CN114629962A - 井下随钻数据的压缩、解压缩及传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下随钻数据的压缩、解压缩及传输方法和装置。所述压缩方法包括基于同一测区获取的历史井下随钻数据，制作Huffman码表。对实时井下随钻数据进行无损数据压缩。根据本发明，可减少文件存储所占用的空间，具有更好的抗误码性与压缩效果。

Description

井下随钻数据的压缩、解压缩及传输方法和装置

技术领域

本发明涉及油气钻井或钻探工程的随钻测量技术领域，具体来讲，涉及一种井下随钻数据的压缩方法及压缩装置，井下随钻数据的解压缩方法及解压缩装置，井下随钻数据的传输方法及传输系统。

背景技术

随钻测量技术是一种能在井下钻进过程中，对钻头附近的地质、工程数据进行测量、采集，并实时将随钻数据传输到地面系统的技术，为定向井和水平井的钻进提供了良好的实时监控条件，在石油勘探开发中发挥越来越重要的作用。目前，制约随钻测量技术发展的一个重大因素是随钻测量数据传输问题，由于井下环境复杂，以及数据传输技术与成本问题，随钻数据传输使用最多的泥浆脉冲传输技术的数据传输速率非常低，难以满足高速钻进实时传输的需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种对井下随钻数据进行有效压缩的技术方案。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种井下随钻数据的压缩方法，压缩方法包括：S1、基于同一测区获取的历史井下随钻数据，制作Huffman码表，包括：将所述历史随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧；对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表。S2、对实时随钻数据进行无损数据压缩，包括：对实时接收到的随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧；对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码；对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。

在本发明的一个示例性实施例中，所述帧内预测编码处理可包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值减去与其同项的相邻的前一个数据的值，所得的差值作为当前位置数据的值；

在本发明的一个示例性实施例中，所述帧间预测编码处理可包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值减去前一帧相同位置的数据的原始值，所得的差值作为当前位置数据的值。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法还可包括改造所述制作的Huffman码表文件，具体可包括：提取所述Huffman码表中的各字节数据的值及其对应的码字长度、码字和统计频度；设码字信息由码字长度、码字和统计频度组成，将所有数据的码字信息按照其数据的值的大小，由小到大依次排列；将排列后的码字信息依次写入到文件中，生成Huffman码表文件。

在本发明的一个示例性实施例中，若发现排列后的数据的值的最小值不为0或者最小值与最大值之间有缺失的整数，则可人为(手动)添加该缺失的数值，并设定频度为1，再制作Huffman码表，并按数值的大小排列保存码字信息到文件中。

在本发明的一个示例性实施例中，对实时参考帧数据按有效位数进行压缩编码的步骤可包括：对实时参考帧中的数据，另存一个副本，用于帧间预测编码处理；按照测量仪器的精度给出的有效数据位数，提取出实时参考帧中各数据中的有效数据；以及依次对实时参考帧中所有有效数据进行编码。

在本发明的一个示例性实施例中，以字节为单位，依次对实时预测帧数据进行Huffman编码的步骤可以包括：将经过预测编码处理之后的实时预测帧数据的数值加上255，所得的值作为在所述步骤S1中生成的Huffman码表文件中的寻址值；按照寻址值，找到所述步骤S1中生成的Huffman码表文件中对应位置数的码字信息；根据码字信息中的码字长度和码字，提取出实时预测帧数据数值对应的Huffman代码；以及依次将所述Huffman代码按位进行编码，完成对实时预测帧数据的Huffman编码。

本发明的另一方面提供了一种井下随钻数据的压缩装置，所述压缩装置设置在井下。所述压缩装置可以包括Huffman码表制作模块和压缩模块，其中，Huffman码表制作模块用于基于同一测区获取的历史井下随钻数据，制作Huffman码表。所述压缩模块用于对实时随钻数据进行无损数据压缩。

在本发明的一个示例性实施例中，所述Huffman码表制作模块可包括：第一分组单元，被配置为将所述历史井下随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧；第一帧内预测编码单元，被配置为对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；第一帧间预测编码单元，被配置为对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；和Huffman码表制作单元，被配置为对所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表。

在本发明的一个示例性实施例中，所述压缩模块可包括：第二分组单元，被配置为对实时接收到的井下随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧；参考帧压缩编码单元，被配置为对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码；第二帧内预测编码单元，被配置为对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；第二帧间预测编码单元，被配置为对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；和Huffman编码单元，被配置为以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。

