基于C#.NET的地震數據采集終端軟件設計和實現

劉 穎，庹先國,,，劉 勇,,

(1.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621010；2.四川理工學院自動化與電子信息學院，四川 自貢 643002；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

基于C#.NET的地震數據采集終端軟件設計和實現

劉 穎1，庹先國1,2,3，劉 勇1,2,3

(1.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽621010；2.四川理工學院自動化與電子信息學院，四川 自貢643002；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059)

針對大規模地震勘探過程中軟件系統實時響應和處理能力不足等問題，基于復雜環境多波地震數據采集系統，提出了一種搭載于Linux中心數據存儲服務器、面向Windows系統的輕量級地震數據采集控制系統終端軟件設計方案。通過數據存儲中心模式、多線程處理機制和對數據庫的操作，利用服務器完成各采集節點數據的收集、存儲等核心工作，憑借Windows系統終端軟件與服務器的交互，最終實現數據采集的遠程控制、數據快速回放、分析處理等功能，構建了統一、高品質、實用性好的地震勘探數據管理平臺和軟件集成平臺。測試結果表明，該軟件能夠長時間穩定運行,數據傳輸延時短，對硬件環境沒有特殊的要求，并且具有良好的適應性、穩定性及擴展性,可以滿足分布式多道地震勘探需求。

地震； 數據采集； 軟件設計； 數據存儲； 遠程控制； 實時處理； 通信協議

0 引言

地震勘探是查明地下地質構造的有效的方法之一，在油氣藏勘探中應用極其廣泛。目前在工程領域中，為了提高分辨率，勘探設備節點的分布越來越密集，采集數據量不斷增長，這就要求軟件系統能對大量數據進行高效、高質量處理[1]。如何實現對采集數據的實時監控和處理，一直是地震軟件技術研究的重要課題[2]。

為實現地震勘探設備的遠程控制和地震數據處理效率的提升，本文在成功自主研制分布式地震數據采集硬件系統的基礎上，提出了中心服務器數據存儲方案和終端軟件設計方案。該方案利用數據庫技術實現數據的集中管理，結合多線程并行處理技術實現數據實時動態顯示，終端軟件通過與服務器交互實現遠程控制，從而為整個地震勘探系統提供有效的操作平臺。

1 總體方案設計

1.1采集控制系統組成

采集控制系統由采集網絡、中央服務器和終端軟件三種主體成分構成，相互間均采用網絡電纜連接，系統架構如圖1所示。

圖1 采集控制系統架構圖

終端軟件是用戶主控制臺，它通過操作指令與中央服務器進行交互。中央服務器是“實際工作”模塊。服務器等待控制中心的連接，接收上位機軟件發送的命令并轉發到各采集站，同時利用各節點上的文件服務器完成采集站數據文件的收集。因此，服務器也能充當客戶端的角色。采集網絡中眾多采集節點接收其他主機的連接請求，然后根據指令執行控制操作，將檢波器上的傳感器數據整合成為固定格式文件。

1.2軟件功能設計

終端軟件主要實現對地震數據的采集控制，快速可視化以及相關處理操作。軟件運行時，可根據采集網絡的拓撲信息在軟件界面選擇多個采集節點，并進行采集參數配置，包含采樣方式選擇、采樣間隔和采樣長度的設置，以完成采集控制操作。終端軟件收集從服務器傳來的數據信息，并完成對數據的加工處理，再以圖像形式展示。

2 軟件的開發和實現

終端軟件以VisualStudio2015作為軟件開發工具，基于C#.NET平臺開發，服務器在安裝有debian系統的工控機上運行。

2.1數據存儲中心模式設計

在地震數據勘探過程中，文件數據傳輸是系統主要的功能。終端軟件發起對數據倉庫的操作，然后對數據進行分析和處理。

采集過程涵蓋有指令、狀態、信息傳輸和文件傳輸[3]，分別對應通信長鏈路和文件傳輸鏈路。服務器服務模型如圖2所示。

圖2 服務器服務模型

信號采集時，終端軟件首先創建TcpClient對象，請求連接到服務器的IP地址和端口，中央服務器的Netty服務框架在3333端口提供通信服務。終端軟件按協議封裝帶有參數設置信息和采集控制指令的字符串，通過BeginWrite方法發送至服務器；中央服務器收到數據后進行解析提取關鍵信息，通過Netty服務框架下的ChannelHandlerAdapter向采集節點發起通信長鏈接請求，然后轉發給采集站。采集站收到指令后，按照指令對應的方式采集數據，同時通過原鏈接返回狀態信息至服務器，并告知服務器準備收集數據文件。服務器對收集到的采集網絡信息進行整理更新，并向采集站發起文件傳輸請求，從各節站獲取數據文件[4]。采集站在21端口號上提供Ftp服務。而憑借中央服務器Tomcat容器提供Jfinal Java Web服務，終端軟件可以在任何時候通過訪問服務器獲得采集網絡狀態信息和數據文件。

