地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文浩賢，杜 勝，張 典，陸承達(dá)*，吳 敏

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.復(fù)雜系統(tǒng)先進(jìn)控制與智能自動(dòng)化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.地球探測(cè)智能化技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

國家高度重視深部地質(zhì)資源的勘探。由于淺部資源的匱乏，未來勘探對(duì)象必將更加隱蔽，地質(zhì)條件更加復(fù)雜［1］。深部地質(zhì)鉆探過程中，地層復(fù)雜多變，為保證鉆進(jìn)過程安全高效進(jìn)行，有必要對(duì)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)。大量的鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)為鉆孔作業(yè)的順利進(jìn)行提供了有效的支持［2］，區(qū)域性數(shù)據(jù)對(duì)于地質(zhì)鉆探過程控制向智能控制發(fā)展具有重要意義。

目前大多數(shù)地質(zhì)鉆探條件苛刻，實(shí)際工程中所使用的鉆機(jī)和設(shè)備自動(dòng)化與智能化水平低，導(dǎo)致對(duì)于孔下數(shù)據(jù)無法獲取，只能通過監(jiān)測(cè)井上設(shè)備的參數(shù)變化來判斷鉆探工況［3］。地質(zhì)鉆探工程當(dāng)前依賴于工人在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)各設(shè)備儀器上的數(shù)據(jù)，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)調(diào)整對(duì)應(yīng)參數(shù)，以防止卡鉆、斷鉆具、井漏等故障發(fā)生。此類傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法不僅拘束于需要人工長期對(duì)設(shè)備儀器監(jiān)視，且在鉆進(jìn)過程工況突變時(shí)難以立刻做出判斷和調(diào)整。

針對(duì)鉆進(jìn)過程的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，國內(nèi)外已有部分學(xué)者進(jìn)行了深入研究，主要涉及鉆進(jìn)過程工況識(shí)別、故障診斷、事故預(yù)警和鉆速預(yù)測(cè)。范海鵬等［4］基于支持向量機(jī)建立鉆進(jìn)工況識(shí)別模型，對(duì)鉆進(jìn)工況進(jìn)行識(shí)別。胡英才［5］基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鉆進(jìn)過程事故發(fā)生時(shí)的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井漏、井涌等井下故障的診斷。Li 等［6-7］針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間尺度特性提出地質(zhì)鉆探過程井下事故診斷模型，并基于多元廣義高斯分布和Kullback-Leibler 散度實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過程的早期故障檢測(cè)［8］。孫合輝等［9］建立了多工況下溢流發(fā)生的貝葉斯預(yù)警模型。Zhang 等［10］挖掘鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的時(shí)序特性，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立鉆進(jìn)過程井漏井涌事故預(yù)警模型［11］。Gan 等［12-13］建立了智能鉆速預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同地層的鉆速智能優(yōu)化。

雖然上述方法能較好地為鉆進(jìn)過程提供智能監(jiān)測(cè)，但由于此類方法需要利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建模，條件較為苛刻。而一般實(shí)際地質(zhì)鉆探過程都將工業(yè)電腦部署于現(xiàn)場(chǎng)，專家每次進(jìn)行控制策略的更改都需前往現(xiàn)場(chǎng)，使得鉆進(jìn)過程智能決策極為不便。對(duì)此，設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)工況查詢、數(shù)據(jù)分析以及故障預(yù)警十分有必要。

國內(nèi)外鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究已有較多成果。Sekal 公司開發(fā)DrillScene 鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)上的數(shù)據(jù)［14］；梁海波等［2］設(shè)計(jì)開發(fā)了一套針對(duì)煤層氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了部分煤井參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

但上述系統(tǒng)是基于石油鉆探以及煤井作業(yè)機(jī)理進(jìn)行開發(fā)，是針對(duì)單一類型井進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)參數(shù)與設(shè)計(jì)功能適用范圍狹窄，難以滿足地質(zhì)鉆探過程需求。目前現(xiàn)有的鉆進(jìn)過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多局限于單鉆孔的監(jiān)測(cè)，單鉆孔數(shù)據(jù)使得專家缺乏科學(xué)決策的多源數(shù)據(jù)，不利于控制策略的設(shè)計(jì)。此外，大多數(shù)鉆進(jìn)過程監(jiān)控系統(tǒng)部署在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)電腦上，缺乏便攜式移動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件服務(wù)專家提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)，極大不便。

