基于北斗的無纜存儲式地震儀遠程質量監控系統

楊泓淵，趙玉江，林 君，張懷柱，張曉普

（1.吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春130061；2.吉林大學 國家地球物理探測儀器工程技術研究中心，長春130061）

0 引 言

有纜地震儀是當前國內外地震勘探作業中應用的主流儀器，然而隨著油氣資源勘探對地震采集道數需求的增加，大量的線纜使得其野外排列布線困難，人力成本較高，逐漸難以滿足高密度、大道距和復雜地形地震勘探的需求［1－2］。無纜存儲式地震儀摒棄了沉重的數據傳輸線纜，在野外布設時具有成本低、效率高和靈活性強的特點［3－4］。無纜存儲式地震儀采用獨立存儲式結構，集數據采集和存儲為一體，采用野外連續記錄工作模式，單個采集單元（又稱作地震采集站或采集站）采集到的地震數據并不現場傳回控制中心，而是就地存儲在采集站內部自帶的存儲器中，在完成野外施工后，將所有的地震采集站集中在一起，通過有線或無線傳輸方式回收全部地震數據，此類儀器在布設時不受道距與地形環境的影響，因此比較適合當前深部資源勘探的需求，其典型代表有法國Sercel公司推出的UNITE 數據采集系統［5－7］。該系統在地震數據采集過程中，可通過專用手持終端或車載通訊單元監測通視條件下1 km 范圍內采集單元的運行狀態，距離超出1km或者在障礙物遮擋的情況下則無法監測到，因此不能同時監測全部采集站的工作質量，提供不了實時的監控手段，從而只能在復雜地形環境下作為對有纜地震數據采集系統428XL 的補充使用。在國內，東方地球物理公司和美國ION 合資成立的INOVA 公司推出一種獨立節點式地震數據采集系統HAWK［8］，每個節點采集系統內置有GPS模塊和自存儲裝置，能夠實現數據的同步采集與存儲，但是同樣缺乏一種有效的遠程實時監控方法，導致其施工效率較低，數據采集質量難以保證。綜上所述，遠程質量監控問題已成為制約無纜存儲式地震儀發展和應用的瓶頸，而國內外尚無有效的解決方案。

為了實現無纜存儲式地震儀真正交互式的地震勘探功能，滿足各種復雜野外環境的工作需求，提高無纜存儲式地震儀野外勘探作業的工作效率和靈活性，增強采集數據質量的可靠性，本文提出基于北斗衛星通信技術進行無纜存儲式地震儀遠程質量監控的解決方案，通過設計開發主控中心上位機遠程數據監控管理軟件和完成地震儀中通信單元的硬件及軟件設計，為無纜存儲式地震儀提供有效的遠程質量監控手段及方法。

1 監控系統總體設計

1.1 遠程監控需求分析

通過對當前無纜存儲式地震儀器在野外勘探應用時現場質量監控需求的分析，并結合北斗短報文通信技術的特點，對無纜存儲式地震儀的遠程監控內容提出了如下的要求：

（1）具有遠程控制休眠、喚醒地震儀功能。地震儀在放炮之前喚醒，在停止施工期間休眠，地震儀可有選擇地進行采集工作，這樣大大節省了數據存儲空間，降低了采集系統的功耗，延長了儀器的待機時間。

（2）可查詢如CF卡的剩余空間，內置電池電量，位置經緯度，采集站狀態等信息。對剩余空間、電池電量不足、采集站狀態錯誤且不能遠程修復的采集站及時安排工作人員更換，提高野外勘探作業的工作效率和靈活性，增強采集系統數據的可靠性。對讀取回來的地震儀經緯度信息在上位機端進一步處理，可用于研發地震儀排列位置監測及遠程防盜系統，保障野外勘探儀器的安全性。

（3）遠程控制地震儀自檢功能，并能回收自檢數據。地震儀系統自檢內容包括檢波器內阻、噪聲、隔離度測試等，一次完整的自檢過程通常需要2～5min，因此無纜存儲式地震數據采集系統一般只在開機時自檢一次，之后則無自檢過程，因此采集站的部分工作狀態，如檢波器連接狀態等僅僅反映了系統開機時的狀態，不能作為現場質量監控的標準。法國UNITE系統由于沒有遠程監控功能，在自存儲模式下通常是定時自檢，自檢時間為5min，在系統自檢期間，地震儀停止其他一切工作，這樣就減弱了地震儀野外勘探作業工作的靈活性。

（4）有一定的遠程修復及設置功能。如配置系統采樣率、增益、系統復位等，出工前對地震儀的工作參數進行統一配置，布設到野外后，根據自檢結果對有問題的地震儀進行參數設置和系統復位等操作，遠程修復和解決問題，節省人力物力，提高無纜地震儀智能化控制程度。

1.2 無線通信技術的選擇

目前成熟的無線通信技術較多，如Wi－Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G 等，這些通信技術被廣泛應用到生活及工業生產中，北斗短報文是近幾年才發展起來的一種遠距離通信技術，表1列出了應用以上幾種通信技術典型模塊的最大數據傳輸速率、傳輸距離、通信頻帶的參數值［9］。

