地震勘探采集施工中井炮監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用研究

宋晨陽(yáng)，袁 偉，孫仕勝，李 斌

（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 102206）

0 引 言

采用井炮激發(fā)生產(chǎn)方式進(jìn)行的地震勘探項(xiàng)目，在藥包下井后至激發(fā)前會(huì)有2～15天的空窗期，形成未激發(fā)的炮井。未激發(fā)炮井看護(hù)工作是物探安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其在村鎮(zhèn)周邊、農(nóng)田水網(wǎng)、叢林牧場(chǎng)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，部分群眾對(duì)石油勘探作業(yè)缺乏了解，可能出于好奇等原因挖掘井中炸藥，存在很大的安全監(jiān)管隱患。國(guó)家、地方政府、勘探公司對(duì)已下藥未激發(fā)炮井的看護(hù)工作要求日趨嚴(yán)格，因此需要突破傳統(tǒng)看守方式，通過(guò)智能化、數(shù)字化、信息化的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)地震隊(duì)安全生產(chǎn)和管理水平的同步提升。

1 研究目標(biāo)和內(nèi)容

1.1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前對(duì)于未激發(fā)炮井的看護(hù)多通過(guò)傳統(tǒng)的人工巡查方式，地震隊(duì)根據(jù)生產(chǎn)需要，將看護(hù)巡井的位置發(fā)給看護(hù)人員，憑人工定期到位進(jìn)行看護(hù)（巡井），使用地圖軟件記錄到位時(shí)間，并填寫紙質(zhì)記錄，形成檔案。這種傳統(tǒng)的看護(hù)工作方式花費(fèi)較多人工成本，且不能滿足全天候24小時(shí)看護(hù)要求，在偏遠(yuǎn)無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)地區(qū)，巡井人員無(wú)法與營(yíng)地及時(shí)取得聯(lián)系，仍然存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

1.2 研究目標(biāo)

為解決看護(hù)不及時(shí)、看護(hù)覆蓋度不足、巡井效率低下等問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞以下目標(biāo)展開(kāi)研究：

（1）時(shí)效性：報(bào)警要及時(shí)，一旦被非法盜挖，報(bào)警過(guò)程要求及時(shí)。

a.感知要及時(shí)：看護(hù)終端的感知要及時(shí)，這是源頭。

b.傳輸要及時(shí)：報(bào)警消息傳遞要及時(shí)，必要時(shí)需重傳，這是中間必要過(guò)程。

c.通知要及時(shí)：監(jiān)控端和處理端要及時(shí)顯示告警，這是通知最終送達(dá)處。

（2）精準(zhǔn)性：報(bào)警需精準(zhǔn)，由于作業(yè)位置范圍廣、數(shù)量大，一旦報(bào)警不精準(zhǔn)，如產(chǎn)生誤報(bào)，將會(huì)增加很多不必要的工作量，也可能會(huì)產(chǎn)生“狼來(lái)了”的效應(yīng)。

a.感知要精準(zhǔn)：既不能漏報(bào)，也不能誤報(bào)。

b.信息要精準(zhǔn)：定位信息需精準(zhǔn)。

（3）閉環(huán)性：報(bào)警過(guò)程必須是完整的閉環(huán)，每一條報(bào)警信息需能被顯示、查詢、處理和追蹤。

a.隊(duì)部監(jiān)控端可查詢，可指揮。

b.現(xiàn)場(chǎng)處理端可接收，可處理。

（4）規(guī)?；瘧?yīng)用：井炮監(jiān)控場(chǎng)景需滿足特定的要求才可規(guī)?；瘧?yīng)用。

a.場(chǎng)景特殊，看護(hù)終端需滿足對(duì)民爆品監(jiān)控的使用條件。

b.環(huán)境特殊，看護(hù)終端需滿足在野外各種復(fù)雜條件下使用的條件。

c.終端需穩(wěn)定可靠，且能循環(huán)使用。

d.低成本，由于數(shù)量巨大，必須考慮成本。

e.便攜易用，不能增加現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作量。

f.系統(tǒng)穩(wěn)定易用。

（5）研究?jī)?nèi)容：依據(jù)研究目標(biāo)，經(jīng)分析，確認(rèn)需重點(diǎn)研究和解決如下問(wèn)題。

a.研發(fā)出符合使用條件的看護(hù)終端。

b.研究工區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題。

c.研發(fā)配套的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控指揮閉環(huán)。

2 技術(shù)方案

2.1 需求分析

依據(jù)不同的崗位工作性質(zhì)和監(jiān)控總體需求，總結(jié)出用戶需求，見(jiàn)表1所列。

表1 用戶需求分析表

2.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體分層架構(gòu)如圖1所示，表述如下：

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)