本文設(shè)計(jì)了一款基于Android 的地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)App。App 整體采用模型-視圖-演示器（Model-View-Presenter，MVP）+模塊化設(shè)計(jì)以避免軟件功能結(jié)構(gòu)的冗余，同時(shí)采用C/S 架構(gòu)作為通訊模式使得數(shù)據(jù)交互具有更高的安全性。App 具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史曲線趨勢(shì)分析等一系列功能。通過工程測(cè)試，表明各功能均能達(dá)到預(yù)期，具有良好的兼容性和易用性。該App 結(jié)合了Android 移動(dòng)應(yīng)用的便捷性以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)際地質(zhì)鉆探過程提供智能監(jiān)測(cè)服務(wù)，促進(jìn)地質(zhì)鉆探過程安全高效作業(yè)。

1 地質(zhì)鉆探過程描述與功能需求分析

首先簡單描述地質(zhì)鉆探過程設(shè)備組成及特點(diǎn)，闡述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)的重要性，并指出當(dāng)前鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，引出狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的功能設(shè)計(jì)需求。

1.1 地質(zhì)鉆探過程

地質(zhì)鉆探是一個(gè)復(fù)雜的非線性、時(shí)滯、強(qiáng)耦合過程，其中包括地面設(shè)備和孔內(nèi)鉆具2 部分組成，如圖1 所示。地面設(shè)備主要有由天車、游車組成的提升系統(tǒng)以及由泥漿泵構(gòu)成的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，孔內(nèi)鉆具部分主要是鉆具組合的鉆進(jìn)系統(tǒng)，在整個(gè)鉆進(jìn)過程中地面與孔內(nèi)各系統(tǒng)之間互相協(xié)調(diào)在較優(yōu)的參數(shù)下鉆探，確保鉆進(jìn)過程安全高效地進(jìn)行。

圖1 地質(zhì)鉆探過程Fig.1 Geological drilling process

隨鉆進(jìn)過程的進(jìn)行，地層發(fā)生變化，各系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)較優(yōu)值會(huì)發(fā)生變化，若仍按照先前的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，輕則會(huì)降低鉆進(jìn)效率，重則會(huì)發(fā)生鉆進(jìn)事故。對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)能有效地觀測(cè)到當(dāng)下工況下的參數(shù)變化，結(jié)合智能預(yù)測(cè)、安全預(yù)警以及參數(shù)優(yōu)化算法，能讓井場(chǎng)人員提前得知故障發(fā)生概率和當(dāng)前工況最優(yōu)參數(shù)，不僅能避免故障的發(fā)生還能提高工作效率。

轉(zhuǎn)速、鉆速、鉆壓、扭矩、鉤載等鉆進(jìn)參數(shù)是鉆進(jìn)過程重點(diǎn)監(jiān)測(cè)量，這些鉆機(jī)設(shè)備的參數(shù)變化直接影響了鉆進(jìn)過程的效率與安全。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的首要要求，在偶遇突發(fā)地層或者特殊工況時(shí)，若未能及時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別異常數(shù)據(jù)并分析決策，則可能會(huì)引發(fā)鉆進(jìn)事故。當(dāng)前絕大多數(shù)的鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)司鉆房會(huì)部署一臺(tái)安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工控機(jī)，為鉆孔提供一定幫助的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。實(shí)際上，司鉆員在司鉆房只能看到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，對(duì)于參數(shù)變化規(guī)律的分析以及智能決策能力較為缺乏，需要有專家對(duì)鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，而部署在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不便于專家遠(yuǎn)程對(duì)鉆進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析。

1.2 功能需求分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 針對(duì)實(shí)際鉆探工程的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，面向?qū)ο鬄榈刭|(zhì)鉆探過程操作人員，因此不僅需要兼顧良好的用戶交互體驗(yàn)，更重要的是需要有較強(qiáng)的專業(yè)性。根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及工人需求，狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 有如下功能設(shè)計(jì)需求：

