论文专区▏双船地震实时状态观测系统设计与实现
【编者按】采用双船模式进行地震资料采集是海洋地球物理勘探一种有效的作业方法。作业中对双船的精确导航定位及实时控制与状态调整是这一方法获得高品质地震数据的关键。根据海上双船地震作业导航定位特点，采用“框架+插件”体系结构，开发设计“双船地震实时状态观测系统”，实现了对双船作业的实时状态监控及视图化管理功能，并依据偏移量对双船的航速与航向进行及时调整直至使之近于同步。系统的应用使导航定位的精度控制在误差范围之内，保证了野外采集数据的质量。本文发表在《海洋测绘》2015年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。胡家赋，1968出生，男，湖北省仙桃人，国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州海洋地质调查局，高级工程师，主要从事工程测量、海洋测量及海洋导航定位技术研究。
文/胡家赋 易峰 薛玖红 董文观 王兴宇
一、引言
人类对海洋的利用与开发日益深入，海洋工程技术的发展也在影响海洋油气资源的地球物理勘探模式。如钻井平台、跨海工程、生物养殖等都会造成将来海洋地震勘探更复杂，并促使勘探方法的改变。除了这些人工障碍之外，一些天然的障碍，如位于构造重点部位的岛、礁等需要勘探方法的技术革新。采用双船作业方式不仅可以成功避开这些人工、天然的障碍，并且可以获得超长偏移距的地震反射、折射数据，获高品质地震资料并满足某些特殊的地质研究的要求。双船作业是以一条主船即记录船（Recording vessel）和一条副船即震源船（Source vessel）配合采集地震数据的作业方法。
海洋双船地震方法研究始于上世纪70年代末至80年代初[1]。国内外也都有试验性成功应用的实例。1979美国哥伦比大学拉蒙特-多尔蒂地质观测所Stoffa等科学家尝试使用共深度点多道地震方法研究海洋地壳结构[2]，为了解决单船测量电缆长度不足造成的叠加次数有限的问题，开始使用两条具有多道地震系统的观测船实现双船地震观测作业[3]。如1985年10月，中、美两国以“海洋四号”（中国）和“康拉德号”船（美国）在我国南海北部首次进行了双船地震调查的野外数据采集工作[4]，1998年7月上海海洋石油局“奋斗七号”和广州海洋地质调查局“探宝号”船在温东洞头岛，黑牛湾海域进行以双船作业为主的综合地球物理调查试验[3]。近年来，多船地震勘探技术日益成熟，已经进入到商业应用阶段。如法国CGG公司开发的seal 428海上地震数据采集系统，已广泛采用多船的多源多缆开展海洋深水区油气资源勘探以及油气田的3D/4D勘探；我国在南海北部海域油气资源调查中也开展了双船作业调查采集作业[5]。
在双船作业中，对多船作业的控制采用主船控制为主，震源船的实时信息会显示在记录船上，记录船同时控制震源船枪阵和本船枪阵[6]，数据以及控制指令需要通过两船之间的无线通讯系统进行传输。由于现代导航定位技术的发展，时钟同步不再是制约双船作业的首要条件，船舶航行状态控制（包括主船和副船速度控制，航行间距、测线偏离控制等）是制约双船地震项目野外采集能否取得满意资料主要因素，这也表明双船导航定位的实时状态控制是这一作业方式成败的关键。
本文根据双船地震实时状态控制系统的要求，在深入了解各种外部测量设备的基础上，结合GIS、通讯技术及计算机网络技术，通过实时状态控制使主船、副船能够相互实时监控各自航行参数、设备状态，震源位置、电缆形状等。系统通过双船距离调整模型，根据偏移值实时调整双船航速和航向，控制船舶按设计速度和方位航行以及控制作业船（主、副船）等间距（理论距离+允许误差）航行。
二、双船地震实时状态观测系统总体架构及模块功能
