深井應(yīng)變地震儀一體化軟件設(shè)計(jì)

陳玉秀+夏界寧+羅松

摘要：為了方便野外安裝人員和科研人員收集與分析深井應(yīng)變地震儀數(shù)據(jù)，基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和儀器網(wǎng)頁功能調(diào)用的一體化軟件。該軟件能夠快速采集到連接在局域網(wǎng)深井應(yīng)變地震儀的數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：深井應(yīng)變地震儀；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；數(shù)據(jù)分析；一體化軟件；LabVIEW

DOIDOI：10.11907/rjdk.171316

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0086-03

0 引言

地殼應(yīng)力狀態(tài)是地殼最重要的特征之一。地殼表面和內(nèi)部發(fā)生的各種構(gòu)造現(xiàn)象及與之相關(guān)的地震、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害都與地殼構(gòu)造應(yīng)力場及其變化密切相關(guān)[1]。隨著人類社會(huì)工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化高度發(fā)展，各種交通、工業(yè)等人為噪音，加上地球表面效應(yīng)，嚴(yán)重干擾了傳統(tǒng)地面地震與地球物理觀測結(jié)果，使微小地震和來自地下微弱的地球物理信息混雜在高噪音背景下無法辨認(rèn)、識(shí)別，因此建立深井長期觀測站成為必要。深井長期觀測可以有效排除各種地面噪聲干擾，直接監(jiān)視超高壓變質(zhì)帶現(xiàn)代巖石圈地殼運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部物理場變化狀況，研究其動(dòng)力學(xué)規(guī)律，為研究大陸內(nèi)陸板塊造山帶運(yùn)動(dòng)、板內(nèi)地震活動(dòng)以及地球物理場的長期變化，為我國資源開發(fā)、環(huán)境開發(fā)、地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防以及研究大陸內(nèi)部巖石圈構(gòu)造、地震發(fā)生機(jī)制等提供科學(xué)依據(jù)[2]。

客戶端一體化軟件根據(jù)深井應(yīng)變地震儀內(nèi)部數(shù)據(jù)采集儀的協(xié)議《地震前兆臺(tái)網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)規(guī)程》[3]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和調(diào)用儀器網(wǎng)頁功能的一體化軟件，該軟件為野外安裝人員和科研人員收集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)提供了方便。

本軟件采用的編程環(huán)境是LabVIEW，它是美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的一種圖形化編程環(huán)境，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，而且還內(nèi)置了便于應(yīng)用.NET、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。與使用VC++進(jìn)行軟件開發(fā)相比，使用LabVIEW開發(fā)軟件不需要從底層編程，能夠使用模塊函數(shù)，可以大大減輕工作量，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

1 軟件結(jié)構(gòu)

客戶端一體化軟件包含4個(gè)子系統(tǒng)：采集子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和儀器網(wǎng)頁子系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，在程序架構(gòu)上采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，消費(fèi)者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。用戶菜單采用了事件結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和儀器網(wǎng)頁子系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)調(diào)用模式，通過菜單啟動(dòng)這兩個(gè)子系統(tǒng)，不使用時(shí)關(guān)閉，釋放系統(tǒng)內(nèi)存。

1.1 采集子系統(tǒng)

客戶端采集子系統(tǒng)可以同時(shí)采集連在同一個(gè)局域網(wǎng)的深井應(yīng)變地震儀的數(shù)據(jù)，它們之間的數(shù)據(jù)通信采用了基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。數(shù)據(jù)傳輸采用基于SOCKET連接的HTTP協(xié)議，支持指令方式和網(wǎng)頁方式。指令方式是設(shè)備端直接響應(yīng)客戶端指令；網(wǎng)頁方式是指在設(shè)備端的HTTP服務(wù)有相應(yīng)的網(wǎng)頁可提供客戶瀏覽器進(jìn)行頁面調(diào)用和解釋。無論哪種方式，設(shè)備端都可以接受數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求將測量數(shù)據(jù)傳送到客戶端，因此客戶端通過獲取設(shè)備的狀態(tài)信息、運(yùn)行日志、屬性信息和告警信息從而獲知設(shè)備工作狀況[3]。