json協議格式如表1所示。

表1 json協議格式

表1中，中心服務器返回的協議格式結構中在“cmd”和“data”加入了“status”字段，用于記錄“true”或“false”標志。

根據數據形成的不同階段，將數據分為原始數據、數據庫數據、留存數據。地震數據傳輸模型[5]如圖3所示。在整個模型中，數據庫的CURD操作都由數據服務器完成。

圖3 地震數據傳輸模型圖

原始數據采用簡單的地震數據記錄格式，每個文件僅含有128B的文件描述塊，以及由1個三分量檢波器采集到的3道數據。服務器獲取原始數據時，首先通過預處理提升地震數據信號拾取的完整性和準確性，然后提取道頭中的信息生成數據庫管理數據，再將數據存儲在文件系統中[6]。終端軟件在需要獲取數據時，向服務器發送獲取文件索引指令，服務器在數據庫中搜索。如果存在索引，即直接根據搜索到的索引信息通知終端軟件；如果未找到索引，則需先由服務器嘗試從相應采集節點獲取原始數據[7]，再由終端軟件利用http服務訪問服務器上存儲的對應采集站地址的數據，加工處理形成標準格式的成果數據。

2.2多線程處理機制

上位機與服務器的操作指令和數據文件的傳輸過程中，使用線程來執行耗時較長的I/O操作效率并不高，因此在需要處理大量數據時，使用異步操作比使用線程+同步I/O操作更合適[8]。終端軟件和服務器連通后，終端軟件將封裝好的json協議字符串轉成規定格式的報文，通過NetworkStream的BeginWrite方法將指令發送到服務器上，開啟1個數據寫線程和1個異步線程AsyncCallback(sendCallback)，等待接收服務器的返回信息。一旦檢測到服務器有消息傳回，程序就會自動執行回調函數sendCallback。在sendCallback中，采用EndWrite方法結束數據寫線程，然后用BeginRead方法開啟1個數據讀線程和1個異步線程AsyncCallback(receiveCallback)。該線程開始讀取服務器返回信息，同時執行receiveCallback方法，對報文格式進行解析，再根據需要進行顯示或處理。被開啟線程不能一直處于等待狀態，超過一定時間的線程應自動釋放。通過線程控制類的Monitor方法可以快速通知等待隊列中鎖定對象狀態的更改情況，保證軟件的性能不受影響。

2.3地震數據的歸一化回放

地震數據以文件的形式被保存之后，需要以直觀的形式進行顯示。系統采取歸一化回放方式[9]，以整體歸一化和各道歸一化2種形式顯示，能以縮放形式改變增益和幅度。電壓幅值表示每道數據中單位長度所代表的電壓差距值。

每個記錄點數對應的電壓值為：

(1)

式中：N為采集站ADC的位數；UR為參考電壓；D為單道記錄數據段中每個32位定點數表示的無符號整形數值。

增益為：

(2)

式中：Umax為單道記錄中最大絕對值電壓。

當各道歸一化顯示時，每一道的波形都有各自不同的增益。整體歸一化時，需要先提取各道中的最小增益值，然后按此增益數字顯示每道數據。此時，相對電壓值為：

(3)

增益縮放時，改變后的增益為：

(4)

式中：n的絕對值為縮放次數，正數表示放大，負數表示縮小。

使用ZedGraph5.1圖形控件繪圖，將歸一化后的數據點添加至PointPairList數據集。每道數據共繪制3條curveList曲線：1條用于完整線條的平滑顯示，其上附帶有顯示增益和幅度的標簽，另外2條通過Fill填充函數和isVisible屬性控制左右填充的切換，以直觀地展示電壓正負值間的差別。利用坐標適應方法AxisChange() 與更新方法Refresh()，可在圖形面板上快速、流暢地顯示數據變動的情況。

2.4地震波形數據實時監控

實時監控流程包含采集控制的多項工作，具體如圖4所示。終端軟件以s為單位向服務器發送數據請求，而服務器搜索到此時刻采集到的地震數據文件，終端軟件訪問此文件并實現波形顯示[10]。

