智能节点采集系统：为油气勘探装上“无线千里眼

  近日，中国石化科技部对石油物探技术研究院（简称：物探院）主导完成的”智能节点采集系统研发及应用“成果进行了鉴定，认为该成果有效解决了当前地震全节点采集生产中的实时数据传输难题，填补了油气勘探野外施工无控盲采的技术空白，推动了新一代无线通信技术在地震采集行业中的发展，整体技术达到国际领先水平。

  近年来，随着高密度地震勘探的实施，现有全节点采集时缺少实时数据传输和质控手段的问题越来越突出，而传统有线数字地震仪的关键技术一直掌握在国外厂商手中。为实现技术自主可控，物探院决心啃下这块”硬骨头“。

  实现全节点采集实时数据传输及作业质控，第一个要跨越的”山头“就是研制布设于地面的一道道智能节点地震仪。为推进关键核心技术攻关，物探院迅速成立研发团队，第一时间奔赴山东济南商河勘探现场进行实地调研。

  时值隆冬，研发团队在雪地中布点测试，围绕仪器埋深、极端天气下使用条件、便捷回收和充电等问题展开”头脑风暴“，经过多次调整与改版，最终完成了智能节点仪的工业设计及原型样机开发。”在样机开发过程中，咱们进行了多次高低温、抵抗腐蚀能力、电磁干扰等滚动测试。“物探院软件所研发技术室负责人洪承煜说，”只有充分做好前期的场内测试，才可能正真的保证野外应用满足现场需求。“

  节点仪的埋置地点多在沙漠、戈壁等地，地质条件复杂，常遇到高温、积水、腐蚀等问题。研发团队针对不一样地质环境的施工需求，在研发自主定制通信协议技术、地震采集精确时间同步技术、智能节点低功耗控制技术、5G通信技术、5G模组及工业设计的基础上，成功研制出防尘、防摔、耐腐蚀、耐寒、耐高温、散热性好的第一代Smart Point 5G智能节点地震仪（简称：5G节点仪）。

  有了设备，但5G节点仪采集到的数据要完成实时传输还需要一套完备的系统来支撑。研发团队”趁热打铁“，集合传统有缆系统和现有无缆系统的优势，研发出基于5G的智能节点地震采集系统（简称：5G节点采集系统），不仅能大大降低成本，而且在提高施工效率、实现数据回收及质量控制等方面具有突出优势。

  该系统由5G核心网络、智能化软件系统、野外营地、人机施工系统、5G节点仪和云端平台构成，每个节点仪中都装备了5G模组用于通信和数据传输。”打个比方，5G节点采集系统就像是核心网，各个节点仪是地里的一部部手机，云端平台则充当基站，可以经由它们实现节点采集系统和大地之间的通线;，实时精准地传回地震采集数据。“物探院软件所所长宋志翔介绍，”应用该系统，我们就有了油气勘探的千里眼，可以远程对现场进行质量控制，有助于高效采集数据。“

  为了让5G节点仪能有更好的网络通路，物探院还在研发过程中引入了自动化、人工智能、边缘计算、大数据等技术，形成了面向节点采集系统的工业物联网技术，研制出了野外5G组网技术与装备，打通了基于5G通信的控制流程和数据通路。”经过不断打磨，我们定制开发的5G通信设施具备小型化、可移动、低功耗等优势，非常适用野外作业场景，而且研发的野外组网技术方法和专业软件，也能良好支持5G通信基站部署地理位置设计。“物探院软件所5G组网系统负责人林庆富说，”不仅如此，我们还与中国移动合作，开展大批量物联网通信卡应用试点，大幅度降低了数据流量资费，同时紧密跟进5G技术发展状况，持续保持组网技术领先优势。“