表1 無線通信模塊性能指標Table 1 Wireless communication module performance metrics

下面對其中幾種無線通信技術在無纜地震儀器遠程監控中的應用做進一步分析。

1.2.1 Wi－Fi

Wi－Fi是IEEE802.11系列標準的統稱，其傳輸速率快、安全性高，可集成到已有的寬帶網絡中，配合路由器組建有線、無線混合網絡快捷方便。地震勘探儀器中Wi－Fi常用的組網模式有AP（無線訪問接入點）模式和Ad Hoc（點對點）模式，在野外可以用架設AP 基站的方式來拓撲無線局域網絡的覆蓋面積［3］，而AP 之間可以通過網橋設備連接，從而完成更大面積的網絡覆蓋范圍。然而，在實際勘探應用中AP 基站和網橋設備架設困難，尤其應用于大道距的二維或者三維勘探工作中，需要更多的基站與網橋，影響施工進度。Ad Hoc是一種無中心、自組織、多跳移動通信網絡，節點間通過分層的網絡協議和分布式算法相互協調，實現了網絡的自動組織和數據的相互交換。這種模式下地震儀可將其采集數據及工作狀態信息接力式地傳輸回控制中心，美國Wireless Seismic公司的RT2無線遙測系統就是應用了這種多跳的數據傳輸方式，兩個節點間通信距離的范圍約為25～70m，然而這種工作模式會導致越靠近中央記錄系統的節點積累的數據量越大，且在線性的網絡拓撲結構中，數據傳輸的穩定性受通信距離和地形環境影響較大，數據通信的質量和速率難以得到有效的保證。

1.2.2 GPRS、3G 移動網絡通信技術

移動網絡通信技術已經成為人們工作生活中不可或缺的重要組成部分。該技術具有抗干擾能力強、傳輸速率高、網絡覆蓋面廣、接入時間短、建設成本低等特點［10］，在地震勘探中可被應用于移動網絡信號覆蓋范圍內的地震臺網遠程監控，它提高了遠程儀器維護的工作效率［11］。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探測作業中，由于其基站的信號覆蓋范圍有限，對于遠程監控地震采集站工作存在一定的局限性。

1.2.3 北斗短報文通信技術

北斗衛星作為北斗通信技術的中繼，轉發來自地面用戶端的定位及通信請求，地面中心站控制端接收到請求后解析消息，然后將解算出的位置信息傳回用戶端或將接收到的接收信息通過北斗衛星轉發至另一地面用戶端，達到衛星定位及通信的目的。北斗短報文通信技術在應用時具有信號覆蓋范圍廣、安全、可靠性高和控制簡單等特點，用戶一次最大可以傳送120個漢字的報文信息，而民用信息發送的頻度通常為30～60s，接收信息則沒有頻度的要求，對于地震儀基本的控制命令收發及狀態信息的傳送，北斗短報文通信技術可以滿足無纜地震儀基本狀態監控數據傳送的要求。

1.3 系統結構設計

基于北斗的無纜存儲式地震儀遠程監控系統工作示意圖如圖1所示，系統由主控中心、北斗衛星、采集單元三部分組成，主控中心通過北斗指揮機完成對采集單元遠程的控制及狀態數據的回收工作，并對接收到的數據進行管理和存儲。采集單元完成地震數據采集的同時，通過北斗通信模塊可接收來自主控中心端的控制命令，并反饋執行結果信息。北斗衛星是控制命令及反饋信息傳遞的媒介。

圖1 基于北斗的無纜地震儀遠程監控系統工作示意圖Fig.1 Structure diagram of remote monitoring system of cable－less storage seismograph based on Beidou

2 采集站單元設計

2.1 硬件設計

圖2為采集單元硬件原理框圖，地震檢波器將地面振動信號轉化為模擬電信號傳輸到FPGA數據采集單元，由FPGA 完成數據的采集、緩存，并提供必要的測試、控制功能。AT91RM9200作為中央處理器，讀取FPGA 中存儲的數據，并轉存到CF 存儲卡中；通過SPI接口與Wi－Fi模塊連接，實現近距離的無線數據傳輸功能；通過UART 與GPS、北斗模塊連接，為采集站提供高精度的授時、定位、遠程通信功能，完成數據同步采集、位置信息獲取、工作質量遠程監控。采集站也可通過以太網接口與電腦終端連接，完成數據的回收及參數設置、檢查工作。采集站在野外應用時采用太陽能和內置鋰電池兩種供電模式，電源智能管理系統會根據采集站當前工作的天氣條件轉換供電模式，保證儀器可靠、穩定工作［12］。

圖2 無纜采集單元硬件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of hardware for cable－less seismograph unit

2.2 軟件設計

采集單元的主控制器ARM9 運行嵌入式Linux內核版本為2.6.31的操作系統，北斗通信進程完成對北斗模塊接收信息的解析與執行，以及執行結果的反饋，流程如圖3所示。

