基于C#.NET的地震數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉 穎，庹先國(guó),,，劉 勇,,

(1.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643002；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

基于C#.NET的地震數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉 穎1，庹先國(guó)1,2,3，劉 勇1,2,3

(1.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621010；2.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢643002；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059)

針對(duì)大規(guī)模地震勘探過程中軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)和處理能力不足等問題，基于復(fù)雜環(huán)境多波地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出了一種搭載于Linux中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、面向Windows系統(tǒng)的輕量級(jí)地震數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)方案。通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心模式、多線程處理機(jī)制和對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，利用服務(wù)器完成各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)等核心工作，憑借Windows系統(tǒng)終端軟件與服務(wù)器的交互，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)快速回放、分析處理等功能，構(gòu)建了統(tǒng)一、高品質(zhì)、實(shí)用性好的地震勘探數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和軟件集成平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，該軟件能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)短，對(duì)硬件環(huán)境沒有特殊的要求，并且具有良好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性及擴(kuò)展性,可以滿足分布式多道地震勘探需求。

地震； 數(shù)據(jù)采集； 軟件設(shè)計(jì)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 遠(yuǎn)程控制； 實(shí)時(shí)處理； 通信協(xié)議

0 引言

地震勘探是查明地下地質(zhì)構(gòu)造的有效的方法之一，在油氣藏勘探中應(yīng)用極其廣泛。目前在工程領(lǐng)域中，為了提高分辨率，勘探設(shè)備節(jié)點(diǎn)的分布越來越密集，采集數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)，這就要求軟件系統(tǒng)能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、高質(zhì)量處理[1]。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理，一直是地震軟件技術(shù)研究的重要課題[2]。

為實(shí)現(xiàn)地震勘探設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和地震數(shù)據(jù)處理效率的提升，本文在成功自主研制分布式地震數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了中心服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案和終端軟件設(shè)計(jì)方案。該方案利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理，結(jié)合多線程并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，終端軟件通過與服務(wù)器交互實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而為整個(gè)地震勘探系統(tǒng)提供有效的操作平臺(tái)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1采集控制系統(tǒng)組成

采集控制系統(tǒng)由采集網(wǎng)絡(luò)、中央服務(wù)器和終端軟件三種主體成分構(gòu)成，相互間均采用網(wǎng)絡(luò)電纜連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

終端軟件是用戶主控制臺(tái)，它通過操作指令與中央服務(wù)器進(jìn)行交互。中央服務(wù)器是“實(shí)際工作”模塊。服務(wù)器等待控制中心的連接，接收上位機(jī)軟件發(fā)送的命令并轉(zhuǎn)發(fā)到各采集站，同時(shí)利用各節(jié)點(diǎn)上的文件服務(wù)器完成采集站數(shù)據(jù)文件的收集。因此，服務(wù)器也能充當(dāng)客戶端的角色。采集網(wǎng)絡(luò)中眾多采集節(jié)點(diǎn)接收其他主機(jī)的連接請(qǐng)求，然后根據(jù)指令執(zhí)行控制操作，將檢波器上的傳感器數(shù)據(jù)整合成為固定格式文件。

1.2軟件功能設(shè)計(jì)

終端軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的采集控制，快速可視化以及相關(guān)處理操作。軟件運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒃谲浖缑孢x擇多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行采集參數(shù)配置，包含采樣方式選擇、采樣間隔和采樣長(zhǎng)度的設(shè)置，以完成采集控制操作。終端軟件收集從服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)信息，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理，再以圖像形式展示。

2 軟件的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)

終端軟件以VisualStudio2015作為軟件開發(fā)工具，基于C#.NET平臺(tái)開發(fā)，服務(wù)器在安裝有debian系統(tǒng)的工控機(jī)上運(yùn)行。

2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心模式設(shè)計(jì)

在地震數(shù)據(jù)勘探過程中，文件數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)主要的功能。終端軟件發(fā)起對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的操作，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