本发明又一方面提供了一种井下随钻数据的解压缩方法，所述解压缩方法在地面端对井下传输来的数据进行解码，对解码后的数据进行重构，得到随钻重构数据，其中，所述井下传输来的数据为采用如上所述的压缩方法进行压缩所得到的压缩编码数据。

在本发明的一个示例性实施例中，所述解压缩方法可以包括：根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码；对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码；以及对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构，其中，所述重构步骤包括：对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的具有多个相同项的数据进行帧内预测解码处理；对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的未进行帧内预测解码处理的其它项数据，进行帧间预测解码处理。

在本发明的一个示例性实施例中，根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码的步骤可包括：对于接收到的压缩编码数据，根据所述有效数据位数，依次按位读取对应有效位数数据，并存于第一数组中，其中，若接收到的压缩编码数据小于有效数据位数，则在高位补零，填充至有效数据位数，完成每个帧组中的实时参考帧数据的解码。

在本发明的一个示例性实施例中，所述帧内预测解码处理可包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值加上与其同项的相邻的前一个数据的值，所得之和作为当前位置数据的值。

在本发明的一个示例性实施例中，所述帧间预测解码处理可包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值加上前一帧相同位置的数据的值，所得之和作为当前位置数据的值。

本发明又一方面提供一种井下随钻数据的解压缩装置，所述解压缩装置设置在地面端，其用于与如上所述的井下随钻数据的压缩装置通信连接，以对井下传输来的压缩编码数据进行解码，对解码后的数据进行重构，得到随钻重构数据。

在本发明的一个示例性实施例中，解压缩装置可包括：参考帧解码单元，被配置为根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码；预测帧Huffman解码单元，被配置为对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码；以及预测帧重构单元，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构。

在本发明的一个示例性实施例中，预测帧重构单元可包括：帧内预测解码子模块，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的具有多个相同项的数据进行帧内预测解码处理；和帧间预测解码子模块，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的未进行帧内预测解码处理的其它项数据，进行帧间预测解码处理。

本发明又一方面提供了一种井下随钻数据的传输方法，所述传输方法包括：采用如上所述的压缩方法对实时采集到的随钻数据进行压缩编码；和采用如上所述的解压缩方法对所述压缩编码数据进行解压缩。

本发明又一方面提供了一种井下随钻数据的传输系统，所述传输系统包括：如上所述的井下随钻数据的压缩装置；以及如上所述的井下随钻数据的解压缩装置。

本发明又一方面提供了一种设备，所述设备可包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的压缩方法、如上所述的解压缩方法、以及如上所述的传输方法中的至少一种。

本发明再一方面提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的压缩方法、和/或如上所述的解压缩方法、以及如上所述的传输方法中的至少一种。

本发明再一方面提供了一种如上所述的井下随钻数据的压缩装置、解压缩装置或井下随钻数据的传输系统在油气钻井或钻探中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：可减少文件存储所占用的空间，具有更好的抗误码性与压缩效果，更容易在单片机等井下硬件设备上实现，而不会影响井下设备工作的实时性。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的井下随钻数据传输系统的示意图。

图2示出了本发明示例性实施例的井下随钻数据传输方法的流程示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的井下随钻数据的压缩方法及压缩装置，井下随钻数据的解压缩方法及解压缩装置，以及井下随钻数据的传输方法及传输系统。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

为了提高数据传输速率，采用无损数据压缩方法对井下随钻数据进行压缩后再传输，是一种有效且可行的提高数据传输速率的途径。

针对井下随钻数据的无损压缩方法主要有LZW算法及其改进算法、预测编码以及Huffman编码。LZW及其改进算法需要在压缩和解压过程中，动态地制作字符串码表，抗误码能力不高。预测编码和Huffman编码实现简单，但是单独使用其中的一个方法，则数据压缩的效率是有限的。相关技术还在研究了井下随钻数据的特点之后，对提出讨论了预测编码结合自适应Huffman编码的方法。但由于自适应Huffman编码是在压缩的过程中动态地构建Huffman树，若传输数据发生错误，则解码端的Huffman树构建错误，将会对后续的数据解码产生非常大的影响，因此，该方法的抗误码性不高。

针对相关井下随钻数据压缩算法中未能合理利用井下随钻数据之间相关性的现状，以及现有算法具有的抗误码性差、不适合于单片机等硬件实现的问题，本发明在研究上述算法的问题之后，根据井下随钻数据的特点，提出了一种基于分组预测编码的更适合于单片机等硬件实现的Huffman压缩编码方法。

