随采地震监测数据采集控制软件开发_段建华.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY data acquisition; software design 我国的煤矿以井下开采为主，与国外相比，我 国煤炭行业的信息化水平较低，矿山空间信息仍然 以图表和文字作为主要的存储介质，信息基础设施 未能跟上时代变化的脚步，使得煤矿企业的竞争力 受到严重的制约[1]。煤矿井下危险具有多变性、隐 蔽性，导致安全问题成为威胁煤矿工人生命的核心 问题[2]。而采掘工作面更是矿井水害、顶板、火灾 以及瓦斯等多种灾害事故的多发区，同时也是工作 人员聚集区，因此，也是导致重大生命财产损失的 高危区域[3-7]。随采地震勘探[8]是利用采掘活动激发 的震动作为震源，探测工作面内部或者掘进面前方 一定区域内地质构造的一种地震勘探技术，可以摆 脱放炮的安全隐患及对正常采掘生产的影响,实现 了采掘的同时进行超前探测[9-11]。随采地震所用震 源信号是连续、非可控的，只有进行连续、长期监 测，记录远场信号，将其与远场信号作互相关，得 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 47 卷 到清晰的相关峰值，才能将其转化为脉冲子波，代 替炸药震源进行地震勘探[12]。 因此，研制随采地震监测装备及控制软件成为 当务之急。本文针对随采地震监测装备的特点，充 分分析其观测系统和监测数据的特点，利用数据库 和文件系统的优点，设计了软件的数据结构；考虑 处理软件的特点，设计了与处理软件之间的接口； 最后基于 Microsoft Foundation Classes简称 MFC 开发框架，开发了数据采集软件，联合测试成功后， 并在贵州岩脚煤矿进行了 3 个月的野外采集工作。 1 随采地震观测系统及其特点 为了能够获得工作面内部煤层剧烈变化情况、 断层和陷落柱位置与规模以及应力集中区等信息， 目前的随采地震观测系统采用复杂部署模式。如图 1 所示，采用 H 形布局，共 72 道，其中孔中部署 24 道，分 4 个深孔，每个钻孔内部署 6 道，由一个 孔中多级检波器串承担； 其余的 48 道部署于工作面 两侧巷道的锚杆上， 图 1 中绿色圆点为巷道检波器。 图 1 随采地震监测观测系统示意图 Fig.1 Diagram of observation system of seismic monitoring with mining 数据采集分站为 6 通道，整个观测系统共需 12 台分站，数据处理时主要使用煤层中的槽波，而槽 波的频率较高，可以达到 500 Hz，为了采集高质量 的数据，采样间隔为 250 μs，这就对数据采集系统 提出了新的要求，不仅仅数据道数多，采样率较高， 而且是长期连续实时监测。 观测系统随着工作面的推进而移动， 当工作面推 进到检波器测点附近时， 要依次将检波器拆卸， 避免 被埋入采空区中， 当工作面推进到距离图 2 中黄色深 孔检波器 1020 m 时，要将全部的黄色测点移动到 蓝色测点位置，以此类推直到工作面回采结束。 2 随采地震监测数据采集软件设计 2.1 软件架构设计 针对分站多、数据量大、观测系统多变化、 图 2 随采地震监测观测系统滚动示意图 Fig.2 Rolling sketch of observation system of seismic monitoring with mining 实时性要求高以及需要与数据处理分析软件进行通 信的特点，采集软件利用多线程技术分别进行数据 采集和存储，软件框架设计见图 3。 图 3 软件框架设计 Fig.3 Software framework design 2.2 软件数据结构设计 采集软件中的数据可以分为两类，一类为数据 量不大，变化周期较长的数据，比如监测分站信 息、观测系统信息等；另一类为数据量较大，而且 变化周期很短的数据，比如监测数据。根据数据 特点，采集软件采用数据库与文件系统相结合的方 式保存数据，以提高数据存储效率。监测数据采用 文件系统保存，其他数据采用数据库方式保存。 a. 数据库设计 数据库主要保存测区信息、采样率、每个文件的 采样时长、采集分站信息、传感器信息、观测系统以 及监测数据的保存路径等信息，其 E-R 模型见图 4。 b. 文件结构设计 监测数据的辅助信息，如采样率、观测系统、 道数等信息全部保存在数据库中的监测数据表 datafile_info 中， 按照采样顺序将每道数据作为一块 ChaoXing 第 3 期 段建华等 随采地震监测数据采集控制软件开发 37 图 4 数据库 E-R 模型 Fig.4 E-R model of database 写入文件，块的顺序与道号一致，样点值采用有符 号的浮点型数据类型保存，详见图 5。