智能節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)：為油氣勘探裝上“無線千里眼

　　近日，中國石化科技部對(duì)石油物探技術(shù)研究院（簡稱：物探院）主導(dǎo)完成的”智能節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用“成果進(jìn)行了鑒定，認(rèn)為該成果有效解決了當(dāng)前地震全節(jié)點(diǎn)采集生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸難題，填補(bǔ)了油氣勘探野外施工無控盲采的技術(shù)空白，推動(dòng)了新一代無線通信技術(shù)在地震采集行業(yè)中的發(fā)展，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

　　充分做好前期場內(nèi)測試，才能保證野外應(yīng)用滿足現(xiàn)場需求

　　近年來，隨著高密度地震勘探的實(shí)施，現(xiàn)有全節(jié)點(diǎn)采集時(shí)缺少實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和質(zhì)控手段的問題越來越突出，而傳統(tǒng)有線數(shù)字地震儀的關(guān)鍵技術(shù)一直掌握在國外廠商手中。為實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控，物探院決心啃下這塊”硬骨頭“。

　　實(shí)現(xiàn)全節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及作業(yè)質(zhì)控，第一個(gè)要跨越的”山頭“就是研制布設(shè)于地面的一道道智能節(jié)點(diǎn)地震儀。為推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，物探院迅速成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，第一時(shí)間奔赴山東濟(jì)南商河勘探現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。

　　時(shí)值隆冬，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在雪地中布點(diǎn)測試，圍繞儀器埋深、極端天氣下使用條件、便捷回收和充電等問題展開”頭腦風(fēng)暴“，經(jīng)過多次調(diào)整與改版，最終完成了智能節(jié)點(diǎn)儀的工業(yè)設(shè)計(jì)及原型樣機(jī)開發(fā)?！痹跇訖C(jī)開發(fā)過程中，我們進(jìn)行了多次高低溫、耐腐蝕性、電磁干擾等滾動(dòng)測試。“物探院軟件所技術(shù)研發(fā)室負(fù)責(zé)人洪承煜說，”只有充分做好前期的場內(nèi)測試，才能保證野外應(yīng)用滿足現(xiàn)場需求?！?/p>

　　節(jié)點(diǎn)儀的埋置地點(diǎn)多在沙漠、戈壁等地，地質(zhì)條件復(fù)雜，常遇到高溫、積水、腐蝕等問題。研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境的施工需求，在研發(fā)自主定制通信協(xié)議技術(shù)、地震采集精確時(shí)間同步技術(shù)、智能節(jié)點(diǎn)低功耗控制技術(shù)、5G通信技術(shù)、5G模組及工業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，成功研制出防塵、防摔、耐腐蝕、耐寒、耐高溫、散熱性好的第一代Smart Point 5G智能節(jié)點(diǎn)地震儀（簡稱：5G節(jié)點(diǎn)儀）。

　　采集系統(tǒng)就像”核心網(wǎng)“，節(jié)點(diǎn)儀則是插進(jìn)地里的一部部”手機(jī)“

　　有了設(shè)備，但5G節(jié)點(diǎn)儀采集到的數(shù)據(jù)要完成實(shí)時(shí)傳輸還需要一套完備的系統(tǒng)來支撐。研發(fā)團(tuán)隊(duì)”趁熱打鐵“，集合傳統(tǒng)有纜系統(tǒng)和現(xiàn)有無纜系統(tǒng)的優(yōu)勢，研發(fā)出基于5G的智能節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)（簡稱：5G節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)），不僅能有效降低成本，而且在提高施工效率、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回收及質(zhì)量控制等方面具有突出優(yōu)勢。

　　該系統(tǒng)由5G核心網(wǎng)絡(luò)、智能化軟件系統(tǒng)、野外營地、人機(jī)施工系統(tǒng)、5G節(jié)點(diǎn)儀和云端平臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)儀中都裝備了5G模組用于通信和數(shù)據(jù)傳輸?！贝騻€(gè)比方，5G節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)就像是'核心網(wǎng)'，各個(gè)節(jié)點(diǎn)儀是插進(jìn)地里的一部部'手機(jī)'，云端平臺(tái)則充當(dāng)'基站'，可以經(jīng)由它們實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)和大地之間的'通話'，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地傳回地震采集數(shù)據(jù)?！拔锾皆很浖L宋志翔介紹，”應(yīng)用該系統(tǒng)，我們就有了油氣勘探的'千里眼'，可以遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行質(zhì)量控制，有助于高效采集數(shù)據(jù)?！?/p>

