隨采地震監測數據采集控制軟件開發

段建華，王云宏，王保利

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隨采地震監測數據采集控制軟件開發

段建華，王云宏，王保利

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨采地震能夠對工作面前方地質異常體進行連續探測和實時預報，成為近幾年的研究熱點，但是目前還沒有能夠在煤礦井下開展隨采地震長期連續監測的裝備及配套軟件。為了解決這個問題，基于Microsoft Foundation Classes (MFC)開發框架，開發了一套隨采地震監測數據采集軟件，在室內、野外進行了為期3個月的聯調測試，并且在貴州巖腳煤礦與井下隨采地震監測設備開展了為期3個月的全面試運行。測試表明，軟件實現了隨采地震信號的高效采集、完全存儲和處理軟件的實時通信功能，具有運行穩定、操作便捷、處理高效、便于維護、無人值守等優點。

隨采地震監測；數據采集；軟件設計

我國的煤礦以井下開采為主，與國外相比，我國煤炭行業的信息化水平較低，礦山空間信息仍然以圖表和文字作為主要的存儲介質，信息基礎設施未能跟上時代變化的腳步，使得煤礦企業的競爭力受到嚴重的制約[1]。煤礦井下危險具有多變性、隱蔽性，導致安全問題成為威脅煤礦工人生命的核心問題[2]。而采掘工作面更是礦井水害、頂板、火災以及瓦斯等多種災害事故的多發區，同時也是工作人員聚集區，因此，也是導致重大生命財產損失的高危區域[3-7]。隨采地震勘探[8]是利用采掘活動激發的震動作為震源，探測工作面內部或者掘進面前方一定區域內地質構造的一種地震勘探技術，可以擺脫放炮的安全隱患及對正常采掘生產的影響,實現了采掘的同時進行超前探測[9-11]。隨采地震所用震源信號是連續、非可控的，只有進行連續、長期監測，記錄遠場信號，將其與遠場信號作互相關，得到清晰的相關峰值，才能將其轉化為脈沖子波，代替炸藥震源進行地震勘探[12]。

因此，研制隨采地震監測裝備及控制軟件成為當務之急。本文針對隨采地震監測裝備的特點，充分分析其觀測系統和監測數據的特點，利用數據庫和文件系統的優點，設計了軟件的數據結構；考慮處理軟件的特點，設計了與處理軟件之間的接口；最后基于Microsoft Foundation Classes(簡稱MFC)開發框架，開發了數據采集軟件，聯合測試成功后，并在貴州巖腳煤礦進行了3個月的野外采集工作。

1 隨采地震觀測系統及其特點

為了能夠獲得工作面內部煤層劇烈變化情況、斷層和陷落柱位置與規模以及應力集中區等信息，目前的隨采地震觀測系統采用復雜部署模式。如圖1所示，采用H形布局，共72道，其中孔中部署24道，分4個深孔，每個鉆孔內部署6道，由一個孔中多級檢波器串承擔；其余的48道部署于工作面兩側巷道的錨桿上，圖1中綠色圓點為巷道檢波器。

圖1 隨采地震監測觀測系統示意圖

數據采集分站為6通道，整個觀測系統共需12臺分站，數據處理時主要使用煤層中的槽波，而槽波的頻率較高，可以達到500 Hz，為了采集高質量的數據，采樣間隔為250 μs，這就對數據采集系統提出了新的要求，不僅僅數據道數多，采樣率較高，而且是長期連續實時監測。

觀測系統隨著工作面的推進而移動，當工作面推進到檢波器測點附近時，要依次將檢波器拆卸，避免被埋入采空區中，當工作面推進到距離圖2中黃色深孔檢波器10~20 m時，要將全部的黃色測點移動到藍色測點位置，以此類推直到工作面回采結束。

2 隨采地震監測數據采集軟件設計

2.1 軟件架構設計

針對分站多、數據量大、觀測系統多變化、實時性要求高以及需要與數據處理分析軟件進行通信的特點，采集軟件利用多線程技術分別進行數據采集和存儲，軟件框架設計見圖3。

圖2 隨采地震監測觀測系統滾動示意圖

圖3 軟件框架設計

2.2 軟件數據結構設計

采集軟件中的數據可以分為兩類，一類為數據量不大，變化周期較長的數據，比如：監測分站信息、觀測系統信息等；另一類為數據量較大，而且變化周期很短的數據，比如：監測數據。根據數據特點，采集軟件采用數據庫與文件系統相結合的方式保存數據，以提高數據存儲效率。監測數據采用文件系統保存，其他數據采用數據庫方式保存。

a.數據庫設計

數據庫主要保存測區信息、采樣率、每個文件的采樣時長、采集分站信息、傳感器信息、觀測系統以及監測數據的保存路徑等信息，其E-R模型見圖4。

b.文件結構設計

監測數據的輔助信息，如采樣率、觀測系統、道數等信息全部保存在數據庫中的監測數據表datafile_info中，按照采樣順序將每道數據作為一塊寫入文件，塊的順序與道號一致，樣點值采用有符號的浮點型數據類型保存，詳見圖5。文件名為第一個樣點的采樣時間，格式為：YYYY-MM-DD_HH_ MM-SS，不足兩位數的補零。