文件名为第 一个样点的采样时间， 格式为 YYYY-MM-DD_HH_ MM-SS，不足两位数的补零。 图 5 监测数据文件结构 Fig.5 Monitoring data file structure 2.3 软件交互接口设计 本软件需要分别与井下采集分站和随采地震数 据处理软件进行交互，主要涉及到两个接口。 a. 与采集分站接口 为了便于和井下采集分站通信，采用 UDP 与 TCP 协议相结合的通信模式，采集软件的查询指令 通过 UDP 协议与采集分站通信， 通知指令和数据传 输则采用 TCP 协议传输，其通信流程见图 6。 b. 与数据处理软件接口 为了提高数据存储效率，采集软件采用数据库 与文件系统相结合的方式存储监测数据，大量的监 测数据保存在文件中，但是文件的相关信息，如 道数、采集时间、采样率、观测系统等信息保存在 数据库表 datafile_info， 与数据处理软件的通信也通 过数据库来完成，数据记录表中专门设计一个字段 为数据状态标志，数据采集时状态为 0，采集结束 后为 1，数据处理软件不断查询该表中数据状态标 志为 1 的记录，一旦有这样的记录，则根据数据库 中的信息读取监测数据进行处理，处理结束后将该 标志改为 2，具体处理流程见图 7。 3 随采地震监测数据采集软件实现 3.1 开发环境 软件基于 Visual Studio 的微软基础库类micro- soft foundation classes，MFC开发框架，采用 C 图 6 与采集分站通信流程图 Fig.6 Flow chart of communication with acquisition substation 图 7 与处理软件通信流程图 Fig.7 Flow chart of communication with processing software 语言编写，充分利用其图形用户界面graphical user interface，GUI，大大提高软件的开发效率。在功 能开发方面，为了满足随采地震监测的需要，提供 数据采集和数据保存功能，采用菜单栏和对话框方 式来实现软件与用户之间的人机交互。在整个应用 框架的基础上进行功能性、界面性的填充。将软件 开发分成若干部分，有效地提高软件研发效率和可 读性，同时也便于后期维护升级。 3.2 软件的实现 为了提高软件的运行效率，将软件操作界面、 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 47 卷 数据采集、保存和整理以及设备状态监测与恢复功 能分别由单独的线程来完成。 a. 数据库实现 数据库中最主要的两张表为传感器信息表和监 测数据表，传感器信息表为观测系统表的基础，而 且随着工作面的回采传感器移动后，传感器的位置 信息就会发生变化，观测系统随之变化；监测数据 表是数据采集软件与处理软件通信的基础，表中需 要包含大数据文件路径、观测系统、采样率、采样 时间和时长等重要信息，具体见表 1 和表 2。 表 1 传感器信息表detector_info Table 1 Sensor Ination Tabledetector_info 字段名称 类型 允许空值 主键 说明 Station_ID int 否 是 分站号 Channel int 否 是 通道号 Channel_X float 否 X 坐标 Channel_Y float 否 Y 坐标 Channel_Z float 否 Z 坐标 Channel_Number int 否 道号 Channel_Location nvarchar500 是 安装位置 Channel_MPoint nvarchar50 是 测点号 Modify_Time datetime 否 是 修改时间 传感器信息表中表1以 Station_ID、Channel 和 Modify_Time 为联合主键，这样表中可以把同一 个传感器在不同时间的坐标都保存起来，随时可以 获取任何时间段的观测系统。 表 2 监测数据表datafile_info Table 2 Monitoring data tabledatafile_info 字段名称 类型 允许空值 主键 说明 File_Index int 否 是 文件索引 File_Name nvarchar255 否 文件名称 Start_Time datetime 否 开始时间 Sample_Rate float 否 采样率 Trace_Amount int 否 道数 Point_Amount int 否 每道样点数量 File_Status int 否 文件状态 Geom_Index int 否 观测系统索引 监测数据表中表 2由 File_Index 为主键，该值 为根据时间自动生成一个与时间有关的数，确保唯 一性，同时将大数据文件的相关数据信息全部存入 该表中，以方便数据处理软件随时查询。 