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计算硕士:分析随采地震数据处理软件开发与应

作者:2021-05-13 22:26阅读:文章来源:未知
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 摘要:以采煤机作为震源的回采工作面随采地震探测技术是获取精准开采地质条件、进步工作面内部地质异常体探测精度、完成无人/少人化智能开采的关键,具有普遍的应用前景。而常规的地震数据处置软件不能满足随采地震数据实时、连续不连续、大数据量等请求。经过剖析随采地震探测技术的数据处置软件的需求,提出了分层、多任务的随采地震数据处置软件(SWM)的框架体系,并细致引见了软件框架中各层、各任务的组成成分及其功用。该系统集数据管理、数据展现、数据处置和成果展现于一体,满足随采地震数据实时、连续及大数据量的需求。

 

  关键词:随采地震;智能开采;软件研发;实时多任务

 

  近年来,矿井槽波地震勘探技术为煤矿工作面回采处理了很多地质问题,但这种探测技术通常请求以炸药作为震源,用来进步槽波波场信噪比。这种震源方式在高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井中的施工较为受限,同时在施工时常常请求中止消费,从而影响到煤矿的正常消费活动。此外,该技术为静态一次性探测,难以反映回采工作面内的动态应力变化。随着煤矿消费的开展转向高效化、自动化、集约化和智能化,以采煤机切割时的震动作为震源的随采地震探测技术被提出并越来越遭到注重。

 

  20世纪80年代末,有学者提出应用采煤机作为震源对回采工作面内部停止探测[1-2],但是由于激起能量以及采煤机位置无法自动定位等问题未能深化研讨。直到2008年,XunLuo等[3-4]用采煤机震源对回采工作面内部的应力停止探测,取得了第一个有意义的结果。陆斌等[5-7]和覃思等[8-9]分别研讨了随采地震信号的干预成像法和井地结合探测办法,研讨结果标明,随采地震技术能够用来实时监测工作面采动过程中应力的变化,及时发现风险区域并做出灾祸预警。

 

  得益于地震干预技术[10]的快速进步,随采地震技术越来越遭到注重,相关技术研讨也得以进一步深化。但由于短少配套软件的支撑,采集的材料得不到有效处置,该技术的开展遭到一定限制。常规地震数据处置软件应用于随采地震数据时存在诸多问题,如不满足随采地震的实时、连续不连续的大数据量处置需求,达不到随采随探的目的;不具有随采地震数据处置所需的处置模块,无法单独完成一切处置流程。因而现有软件系统无法满足随采地震数据的处置需求,迫切需求开发一套适用于随采地震数据处置的软件系统(SeismicofWhileMining,简称SWM),推进这一新技术的开展应用。针对随采地震数据的处置需求,采用分层模型[11-14]及实时多任务的体系设计了SWM软件体。经过分层,使得数据管理、界面显现和数据处置模块逻辑性分开,从而使软件具有更好的顺应性和可扩展性。

 

  1SWM软件体系架构

 

  1.1数据层

 

  数据层担任标准数据的定义、格式、存储、转换和导入导出等。随采地震数据类型多、数据量宏大,采集过程中每天的原始数据到达数十GB,中间处置数据则更多。针对不同数据类型,定义了不同的数据构造。主要的数据类型包括:采集原始数据、观测系统、处置参数、干预构成的虚拟共炮集数据、指标性数据、反演成像数据及其他一些数据类型(如导入的CAD资料图、从采煤机获取的采煤机位置、滚筒高度、截割速度、功率等)。

 

  数据层中的上述数据类型,其大小差别较大,思索到运转效率问题,根据数据大小以及访问频率将其按两种存储方式停止贮存。如原始数据、虚拟共炮集数据、反演成像数据等数据量特别宏大的数据类型,不适合存储到存储库中,否则会严重降低查询效率。将其以文件方式存入磁盘阵列,数据的详细信息,如文件名、采样率、道长、道数、对应观测系统索引号以及采集起始时间等,存储到数据库信息表中,便于管理、查询和访问。其他类型数据则分别树立数据库表停止存储。

 

  数据层除了数据格式的标准定义、存储,还包括了数据格式转换,以及导入导出等功用。比方从导入地震数据中提取观测系统,或导出时将观测系统存储到导出地震数据的道头。此外,还为各种数据类型定义了读写接口函数,便于应用层的数据处置模块访问和存储数据。

