CN104301070A - 一种用于随钻测量系统数据检错纠错的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于随钻测量系统数据检错纠错的方法，是石油随钻测量系统井下测量的参数上传系统中数据的检错纠错的方法，从而实现可靠地数据传输，主要通过①对数据进行分类,采用增量传输②对完全数据报采用CRC进行检错，错误后请求重传③对增量数据报采用海明码进行检错，错误后自动纠错三个步骤来实现，用于石油钻井、测井、录井等随钻测量系统中数据的检错纠错，既可以实现可靠的数据传输，又可以保障数据的高效传输。

Description

一种用于随钻测量系统数据检错纠错的方法

技术领域：

本发明涉及一种数据检错纠错的方法，尤其是石油随钻测量系统井下测量的参数上传系统中数据的检错纠错的方法，从而实现可靠地数据传输。 

背景技术：

从井下到地面的信息传输技术是导向钻进与定向钻进领域中研究的热点与难点问题，也是随钻测量系统应用和发展的技术“瓶颈”。基于钻井液压力的信息传输方式，具有经济、方便、传输可靠性强、传输距离远等优点，是目前发展最成熟、应用最广泛的传输方法。但是，目前的研究主要集中在测量仪器的硬件设备设计与开发方面，注重仪器的“硬件”实现，而缺乏对其数据传输方面特别是针对其数据特征进行高效的数据可靠性传输的研究。 

自20世纪30年代J.C.Karcher等研制的随钻电阻率测井系统和50年代Arps J.J.发明的泥浆遥测系统获得成功以来，随钻测量技术开启了加速发展的时代。井下测量参数也从最初基本的方位数据和地层评价数据(电阻率和伽马射线)，发展到如今的包括几何参数、定向参数和井下工况参数等共计约20种之多，例如井斜角、方位角、工具面角、井底钻压、钻头扭矩、马达转速、井底温度、自然伽马、地层电阻率、地层倾角、孔隙度、密度、中子测井、电压等。而且，随着钻井技术不断地向自动化、智能化方向发展，越来越多的井下测量仪器将会得以研制与应用，可以测量获得的井下参数也将会越来越多，可以更加有效地指导地面的作业。 

然而，在钻井液信道中，存在着钻探泵、气泡、钻具等的突发干扰，容易导致井下数据传输时出现错误。因此，需要对编码进行重新组织排列，研究数据的检、纠错方法，提高系统抗干扰的能力。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于随钻测量系统中数据检错纠错的方法，实现可靠地数据传输。 

本发明解决其技术问题是按以下三个步骤实现的： 

A、对数据进行分类,采用增量传输； 

B、对完全数据报采用CRC进行检错，错误后请求重传； 

C、对增量数据报采用海明码进行检错，错误后自动纠错。 

进一步，在步骤A中，涉及完全数据和增量数据两种类型，对其分别采用增量数据报和完全数据报进行传输。 

完全数据是指井下仪器所测量到的参数真实完整的数值；增量数据是指参数的增加量，是当次测量与上次完全数据的差；而增量系数是指数据报生成时对增量数据扩大或缩小的倍数；因此，可以根据设定的增量系数，每次只传输相对于最近一次完全数据的增量即可；接收端再根据完全数据C、本次接收到的增量值Δc和增量系数k，即可计算出其真实值R，即R＝C+Δc/k。 

进一步，在步骤B中，对完全数据报采用CRC进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则请求重传；即在井下发送时通过检验和，保证发送信息除以生成多项式得到的余数为0；在地面接收端用接收到的帧除以同样的生成多项式，判断余数是否为0，如果余数为0则无差错，不为0则有差错；如果发现错误，则请求井下发送方再重新发送一次该数据，直到接收到正确的完全数据报为止。 

其中，生成多项式G(x)——被除数，需要发方、收方事前商定好，保持一致；校验和S(x)——余数，加在帧尾，使带校验和的帧的多项式T(x)能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除该接收到的多项式T’(x)，若有余数，则传输出错。 