（1）地質(zhì)鉆探過程容易發(fā)生事故，需要對(duì)鉆進(jìn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警；

（2）鉆進(jìn)數(shù)據(jù)以圖表化等形式多元呈現(xiàn)能讓用戶更直觀地觀測(cè)到數(shù)據(jù)變化；

（3）鉆進(jìn)數(shù)據(jù)是時(shí)間序列數(shù)據(jù)，基于智能算法挖掘數(shù)據(jù)相關(guān)性并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化能提高鉆進(jìn)效率、增加安全保障；

（4）App 能對(duì)多個(gè)不同鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)用戶操作實(shí)現(xiàn)鉆孔切換；

（5）App 需設(shè)有用戶不同的權(quán)限等級(jí)，且具備易用的人機(jī)交互界面與良好的操作體驗(yàn)。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 設(shè)計(jì)

首先依照實(shí)際鉆探過程需求，設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的主要功能以及操作流程；其次設(shè)計(jì)了整體采用MVP+模塊化的架構(gòu)模式，有效解決了內(nèi)部功能程序耦合的問題；最后采用C/S 架構(gòu)模式設(shè)計(jì)了App 的通訊架構(gòu)，在保證數(shù)據(jù)傳輸保密性的同時(shí)，加快了網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求響應(yīng)，避免了同時(shí)訪問用戶過多導(dǎo)致的擁堵現(xiàn)象。

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)鉆探過程特點(diǎn)以及充分考慮軟件管理、用戶需求、交互體驗(yàn)等各方面因素，狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的總體功能如圖2 所示，主要包括用戶管理、鉆場(chǎng)選擇、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史曲線趨勢(shì)分析、安全預(yù)警、鉆速優(yōu)化六大類軟件功能。

圖2 軟件總體功能設(shè)計(jì)Fig.2 Overall software function design of App

用戶管理模塊負(fù)責(zé)確認(rèn)用戶的個(gè)人登錄信息及權(quán)限管理，主要包括登錄、注冊(cè)、權(quán)限分配以及信息更改。由于App 提供給多個(gè)不同井場(chǎng)工程隊(duì)使用，為區(qū)分用戶群體，用戶注冊(cè)時(shí)給加以不同的權(quán)限供其訪問，以確保信息的隱私性。鉆場(chǎng)選擇模塊不僅需展示用戶選擇鉆場(chǎng)的工程概況，還要求擁有基于用戶權(quán)限進(jìn)行鉆場(chǎng)訪問與切換的功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與歷史曲線趨勢(shì)分析是該狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的核心需求，不僅需要將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，還要利用圖表等多媒體形式渲染，使用戶能更直觀地看出一定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)變化趨勢(shì)，為鉆探工程師和專家智能決策分析提供便捷。安全預(yù)警是地質(zhì)鉆探過程避免事故發(fā)生的重要手段，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的分析，為用戶提供前期事故預(yù)警與具體故障診斷，提高了鉆探過程的安全性。除此以外，依據(jù)當(dāng)前鉆進(jìn)參數(shù)給予參數(shù)優(yōu)化指導(dǎo)也能一定程度提高鉆孔作業(yè)的效率。

2.2 E-R 圖設(shè)計(jì)

由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 整體存在大量信息數(shù)據(jù)，其中包括用戶信息、鉆進(jìn)過程參數(shù)、各算法輸出等，需要設(shè)計(jì)一定的數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)體-聯(lián)系（Entity Relationship，E-R）圖設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［15］，它能確定各實(shí)體之間的聯(lián)系。根據(jù)本App實(shí)體對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)如圖3 所示的E-R 圖。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的E-R 圖Fig.3 E-R diagram of the condition monitoring App

不同用戶通過各自不同的權(quán)限訪問所選鉆場(chǎng)，獲取該鉆場(chǎng)鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)和算法輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)該鉆場(chǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警。

2.3 整體架構(gòu)

