随采地震监测数据采集控制软件开发

段建华，王云宏，王保利



随采地震监测数据采集控制软件开发

段建华，王云宏，王保利

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

随采地震能够对工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报，成为近几年的研究热点，但是目前还没有能够在煤矿井下开展随采地震长期连续监测的装备及配套软件。为了解决这个问题，基于Microsoft Foundation Classes (MFC)开发框架，开发了一套随采地震监测数据采集软件，在室内、野外进行了为期3个月的联调测试，并且在贵州岩脚煤矿与井下随采地震监测设备开展了为期3个月的全面试运行。测试表明，软件实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和处理软件的实时通信功能，具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护、无人值守等优点。

随采地震监测；数据采集；软件设计

我国的煤矿以井下开采为主，与国外相比，我国煤炭行业的信息化水平较低，矿山空间信息仍然以图表和文字作为主要的存储介质，信息基础设施未能跟上时代变化的脚步，使得煤矿企业的竞争力受到严重的制约[1]。煤矿井下危险具有多变性、隐蔽性，导致安全问题成为威胁煤矿工人生命的核心问题[2]。而采掘工作面更是矿井水害、顶板、火灾以及瓦斯等多种灾害事故的多发区，同时也是工作人员聚集区，因此，也是导致重大生命财产损失的高危区域[3-7]。随采地震勘探[8]是利用采掘活动激发的震动作为震源，探测工作面内部或者掘进面前方一定区域内地质构造的一种地震勘探技术，可以摆脱放炮的安全隐患及对正常采掘生产的影响,实现了采掘的同时进行超前探测[9-11]。随采地震所用震源信号是连续、非可控的，只有进行连续、长期监测，记录远场信号，将其与远场信号作互相关，得到清晰的相关峰值，才能将其转化为脉冲子波，代替炸药震源进行地震勘探[12]。

因此，研制随采地震监测装备及控制软件成为当务之急。本文针对随采地震监测装备的特点，充分分析其观测系统和监测数据的特点，利用数据库和文件系统的优点，设计了软件的数据结构；考虑处理软件的特点，设计了与处理软件之间的接口；最后基于Microsoft Foundation Classes(简称MFC)开发框架，开发了数据采集软件，联合测试成功后，并在贵州岩脚煤矿进行了3个月的野外采集工作。

1 随采地震观测系统及其特点

为了能够获得工作面内部煤层剧烈变化情况、断层和陷落柱位置与规模以及应力集中区等信息，目前的随采地震观测系统采用复杂部署模式。如图1所示，采用H形布局，共72道，其中孔中部署24道，分4个深孔，每个钻孔内部署6道，由一个孔中多级检波器串承担；其余的48道部署于工作面两侧巷道的锚杆上，图1中绿色圆点为巷道检波器。

图1 随采地震监测观测系统示意图

数据采集分站为6通道，整个观测系统共需12台分站，数据处理时主要使用煤层中的槽波，而槽波的频率较高，可以达到500 Hz，为了采集高质量的数据，采样间隔为250 μs，这就对数据采集系统提出了新的要求，不仅仅数据道数多，采样率较高，而且是长期连续实时监测。

观测系统随着工作面的推进而移动，当工作面推进到检波器测点附近时，要依次将检波器拆卸，避免被埋入采空区中，当工作面推进到距离图2中黄色深孔检波器10~20 m时，要将全部的黄色测点移动到蓝色测点位置，以此类推直到工作面回采结束。