进一步，校验和生成方法如下： 

①设生成多项式G(x)为r阶，帧的数据位为m位，则在帧的数据位的末尾加上r个0，使帧变为m+r位，相应多项式为x^rM(x)； 

②按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于x^rM(x)的位串，得到一个余数S(x)； 

③按模2减法从对应于x^rM(x)的位串中减去余数S(x)，结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。 

进一步，在步骤C中，对增量数据报采用海明码进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则根据海明码的工作原理，自动进行纠错； 

进一步，其工作原理是：码位从左边开始编号，最左边是第1位；位号为2的幂的位是校验位，其余的都是数据位；假设采用的是(i，j)海明编码，表示其中数据位长度为i位，校验位长度为j位；若发送的数据长度超过i位，则需要将发送数据进行分组，每组的长度为i位，若不足i位则填充0进行补充；接收时，所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将 其取反即可纠正第m位的错误； 

进一步，校验位的产生方法是： 

①将任一个数据位的编号展开成2的幂的和，其中每一项所对应的位都是该数据位的校验位； 

①每个校验位取值要么为0，要么为1，原则是使得包括自己在内，及其对应的数据位的1的个数为偶数个即偶校验，或奇数个即奇校验； 

进一步，其检错和纠错过程是： 

①每个码字到来前，接收方计数器清零； 

②接收方检查每个校验位k的奇偶值是否正确，若第k位奇偶值不正确，则计数器加k；若正确，则计数器不变； 

③所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将其取反即可纠正第m位的错误。

附图说明

图1计算校验和的过程实例。 

具体实施方式：

本发明解决其技术问题是按以下三个步骤实现的： 

1.对数据进行分类,采用增量传输。 

本发明涉及完全数据和增量数据两种类型，对其分别采用增量数据报和完全数据报进行传输。 

完全数据是指井下仪器所测量到的参数真实完整的数值；增量数据是指参数的增加量，是当次测量与上次完全数据的差；而增量系数是指数据报生成时对增量数据扩大或缩小的倍数；因此，可以根据设定的增量系数，每次只传输相对于最近一次完全数据的增量即可；接收端再根据完全数据C、本次接收到的增量值Δc和增量系数k，即可计算出其真实值R，即R＝C+Δc/k。其中，完全数据C为最近一次测量的数值；增量系数k需要由用户在地面进行初始化配置，其目的是为了避免产生类似于0.001这样的小数位带来的数据冗余，以进一步缩短数据的位数。例如，方位角的精度为0.1，增量系数k为10，最近一次向地面传输的完全数据值C为105.7°，本次采集的值为106.1°，其增量为0.4°，因而本次只需传输增量的放大值Δc“4”即可，地面接收端即可根据式(1)计算出其真实值106.1°。 

一般在发送一次完全数据后，会连续发送若干次增量数据。特殊情况下，例如当参数发生随机性突变时，可以选择连续发送完全数据，而暂不发送增量数据。因此， 在传输变化相对平缓的井下参数时，增量数据报能够有效地压缩系统传输的数据量。对于数值中首尾含“0”较多的小数或大整数，增量系数可以减少数据冗余。因而增量传输技术能够有效地提高随钻测量系统的传输效率。 

2.对完全数据报采用CRC进行检错，错误后请求重传 

对完全数据报采用CRC进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则请求重传；即在井下发送时通过检验和，保证发送信息除以生成多项式得到的余数为0；在地面接收端用接收到的帧除以同样的生成多项式，判断余数是否为0，如果余数为0则无差错，不为0则有差错；如果发现错误，则请求井下发送方再重新发送一次该数据，直到接收到正确的完全数据报为止； 

1)生成多项式G(x)——被除数 

生成多项式发方、收方事前必须商定好，保持一致，另外生成多项式的高位和低位必须为1，生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。常用的生成多项式的国际标准为： 

