Применение беспроводных сетевых технологий при построении систем сейсмической разведки

Сейсмическая разведка обладает большой глубиной проникновения, позволяет получить изображение подземных структур с высокой разрешающей способностью и может дополнять программы бурения скважин и разведки, выполняемые другими геофизическими методами. Сейсмические методы показали высокую эффективность при разведке твердых полезных ископаемых. Беспроводные системы сейсмической разведки позволяют значительно упростить развертывание и обслуживание системы, особенно при увеличении числа и плотности размещения узлов сбора данных в условиях сложного рельефа местности, позволяют масштабировать систему, снизить вес оборудования, повысить надежность, уменьшить стоимость и эксплуатационные расходы. В работе проанализированы способы построения системы сбора и передачи сейсмических данных как одного из важных компонентов системы сейсмической разведки. Задача построения крупномасштабной беспроводной системы георазведки, работающей в реальном времени, остается нерешенной из-за ограниченной пропускной способности беспроводного канала, задержки передачи и высокого энергопотребления, вызванного конфликтами при передаче данных в устройствах сбора с батарейным питанием. При построении беспроводных систем сейсморазведки, основанных на одной технологии беспроводной связи, трудно достичь одновременно обеспечения высокой скорости передачи данных и большого охвата территории. Поэтому современные методы предполагают двухуровневую структуру построения систем. В данной работе предлагается использовать высокоскоростные стандарты технологии Wi-Fi как на нижнем уровне для построения подсетей сбора данных, так и на верхнем уровне для построения сети связи с центральной станцией мониторинга. В статье сформулированы требования, предъявляемые к построению беспроводных систем сейсморазведки, рассмотрен ряд наиболее перспективных технологических решений, включая технологии LPWAN, Wi-Fi-LTE, UBW, позволяющие построить крупномасшабные беспроводные сети с большим количеством узлов сбора данных, работающие в нелицензионных диапазонах частот. Особое внимание при анализе уделяется вопросам обеспечения требуемой пропускной способности сети и ее масштабированию, обеспечению требуемого количества независимых каналов сбора данных, определению положения узлов сбора данных с помощью спутниковых навигационных систем и методов кооперативной локализации, временной привязке при съеме данных. Анализ всех технических решений связывается с уменьшением энергопотребления сети. Сформулированы предложения по улучшению процедуры сбора данных.

Выболдин Ю. К. Применение беспроводных сетевых технологий при построении систем сейсмической разведки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6−2. — С. 283—304. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_283.

Выболдин Юрий Константинович — канд. техн. наук, доцент, https://orcid.org/ 0000-0002-7813-9470, Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я В. О. линия, д. 2, Россия, e-mail: Y.Vyboldin@mail.ru

Выболдин Юрий Константинович, Y.Vyboldin@mail.ru.

1. Litvinenko V. S. Digital economy as a factor in the technological development of the mineral sector // Natural Resources Research. 2020, vol. 29, no.3, pp.1521—1541, DOI 10.1007/s11053-019-09568-4.

2. Трушко В. Л., Протосеня А. Г. Перспективы развития геомеханики в условиях нового технологического уклада // Записки Горного института. — 2019. — Т. 236. — С. 162—366. DOI:10.31897/PMI.2019.2.162.

3. Разумов Е. Е., Рукавишников Г. Д., Мулёв С. Н., Простов С. М. Основные принципы построения систем сейсмического мониторинга // Горный журнал. — 2021. — № 1. — С. 8—12. DOI:10.17580/gzh.2021.01.

4. Потапов А. И., Кондратьев А. В. Неразрушающий контроль многослойных сред методом годографа скорости упругих волн // Записки Горного института. — 2020. — Т. 243. — С. 348—356. DOI: 10.31897/PMI.2020.3.348.

5. Рассказов М. И., Терёшкин А. А., Цой Д. И., Константинов А. В., Сидляр А. В. Оценка геомеханического состояния горнорудного массива по данным сейсмоакустического мониторинга на удароопасных месторождениях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. № 12—1. — С. 167—182. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2021_121_0_167.

6. Boxberger T., Fleming K., Pittore M., Parolai S., Pilz M., Mikulla S. The multiparameter wireless sensing system (MPwise): Its description and application to earthquake risk mitigation // Sensors. 2017, vol. 17, p. 2400. DOI:10.3390/s17102400.

7. Череповский А. В. Cейсморазведка с одиночными приемниками и источниками: обзор современных технологий и проектирование съемок. — М.: ЕАГЕ Геомодель, 2012. — 133 c.

8. Manzi M., Cooper G., Malehmir A., Durrheim R., Nkosi Z. Integrated interpretation of 3D seismic data to enhance the detection of the gold-bearing reef: Mponeng Gold mine, Witwatersrand Basin (South Africa) // Geophysical Prospecting. 2015, vol. 63, pp. 881–902. DOI: 10.1111/1365−2478.12273.

9. Malehmir A., Durrheim R., Bellefleur G., Urosevic M., Juhlin C., White D. J., Milkereit B. and Campbell G. Seismic methods in mineral exploration and mine planning: a general overview of past and present case histories and a look into the future // Geophysics. 2012, vol. 77(5), pp 173–190. DOI:10.1190/GEO2012−0028.1.