圖4 數據庫E-R模型

圖5 監測數據文件結構

2.3 軟件交互接口設計

本軟件需要分別與井下采集分站和隨采地震數據處理軟件進行交互，主要涉及到兩個接口。

a.與采集分站接口

為了便于和井下采集分站通信，采用UDP與TCP協議相結合的通信模式，采集軟件的查詢指令通過UDP協議與采集分站通信，通知指令和數據傳輸則采用TCP協議傳輸，其通信流程見圖6。

b. 與數據處理軟件接口

為了提高數據存儲效率，采集軟件采用數據庫與文件系統相結合的方式存儲監測數據，大量的監測數據保存在文件中，但是文件的相關信息，如：道數、采集時間、采樣率、觀測系統等信息保存在數據庫表datafile_info，與數據處理軟件的通信也通過數據庫來完成，數據記錄表中專門設計一個字段為數據狀態標志，數據采集時狀態為0，采集結束后為1，數據處理軟件不斷查詢該表中數據狀態標志為1的記錄，一旦有這樣的記錄，則根據數據庫中的信息讀取監測數據進行處理，處理結束后將該標志改為2，具體處理流程見圖7。

3 隨采地震監測數據采集軟件實現

3.1 開發環境

軟件基于 Visual Studio 的微軟基礎庫類(micro-soft foundation classes，MFC)開發框架，采用 C++語言編寫，充分利用其圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)，大大提高軟件的開發效率。在功能開發方面，為了滿足隨采地震監測的需要，提供數據采集和數據保存功能，采用菜單欄和對話框方式來實現軟件與用戶之間的人機交互。在整個應用框架的基礎上進行功能性、界面性的填充。將軟件開發分成若干部分，有效地提高軟件研發效率和可讀性，同時也便于后期維護升級。

圖6 與采集分站通信流程圖

圖7 與處理軟件通信流程圖

3.2 軟件的實現

為了提高軟件的運行效率，將軟件操作界面、數據采集、保存和整理以及設備狀態監測與恢復功能分別由單獨的線程來完成。

a.數據庫實現

數據庫中最主要的兩張表為傳感器信息表和監測數據表，傳感器信息表為觀測系統表的基礎，而且隨著工作面的回采傳感器移動后，傳感器的位置信息就會發生變化，觀測系統隨之變化；監測數據表是數據采集軟件與處理軟件通信的基礎，表中需要包含大數據文件路徑、觀測系統、采樣率、采樣時間和時長等重要信息，具體見表1和表2。

表1 傳感器信息表(detector_info)

傳感器信息表中(表1)以Station_ID、Channel和Modify_Time為聯合主鍵，這樣表中可以把同一個傳感器在不同時間的坐標都保存起來，隨時可以獲取任何時間段的觀測系統。

表2 監測數據表(datafile_info)

監測數據表中(表2)由File_Index為主鍵，該值為根據時間自動生成一個與時間有關的數，確保唯一性，同時將大數據文件的相關數據信息全部存入該表中，以方便數據處理軟件隨時查詢。

b.軟件操作界面

隨采地震監測軟件屬于監測類軟件，具有自動化程度高、人工干預少等特點，因此，需要用戶的操作很少，主要是一些參數設置和監測分站運行狀態的顯示：系統中監測分站的數量、每臺分站的傳感器數量及其工作狀態。

傳感器參數設置功能主要包括傳感器的安裝位置及其坐標、所屬監測分站號、通道號、測點號等信息的增加、刪除和修改，由修改傳感器的時間為主鍵，即可獲得該時刻的觀測系統。

c.數據采集功能

數據采集功能主要包括數據采集軟件與監測分站之間的通信、監測分站狀態查詢與控制、數據采集等。為了達到隨時能夠與監測分站通信的目的，與監測分站的通信通過UDP和TCP協議兩種方式來實現，其中監測分站的信息和狀態查詢由UDP協議實現，指令的發送、參數設置和數據采集通過TCP協議實現。TCP協議中采集軟件為服務器端，監測分站為客戶端，服務器端采用完成端口技術來接收多個監測分站上傳的數據，為了便于數據保存，每個通道的數據分別存放在獨立的緩存區中，緩存區采用循環數組的設計，當數據寫入緩存區中后，循環數組的數據采集下標iColDataIndex+1，數據采集詳細流程見圖8。

