深井应变地震仪一体化软件设计

陈玉秀+夏界宁+罗松

摘要：为了方便野外安装人员和科研人员收集与分析深井应变地震仪数据，基于LabVIEW的虚拟仪器技术，设计并构建具有远程实时数据采集、数据显示、数据分析和仪器网页功能调用的一体化软件。该软件能够快速采集到连接在局域网深井应变地震仪的数据，达到了预期效果，具有一定的实用价值。

关键词：深井应变地震仪；数据实时采集；数据分析；一体化软件；LabVIEW

DOIDOI：10.11907/rjdk.171316

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0086-03

0 引言

地壳应力状态是地壳最重要的特征之一。地壳表面和内部发生的各种构造现象及与之相关的地震、崩塌、滑坡等地质灾害都与地壳构造应力场及其变化密切相关[1]。随着人类社会工业化、城市化、现代化高度发展，各种交通、工业等人为噪音，加上地球表面效应，严重干扰了传统地面地震与地球物理观测结果，使微小地震和来自地下微弱的地球物理信息混杂在高噪音背景下无法辨认、识别，因此建立深井长期观测站成为必要。深井长期观测可以有效排除各种地面噪声干扰，直接监视超高压变质带现代岩石圈地壳运动和内部物理场变化状况，研究其动力学规律，为研究大陆内陆板块造山带运动、板内地震活动以及地球物理场的长期变化，为我国资源开发、环境开发、地震地质灾害预防以及研究大陆内部岩石圈构造、地震发生机制等提供科学依据[2]。

客户端一体化软件根据深井应变地震仪内部数据采集仪的协议《地震前兆臺网专用设备网络通信技术规程》[3]，设计实现了远程实时数据采集并显示，数据存储、数据分析和调用仪器网页功能的一体化软件，该软件为野外安装人员和科研人员收集数据和分析数据提供了方便。

本软件采用的编程环境是LabVIEW，它是美国国家仪器（NI）公司开发的一种图形化编程环境，具有强大的数据处理功能，而且还内置了便于应用.NET、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。与使用VC++进行软件开发相比，使用LabVIEW开发软件不需要从底层编程，能够使用模块函数，可以大大减轻工作量，缩短项目开发周期。

1 软件结构

客户端一体化软件包含4个子系统：采集子系统、实时显示子系统、数据分析子系统和仪器网页子系统。为了实现测量数据的实时显示，在程序架构上采用了生产者/消费者模式，生产者负责数据的采集，消费者负责数据的实时显示。用户菜单采用了事件结构，数据分析子系统和仪器网页子系统采用动态调用模式，通过菜单启动这两个子系统，不使用时关闭，释放系统内存。

1.1 采集子系统

客户端采集子系统可以同时采集连在同一个局域网的深井应变地震仪的数据，它们之间的数据通信采用了基于TCP/IP协议的SOCKET进行数据信息交换。数据传输采用基于SOCKET连接的HTTP协议，支持指令方式和网页方式。指令方式是设备端直接响应客户端指令；网页方式是指在设备端的HTTP服务有相应的网页可提供客户浏览器进行页面调用和解释。无论哪种方式，设备端都可以接受数据传输请求将测量数据传送到客户端，因此客户端通过获取设备的状态信息、运行日志、属性信息和告警信息从而获知设备工作状况[3]。

在客户端采集子系统设计中，网络控制的通信机理是：深井应变地震仪作为一个从机，客户端软件作为一个主机，每个从机拥有自己固定的IP地址，由主机控制完成每一次通信，开始时所有从机处于监听状态，等待主机呼叫。当主机向网络上发出某一从机地址时，所有从机接收到该地址并与自己的地址相比较。如果相符，则发出应答信号，并准备接收后面的命令和数据；否则不应答。当主机收到从机的应答后，则开始一次通信。通信完毕，从机处于监听状态。

客户端软件发送获取实时测量数据指令，深井应变地震仪主动将采样的测量数据实时向客户端软件发送，这些数据不仅包含水平的北南分量、北西分量、东西分量、北东分量，也包含水位分量和气压分量的数据[4]，这些数据在软件的界面上用波形图表控件显示。客户端软件也可以通过发送控制指令和设备监视指令，如设备工作参数、设备状态信息、运行日志、工作参数、属性信息等，深井应变地震仪会根据这些指令返回执行结果。

深井应变地震仪将每天采集的24小时测量数据和日志存放在SD卡里，这些数据可以通过网页方式进行手动下载，也可以通过客户端软件自动下载。客户端软件还可以根据实际需要以TDMS格式手动保存实时测量数据。

1.2 实时显示子系统

在主界面显示指定连在局域网里任意一台深井应变地震仪的6个分量的实时曲线、台站代码、设备ID、经度、纬度和高程等信息。采用了LabVIEW自带的波形显示控件对波形进行显示，横坐标为采集数据的时间，纵坐标为对应参数实测的值，并在表格中显示每个分量的最大值、最小值、峰峰值。通过菜单可以开始和停止实时数据流，保存和取消实时数据，界面的保存指示灯会出现相应的颜色变化。