　　為了讓5G節(jié)點(diǎn)儀能有更好的網(wǎng)絡(luò)通路，物探院還在研發(fā)過程中引入了自動(dòng)化、人工智能、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，形成了面向節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制出了野外5G組網(wǎng)技術(shù)與裝備，打通了基于5G通信的控制流程和數(shù)據(jù)通路?！苯?jīng)過不斷打磨，我們定制開發(fā)的5G通信設(shè)備具備小型化、可移動(dòng)、低功耗等優(yōu)勢，非常適用野外作業(yè)場景，而且研發(fā)的野外組網(wǎng)技術(shù)方法和專業(yè)軟件，也能良好支持5G通信基站部署地理位置設(shè)計(jì)?！拔锾皆很浖?G組網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人林慶富說，”不僅如此，我們還與中國移動(dòng)合作，開展大批量物聯(lián)網(wǎng)通信卡應(yīng)用試點(diǎn)，大幅降低了數(shù)據(jù)流量資費(fèi)，同時(shí)緊密跟進(jìn)5G技術(shù)發(fā)展情況，持續(xù)保持組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。“

　　全節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)邁向?qū)崟r(shí)可控、實(shí)時(shí)可視、實(shí)時(shí)可評(píng)階段

　　創(chuàng)新之路，永無止境。在多次的實(shí)踐應(yīng)用中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)5G節(jié)點(diǎn)儀還存在有纜監(jiān)控成本高、部分復(fù)雜區(qū)域布設(shè)困難等問題。為更好地完成地震數(shù)據(jù)采集任務(wù)，他們經(jīng)過多次測試及實(shí)際工區(qū)應(yīng)用，持續(xù)對(duì)原有5G節(jié)點(diǎn)儀進(jìn)行迭代升級(jí)，研制出整體性能更佳的第二代產(chǎn)品，形成了面向采集生產(chǎn)現(xiàn)場的稀疏觀測排列測網(wǎng)監(jiān)控、全節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)質(zhì)控技術(shù)，以及實(shí)用化的增量式質(zhì)控、有纜監(jiān)測線替代和環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測等多項(xiàng)特色方法與流程，實(shí)現(xiàn)了地震采集過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了中心機(jī)儀器指揮系統(tǒng)”即放即所得“的應(yīng)用需求，使全節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)邁向?qū)崟r(shí)可控、實(shí)時(shí)可視、實(shí)時(shí)可評(píng)階段。

　　截至今年5月，第二代5G節(jié)點(diǎn)儀已完成了1.5萬道生產(chǎn)，7個(gè)月內(nèi)在野外完成了6個(gè)以上項(xiàng)目的實(shí)時(shí)質(zhì)控試驗(yàn)，與之前的采集流程相比，在特定探區(qū)獲得完整數(shù)據(jù)所需的質(zhì)控時(shí)間縮短了3~4周。

　　“成功的產(chǎn)品需要經(jīng)歷有用、好用、愛用的階段，5G節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間。相信在不久的將來，它有望在野外采集作業(yè)中實(shí)現(xiàn)全流程應(yīng)用，帶來地震采集施工方式的變革，加快地震采集行業(yè)數(shù)智化進(jìn)程，助力油氣勘探實(shí)現(xiàn)降本增效。”物探院軟件所黨支部書記袁暉說。

　　3年多來，5G節(jié)點(diǎn)儀先后在南方山地、東部平原、東北極寒地區(qū)等20個(gè)工區(qū)推廣應(yīng)用，得到了業(yè)界高度認(rèn)可。以南方山地的兩個(gè)項(xiàng)目--旺隆-鳴鳳三維采集項(xiàng)目和池溪三維采集項(xiàng)目為例，自應(yīng)用5G節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)后，已多次刷新工區(qū)采集日效紀(jì)錄。

　　“過去我們要背著一條條接有很多采集設(shè)備的電纜進(jìn)行勘探監(jiān)控，現(xiàn)在有了無線技術(shù)，不僅擺脫了笨重的電纜，而且能更快、更準(zhǔn)、更輕松地找到油氣。”布設(shè)儀器的勘探人員切身感受到了智能節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)帶來的變化。

　　地震勘探數(shù)據(jù)采集進(jìn)入無線時(shí)代

　　□石油物探技術(shù)研究院原副院長、總工程師 趙改善

　　地震勘探儀器經(jīng)過了從光點(diǎn)地震儀、模擬地震儀到數(shù)字地震儀的發(fā)展歷程，而數(shù)字地震儀則從有線地震儀、無線遙測地震儀發(fā)展到節(jié)點(diǎn)地震儀?？梢哉f，節(jié)點(diǎn)地震儀的發(fā)展將地震勘探數(shù)據(jù)采集從有線時(shí)代帶入無線時(shí)代，顯著提高了地震勘探對(duì)山地、城鎮(zhèn)等復(fù)雜地表?xiàng)l件與人居環(huán)境的適應(yīng)性和靈活性，滿足了油氣地震勘探向大規(guī)模、高密度、寬方位（全方位）、高精度、高效率、低成本、綠色化發(fā)展的技術(shù)要求，降低了野外作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和用工量，提升了地震勘探生產(chǎn)效率和野外作業(yè)的HSE水平。

