基于北斗的无缆存储式地震仪远程质量监控系统

杨泓渊，赵玉江，林 君，张怀柱，张晓普

（1.吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春130061；2.吉林大学 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，长春130061）

0 引 言

有缆地震仪是当前国内外地震勘探作业中应用的主流仪器，然而随着油气资源勘探对地震采集道数需求的增加，大量的线缆使得其野外排列布线困难，人力成本较高，逐渐难以满足高密度、大道距和复杂地形地震勘探的需求［1－2］。无缆存储式地震仪摒弃了沉重的数据传输线缆，在野外布设时具有成本低、效率高和灵活性强的特点［3－4］。无缆存储式地震仪采用独立存储式结构，集数据采集和存储为一体，采用野外连续记录工作模式，单个采集单元（又称作地震采集站或采集站）采集到的地震数据并不现场传回控制中心，而是就地存储在采集站内部自带的存储器中，在完成野外施工后，将所有的地震采集站集中在一起，通过有线或无线传输方式回收全部地震数据，此类仪器在布设时不受道距与地形环境的影响，因此比较适合当前深部资源勘探的需求，其典型代表有法国Sercel公司推出的UNITE 数据采集系统［5－7］。该系统在地震数据采集过程中，可通过专用手持终端或车载通讯单元监测通视条件下1 km 范围内采集单元的运行状态，距离超出1km或者在障碍物遮挡的情况下则无法监测到，因此不能同时监测全部采集站的工作质量，提供不了实时的监控手段，从而只能在复杂地形环境下作为对有缆地震数据采集系统428XL 的补充使用。在国内，东方地球物理公司和美国ION 合资成立的INOVA 公司推出一种独立节点式地震数据采集系统HAWK［8］，每个节点采集系统内置有GPS模块和自存储装置，能够实现数据的同步采集与存储，但是同样缺乏一种有效的远程实时监控方法，导致其施工效率较低，数据采集质量难以保证。综上所述，远程质量监控问题已成为制约无缆存储式地震仪发展和应用的瓶颈，而国内外尚无有效的解决方案。

为了实现无缆存储式地震仪真正交互式的地震勘探功能，满足各种复杂野外环境的工作需求，提高无缆存储式地震仪野外勘探作业的工作效率和灵活性，增强采集数据质量的可靠性，本文提出基于北斗卫星通信技术进行无缆存储式地震仪远程质量监控的解决方案，通过设计开发主控中心上位机远程数据监控管理软件和完成地震仪中通信单元的硬件及软件设计，为无缆存储式地震仪提供有效的远程质量监控手段及方法。

1 监控系统总体设计

1.1 远程监控需求分析

通过对当前无缆存储式地震仪器在野外勘探应用时现场质量监控需求的分析，并结合北斗短报文通信技术的特点，对无缆存储式地震仪的远程监控内容提出了如下的要求：

（1）具有远程控制休眠、唤醒地震仪功能。地震仪在放炮之前唤醒，在停止施工期间休眠，地震仪可有选择地进行采集工作，这样大大节省了数据存储空间，降低了采集系统的功耗，延长了仪器的待机时间。

（2）可查询如CF卡的剩余空间，内置电池电量，位置经纬度，采集站状态等信息。对剩余空间、电池电量不足、采集站状态错误且不能远程修复的采集站及时安排工作人员更换，提高野外勘探作业的工作效率和灵活性，增强采集系统数据的可靠性。对读取回来的地震仪经纬度信息在上位机端进一步处理，可用于研发地震仪排列位置监测及远程防盗系统，保障野外勘探仪器的安全性。

（3）远程控制地震仪自检功能，并能回收自检数据。地震仪系统自检内容包括检波器内阻、噪声、隔离度测试等，一次完整的自检过程通常需要2～5min，因此无缆存储式地震数据采集系统一般只在开机时自检一次，之后则无自检过程，因此采集站的部分工作状态，如检波器连接状态等仅仅反映了系统开机时的状态，不能作为现场质量监控的标准。法国UNITE系统由于没有远程监控功能，在自存储模式下通常是定时自检，自检时间为5min，在系统自检期间，地震仪停止其他一切工作，这样就减弱了地震仪野外勘探作业工作的灵活性。

（4）有一定的远程修复及设置功能。如配置系统采样率、增益、系统复位等，出工前对地震仪的工作参数进行统一配置，布设到野外后，根据自检结果对有问题的地震仪进行参数设置和系统复位等操作，远程修复和解决问题，节省人力物力，提高无缆地震仪智能化控制程度。

1.2 无线通信技术的选择

目前成熟的无线通信技术较多，如Wi－Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G 等，这些通信技术被广泛应用到生活及工业生产中，北斗短报文是近几年才发展起来的一种远距离通信技术，表1列出了应用以上几种通信技术典型模块的最大数据传输速率、传输距离、通信频带的参数值［9］。

