МНОГОКАНАЛЬНАЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СБОРА И РЕГИСТРАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ
MULTICHANNEL TELEMETRIC SYSTEM FOR COLLECTING AND RECORDING SEISMIC DATA

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности к устройствам для проведения наземных сейсмических работ с помощью многоканальных телеметрических сейсмических станций.
Известна представляющая собой сетевую инфраструктуру сейсмическая регистрирующая система, содержащая совокупность источников сейсмических данных, а также, по меньшей мере, одну систему сбора данных, использующую открытый сетевой протокол, по меньшей мере, одну линейную сеть, соединяющую источники данных с системой сбора данных и использующую открытый сетевой протокол (патент РФ №2328018, G01V 1/22). Указанная линейная сеть включает в себя совокупность узлов источников данных, из которых часть соответственно присоединена к линейной сети. Система содержит также маршрутизаторы для направления данных, формируемых источниками сейсмических данных, в систему сбора данных через узлы источников данных в соответствии с открытым сетевым протоколом. Каждому из указанных источников сейсмических данных, узлов источников данных, маршрутизаторов и системе сбора данных присваивается, по меньшей мере, два соответствующих сетевых адреса. Известная сейсмическая регистрирующая система включает также сервис синхронизации и сервис отображения местоположения для отображения сетевых адресов и логического местоположения системы сбора данных, маршрутизаторов, узлов источников данных и источников сейсмических данных. Кроме того, известная система выполнена с возможностью автоматического конфигурирования для автоматического реконфигурирования сети при удалении (выходе из строя или отключении) одного из маршрутизаторов, узлов источников данных или источников сейсмических данных, или при добавлении дополнительных частей сейсмического оборудования.
К недостаткам данной системы сбора сейсмических данных следует отнести сложную систему синхронизации входящих в нее блоков, а также то, что в данном техническом решении не предусмотрена передача данных в реальном времени.
Известна также многоканальная телеметрическая система сбора сейсмических данных, включающая центральное устройство управления и регистрации сейсмических данных, соединенное магистральными каналами связи с полевыми управляющими устройствами, связанными линейными каналами связи с полевыми регистрирующими устройствами, соединенными с группами сейсмоприемников (патент РФ №2244945, G01V 1/22, прототип). Центральное устройство управления и регистрации сейсмических данных содержит систему синхронизации возбуждения и управляющий компьютер, связанные между собой через магистральный контроллер, другие входы-выходы которого соединены с указанными магистральными каналами связи.
Передача данных в известной системе сбора сейсмических данных осуществляется пакетами, каждый из которых образуется из отчетов АЦП каждого полевого модуля в конкретный момент времени. Эти пакеты являются ответом на команду опроса АЦП с центрального управляющего устройства. По мере прохождения данных по линейной расстановке формируемый при этом пакет данных дополняется каждым последующим полевым модулем в данной линейной расстановке. Вследствие этого на центральное устройство управления и регистрации поступают данные, полученные в реальном времени. Данная система сбора сейсмических данных характеризуется высокой скоростью передачи данных, позволяет оперативно развертывать сейсмоприемники на поверхности земли благодаря последовательному соединению входящих в ее состав устройств высокоскоростной телеметрии. Устройства оцифровывания могут независимо друг от друга управляться и тестироваться с записывающего устройства или высокоскоростного телеметрического устройства, расположенного в любом месте системы наблюдения.
К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что система имеет недостаточную скорость передачи цифровой информации, поддерживает одномерную структуру расстановки полевых устройств с однонаправленным распространением телеметрической информации и, как следствие, недостаточную надежность. Кроме того, к технологическим недостаткам известной системы можно также отнести различное исполнение магистральных и линейных линий связи.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств, предназначенных для сбора сейсмических данных, обеспечивающих проведение сейсмических наблюдений в реальном времени с высокой производительностью, достоверностью и надежностью.
Техническим результата изобретения является обеспечение высокой производительности и повышенной работоспособности («живучести») многоканальной системы сбора сейсмических данных при нарушениях в линиях связи (физический обрыв), без потери сейсмических данных и команд управления, так как поток данных в системе согласно изобретению в этих случаях перенаправляется автоматически по новому варианту пути, чем достигается уменьшение потерь сейсмических данных и повышение надежности системы в целом.