　　節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集是地震勘探技術(shù)的一次重大變革，已經(jīng)在能源與礦產(chǎn)資源勘探、工程勘察、防災(zāi)減災(zāi)、重大工程安全監(jiān)測、城市地下空間探測、地球科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，未來必將持續(xù)釋放強(qiáng)勁活力。但節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)發(fā)展不僅僅是地震勘探儀器的變革，同時(shí)也伴隨著地震數(shù)據(jù)采集模式、數(shù)據(jù)處理模式和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的變革。

　　節(jié)點(diǎn)地震儀的應(yīng)用使得地震勘探數(shù)據(jù)采集模式實(shí)現(xiàn)了從集中式向分布式轉(zhuǎn)變，將促進(jìn)地震勘探野外作業(yè)流程和施工管理模式的優(yōu)化與變革。節(jié)點(diǎn)分布式地震數(shù)據(jù)采集模式正向著長時(shí)間連續(xù)觀測、主動(dòng)源與被動(dòng)源融合采集、密集采集與稀疏采集共存、實(shí)時(shí)監(jiān)控與實(shí)時(shí)回傳、節(jié)點(diǎn)布設(shè)與回收自動(dòng)化輔助等方向發(fā)展。

　　節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)處理模式將向著自動(dòng)化處理流程和智能化分析等方向發(fā)展，需要有相應(yīng)的主動(dòng)源與被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)處理、非規(guī)則觀測系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)處理功能的支持。增量式數(shù)據(jù)處理功能和處理流程的創(chuàng)新將建立全新的增量式地震數(shù)據(jù)處理模式，在某些應(yīng)用場景下這種增量式地震數(shù)據(jù)處理可以按實(shí)時(shí)和自動(dòng)化流程模式開展。

　　節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)應(yīng)用模式將向著應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用場景多樣化、地震數(shù)據(jù)采集處理解釋軟硬件系統(tǒng)一體化、被動(dòng)源環(huán)境噪聲信息深度應(yīng)用、主動(dòng)源與被動(dòng)源信號(hào)融合應(yīng)用等方向發(fā)展。

　　為充分挖掘節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)發(fā)展的潛力、釋放節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)發(fā)展的活力， 應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)性思考與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)地震勘探儀器裝備、地震數(shù)據(jù)采集模式、數(shù)據(jù)處理模式和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的同步發(fā)展與變革。

　　一是對(duì)節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化研究，形成節(jié)點(diǎn)地震儀器裝備、采集技術(shù)、處理技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)化體系，充分挖掘節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)的巨大潛力并發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。

　　二是以應(yīng)用場景為引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)與信息通信技術(shù)的融合發(fā)展，通過節(jié)點(diǎn)儀器、5G和衛(wèi)星無線通信、人工智能、云計(jì)算、無人機(jī)、機(jī)器人等技術(shù)的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理和智能化數(shù)據(jù)分析解釋，構(gòu)建面向不同應(yīng)用場景的節(jié)點(diǎn)地震勘探一體化系統(tǒng)。

　　三是以開放的心態(tài)推動(dòng)行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，形成節(jié)點(diǎn)地震儀和節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)管理的開源架構(gòu)，構(gòu)建開放式地球物理生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)的良性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)地球物理行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展與長期可持續(xù)發(fā)展。

　　新聞會(huì)客廳

　　問：智能節(jié)點(diǎn)地震技術(shù)裝備，對(duì)地震采集工作產(chǎn)生了哪些影響？

　　答：智能節(jié)點(diǎn)地震技術(shù)裝備的研發(fā)應(yīng)用給地震采集領(lǐng)域帶來的變革是全方位的。地震儀從傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)揭?guī)?；?G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳輸，是一次重大的技術(shù)變革，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是大幅降低了野外采集施工成本，從而有能力加大地震數(shù)據(jù)采集密度。相比傳統(tǒng)地震檢波器，這些節(jié)點(diǎn)儀能更方便地部署在更廣泛的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而提高地下目標(biāo)成像分辨率，能更清晰地獲取地下油氣儲(chǔ)層的詳細(xì)情況。二是引領(lǐng)了地震一體化技術(shù)的進(jìn)步。智能節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和定位技術(shù)為未來采集、處理一體化打下了基礎(chǔ)。系統(tǒng)可以完成基于數(shù)字孿生的觀測系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)，方便野外隨時(shí)進(jìn)行變形觀測，再將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云處理中心，通過增量遞進(jìn)式處理成像流程，最終實(shí)現(xiàn)“采集完成即處理完成”的“實(shí)時(shí)成像”終極目標(biāo)。