表1 无线通信模块性能指标Table 1 Wireless communication module performance metrics

下面对其中几种无线通信技术在无缆地震仪器远程监控中的应用做进一步分析。

1.2.1 Wi－Fi

Wi－Fi是IEEE802.11系列标准的统称，其传输速率快、安全性高，可集成到已有的宽带网络中，配合路由器组建有线、无线混合网络快捷方便。地震勘探仪器中Wi－Fi常用的组网模式有AP（无线访问接入点）模式和Ad Hoc（点对点）模式，在野外可以用架设AP 基站的方式来拓扑无线局域网络的覆盖面积［3］，而AP 之间可以通过网桥设备连接，从而完成更大面积的网络覆盖范围。然而，在实际勘探应用中AP 基站和网桥设备架设困难，尤其应用于大道距的二维或者三维勘探工作中，需要更多的基站与网桥，影响施工进度。Ad Hoc是一种无中心、自组织、多跳移动通信网络，节点间通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和数据的相互交换。这种模式下地震仪可将其采集数据及工作状态信息接力式地传输回控制中心，美国Wireless Seismic公司的RT2无线遥测系统就是应用了这种多跳的数据传输方式，两个节点间通信距离的范围约为25～70m，然而这种工作模式会导致越靠近中央记录系统的节点积累的数据量越大，且在线性的网络拓扑结构中，数据传输的稳定性受通信距离和地形环境影响较大，数据通信的质量和速率难以得到有效的保证。

1.2.2 GPRS、3G 移动网络通信技术

移动网络通信技术已经成为人们工作生活中不可或缺的重要组成部分。该技术具有抗干扰能力强、传输速率高、网络覆盖面广、接入时间短、建设成本低等特点［10］，在地震勘探中可被应用于移动网络信号覆盖范围内的地震台网远程监控，它提高了远程仪器维护的工作效率［11］。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探测作业中，由于其基站的信号覆盖范围有限，对于远程监控地震采集站工作存在一定的局限性。

1.2.3 北斗短报文通信技术

北斗卫星作为北斗通信技术的中继，转发来自地面用户端的定位及通信请求，地面中心站控制端接收到请求后解析消息，然后将解算出的位置信息传回用户端或将接收到的接收信息通过北斗卫星转发至另一地面用户端，达到卫星定位及通信的目的。北斗短报文通信技术在应用时具有信号覆盖范围广、安全、可靠性高和控制简单等特点，用户一次最大可以传送120个汉字的报文信息，而民用信息发送的频度通常为30～60s，接收信息则没有频度的要求，对于地震仪基本的控制命令收发及状态信息的传送，北斗短报文通信技术可以满足无缆地震仪基本状态监控数据传送的要求。

1.3 系统结构设计

基于北斗的无缆存储式地震仪远程监控系统工作示意图如图1所示，系统由主控中心、北斗卫星、采集单元三部分组成，主控中心通过北斗指挥机完成对采集单元远程的控制及状态数据的回收工作，并对接收到的数据进行管理和存储。采集单元完成地震数据采集的同时，通过北斗通信模块可接收来自主控中心端的控制命令，并反馈执行结果信息。北斗卫星是控制命令及反馈信息传递的媒介。

图1 基于北斗的无缆地震仪远程监控系统工作示意图Fig.1 Structure diagram of remote monitoring system of cable－less storage seismograph based on Beidou

2 采集站单元设计

2.1 硬件设计

图2为采集单元硬件原理框图，地震检波器将地面振动信号转化为模拟电信号传输到FPGA数据采集单元，由FPGA 完成数据的采集、缓存，并提供必要的测试、控制功能。AT91RM9200作为中央处理器，读取FPGA 中存储的数据，并转存到CF 存储卡中；通过SPI接口与Wi－Fi模块连接，实现近距离的无线数据传输功能；通过UART 与GPS、北斗模块连接，为采集站提供高精度的授时、定位、远程通信功能，完成数据同步采集、位置信息获取、工作质量远程监控。采集站也可通过以太网接口与电脑终端连接，完成数据的回收及参数设置、检查工作。采集站在野外应用时采用太阳能和内置锂电池两种供电模式，电源智能管理系统会根据采集站当前工作的天气条件转换供电模式，保证仪器可靠、稳定工作［12］。

图2 无缆采集单元硬件原理框图Fig.2 Schematic diagram of hardware for cable－less seismograph unit

2.2 软件设计

采集单元的主控制器ARM9 运行嵌入式Linux内核版本为2.6.31的操作系统，北斗通信进程完成对北斗模块接收信息的解析与执行，以及执行结果的反馈，流程如图3所示。

