庞聪，马武刚*，程诚，江勇
（1.中国地震局地震研究所，湖北武汉 430071；
2.地震预警湖北省重点实验室，湖北武汉 430071；
3.运城学院数学与信息技术学院，山西运城 044000）
微震监测技术是利用岩体受力变形和破坏后本身发射出地震波来进行工程岩体稳定性监测的技术方法，微震技术应用领域较广，集中在煤矿安全、页岩气监测、石油勘探、企事业安防、水电工程建设、地震预测预警等，通过监测岩体、地质活动和地面震动等天然地震活动或后天地震现象来达到监测目的.例如，在煤矿安全生产领域，煤矿中发生的岩爆、煤和瓦斯突出等地质灾害与岩体中的微震现象有着必不可少的联系，而矿石开采过程中也会由于岩体应力的过量集中导致岩体破裂，产生矿震现象.通过监测地下微震信号可以确定地下岩石破裂的范围和程度，为矿山的地下安全监测提供强有力的证据，可以有效减少生产中的不安全因素，防止事故的发生，从而保证煤矿生产的安全进行［1-6］.
微震源定位是微震监测技术的核心目标之一，而微震监测软件平台是微震监测系统的重要组成部分，可以实现微震活动数据采集、数据加工与存储、输出指定信息并显示的软件工具或技术.常见的微震监测软件根据技术开发手段的不同可分为以下几种：
（1）虚拟仪器技术［7］：虚拟仪器和常规仪器结构相同，由信号采集模块（ADC）、数据处理模块（DSP）及信息输出模块（DAC）等部分构成，通过计算机软硬件技术的集成代替常规仪器的示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等硬件模块.一般虚拟仪器技术采用NI LabView软件搭建虚拟仪器平台，经过方案设计、前面板模块拖放、建立数据流程路线、图形模块化设计等软件开发流程，基于LabView的强大数据处理能力，接收、处理并显示前端微震数据采集器收集到的信号来源.这种软件开发方式规避了大量非必要高精尖仪器硬件的采购行为，用户定制性较高，可以较大程度地节约开发成本.
（2）嵌入式软件开发与FPGA程序编程技术［8，9］：该技术深植于设备宿主机或重要硬件内部，常常在Linux系统下开发具体算法和相关程序，包括数据传输、信号预处理以及硬件控制等模块；
相对于Windows、Android等桌面型操作系统上的软件，开发难度更大，可靠性要求更高.
（3）计算机和移动终端软件技术［10-12］：采用C/C++/C#/JAVA/VB等程序语言自主开发基于Windows、Android、Linux等操作系统的微震监测系统或数据处理软件，一方面可以减轻系统硬件在数据处理、存储、分析输出方面的计算压力，另一方面也增强了微震监测的可视化效果，便于控制前端设备和用户信息交互.
本文通过Visual Studio 2017在Windows操作系统上设计开发了一款基于ZedGraph和牛顿-拉夫逊法的矿山微震源定位与可视化平台，本平台包括微震源定位解算模块和震源可视化模块等部分，其中微震源定位解算模块应用牛顿-拉夫逊法和四四组合定位法原理，微震源反演数学模型采用经典的到时差模型；
震源可视化模块基于ZedGraph图表类库实现了多种震源显示状态，软件整体界面友好，开发成本较低，可为微震监测工程技术人员使用.
1.1 牛顿-拉夫逊法
牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson法）［13，14］，又称牛顿迭代法，是一种利用二次曲线逼近目标函数，以二次曲线的极小值逐渐逼近目标函数的极小值的方法.相对于最速下降法只在最初迭代几步时较快、接近极值点时变慢，牛顿-拉夫逊法整体的收敛速度较快.牛顿-拉夫逊法作为梯度类算法，初始点若选择不当（远离极小点或靠近极大点），可能会导致算法收敛到鞍点或者不收敛.
1.2 组合定位法
组合定位法［15，16］是指将多个由微震监测点三维坐标、到时数据、波速等参数构成的非线性方程作为样本总体，从中抽取指定数目（与方程组未知变量数目相等）的非线性方程来建立非线性方程组，从而得到微震源的若干个近似解，然后针对这些近似解构成的解集进一步处理来得到最终的微震源位置.建立的四四组合非线性方程组形式一般为
上式中，(x,y,z,t)为未知变量，分别表示微震源的三维坐标和发震时刻；
xi,yi,zi,ti分别表示监测点处的三维坐标和到时数据，且i≠j≠p≠q.
