20DX检波器串故障解析软件开发

袁久春，乐 强，朱 勇，付 艳，李彦彰

(1.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司西南物探分公司 四川 成都 610213；2.中国石油西南油气田公司工程技术研究院 四川 成都 610017)

0 引 言

模拟地震检波器(Seismometer)广泛应用于地质勘探和工程测量领域，是将地面机械振动信号转变为模拟电信号的传感器。常规模拟地震检波器包含动圈式、涡流式、压电式、压阻式等类型。陆上地震勘探项目中，主要使用的检波器类型是动圈式。地球物理勘探项目使用的20DX系列动圈式地震检波器通常以组合的形式在野外施工[1]。因为在仪器的道接收能力和去噪水平还不能满足勘探要求的情况下，组合检波器是提高地震数据信噪比的有效方法。国内常用20DX系列检波器组串方式主要为六串两并、五串两并、三串三并等。

目前，野外勘探项目中20DX系列动圈式地震检波器串的维修具有以下四大特点：待修数量大，受检波器串在野外连续施工时间长、“两宽一高”的三维勘探项目增多而导致的使用数量增大、野外环境复杂等因素影响，待修检波器串数量变大；耗费时间多，相对于单支检波器，检波器串由于外接线缆多、电路连接复杂，导致故障可能性增加，维修耗费时间；操作重复性高，检波器串的维修方法主要为线缆焊接，维修方式单一；故障判断规律性强，因为检波器串是导线以串、并联关系连接，故障判断方法基于电路原理，有迹可循。

因此，如何利用检波器串故障判断规律性强的特点减少检波器串维修时间，提高检波器串维修效率，成为保障野外正常施工的一大难题。

1 现有方法的问题及解决方案

检波器串的现有维修方法流程如图1所示。1)故障排除准备：准备好故障排除使用的测试工具、维修工具，并清洁好待修检波器串；2)测试待修检波器串：使用万用表测量检波器串接头的阻值及电路通断、测量摇动检波器产生的感应电流；3)诊断故障并给出解决方案：通过维修人员自身的电路知识，分析检波器串的故障原因并给出解决方案；4)故障排除操作：按照分析的解决方法进行故障排除操作；5)判断故障是否解决：通过万用表测试检波器串的阻值、感应电流方向是否正确；6)重复以上操作直至解决故障为止。

图1 检波器串现有维修流程图

通过分析维修流程的耗时情况，检波器串维修耗时主要由三部分组成：1)冗余耗时，即维修人员受电路知识限制而做出错误判断并引起错误操作而导致的耗时；2)诊断耗时，即维修过程中判断故障原因并得到解决方案所耗时间；3)操作耗时，即维修过程中花费在组装、拆卸、焊接等操作上所耗时间。

某三维勘探项目采用现有方法进行500串检波器串修复工作的耗时统计分析见表1，冗余耗时与诊断耗时之和约占总耗时的52%，成为总耗时的重要组成部分。冗余耗时与诊断耗时主要受维修人员的故障解析能力影响。维修人员采用现有方法进行检波器串维修，受自身素质影响无法快速分析检波器串的电路错误原因并给出正确的解决方案，增加了维修过程中的额外耗时。因此，如何提高故障解析能力成为提高检波器串维修效率的重要因素。

表1 常规方法500串六串四并检波器串维修累计耗时表

2 程序构架和模型建立

为降低时间及经济成本，最大限度地提高故障解析能力，利用检波器串故障判断规律性强的特点，提出开发20DX检波器串故障解析软件的方案。解析软件能对检波器串进行电路仿真，在输入测试信息后快速检索数据库里所有可能故障原因，给出诊断结果及最佳解决方案，确定故障位置，从而降低检波器的冗余耗时及诊断耗时。

2.1 程序构架

20DX检波器串故障解析软件的开发架构选用分层架构[2]。分层架构具有结构简单、架构明确、同一层面可编辑能力强、有利于标准化、降低系统间依赖性等特点。解析软件的分层架构如图2所示，分为用户界面层、业务逻辑层、数据访问层、数据库。用户界面层主要负责与维修人员互动。维修人员通过用户界面层选择检波器串类型、输入测试结果，而该层则输出实际故障电路分析图、分析原因及解决方案供维修人员参考。业务逻辑层是分层架构的关键层。它在用户界面层与数据访问层之间，起到数据交换中承上启下的作用。解析软件的逻辑层主要用来分析判断上一层用户界面输入的检波器类型、测试结果，并给出分析逻辑到数据访问层去具体执行。数据访问层主要负责数据提供，按逻辑层给出的指令去访问故障分析数据库。数据库主要保存数据，包括各种串并联关系的电路模型、故障分析及解决方案。解析软件使用分层架构不仅能让维修人员在最少的环节内与数据库进行有效交互，而且也方便数据库根据不同的故障内容进行扩展完善。