在客戶端采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)控制的通信機(jī)理是：深井應(yīng)變地震儀作為一個(gè)從機(jī)，客戶端軟件作為一個(gè)主機(jī)，每個(gè)從機(jī)擁有自己固定的IP地址，由主機(jī)控制完成每一次通信，開始時(shí)所有從機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機(jī)呼叫。當(dāng)主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出某一從機(jī)地址時(shí)，所有從機(jī)接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符，則發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，并準(zhǔn)備接收后面的命令和數(shù)據(jù)；否則不應(yīng)答。當(dāng)主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答后，則開始一次通信。通信完畢，從機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài)。

客戶端軟件發(fā)送獲取實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)指令，深井應(yīng)變地震儀主動(dòng)將采樣的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向客戶端軟件發(fā)送，這些數(shù)據(jù)不僅包含水平的北南分量、北西分量、東西分量、北東分量，也包含水位分量和氣壓分量的數(shù)據(jù)[4]，這些數(shù)據(jù)在軟件的界面上用波形圖表控件顯示?？蛻舳塑浖部梢酝ㄟ^發(fā)送控制指令和設(shè)備監(jiān)視指令，如設(shè)備工作參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)信息、運(yùn)行日志、工作參數(shù)、屬性信息等，深井應(yīng)變地震儀會(huì)根據(jù)這些指令返回執(zhí)行結(jié)果。

深井應(yīng)變地震儀將每天采集的24小時(shí)測量數(shù)據(jù)和日志存放在SD卡里，這些數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)頁方式進(jìn)行手動(dòng)下載，也可以通過客戶端軟件自動(dòng)下載?？蛻舳塑浖€可以根據(jù)實(shí)際需要以TDMS格式手動(dòng)保存實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)

在主界面顯示指定連在局域網(wǎng)里任意一臺(tái)深井應(yīng)變地震儀的6個(gè)分量的實(shí)時(shí)曲線、臺(tái)站代碼、設(shè)備ID、經(jīng)度、緯度和高程等信息。采用了LabVIEW自帶的波形顯示控件對(duì)波形進(jìn)行顯示，橫坐標(biāo)為采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)參數(shù)實(shí)測的值，并在表格中顯示每個(gè)分量的最大值、最小值、峰峰值。通過菜單可以開始和停止實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，保存和取消實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，界面的保存指示燈會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的顏色變化。

1.3 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)包含查看文件、文件合并、數(shù)據(jù)提取、數(shù)學(xué)計(jì)算、平滑濾波、去零漂等功能。

（1）文件查看?？梢圆榭礆v史的TDMS文件格式數(shù)據(jù)、分采樣EPD文件格式數(shù)據(jù)、秒采樣SEC文件格式數(shù)據(jù)和日志文件。

（2）文件合并。如圖1所示，可以將秒數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)、整點(diǎn)值、日均值按照時(shí)間順序合并起來，如果中間有數(shù)據(jù)斷掉，則在波形顯示界面上也要相應(yīng)斷開。

（3）數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)提取是根據(jù)需要，截取相應(yīng)時(shí)間長度的數(shù)據(jù)保存為txt文本數(shù)據(jù)，每個(gè)分量為一列數(shù)據(jù)，加一列時(shí)間數(shù)據(jù)，一共有七列數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)提取主要供科研人員使用，進(jìn)一步分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)預(yù)處理。原始數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析之前，必須進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括平滑濾波和去零漂。平滑濾波是將波形的毛刺去掉，本軟件設(shè)計(jì)采取了中值濾波，因?yàn)橹兄禐V波在抑制隨機(jī)噪聲的同時(shí)不使邊沿模糊。