b. 软件操作界面 随采地震监测软件属于监测类软件，具有自 动化程度高、人工干预少等特点，因此，需要用 户的操作很少，主要是一些参数设置和监测分站 运行状态的显示系统中监测分站的数量、每台 分站的传感器数量及其工作状态。 传感器参数设置功能主要包括传感器的安装位 置及其坐标、所属监测分站号、通道号、测点号等 信息的增加、删除和修改，由修改传感器的时间为 主键，即可获得该时刻的观测系统。 c. 数据采集功能 数据采集功能主要包括数据采集软件与监测分 站之间的通信、监测分站状态查询与控制、数据采 集等。为了达到随时能够与监测分站通信的目的， 与监测分站的通信通过 UDP 和 TCP 协议两种方式 来实现， 其中监测分站的信息和状态查询由 UDP 协 议实现， 指令的发送、 参数设置和数据采集通过 TCP 协议实现。TCP 协议中采集软件为服务器端，监测 分站为客户端，服务器端采用完成端口技术来接收 多个监测分站上传的数据，为了便于数据保存，每 个通道的数据分别存放在独立的缓存区中，缓存区 采用循环数组的设计，当数据写入缓存区中后，循 环数组的数据采集下标 iColDataIndex1，数据采集 详细流程见图 8。 图 8 数据采集流程 Fig.8 Data acquisition process d. 数据保存 为了提高数据存储的效率， 将数据存储分为数据 保存和整理两个步骤， 分别由两个线程执行。 数据保 存线程监测缓存区中数据采集下标 iColDataIndex 与 ChaoXing 第 3 期 段建华等 随采地震监测数据采集控制软件开发 39 已保存数据下标 iSaveDataIndex 之差， 当该差值达到 预设值时， 从数据缓存区中读取数据并保存成数据文 件采用异步模式将每道单独存储为一个文件。数据 保 存 完 成 后 ， 循 环 数 组 的 已 保 存 数 据 下 标 iSaveDataIndex1，其数据保存详细流程见图 9。 图 9 数据保存流程 Fig.9 Data Preservation Process e. 数据整理 为方便数据处理需要把同一时段的各道检波器 的数据保存为一个文件，当由于检波器或者采集分 站故障导致数据缺失时做填零处理。因而增加一个 专门进行数据整理的子模块，由一个单独的线程来 处理，其数据整理详细流程见图 10。 图 10 数据整理流程 Fig.10 Data collation process f. 系统自恢复 井下的供电系统或者网络经常检修或者故障， 导致随采地震监测设备出现故障，当故障解决后， 系统应该能够自动恢复，但是该系统是由多个监测 分站组成的，分站之间需要不断进行时间同步，当 一台分站出现故障后，该分站停止采集，其他分站 仍然正常采集，当该分站故障解决后，要想恢复采 集，必须要把系统中所有的分站进行重启。图 11 所 示流程，就是用来检测网络是否出现故障，如果出 现故障，则一直检测，直到故障修复，然后重新启 动系统。 图 11 系统自恢复流程 Fig.11 System self-recovery process 4 随采地震监测数据采集软件联调与测试 4.1 运行环境 数据采集软对运行环境的要求如下 操作系统 windows7 及其以上； CPU 2.5 GHz， 4 核；内存8 GB；硬盘500 GB。 4.2 联调与测试 该软件与井下监测分站以及数据处理系统在实 验室进行为期 1 个月的联调测试， 联调过程中对采集 软件与监测分站和数据处理软件的接口进行了修改 和完善，并在野外进行了为期 2 个月的稳定运行后， 各项性能指标都达到了设计要求， 软件实时波形界面 见图 12 所示。最后在贵州岩脚煤矿进行为期 3 个月 全面试运行， 无论是采集数据还是与数据处理软件的 通信都正常工作。 5 结 论 a. 整个软件的设计契合了随采地震监测系统 的特点，实现了随采地震信号的高效采集、完全存 储和与处理软件的实时通信，软件具有运行稳定、 操作便捷、处理高效、便于维护等优点。 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 12 实时波形界面 Fig.12 Real-time wave interface b. 软件采用数据库与文件系统相结合的方式， 不仅仅提高了原始数据的存储效率，而且也方便了 与数据处理软件的通信。 c. 利用网络监听模块可以在井下监测分站恢 复后，实现系统自动重启，将恢复正常的监测分站 重新加入系统进行采集， 从而实现系统的无人值守。 参考文献 [1] 禹亮. 采煤工作面仿真系统研究[D]. 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