壓裂電場(chǎng)測(cè)量上位機(jī)的交互監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

任林彬，苑益軍，吳 芳，吳 雯，李 源

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001）

近年來(lái)頁(yè)巖氣[1-2]的開采呈井噴式的發(fā)展趨勢(shì)，其主要原因可歸功于分段壓裂技術(shù)和水平鉆井技術(shù)的應(yīng)用。在頁(yè)巖水力壓裂的過(guò)程中，需要將大量的水壓入到地下，水中混有的導(dǎo)電離子壓裂液也會(huì)一起壓入到地層中。在人工源電磁信號(hào)的激勵(lì)下，井口地面周圍會(huì)呈現(xiàn)較大的地電分布異常特征。

為了監(jiān)測(cè)上述異常電場(chǎng)，在壓裂上方附近區(qū)域大量布設(shè)一種分布式節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)采集裝置（簡(jiǎn)稱微電儀）[3-5]。微電儀采集兩個(gè)水平正交的電場(chǎng)分量，用于監(jiān)測(cè)壓裂液注入、流動(dòng)和運(yùn)移等變化而引發(fā)的電場(chǎng)異常。針對(duì)上述開發(fā)的微電儀，課題組基于Windows系統(tǒng)開發(fā)了一款可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示、交互式的微電儀上位機(jī)軟件[6-12]。該軟件可配合微電儀實(shí)時(shí)監(jiān)控電場(chǎng)異常，通過(guò)各個(gè)微電儀形成的熱力圖能夠直觀地了解各區(qū)域的電場(chǎng)情況。

1 軟件介紹

微電儀上位機(jī)軟件是整個(gè)壓裂電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的終端，各個(gè)微電儀監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)后都會(huì)發(fā)送到上位機(jī)軟件中統(tǒng)一處理。該軟件可安裝在基于Windows 系統(tǒng)的電腦、平板或手機(jī)上。軟件開啟后通過(guò)串口通信連接下位機(jī)，野外模擬微電儀軟件工作如圖1 所示。軟件功能可分為軟件通信、數(shù)據(jù)處理、圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四大部分。

圖1 微電儀工作示意圖

1.1 軟件通信

1.1.1 串口通信

上位機(jī)軟件可同時(shí)開啟多個(gè)COM 口與下位機(jī)進(jìn)行串口通信[13-15]，采用LoRa 無(wú)線模塊利用PC 端USB 轉(zhuǎn)串口模塊接收，可實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)傳輸。野外實(shí)測(cè)在地勢(shì)平坦上下位機(jī)之間無(wú)明顯障礙物時(shí)，使用大天線的通信距離可達(dá)到300 m。軟件的接收端是USB 轉(zhuǎn)串口接口卡，這類接口卡具有熱拔插特性，這一特點(diǎn)使得上位機(jī)程序可完全按照串口設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1.2 通信協(xié)議

上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)是以ASCII 碼的形式接收，內(nèi)容類似于十六進(jìn)制樣式，方便解譯。儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)以$為開始標(biāo)識(shí)符，以#為結(jié)束標(biāo)識(shí)符，各個(gè)數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)分割，便于接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理，如表1所示。軟件向下位機(jī)發(fā)送的指令已經(jīng)在內(nèi)部進(jìn)行了封裝，只需要在軟件中選擇相應(yīng)的下位機(jī)發(fā)送即可。

表1 軟件數(shù)據(jù)通信協(xié)議

1.2 數(shù)據(jù)處理方式

軟件設(shè)有數(shù)據(jù)緩存機(jī)制（如圖2），在接收數(shù)據(jù)時(shí)首先將數(shù)據(jù)存入到緩存區(qū)，緩存機(jī)制會(huì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，防止上位機(jī)軟件少收或錯(cuò)收數(shù)據(jù)[16-17]。通過(guò)循環(huán)判斷接收到的數(shù)據(jù)中是否存在首尾標(biāo)識(shí)符來(lái)確定是否為完整的一串?dāng)?shù)據(jù)，如果判斷為完整才會(huì)傳入到后續(xù)處理中，提高了數(shù)據(jù)接收的容錯(cuò)率。

圖2 數(shù)據(jù)接收緩存機(jī)制

上位機(jī)軟件在接收到完整的帶有協(xié)議的數(shù)據(jù)后，會(huì)立即存儲(chǔ)到指定的默認(rèn)文件中以防數(shù)據(jù)丟失，隨后將每條數(shù)據(jù)去掉首尾標(biāo)識(shí)符以備接下來(lái)數(shù)據(jù)的使用。

1.3 圖像顯示

1.3.1 熱力圖顯示

在接收數(shù)據(jù)之前，需要將下位機(jī)儀器所在的GPS 坐標(biāo)及編號(hào)輸入到軟件中，軟件會(huì)在每個(gè)儀器的東西南北4 個(gè)方向顯示4 個(gè)灰度點(diǎn)，來(lái)模擬下位機(jī)儀器的兩分量。當(dāng)下位機(jī)儀器傳來(lái)數(shù)據(jù)時(shí)，軟件會(huì)通過(guò)所接收數(shù)據(jù)的最大值和最小值與色帶的255 個(gè)顏色比值進(jìn)行等分，將所接收的數(shù)據(jù)在熱力圖顯示區(qū)展示相應(yīng)的顏色，并根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的改變實(shí)時(shí)變化。