2 随采地震监测数据采集软件设计

2.1 软件架构设计

针对分站多、数据量大、观测系统多变化、实时性要求高以及需要与数据处理分析软件进行通信的特点，采集软件利用多线程技术分别进行数据采集和存储，软件框架设计见图3。

图2 随采地震监测观测系统滚动示意图

图3 软件框架设计

2.2 软件数据结构设计

采集软件中的数据可以分为两类，一类为数据量不大，变化周期较长的数据，比如：监测分站信息、观测系统信息等；另一类为数据量较大，而且变化周期很短的数据，比如：监测数据。根据数据特点，采集软件采用数据库与文件系统相结合的方式保存数据，以提高数据存储效率。监测数据采用文件系统保存，其他数据采用数据库方式保存。

a.数据库设计

数据库主要保存测区信息、采样率、每个文件的采样时长、采集分站信息、传感器信息、观测系统以及监测数据的保存路径等信息，其E-R模型见图4。

b.文件结构设计

监测数据的辅助信息，如采样率、观测系统、道数等信息全部保存在数据库中的监测数据表datafile_info中，按照采样顺序将每道数据作为一块写入文件，块的顺序与道号一致，样点值采用有符号的浮点型数据类型保存，详见图5。文件名为第一个样点的采样时间，格式为：YYYY-MM-DD_HH_ MM-SS，不足两位数的补零。

图4 数据库E-R模型

图5 监测数据文件结构

2.3 软件交互接口设计

本软件需要分别与井下采集分站和随采地震数据处理软件进行交互，主要涉及到两个接口。

a.与采集分站接口

为了便于和井下采集分站通信，采用UDP与TCP协议相结合的通信模式，采集软件的查询指令通过UDP协议与采集分站通信，通知指令和数据传输则采用TCP协议传输，其通信流程见图6。

b. 与数据处理软件接口

为了提高数据存储效率，采集软件采用数据库与文件系统相结合的方式存储监测数据，大量的监测数据保存在文件中，但是文件的相关信息，如：道数、采集时间、采样率、观测系统等信息保存在数据库表datafile_info，与数据处理软件的通信也通过数据库来完成，数据记录表中专门设计一个字段为数据状态标志，数据采集时状态为0，采集结束后为1，数据处理软件不断查询该表中数据状态标志为1的记录，一旦有这样的记录，则根据数据库中的信息读取监测数据进行处理，处理结束后将该标志改为2，具体处理流程见图7。

3 随采地震监测数据采集软件实现

3.1 开发环境

软件基于 Visual Studio 的微软基础库类(micro­soft foundation classes，MFC)开发框架，采用 C++语言编写，充分利用其图形用户界面(graphical user interface，GUI)，大大提高软件的开发效率。在功能开发方面，为了满足随采地震监测的需要，提供数据采集和数据保存功能，采用菜单栏和对话框方式来实现软件与用户之间的人机交互。在整个应用框架的基础上进行功能性、界面性的填充。将软件开发分成若干部分，有效地提高软件研发效率和可读性，同时也便于后期维护升级。

图6 与采集分站通信流程图

图7 与处理软件通信流程图

3.2 软件的实现

为了提高软件的运行效率，将软件操作界面、数据采集、保存和整理以及设备状态监测与恢复功能分别由单独的线程来完成。

a.数据库实现

数据库中最主要的两张表为传感器信息表和监测数据表，传感器信息表为观测系统表的基础，而且随着工作面的回采传感器移动后，传感器的位置信息就会发生变化，观测系统随之变化；监测数据表是数据采集软件与处理软件通信的基础，表中需要包含大数据文件路径、观测系统、采样率、采样时间和时长等重要信息，具体见表1和表2。

表1 传感器信息表(detector_info)

传感器信息表中(表1)以Station_ID、Channel和Modify_Time为联合主键，这样表中可以把同一个传感器在不同时间的坐标都保存起来，随时可以获取任何时间段的观测系统。

表2 监测数据表(datafile_info)

监测数据表中(表2)由File_Index为主键，该值为根据时间自动生成一个与时间有关的数，确保唯一性，同时将大数据文件的相关数据信息全部存入该表中，以方便数据处理软件随时查询。

b.软件操作界面

随采地震监测软件属于监测类软件，具有自动化程度高、人工干预少等特点，因此，需要用户的操作很少，主要是一些参数设置和监测分站运行状态的显示：系统中监测分站的数量、每台分站的传感器数量及其工作状态。