Кроме того, в данном техническом решении за счет повышения пропускной способности линий связи реализована возможность использования по всем линиям связи кабелей одного типа, содержащих две витые пары проводов, взамен восьми витых пар в прототипе.
Поставленная задача решается за счет того, что в многоканальной телеметрической системе сбора и регистрации сейсмических данных, включающей центральное устройство управления и регистрации сейсмических данных, соединенные с источниками сейсмических данных полевое управляющее устройство и полевые регистрирующие устройства (модули), связанные между собой с образованием, по меньшей мере, одной последовательной расстановки, при этом центральное устройство управления и регистрации сейсмических данных содержит систему синхронизации возбуждения, связанную с управляющим компьютером, согласно изобретению указанное полевое управляющее устройство выполнено с возможностью подключения его к сверхскоростному входу-выходу указанного управляющего компьютера центрального устройства управления и регистрации сейсмических данных, а по высокоскоростному входу-выходу - к регистрирующим полевым модулям, при этом последовательные расстановки регистрирующих полевых модулей дополнительно включают полевые модули, выполненные с двумя парами ортогонально расположенных входов-выходов, с образованием на исследуемой площади расстановочной сети, организованной с возможностью распространения потока команд и сейсмических данных как в прямом, так и в обратном или ортогональном направлениях относительно первоначальной (прямой) направленности потока команд и сейсмических данных на данном участке расстановки (сети), при этом указанные полевые модули выполнены с возможностью высокоскоростной передачи данных между собой и автоматического направления или перенаправления поступающего в них потока команд и сейсмических данных по выбранному варианту пути.
1
5
На фиг.1 приведена условная схема структуры многоканальной телеметрической системы сбора и регистрации сейсмических данных согласно изобретению, фрагмент; на фиг.2 - блок-схема полевого управляющего устройства («крестового» модуля); фиг.3 - блок-схема полевого регистрирующего устройства (полевого модуля); на фиг.4 приведен условный фрагмент расстановки полевых модулей 7 (7-7), поясняющий принцип изменения логической структуры многоканальной телеметрической системы сбора и регистрации сейсмических данных согласно изобретению в случае возникновения физического обрыва в линии связи между полевыми модулями 7.
Многоканальная телеметрическая система сбора и регистрации сейсмических данных согласно изобретению включает центральное устройство 1 управления и регистрации сейсмических данных (сейсмическая станция), содержащую систему 2 синхронизации возбуждения, связанную с управляющим компьютером 3. Управляющий компьютер 3 устройства 1 управления и регистрации сейсмических данных сверхскоростным интерфейсом 4 (до 1000 Мбит/с) связан со сверхскоростным входом полевого управляющего устройства (узла сбора) 5, связанного по двум парам ортогональных высокоскоростных входов-выходов линиями связи (сейсмическими кабелями) 6 с полевыми регистрирующими устройствами (полевыми модулями) 7, соединенными между собой с образованием последовательных расстановок 8, и с источниками сейсмических данных (не показано). При этом полевые модули 7 выполнены с возможностью высокоскоростной передачи данных между собой и в полевое управляющее устройство 5 (до 100 Мбит/с). Указанные расстановки 8 дополнительно включают ряд полевых модулей 9, выполненных с двумя парами ортогонально расположенных высокоскоростных входов-выходов («крестовые модули»). Одной парой входов-выходов полевые модули 9 включены между соседними полевыми модулями 7, при этом другая пара входов-выходов крестовых модулей 9 подключена к полевым модулям 7, расположенным ортогонально относительно последовательных расстановок 8 с образованием ортогональных расстановок 10.
Преимущественно центральное устройство управления и регистрации сейсмических данных 1 располагается на транспортном средстве (не показано).
