信息技術(shù)在地下勘探數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

摘要：在資源需求持續(xù)增長(zhǎng)與科技迅猛發(fā)展的背景下，地下勘探的深度、廣度不斷拓展，但傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式滯后，信息技術(shù)應(yīng)用迫在眉睫。深入探討信息技術(shù)在地下勘探數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用，詳細(xì)介紹信息技術(shù)在提升數(shù)據(jù)采集精度、優(yōu)化傳輸效率、保障數(shù)據(jù)安全等方面的創(chuàng)新舉措與應(yīng)用效果，為地下勘探領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；地下勘探；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸

一、前言

隨著地下勘探工程越來越復(fù)雜，越來越深入，人們對(duì)于數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、高效性及可靠性等方面都有了越來越高的要求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸方式面對(duì)海量數(shù)據(jù)、復(fù)雜環(huán)境、實(shí)時(shí)性要求等問題，逐漸顯露出許多局限性。信息技術(shù)的快速發(fā)展給上述問題的解決帶來新機(jī)遇，將信息技術(shù)創(chuàng)新性地運(yùn)用于地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)就成為促進(jìn)這一領(lǐng)域向前發(fā)展的關(guān)鍵要素。

二、信息技術(shù)在地下勘探數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用價(jià)值

信息技術(shù)對(duì)地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)具有顯著、多維度的創(chuàng)新性運(yùn)用價(jià)值[1]。一是數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性空前提高。在高精度傳感器和先進(jìn)數(shù)據(jù)采集算法的輔助下，可以更精細(xì)地檢測(cè)和記錄井下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦產(chǎn)資源分布情況。例如，新型地震波傳感器能捕捉極微弱地層震動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，對(duì)石油進(jìn)行精準(zhǔn)定位。對(duì)于天然氣和其他關(guān)鍵能源資源，新型地震波傳感器在選擇儲(chǔ)存地點(diǎn)和儲(chǔ)量的評(píng)估中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。二是從數(shù)據(jù)處理和分析能力來看，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)協(xié)同使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的智慧。大量地下勘探數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)于云端并進(jìn)行分布式計(jì)算，通過大數(shù)據(jù)分析工具發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間潛在的聯(lián)系與規(guī)律[2]。例如，綜合分析不同地區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)，可預(yù)測(cè)出地下礦產(chǎn)資源走向及富集地區(qū)，從而對(duì)勘探規(guī)劃起到科學(xué)戰(zhàn)略指導(dǎo)作用。同時(shí)，該數(shù)據(jù)處理能力還有利于優(yōu)化勘探流程、減少無(wú)謂勘探環(huán)節(jié)、提高勘探效率、降低勘探成本。另外，信息技術(shù)創(chuàng)新性應(yīng)用也推動(dòng)地下勘探領(lǐng)域跨地域協(xié)作和知識(shí)共享，在互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的支持下，各區(qū)域勘探團(tuán)隊(duì)能夠便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、經(jīng)驗(yàn)交流以及技術(shù)成果交流。例如，在特定的地質(zhì)環(huán)境下，一個(gè)地區(qū)的成功勘探經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蜓杆賯鬟f到其他面對(duì)類似問題的地方，從而促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)革新和進(jìn)步。信息技術(shù)對(duì)地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新性應(yīng)用，給這一領(lǐng)域帶來了一個(gè)高效、準(zhǔn)確、智能、協(xié)同的嶄新局面，有效地促進(jìn)了我國(guó)地下資源勘探事業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

三、信息技術(shù)在地下勘探數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用方法

（一）智能傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

在地下勘探數(shù)據(jù)的采集和傳輸系統(tǒng)中，智能傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建被視為信息技術(shù)的核心創(chuàng)新應(yīng)用之一，地下勘探時(shí)，傳感器布置和協(xié)同工作是關(guān)鍵[3]。以大型金屬礦脈勘查工程為例，需要在勘查區(qū)域設(shè)置數(shù)千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，涉及類型眾多，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)用的地震傳感器、探測(cè)金屬含量的電磁傳感器和監(jiān)測(cè)地下環(huán)境參數(shù)的溫濕度傳感器等。通過利用先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智能傳感網(wǎng)絡(luò)，各傳感器節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立數(shù)據(jù)采集和初步處理的功能，如地震傳感器可以準(zhǔn)確地采集0.1Hz～100Hz頻率區(qū)間內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，其分辨率可達(dá)0.01m/s2，能敏銳感受地層深處細(xì)微的地質(zhì)變動(dòng)。這些節(jié)點(diǎn)間采用低功耗藍(lán)牙或者ZigBee無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)交互，并組成局域子網(wǎng)絡(luò)，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同處理。子網(wǎng)絡(luò)又通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與4G或者5G廣域網(wǎng)絡(luò)連接，并向地面控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，采用這種智能傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法可以將數(shù)據(jù)采集效率提高超過30%，同時(shí)還能減少大約50%的數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間，有效確保了地下勘探數(shù)據(jù)獲取和傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，并為之后的數(shù)據(jù)分析和決策奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）建立數(shù)據(jù)加密傳輸通道