圖8 數據采集流程

d.數據保存

為了提高數據存儲的效率，將數據存儲分為數據保存和整理兩個步驟，分別由兩個線程執行。數據保存線程監測緩存區中數據采集下標iColData-Index與已保存數據下標iSaveDataIndex之差，當該差值達到預設值時，從數據緩存區中讀取數據并保存成數據文件(采用異步模式將每道單獨存儲為一個文件)。數據保存完成后，循環數組的已保存數據下標iSaveDataIndex+1，其數據保存詳細流程見圖9。

圖9 數據保存流程

e.數據整理

為方便數據處理需要把同一時段的各道檢波器的數據保存為一個文件，當由于檢波器或者采集分站故障導致數據缺失時做填零處理。因而增加一個專門進行數據整理的子模塊，由一個單獨的線程來處理，其數據整理詳細流程見圖10。

圖10 數據整理流程

f. 系統自恢復

井下的供電系統或者網絡經常檢修或者故障，導致隨采地震監測設備出現故障，當故障解決后，系統應該能夠自動恢復，但是該系統是由多個監測分站組成的，分站之間需要不斷進行時間同步，當一臺分站出現故障后，該分站停止采集，其他分站仍然正常采集，當該分站故障解決后，要想恢復采集，必須要把系統中所有的分站進行重啟。圖11所示流程，就是用來檢測網絡是否出現故障，如果出現故障，則一直檢測，直到故障修復，然后重新啟動系統。

圖 11 系統自恢復流程

4 隨采地震監測數據采集軟件聯調與測試

4.1 運行環境

數據采集軟對運行環境的要求如下：

操作系統：windows7及其以上；CPU：2.5 GHz，4核；內存：8 GB；硬盤：500 GB。

4.2 聯調與測試

該軟件與井下監測分站以及數據處理系統在實驗室進行為期1個月的聯調測試，聯調過程中對采集軟件與監測分站和數據處理軟件的接口進行了修改和完善，并在野外進行了為期2個月的穩定運行后，各項性能指標都達到了設計要求，軟件實時波形界面見圖12所示。最后在貴州巖腳煤礦進行為期3個月全面試運行，無論是采集數據還是與數據處理軟件的通信都正常工作。

5 結論

a.整個軟件的設計契合了隨采地震監測系統的特點，實現了隨采地震信號的高效采集、完全存儲和與處理軟件的實時通信，軟件具有運行穩定、操作便捷、處理高效、便于維護等優點。

圖12 實時波形界面

b.軟件采用數據庫與文件系統相結合的方式，不僅僅提高了原始數據的存儲效率，而且也方便了與數據處理軟件的通信。

c. 利用網絡監聽模塊可以在井下監測分站恢復后，實現系統自動重啟，將恢復正常的監測分站重新加入系統進行采集，從而實現系統的無人值守。

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Development of data acquisition and control software for seismic monitoring with mining

DUAN Jianhua, WANG Yunhong, WANG Baoli

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Seismic monitoring with mining can continuously detect and real-time predict geological anomalies in front of work,it has become a research hotspot in recent years, but at present, there is no equipment that can carry out seismic monitoring with mining in coal mine.Therefore, the development of seismic monitoring equipment with mining has become a top priority. In order to solve this problem, based on the MFC development framework, a set of seismic monitoring data acquisition software is developed. A three-month joint survey was carried out indoors and outdoors, and a three-month comprehensive trial operation was carried out in Yanjiao Coal Mine and underground seismic monitoring equipment. Tests show that the software has realized the functions of efficient acquisition, complete storage and real-time communication with the processing software. It has the advantages of stable operation, convenient operation, efficient processing, easy maintenance and unattended.

seismic monitoring with mining;data acquisition;software design

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD02)；Science and Technology Innovation Fund of CCTEG(2017MS007)

段建華，1979年生，男，山西五臺人，副研究員，博士，從事煤礦檢測監控系統研發工作. E-mail：duanjianhua@cctegxian.com

段建華，王云宏，王保利. 隨采地震監測數據采集控制軟件開發[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：35–40.

DUAN Jianhua，WANG Yunhong，WANG Baoli. Development of data acquisition and control software for seismic monitoring with mining[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：35–40.

1001-1986(2019)03-0035-06

P631；TD166

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.007

2019-01-13

國家重點研發計劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項項目([2018]3003-1)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金重點項目(2018XAYZD02)；中煤科工集團科技創新基金項目(2017MS007)

(責任編輯 聶愛蘭)