（1）感知層：在APP的輔助下，完成對(duì)看護(hù)終端的操作，看護(hù)終端上報(bào)位置和狀態(tài)、報(bào)警等數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層：依據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件，選取不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，例如，移動(dòng)公網(wǎng)、自組網(wǎng)、北斗短報(bào)文。

（3）業(yè)務(wù)層：主要用于處理各種業(yè)務(wù)，例如接入服務(wù)、規(guī)則服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、推送服務(wù)等。

（4）展示層：主要包括各類展示端，大屏、Web、APP等。

（5）用戶層：系統(tǒng)相關(guān)用戶。

3 井炮看護(hù)終端

3.1 硬件規(guī)格

由于地震隊(duì)施工環(huán)境復(fù)雜多變，炮井?dāng)?shù)量繁多，因此看護(hù)終端需具備高適應(yīng)、低成本、可規(guī)?；瘧?yīng)用等特點(diǎn)，主要功能及產(chǎn)品規(guī)格包括：

（1）防爆：應(yīng)用于雷管炸藥附近，終端具有防爆功能，且滿足射頻要求；

（2）防護(hù)：適用于埋置在地下或沼澤、水下地區(qū)，至少具備IP67的防護(hù)能力；

（3）防腐蝕：適用于埋置在濕地、油泥環(huán)境，終端具有一定的防腐能力；

（4）信號(hào)穿透性：埋置在地下，需要一定的信號(hào)穿透能力，需要至少10 cm浮土；

（5）工作溫度：溫度范圍-40～85 ℃；

（6）功率：無(wú)法外接電源，采用低功率信號(hào)傳輸；

（7）電池：需要能連續(xù)工作20天以上；

（8）傳感器：內(nèi)置傾角傳感器、振動(dòng)傳感器、聲光傳感器，監(jiān)測(cè)終端的翻轉(zhuǎn)、振動(dòng)狀態(tài)，異常時(shí)報(bào)警；

（9）定位：支持復(fù)合定位，精度米級(jí)；

（10）通信模塊：可選用移動(dòng)公網(wǎng)/北斗短報(bào)文/LoRa等模組；

（11）尺寸 ：高 30 mm、寬 75 mm、長(zhǎng) 105 mm ；

（12）便攜式：設(shè)計(jì)時(shí)需考慮設(shè)備的便攜性，方便攜帶；

（13）條碼：外部需要有防止磨損的條形碼和終端序列號(hào)。

3.2 系統(tǒng)規(guī)格

終端需要和服務(wù)端進(jìn)行指令交互，可自定義1套數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，至少包含以下內(nèi)容：

（1）注冊(cè)協(xié)議，向服務(wù)端注冊(cè)；

（2）上報(bào)信息，具體包括定位、狀態(tài)（設(shè)防撤防、電池電量等）、報(bào)警等信息；

（3）心跳協(xié)議，定時(shí)上報(bào)心跳信息；

（4）參數(shù)上報(bào)，向服務(wù)端上報(bào)參數(shù)信息；

（5）改參指令，接收服務(wù)端發(fā)送的修改參數(shù)指令，修改參數(shù)；

（6）通用回執(zhí)。

4 通信模式

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件，可選用不同通信模塊的看護(hù)終端，圖2主要描述了基于LoRa通信模組的通信模式，純移動(dòng)公網(wǎng)和純北斗短報(bào)文通信模式與此類似。

圖2 看護(hù)終端通信模式

5 井炮智能看護(hù)系統(tǒng)

看護(hù)終端和網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題解決后，需要研發(fā)配套的系統(tǒng)，用于監(jiān)控和指揮閉環(huán)。該系統(tǒng)主要分為兩部分，即監(jiān)控管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱Web端）、APP作業(yè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱APP端）。

5.1 系統(tǒng)方案原理

下藥工通過(guò)APP獲取井炮樁號(hào)，并導(dǎo)航到井口，將井炮看護(hù)終端埋置在井口位置，并設(shè)定其為設(shè)防狀態(tài)；正常情況下，看護(hù)終端不會(huì)報(bào)警，但是一旦感知有位移、翻轉(zhuǎn)等外界變化，滿足報(bào)警條件后，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并上報(bào)給監(jiān)控管理端，管理端產(chǎn)生報(bào)警提醒，并智能分配告警處置任務(wù)給現(xiàn)場(chǎng)巡井作業(yè)人員，巡井作業(yè)人員通過(guò)APP導(dǎo)航到現(xiàn)場(chǎng)，處置告警；爆炸工作業(yè)前，通過(guò)APP導(dǎo)航到井口，先將看護(hù)終端由設(shè)防狀態(tài)變更至撤防狀態(tài)，然后挖出回收，完成后續(xù)施工作業(yè)。系統(tǒng)方案流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方案