數(shù)據(jù)加密傳輸通道的建立，在確保地下勘探數(shù)據(jù)安全性和完整性方面發(fā)揮著無(wú)可替代的重要作用[5]。地下勘探時(shí)，所收集的資料通常涉及重要地質(zhì)資源信息、勘探設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和企業(yè)商業(yè)機(jī)密。舉例來說，在某個(gè)深海油氣田的勘查項(xiàng)目中，每日傳送的數(shù)據(jù)量達(dá)到了數(shù)TB，涵蓋了關(guān)于油氣層深度、壓力和儲(chǔ)量預(yù)估等關(guān)鍵敏感信息。為了確保數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)不被竊取或篡改，技術(shù)人員結(jié)合了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法和非對(duì)稱加密的RSA算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密處理。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，首先采用AES算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了快速的對(duì)稱加密處理，確保加密密鑰的長(zhǎng)度達(dá)到256位，從而保障了數(shù)據(jù)加密的高效性[6]。接下來，采用RSA算法對(duì)AES密鑰進(jìn)行了非對(duì)稱的加密處理，其中RSA密鑰的長(zhǎng)度達(dá)到了2048位，從而確保了密鑰傳輸?shù)母叨劝踩?。這樣的雙重加密方式使得黑客很難破譯加密后的信息，即使在傳輸過程中被截獲。根據(jù)安全測(cè)試的評(píng)估結(jié)果，使用這種加密的數(shù)據(jù)傳輸通道后，數(shù)據(jù)被解密的風(fēng)險(xiǎn)減少了超過99%，從而有效地確保了地下勘查數(shù)據(jù)的安全性，保障了地下資源勘探中企業(yè)及國(guó)家的效益和安全。

（三）多源數(shù)據(jù)融合的采集策略

多源數(shù)據(jù)融合采集策略是提升地下勘探數(shù)據(jù)全面性與準(zhǔn)確性的重要手段，在一個(gè)綜合性的城市地下空間勘探項(xiàng)目中，涉及多種數(shù)據(jù)源的采集[7]。例如，地質(zhì)雷達(dá)可探測(cè)到地下0～50米深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，分辨率約為0.1米，能夠清晰地呈現(xiàn)出地下巖石層、土層以及地下空洞等信息。地下管線探測(cè)儀則專注于檢測(cè)各類金屬與非金屬管線的位置與走向，其定位精度可達(dá)到 0.05 米，可準(zhǔn)確識(shí)別出供水、排水、燃?xì)?、電力等多種管線的分布情況[8]。例如，采用卡爾曼濾波算法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)和地下管線探測(cè)儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可使地下空間結(jié)構(gòu)與管線位置的綜合定位精度提高20%左右。

（四）優(yōu)化的自適應(yīng)傳輸協(xié)議

自適應(yīng)傳輸協(xié)議優(yōu)化對(duì)地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)起到了極其關(guān)鍵的作用[9]。不同地下勘探場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟠嬖陲@著差異。以淺地層考古勘探為例，其數(shù)據(jù)量比較少，但是對(duì)于實(shí)時(shí)性有很高的要求，要求把所檢測(cè)遺跡的位置和形狀信息迅速傳送到地面，便于考古學(xué)家進(jìn)行及時(shí)分析和判斷。而在深層煤礦的勘探中，數(shù)據(jù)量大，涉及瓦斯?jié)舛?、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力等很多方面的資料，并且傳輸環(huán)境比較復(fù)雜，存在信號(hào)干擾等問題[9]。