CRC-12＝x¹²+x¹¹+x³+x²+x+1 

CRC-16＝x¹⁶+x¹⁵+x²+1 

CRC-CCITT＝x¹⁶+x¹²+x⁵+1 

2)校验和S(x)——余数 

校验和加在帧尾，使带校验和的帧的多项式T(x)能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除该接收到的多项式T’(x)，若有余数，则传输出错。校验和生成方法如下： 

①设生成多项式G(x)为r阶，帧的数据位为m位，则在帧的数据位的末尾加上r个0，使帧变为m+r位，相应多项式为x^rM(x)； 

②按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于x^rM(x)的位串，得到一个余数S(x)； 

③按模2减法从对应于x^rM(x)的位串中减去余数S(x)，结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。 

例如： 

要传送的帧的数据部分为：1101011011 

生成多项式为：10011 

计算校验和的过程如图1所示。 

经过多项式除法后得到的校验和为1110，所以真正发送的帧为11010110111110。在接收方用接收到的数据，去除生成多项式10011，如果余数为0则表示数据正确，否则数据在传输过程中发送错误。 

一般情况下，完全数据报的内容较长，而且还要用其作为基数与后续的增量数据报进行计算得到后续的参数值，所以其准确性非常重要。方案是：先采用检错码，如果发现错误，再重新发送，直到接收到正确的完全数据报为止。例如：某个数据报在编码前为1010111110010010010100011101101101110100011111。假设采用的生成多项式为G(x)＝x4+x+1，即10011，则其CRC的校验和为1000，将校验和附加在帧尾。所以最终形成的帧为10101111100100100101000111011011011101000111111000。 

3.对增量数据报采用海明码进行检错，错误后自动纠错 

对增量数据报采用海明码进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则根据海明码的工作原理，自动进行纠错。 

1)工作原理 

码位从左边开始编号，最左边是第1位；位号为2的幂的位是校验位(1、2、4、8、16、32、64……)；其余的都是数据位(3、5、6、7、9、10、11、12……)。假设采用的是(i，j)海明编码，表示其中数据位长度为i位，校验位长度为j位；若发送的数据长度超过i位，则需要将发送数据进行分组，每组的长度为i位，若不足i位则填充0进行补充；接收时，所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有 效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将其取反即可纠正第m位的错误。 

2)校验位的产生方法 

(1)将任一个数据位的编号展开成2的幂的和(例：第11位＝1+2+8(1011))，则每一项所对应的位都是该数据位的校验位。 

●编号＝1的校验位：负责检验所有的编号为奇数的数据位； 

●编号＝2的校验位：负责检验数据位3(11)、6(110)、7(111)、10(1010)、11(1011)、14(1110)、15(1111)……； 

●编号＝4的校验位：负责检验数据位5(101)、6(110)、7(111)、12(1100)……； 

所以，某一校验位对应多个数据位，某一数据位对应多个校验位。 

(2)每个校验位取值要么为0，要么为1，原则是使得包括自己在内，及其对应的数据位的1的个数为偶数个即偶校验，或奇数个即奇校验。举例说明：假定数据位为：1100001，采用偶校验。则编码时，第1、2、4、8位需要通过偶校验获得，剩下的第3、5、6、7、9、10、11位分别对应数据位1100001。如表1所示。 