　　問：智能節(jié)點(diǎn)地震技術(shù)還需要解決哪些技術(shù)和工程轉(zhuǎn)化問題？

　　答：在節(jié)點(diǎn)端，要不斷完善相關(guān)設(shè)備在野外復(fù)雜應(yīng)用場景的適用性，持續(xù)創(chuàng)新攻關(guān)檢波器高低頻響應(yīng)特性、待機(jī)時(shí)間、儀器小型化、國產(chǎn)元器件替代率等問題。在組網(wǎng)系統(tǒng)方面，要與國內(nèi)主要通信研發(fā)單位合作完成公網(wǎng)、私網(wǎng)無縫銜接技術(shù)研發(fā)，解決野外復(fù)雜地表?xiàng)l件下萬道級(jí)甚至十萬道級(jí)大面積分布節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的并發(fā)通信問題。在軟件系統(tǒng)方面，要不斷優(yōu)化現(xiàn)有軟件體系和模塊，加強(qiáng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，提升野外采集端軟件的易用性，同時(shí)要布局并加快增量式實(shí)時(shí)處理成像技術(shù)的研發(fā)。

　　兩代節(jié)點(diǎn)儀“大比拼”

　　地震數(shù)據(jù)采集是地震勘探業(yè)務(wù)流程不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)地震儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球震動(dòng)信號(hào)的分布式、高精度、數(shù)字化感知與記錄存儲(chǔ)，而5G智能節(jié)點(diǎn)地震儀更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地震信號(hào)觀測的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程感知、監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。由物探院研制的Smart Point 5G智能節(jié)點(diǎn)地震儀目前已迭代到2.0版，兩代節(jié)點(diǎn)儀到底有什么區(qū)別呢？

　　1.重量更輕、體積更小

　　第一代節(jié)點(diǎn)儀采用桶形設(shè)計(jì)，第二代節(jié)點(diǎn)儀采用主流梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且重量較第一代減輕了1/4，僅為1.2千克，體積也縮小了一半，大幅提高了便攜性和易布設(shè)性，能進(jìn)一步減少人員和車輛投入，提高物探采集施工效率。

　　2.集成化程度更高、可靠性更強(qiáng)

　　相比第一代節(jié)點(diǎn)儀，第二代節(jié)點(diǎn)儀大幅提高了元器件的集成化程度，兩塊板卡減少到1塊、主板布線從3層增加到6層，同時(shí)保留了原有的全部功能，例如5G現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳、巡檢、參數(shù)配置、遠(yuǎn)程喚醒等。高度的集成化進(jìn)一步提高了Smart Ponit節(jié)點(diǎn)儀的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力。

　　3.功耗更低、續(xù)航時(shí)間更長

　　與第一代節(jié)點(diǎn)儀相比，第二代節(jié)點(diǎn)儀在數(shù)據(jù)傳輸效率不降低的情況下，在線功耗降低了25毫瓦，而且通過重新制定電源管理策略，整體功耗也實(shí)現(xiàn)了大幅下降。更低的功耗，意味著更少的電池投入。第二代節(jié)點(diǎn)儀僅用8節(jié)18650型號(hào)的鋰電池就能達(dá)到25天的分時(shí)續(xù)航時(shí)間，提高了在復(fù)雜野外環(huán)境的連續(xù)施工能力。

　　4.天線接收和發(fā)射無線信號(hào)性能更優(yōu)

　　第一代節(jié)點(diǎn)儀使用“BDS+GPS+QZSS”天線，第二代節(jié)點(diǎn)儀則使用了面積更大、干擾更小的定制化多頻段天線，有效提高了天線增益強(qiáng)度、天線空間信號(hào)強(qiáng)度分布和輻射模式均勻性、天線與傳輸線的阻抗匹配程度，并擴(kuò)大了天線有效工作頻率范圍。更優(yōu)的天線參數(shù)，更有利于提高5G傳輸?shù)姆€(wěn)定性和復(fù)雜施工環(huán)境的適應(yīng)能力。（于曉東 楊尚琴）

　　轉(zhuǎn)自：中國石化報(bào)

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