 

  1.2表示层

 

  地震数据处置软件中,图形图像的高质量显现、界面设计的美观、适用以及交互显现的便利性等都是较为重要的特征。在完成这些特征的根底上,完成表示层将数据层中的数据在软件界面中绘制,以展现给用户停止剖析与解释的功用。

 

  SWM中需求展现的数据类型主要有地震数据、观测系统、属性数据、参数数据、日志数据以及成像剖面的显现。不同类型数据显现时还需求配合交互编辑等操作,如地震数据显现时,具有AGC、带通滤波、道间平衡以及部分放大等功用;观测系统显现时还需求交互编辑、导入导出等;属性数据的显现需与地震数据联动;成像结果显现时需求将其投放到CAD图中,以便与回采工作面的实践状况停止比照剖析与解释;参数数据在停止编辑修正后需求实时通知处置模块对运用的处置参数停止及时更新,确保运用参数的分歧性等。

 

  除了UI桌面主线程对表示层停止控制外,应用层中的各模块的执行线程也可经过发送Windows音讯控制相应数据,从而停止实时显现。

 

  此外,SWM还需求经过表示层对以前的数据以视频方式停止回放展现,突出了随采地震的实时动态探测特性。

 

  1.3应用层

 

  应用层主要担任数据的处置,由几大功用相对独立的模块组成,是SWM软件系统的中心局部,最能表现SWM软件数据的处置效果。应用层只与数据层停止数据交流,从数据层读取数据,应用终了后将输出的数据送入数据层停止存储。

 

  SWM应用层模块设计主要根据于随采地震数据的处置流程,如图2所示,软件经过监听来判别能否有新数据需求停止处置、若无则继续等候,否则读入数据,然后应用地震干预办法对数据停止处置,取得虚拟共炮集数据。接着应用该数据停止CT反演及反射波成像,经过循环流程作业实时处置一切采集到的随采地震数据记载。

 

  根据上述流程,将应用层分红4个任务:数据监听、随采干预、CT反演和反射成像。每个任务启动一个任务线程,相互之间独立运转,每个线程只与数据层停止数据访问和存储。这种方式的优点是任务间依赖度小,便于独立开发、调试和部署,也便当后续停止功用的扩展与维护。

 

  应用层模块在数据处置终了,需求停止结果显现时,经过发送Windows音讯通知表示层实时显现需求显现的数据,从而将显现任务交予表示层执行。

 

  1.3.1数据监听

 

  由于随采地震数据的采集经过采集软件完成,采集软件采集到的数据依据时间停止分段,并以文件方式保管,同时将数据的关键信息存入数据库表中。SWM经过数据监听的方式判别能否有新采集数据,若有则将新数据信息和记载经过表示层停止实时显现,并给应用层的处置线程发送windows音讯,使处置线程完成对该数据的处置;若无则线程进入短暂休眠状态,完毕休眠后继续监听。

 

  1.3.2地震干预

 

  地震干预模块的作用是经过地震干预办法将随采地震数据处置成虚拟共炮集记载,并计算出数据指标,用于判别采煤机的工作状态(停机、空转和采煤)。

 

  地震干预模块从数据层访问并读入数据,完成后将处置结果中的指标数据、相互关时差数据及虚拟炮集数据经数据层停止存储,并给表示层发送音讯,以实时显现相关处置结果。

 

  1.3.3CT反演

 

  CT反演将地震干预模块取得的走时信息,经预处置后停止CT层析成像,取得更新后的波传播速度,再经过给表示层发送音讯对反演结果停止实时显现,并经过数据层停止保管。

 

  采掘过程中,工作面内部煤层应力会发作变化,但应力短时间内变化很小,实时CT反演占用大量计算资源降低计算效率。因而SWM采取每割一刀煤停止一次CT反演,并与上一刀煤的反演结果做差,取得割煤过程中地震波传播速度的变化,以此来反响工作面内应力的变化,从而防止了地层自身的应力散布差别。

 

  1.3.4反射波成像

 

  与CT反演模块类似,反射波成像属于长期对静态目的停止屡次成像,应契合叠加请求。数据的读取、存储及显现等其他方面,完成方式与CT反演相同。

 