图3 北斗通信进程程序流程图Fig.3 Flowchart of Beidou communication

北斗短报文通信系统包括指挥机和用户机，指挥机是北斗短报文通信系统的中央控制器，它相当于一个服务器，负责接收来自多个用户机的报文，并可以控制多台用户机来完成相应的指令。用户机是北斗短报文通信系统的子节点，相当于一个客户端，负责将节点工作信息上传到指挥机，和接收来自指挥机的命令。北斗用户机在接收到指挥机传来的信息时，用户机会通过UART 将信息内容上传给下位机系统，下位机会根据其数据传输的格式将信息进行解析，并根据信息包含的指令内容来执行相应的任务。其数据传输的基本格式如下：

指令内容 长度 用户地址 信息内容 校验和

指令内容传输时以十六进制的ASCⅡ码表示，长度为从“指令内容”开始到“校验和”为止的总字节数，用户地址为与下位机相连的用户机ID号，信息内容用二进制源码表示，内容的第一个字节是电文种类的标志信息（汉字／普通代码／混发），校验和是整个通信内容按字节异或的结果。

北斗用户机在收到采集站下位机传来的执行结果信息时，首先会解析其指令内容，判断是否为通信申请命令，若是，再判断服务频度，服务频度到则正常执行，否则将该命令放到消息队列中，等服务频度到后再重新发送。执行成功后用户机会上传给下位机一个“发送成功”的反馈信息。

3 上位机服务器软件设计及测试

如图4所示，主控中心由上位机、打印机、存储器、发电设备、北斗指挥机组成。上位机与北斗指挥机完成命令的选择与打包发送，以及对采集站反馈信息的接收、显示、存储和打印处理。发电设备输出220V 的交流电压，为上位机及其外设供电。

图4 主控中心结构组成框图Fig.4 Structure diagram of control center

上位机远程数据监控管理软件选择Microsoft Visual C＋＋6.0作为开发工具，完成了如图5所示的远程状态监控数据管理软件的设计，状态监测区显示工作中采集站的各项信息，其中包括：站号、站状态、CF卡存储空间、站电量、卫星定位情况、经纬度，增益、采样率、检波器状态、程序版本信息。控制命令区完成监控命令的选择及打包发送，其中包括：叫站、停止预热、停止采集、开始采集、休眠、唤醒、通道测试，配置采样率、增益、道数，及复位、关机命令。日志管理区记录和存储主控中心与采集站间的交互信息，便于操作人员对远程控制系统的维护。

图5 无缆地震仪远程状态监控数据管理软件Fig.5 Remote monitoring software of cable－less seismograph

上位机服务器软件通过对Google Earth API接口的调用，实现了对野外采集站排列位置的远程监测，图6为微动勘探实验中按两个嵌套式三角形方式排列的采集站传回的GPS位置信息在Google Earth中的显示。操作人员可根据地图显示软件中采集站的排列位置了解施工进度，获取采集站排列班报，完成布站人员调度等工作。

图6 微动勘探实验中采集站排列位置显示Fig.6 Seismograph location in microvibration experiments

为了了解远程监控系统的性能及数据传输丢包、误码情况，设计如下测试实验：将7台内置有北斗通信模块的采集站接好检波器放置在室外采集，由主控中心完成与各个采集站间的数据包收发，采用60s一次通讯频度，数据包长度为200字节，从500个样本数据中任选7个，分别用于7个站的通讯测试，主控中心将样本数据依次发给各个子站，并重复500次，子站收到数据包后向主控中心返回相同的样本数据。主控中心计算从开始发包到收包完成的时间间隔作为通信的延时，主控中心与采集站分别记录通信时的丢包数，并根据与标准样本数据对比的结果记录错包数。丢包数、误码数和平均延时测试结果如表2所示。

表2 数据传输质量测试Table 2 Quality test of data transmission

测试结果显示，基于北斗的远程质量监控系统整体控制情况良好，一次完整的通信过程平均延时在2s以内，由于受天气、空间中的电磁干扰和周围遮挡物等环境条件的影响，该系统在数据传输时存在一定的丢包及误码情况，在通信环境较好的情况下，通信失败率在1%以内，可以应用北斗短报文通信的回执查询功能判定出通信的成功与否，或通过补发的方式保证系统工作的稳定性。

4 结束语

本文在现有无缆存储式地震数据采集系统中引入北斗卫星通信技术，实现了对野外排列中采集站运行过程、工作状态及排列位置信息的远程监控，且其监控范围不受道距限制。通过远程监测、修复采集站，合理调度施工人员，提高施工效率，可以节省人力、物力。通过远程控制采集站休眠与唤醒，降低了系统功耗，节省了存储空间。对采集站位置信息的监测可以了解施工信息和进度，获取采集站排列班报。随着国家对北斗卫星导航系统的大力发展，以及对民用北斗卫星通信频度及带宽限制的逐步放开，北斗远程监控技术的引入将加快无缆地震仪器在资源勘探领域的推广应用。

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