自適應(yīng)傳輸協(xié)議可以針對(duì)這些不同的場(chǎng)合，對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在需要傳輸小數(shù)據(jù)量和高實(shí)時(shí)性的考古勘探數(shù)據(jù)時(shí)，該協(xié)議能夠自動(dòng)提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔縮短到0.1秒以內(nèi)，從而確保數(shù)據(jù)能夠迅速到達(dá)目的地。在處理深層煤礦勘查的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，協(xié)議會(huì)優(yōu)先確保數(shù)據(jù)的完整性，并通過數(shù)據(jù)分片和重傳的方式，將數(shù)據(jù)劃分為1024字節(jié)大小的段落進(jìn)行傳遞，如果遇有信號(hào)丟失或者出錯(cuò)的情況，可以將自動(dòng)重傳的次數(shù)設(shè)定在五次之內(nèi)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞。通過實(shí)地測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜的地下煤礦勘查環(huán)境中，使用自適應(yīng)傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性可以提高到98%或更高，這種優(yōu)化有效地避免了由于數(shù)據(jù)丟失或者失誤而造成勘探?jīng)Q策錯(cuò)誤，極大地提升了地下勘探工作的安全性和工作效率[10]。

（五）云邊協(xié)同的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

云邊協(xié)同數(shù)據(jù)處理架構(gòu)是地下勘探數(shù)據(jù)有效利用的強(qiáng)大支撐。地下勘探作業(yè)時(shí)，邊緣計(jì)算設(shè)備位于數(shù)據(jù)采集源頭附近，如在地下金屬礦勘探現(xiàn)場(chǎng)采集基站內(nèi)布設(shè)邊緣計(jì)算服務(wù)器。這些邊緣服務(wù)器可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一些初步處理，例如實(shí)時(shí)甄別海量礦石品位探測(cè)數(shù)據(jù)、剔除顯著異常或者錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等，該技術(shù)能夠以每秒10萬(wàn)條數(shù)據(jù)記錄的速度進(jìn)行處理，從而顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)和云端計(jì)算的壓力。而且云端數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源豐富，存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。其能夠深度分析邊緣設(shè)備上傳的初步加工后的數(shù)據(jù)，例如使用深度學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)建模不同地區(qū)礦石儲(chǔ)量數(shù)據(jù)。以某大型地下鐵礦勘查項(xiàng)目為例，在云邊協(xié)同架構(gòu)中，將邊緣設(shè)備加工的數(shù)據(jù)上傳到云端，云端使用其保存的世界范圍內(nèi)類似鐵礦勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱，經(jīng)復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析，該鐵礦潛在儲(chǔ)量預(yù)測(cè)誤差能控制在允許范圍內(nèi)。這種基于云邊協(xié)同的數(shù)據(jù)處理策略，使得數(shù)據(jù)處理的效率提高了超過40%，不僅滿足了地下勘查數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理需求，還能深入挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在價(jià)值，為勘探資源的評(píng)價(jià)、開采計(jì)劃的編制提供準(zhǔn)確的依據(jù)[11]。

（六）虛擬現(xiàn)實(shí)輔助監(jiān)控應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）作為輔助監(jiān)測(cè)工具，為地下探查活動(dòng)提供了一種創(chuàng)新的體驗(yàn)和高效的監(jiān)測(cè)方法。地下隧道工程勘探時(shí)，通過布設(shè)360度全景攝像頭及各種傳感器對(duì)隧道進(jìn)行拍攝，并把拍攝的影像、視頻及環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸給地面監(jiān)控中心。地面工作人員在VR設(shè)備的幫助下，能夠沉浸在隧道內(nèi)，觀察地質(zhì)情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)情況等。例如，VR設(shè)備能將隧道內(nèi)畫面顯示出來，分辨率為4K，刷新率為60幀/秒，讓工作人員能清楚觀察到巖石紋理、裂縫以及其他細(xì)節(jié)。同時(shí)，結(jié)合空間定位技術(shù)，工作人員在VR場(chǎng)景中能夠精確測(cè)量隧道內(nèi)不同位置的距離、角度等參數(shù)，測(cè)量精度可達(dá)到0.01米。就石油鉆井勘探而言，VR技術(shù)能夠?qū)︺@井時(shí)的地層變化、鉆頭受力進(jìn)行仿真。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)引入VR作為輔助監(jiān)測(cè)工具后，地下勘查項(xiàng)目中的安全事故率下降了大約30%，主要得益于工作人員能更迅速、更精確地識(shí)別并應(yīng)對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。另外，該可視化監(jiān)測(cè)方式也提升了勘探?jīng)Q策效率，如隧道支護(hù)方案調(diào)整中采用VR場(chǎng)景直觀顯示等，決策所需的時(shí)間可以減少超過20%，在很大程度上加速了地下勘查項(xiàng)目的進(jìn)展。

