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常规流磁测量电子记录程序设计

常规流磁测量电子记录程序设计

易天阳, 卓如峰, 唐伟, 温军军    

中国雅安 625000 四川省地震局测绘工程院

本文收到日期:2016-08-26

基金项目:四川省地震局地震科技专项(项目编号:LY1606)

作者简介:易天阳(1976-),男,硕士,四川遂宁人,工程师,四川省地震局测绘工程院主要从事地震监测工作。E-mail:sunsky-yi@163.com.

摘要:分析常规流动磁力测量现有测量模式的缺点和流磁测量采用电子记录的可行性,针对野外数据采集电子记录需要实现的功能及电子记录数据整理,进行概略叙述和功能实现,通过人工作业和自动记录方式进行场地实测,并对数据采集结果和劳动强度进行比较,论证不同作业方式采集成果的一致性和常规流动磁力测量采用电子记录的优越性。

关键词GSM-19T    磁力    总强度    Win CE    电子记录    

The design of electronic recording program for conventional magnetic flow measurement

Yi Tianyang, Zhuo Rufeng, Tang Wei Wen, Wen Junjun    

Surveying and Engineering Institute, Sichuan Earthquake Agency, Ya'an 625000, China

Abstract: In the paper, the shortcomings existing in the normal model of flow magnetic measurement, and the feasibility of using electronic records are studied frst. And then, according to the needs of electronic records in field data collection and data process functions, the implementation of the functions of data compilation are briefly described. Finally, by the experiments of field measurements on artificial operation mode and automatic recording mode, the data acquisition results and the labor intensity of workers are compared. The result demonstrates the consistency of the results of different operation methods and the advantages of the electronic recording method.

Key Words: GSM-19T    magnetic force    the overall strength    Win CE    electronic records    

0 引言

地磁场是重要的地球物理场,具有一定空间分布,且随时间变化而变化,地磁场长期变化的时空规律是探索地球内部物质运动的重要线索。而野外流动地磁测量,是研究区域地磁场空间分布随时间变化特征的手段(董玉兰,1985)。随着中国地震监测预报研究工作的深入开展、观测技术的不断发展,以及对地震地磁监测能力要求的不断提升,中国地震局引进GSM-19T质子旋进磁力仪,用于野外流动地磁测量工作(谈昕等,2015)。GMS-19T质子旋进磁力仪是进行地磁场测量的第二代标准仪器,分辨率为0.01 nT,在全温度范围内,绝对精度达0.2 nT( 加拿大GEM公司,2011)。该类型仪器是一种操作简单、快捷、具有数据采集数字化、精确测量自动化和高观测精度的便携式磁力仪,具有良好的稳定性和一致性,可为野外观测数据质量和精度提供保障(谈昕等,2015),与计算机之间可采用RS-232串行口进行数据通讯。

依据中国地震局地磁测量的作业技术要求,数据采集需要在指定时间内完成每组观测,组间开测的时间间隔、交换仪器观测的时间间隔及组内测量的各数据的互差和组间均值的较差均有严格要求。目前,多数作业单位采用GSM-19磁力仪进行常规流动磁力测量时,野外数据记录仍采用手工记簿方式完成,然而该作业方法的观测时间由作业人员对比世界时来控制,组内均值、组间较差等计算由作业人员现场计算,由于现场测量数据多,计算量较大,作业效率相对较低,对作业人员的技术要求(书写及计算)较高,而且数据采集完成后的内业资料整理工作量也比较大。依托GSM-19T磁力仪具有与RS-232-C串行口进行通讯的特点,以Visual Studio为开发平台,采用Pocket PC便携式记簿器,通过串口与测量仪器进行实时通讯,进行流动地磁总强度的数据采集程序化控制,能够对观测数据的时效性和数据的有效性通过程序自动控制并记录,且电子数据存储便于内业中对数据的提取、整理、报表及归档等操作。

1 设计目标

流动磁力测量包含外业数据采集和内业资料整理2个过程,因此设计目标包括:野外采用便携式记簿器与测量仪器,通过串口通信,实时传输测量数据,并对数据有效性进行现场控制;对采集数据生成自动化电子手簿,并生成所需数据集的格式文件。

2 技术路线

Windows CE(Windows Embedded Compact,即Win CE)是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础,是一个开放的、可升级的32 bit嵌入式操作系统,是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。对于习惯使用Windows桌面系统的工程技术人员,操作Win CE容易上手。测量前将掌上电脑通过RSR232串口线与磁力仪连接,当通讯协议一致后即可进行数据通信。电子记录程序功能设计主要有信息录入、实时通讯、时间控制、质量控制几个模块组成。测量控制程序流程见图 1,观测基本设备配置及固件见表 1

