20DX檢波器串故障解析軟件開發(fā)

袁久春，樂 強，朱 勇，付 艷，李彥彰

(1.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司西南物探分公司 四川 成都 610213；2.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 四川 成都 610017)

0 引 言

模擬地震檢波器(Seismometer)廣泛應用于地質(zhì)勘探和工程測量領域，是將地面機械振動信號轉變?yōu)槟M電信號的傳感器。常規(guī)模擬地震檢波器包含動圈式、渦流式、壓電式、壓阻式等類型。陸上地震勘探項目中，主要使用的檢波器類型是動圈式。地球物理勘探項目使用的20DX系列動圈式地震檢波器通常以組合的形式在野外施工[1]。因為在儀器的道接收能力和去噪水平還不能滿足勘探要求的情況下，組合檢波器是提高地震數(shù)據(jù)信噪比的有效方法。國內(nèi)常用20DX系列檢波器組串方式主要為六串兩并、五串兩并、三串三并等。

目前，野外勘探項目中20DX系列動圈式地震檢波器串的維修具有以下四大特點：待修數(shù)量大，受檢波器串在野外連續(xù)施工時間長、“兩寬一高”的三維勘探項目增多而導致的使用數(shù)量增大、野外環(huán)境復雜等因素影響，待修檢波器串數(shù)量變大；耗費時間多，相對于單支檢波器，檢波器串由于外接線纜多、電路連接復雜，導致故障可能性增加，維修耗費時間；操作重復性高，檢波器串的維修方法主要為線纜焊接，維修方式單一；故障判斷規(guī)律性強，因為檢波器串是導線以串、并聯(lián)關系連接，故障判斷方法基于電路原理，有跡可循。

因此，如何利用檢波器串故障判斷規(guī)律性強的特點減少檢波器串維修時間，提高檢波器串維修效率，成為保障野外正常施工的一大難題。

1 現(xiàn)有方法的問題及解決方案

檢波器串的現(xiàn)有維修方法流程如圖1所示。1)故障排除準備：準備好故障排除使用的測試工具、維修工具，并清潔好待修檢波器串；2)測試待修檢波器串：使用萬用表測量檢波器串接頭的阻值及電路通斷、測量搖動檢波器產(chǎn)生的感應電流；3)診斷故障并給出解決方案：通過維修人員自身的電路知識，分析檢波器串的故障原因并給出解決方案；4)故障排除操作：按照分析的解決方法進行故障排除操作；5)判斷故障是否解決：通過萬用表測試檢波器串的阻值、感應電流方向是否正確；6)重復以上操作直至解決故障為止。

圖1 檢波器串現(xiàn)有維修流程圖

通過分析維修流程的耗時情況，檢波器串維修耗時主要由三部分組成：1)冗余耗時，即維修人員受電路知識限制而做出錯誤判斷并引起錯誤操作而導致的耗時；2)診斷耗時，即維修過程中判斷故障原因并得到解決方案所耗時間；3)操作耗時，即維修過程中花費在組裝、拆卸、焊接等操作上所耗時間。

某三維勘探項目采用現(xiàn)有方法進行500串檢波器串修復工作的耗時統(tǒng)計分析見表1，冗余耗時與診斷耗時之和約占總耗時的52%，成為總耗時的重要組成部分。冗余耗時與診斷耗時主要受維修人員的故障解析能力影響。維修人員采用現(xiàn)有方法進行檢波器串維修，受自身素質(zhì)影響無法快速分析檢波器串的電路錯誤原因并給出正確的解決方案，增加了維修過程中的額外耗時。因此，如何提高故障解析能力成為提高檢波器串維修效率的重要因素。

表1 常規(guī)方法500串六串四并檢波器串維修累計耗時表

2 程序構架和模型建立

為降低時間及經(jīng)濟成本，最大限度地提高故障解析能力，利用檢波器串故障判斷規(guī)律性強的特點，提出開發(fā)20DX檢波器串故障解析軟件的方案。解析軟件能對檢波器串進行電路仿真，在輸入測試信息后快速檢索數(shù)據(jù)庫里所有可能故障原因，給出診斷結果及最佳解決方案，確定故障位置，從而降低檢波器的冗余耗時及診斷耗時。

2.1 程序構架

20DX檢波器串故障解析軟件的開發(fā)架構選用分層架構[2]。分層架構具有結構簡單、架構明確、同一層面可編輯能力強、有利于標準化、降低系統(tǒng)間依賴性等特點。解析軟件的分層架構如圖2所示，分為用戶界面層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)庫。用戶界面層主要負責與維修人員互動。維修人員通過用戶界面層選擇檢波器串類型、輸入測試結果，而該層則輸出實際故障電路分析圖、分析原因及解決方案供維修人員參考。業(yè)務邏輯層是分層架構的關鍵層。它在用戶界面層與數(shù)據(jù)訪問層之間，起到數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。解析軟件的邏輯層主要用來分析判斷上一層用戶界面輸入的檢波器類型、測試結果，并給出分析邏輯到數(shù)據(jù)訪問層去具體執(zhí)行。數(shù)據(jù)訪問層主要負責數(shù)據(jù)提供，按邏輯層給出的指令去訪問故障分析數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要保存數(shù)據(jù)，包括各種串并聯(lián)關系的電路模型、故障分析及解決方案。解析軟件使用分層架構不僅能讓維修人員在最少的環(huán)節(jié)內(nèi)與數(shù)據(jù)庫進行有效交互，而且也方便數(shù)據(jù)庫根據(jù)不同的故障內(nèi)容進行擴展完善。