Полевое управляющее устройство (узел сбора) 5 и полевые «крестовые» модули 9 (фиг.2) выполнены идентично друг другу. Каждое из указанных полевых устройств 5 (9) включает блок 11 управляющей логики, представляющий собой микропрограммный автомат, выполняющий также функции коммутатора потоков данных, включает две пары входов и две пары выходов, связанных с соответствующими выходами и входами приемопередатчиков 12 высокоскоростных линейных каналов 6 передачи данных. Пятый вход и пятый выход блока 11 управляющей логики связан с приемопередатчиком 13 сверхскоростного канала 4, а его шестой вход и шестой выход подключены к АЦП 14. Входы-выходы указанных приемопередатчиков 12 являются первым-четвертым входами-выходами блока 5 (9) и предназначены для подключения к ним линейных модулей 7 с последующей линейной ретрансляцией данных или с перенаправлением (поворотом) потока данных по имеющейся сети в другую ту или иную последовательные расстановки 8 (10). Вход-выход приемопередатчика 13 является пятым входом-выходом блока 5 (9) и предназначен для его подключения по сверхскоростному интерфейсу 4 к центральному блоку 1 управления и регистрации в случае использования данного блока в качестве полевого управляющего устройства и устройства сбора сейсмических данных.
Полевое регистрирующее устройство (полевой модуль) 7 (фиг.3) содержит АЦП 15. Выходы АЦП 15 связаны с первыми входами блока 16 управляющей логики, представляющего собой микропрограммный автомат, выполняющий также функции коммутатора потоков данных. Управляющие входы АЦП 15 связаны с управляющими выходами блока 16 управляющей логики. Второй вход и второй выход блока 16 управляющей логики и его третий вход и третий выход связаны с соответствующими выходами и входами высокоскоростных приемопередатчиков 17 линейных каналов.
Аналоговые входы указанных выше АЦП 14 и АЦП 15 подключены к источникам сейсмических данных (не показано) и могут быть выполненным одно-, двух- -трех или четырехканальными.
Организация полевого регистрирующего устройства (полевого модуля) 7 и полевого управляющего устройства (крестового модуля) 5 (9) может быть осуществлена, например, с помощью следующих известных микросхем: блок управляющей логики 11, 16 - на базе программируемой логической матрицы EP3C25F256C7N, приемопередатчики 12, 17 - на базе высокоскоростного приемопередатчика Ethernet 100 Mb/s DP83848I, приемопередатчик 13 - на базе сверхскоростного приемопередатчика- Ethernet 1000 Mb/s DP83861.
В качестве управляющего компьютера 2 может использоваться стационарный компьютер или переносной (Notebook). В качестве сверхскоростного интерфейса 4 может использоваться, например, порт Ethernet с поддержкой стандарта 1000BASE-T. Компьютер 2 оснащен необходимым прикладным программным обеспечением (ПО). Сохранение сейсмических данных происходит в компьютере 2 на штатных накопительных устройствах, в том числе на жестких дисках.
Питание полевого управляющего устройства 5 и питание полевых регистрирующих устройств 9 происходит от встроенных источников питания и включается дистанционно по появлении сигнала в линиях связи, т.е. по команде с центрального устройства 1 управления и регистрации сейсмических данных. Питание полевых регистрирующих устройств 7 происходит от полевых регистрирующих устройств 5 (9) по сейсмическим кабелям (линиям связи) 6, при этом по одной витой паре передается один полюс питания, а по другой паре противоположный (не показано).
Сущность технического решения согласно изобретению заключается в следующем.
Сейсморазведочная система согласно изобретению представляет собой наземную систему сейсмической разведки и включает в себя линейные регистрирующие модули высокоскоростными входами-выходами, в том числе с двумя парами ортогональных высокоскоростных выходов («крестовые» регистрирующие модули). Модули соединены между собой сейсмическими кабелям и образуют совокупность линейных (последовательных) систем сбора сейсмических данных. Все линейные расстановки объединяются в площадную расстановку сейсмическими кабелями в единое целое при помощи «крестовых» модулей. При этом за счет наличия в системе «крестовых» модулей обмен данными (передача данных) по линейным расстановкам к станции может проходить не только непосредственно по существующему линейному сейсмическому кабелю, но и с переходом (перенаправлению) по другому пути, по другой линейной расстановке. По меньшей мере, один из «крестовых» полевых регистрирующих модулей включает сверхскоростной выходной интерфейс с возможностью подключения его к сверхскоростному входу центрального устройства управления и регистрации сейсмических данных.