图  1(Fig. 1)

图 1 程序流程Fig.1 Program flow chart

表 1(Tab. 1

       

表 1 基本固件Tab. 1 Basic firmware table          

磁力仪传感器记录手簿通讯线GSM-19T 质子磁力仪质子旋进传感器,传感器棒Windows CERS232

表 1  基本固件  Tab.1 Basic firmware table

2.1 信息录入

基本信息录入可采用提前预录入后进行信息调用和现场即时输入2种方式来完成。信息调用方式是对具有重复性输入的已知信息在项目开始前在计算机中进行预输入,然后将信息文件拷贝到Win CE中,当野外实测时进行调用,以减小野外作业的劳动强度,避免重复性输入,同时可避免野外作业中可能存在的误输入;即时输入方式是对事前不确定的信息进行测量现场输入的作业方式。

2.2 实时通讯

测量任务由2台仪器(主桩、副桩各1台观测仪器)同步观测完成,而且主桩、副桩各组观测数据需要实时校核,然而仪器实时数据仅包含观测时间、测量数据值、信号强度,作业中难以分辨所属仪器测量值,应考虑测量手簿硬件需包含2个串口分别对应仪器数据端口,或者考虑采用手簿时间作为观测时间(测前手簿时间必须与世界时对时),同时将2台磁力仪分别设置不同时间,依据手簿时间与磁力仪的时间差作为仪器的标识。项目拟采用后者作为设计方案,同时应考虑:①当组内出现观测值超限时自动跳过超限点继续观测;②任何1组观测时间内未完成测量个数时所有组重测;③完成组内观测后继续等待下一组自动观测(第4组例外,该组需在交换仪器后指定时间内过整分时开测);④前3组组间若组1、组2间超限,则组2自动递补为组1,继续等待自动观测第2组;若组2、组3间超限,则组3、组2自动递补为组2、组1,继续等待自动观测第3组;⑤前3组合格则交换仪器及探头;⑥组4不与前3组进行组间超限检测;⑦组2以后的组间超限,则重测所有组,组4以后组间超限需交换仪器及探头后重测所有组。

串口打开过程部分代码为

    Sub OpenRS232()

        Dim mBaudRate As Integer

        Dim mParity As IO.Ports.Parity

        Dim mDataBit As Integer

        Dim mStopBit As IO.Ports.StopBits

        Dim mPortName As String

        mPortName = "COM1"

        mBaudRate = 19200

        mParity = IO.Ports.Parity.None

        mDataBit = 8

        mStopBit = IO.Ports.StopBits.One

        RS232A = New IO.Ports.SerialPort(mPortName, mBaudRate, mParity, mDataBit, mStopBit)

        If  Not RS232A.IsOpen Then

            RS232A.Open()

        Else

            MsgBox("通讯端口打开错误!", MsgBoxStyle.Critical)

        End If

End Sub

串口打开后即可采用RS232A.ReadLine读取串口数据。

2.3 数据控制

根据《流动地磁测量基本技术要求》(中国地震局监测预报司,2015)及《地震地磁野外测量规范》(国家地震局,1986)的要求,数据采集过程的时间及质量控制应满足表 2要求,以达到程序自动完成采集时间的有效性和数据质量的可靠性判定。

表 2(Tab. 2

       

表 2 测量控制要求Tab. 2 Requirements for the control of measurement          

类别时间控制质量控制组内组间开测仪器交换组内组间单位minminminnTnT限值≤1≥2<5≤2≤3

表 2  测量控制要求  Tab.2 Requirements for the control of measurement

2.4 观测数据报表

野外作业获取的数据通常以文本形式的电子数据存储,因此需要完成野外记录手簿的电子报表,方便存储、查询、共享和打印输出。在观测报表中涉及到观测时间点的日变值,因此在报表前需读取测点附近所架设的日变站或附近地磁台站对应时点的观测值所在的日变观测文件一并自动化报表处理。《野外地磁测量手簿》电子化输出格式见图 2

图  2(Fig. 2)

