地震勘探采集施工中井炮监控技术的应用研究

宋晨阳，袁 伟，孙仕胜，李 斌

（昆仑数智科技有限责任公司，北京 102206）

0 引 言

采用井炮激发生产方式进行的地震勘探项目，在药包下井后至激发前会有2～15天的空窗期，形成未激发的炮井。未激发炮井看护工作是物探安全生产的关键环节，尤其在村镇周边、农田水网、丛林牧场等偏远地区，部分群众对石油勘探作业缺乏了解，可能出于好奇等原因挖掘井中炸药，存在很大的安全监管隐患。国家、地方政府、勘探公司对已下药未激发炮井的看护工作要求日趋严格，因此需要突破传统看守方式，通过智能化、数字化、信息化的手段来实现地震队安全生产和管理水平的同步提升。

1 研究目标和内容

1.1 现状分析

当前对于未激发炮井的看护多通过传统的人工巡查方式，地震队根据生产需要，将看护巡井的位置发给看护人员，凭人工定期到位进行看护（巡井），使用地图软件记录到位时间，并填写纸质记录，形成档案。这种传统的看护工作方式花费较多人工成本，且不能满足全天候24小时看护要求，在偏远无网络信号地区，巡井人员无法与营地及时取得联系，仍然存在较高的安全风险隐患。