采集過程涵蓋有指令、狀態(tài)、信息傳輸和文件傳輸[3]，分別對(duì)應(yīng)通信長(zhǎng)鏈路和文件傳輸鏈路。服務(wù)器服務(wù)模型如圖2所示。

圖2 服務(wù)器服務(wù)模型

信號(hào)采集時(shí)，終端軟件首先創(chuàng)建TcpClient對(duì)象，請(qǐng)求連接到服務(wù)器的IP地址和端口，中央服務(wù)器的Netty服務(wù)框架在3333端口提供通信服務(wù)。終端軟件按協(xié)議封裝帶有參數(shù)設(shè)置信息和采集控制指令的字符串，通過BeginWrite方法發(fā)送至服務(wù)器；中央服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析提取關(guān)鍵信息，通過Netty服務(wù)框架下的ChannelHandlerAdapter向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信長(zhǎng)鏈接請(qǐng)求，然后轉(zhuǎn)發(fā)給采集站。采集站收到指令后，按照指令對(duì)應(yīng)的方式采集數(shù)據(jù)，同時(shí)通過原鏈接返回狀態(tài)信息至服務(wù)器，并告知服務(wù)器準(zhǔn)備收集數(shù)據(jù)文件。服務(wù)器對(duì)收集到的采集網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行整理更新，并向采集站發(fā)起文件傳輸請(qǐng)求，從各節(jié)站獲取數(shù)據(jù)文件[4]。采集站在21端口號(hào)上提供Ftp服務(wù)。而憑借中央服務(wù)器Tomcat容器提供Jfinal Java Web服務(wù)，終端軟件可以在任何時(shí)候通過訪問服務(wù)器獲得采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)文件。

json協(xié)議格式如表1所示。

表1 json協(xié)議格式

表1中，中心服務(wù)器返回的協(xié)議格式結(jié)構(gòu)中在“cmd”和“data”加入了“status”字段，用于記錄“true”或“false”標(biāo)志。

根據(jù)數(shù)據(jù)形成的不同階段，將數(shù)據(jù)分為原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、留存數(shù)據(jù)。地震數(shù)據(jù)傳輸模型[5]如圖3所示。在整個(gè)模型中，數(shù)據(jù)庫(kù)的CURD操作都由數(shù)據(jù)服務(wù)器完成。

圖3 地震數(shù)據(jù)傳輸模型圖

原始數(shù)據(jù)采用簡(jiǎn)單的地震數(shù)據(jù)記錄格式，每個(gè)文件僅含有128B的文件描述塊，以及由1個(gè)三分量檢波器采集到的3道數(shù)據(jù)。服務(wù)器獲取原始數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過預(yù)處理提升地震數(shù)據(jù)信號(hào)拾取的完整性和準(zhǔn)確性，然后提取道頭中的信息生成數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中[6]。終端軟件在需要獲取數(shù)據(jù)時(shí)，向服務(wù)器發(fā)送獲取文件索引指令，服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索。如果存在索引，即直接根據(jù)搜索到的索引信息通知終端軟件；如果未找到索引，則需先由服務(wù)器嘗試從相應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)獲取原始數(shù)據(jù)[7]，再由終端軟件利用http服務(wù)訪問服務(wù)器上存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)采集站地址的數(shù)據(jù)，加工處理形成標(biāo)準(zhǔn)格式的成果數(shù)據(jù)。