圖2 分層架構圖

2.2 數(shù)學建模

軟件的數(shù)學模型基于電路基礎。檢波器串的主要測試方法有三種：1)檢波器串的阻值，可判斷檢波器串的故障類型及狀況信息；2)單個檢波器搖動時感應電流的狀況，可以判斷該檢波器是否連入總體電路以及極性是否錯誤；3)檢波器導線的通斷狀況，可判斷接入導線是否存在斷路、短路故障。軟件在電路的基礎上建立數(shù)學模型，通過對電阻值的計算、電路通斷的判斷、感應電流方向的狀況來判斷故障位置。檢波器串維修時感應電流方向決定極性，電路通斷決定是否導通。解析軟件數(shù)學公式主要為電阻值的計算公式。串聯(lián)時，總電阻值為所有檢波器電阻之和，即R=∑Ri。并聯(lián)時，總電阻的倒數(shù)為所有電阻倒數(shù)之和，即1/R=∑1/Ri。維修20DX檢波器串的阻值不涉及到電容、電感等電路元件，只需使用串并聯(lián)公式計算。

2.3 軟件建模

軟件選擇以數(shù)據(jù)庫為基礎，建模方法采用以數(shù)據(jù)為中心的信息工程建模法。信息工程建模需要依次完成業(yè)務建模，邏輯建模以及物理建模。

業(yè)務建模完成軟件具體業(yè)務描述。解析軟件業(yè)務流程描述如圖3所示。故障排除開始后，首先，選擇檢波器組串類型，便于軟件調(diào)用相應組串類型的故障分析數(shù)據(jù)庫。其次，采用三種主要測試方法測試檢波器串故障狀況，并將測試結果輸入軟件。再次，軟件調(diào)取數(shù)據(jù)庫信息做故障確定分析。此時出現(xiàn)兩種可能：1)準確判斷出故障原因，此時顯示故障判斷結果，并給出處理方案；2)無法準確判斷出故障原因，此時進入處置故障循環(huán)，開始分析故障可能原因，并通過數(shù)據(jù)庫給出相應最優(yōu)處置方案。如果進入處置故障循環(huán)，維修人員繼續(xù)按照數(shù)據(jù)庫提供的最優(yōu)處置方案使用三種主要測試方法對故障檢波器串進行測試。故障測試完畢后，維修人員再次將測試結果輸入軟件。軟件再次進入故障確定，并通過數(shù)據(jù)庫分析后判斷。如果仍無法得到具體故障原因，將進入下一輪處置故障循環(huán)，直到能得到具體故障原因為止。最后，得到并顯示故障具體原因，完成故障排除流程。在整個故障排除流程中，維修人員只需按照軟件給出的處置方案進行測試操作，并將測試結果提供給軟件分析即可。

圖3 故障解析流程圖

邏輯建模將概念實體以及實體間關系進行數(shù)據(jù)庫層次的邏輯化，主要使用實體-聯(lián)系圖顯示。解析軟件邏輯建模如圖4所示。待修檢波器串在選擇組串方式后，進行相關檢波器測試。通過對檢波器串的極性、電阻值、通斷狀況測試，得到不同的測試結果。輸入相關測試結果后，軟件自動進行數(shù)據(jù)解析，并獲取所有可能的解決方案。再通過軟件對所有解決方案進行優(yōu)化選擇，找出耗費時間較少的最優(yōu)解決方案，并將該解決方案通過圖形、文字說明方式推薦給維修人員。

圖4 軟件E-R圖

物理建模的關鍵問題是將邏輯建模落實到不同關系型數(shù)據(jù)庫。解析軟件在物理建模過程中，需要按照不同的檢波器串組合方式建立獨立的故障分析子數(shù)據(jù)庫。子數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計該類型檢波器串組合的各種檢波器常規(guī)故障現(xiàn)象，然后按對應的檢波器串實際電路示意圖分析具體故障原因，并從所有故障解決方案中分析出對應的最優(yōu)故障解決方案。軟件將所有類型檢波器組串的故障解析子數(shù)據(jù)庫，都鏈接到故障分析數(shù)據(jù)總庫列表里，便于分類及調(diào)用。

3 軟件特點

3.1 訪問方式友好

20DX檢波器串故障解析軟件的訪問方式友好，在于選擇瀏覽器作為訪問數(shù)據(jù)庫的方式。在野外簡易環(huán)境里，瀏覽器作為訪問方式具有以下優(yōu)點：1)兼容性好。瀏覽器能兼容所有主流操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux、Ios、Android。因此，瀏覽器能在電腦、平板、安卓手機、蘋果手機等任意電子產(chǎn)品正常運行；2)易于升級。瀏覽器作為訪問窗口，通過HTML文件進行數(shù)據(jù)庫訪問，每次只需升級更替相關故障分析數(shù)據(jù)庫文件即可，方便數(shù)據(jù)庫的擴充；3)野外適應性好。瀏覽器在作為窗口進行交互時，響應時間短、容錯能力強、可靠性好、交互性好。