图2 分层架构图

2.2 数学建模

软件的数学模型基于电路基础。检波器串的主要测试方法有三种：1)检波器串的阻值，可判断检波器串的故障类型及状况信息；2)单个检波器摇动时感应电流的状况，可以判断该检波器是否连入总体电路以及极性是否错误；3)检波器导线的通断状况，可判断接入导线是否存在断路、短路故障。软件在电路的基础上建立数学模型，通过对电阻值的计算、电路通断的判断、感应电流方向的状况来判断故障位置。检波器串维修时感应电流方向决定极性，电路通断决定是否导通。解析软件数学公式主要为电阻值的计算公式。串联时，总电阻值为所有检波器电阻之和，即R=∑Ri。并联时，总电阻的倒数为所有电阻倒数之和，即1/R=∑1/Ri。维修20DX检波器串的阻值不涉及到电容、电感等电路元件，只需使用串并联公式计算。

2.3 软件建模

软件选择以数据库为基础，建模方法采用以数据为中心的信息工程建模法。信息工程建模需要依次完成业务建模，逻辑建模以及物理建模。

业务建模完成软件具体业务描述。解析软件业务流程描述如图3所示。故障排除开始后，首先，选择检波器组串类型，便于软件调用相应组串类型的故障分析数据库。其次，采用三种主要测试方法测试检波器串故障状况，并将测试结果输入软件。再次，软件调取数据库信息做故障确定分析。此时出现两种可能：1)准确判断出故障原因，此时显示故障判断结果，并给出处理方案；2)无法准确判断出故障原因，此时进入处置故障循环，开始分析故障可能原因，并通过数据库给出相应最优处置方案。如果进入处置故障循环，维修人员继续按照数据库提供的最优处置方案使用三种主要测试方法对故障检波器串进行测试。故障测试完毕后，维修人员再次将测试结果输入软件。软件再次进入故障确定，并通过数据库分析后判断。如果仍无法得到具体故障原因，将进入下一轮处置故障循环，直到能得到具体故障原因为止。最后，得到并显示故障具体原因，完成故障排除流程。在整个故障排除流程中，维修人员只需按照软件给出的处置方案进行测试操作，并将测试结果提供给软件分析即可。

图3 故障解析流程图

逻辑建模将概念实体以及实体间关系进行数据库层次的逻辑化，主要使用实体-联系图显示。解析软件逻辑建模如图4所示。待修检波器串在选择组串方式后，进行相关检波器测试。通过对检波器串的极性、电阻值、通断状况测试，得到不同的测试结果。输入相关测试结果后，软件自动进行数据解析，并获取所有可能的解决方案。再通过软件对所有解决方案进行优化选择，找出耗费时间较少的最优解决方案，并将该解决方案通过图形、文字说明方式推荐给维修人员。

图4 软件E-R图

物理建模的关键问题是将逻辑建模落实到不同关系型数据库。解析软件在物理建模过程中，需要按照不同的检波器串组合方式建立独立的故障分析子数据库。子数据库统计该类型检波器串组合的各种检波器常规故障现象，然后按对应的检波器串实际电路示意图分析具体故障原因，并从所有故障解决方案中分析出对应的最优故障解决方案。软件将所有类型检波器组串的故障解析子数据库，都链接到故障分析数据总库列表里，便于分类及调用。

3 软件特点

3.1 访问方式友好

20DX检波器串故障解析软件的访问方式友好，在于选择浏览器作为访问数据库的方式。在野外简易环境里，浏览器作为访问方式具有以下优点：1)兼容性好。浏览器能兼容所有主流操作系统，包括Windows、Linux、Ios、Android。因此，浏览器能在电脑、平板、安卓手机、苹果手机等任意电子产品正常运行；2)易于升级。浏览器作为访问窗口，通过HTML文件进行数据库访问，每次只需升级更替相关故障分析数据库文件即可，方便数据库的扩充；3)野外适应性好。浏览器在作为窗口进行交互时，响应时间短、容错能力强、可靠性好、交互性好。