表1海明码实例 

将数据位的编号展开成2的幂的和，即3＝11，5＝101，6＝110，7＝111，8＝1000，9＝1001，10＝1010，11＝1011。这样就很容易得到： 

编号为1的校验位a负责第3，5，7，9，11的校验，这5位上因为有奇数个1，所以为了实现偶校验，校验位a应该＝1； 

编号为2的校验位b负责第3，6，7，10，11的校验，这5位上因为有偶数个1，所以为了实现偶校验，校验位b应该＝0； 

编号为4的校验位c负责第5，6，7的校验，这3位上因为有奇数个1，所以为了实现偶校验，校验位c应该＝1； 

编号为8的校验位d负责第9，10，11的校验，这3位上因为有奇数个1，所以为了实现偶校验，校验位d应该＝1。 

所以编码结果如表2所示。 

表2海明码实例编码结果 

3)其检错和纠错过程 

(1)每个码字到来前，接收方计数器清零； 

(2)接收方检查每个校验位k(k＝1，2，4…)的奇偶值是否正确，若第k位奇偶值不正确，则计数器加k；若正确，则计数器不变； 

(3)所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将其取反即可纠正第m位的错误。 

例如：m＝11，则第11位出错，因为m＝11表明校验位1，2，8是错误的，而同时被1，2，8校验位校验的是第11位，第1+2+8＝11位变反。例如：需要编码的二进制为：01000001100001110110111011101100111，按照(7，4)海明编码，每7位一组进行编码后的结果如表3所示。 

表3增量数据报海明码编码实例 

Claims (4)

1.一种用于随钻测量系统数据检错纠错的方法，其特征在于该方法包括以下三个步骤：

A、对数据进行分类,采用增量传输；

B、对完全数据报采用CRC进行检错，错误后请求重传；

C、对增量数据报采用海明码进行检错，错误后自动纠错。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤A中，涉及完全数据和增量数据两种类型，对其分别采用增量数据报和完全数据报进行传输；

完全数据是指井下仪器所测量到的参数真实完整的数值；增量数据是指参数的增加量，是当次测量与上次完全数据的差；而增量系数是指数据报生成时对增量数据扩大或缩小的倍数；因此，可以根据设定的增量系数，每次只传输相对于最近一次完全数据的增量即可；接收端再根据完全数据C、本次接收到的增量值Δc和增量系数k，即可计算出其真实值R，即R＝C+Δc/k。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中，对完全数据报采用CRC进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则请求重传；即在井下发送时通过检验和，保证发送信息除以生成多项式得到的余数为0；在地面接收端用接收到的帧除以同样的生成多项式，判断余数是否为0，如果余数为0则无差错，不为0则有差错；如果发现错误，则请求井下发送方再重新发送一次该数据，直到接收到正确的完全数据报为止；

其中，生成多项式G(x)——被除数，需要发方、收方事前商定好，保持一致；校验和S(x)——余数，加在帧尾，使带校验和的帧的多项式T(x)能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除该接收到的多项式T’(x)，若有余数，则传输出错；

进一步，校验和生成方法如下：

①设生成多项式G(x)为r阶，帧的数据位为m位，则在帧的数据位的末尾加上r个0，使帧变为m+r位，相应多项式为x^rM(x)；

②按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于x^rM(x)的位串，得到一个余数S(x)；

③按模2减法从对应于x^rM(x)的位串中减去余数S(x)，结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤C中，对增量数据报采用海明码进行检错，如果没有发现错误则表示正确接收，如果发现错误则根据海明码的工作原理，自动进行纠错；

进一步，其工作原理是：码位从左边开始编号，最左边是第1位；位号为2的幂的位是校验位，其余的都是数据位；假设采用的是(i，j)海明编码，表示其中数据位长度为i位，校验位长度为j位；若发送的数据长度超过i位，则需要将发送数据进行分组，每组的长度为i位，若不足i位则填充0进行补充；接收时，所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将其取反即可纠正第m位的错误；

进一步，校验位的产生方法是：

①将任一个数据位的编号展开成2的幂的和，其中每一项所对应的位都是该数据位的校验位；

①每个校验位取值要么为0，要么为1，原则是使得包括自己在内，及其对应的数据位的1的个数为偶数个即偶校验，或奇数个即奇校验；

进一步，其检错和纠错过程是：

①每个码字到来前，接收方计数器清零；

②接收方检查每个校验位k的奇偶值是否正确，若第k位奇偶值不正确，则计数器加k；若正确，则计数器不变；

③所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则表示第m位出错，将其取反即可纠正第m位的错误。