深井應變地震儀一體化軟件設計

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變地震儀數據，基于LabVIEW的虛擬儀器技術，設計并構建具有遠程實時數據采集、數據顯示、數據分析和儀器網頁功能調用的一體化軟件。該軟件能夠快速采集到連接在局域網深井應變地震儀的數據，達到了預期效果，具有一定的實用價值。

關鍵詞：深井應變地震儀；數據實時采集；數據分析；一體化軟件；LabVIEW

DOIDOI：10.11907/rjdk.171316

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0086-03

0 引言

地殼應力狀態是地殼最重要的特征之一。地殼表面和內部發生的各種構造現象及與之相關的地震、崩塌、滑坡等地質災害都與地殼構造應力場及其變化密切相關[1]。隨著人類社會工業化、城市化、現代化高度發展，各種交通、工業等人為噪音，加上地球表面效應，嚴重干擾了傳統地面地震與地球物理觀測結果，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、識別，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，直接監視超高壓變質帶現代巖石圈地殼運動和內部物理場變化狀況，研究其動力學規律，為研究大陸內陸板塊造山帶運動、板內地震活動以及地球物理場的長期變化，為我國資源開發、環境開發、地震地質災害預防以及研究大陸內部巖石圈構造、地震發生機制等提供科學依據[2]。

客戶端一體化軟件根據深井應變地震儀內部數據采集儀的協議《地震前兆臺網專用設備網絡通信技術規程》[3]，設計實現了遠程實時數據采集并顯示，數據存儲、數據分析和調用儀器網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據和分析數據提供了方便。

本軟件采用的編程環境是LabVIEW，它是美國國家儀器（NI）公司開發的一種圖形化編程環境，具有強大的數據處理功能，而且還內置了便于應用.NET、ActiveX等軟件標準的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件。與使用VC++進行軟件開發相比，使用LabVIEW開發軟件不需要從底層編程，能夠使用模塊函數，可以大大減輕工作量，縮短項目開發周期。

1 軟件結構

客戶端一體化軟件包含4個子系統：采集子系統、實時顯示子系統、數據分析子系統和儀器網頁子系統。為了實現測量數據的實時顯示，在程序架構上采用了生產者/消費者模式，生產者負責數據的采集，消費者負責數據的實時顯示。用戶菜單采用了事件結構，數據分析子系統和儀器網頁子系統采用動態調用模式，通過菜單啟動這兩個子系統，不使用時關閉，釋放系統內存。

1.1 采集子系統

客戶端采集子系統可以同時采集連在同一個局域網的深井應變地震儀的數據，它們之間的數據通信采用了基于TCP/IP協議的SOCKET進行數據信息交換。數據傳輸采用基于SOCKET連接的HTTP協議，支持指令方式和網頁方式。指令方式是設備端直接響應客戶端指令；網頁方式是指在設備端的HTTP服務有相應的網頁可提供客戶瀏覽器進行頁面調用和解釋。無論哪種方式，設備端都可以接受數據傳輸請求將測量數據傳送到客戶端，因此客戶端通過獲取設備的狀態信息、運行日志、屬性信息和告警信息從而獲知設備工作狀況[3]。

在客戶端采集子系統設計中，網絡控制的通信機理是：深井應變地震儀作為一個從機，客戶端軟件作為一個主機，每個從機擁有自己固定的IP地址，由主機控制完成每一次通信，開始時所有從機處于監聽狀態，等待主機呼叫。當主機向網絡上發出某一從機地址時，所有從機接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符，則發出應答信號，并準備接收后面的命令和數據；否則不應答。當主機收到從機的應答后，則開始一次通信。通信完畢，從機處于監聽狀態。

客戶端軟件發送獲取實時測量數據指令，深井應變地震儀主動將采樣的測量數據實時向客戶端軟件發送，這些數據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據[4]，這些數據在軟件的界面上用波形圖表控件顯示。客戶端軟件也可以通過發送控制指令和設備監視指令，如設備工作參數、設備狀態信息、運行日志、工作參數、屬性信息等，深井應變地震儀會根據這些指令返回執行結果。