Многоканальная телеметрическая система сбора и регистрации сейсмических данных согласно изобретению работает следующим образом.
Из модулей, «крестовых» 9 и линейных 7, на местности собирается система сбора и регистрации сейсмических данных по определенной заранее схеме (фиг.1). Схема полевой расстановки организовывается с образованием резервных ортогональных путей 10 распространения сейсмических данных с получением таким образом двумерной сети пунктов наблюдений. К полевому управляющему устройству («крестовому» модулю) 5 по сверхскоростному интерфейсу 4 подключают управляющий компьютер 3 станции 1 непосредственно или с использованием дополнительного сетевого оборудования. Крестовой модуль 5 (или какой-либо другой из «крестовых» модулей 9), определивший такое подключение, становится управляющим для четырех независимых направлений по линиям связи 6 в системе.
Крестовой модуль 5 принимает команды от компьютера 3 по сверхскоростному интерфейсу 4 и транслирует их по линиям связи 6 в четыре подчиненных направления. Именно ведущий модуль 5 инициализирует всю расстановку. Ведущий модуль 5 в результате инициализации формирует четыре командных высокоскоростных каналов по линиям связи 6. Сверхскоростной интерфейс 4 имеет многократный запас по пропускной способности и может без ограничения обеспечить пропуск сейсмических данных, приходящих с четырех направлений со всей расстановки. Остальное полевое оборудование работает в подчиненном режиме, когда командный канал уже сформирован, и командные пакеты поступают в оборудование расстановки.
Перед срабатыванием источника сейсмического сигнала центральное устройство 1 управления и регистрации сейсмических данных по сверхскоростному каналу связи 4 передает команды на полевое управляющее устройство 5 для последующей передачи им командных пакетов данных в полевые регистрирующих устройства 7 и 9 по высокоскоростным линиям связи (сейсмическим кабелям) 6. Микроконтроллер управления 11 полевого управляющего устройства 5, исполняя инструкции, находящиеся в памяти программ, передает остальному полевому оборудованию соответствующие команды конфигурации, то есть осуществляет управление режимами регистрации.
Полевые регистрирующие устройства 7, 9 по заданному алгоритму работы определяют командный канал. Алгоритмы работы указанных регистрирующих устройств 7, 9 отличаются только количеством анализируемых каналов. В качестве командного направления в регистрирующих устройствах 7, 9 устанавливается то направление (направление, разъем и кабель), с которого поступают управляющие командные пакеты. Командные пакеты принимаются только с командного канала и передаются во все подчиненные каналы. Данные сейсмических каналов распространяются в обратном направлении.
Командные пакеты имеют заголовок, отличный от заголовка пакетов с данными АЦП. Приемники 12, 17 каналов модулей 7, 9, приняв начало заголовка командного пакета, формируют соответствующие признаки для дальнейшего анализа в блоках 11, 16. В соответствии с заложенным в блоках 7, 9 алгоритмом работы осуществляется определение командного канала и его обозначение, соответствующее направлению, с которого пришел сигнал. Остальные направления (входы-выходы блоков 9) становятся подчиненными каналами.
При возникновении ситуации, когда управляющие пакеты приходят в полевые модули 7 (9) с двух или более направлений, за главное (командный канал) в модуле 7 (9) согласно алгоритму работы принимается (по случайному закону) только одно из них. Запуск процедуры поиска командного канала, то есть смена командного канала, может произойти только после включения питания и формирования сигнала «сброс» или при отсутствии командных пакетов в течение заданного времени, обычно более двух периодов квантования.
После завершения процедуры поиска командного канала в соответствии с описанным алгоритмом модули 7 (9) принимают управляющие командные пакеты только с командного канала и ретранслируют их в подчиненные каналы. По мере отработки указанных алгоритмов всеми модулями 7 (9) расстановок 8, 10, путь прохождения команд и данных становится минимальным автоматически, так как командными каналами становятся те из них, которые быстрее определяют командный пакет.