1.3 数据分析子系统

数据分析子系统包含查看文件、文件合并、数据提取、数学计算、平滑滤波、去零漂等功能。

（1）文件查看。可以查看历史的TDMS文件格式数据、分采样EPD文件格式数据、秒采样SEC文件格式数据和日志文件。

（2）文件合并。如图1所示，可以将秒数据、分钟数据、整点值、日均值按照时间顺序合并起来，如果中间有数据断掉，则在波形显示界面上也要相应断开。

（3）数据提取。数据提取是根据需要，截取相应时间长度的数据保存为txt文本数据，每个分量为一列数据，加一列时间数据，一共有七列数据，转换后的数据提取主要供科研人员使用，进一步分析监测数据。

（4）数据预处理。原始数据在进行分析之前，必须进行预处理。数据预处理主要包括平滑滤波和去零漂。平滑滤波是将波形的毛刺去掉，本软件设计采取了中值滤波，因为中值滤波在抑制随机噪声的同时不使边沿模糊。

仪器安装初期，井下探头与井壁耦合水泥固化井孔应力的调整和井水水位下降可能是造成仪器漂移的主要原因[5]。

去零漂是指利用最小二乘办法将数据拟合成一条直线，然后将实测数据减去该直线所表征的线性趋势。假如有n个数据（Xi，Yi），利用最小二乘拟合直线Y=aX+b。其中斜率为：

（5）数学计算。如图3（a）所示，数学计算是将北南分量和东西分量相加，北西和北东分量相加，再加上原来的4个方向分量，一共有6条曲线。通过对曲线进行拖拽，可以把北南分量、东西分量。以及两者之和3条曲线放在一个波形图框里一起比较。同样地， 也可以把北西分量、北东分量以及两者相加之和的3条曲线放在一个波形图框里一起比较 （见图3（b））[6]，附上labview自带的缩放、滚动、开窗放大和游标等小工具，便于对实测数据进行分析。

1.4 仪器网页子系统

利用LabVIEW的ActiveX控件调用Webbrowser访问深井应变地震仪远程网页，通过点击仪器主页的各链接来对仪器进行操作，仪器主页可以进行用户管理并查询仪器网络参数、表述参数、测量参数、标定信息等；仪器控制可以设置仪器的台站代码、测项代码、台站位置坐标、网络通信、启动标定、SNTP对时、手动对时、仪器复位等；除此之外，还可以查看实时数据并下载数据[7]。

2 软件应用

深井应变地震仪一体化软件研发成功后，已经在云南地区安装试运行，目前运行情况良好。野外安装人员通过软件把监测的实时数据保存下来，并及时进行数据分析和处理，查看设备的运行情况；科研人员通过下载历史数据，进行科学研究。软件应用达到了预期效果，具有良好的应用前景。

3 结语

本软件为深井应变地震仪采集实时数据和及时分析数据提供了实用的工具，为野外安装人员和科研人员提供了有效的辅助。系统采用了一致的用户界面，操作简单、方便易用。实际应用表明，深井应变地震仪一体化软件具有可靠性和操作性，实用价值较高。

参考文献：

[1]欧阳祖熙，张宗润，舒桂林.中国西部钻孔应变仪台网工作回顾与前瞻[J].岩石力学与工程学报，2004，23（23）：4058-4062.

[2]徐纪人，赵志新.深井地球物理长期观测的最新进展及其前景[J].地球科学，2006，31（4）：557-563.

[3]地壳运动监测工程研究中心.地震前兆台网专用设备网络通信技术规程[S].北京：中国地震局，2004.

[4]王梅，毛玉华，孔向阳，等.数字化体应变观测资料的调和分析[J].地震研究，2005，28（1）：24-27.

[5]段莉莉，段立新.钻孔应变观测干扰及异常分析[J].地震地磁观测与研究，2013，34（3/4）：122-127.

[6]池顺良，池毅，邓涛，等.从5.12汶川地震前后分量应变仪观测到的应变异常看建设密集应变观测网络的必要性[J].国际地震动态，2009，361（1）：1-13.

[7]邓涛，廖成旺，欧同庚，等.嵌入式地震前兆观测仪器网络接口系统设计[J].大地测量与地球动力学，2008，28（3）：118-122.

（责任编辑：孙 娟）

英文摘要Abstract：In order to facilitate the field installation personnel and researchers to collect and analyze the deep hole strain seismograph data， the system is based on LabVIEW virtual instrument technology， designed to build a remote real-time data collection， data display， data analysis and instrumentation functions of the integrated software. The application of the software， can quickly capture the data connected to the deep hole strain seismograph in the LAN. The results of the software show that the system has good performance and achieves the expected effect， which has certain practical value.

英文關键词Key Words： Deep-hole Strain Seismograph； Real-time Data Collection； Data Analysis； Integration Software； LabVIEW