  2SWM软件详细完成

 

  2.1关键数据类型定义

 

  2.1.1工区数据类型

 

  采用如下数据构造定义SWM的工区数据,主要包含了工区数据保管途径、工作面长和宽以及网格划分距离、工区树立时间等,详细如表1所示。

 

  2.1.2随采原始数据类型

 

  原始数据是SWM中数据量最大的数据类型之一,这一类型数据的信息经过树立数据信息表的方式保管到数据库中便于查询和访问,而数据则以文件方式存入磁盘阵列。其中每一数据文件对应一个索引号,同时指定该数据的观测系统索引号。详细的数据信息表如表2所示。

 

  2.1.3观测系统数据类型

 

  地震数据处置软件中,采集观测系统具有重要的作用,是不可或缺的。SWM中思索到工作面回采时观测系统会依据实践状况停止调整(如增删、挪动等),特地为观测系统树立了数据库表,在每次调整后将新的观测系统保管入数据库表中,并与采集数据经过索引号停止逐个对应。观测系统数据库表设计如表3所示,其中,xyz和channelinfo两字段按二进制格式存储到数据库中。各数据项经过观测系统索引号取得对应的观测系统坐标。

 

  2.2并行处置机制

 

  由1.3节可知,SWM的中心应用层将整个实时处置分为4个关键任务模块,这几个模块之间互相独立运转,每个任务模块均经过一个工作线程执行各自的处置任务。在计算量较大的地震干预、CT反演和反射波成像3个关键任务中,采用OpenMP自动停止多线程并行加速,以满足大数据量数据处置时对实时性的请求。在实践运转时,SWM采用每两分钟存储一个原始数据文件,这个文件通常会在1min内处置终了,到达了实时性目的。

 

  为了防止线程之间资源共享抵触,保证线程运转平安稳定,各工作线程经过数据库完成对数据层的访问与存储,由数据库来完成多线程对数据的共享访问。与表示层则经过Windows音讯机制停止通讯,同样经过数据库完成数据读取,最终成图显现。此外,对同一数据访问时,经过全局变量来防止数据存取错误以至系统死锁。

 

  3SWM软件的特性

 

  基于应用层、数据层和表示层的分层形式和多任务机制开发的SWM软件体系构造具有以下几个优点:

 

  a.分层形式的体系构造使得软件整个架构比拟整洁、每层的功用设计相对明白,降低了软件开发难度,进步了软件运转的稳定性和牢靠性。

 

  b.应用层采用多任务并发机制,且各任务互相独立,以并行方式运转,互不干扰。这种方式使得各个模块可以单独编写、调试,进步了软件的可扩展性,便于后续模块的集成,同时也降低了后续软件的晋级维护难度。

 

  4SWM软件案例应用

 

  在贵州某矿随采地震项目中对研发的SWM软件停止了2个月调试,各项指标均满足预定设计请求,并在随后停止了为期3个月的全面试运转,软件稳定性、实时性均契合请求。测试结果如图3—图5所示,图3为实测的地震记载波形显现剖面,该剖面停止了去直流、去工频干扰和道平衡等预处置;图4为数据处置界面,图形上部曲线为地震干预计算的相互关曲线,大值表示采煤机正在截割,较为平稳的低值则表示采煤机处于停机状态。图的下局部的左边为观测系统图,用户可经过点击任一绿色检波点;图的下局部的右边显现的是对应的干预虚拟炮集记载;图5为在采煤机截割一刀后反演得到的采煤工作面内地震波传播速度,用于反映工作面内应力的散布状况。

 

  稳定运转期间,采样率设置为2000Hz,采集软件每隔2.5min输出一个采集数据文件,SWM可在0.5min左右完成对该数据的预处置、地震干预和反演成像等,较好地完成了实时性请求。

 

  5结论

 

  a.针对随采地震数据处置的实践需求,本文开发了基于多层形式、多任务并行机制的随采地震数据处置系统的体系构造,并在该构造的根底上完成了软件的详细完成过程。

 

  b.经现场长时间联调测试,研发的SWM软件运转稳定、牢靠性好、易于功用扩展,根本满足了随采地震数据处置的大数据量、实时性、稳定性等请求,有助于促进随采地震技术的进一步开展。

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