Нарушение в линии связи 6, в частности обрыв, вызывает пропадание командных пакетов, что приводит к возобновлению процедуры поиска командного канала и восстановлению путей передачи данных. Если в системе расстановки существует физический путь доставки командных пакетов, он будет найден, а из возможных путей будет выбран кратчайший, то есть оптимальный.
Описанный принцип работы полевых модулей 7, 9 обеспечивает автоматическое изменение (восстановление работы) логической структуры расстановки, что можно продемонстрировать условно следующим образом.
1
5
3
2
4
5
3
4
3
4
5
4
4
4
3
3
4
На фиг.4 показан фрагмент расстановки полевых модулей 7 (7-7). При первоначальной расстановке и включении системы, предположим, что модуль 7 определил командный канал со стороны модуля 7 согласно с описанным выше алгоритмом. Модуль 7 в этом случае логически подключится к модулю 7, то есть между модулями 7 и 7 образуется виртуальный разрыв, что означает, что на этом отрезке линии связи 6 командные пакеты будут присутствовать от модулей 7 и 7, но сейсмические данные передаваться не будут. При возникновении обрыва линии связи 6, например, между модулями 7 и 7 в модуле 7 запустится, как это описано выше, процедура поиска нового командного канала. Модуль 7 определит командный канал со стороны 7 и логически подключится к нему, то есть между модулями 7 и 7 установится новая логическая связь и работоспособность системы восстановится. При этом возникнет новый логический разрыв, совпадающий с физическим обрывом указанной линии связи 6, но это теперь не повлияет на работоспособность системы.
Наличие «крестовых» модулей 9 в расстановке системы сбора сейсмических данных согласно изобретению (в сочетании с заложенными в блоках алгоритмами работы) увеличивает количество физических и логических связей внутри системы (расстановки) и соответственно число вариантов возможных путей прохождения команд и сейсмических данных, в том числе при разрыве одной или более линии связи между полевыми модулями, что обеспечивает безотказность («живучесть») работы системы в целом.
Синхронизация работы АЦП 14, 15 и всего полевого оборудования происходит командными пакетами, например, его заголовком. АЦП 14, 15 преобразуют сейсмические сигналы в цифровой вид. Срабатывание АЦП 14, 15 запускает процедуру передачи полученных данных в противоположное командному каналу направление.
Механизм передачи пакетов сейсмических данных отличается от передачи командных пакетов. Пакеты сейсмических данных имеют другой заголовок типа пакета и, кроме того, при прохождении крестового модуля 9 в заголовок добавляется признак пути прихода такого пакета к «крестовому» модулю 9. Пакет сейсмических данных может придти к «крестовому» модулю 9, в отличие от модуля 5, только с трех направлений, так как одно из четырех определено как командное и служит только для приема командных пакетов. Далее пакет данных может распространяться (ретранслироваться) через «крестовой» модуль 9 прямо, с поворотом налево или с поворотом направо (фиг.1). В линейном модуле 7 пакет данных распространяется только прямо.
Пакет сейсмических данных образуется в модулях линейных 7 и «крестовых» 9 как ответ на командный пакет и передается навстречу ему, то есть в сторону центрального блока 1 управления и регистрации. Такие пакеты будем называть прямыми. Каждый из полевых модулей 7, 9 формирует при этом линейный заголовок пакета данных, даже если сам модуль является «крестовым». Пока идет передача данных собственного АЦП, на противоположном входе модуля могут появиться данные предыдущего модуля, только прямого пакета. Если данные предыдущего модуля начинаются линейным заголовком, то он удаляется, а к передаваемому собственному прямому пакету данных, к его окончанию, добавляются принятые данные от предыдущего модуля. Таким образом, прямой пакет данных расширяется, и в точке приема он содержит данные всей конкретной линейной расстановки. Данные модулей 5, ближайших к станции, приходят первыми, а с дальних модулей 5 - последними. Все данные после приема могут быть соотнесены с физической расстановкой.