10. Dehghannejad M., Bauer T., Malehmir A., Juhlin C., Weihed P. Crustal geometry of the central Skellefte district, northern Swedenconstraints from reflection seismic investigations // Tectonophysics. 2012, vol. 524–525, pp. 87–99. DOI: 10.1016/j.tecto.2011.12.021.

11. Абдулвалиев М. Т., Тиссен А. П., Толкачев В. М., Череповский А. В. Повышение информативности и достоверности наземной сейсморазведки с нодальными бескабельными системами // Геология нефти и газа. — 2020. — № 5. — C. 75–81. DOI: 10.31087/0016789420205758.

12. Навроцкий А. О., Аккуратов О. С., Абдулвалиев М. Т. Инновационная сейсморазведка особенности применения бескабельной телеметрической системы сбора сейсмической информации, основанной на использовании молекулярно-электронных сейсмических датчиков // Геоинформатика. — 2018. — № 3. — C. 59–67.

13. Mougenot D. Land cableless systems: Use and misuse // First Break. 2010, vol. 28, pp. 55–58.

14. Mousa W. A. Advanced digital signal processing of seismic data. Cambridge: University Press, Cambridge, 2019, 324 p.

15. Шерстюков О. Н., Рябченко Е. Ю., Гаязутдинов А. Р., Мартынчук С. Л. Применение беспроводных сетевых технологий в системах сбора сейсморазведочных данных // Георесурсы. — 2011. — №-6 (42). — C. 50–56.

16. Harris K., Bacon R. Utilizing source mechanism and microseismic event location to identify faults inreal-time using wireless seismic recording systems — An Eagle Ford case study // First Break. 2015, vol. 33, pp. 57–61.

17. Jamali-Rad H., Campman X. Internet of Things-based wireless networking for seismic applications European Association of Geoscientists & Engineers // Geophysical Prospecting. 2018, vol. 66 (4), pp.1–21. DOI: 10.1111/1365−2478.12617.

18. Makama A., Kuladinithi K., Timm-Giel A. Wireless Geophone Networks for Land Seismic Data Acquisition: A Survey, Tutorial and Performance Evaluation // MDPI Sensors. 2021, vol. 21, pp. 2–22. DOI.org/10.3390/s21155171.

19. Haxhibeqiri А. J., De Poorter E., Moerman I., Hoebeke J. A survey of LoRaWAN for IoT: From technology to application // Sensor. 2018, vol. 18, no. 11, pp. 1–38. DOI:10.3390/ S18113995.

20. Lee H. C., Ke K. H. Monitoring of Large-Area IoT Sensors Using a LoRa Wireless Mesh Network System: Design and Evaluation // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2018, vol. 67, pp. 2177–2187. DOI: 10.1109/TIM.2018.2814082.

21. Yang H., Wang F., Tong X., Lv H., Han Z. An Efficient Equal Air-Time Transmission Strategy for Wireless Seismometer Array Based on LoRaWAN With CuckooHash // IEEE Access. 2020, vol. 28 (8), pp. 201713–201727. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3034332.

22. Borisov S. V., Vyboldin Y. K. The methodology of choosing the distribution model of echoes for ground penetrating radar with broadband signals // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 1753(1), 012012. DOI: 10.1088/1742−6596/1753/1/012012.

23. Jornet-Monteverde J. A., Galiana-Merino J. J., Soler-Llorens J. L. Design and Implementation of a Wireless Sensor Network for Seismic Monitoring of Buildings // MDPI Sensors. 2021, vol. 21, 3875, pp.1–26. DOI.org/10.3390/s21113875.

24. Beffa M., Crice D., Kligfield R. Very high speed ordered mesh network of seismic sensors for oil and gasexploration // Proceedings of the IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems, Pisa, Italy. 2007, pp. 1–5.

25. Akyildiz I. F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Wireless sensor networks: a survey // Computer Networks. 2002, vol. 38, pp. 393–422.

26. Reddy V. A., Stuber G. L., Al-Dharrab S., Mesbah W., Muqaibel A. H. A Wireless Geophone Network Architecture using IEEE802.11af with Power Saving Schemes // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2019, vol. 18, pp. 5967–5982. DOI: 10.1109/ TWC.2019.2940944.

27. Tian R., Wang L., Zhou X., Xu H., Lin J., Zhang L. An integrated energy-efficient wireless sensor node for the microtremor survey method // Sensors. 2019, vol. 19, 544, pp.1–19. DOI:10.3390/s19030544.

28. Yin Z., Zhou Y., Li Y. Seismic Exploration Wireless Sensor System Based on Wi-Fi and LTE // MDPI Sensors. 2020, vol. 20, 1018. DOI:10.3390/s20041018.

29. Savazzi S., Spagnolini U., Goratti L., Molteni D., Latva-aho M., Nicoli M. Ultra-wide band sensor networks in oil and gas explorations // IEEE Communications Magazine, 2013, vol. 51, pp. 150–160.

30. Batra A., Balakrishnan J., Aiello G. R., Foerster J. R., Dabak A. Design of a Multiband OFDM System for Realistic UWB Channel Environments // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004, vol. 52, no. 9, pp. 2123–2137.