（1）正常流（無(wú)報(bào)警流程）

下藥工綁定井炮和看護(hù)終端，開(kāi)啟終端設(shè)防狀態(tài)，并埋置終端，終端定時(shí)上報(bào)位置、狀態(tài)數(shù)據(jù)，地震隊(duì)的生產(chǎn)指揮人員在可在Web端監(jiān)控。完成看護(hù)任務(wù)的終端，在井炮激發(fā)前，先將終端設(shè)定為撤防狀態(tài)，并由爆炸工挖出回收。井炮看護(hù)流程—正常流如圖4所示。

圖4 井炮看護(hù)流程—正常流

（2）異常流（有報(bào)警數(shù)據(jù)產(chǎn)生）

終端進(jìn)入設(shè)防狀態(tài)，觸發(fā)報(bào)警條件后，將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送到管理監(jiān)控端，生產(chǎn)指揮人員查看報(bào)警信息，并將處理告警的任務(wù)發(fā)送到指定現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的APP，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員查看處理并上報(bào)處理結(jié)果，形成報(bào)警處置閉環(huán)。

井炮看護(hù)流程—異常流如圖5所示。

圖5 井炮看護(hù)流程—異常流

5.2 井炮監(jiān)控系統(tǒng)管理監(jiān)控端主要功能

井炮監(jiān)控系統(tǒng)管理監(jiān)控端是一個(gè)監(jiān)管平臺(tái)，主要面對(duì)小隊(duì)經(jīng)理/副經(jīng)理/HSE安全員/施工組長(zhǎng)等角色，主要功能包括：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控：可在地圖上顯示和查詢激發(fā)井、看護(hù)終端、人員數(shù)量、分布、位置和狀態(tài)等；

（2）告警處置：新告警提醒、告警列表、告警查詢、告警處置任務(wù)分派等；

（3）統(tǒng)計(jì)分析：現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)度、告警等統(tǒng)計(jì)分析；

（4）信息管理：可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)必要的班組、人員、車輛等信息進(jìn)行綜合管理和顯示；

（5）分級(jí)監(jiān)管：支持多項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，分級(jí)管控。

5.3 井炮監(jiān)控系統(tǒng)APP端主要功能

井炮監(jiān)控系統(tǒng)APP端主要供炸藥工/爆炸工/巡井工等現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用，主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)同步：遠(yuǎn)程獲取同步基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

（2）作業(yè)導(dǎo)航：可設(shè)置導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)導(dǎo)航將作業(yè)人員指引到目標(biāo)點(diǎn)；

（3）設(shè)防撤防：綁定和解綁終端和激發(fā)井，對(duì)終端進(jìn)行設(shè)防和撤防操作；

（4）處理報(bào)警：接收告警處理任務(wù)，上報(bào)告警處理結(jié)果；

（5）統(tǒng)計(jì)功能：統(tǒng)計(jì)激發(fā)井、終端、告警等內(nèi)容；

（6）離線緩存：緩存登錄、炮點(diǎn)數(shù)據(jù)，在工區(qū)網(wǎng)絡(luò)條件不佳甚至無(wú)法正常工作時(shí)，支持炮點(diǎn)等離線數(shù)據(jù)的查看。

6 應(yīng)用情況

井炮看護(hù)終端和監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)完成后，部署在東方地球物理公司的生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，由安全環(huán)保處主導(dǎo)，各地區(qū)物探處和物探隊(duì)深入應(yīng)用。截至目前，已經(jīng)有10個(gè)物探處，19支物探隊(duì)在使用該系統(tǒng)，注冊(cè)使用終端達(dá)15 885臺(tái)，項(xiàng)目遍布全國(guó)各地，對(duì)處于復(fù)雜山地、黃土塬、沙漠戈壁、池塘稻田等環(huán)境的井炮實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，也實(shí)現(xiàn)了公司、物探處、小隊(duì)的三級(jí)管控。

7 結(jié) 語(yǔ)

井炮監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用解決了國(guó)內(nèi)山地、荒漠、沼澤等復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)依靠人力巡檢導(dǎo)致看護(hù)不及時(shí)的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了工作流程，節(jié)約了人工成本，提升了報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，為數(shù)字化地震隊(duì)、智能化地震隊(duì)的發(fā)展帶來(lái)了新模式。