3.2 界面显示直观

解析软件的界面显示直观，体现在软件电路分析图的建立。在日常检波器串维修培训时，维修教材使用等效电路图作为电路分析图。由于等效电路图与实际电路示意图有较大差异，维修人员无法将真实故障与理论故障联系起来，培训效果差。解析软件的电路分析图选用实际电路示意图。以六串二并检波器串为例，等效电路示意图如图5所示，实际电路示意图如图6所示。等效电路示意图结构简单，能详细显示整个电路的芯体连接，但无法真实显示检波器芯体的导线连接状况。实际电路示意图结构详细，详细显示了检波器芯体、三种导线(火线、零线以及串线)。通过两种示意图的对比，由于实际电路示意图更能真实地显示检波器串电路结构，因此维修人员更容易理解，能快速等效应用于检波器串的维修操作。

图5 检波器串等效电路示意图

图6 检波器串实际电路示意图

3.3 扩展性强

解析软件的扩展性强基于数据库采用表格存储模式。表格存储提供HTTP Restful API，数据模型以二维表为中心。与传统数据库不同，表格存储的表具有更大的容量，每行可以有不同的列，可动态增加或减少属性列，建表时不需要为表属性定义严格的Schema。在功能上，表格存储提供较为基础的功能，但具有更好的规模扩展性，能支持更大的数据规模。伴随着检波器串组合方式的增多，解析软件数据库可以通过表格存储进行有效的数据扩展。

4 应用效果

4.1 软件应用效果

将20DX检波器串故障解析软件应用于两个勘探项目的检波器串维修，应用效果如图7所示。首先选择组串类型以及输入相关测试信息，然后调用数据库里有效数据，最后进行原因分析及解决方案说明，并将故障位置可视化地显示在实际电路示意图中。解析软件能帮助维修人员按电路示意图寻找到故障位置，描述故障原因，指导维修人员按故障说明进行维修操作。

图7 20DX检波器串故障解析软件应用效果图

4.2 项目应用效果

记录某三维勘探项目使用故障解析软件对500串检波器串维修工作的用时统计调查，见表2。通过对使用故障解析软件进行检波器串维修的前后对比，可知使用后冗余耗时和诊断耗时之和从总耗时的52%下降到34%，总耗时数也从404工时降低到293工时。使用故障解析软件后，检波器串维修效率大幅提高。

表2 使用故障解析软件后，500串六串四并检波器串维修累计耗时表

由对比分析得到使用解析软件的效果：1)检波器串的故障解析效率提高，冗余耗时及诊断耗时降低，所占总耗时比率也大幅减少；2)检波器串维修总耗时降低，效率得到有效提高；3)在使用非常规性检波器串项目中，维修效率提高得更加明显。

但是，解析软件仍存在问题需要改进：1)冗余耗时降低较少。这主要因为部分并发型故障，解析软件无法正确描述说明，导致维修人员在软件指示下做出错误操作。2)部分故障的解析仍依赖维修人员自身电路知识和维修经验。因为数据库里收录的故障解析方法不全，部分复杂故障软件无法解析。3)软件稳定性需要提高。在软件使用中，有时会出现内存溢出现象，导致软件锁死需要关闭进程重启。

5 结束语

基于检波器串电路原理而开发的20DX检波器串故障解析软件，遵循电路原理及规律，建立各种检波器串的串并联电路特性总结库，分析检波器串的故障类型及原因，提供最佳解决方案，操作简单，使用方便。故障解析软件在野外维修的应用，有效提高了检波器串维修效率，节约了野外维修的时间和经济成本，深受维修人员好评。

伴随大规模、高密度的地震勘探项目的增多，20DX检波器串的维修压力将进一步增大。面对地震勘探项目对提高20DX检波器串维修效率的迫切需求，故障解析软件具有进一步的开发价值。下一步，故障解析软件将从以下三个方面进行升级：1)软件将进一步增加故障样本数及相关解析方案，减少故障解析的“盲区”；2)软件将对故障做标准化描述，方便维修人员的理解；3)程序需要进一步优化，提高软件稳定性。