儀器安裝初期，井下探頭與井壁耦合水泥固化井孔應(yīng)力的調(diào)整和井水水位下降可能是造成儀器漂移的主要原因[5]。

去零漂是指利用最小二乘辦法將數(shù)據(jù)擬合成一條直線，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)減去該直線所表征的線性趨勢。假如有n個(gè)數(shù)據(jù)（Xi，Yi），利用最小二乘擬合直線Y=aX+b。其中斜率為：

（5）數(shù)學(xué)計(jì)算。如圖3（a）所示，數(shù)學(xué)計(jì)算是將北南分量和東西分量相加，北西和北東分量相加，再加上原來的4個(gè)方向分量，一共有6條曲線。通過對(duì)曲線進(jìn)行拖拽，可以把北南分量、東西分量。以及兩者之和3條曲線放在一個(gè)波形圖框里一起比較。同樣地， 也可以把北西分量、北東分量以及兩者相加之和的3條曲線放在一個(gè)波形圖框里一起比較 （見圖3（b））[6]，附上labview自帶的縮放、滾動(dòng)、開窗放大和游標(biāo)等小工具，便于對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4 儀器網(wǎng)頁子系統(tǒng)

利用LabVIEW的ActiveX控件調(diào)用Webbrowser訪問深井應(yīng)變地震儀遠(yuǎn)程網(wǎng)頁，通過點(diǎn)擊儀器主頁的各鏈接來對(duì)儀器進(jìn)行操作，儀器主頁可以進(jìn)行用戶管理并查詢儀器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、表述參數(shù)、測量參數(shù)、標(biāo)定信息等；儀器控制可以設(shè)置儀器的臺(tái)站代碼、測項(xiàng)代碼、臺(tái)站位置坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)通信、啟動(dòng)標(biāo)定、SNTP對(duì)時(shí)、手動(dòng)對(duì)時(shí)、儀器復(fù)位等；除此之外，還可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并下載數(shù)據(jù)[7]。

2 軟件應(yīng)用

深井應(yīng)變地震儀一體化軟件研發(fā)成功后，已經(jīng)在云南地區(qū)安裝試運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。野外安裝人員通過軟件把監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存下來，并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，查看設(shè)備的運(yùn)行情況；科研人員通過下載歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)研究。軟件應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果，具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

本軟件為深井應(yīng)變地震儀采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和及時(shí)分析數(shù)據(jù)提供了實(shí)用的工具，為野外安裝人員和科研人員提供了有效的輔助。系統(tǒng)采用了一致的用戶界面，操作簡單、方便易用。實(shí)際應(yīng)用表明，深井應(yīng)變地震儀一體化軟件具有可靠性和操作性，實(shí)用價(jià)值較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽祖熙，張宗潤，舒桂林.中國西部鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)工作回顧與前瞻[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（23）：4058-4062.

[2]徐紀(jì)人，趙志新.深井地球物理長期觀測的最新進(jìn)展及其前景[J].地球科學(xué)，2006，31（4）：557-563.

[3]地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測工程研究中心.地震前兆臺(tái)網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國地震局，2004.

[4]王梅，毛玉華，孔向陽，等.數(shù)字化體應(yīng)變觀測資料的調(diào)和分析[J].地震研究，2005，28（1）：24-27.

[5]段莉莉，段立新.鉆孔應(yīng)變觀測干擾及異常分析[J].地震地磁觀測與研究，2013，34（3/4）：122-127.

[6]池順良，池毅，鄧濤，等.從5.12汶川地震前后分量應(yīng)變儀觀測到的應(yīng)變異?？唇ㄔO(shè)密集應(yīng)變觀測網(wǎng)絡(luò)的必要性[J].國際地震動(dòng)態(tài)，2009，361（1）：1-13.

[7]鄧濤，廖成旺，歐同庚，等.嵌入式地震前兆觀測儀器網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（3）：118-122.

（責(zé)任編輯：孫 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(guān)鍵詞Key Words： Deep-hole Strain Seismograph； Real-time Data Collection； Data Analysis； Integration Software； LabVIEW