圖4 實時監控流程圖

3 系統測試

對于某野外地震勘探環境現場，在采集網絡中布設90個有線采集站，連續采集地震數據，采樣率為4kHz。終端軟件每隔2s根據當前時刻傳回的數據進行一次刷新顯示，共耗時2h。在測試過程中，終端軟件能夠正常、穩定工作，未出現異常，能很好地完成整個采集的控制和協調管理工作。根據地震數據文件中記錄的節點采集結束時間戳，對終端軟件波形顯示完成時刻和文件中采集結束時刻的差距進行統計。某采集站的數據采集時延記錄曲線如圖5所示。其中，最大時延為102ms，平均時延為81.6ms，通信速率穩定，數據吞吐率最高約為4.5Mb/s。運行終端軟件的便攜式計算機的CPU為Intel(R)Core(TM)i5系列，軟件運行時，CPU占用率在25%附近波動，性能表現良好,能滿足地震數據實時監測的需求。

圖5 數據采集時延記錄曲線

4 結束語

分布式地震勘探中采集節點眾多，并發傳輸數據量大，對軟件系統的實時并行處理能力提出了較高的要求。本文對基于C#.NET的輕量級地震數據采集終端軟件系統進行了設計和實現。利用數據倉庫存儲中心模式、數據傳輸技術，實現了數據的集中存儲與傳輸，并通過多線程并行處理技術和ZedGraph5.1繪圖控件，實現了大規模地震勘探中遠程控制以及數據的快速回放。經過功能測試和性能測試，軟件性能表現良好，其處理效率和實時性均能滿足應用需求。

[1] 陸基孟.地震勘探原理[M].東營:石油大學出版社，2001：1-4.

[2] 周杰,宋克柱,曹平,等.高精度地震采集系統中的主控軟件設計[J].計算機工程，2010(4)：229-232.

[3] 謝俊宇.陸用地震勘探系統中央工作站軟件系統的研制[D].南京：南京理工大學,2016.

[4] 李旭,童喬凌.高分辨率無線分布式淺層地震儀的設計[J].自動化儀表,2016,37(4):88-92.

[5]HUANGZ,MOHAMMEDE.Applicationofdatabasetechnologyinthesoftwareofseismicdataacquisition[J].BritishJournalofAppliedScience&Technology,2015,7(1):31-36.

[6]RINGLERAT,HAGERTYMT,HOLLANDJ,etal.Thedataqualityanalyzer:Aqualitycontrolprogramforseismicdata[J].Computers&Geosciences,2015(3):96-111.

[7] 趙利慶.JavaWeb架構中數據庫優化模式的研究與實現[D].北京：北京郵電大學,2015.

[8] 王立峰.實時數據庫數據采集處理系統的設計與實現[D].西安：西安工業大學,2012.

[9] 杜赫然.基于ARM的集中式地震儀主控系統研發[D].長春：吉林大學,2016.

[10]張曉普，林君，楊泓淵，等.基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統[J].自動化儀表,2016,37(2):49-53.

DesignandImplementationofTerminalSoftwarefor Seismic DataAcquisitionBasedonC#.NET

LIU Ying1,TUO Xianguo1,2,3,LIU Yong1,2,3

(1.Key Discipline Laboratory for National Defence on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology,Mianyang621010,China;2.School of Automation and Electronic Information,Sichuan University of Science & Engineering,Zigong643002,China；3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China)

In view of the insufficient capability of the software system for real-time response and handling in exploration process of large scale seismic,on the basis of the complex environmental multi-wave seismic data acquisition system,and based on Linux center data storage server,the Windows-oriented design strategy for the terminal software of lightweight seismic data acquisition control system is proposed.By virtue of the data storage center mode,multi-thread mechanism,and the operation of database,the core works such as data collection and storage of each node are completed by using the server,with help of the interaction of Windows system terminal software and server,the functions of data acquisition,including remote control,data fast playback,analysis and processing are realized; a unified,high-quality,practical seismic exploration data management platform and software integration platform are constructed.The test results indicate that the software is sustainable stable,with short data transmission delay; no special hardware is requested,and features excellent adaptability,stability and expansibility.The requirement of distributed multi-channel seismic exploration can be well satisfied.

Earthquake; Data acquisition; Software design; Data storage; Remote control; Real-time processing; Communication protocol

TH76;TP311

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710018

修改稿收到日期:2017-04-24

國家重大科研儀器設備研制專項基金資助項目(41227802)、國家自然科學基金青年科學基金資助項目(41604088)、國家自然科學基金應急管理資助項目(41641041)

劉穎(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事計算機應用方向的研究。E-mailliuyingmvp@qq.com。

庹先國(通信作者)，男，博士，教授，主要從事地球物理勘探方法、電子學儀器的研制和相關技術的研究工作。

E-mail:tuoxg@swust.edu.cn。