深井應變地震儀將每天采集的24小時測量數據和日志存放在SD卡里，這些數據可以通過網頁方式進行手動下載，也可以通過客戶端軟件自動下載。客戶端軟件還可以根據實際需要以TDMS格式手動保存實時測量數據。

1.2 實時顯示子系統

在主界面顯示指定連在局域網里任意一臺深井應變地震儀的6個分量的實時曲線、臺站代碼、設備ID、經度、緯度和高程等信息。采用了LabVIEW自帶的波形顯示控件對波形進行顯示，橫坐標為采集數據的時間，縱坐標為對應參數實測的值，并在表格中顯示每個分量的最大值、最小值、峰峰值。通過菜單可以開始和停止實時數據流，保存和取消實時數據，界面的保存指示燈會出現相應的顏色變化。

1.3 數據分析子系統

數據分析子系統包含查看文件、文件合并、數據提取、數學計算、平滑濾波、去零漂等功能。

（1）文件查看。可以查看歷史的TDMS文件格式數據、分采樣EPD文件格式數據、秒采樣SEC文件格式數據和日志文件。

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

（3）數據提取。數據提取是根據需要，截取相應時間長度的數據保存為txt文本數據，每個分量為一列數據，加一列時間數據，一共有七列數據，轉換后的數據提取主要供科研人員使用，進一步分析監測數據。

（4）數據預處理。原始數據在進行分析之前，必須進行預處理。數據預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，本軟件設計采取了中值濾波，因為中值濾波在抑制隨機噪聲的同時不使邊沿模糊。

儀器安裝初期，井下探頭與井壁耦合水泥固化井孔應力的調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據擬合成一條直線，然后將實測數據減去該直線所表征的線性趨勢。假如有n個數據（Xi，Yi），利用最小二乘擬合直線Y=aX+b。其中斜率為：

（5）數學計算。如圖3（a）所示，數學計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個方向分量，一共有6條曲線。通過對曲線進行拖拽，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條曲線放在一個波形圖框里一起比較 （見圖3（b））[6]，附上labview自帶的縮放、滾動、開窗放大和游標等小工具，便于對實測數據進行分析。

1.4 儀器網頁子系統

利用LabVIEW的ActiveX控件調用Webbrowser訪問深井應變地震儀遠程網頁，通過點擊儀器主頁的各鏈接來對儀器進行操作，儀器主頁可以進行用戶管理并查詢儀器網絡參數、表述參數、測量參數、標定信息等；儀器控制可以設置儀器的臺站代碼、測項代碼、臺站位置坐標、網絡通信、啟動標定、SNTP對時、手動對時、儀器復位等；除此之外，還可以查看實時數據并下載數據[7]。

2 軟件應用

深井應變地震儀一體化軟件研發成功后，已經在云南地區安裝試運行，目前運行情況良好。野外安裝人員通過軟件把監測的實時數據保存下來，并及時進行數據分析和處理，查看設備的運行情況；科研人員通過下載歷史數據，進行科學研究。軟件應用達到了預期效果，具有良好的應用前景。

3 結語

本軟件為深井應變地震儀采集實時數據和及時分析數據提供了實用的工具，為野外安裝人員和科研人員提供了有效的輔助。系統采用了一致的用戶界面，操作簡單、方便易用。實際應用表明，深井應變地震儀一體化軟件具有可靠性和操作性，實用價值較高。

參考文獻：

[1]歐陽祖熙，張宗潤，舒桂林.中國西部鉆孔應變儀臺網工作回顧與前瞻[J].巖石力學與工程學報，2004，23（23）：4058-4062.

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

[3]地殼運動監測工程研究中心.地震前兆臺網專用設備網絡通信技術規程[S].北京：中國地震局，2004.

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

[5]段莉莉，段立新.鉆孔應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變儀觀測到的應變異常看建設密集應變觀測網絡的必要性[J].國際地震動態，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絡接口系統設計[J].大地測量與地球動力學，2008，28（3）：118-122.

（責任編輯：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.

英文關鍵詞Key Words： Deep-hole Strain Seismograph； Real-time Data Collection； Data Analysis； Integration Software； LabVIEW