测系统会根据实际情况进行调整如增删、移动 等，专门为观测系统建立了数据库表，在每次调整 后将新的观测系统保存入数据库表中，并与采集数 据通过索引号进行一一对应。观测系统数据库表设 计如表 3 所示，其中，xyz 和 channelinfo 两字段按 二进制格式存储到数据库中。各数据项通过观测系 统索引号获得对应的观测系统坐标。 表 3 观测系统数据类型定义 Table 3 Definition of data structure of observation system 字段名 字段类型 说明 index int 观测系统索引号 start_time DATETIME 观测系统调整时间 Ntrace int 接收道数 xyz varbianryMAX 各接收点三维坐标 channelinfo varbianryMAX 接收点放置类型 2.2 并行处理机制 由 1.3 节可知， SWM 的核心应用层将整个实时 处理分为 4 个关键任务模块，这几个模块之间相互 独立运行，每个任务模块均通过一个工作线程执行 各自的处理任务。在计算量较大的地震干涉、CT 反 演和反射波成像 3 个关键任务中，采用 OpenMP 自 动进行多线程并行加速， 以满足大数据量数据处理时 对实时性的要求。在实际运行时，SWM 采用每两分 钟存储一个原始数据文件，这个文件通常会在 1 min 内处理完毕，达到了实时性目的。 为了避免线程之间资源共享冲突，保证线程运 行安全稳定，各工作线程通过数据库完成对数据层 的访问与存储，由数据库来实现多线程对数据的共 享访问。与表示层则通过 Windows 消息机制进行通 信，同样通过数据库完成数据读取，最终成图显示。 此外，对同一数据访问时，通过全局变量来避免数 据存取错误甚至系统死锁。 3 SWM 软件的特点 基于应用层、数据层和表示层的分层模式和多 任务机制开发的 SWM 软件体系结构具有以下几个 优点 a. 分层模式的体系结构使得软件整个架构比 较整洁、每层的功能设计相对明确，降低了软件开 发难度，提高了软件运行的稳定性和可靠性。 b. 应用层采用多任务并发机制，且各任务相互 独立，以并行方式运行，互不干扰。这种方式使得 各个模块能够单独编写、调试，提高了软件的可扩 展性，便于后续模块的集成，同时也降低了后续软 件的升级维护难度。 4 SWM 软件案例应用 在贵州某矿随采地震项目中对研发的 SWM 软 件进行了 2 个月调试，各项指标均满足预定设计要 求，并在随后进行了为期 3 个月的全面试运行，软 件稳定性、实时性均符合要求。测试结果如图 3 图 5 所示，图 3 为实测的地震记录波形显示剖面， 该剖面进行了去直流、去工频干扰和道均衡等预处 理；图 4 为数据处理界面，图形上部曲线为地震干 涉计算的互相关曲线，大值表示采煤机正在截割， 较为平稳的低值则表示采煤机处于停机状态。图的 下部分的左边为观测系统图，用户可通过点击任一 绿色检波点；图的下部分的右边显示的是对应的干 涉虚拟炮集记录；图 5 为在采煤机截割一刀后反演 得到的采煤工作面内地震波传播速度，用于反映工 作面内应力的分布情况。 稳定运行期间，采样率设置为 2 000 Hz，采集 软件每隔 2.5 min 输出一个采集数据文件，SWM 可 在 0.5 min 左右完成对该数据的预处理、 地震干涉和 反演成像等，较好地完成了实时性要求。 ChaoXing 第 3 期 王保利 随采地震数据处理软件开发与应用 33 图 3 SWM 软件原始信号显示界面 Fig.3 Display interface of original signals in SWM software 图 4 SWM 软件地震干涉记录显示界面 Fig.4 Display interface of seismic interference records in SWM software 图 5 SWM 软件反演结果显示界面 Fig.5 Display interface of inversion result in SWM software ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 47 卷 5 结 论 a. 针对随采地震数据处理的实际需求，本文开 发了基于多层模式、多任务并行机制的随采地震数 据处理系统的体系结构，并在该结构的基础上完成 了软件的具体实现过程。 b. 经现场长时间联调测试，研发的 SWM 软件 运行稳定、可靠性好、易于功能扩展，基本满足了 随采地震数据处理的大数据量、实时性、稳定性等 要求，有助于促进随采地震技术的进一步发展。 参考文献 [1] BUCHANAN D J，MASON I，DAVIS R. 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