一種用于隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的方法，是石油隨鉆測量系統(tǒng)井下測量的參數(shù)上傳系統(tǒng)中數(shù)據(jù)壓縮的方法，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)明主要通過①系統(tǒng)初始化；②發(fā)送數(shù)據(jù)；③修改該序號的數(shù)據(jù)報的權(quán)值；④判斷自上次重構(gòu)編碼后的時間是否大于設(shè)定時間周期；⑤計算所有字符的權(quán)值的標(biāo)準(zhǔn)差；⑥判斷標(biāo)準(zhǔn)差是否大于設(shè)定閾值；⑦發(fā)送該序號數(shù)據(jù)報的Huffman權(quán)值表；⑧對本地該序號的數(shù)據(jù)報的字符重新進行Huffman編碼等8個步驟來實現(xiàn)，用于石油鉆井、測井、錄井等隨鉆測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的壓縮，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。
【專利說明】一種用于隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)壓縮的方法，尤其是石油隨鉆測量系統(tǒng)井下測量的參數(shù)上傳 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的壓縮方法，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

【背景技術(shù)】：
[0002] 從井下到地面的信息傳輸技術(shù)是導(dǎo)向鉆井與定向鉆井領(lǐng)域中研究的熱點與難點 問題，也是隨鉆測量系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展的技術(shù)瓶頸。基于鉆井液壓力的信息傳輸方式，具有經(jīng) 濟、方便、傳輸可靠性強、傳輸距離遠等優(yōu)點，是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的傳輸方法。 但是，目前的研究主要集中在測量儀器的硬件設(shè)備設(shè)計與開發(fā)方面，注重儀器的硬件實現(xiàn)， 而缺乏對其數(shù)據(jù)壓縮傳輸方面特別是針對其數(shù)據(jù)特征進行高效的數(shù)據(jù)壓縮傳輸?shù)难芯俊?br> [0003] 自20世紀30年代J.C.Karcher等研制的隨鉆電阻率測井系統(tǒng)和50年代Arps J.J.發(fā)明的泥漿遙測系統(tǒng)獲得成功以來，隨鉆測量技術(shù)開啟了加速發(fā)展的時代。井下測量 參數(shù)也從最初基本的方位數(shù)據(jù)和地層評價數(shù)據(jù)（電阻率和伽馬射線），發(fā)展到如今的包括 幾何參數(shù)、定向參數(shù)和井下工況參數(shù)等共計約20種之多，例如井斜角、方位角、工具面角、 井底鉆壓、鉆頭扭矩、馬達轉(zhuǎn)速、井底溫度、自然伽馬、地層電阻率、地層傾角、孔隙度、密度、 中子測井、電壓等。而且，隨著鉆井技術(shù)不斷地向自動化、智能化方向發(fā)展，越來越多的井下 測量儀器將會得以研制與應(yīng)用，可以測量獲得的井下參數(shù)也將會越來越多，可以更加有效 地指導(dǎo)地面的作業(yè)。
[0004] 然而，在數(shù)據(jù)的壓縮傳輸方面少有研究，由于鉆井液信道傳輸帶寬有限、鉆井液壓 力波信號的產(chǎn)生速率有待提高，因此，引進數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)成為大幅提高井下信息傳輸效率 的有效途徑。
[0005]由于隨鉆測量參數(shù)在一定時間以及一定的地層下具有相對的穩(wěn)定性，而且僅僅使 用有限的表示數(shù)字的符號（共11個），所以在對其進行壓縮時，可以根據(jù)數(shù)字出現(xiàn)的頻率， 極大提高數(shù)據(jù)的壓縮比，即壓縮后的二進制數(shù)據(jù)的長度將更短，從而保證了其傳輸?shù)母咝?性。