2.2多線程處理機(jī)制

上位機(jī)與服務(wù)器的操作指令和數(shù)據(jù)文件的傳輸過程中，使用線程來執(zhí)行耗時(shí)較長(zhǎng)的I/O操作效率并不高，因此在需要處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，使用異步操作比使用線程+同步I/O操作更合適[8]。終端軟件和服務(wù)器連通后，終端軟件將封裝好的json協(xié)議字符串轉(zhuǎn)成規(guī)定格式的報(bào)文，通過NetworkStream的BeginWrite方法將指令發(fā)送到服務(wù)器上，開啟1個(gè)數(shù)據(jù)寫線程和1個(gè)異步線程AsyncCallback(sendCallback)，等待接收服務(wù)器的返回信息。一旦檢測(cè)到服務(wù)器有消息傳回，程序就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)sendCallback。在sendCallback中，采用EndWrite方法結(jié)束數(shù)據(jù)寫線程，然后用BeginRead方法開啟1個(gè)數(shù)據(jù)讀線程和1個(gè)異步線程AsyncCallback(receiveCallback)。該線程開始讀取服務(wù)器返回信息，同時(shí)執(zhí)行receiveCallback方法，對(duì)報(bào)文格式進(jìn)行解析，再根據(jù)需要進(jìn)行顯示或處理。被開啟線程不能一直處于等待狀態(tài)，超過一定時(shí)間的線程應(yīng)自動(dòng)釋放。通過線程控制類的Monitor方法可以快速通知等待隊(duì)列中鎖定對(duì)象狀態(tài)的更改情況，保證軟件的性能不受影響。

2.3地震數(shù)據(jù)的歸一化回放

地震數(shù)據(jù)以文件的形式被保存之后，需要以直觀的形式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)采取歸一化回放方式[9]，以整體歸一化和各道歸一化2種形式顯示，能以縮放形式改變?cè)鲆婧头取ｋ妷悍当硎久康罃?shù)據(jù)中單位長(zhǎng)度所代表的電壓差距值。

每個(gè)記錄點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓值為：

(1)

式中：N為采集站ADC的位數(shù)；UR為參考電壓；D為單道記錄數(shù)據(jù)段中每個(gè)32位定點(diǎn)數(shù)表示的無符號(hào)整形數(shù)值。

增益為：

(2)

式中：Umax為單道記錄中最大絕對(duì)值電壓。

當(dāng)各道歸一化顯示時(shí)，每一道的波形都有各自不同的增益。整體歸一化時(shí)，需要先提取各道中的最小增益值，然后按此增益數(shù)字顯示每道數(shù)據(jù)。此時(shí)，相對(duì)電壓值為：

(3)

增益縮放時(shí)，改變后的增益為：

(4)

式中：n的絕對(duì)值為縮放次數(shù)，正數(shù)表示放大，負(fù)數(shù)表示縮小。

使用ZedGraph5.1圖形控件繪圖，將歸一化后的數(shù)據(jù)點(diǎn)添加至PointPairList數(shù)據(jù)集。每道數(shù)據(jù)共繪制3條curveList曲線：1條用于完整線條的平滑顯示，其上附帶有顯示增益和幅度的標(biāo)簽，另外2條通過Fill填充函數(shù)和isVisible屬性控制左右填充的切換，以直觀地展示電壓正負(fù)值間的差別。利用坐標(biāo)適應(yīng)方法AxisChange() 與更新方法Refresh()，可在圖形面板上快速、流暢地顯示數(shù)據(jù)變動(dòng)的情況。

2.4地震波形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控流程包含采集控制的多項(xiàng)工作，具體如圖4所示。終端軟件以s為單位向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而服務(wù)器搜索到此時(shí)刻采集到的地震數(shù)據(jù)文件，終端軟件訪問此文件并實(shí)現(xiàn)波形顯示[10]。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)于某野外地震勘探環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)，在采集網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)90個(gè)有線采集站，連續(xù)采集地震數(shù)據(jù)，采樣率為4kHz。終端軟件每隔2s根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次刷新顯示，共耗時(shí)2h。在測(cè)試過程中，終端軟件能夠正常、穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)異常，能很好地完成整個(gè)采集的控制和協(xié)調(diào)管理工作。根據(jù)地震數(shù)據(jù)文件中記錄的節(jié)點(diǎn)采集結(jié)束時(shí)間戳，對(duì)終端軟件波形顯示完成時(shí)刻和文件中采集結(jié)束時(shí)刻的差距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。某采集站的數(shù)據(jù)采集時(shí)延記錄曲線如圖5所示。其中，最大時(shí)延為102ms，平均時(shí)延為81.6ms，通信速率穩(wěn)定，數(shù)據(jù)吞吐率最高約為4.5Mb/s。運(yùn)行終端軟件的便攜式計(jì)算機(jī)的CPU為Intel(R)Core(TM)i5系列，軟件運(yùn)行時(shí)，CPU占用率在25%附近波動(dòng)，性能表現(xiàn)良好,能滿足地震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