由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 是基于多鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)量大，在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求軟件的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，能較好地解決程序耦合問題，保證軟件的運(yùn)行效率。狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 遵循“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)原則［16］，采用MVP 三層架構(gòu)+功能模塊化的開發(fā)模式作為整體架構(gòu)，有利于后續(xù)程序的高效開發(fā)。

MVP 三層架構(gòu)如圖4 所示，分為Model 層、View 層 和Presenter 層。在MVP 架 構(gòu) 中，View 層 與Model 層無法直接進(jìn)行交互，Presenter 層會(huì)從過回調(diào)函數(shù)從Model 層獲得所需要的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)交由View層進(jìn)行顯示。通過Presenter 層作為接口將View 層與Model 層進(jìn)行隔離，使得View 層和Model 層沒有直接關(guān)聯(lián)，這樣能很好地解決軟件常見的程序耦合問題［17］。

圖4 軟件整體設(shè)計(jì)架構(gòu)——MVP 架構(gòu)Fig.4 Overall software design architecture—MVP architecture

2.4 通訊架構(gòu)設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的通訊架構(gòu)是基于C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)的，即客戶端直接與服務(wù)器端進(jìn)行通訊，具體數(shù)據(jù)流如圖5 所示。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶端負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)。

圖5 C/S 架構(gòu)下的數(shù)據(jù)流圖Fig.5 Data flow with C/S architecture

在每秒為單位的數(shù)據(jù)交互過程中，客戶端先發(fā)起獲取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，此處是以HTTP 作為傳輸協(xié)議，服務(wù)器在接收到請(qǐng)求信號(hào)后以TCP/IP 協(xié)議方式向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫發(fā)起訪問請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫端處理請(qǐng)求后輸出數(shù)據(jù)給服務(wù)器，服務(wù)器以JSON 格式返回到指定IP（URL），客戶端再從該URL 中將JSON 數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)，并以多元形式可視化呈現(xiàn)。

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

3.1 用戶管理

用戶管理是一個(gè)App 中不可或缺的一部分，意在對(duì)用戶信息進(jìn)行管理。功能主要包括用戶注冊(cè)、用戶登錄、用戶權(quán)限管理。由于App 是基于多個(gè)鉆場(chǎng)監(jiān)測(cè)，用戶可能是A 鉆場(chǎng)或B 鉆場(chǎng)甚至是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室管理員的不同群體，為了避免數(shù)據(jù)泄露，需要對(duì)不同用戶進(jìn)行權(quán)限管理。用戶權(quán)限管理即在用戶進(jìn)行注冊(cè)時(shí)根據(jù)填寫使用意圖給予不同的標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)普通用戶與管理員的區(qū)分，他們各自的權(quán)限區(qū)別如表1 所示。

表1 不同用戶的權(quán)限區(qū)別Table1 Different permissions for different users

3.2 鉆場(chǎng)選擇

鉆場(chǎng)選擇功能包括以下2 種用途，首先是將眾多的鉆場(chǎng)按地區(qū)、功能分類整理，使用戶能更方便查看到鉆場(chǎng)概況。其次是對(duì)用戶權(quán)限的一次驗(yàn)證，避免不是對(duì)應(yīng)鉆場(chǎng)的用戶訪問了其他鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)、隱私泄露等情況出現(xiàn)。在按照分類選定擬進(jìn)入的鉆場(chǎng)后，點(diǎn)擊進(jìn)入鉆場(chǎng)按鈕，會(huì)根據(jù)當(dāng)前用戶權(quán)限判斷與所選鉆場(chǎng)是否吻合。若吻合則進(jìn)入平臺(tái)主界面，否則提示“權(quán)限不符，無法進(jìn)入所選鉆場(chǎng)”。

倒不是因?yàn)樗麤]考好，按分?jǐn)?shù)，他比我們都高，上個(gè)重點(diǎn)本科沒問題。但我們無法理解學(xué)霸的想法，他說：“要做就做到最好，要讀就讀最好的大學(xué)。”