圖3 北斗通信進程程序流程圖Fig.3 Flowchart of Beidou communication

北斗短報文通信系統包括指揮機和用戶機，指揮機是北斗短報文通信系統的中央控制器，它相當于一個服務器，負責接收來自多個用戶機的報文，并可以控制多臺用戶機來完成相應的指令。用戶機是北斗短報文通信系統的子節點，相當于一個客戶端，負責將節點工作信息上傳到指揮機，和接收來自指揮機的命令。北斗用戶機在接收到指揮機傳來的信息時，用戶機會通過UART 將信息內容上傳給下位機系統，下位機會根據其數據傳輸的格式將信息進行解析，并根據信息包含的指令內容來執行相應的任務。其數據傳輸的基本格式如下：

指令內容 長度 用戶地址 信息內容 校驗和

指令內容傳輸時以十六進制的ASCⅡ碼表示，長度為從“指令內容”開始到“校驗和”為止的總字節數，用戶地址為與下位機相連的用戶機ID號，信息內容用二進制源碼表示，內容的第一個字節是電文種類的標志信息（漢字／普通代碼／混發），校驗和是整個通信內容按字節異或的結果。

北斗用戶機在收到采集站下位機傳來的執行結果信息時，首先會解析其指令內容，判斷是否為通信申請命令，若是，再判斷服務頻度，服務頻度到則正常執行，否則將該命令放到消息隊列中，等服務頻度到后再重新發送。執行成功后用戶機會上傳給下位機一個“發送成功”的反饋信息。

3 上位機服務器軟件設計及測試

如圖4所示，主控中心由上位機、打印機、存儲器、發電設備、北斗指揮機組成。上位機與北斗指揮機完成命令的選擇與打包發送，以及對采集站反饋信息的接收、顯示、存儲和打印處理。發電設備輸出220V 的交流電壓，為上位機及其外設供電。

圖4 主控中心結構組成框圖Fig.4 Structure diagram of control center

上位機遠程數據監控管理軟件選擇Microsoft Visual C＋＋6.0作為開發工具，完成了如圖5所示的遠程狀態監控數據管理軟件的設計，狀態監測區顯示工作中采集站的各項信息，其中包括：站號、站狀態、CF卡存儲空間、站電量、衛星定位情況、經緯度，增益、采樣率、檢波器狀態、程序版本信息。控制命令區完成監控命令的選擇及打包發送，其中包括：叫站、停止預熱、停止采集、開始采集、休眠、喚醒、通道測試，配置采樣率、增益、道數，及復位、關機命令。日志管理區記錄和存儲主控中心與采集站間的交互信息，便于操作人員對遠程控制系統的維護。

圖5 無纜地震儀遠程狀態監控數據管理軟件Fig.5 Remote monitoring software of cable－less seismograph

上位機服務器軟件通過對Google Earth API接口的調用，實現了對野外采集站排列位置的遠程監測，圖6為微動勘探實驗中按兩個嵌套式三角形方式排列的采集站傳回的GPS位置信息在Google Earth中的顯示。操作人員可根據地圖顯示軟件中采集站的排列位置了解施工進度，獲取采集站排列班報，完成布站人員調度等工作。

圖6 微動勘探實驗中采集站排列位置顯示Fig.6 Seismograph location in microvibration experiments

為了了解遠程監控系統的性能及數據傳輸丟包、誤碼情況，設計如下測試實驗：將7臺內置有北斗通信模塊的采集站接好檢波器放置在室外采集，由主控中心完成與各個采集站間的數據包收發，采用60s一次通訊頻度，數據包長度為200字節，從500個樣本數據中任選7個，分別用于7個站的通訊測試，主控中心將樣本數據依次發給各個子站，并重復500次，子站收到數據包后向主控中心返回相同的樣本數據。主控中心計算從開始發包到收包完成的時間間隔作為通信的延時，主控中心與采集站分別記錄通信時的丟包數，并根據與標準樣本數據對比的結果記錄錯包數。丟包數、誤碼數和平均延時測試結果如表2所示。

表2 數據傳輸質量測試Table 2 Quality test of data transmission

測試結果顯示，基于北斗的遠程質量監控系統整體控制情況良好，一次完整的通信過程平均延時在2s以內，由于受天氣、空間中的電磁干擾和周圍遮擋物等環境條件的影響，該系統在數據傳輸時存在一定的丟包及誤碼情況，在通信環境較好的情況下，通信失敗率在1%以內，可以應用北斗短報文通信的回執查詢功能判定出通信的成功與否，或通過補發的方式保證系統工作的穩定性。

4 結束語

本文在現有無纜存儲式地震數據采集系統中引入北斗衛星通信技術，實現了對野外排列中采集站運行過程、工作狀態及排列位置信息的遠程監控，且其監控范圍不受道距限制。通過遠程監測、修復采集站，合理調度施工人員，提高施工效率，可以節省人力、物力。通過遠程控制采集站休眠與喚醒，降低了系統功耗，節省了存儲空間。對采集站位置信息的監測可以了解施工信息和進度，獲取采集站排列班報。隨著國家對北斗衛星導航系統的大力發展，以及對民用北斗衛星通信頻度及帶寬限制的逐步放開，北斗遠程監控技術的引入將加快無纜地震儀器在資源勘探領域的推廣應用。

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