⒈ 系统总体架构
系统主要由双船无线同步系统、导航接口单元、海图空间数据集成、双船实时状态控制软件等软、硬件模块组成，其中双船作业无线同步系统实时同步接收/传送主、副船各类状态信息，实现主副船导航定位和地震震源及拖缆定位、测深、时间等信息双向无线交换；导航接口单元用于连接外部DGPS、罗经、测深仪、地震水鸟控制系统、无线数传等相关导航定位设备，实现原始导航信息的采集；海图空间数据集成模块用于电子航海地图数据输入、存储、更新以及实时显示等；双船实时状态控制软件主要由组件分类管理、双船实时状态监控等模块组成，用于双船地震作业中主、副船当前航行状态（距离、偏线、拖曳电缆分布形态等）的管理与控制。系统组成框架如图１所示。
本系统是独立于综合导航系统之外单独子系统，主、副船均安装有配置相同的系统软、硬件。硬件主要由主控计算机，无线数传系统，及导航接口单元、时序控制板等组成。主船/副船系统配置及相关设备之间联接如图１所示。主控制计算机通过TCP/IP与导航接口单元连接，接收主船时间、船位、艏向、尾标定位RGPS、拖缆定位罗盘方位与深度及地震头段等相关导航信息。
无线数传通过串行口与导航接口单元联接，将本船导航信息、预测同步信号、炮号和地震文件号、拖缆状态等信息打包，经无线电台发送给对方船只、并接收对方船只发回的相同信息。主控计算机从导航接口单元获取主、副船当前导航信息，结合实际工作测线，实时计算并文本显示两船距离，两船当前船速、建议船速、实时距离间差、实际和最大横向允许偏差等；并同步图形显示船舶航行轨迹，拖缆状态、设计炮点位置、实际炮点位置等。
⒉ 系统组成模块及主要功能
系统包括工程管理、设备管理、测线管理、双船监控、文本显示、通用设置、视图管理、常用工具等八个主要功能模块，每个功能模块[7]相互衔接、协作，共同完成双船实时状态的监控和管理。系统运行主界面如图2所示。系统以工程项目进行管理，工程文件记录作业名称、地点、人员等基本信息及地理参数、界面整饰等配置信息；同时基于TCP/IP协议进行数据通信，将主、副船设备进行统一管理，以文本栏方式将设备数据动态显示，实时刷新双船的间距、距离偏差、建议航速和调整过程时长等。主视图（双船同时显示）和分视图（单船独显）实时计算并动态显示当前船位、行驶轨迹和拖曳电缆的形态等。
系统统一管理作业信息、规范作业流程，引入了“工程管理”[8]的概念，采用权限方式建立工程，每次作业对应一个工程，以工程文件的方式记录所有工程配置信息,与系统的其它功能模块协调运行，在继承传统管理方式上进行了创新。非工程用户的任何操作将被禁止，从而避免非法错误。
为获得稳定、实时、准确、可靠的数据，基于TCP/IP协议开发了设备管理与通信模块，通过指定的IP地址、端口号与服务器进行连接，按通信协议从导航接口单元接收到外部设备数据，实现了多路导航定位数据的实时通信功能。根据每个串口（RS-232）的设备类型对应不同设备的模块驱动，对数据进行分离—解析—数据集成—分类—再利用—计算，得到主副船状态实时观测数据，如：时间、经度、纬度、方位、水深、双船间距等。
测线管理模块提供平面算法和大圆推算两种算法模型管理作业测线，实现与主、副船综合导航系统工作测线的同步、吻合和匹配。针对不规则工作区或者不宜靠近的障碍区（警戒区），采用测线多边形裁剪技术，从而得到避开障碍区的工作测线。
针对系统中除菜单栏、工具栏、状态栏之外的所有视图进行管理，可控制各视图显示、拖动、浮现等，且隐藏不能拖动视图标题栏，以节省系统界面空间。
三、双船地震实时状态观测系统关键技术
⒈ “框架＋插件”的体系结构