在熱力圖顯示區(qū)，可通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)與鼠標(biāo)滾輪對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)與縮放，當(dāng)鼠標(biāo)停留在坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)會(huì)顯示出該坐標(biāo)點(diǎn)的儀器名稱。當(dāng)微電儀數(shù)量規(guī)模達(dá)到上百臺(tái)之后，在熱力圖顯示區(qū)會(huì)更加直觀地看到地下發(fā)生電場(chǎng)異常的區(qū)域的熱力圖點(diǎn)的顏色變化。

1.3.2 折線圖顯示

熱力圖顯示區(qū)可以直觀地觀察到各個(gè)儀器的每個(gè)通道的數(shù)據(jù)變化，以及各個(gè)下位機(jī)位置的關(guān)系，而折線圖顯示區(qū)則可以查看單個(gè)儀器一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，圖3 為熱力圖與折線圖的顯示。

圖3 熱力圖與折線圖顯示區(qū)

在線區(qū)選中想要查看的下位機(jī)儀器編號(hào)，折線圖顯示區(qū)會(huì)分別顯示出選中儀器最近收到的20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的折線圖，包括該點(diǎn)的南北方向與東西方向的高中低3 個(gè)頻段的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并且隨著接收到數(shù)據(jù)的變化實(shí)時(shí)更新。

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放

上位機(jī)軟件在工作之前會(huì)預(yù)先設(shè)置一個(gè)默認(rèn)txt文件，在軟件工作時(shí)，接收到的下位機(jī)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)到默認(rèn)文件中，包括接收到的數(shù)據(jù)、輸入儀器的坐標(biāo)、上位機(jī)軟件向下位機(jī)發(fā)送的指令都會(huì)加上相應(yīng)的時(shí)間存儲(chǔ)到txt文件，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

軟件工作時(shí)支持錄屏，在后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)可倍速回放，分析出哪一時(shí)段出現(xiàn)異常。另外也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件作出電壓隨時(shí)間變化的折線圖（如圖4 所示），配合壓裂信息統(tǒng)計(jì)日志判斷該異常是否出現(xiàn)在壓裂期間，分析地下壓裂對(duì)于地面電場(chǎng)分布的影響。

圖4 含有壓裂異常的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

2 軟件流程

軟件啟動(dòng)后左側(cè)為操作區(qū)和儀器在線區(qū)，中間是熱力圖顯示區(qū)，右側(cè)為折線圖顯示區(qū)。設(shè)置默認(rèn)存儲(chǔ)路徑后，將各個(gè)微電儀GPS 坐標(biāo)輸入到軟件即可在熱力圖顯示區(qū)顯示出各個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)，圖5 為軟件運(yùn)行流程圖。

圖5 軟件運(yùn)行流程圖

軟件連接位點(diǎn)以后，開始接收數(shù)據(jù)，相應(yīng)在熱力圖顯示區(qū)灰度點(diǎn)就會(huì)改變其顏色來(lái)表示接收數(shù)據(jù)的大小，越偏紅色表示數(shù)據(jù)越大，反之越偏藍(lán)色表示數(shù)據(jù)越小。點(diǎn)擊在線區(qū)的儀器編號(hào)，折線圖顯示區(qū)會(huì)展示出最新接收到的20 個(gè)數(shù)據(jù)的折線圖。軟件下方可以給下位機(jī)軟件發(fā)送相應(yīng)的指令。

3 野外測(cè)試

2021 年6月，課題組在四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣對(duì)微電儀的硬件與上位機(jī)軟件進(jìn)行了野外測(cè)試。測(cè)試期間上位機(jī)軟件在確保通信良好的情況下，接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定，熱力圖顯示良好，發(fā)送指令微電儀可及時(shí)作出反饋。接收到的數(shù)據(jù)為后續(xù)的壓裂影響分析提供了有力的幫助，野外測(cè)試工作圖如圖6 所示。

圖6 軟件野外測(cè)試工作圖

4 結(jié)論

該文基于Windows 平臺(tái).NET Framework 框架，使用C#語(yǔ)言開發(fā)了一款配合監(jiān)測(cè)壓裂微弱電場(chǎng)的交互軟件。共編寫了軟件通信、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、圖像顯示、發(fā)送指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)六大模塊。其中圖像顯示是該軟件的核心模塊，用戶可以通過(guò)該軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)壓裂電場(chǎng)的變化情況，借助熱力圖宏觀觀測(cè)壓裂對(duì)于各個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)變化，以及折線圖顯示指定儀器一段時(shí)間內(nèi)的電場(chǎng)變化情況，適時(shí)發(fā)送指令調(diào)整儀器的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，提高野外的工作效率，提高了數(shù)據(jù)的時(shí)效性。該軟件有占用內(nèi)存小、操作便捷、人機(jī)交互體驗(yàn)好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可為類似軟件的開發(fā)提供技術(shù)借鑒。