[0006]Huffman編碼是1952年由Huffman提出的一種無損數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，是基于統(tǒng)計模 型的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，是無損壓縮當(dāng)中最好的方法之一。它使用二進制來替換每個符號，長度 由每個符號出現(xiàn)的頻率（權(quán)值）決定。Huffman編碼充分考慮了被編碼符號的統(tǒng)計特性，將 出現(xiàn)概率大的符號轉(zhuǎn)換為較短的二進制編碼，將出現(xiàn)概率小的符號轉(zhuǎn)換為較長的二進制編 碼，從而實現(xiàn)對字符的壓縮。Huffman壓縮和解壓縮是通過Huffman樹來實現(xiàn)的，工作過程 包括以下步驟：
[0007] 1)Huffman樹的構(gòu)造
[0008]Huffman樹，即帶權(quán)路徑長度最短的樹。其構(gòu)造步驟如下：
[0009]①根據(jù)給定的n個權(quán)值{wpw2，......wn}，構(gòu)造n棵只有根結(jié)點的二叉樹，令其權(quán) 值為Wj;
[0010] ②在森林中選取兩棵根結(jié)點權(quán)值最小的樹作為左右子樹，構(gòu)造一棵新的二叉樹， 置新二叉樹根結(jié)點的權(quán)值為其左右子樹根結(jié)點權(quán)值之和；
[0011] ③在森林中刪除這兩棵樹，同時將新得到的二叉樹加入森林中；
[0012] ④重復(fù)上述②、③兩步，直到只含一棵樹為止，這棵樹即Huffman樹。
[0013] 2)Huffman壓縮
[0014] 首先,要根據(jù)Huffman樹獲得Huffman編碼表,方法是從根節(jié)點開始遍歷樹，左孩 子的所有路徑標(biāo)注為〇,右孩子的所有路徑標(biāo)注為1。最后，再根據(jù)生成的Huffman樹對數(shù) 據(jù)進行編碼，方法是從葉子結(jié)點開始向根結(jié)點回溯，組合路徑上所有的符號（〇或1)，即可 得到該葉子結(jié)點對應(yīng)符號的編碼。
[0015] 3)Huffman解碼
[0016] 解碼的過程本質(zhì)上就是一個遍歷二叉樹的過程，一直遍歷到葉子結(jié)點，此時完成 第一個字符的解碼；接著再重新從樹根開始遍歷二叉樹，一直再遍歷到葉子結(jié)點，此時完成 第二個字符的解碼；直到所有的二進制都遍歷完畢為止。
[0017] 本發(fā)明采用Huffman技術(shù)對數(shù)據(jù)進行壓縮，從而實現(xiàn)隨鉆測量系統(tǒng)的高效傳輸， 實驗證明通過Huffman編碼得到的數(shù)據(jù)壓縮比可以滿足實際應(yīng)用需求，具有廣泛的應(yīng)用意 義。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0018] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于隨鉆測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)壓縮的方法，實 現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。
[0019] 1、一種用于隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的方法，其特征在于對隨鉆測量中從井下向地 面?zhèn)鬟f的參數(shù)采用Huffman編碼，發(fā)送方在井下自動計算在傳輸周期內(nèi)各個字符出現(xiàn)的概 率，如果符號出現(xiàn)的概率有了較大變化則擇期將其發(fā)送到地面主控計算機，同時修改自己 的Huffman編碼，具體實現(xiàn)包括以下8個步驟：
[0020] A?系統(tǒng)初始化
[0021] 在第一次使用系統(tǒng)發(fā)送編號為i的數(shù)據(jù)報Pi時，需要對其參數(shù)進行初始化，主要 包括：
[0022] 1)權(quán)值和編碼初始化
[0023] 12個字符的權(quán)值都設(shè)置為1，各字符對應(yīng)的Huffman編碼如下表所示；