圖5 數(shù)據(jù)采集時(shí)延記錄曲線

4 結(jié)束語

分布式地震勘探中采集節(jié)點(diǎn)眾多，并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)量大，對(duì)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)并行處理能力提出了較高的要求。本文對(duì)基于C#.NET的輕量級(jí)地震數(shù)據(jù)采集終端軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)中心模式、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)與傳輸，并通過多線程并行處理技術(shù)和ZedGraph5.1繪圖控件，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模地震勘探中遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)的快速回放。經(jīng)過功能測(cè)試和性能測(cè)試，軟件性能表現(xiàn)良好，其處理效率和實(shí)時(shí)性均能滿足應(yīng)用需求。

[1] 陸基孟.地震勘探原理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社，2001：1-4.

[2] 周杰,宋克柱,曹平,等.高精度地震采集系統(tǒng)中的主控軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010(4)：229-232.

[3] 謝俊宇.陸用地震勘探系統(tǒng)中央工作站軟件系統(tǒng)的研制[D].南京：南京理工大學(xué),2016.

[4] 李旭,童喬凌.高分辨率無線分布式淺層地震儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(4):88-92.

[5]HUANGZ,MOHAMMEDE.Applicationofdatabasetechnologyinthesoftwareofseismicdataacquisition[J].BritishJournalofAppliedScience&Technology,2015,7(1):31-36.

[6]RINGLERAT,HAGERTYMT,HOLLANDJ,etal.Thedataqualityanalyzer:Aqualitycontrolprogramforseismicdata[J].Computers&Geosciences,2015(3):96-111.

[7] 趙利慶.JavaWeb架構(gòu)中數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化模式的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2015.

[8] 王立峰.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué),2012.

[9] 杜赫然.基于ARM的集中式地震儀主控系統(tǒng)研發(fā)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2016.

[10]張曉普，林君，楊泓淵，等.基于無線網(wǎng)絡(luò)的無纜地震儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(2):49-53.

DesignandImplementationofTerminalSoftwarefor Seismic DataAcquisitionBasedonC#.NET

LIU Ying1,TUO Xianguo1,2,3,LIU Yong1,2,3

(1.Key Discipline Laboratory for National Defence on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology,Mianyang621010,China;2.School of Automation and Electronic Information,Sichuan University of Science & Engineering,Zigong643002,China；3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China)

In view of the insufficient capability of the software system for real-time response and handling in exploration process of large scale seismic,on the basis of the complex environmental multi-wave seismic data acquisition system,and based on Linux center data storage server,the Windows-oriented design strategy for the terminal software of lightweight seismic data acquisition control system is proposed.By virtue of the data storage center mode,multi-thread mechanism,and the operation of database,the core works such as data collection and storage of each node are completed by using the server,with help of the interaction of Windows system terminal software and server,the functions of data acquisition,including remote control,data fast playback,analysis and processing are realized; a unified,high-quality,practical seismic exploration data management platform and software integration platform are constructed.The test results indicate that the software is sustainable stable,with short data transmission delay; no special hardware is requested,and features excellent adaptability,stability and expansibility.The requirement of distributed multi-channel seismic exploration can be well satisfied.

Earthquake; Data acquisition; Software design; Data storage; Remote control; Real-time processing; Communication protocol

TH76;TP311

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710018

修改稿收到日期:2017-04-24

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(41227802)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41604088)、國(guó)家自然科學(xué)基金應(yīng)急管理資助項(xiàng)目(41641041)

劉穎(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的研究。E-mailliuyingmvp@qq.com。

庹先國(guó)(通信作者)，男，博士，教授，主要從事地球物理勘探方法、電子學(xué)儀器的研制和相關(guān)技術(shù)的研究工作。

E-mail:tuoxg@swust.edu.cn。