图 2 野外地磁测量手簿格式Fig.2 Report format of the measurement book

3 场地实测

为验证GSM-19T常规流磁测量电子记录程序设计的是否合理,采取以下步骤进行场地实测,且测试的时间有效性和观测数值的合格控制均满足实时通讯和数据控制的要求。具体措施如下:①严格按照“流动地磁测量若干技术环节实施细则”的要求选取观测场地;②采用人工读数记录与自动记录2种方式对同一场地不同时间重复观测,并对桩位差测量成果进行一致性验证;③对不同场地采用2种方式的观测记录进行比较,从而验证自动记录结果与人工观测记录测量结果是否具有一致性。

选择西昌大箐乡场地采用不同记录方式进行重复观测,初测时间2016年7月22日,复测时间2016年7月23日,对2次测试结果进行对比,具体数值见表 3;选择名山辛店镇及雅安草坝镇场地采用不同记录方式进行对比测试,具体对比结果见表 4。由表 3表 4可知:采用不同记录方式对同一场地多次测试,桩位差测量结果较差不大于0.5 nT,说明自动记录与人工记录结果具有一致性;采用不同作业方式对多个场地进行测量,发现桩差较差结果不大于0.5 nT,可见测量结果一致性较好。因此,常规流动地磁测量中采用电子记录程序替代常规人工作业的测量记录方式是可行的。

表 3(Tab. 3

       

表 3 同一场地复测结果比较Tab. 3 Comparison of the results of twice time repeat measurements at same site          

场地作业日期人工读数记录自动记录桩差较差组号时间主组均值副组均值桩差桩差均值组号时间主组均值副组均值桩差桩差均值西昌市大箐乡2016-07-22107:3748 998.948 992.36.66.8107:2148 993.749 000.46.76.50.3207:3948 999.148 992.56.6207:2348 993.649 000.26.6307:4148 998.748 992.16.6307:2548 993.248 999.86.6407:4448 991.948 998.97.0407:2848 992.848 999.26.4507:4648 992.148 999.17.0507:3048 992.848 999.36.5607:4848 992.348 999.37.0607:3248 993.048 999.46.4西昌市大箐乡2016-07-23107:0548 984.648 978.36.36.3106:0048 973.448 979.86.46.4-0.1207:0748 983.148 976.96.2206:0248 972.948 979.46.5307:0948 982.348 976.16.2306:0448 972.648 979.26.6407:1248 974.948 981.36.4406:0748 974.048 980.36.3507:1448 975.148 981.66.5506:0948 973.948 980.36.4607:1648 974.648 981.16.5606:1148 973.948 980.36.4

表 3  同一场地复测结果比较  Tab.3 Comparison of the results of twice time repeat measurements at same site

表 4(Tab. 4

       

表 4 不同场地测量结果比较Tab. 4 Comparison of measurement results in different sites          

场地作业日期人工读数记录自动记录桩差较差组号时间主组均值副组均值桩差桩差均值组号时间主组均值副组均值桩差桩差均值草坝2016-08-19102:0850 400.250 397.23.03.0102:2850 397.550 394.92.62.70.3202:1050 400.250 397.23.0202:3050 397.350 394.72.6302:1250 400.050 397.03.0302:3250 397.150 394.42.7402:1550 399.550 396.23.3402:3650 396.650 393.92.7502:1750 398.850 396.02.9502:3850 396.450 393.62.8602:1950 398.650 395.82.9602:4050 396.150 393.42.7名山2016-08-19105:1650 400.550 397.43.13.2105:0150 398.850 395.63.23.20.0205:1850 400.650 397.53.1205:0350 399.350 396.13.2305:2050 400.850 397.73.1305:0550 399.550 396.33.2405:2350 401.150 397.93.2405:0850 399.750 396.53.2505:2550 401.350 398.13.2505:1050 399.950 396.63.3605:2750 401.550 398.33.2605:1250 400.150 396.93.2

表 4  不同场地测量结果比较  Tab.4 Comparison of measurement results in different sites

4 结论

通过流动地磁总强度测量以下的操作:外业人工记录、计算;内业中《野外地磁测量手簿》电子化处理等工作与流动地磁总强度测量的程序自动化控制;《野外地磁测量手簿》电子化自动化报表的作业方式及测量成果比较,验证了人工作业方式与自动化记录方式的测量结果具有一致性,体现了程序自动化测量记录的优越性,主要表现在:①测量数据自动化电子存储;②测量数据组内的时间有效性及测量数据可靠性自动判断;③测量数据组的组间间隔时间有效性及组间测量均值较差的可靠性自动判断;④测量数据《野外地磁测量手簿》电子化报表,可野外现场即时处理,也可后期在内业资料整理时快速完成,省去外业人工书写和内业人机交互的再输入重复劳动,同时避免人工记录存在误读、误听和误书写的可能。

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