根据双船地震作业导航定位特点，在深入研究插件式软件体系架构和GIS空间数据管理机制的基础上，系统开发采用“框架＋插件”的体系结构，关键技术采用模块集成，核心功能采用插件技术得以实现。通过对插件的组装搭建系统功能，允许用户最大程度上定制个性化的软件界面和功能，用户还可根据公布的接口自行扩展软件功能，这种方案可真正解决传统开发模式中系统在扩展性和维护升级方面的问题，使系统具有更好的时间响应特性、可扩展性、可维护性。
⒉ 导航电子海图构建
电子海图含有丰富的航海信息及海洋地理信息，能够提供岸线、水深、航道、沉船、暗礁、炸弹区等关键航海因素，能够帮助导航员最大限度的了解当前调查作业船只航行环境。系统按照国际海道测量组织S-57海图数据传输标准、S-52海图显示规范，构建海图要素表示库以及海图生成显示[9]等；研究GIS空间数据处理引擎（GDAL、OGR），实现000格式海图向矢量数据ShapFile的转换；基于强大的GIS组件ArcEngine，研究海图分层显示控制技术以及图形操作功能，实现多层次多要素的导航定位背景海图显示，用于实时了解作业船只当前作业地点水下地貌环境。
⒊ 双船实时状态控制技术
在完善解决“多路导航定位数据实时采集与通信机制”[10]的基础上，系统重点分析双船实时状态监控的业务流程，设计双船状态预测与警示模型，实现双船实时状态控制。主要表现在以下几个方面。
⑴双船无线数传通讯机制建立与协调
在开展双船地震海上作业过程中电磁环境复杂，无线传输的数据量大、种类繁多，包括船位、艏向、航向、震源和电缆头标、尾标、激发时间、电缆罗盘、水鸟等实时观测数据，各种数据有各自独特的格式[11]。因此，主、副船采用加密无线通信传输各自相关设备数据，能够保证两船之间的数据交换的可靠传输和字节完整。
数据传输采用严密的通信协议，采用高效的数据收发和解析算法，按照标准时序安排发射本地数据和接收远程数据，有效保证了实时采集数据的安全性、可靠性和完整性。无线传输的数据收集基于TCP/IP协议，实现与船载测量设备通信连接。实现过程为：设备参数配置→通信链路建立→数据传输（测试、管理、状态监控）→设备解析（驱动）→数据要素提取。数据类型主要在主/副船DGPS、罗经、测深仪、RGPS尾标定位系统、震源枪控数据、罗盘水鸟数据、地震头段数据解析与计算等。
⑵双船地震导航定位方案配置
双船作业中，主、副船之间通过无线数传系统进行数据交换, 副船导航系统作为一个远程终端，负责接收实时信号，使用无线电问询方式通讯联系。在上线状态过程中接收主船发出的震源触发信号，并转发给副船的枪控系统触发枪阵，同时将枪控反馈信号（TB）等制成头段返发给主船。主船接收副船的震源触发时间及位置信息，并启动地震记录系统记录。主船导航定位系统实时显示导航质量控制并按标准格式（UKOOA）记录实时记录主船、副船导航定位数据。
主船导航定位系统掌控主、副船时序安排，控制两船震源触发与地震记录系统启动；副船导航定位系统一切权力由主船导航定位系统占有并控制，副船被看着是主船的扩展，导航系统结构展现为单缆双源地震作业方式；主船、副船需保持理论等间距航行。
⑶双船联动中实时运动状态调整
在双船地震作业中，为了正确实现项目野外作业观测系统的实施方案，需制定主、副船相应的导航定位作业方案，如确定导航定位系统参数、双船监控参数、双船设计间距、主副船前后顺序及优先级、警报阀值等。其中，主、副船间距控制是按设计方案正确采集高质量长排列地震原始资料的导航定位技术关键所在，为此设计了如下状态调整方案：
主船与副船距离大于一个排列长度时，前船以最低拖曳速度、后船以最高拖曳安全速度航行；
主船与副船距离小于一个排列长度时，前船以最低工作速度、后船以最高工作速度航行；
主船与副船距离小于半个排列长度时，前后两船航行速度差不大于1.5节。
主船与副船距离为一个炮间距时，前后两船保持相同航速，匀速沿线前行。