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的方法，其特征在于對隨鉆測量中從井下向地面?zhèn)?遞的參數(shù)采用Huffman編碼，發(fā)送方在井下自動計算在傳輸周期內(nèi)各個字符出現(xiàn)的概率， 如果符號概率有了較大變化則擇期將其發(fā)送到地面主控計算機，同時修改自己的Huffman 編碼，具體實現(xiàn)包括以下8個步驟： A. 系統(tǒng)初始化 在第一次使用系統(tǒng)發(fā)送編號為i的數(shù)據(jù)報Pi時，需要對其參數(shù)進行初始化，主要包括： 1) 權(quán)值和編碼初始化 12個字符的權(quán)值都設(shè)置為1，各字符對應(yīng)的Huffman編碼如下表所示；
2) 設(shè)定時間周期 用戶可以設(shè)定每類數(shù)據(jù)報的Huffman編碼的更新周期，只有自上次重構(gòu)編碼后的時間 超過這個更新周期，系統(tǒng)才重新計算是否需要更新Huffman編碼； 3) 標(biāo)準(zhǔn)差閾值 只有當(dāng)在新的一個發(fā)送周期內(nèi)所有12個字符的概率標(biāo)準(zhǔn)差超過這個閾值，才更新Huffman編碼，否則如果在很長時間內(nèi)字符的概率變化很少，即使到了更新周期，也不更 新； B. 發(fā)送數(shù)據(jù) 完成數(shù)據(jù)報的封裝、壓縮、校驗和發(fā)送； C. 修改該序號的數(shù)據(jù)報的權(quán)值 每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)報，系統(tǒng)都重新更新該序號的報文中所涉及到的所有字符的權(quán)值， 但，不重新計算Huffman編碼； D. 判斷自上次重構(gòu)編碼后的時間是否大于設(shè)定時間周期 只有在經(jīng)過設(shè)定時間周期，才考慮是否更新Huffman編碼，否則再轉(zhuǎn)回步驟B，繼續(xù)發(fā) 送后續(xù)數(shù)據(jù)； E. 計算所有字符的權(quán)值的標(biāo)準(zhǔn)差 標(biāo)準(zhǔn)差的計算公式為：
其中Xi為第i個字符當(dāng)前的權(quán)值，I為每個字符當(dāng)前權(quán)值的平均值，1 <i< 12 ; F. 判斷標(biāo)準(zhǔn)差是否大于設(shè)定閾值 如果計算出的標(biāo)準(zhǔn)差很大，此時就需要重新計算Huffman編碼，如果標(biāo)準(zhǔn)差變化不大， 即使到了Huffman編碼更新周期，也不更新，此時再轉(zhuǎn)回步驟B，繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)； G. 發(fā)送該序號數(shù)據(jù)報的Huffman權(quán)值表 Huffman權(quán)值表的數(shù)據(jù)報，采用下表所示的格式（數(shù)據(jù)報編號為99)，
其中： 1) 數(shù)據(jù)報類型標(biāo)識：使用"1"，說明發(fā)送的是完全數(shù)據(jù)報，要求地面主控計算機使用支 持重傳的否定確認協(xié)議，確保井下和地面Huffman編碼的一致性； 2) 數(shù)據(jù)域定界：表明后邊各個域中字符的長度，其中第一位一定為2,因為數(shù)據(jù)報編號 為99,長度為2 ;第2位為0、1或者2表示編號的長度，因為編號最大為99,所以長度最大 為2 ;后邊12個域的長度最大為2,即數(shù)據(jù)域定界后12位的取值只能是0、1、2 ; 3) 數(shù)據(jù)報編號：取固定值99; 4) 編號：指定當(dāng)前發(fā)送的權(quán)值表是屬于哪個數(shù)據(jù)報的，即數(shù)據(jù)報的編號； H.對本地該序號的數(shù)據(jù)報的字符重新進行Huffman編碼 重新按照Huffman編碼的規(guī)則，構(gòu)造Huffman樹，重新編碼，該步驟在井下和地面主控 計算機同時進行；如果地面接收站沒有正確接收到該數(shù)據(jù)報，則地面主控計算機會發(fā)送一 個否認幀，此時井下接收到該否認幀后，需要重新發(fā)送Huffman權(quán)值表和隨后已經(jīng)發(fā)送的 使用新的Huffman編碼發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H03M7/40GK104410425SQ201410532348
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】李忠偉, 王瑞和, 崔學(xué)榮, 吳春雷 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油大學(xué)(華東)