Иной механизм (алгоритм) прохождения у пакетов данных, пришедших слева и/или справа от основного направления на «крестовой» модуль. Такие пакеты будем называть левые пакеты или правые пакеты в зависимости от направления поворота или просто поворотными. Поворотный пакет образуется из прямого при однократном изменении направления распространения. Особенности алгоритма работы «крестовых» модулей 9 с поворотными пакетами заключаются в следующем.
1. Поворотный пакет приходит к крестовому модулю 9 с ортогонального направления по отношению к главному - командному. Поворотный пакет при передаче в линию связи дополняется в своем начале новым поворотным заголовком с указанием:
- признака поворотного пакета;
- направления прихода пакета, то есть типа поворота левый или правый;
- количества ретрансляций, равны «0».
2. При своем дальнейшем распространении по линиям связи прямо поворотный пакет остается неизменным по длине, а указатель количества ретрансляций инкрементируется (увеличивается на +1) при прохождении очередного модуля 7, 9.
3. При каждом повороте в крестовых модулях 9 прямой или поворотный пакет расширяется новым заголовком (см. п.1), стоящим перед принятым заголовком, и несет в себе признак поворота, тип поворота - налево или направо, т.е. становится левым или правым поворотным пакетом. Пакет может содержать более одного поворотного заголовка в своем начале. Добавление нового поворотного заголовка запрещает дальнейшее изменение указателя количества ретрансляций предыдущего поворотного заголовка.
4. Ретрансляция поворотных пакетов может начаться только после завершения передачи прямых пакетов. При необходимости передачи обоих поворотных пакетов очередность предоставления им канала передачи определяется внутренней логикой микропрограммного автомата 11. Эта же логика же обеспечивает гарантированное разделение пакетов во времени паузой между ними.
В обоих типах модулей 7, 9 алгоритмом работы предусмотрено, что, если модуль (линейный 7 или «крестовой» 9) ретранслирует сейсмические данные и одновременно с этим на него поступает новый командный пакет, то в этом случае ретрансляция сейсмических данных в модуле 7 (9) завершается принудительно. Как следствие модуль 7 (9) начинает формировать паузу и следом прямой пакет данных. Каждый модуль может сам начать генерировать только прямой пакет.
Если описанные выше ситуации прерывания передачи данных возникают, то это означает достижение границы пропускной способности канала связи. Пропускная способность канала связи 6, то есть количество точек регистрации, зависит от битовой скорости канала связи и периода квантования АЦП 14, 15. Так, например, для периода квантования 1 мс пропускной способности канала передачи данных достаточно для сбора более чем 2500 точек наблюдения одной линейной расстановки.
Описанный механизм формирования пакетов сейсмических данных и модификации заголовков позволяет проследить весь путь прохождения пакета данных начиная от точки возникновения и безошибочно соотнести данные с источниками геофизической информации.
Сейсмические данные, приходящие с четырех линейных направлений, буферизуются в управляющем устройстве 5 в виде пакетов и передаются в компьютер 2 станции 1. Очередность передачи пакетов определяется готовностью пакетов, а при одновременной готовности двух и более пакетов - случайным образом. Так как пропускная способность сверхскоростного интерфейса 4 превышает пропускную способность высокоскоростных линейных каналов 6 более чем в 4 раза, обеспечивается бесперебойная доставка всех пакетов сейсмических данных.
Каждый пакет телеметрических цифровых данных, передаваемый в управляющее устройство, содержит в себе собственно сейсмические данные, а также полную информацию, достаточную для определения места подключения каждого линейного и крестового модуля (так называемый «адрес») внутри организованной согласно изобретению двумерной расстановочной сети.
В целом совокупность признаков технического решения согласно изобретению обеспечивает:
- сбор и регистрацию сейсмических данных в реальном времени с большого количества точек наблюдения до нескольких десятков тысяч;
- упрощение полевой технологии расстановки сейсмической системы;
- высокую производительность проведения сейсморазведочных работ;
- повышенную надежность и работоспособность («живучесть») площадной расстановки.