  创新之路，永无止境。在多次的实践应用中，研发团队发现5G节点仪还存在有缆监控成本高、部分复杂区域布设困难等问题。为更好地完成地震数据采集任务，他们经过多次测试及实际工区应用，持续对原有5G节点仪进行迭代升级，研制出整体性能更佳的第二代产品，形成了面向采集生产现场的稀疏观测排列测网监控、全节点采集实时质控技术，以及实用化的增量式质控、有缆监测线替代和环境噪声自动监测等多项特色方法与流程，实现了地震采集过程实时监控，满足了中心机仪器指挥系统”即放即所得“的应用需求，使全节点采集技术迈向实时可控、实时可视、实时可评阶段。

  截至今年5月，第二代5G节点仪已完成了1.5万道生产，7个月内在野外完成了6个以上项目的实时质控试验，与之前的采集流程相比，在特定探区获得完整数据所需的质控时间缩短了3~4周。

  “成功的产品要经历有用、好用、爱用的阶段，5G节点采集系统还有很大的发展空间。相信在不久的将来，它有望在野外采集作业中实现全流程应用，带来地震采集施工方式的变革，加快地震采集行业数智化进程，助力油气勘探实现降本增效。”物探院软件所党支部书记袁晖说。

  3年多来，5G节点仪先后在南方山地、东部平原、东北极寒地区等20个工区推广应用，得到了业界高度认可。以南方山地的两个项目--旺隆-鸣凤三维采集项目和池溪三维采集项目为例，自应用5G节点采集系统后，已多次刷新工区采集日效纪录。

  “过去我们要背着一条条接有很多采集设备的电缆进行勘探监控，现在有了无线技术，不仅摆脱了笨重的电缆，而且能更快、更准、更轻松地找到油气。”布设仪器的勘探人员切身感受到了智能节点采集系统带来的变化。

  地震勘探仪器经过了从光点地震仪、模拟地震仪到数字地震仪的发展历史，而数字地震仪则从有线地震仪、无线遥测地震仪发展到节点地震仪。可以说，节点地震仪的发展将地震勘探数据采集从有线时代带入无线时代，明显提高了地震勘探对山地、城镇等复杂地表条件与人居环境的适应性和灵活性，满足了油气地震勘探向大规模、高密度、宽方位（全方位）、高精度、高效率、低成本、绿色化发展的技术方面的要求，降低了野外作业的劳动强度和用工量，提升了地震勘探生产效率和野外作业的HSE水平。

  节点地震数据采集是地震勘探技术的一次重大变革，已经在能源与矿产资源勘探、工程勘测考察、防灾减灾、重大工程安全监测、城市地下空间探测、地球科学研究等领域得到了广泛应用，未来必将持续释放强劲活力。但节点地震勘探技术发展不单单是地震勘探仪器的变革，同时也伴随着地震数据采集模式、数据处理模式和数据应用模式的变革。

  节点地震仪的应用使得地震勘探数据采集模式实现了从集中式向分布式转变，将促进地震勘探野外作业流程和施工管理模式的优化与变革。节点分布式地震数据采集模式正向着长时间连续观测、主动源与被动源融合采集、密集采集与稀疏采集共存、实时监控与实时回传、节点布设与回收自动化辅助等方向发展。

  节点地震数据处理模式将向着自动化处理流程和智能化分析等方向发展，需要有相应的主动源与被动源地震数据处理、非规则观测系统地震数据处理功能的支持。增量式数据处理功能和处理流程的创新将建立全新的增量式地震数据处理模式，在某些应用场景下这种增量式地震数据处理可以按实时和自动化流程模式开展。

  节点地震数据应用模式将向着应用领域与应用场景多样化、地震数据采集处理解释软硬件系统一体化、被动源环境噪声信息深度应用、主动源与被动源信号融合应用等方向发展。

  为充分挖掘节点地震勘探技术发展的潜力、释放节点地震勘探技术发展的活力， 应对节点地震勘探技术的发展进行系统性思考与规划，实现节点地震勘探仪器装备、地震数据采集模式、数据处理模式和数据应用模式的同步发展与变革。