四、信息技術(shù)在地下勘探數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用趨勢(shì)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，將信息技術(shù)創(chuàng)新性地運(yùn)用于地下勘探數(shù)據(jù)獲取和傳輸系統(tǒng)，顯示出了一系列引人注目的發(fā)展趨勢(shì)。

一是傳感器技術(shù)必將向更高的精度、微型化和智能化發(fā)展。這種新型的傳感器有潛力達(dá)到納米級(jí)別的分辨能力，能夠檢測(cè)到非常微弱的地質(zhì)信號(hào)。例如，超靈敏的重力傳感器能夠精確地測(cè)量地下的微小密度差異，為尋找深層隱藏的礦體提供了關(guān)鍵的線索。同時(shí)，傳感器還會(huì)融入更多的智能功能，比如自我診斷和自適應(yīng)校準(zhǔn)等，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作于復(fù)雜、嚴(yán)酷的地下環(huán)境，大大降低了人工維護(hù)成本和數(shù)據(jù)誤差。

二是，就數(shù)據(jù)傳輸而言，5G和未來6G這些新一代通信技術(shù)深入應(yīng)用，傳輸速度會(huì)有一個(gè)質(zhì)的跨越。預(yù)計(jì)在6G網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到每秒數(shù)太字節(jié)且延遲幾乎為0，可以滿足地下勘探對(duì)實(shí)時(shí)高清視頻傳輸和大范圍三維地質(zhì)模型資料即時(shí)交互的超高帶寬和低延遲的要求。另外，衛(wèi)星通信和地面通信無(wú)縫結(jié)合，將保證偏遠(yuǎn)地區(qū)或者地下深層這些信號(hào)較弱地區(qū)的數(shù)據(jù)能夠平穩(wěn)傳輸，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)地下勘探數(shù)據(jù)全球高效互聯(lián)。

三是，云計(jì)算和邊緣計(jì)算協(xié)同模式會(huì)得到進(jìn)一步的優(yōu)化。邊緣計(jì)算設(shè)備計(jì)算能力會(huì)越來越強(qiáng)，可以在數(shù)據(jù)采集端附近對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加復(fù)雜的預(yù)處理和分析。例如，在地下完成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型的初步運(yùn)算。而云計(jì)算著眼于大尺度數(shù)據(jù)深度挖掘和長(zhǎng)期存儲(chǔ)，通過人工智能算法實(shí)現(xiàn)全球地下勘探數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和地質(zhì)構(gòu)造變化及資源分布趨勢(shì)預(yù)測(cè)[12]。二者之間的智能切換和動(dòng)態(tài)分配會(huì)根據(jù)勘探任務(wù)的需要和網(wǎng)絡(luò)狀況來自動(dòng)進(jìn)行，使得整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程更靈活、更有效率。

四是，人工智能技術(shù)會(huì)深入到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)中。智能算法能夠依據(jù)勘探目標(biāo)對(duì)傳感器最優(yōu)布局進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，并對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行精準(zhǔn)聚焦。傳輸時(shí)，以人工智能為核心的流量?jī)?yōu)化技術(shù)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和網(wǎng)絡(luò)擁塞等因素對(duì)傳輸策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠及時(shí)發(fā)送。與此同時(shí)，由人工智能推動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)將為地下勘探活動(dòng)提供一種沉浸式的監(jiān)控和交互體驗(yàn)，使得專家能夠遠(yuǎn)程操作地下勘探設(shè)備，身臨其境般進(jìn)行地質(zhì)勘查和故障診斷，極大地提升了勘探作業(yè)效率和安全性，促進(jìn)了地下勘探領(lǐng)域向智能化和自動(dòng)化方向闊步前進(jìn)，揭開了地下資源勘探新的一頁(yè)。

五、結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)對(duì)地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新性運(yùn)用，顯著提高了這一領(lǐng)域的技術(shù)水平。通過傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)等多種技術(shù)的協(xié)同合作，從而達(dá)到數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確、傳輸更加有效以及存儲(chǔ)處理更加智能等目的。但在使用過程中還需要注意技術(shù)穩(wěn)定性、兼容性和數(shù)據(jù)安全。今后，在信息技術(shù)日益發(fā)展的背景下，地下勘探數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)也會(huì)迎來更多的創(chuàng)新和突破，從而進(jìn)一步促進(jìn)地下資源勘探工作的開展。

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作者單位：大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司試油大隊(duì)保衛(wèi)隊(duì)

責(zé)任編輯：王穎振 楊惠娟