1.2 研究目标

为解决看护不及时、看护覆盖度不足、巡井效率低下等问题，研究团队重点围绕以下目标展开研究：

（1）时效性：报警要及时，一旦被非法盗挖，报警过程要求及时。

a.感知要及时：看护终端的感知要及时，这是源头。

b.传输要及时：报警消息传递要及时，必要时需重传，这是中间必要过程。

c.通知要及时：监控端和处理端要及时显示告警，这是通知最终送达处。

（2）精准性：报警需精准，由于作业位置范围广、数量大，一旦报警不精准，如产生误报，将会增加很多不必要的工作量，也可能会产生“狼来了”的效应。

a.感知要精准：既不能漏报，也不能误报。

b.信息要精准：定位信息需精准。

（3）闭环性：报警过程必须是完整的闭环，每一条报警信息需能被显示、查询、处理和追踪。

a.队部监控端可查询，可指挥。

b.现场处理端可接收，可处理。

（4）规模化应用：井炮监控场景需满足特定的要求才可规模化应用。

a.场景特殊，看护终端需满足对民爆品监控的使用条件。

b.环境特殊，看护终端需满足在野外各种复杂条件下使用的条件。

c.终端需稳定可靠，且能循环使用。

d.低成本，由于数量巨大，必须考虑成本。

e.便携易用，不能增加现场操作人员的工作量。

f.系统稳定易用。

（5）研究内容：依据研究目标，经分析，确认需重点研究和解决如下问题。

a.研发出符合使用条件的看护终端。

b.研究工区网络环境，解决网络传输问题。

c.研发配套的软件系统，实现监控指挥闭环。

2 技术方案

2.1 需求分析

依据不同的岗位工作性质和监控总体需求，总结出用户需求，见表1所列。

表1 用户需求分析表

2.2 总体设计

系统整体分层架构如图1所示，表述如下：

图1 系统分层架构

（1）感知层：在APP的辅助下，完成对看护终端的操作，看护终端上报位置和状态、报警等数据。

（2）传输层：依据不同的网络条件，选取不同的网络传输通道进行数据传输，例如，移动公网、自组网、北斗短报文。

（3）业务层：主要用于处理各种业务，例如接入服务、规则服务、监控服务、推送服务等。

（4）展示层：主要包括各类展示端，大屏、Web、APP等。

（5）用户层：系统相关用户。

3 井炮看护终端

3.1 硬件规格

由于地震队施工环境复杂多变，炮井数量繁多，因此看护终端需具备高适应、低成本、可规模化应用等特点，主要功能及产品规格包括：

（1）防爆：应用于雷管炸药附近，终端具有防爆功能，且满足射频要求；

（2）防护：适用于埋置在地下或沼泽、水下地区，至少具备IP67的防护能力；

（3）防腐蚀：适用于埋置在湿地、油泥环境，终端具有一定的防腐能力；

（4）信号穿透性：埋置在地下，需要一定的信号穿透能力，需要至少10 cm浮土；

（5）工作温度：温度范围-40～85 ℃；

（6）功率：无法外接电源，采用低功率信号传输；

（7）电池：需要能连续工作20天以上；

（8）传感器：内置倾角传感器、振动传感器、声光传感器，监测终端的翻转、振动状态，异常时报警；

（9）定位：支持复合定位，精度米级；

（10）通信模块：可选用移动公网/北斗短报文/LoRa等模组；

（11）尺寸 ：高 30 mm、宽 75 mm、长 105 mm ；

（12）便携式：设计时需考虑设备的便携性，方便携带；

（13）条码：外部需要有防止磨损的条形码和终端序列号。

3.2 系统规格

终端需要和服务端进行指令交互，可自定义1套数据传输协议，至少包含以下内容：

（1）注册协议，向服务端注册；

（2）上报信息，具体包括定位、状态（设防撤防、电池电量等）、报警等信息；

（3）心跳协议，定时上报心跳信息；

（4）参数上报，向服务端上报参数信息；

（5）改参指令，接收服务端发送的修改参数指令，修改参数；

（6）通用回执。

4 通信模式

根据不同的网络条件，可选用不同通信模块的看护终端，图2主要描述了基于LoRa通信模组的通信模式，纯移动公网和纯北斗短报文通信模式与此类似。

图2 看护终端通信模式

5 井炮智能看护系统

看护终端和网络传输问题解决后，需要研发配套的系统，用于监控和指挥闭环。该系统主要分为两部分，即监控管理系统（简称Web端）、APP作业系统（简称APP端）。

5.1 系统方案原理

下药工通过APP获取井炮桩号，并导航到井口，将井炮看护终端埋置在井口位置，并设定其为设防状态；正常情况下，看护终端不会报警，但是一旦感知有位移、翻转等外界变化，满足报警条件后，将产生报警信号并上报给监控管理端，管理端产生报警提醒，并智能分配告警处置任务给现场巡井作业人员，巡井作业人员通过APP导航到现场，处置告警；爆炸工作业前，通过APP导航到井口，先将看护终端由设防状态变更至撤防状态，然后挖出回收，完成后续施工作业。系统方案流程如图3所示。

图3 系统方案

（1）正常流（无报警流程）

下药工绑定井炮和看护终端，开启终端设防状态，并埋置终端，终端定时上报位置、状态数据，地震队的生产指挥人员在可在Web端监控。完成看护任务的终端，在井炮激发前，先将终端设定为撤防状态，并由爆炸工挖出回收。井炮看护流程—正常流如图4所示。

图4 井炮看护流程—正常流

（2）异常流（有报警数据产生）

终端进入设防状态，触发报警条件后，将报警数据发送到管理监控端，生产指挥人员查看报警信息，并将处理告警的任务发送到指定现场作业人员的APP，现场作业人员查看处理并上报处理结果，形成报警处置闭环。

井炮看护流程—异常流如图5所示。

图5 井炮看护流程—异常流

5.2 井炮监控系统管理监控端主要功能

井炮监控系统管理监控端是一个监管平台，主要面对小队经理/副经理/HSE安全员/施工组长等角色，主要功能包括：

（1）实时监控：可在地图上显示和查询激发井、看护终端、人员数量、分布、位置和状态等；

（2）告警处置：新告警提醒、告警列表、告警查询、告警处置任务分派等；

（3）统计分析：现场生产进度、告警等统计分析；

（4）信息管理：可对现场必要的班组、人员、车辆等信息进行综合管理和显示；

（5）分级监管：支持多项目结构，分级管控。

5.3 井炮监控系统APP端主要功能

井炮监控系统APP端主要供炸药工/爆炸工/巡井工等现场操作人员使用，主要功能包括：

（1）数据同步：远程获取同步基础数据；

（2）作业导航：可设置导航目标点，通过导航将作业人员指引到目标点；

（3）设防撤防：绑定和解绑终端和激发井，对终端进行设防和撤防操作；

（4）处理报警：接收告警处理任务，上报告警处理结果；

（5）统计功能：统计激发井、终端、告警等内容；

（6）离线缓存：缓存登录、炮点数据，在工区网络条件不佳甚至无法正常工作时，支持炮点等离线数据的查看。

6 应用情况

井炮看护终端和监控系统研发完成后，部署在东方地球物理公司的生产安全监测平台上，由安全环保处主导，各地区物探处和物探队深入应用。截至目前，已经有10个物探处，19支物探队在使用该系统，注册使用终端达15 885台，项目遍布全国各地，对处于复杂山地、黄土塬、沙漠戈壁、池塘稻田等环境的井炮实现了实时监控，也实现了公司、物探处、小队的三级管控。

7 结 语

井炮监控系统的规模化应用解决了国内山地、荒漠、沼泽等复杂环境下，传统依靠人力巡检导致看护不及时的问题，简化了工作流程，节约了人工成本，提升了报警的准确性和及时性，为数字化地震队、智能化地震队的发展带来了新模式。