1.3 ZedGraph可视化类库
ZedGraph类库［17，18］是一个用于图表可视化的.NET类库，由于其继承自Framework的UserControl接口，可以较自由地使用各种数据类型创建二维柱形图和折线图，便于开发者定义图表属性、窗口操作，以及与C++、VB等高级编程语言的访问（如图1）.相对于其他的.NET类库，ZedGraph支持一定的用户开发与动态显示，有效减少计算机I/O消耗，已被众多开发人员采用.
图1 ZedGraph类库应用经典案例
本文微震源定位流程如图2所示，具体为：
图2 微震源定位流程图
步骤1首先获取n组矿山微震监测到时数据与监测点三分量坐标，将P波波速作为恒定量代入到微震源到时差反演数学模型中；
步骤2对n个到时样本进行四四组合，共产生组非线性多元方程组，依次进行Newton-Raphson法迭代求解，并得到n个微震源近似解；
步骤3对n个微震源近似解求取均值，即使用质心法得到最终的微震源解.
本软件开发基于Visual Studio 2017平台、C#语言与ZedGraph可视化类库，采用WinForm软件开发模式［19］（相比WPF软件开发模式［20］，WinForm界面设计速度短平快、数据绑定更高效）开发本系统的监控中心客户端和用户端等软件，应用程序目标框架采用.NET Framework 4，操作系统为Windows 10.
基于ZedGraph和牛顿-拉夫逊法的矿山微震源定位与可视化平台主要包括微震元数据读取、数据预处理、样本四四组合、微震源定位结算、震源近似解二维显示等功能.
1）元数据读取.软件以文件下拉选项的方式读取TXT等文本数据，将微震源的到时数据和监测点坐标保存至全局变量中.
2）四四组合.将读取到的元数据进行编号，并根据排列组合原理进行四四组合分组，组合的顺序遵循编号由小及大、由右向左的原则.
3）微震源定位.微震源反演依据四四组合方程组，并利用牛顿-拉夫逊法进行微震源解算，最终得到一系列震源近似解，最后使用质心法得到结果.
4）数据结果显示.微震源解算的数据结果以平面投影的形式显示在3个图形模块中，分别是X-Y平面、Y-Z平面、X-Z平面.
微震监测实际工程数据选用柿竹园矿爆破数据，其地震波P波速度选取平均值（5 700 m/s），共有8组微震监测点三维坐标和到时数据（如图3）被成功记录到，即经过四四组合后会有70组非线性多元方程组被建立，可得到70个近似震源解.
图3 微震监测点位置
基于ZedGraph和牛顿-拉夫逊法的矿山微震源定位与可视化平台操作流程如图4所示，软件实现界面如图5所示，可看出该软件界面友好，微震源坐标以XOZ、XOY、YOZ等3种二维平面的高亮红色显示，主要功能模块或功能件较齐全，包含软件常规操作（重启、退出、清空），用户操作流程简便，可直观地显示微震源定位计算过程和结果.
图4 软件操作流程
图5 微震源定位方法对比
为了横向对比本文方法在同类方法中的优势，选择模拟退火算法（SA）、遗传算法（GA）以及非线性最小二乘算法等作为参照，真实震源为（8 732.70；
6 570.60；
511.30），比对结果如表1所示.结果表明，本文方法在微震定位效果方面表现较好，该思路值得相关人士继续深入研究.
表1 微震源定位方法对比结果
本文简要介绍了矿山微震源定位与可视化平台的设计与实现，通过Visual Studio 2017开发平台和C#语言搭建了微震平台的ZedGraph可视化控件，实现了基于牛顿-拉夫逊法的微震源定位过程，依靠WinForm模式简捷快速开发的优点，本平台易于操作，核心功能紧凑，所采用的定位方法有一定积极效果，为国内科研学者及技术人员自主开发微震监测软件系统提供了建设性方案.
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