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

作為地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)App，此功能是其核心，目的是對(duì)特定鉆場(chǎng)的地質(zhì)鉆探過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而讓不在現(xiàn)場(chǎng)的用戶清楚地了解當(dāng)下的工況。為實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用子線程開啟每秒發(fā)送訪問服務(wù)器的HTTP 請(qǐng)求，從而獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的JSON 類型文本。借助FastJSON 插件［18］將其快速轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型對(duì)象，并顯示在界面相應(yīng)位置，確保用戶可以觀測(cè)到相關(guān)參數(shù)當(dāng)前的實(shí)測(cè)值。此外，該功能還提供對(duì)當(dāng)前工況的識(shí)別，將地質(zhì)鉆探過程工況按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的情況分成六大類：旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、停鉆、接/下單根、下鉆、提鉆、掃孔。通過所監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)參數(shù)組合，結(jié)合文獻(xiàn)［9］中的算法給出當(dāng)前工況判定，使用戶能了解當(dāng)前鉆場(chǎng)的工作狀況。

3.4 歷史曲線趨勢(shì)分析

判斷鉆進(jìn)過程狀態(tài)不僅取決于當(dāng)前狀態(tài)下的參數(shù)，更直觀的是觀測(cè)其一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，歷史曲線趨勢(shì)分析功能更好地幫助用戶判斷鉆進(jìn)狀態(tài)，從而提高決策的準(zhǔn)確性。該功能分別以折線圖和Excel 表2 種形式回溯選定時(shí)間區(qū)間的鉆進(jìn)參數(shù)。為使得用戶能從不同時(shí)間尺度觀察參數(shù)變化規(guī)律，提供按“秒”、“分”、“小時(shí)”、“天”、“月”5 種間隔進(jìn)行回溯，以便通過多時(shí)間尺度對(duì)歷史趨勢(shì)進(jìn)行分析。除此之外，還提供將數(shù)據(jù)導(dǎo)出Excel 表的功能，方便專家后續(xù)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行算法調(diào)試。

3.5 智能決策

在復(fù)雜地質(zhì)鉆探過程中，運(yùn)用智能算法進(jìn)行決策、預(yù)警、優(yōu)化能提高鉆進(jìn)過程的安全性與效率。該部分涉及安全預(yù)警、鉆速預(yù)測(cè)與優(yōu)化多個(gè)功能，為施工隊(duì)作業(yè)提供了極大便利。App 通過將一定時(shí)段監(jiān)測(cè)到的鉆進(jìn)參數(shù)輸入各智能算法的應(yīng)用程序編程接口，實(shí)時(shí)請(qǐng)求獲得算法輸出回調(diào)至客戶端顯示，可獲得井下事故發(fā)生概率、下一時(shí)刻的鉆速預(yù)測(cè)值以及當(dāng)前參數(shù)的優(yōu)化值。

4 實(shí)際工程應(yīng)用效果與分析

本狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 通過設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)后，按照實(shí)際操作過程對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的功能性、兼容性以及易用性進(jìn)行驗(yàn)證，確保系統(tǒng)軟件穩(wěn)定運(yùn)行。并在完成了軟件測(cè)試后投入遼寧丹東3000 m科學(xué)鉆探工程現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行應(yīng)用，檢驗(yàn)工程應(yīng)用效果。

4.1 軟件測(cè)試

通過多次對(duì)App 進(jìn)行功能性、兼容性及易用性測(cè)試，驗(yàn)證其是否能滿足工程應(yīng)用與用戶需求。通過黑盒法測(cè)試App 各個(gè)功能模塊能否正常運(yùn)行并達(dá)到預(yù)期結(jié)果，即在虛擬機(jī)上分別針對(duì)每個(gè)模塊化的代碼進(jìn)行單獨(dú)編譯運(yùn)行，測(cè)試表明各功能模塊能正常運(yùn)行，且運(yùn)行結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期相符?；诓煌姹続ndroid 以及不同品牌的移動(dòng)設(shè)備測(cè)試App 的兼容性，分別就Android 10.0 版本以及Android 11.0版本的多臺(tái)不同品牌手機(jī)運(yùn)行該App，結(jié)果尚未出現(xiàn)不兼容與閃退狀況，且各版本Android 下App 均能較好適配屏幕。根據(jù)多名從事地質(zhì)鉆探工程工作的用戶的使用情況來驗(yàn)證App 的易用性，用戶表明該狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 不僅簡單易用，且專業(yè)性強(qiáng)，能給予他們極大的便捷，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)不便的問題。