传感器参数设置功能主要包括传感器的安装位置及其坐标、所属监测分站号、通道号、测点号等信息的增加、删除和修改，由修改传感器的时间为主键，即可获得该时刻的观测系统。

c.数据采集功能

数据采集功能主要包括数据采集软件与监测分站之间的通信、监测分站状态查询与控制、数据采集等。为了达到随时能够与监测分站通信的目的，与监测分站的通信通过UDP和TCP协议两种方式来实现，其中监测分站的信息和状态查询由UDP协议实现，指令的发送、参数设置和数据采集通过TCP协议实现。TCP协议中采集软件为服务器端，监测分站为客户端，服务器端采用完成端口技术来接收多个监测分站上传的数据，为了便于数据保存，每个通道的数据分别存放在独立的缓存区中，缓存区采用循环数组的设计，当数据写入缓存区中后，循环数组的数据采集下标iColDataIndex+1，数据采集详细流程见图8。

图8 数据采集流程

d.数据保存

为了提高数据存储的效率，将数据存储分为数据保存和整理两个步骤，分别由两个线程执行。数据保存线程监测缓存区中数据采集下标iColData­Index与已保存数据下标iSaveDataIndex之差，当该差值达到预设值时，从数据缓存区中读取数据并保存成数据文件(采用异步模式将每道单独存储为一个文件)。数据保存完成后，循环数组的已保存数据下标iSaveDataIndex+1，其数据保存详细流程见图9。

图9 数据保存流程

e.数据整理

为方便数据处理需要把同一时段的各道检波器的数据保存为一个文件，当由于检波器或者采集分站故障导致数据缺失时做填零处理。因而增加一个专门进行数据整理的子模块，由一个单独的线程来处理，其数据整理详细流程见图10。

图10 数据整理流程

f. 系统自恢复

井下的供电系统或者网络经常检修或者故障，导致随采地震监测设备出现故障，当故障解决后，系统应该能够自动恢复，但是该系统是由多个监测分站组成的，分站之间需要不断进行时间同步，当一台分站出现故障后，该分站停止采集，其他分站仍然正常采集，当该分站故障解决后，要想恢复采集，必须要把系统中所有的分站进行重启。图11所示流程，就是用来检测网络是否出现故障，如果出现故障，则一直检测，直到故障修复，然后重新启动系统。

图 11 系统自恢复流程

4 随采地震监测数据采集软件联调与测试

4.1 运行环境

数据采集软对运行环境的要求如下：

操作系统：windows7及其以上；CPU：2.5 GHz，4核；内存：8 GB；硬盘：500 GB。

4.2 联调与测试

该软件与井下监测分站以及数据处理系统在实验室进行为期1个月的联调测试，联调过程中对采集软件与监测分站和数据处理软件的接口进行了修改和完善，并在野外进行了为期2个月的稳定运行后，各项性能指标都达到了设计要求，软件实时波形界面见图12所示。最后在贵州岩脚煤矿进行为期3个月全面试运行，无论是采集数据还是与数据处理软件的通信都正常工作。

5 结论

a.整个软件的设计契合了随采地震监测系统的特点，实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和与处理软件的实时通信，软件具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护等优点。

图12 实时波形界面

b.软件采用数据库与文件系统相结合的方式，不仅仅提高了原始数据的存储效率，而且也方便了与数据处理软件的通信。

c. 利用网络监听模块可以在井下监测分站恢复后，实现系统自动重启，将恢复正常的监测分站重新加入系统进行采集，从而实现系统的无人值守。

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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)

段建华，1979年生，男，山西五台人，副研究员，博士，从事煤矿检测监控系统研发工作. E-mail：duanjianhua@cctegxian.com

段建华，王云宏，王保利. 随采地震监测数据采集控制软件开发[J]. 煤田地质与勘探，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

国家重点研发计划课题(2018YFC0807804)；贵州省科技重大专项项目([2018]3003-1)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金重点项目(2018XAYZD02)；中煤科工集团科技创新基金项目(2017MS007)

(责任编辑 聂爱兰)