⑷数据响应与指引展示
通过引入GIS分层刷新机制，将不同的图形要素(船只、测线等)分层贮存、分层刷新提高了多要素、多目标(尤其是动态目标)的刷新效率以及系统的响应速度。以文本方式动态显现主、副船实时状态信息时引入了双缓冲刷新技术，保证数据的动态存储和实时更新。
通过放大监控可视化窗口，实时动态显示主、副船当前精确运动状态，直观展示主船、副船、测线等要素的空间位置相对关系，实时动态图形、文字显示主、副船定位内容、上线状态、拖缆形状等关键导航信息；单独重点显示“两船间距”。提示、协助主、副船驾驶员控制船舶航行状态。
⒋ 双船状态控制计算模型
为提高双船实时状态监控的精确性，深入研究了基于大椭圆航法[12]的双船距离调整控制模型，基于该优化模型动态解算主、副船建议航速、航向、距离差、改正时间等导航信息，协助主、副驾驶员控制船舶航行状态，准确实施预订作业方案，以便获取高质量、高精度的符合技术设计要求的野外原始资料。
通过将主、副船以及目标测线起止点大地坐标转换为空间直角坐标[13]，基于空间解析几何解算截面椭圆方程以及主、副船在目标测线上的投影坐标，并基于空间椭球几何剔除无用根，得到主、副船对应的唯一投影坐标，根据该投影坐标采用建立过地心的截面椭圆，通过求解截面椭圆短半径和偏心率确定投影形状，根据该截面椭圆参数(d,f,g)求解主、副船所对应的极距角（θ）[16]，使用子午线弧长公式（s(θ)）[17]计算两船间距(s)，结合主、副船当前航行速度、航行方向、前后位置关系、优先级别、两船固定间距等参数，动态计算主、副船建议航速、航向、距离差及改正所用时长等导航参数，得到本系统设计呈现的相关状态控制地理信息。
由极距角（θ）计算子午线弧长（s(θ)）：
基于大椭圆航法[16]的主副船间球面距离为：
S＝│s(θ2)-s(θ1)│
具体流程如图3所示。
四、双船地震实时状态观测系统试验及生产实际应用
2013年底，广海局“探宝号”船和“奋斗四号”船进行了海上双船地震勘探试验，双船地震实时状态观测控制系统海上技术试验也同船进行。在作业过程中，主船把主船拖缆、两船间距、副船拖缆当做一条单缆进行数据处理，因此，当不采用双船实时状态观测控制系统控制两船距离时，主副船距离变化会被摊薄到电缆接收道位置的计算中。当两船距离大于设计船距时，副船及其尾标计算坐标会出现明显扭曲与偏移，引起主副船电缆检波器节点定位结果存在系统性偏差。见图4为主船综合导航系统双船实时导航监控图，可以看出主、副船拖缆形状（绿色）成S状扭曲，导致电缆羽角存在明显错误。
为此，在第二阶段生产采集试验过程中，采用双船地震实时状态观测控制系统控制主、副船只之间的航行距离，通过该系统提示和指引，驾驶员可以及时调整船速、航向，使两船作业间距保持在设计距离误差的阀值窗口内，以保证地震作业时导航定位的精度，没有导致导航系统的解算失真，顺利取得了高精度的双船地震野外原始资料。
五、结束语
双船地震实时状态控制系统通过双向协同控制主副作业船只航行状态，实时提供主、副船航速、航向建议调整值，以协助船舶驾驶员控制船舶航行状态，使得双船距离及测线偏距在允许误差范围之内，准确实施预定作业方案，从而取得质量较高的双船导航定位资料，为精细化处理双船地震资料提供了高精度的基础数据。
在本系统帮助下，能够保证海上双船地震设计工作方案顺利实施，通过控制主、副船地震作业时船只航行状态，使得双船作业的导航定位误差不大于设计方案的允许误差。其性能稳定，能够很好地满足海洋勘探双船地震作业的需要，在后续规模化采用双船地震方式进行海洋地球物理勘探作业中具有广阔的应用前景。
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