3.2 界面顯示直觀

解析軟件的界面顯示直觀，體現(xiàn)在軟件電路分析圖的建立。在日常檢波器串維修培訓時，維修教材使用等效電路圖作為電路分析圖。由于等效電路圖與實際電路示意圖有較大差異，維修人員無法將真實故障與理論故障聯(lián)系起來，培訓效果差。解析軟件的電路分析圖選用實際電路示意圖。以六串二并檢波器串為例，等效電路示意圖如圖5所示，實際電路示意圖如圖6所示。等效電路示意圖結構簡單，能詳細顯示整個電路的芯體連接，但無法真實顯示檢波器芯體的導線連接狀況。實際電路示意圖結構詳細，詳細顯示了檢波器芯體、三種導線(火線、零線以及串線)。通過兩種示意圖的對比，由于實際電路示意圖更能真實地顯示檢波器串電路結構，因此維修人員更容易理解，能快速等效應用于檢波器串的維修操作。

圖5 檢波器串等效電路示意圖

圖6 檢波器串實際電路示意圖

3.3 擴展性強

解析軟件的擴展性強基于數(shù)據(jù)庫采用表格存儲模式。表格存儲提供HTTP Restful API，數(shù)據(jù)模型以二維表為中心。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫不同，表格存儲的表具有更大的容量，每行可以有不同的列，可動態(tài)增加或減少屬性列，建表時不需要為表屬性定義嚴格的Schema。在功能上，表格存儲提供較為基礎的功能，但具有更好的規(guī)模擴展性，能支持更大的數(shù)據(jù)規(guī)模。伴隨著檢波器串組合方式的增多，解析軟件數(shù)據(jù)庫可以通過表格存儲進行有效的數(shù)據(jù)擴展。

4 應用效果

4.1 軟件應用效果

將20DX檢波器串故障解析軟件應用于兩個勘探項目的檢波器串維修，應用效果如圖7所示。首先選擇組串類型以及輸入相關測試信息，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫里有效數(shù)據(jù)，最后進行原因分析及解決方案說明，并將故障位置可視化地顯示在實際電路示意圖中。解析軟件能幫助維修人員按電路示意圖尋找到故障位置，描述故障原因，指導維修人員按故障說明進行維修操作。

圖7 20DX檢波器串故障解析軟件應用效果圖

4.2 項目應用效果

記錄某三維勘探項目使用故障解析軟件對500串檢波器串維修工作的用時統(tǒng)計調(diào)查，見表2。通過對使用故障解析軟件進行檢波器串維修的前后對比，可知使用后冗余耗時和診斷耗時之和從總耗時的52%下降到34%，總耗時數(shù)也從404工時降低到293工時。使用故障解析軟件后，檢波器串維修效率大幅提高。

表2 使用故障解析軟件后，500串六串四并檢波器串維修累計耗時表

由對比分析得到使用解析軟件的效果：1)檢波器串的故障解析效率提高，冗余耗時及診斷耗時降低，所占總耗時比率也大幅減少；2)檢波器串維修總耗時降低，效率得到有效提高；3)在使用非常規(guī)性檢波器串項目中，維修效率提高得更加明顯。

但是，解析軟件仍存在問題需要改進：1)冗余耗時降低較少。這主要因為部分并發(fā)型故障，解析軟件無法正確描述說明，導致維修人員在軟件指示下做出錯誤操作。2)部分故障的解析仍依賴維修人員自身電路知識和維修經(jīng)驗。因為數(shù)據(jù)庫里收錄的故障解析方法不全，部分復雜故障軟件無法解析。3)軟件穩(wěn)定性需要提高。在軟件使用中，有時會出現(xiàn)內(nèi)存溢出現(xiàn)象，導致軟件鎖死需要關閉進程重啟。

5 結束語

基于檢波器串電路原理而開發(fā)的20DX檢波器串故障解析軟件，遵循電路原理及規(guī)律，建立各種檢波器串的串并聯(lián)電路特性總結庫，分析檢波器串的故障類型及原因，提供最佳解決方案，操作簡單，使用方便。故障解析軟件在野外維修的應用，有效提高了檢波器串維修效率，節(jié)約了野外維修的時間和經(jīng)濟成本，深受維修人員好評。

伴隨大規(guī)模、高密度的地震勘探項目的增多，20DX檢波器串的維修壓力將進一步增大。面對地震勘探項目對提高20DX檢波器串維修效率的迫切需求，故障解析軟件具有進一步的開發(fā)價值。下一步，故障解析軟件將從以下三個方面進行升級：1)軟件將進一步增加故障樣本數(shù)及相關解析方案，減少故障解析的“盲區(qū)”；2)軟件將對故障做標準化描述，方便維修人員的理解；3)程序需要進一步優(yōu)化，提高軟件穩(wěn)定性。