  一是对节点地震勘探技术进行系统化研究，形成节点地震仪器装备、采集技术、处理技术和应用技术的系统化体系，充分挖掘节点地震勘探技术的巨大潜力并发挥应用价值。

  二是以应用场景为引导，实现节点地震勘探技术与信息通信技术的融合发展，通过节点仪器、5G和卫星无线通信、人工智能、云计算、无人机、机器人等技术的融合发展，实现实时数据采集、自动化数据处理和智能化数据分析解释，构建面向不同应用场景的节点地震勘探一体化系统。

  三是以开放的心态推动行业协调发展，形成节点地震仪和节点地震数据管理的开源架构，构建开放式地球物理生态系统，促进节点地震勘探技术的良性发展，实现地球物理行业的应用领域拓展与长期可持续发展。

  答：智能节点地震技术装备的研发应用给地震采集领域带来的变革是全方位的。地震仪从传统有线数据采集传输到规模化基于5G无线网络实时采集数据传输，是一次重大的技术变革，大多数表现在两个方面。一是大幅度降低了野外采集实施工程的成本，从而有能力加大地震数据采集密度。相比传统地震检波器，这些节点仪能更方便地部署在更广泛的区域，实现高密度数据采集，进而提高地下目标成像分辨率，能更清晰地获取地下油气储层的详情。二是引领了地震一体化技术的进步。智能节点地震采集系统中的实时数据传输和定位技术为未来采集、处理一体化打下了基础。系统能完成基于数字孪生的观测系统自动设计，方便野外随时进行变形观测，再将数据实时传输至云处理中心，通过增量递进式处理成像流程，最终实现“采集完成即处理完成”的“实时成像”终极目标。

  答：在节点端，要逐渐完备相关设备在野外复杂应用场景的适用性，持续创新攻关检波器高低频响应特性、待机时间、仪器小型化、国产元器件替代率等问题。在组网系统方面，要与国内主要通信研发单位合作完成公网、私网无缝衔接研发技术，解决野外复杂地表条件下万道级甚至十万道级大面积分布节点终端设备的并发通信问题。在软件系统方面，要一直在优化现有软件体系和模块，加强现场数据实时质量控制，提升野外采集端软件的易用性，同时要布局并加快增量式实时处理成像技术的研发。

  地震数据采集是地震勘探业务流程不可或缺的基础环节，节点地震仪实现了对地球震动信号的分布式、高精度、数字化感知与记录存储，而5G智能节点地震仪更进一步实现了地震信号观测的实时远程感知、监控与数据传输。由物探院研制的Smart Point 5G智能节点地震仪目前已迭代到2.0版，两代节点仪到底有什么区别呢？

  第一代节点仪采用桶形设计，第二代节点仪采用主流梯形结构设计，且重量较第一代减轻了1/4，仅为1.2千克，体积也缩小了一半，大幅度提高了便携性和易布设性，能进一步减少人员和车辆投入，提高物探采集施工效率。

  相比第一代节点仪，第二代节点仪大幅度提高了元器件的集成化程度，两块板卡减少到1块、主板布线层，同时保留了原有的全部功能，例如5G现场实时数据回传、巡检、参数配置、远程唤醒等。高度的集成化进一步提升了Smart Ponit节点仪的可靠性和环境适应能力。

  与第一代节点仪相比，第二代节点仪在数据传输效率不降低的情况下，在线毫瓦，而且通过重新制定电源管理策略，整体功耗也实现了一下子就下降。更低的功耗，意味着更少的电池投入。第二代节点仪仅用8节18650型号的锂电池就能达到25天的分时航时，提高了在复杂野外环境的连续施工能力。

  第一代节点仪使用“BDS+GPS+QZSS”天线，第二代节点仪则使用了面积更大、干扰更小的定制化多频段天线，有效提升了天线增益强度、天线空间信号强度分布和辐射模式均匀性、天线与传输线的阻抗匹配程度，并扩大了天线有效工作频率范围。更优的天线G传输的稳定性和复杂施工环境的适应能力。（于晓东 杨尚琴）