4.2 實(shí)際工程應(yīng)用

圖6（a）中狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 首次運(yùn)行會(huì)彈出隱私條例界面，在授予相關(guān)權(quán)限與同意許可后，跳轉(zhuǎn)到如圖6（b）的登陸界面。在輸入用戶賬號(hào)與密碼與數(shù)據(jù)庫匹對(duì)正確后，進(jìn)入如圖6（c）的選擇鉆場(chǎng)界面。通過下拉選擇欄選擇指定的區(qū)域及鉆場(chǎng)后，卡片中會(huì)出現(xiàn)該鉆場(chǎng)概況，方便用戶確認(rèn)目標(biāo)鉆場(chǎng)。點(diǎn)擊進(jìn)入鉆場(chǎng)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 的主頁，其中包括不同功能模塊的底部導(dǎo)航欄、側(cè)邊欄以及中間主頁填充區(qū)域。相關(guān)資料、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史數(shù)據(jù)4 個(gè)底部導(dǎo)航欄功能分別對(duì)應(yīng)圖6（d）～（h）。相關(guān)信息主要是對(duì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)以及實(shí)驗(yàn)室信息的描述，為用戶提供相關(guān)的鏈接通道，方便查詢。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能內(nèi)含有工況識(shí)別、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、鉆速預(yù)測(cè)、參數(shù)優(yōu)化5 個(gè)子功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)的全面監(jiān)測(cè)，確保地質(zhì)鉆探過程的安全與高效作業(yè)。實(shí)時(shí)趨勢(shì)與歷史數(shù)據(jù)功能是為了通過一定時(shí)間的參數(shù)變化趨勢(shì)協(xié)助專家進(jìn)行分析，借助MP Android Chart 圖表，實(shí)現(xiàn)對(duì)6 個(gè)鉆進(jìn)相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)可視化渲染。同時(shí)歷史數(shù)據(jù)還提供將選定時(shí)間段的數(shù)據(jù)導(dǎo)出Excel 表的功能，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用分析。

圖6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 各功能實(shí)現(xiàn)界面Fig.6 Interface of condition monitoring App function implementation

4.3 應(yīng)用效果分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 在投入丹東某地鉆孔長達(dá)一個(gè)月的工程應(yīng)用測(cè)試過程中，總共接收超過10 G 緩存數(shù)據(jù)，其中包括該月的所有鉆進(jìn)過程參數(shù)數(shù)據(jù)以及智能算法輸出變量。在長達(dá)1 個(gè)月的狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 能正常后臺(tái)運(yùn)行無閃退或崩潰現(xiàn)象?？偣脖O(jiān)測(cè)到開鉆次數(shù)6 次，與現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)表施工記錄一致。監(jiān)測(cè)過程中，無事故報(bào)警發(fā)生，經(jīng)確認(rèn)與現(xiàn)場(chǎng)無誤。在監(jiān)測(cè)過程中，應(yīng)用鉆速優(yōu)化智能算法推薦的參數(shù)調(diào)整送鉆電機(jī)以及主軸電機(jī)鉆速，使得鉆速在同等地層下有15%以上的提升，使原本約30 m/d 的鉆進(jìn)效率提高至30～40 m/d。

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在較大的時(shí)空限制以及鉆場(chǎng)決策數(shù)據(jù)源單一、數(shù)據(jù)互聯(lián)不通問題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一個(gè)地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)App，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)鉆探過程狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能決策等功能。狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 不僅解決了本地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)空局限，同時(shí)能與多鉆場(chǎng)相連，較好地統(tǒng)籌多鉆場(chǎng)工作。雖然目前App 已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在內(nèi)等多個(gè)功能，但仍未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作下發(fā)控制指令以及算法實(shí)時(shí)更新功能。為加快工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用，仍需對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)App 繼續(xù)完善，促使地質(zhì)鉆探向智能化、信息化發(fā)展。