在根据本发明的示例性实施例中，提供了一种井下随钻数据传输方法以及系统。其中，该井下随钻数据传输方法可包括相互配合以实现随钻数据传输的随钻数据的压缩方法以及井下随钻数据的解压缩方法。其中，井下随钻数据包括井下数据采集装置(例如，旋转导向、近钻头等内的数据采集模块等)采集到的数据，比如，随钻测量数据MWD、随钻测井数据LWD、随钻地震、旋转地质导向数据、近钻头数据等数据中的一种或多种。

图1示出了本发明示例性实施例中随钻数据的传输系统的示意图。

如图1中所示，本实施例中，随钻数据的传输系统可包括相互配合以实现将随钻数据由井下传输至地面端的井下随钻数据的压缩装置101以及井下随钻数据的解压缩装置102。井下随钻数据的压缩装置101设置在井下，其能够实现对井下测量得到的随钻数据进行数据压缩并编码，从而有效减少所需要传输的数据量。而井下随钻数据的解压缩装置102则设置在地面端，其能够对在地面端对井下随钻数据的压缩装置101所传输来的数据进行解码，对解码后的数据进行解压缩，从而得到随钻重构数据。

为了更加清楚的阐述本发明所提供的随钻数据传输系统的工作原理以及过程，以下结合图2所示的随钻数据传输方法的实现流程示意图来作进一步地说明。其中，步骤S1至步骤S2所表征的随钻数据的压缩方法可以由设置在井下的井下随钻数据的压缩装置101来执行，而步骤S3所表征的随钻数据的解压缩方法则可以由设置在地面端的随钻数据的解压缩装置102来执行。

如图2中所示，本实施例中，随钻数据的压缩装置101在步骤S1中基于同一测区获取的历史井下随钻数据制作Huffman码表。

具体地，步骤S1可以包括：将历史井下随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧。然后，对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理。对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理。最后，将所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表。

其中，帧内预测编码处理包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值减去与其同项的相邻的前一个数据的值，所得的差值作为当前位置数据的值。

帧间预测编码处理包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值减去前一帧相同位置的数据的原始值，所得的差值作为当前位置数据的值。

还可改造制作的Huffman码表文件，具体包括：提取Huffman码表中的各字节数据的值及其对应的码字长度、码字和统计频度；设码字信息由码字长度、码字和统计频度组成，将所有数据的码字信息按照其数据的值的大小，由小到大依次排列；将排列后的码字信息依次写入到文件中，生成Huffman码表文件。其中，若发现排列后的数据的值的最小值不为0或者最小值与最大值之间有缺失的整数，则可人为添加该缺失的数值，并设定频度为1，再制作Huffman码表，并按数值的大小排列保存码字信息到文件中。

随钻数据的压缩装置101在步骤S2中可对实时随钻数据进行无损数据压缩。具体地：对实时接收到的随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧；对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码；对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。

本实施例中，井下随钻数据压缩装置101可包括Huffman码表制作模块和压缩模块。

其中，Huffman码表制作模块用于基于同一测区获取的历史井下随钻数据，制作Huffman码表。

Huffman码表制作模块可包括第一分组单元、第一帧内预测编码单元、第一帧间预测编码单元以及Huffman码表制作单元。

第一分组单元被配置为将所述历史井下随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧。

第一帧内预测编码单元被配置为对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理。

第一帧间预测编码单元被配置为对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理。

Huffman码表制作单元被配置为对所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表。

压缩模块用于对实时井下随钻数据进行无损数据压缩，并将压缩编码后的数据传输至地面端。压缩模块可包括第二分组单元、参考帧压缩编码单元、第二帧内预测编码单元、第二帧间预测编码单元。

第二分组单元被配置为对实时接收到的井下随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧。

参考帧压缩编码单元被配置为对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码。具体可包括：对实时参考帧中的数据，另存一个副本，供后续步骤使用；按照测量仪器的精度给出的有效数据位数，提取出实时参考帧中各数据中的有效数据；以及依次对实时参考帧中所有有效数据进行编码。

第二帧内预测编码单元被配置为对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理。

第二帧间预测编码单元被配置为对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理。

Huffman编码单元被配置为以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。具体可包括：利用经过预测编码处理之后的实时预测帧数据的数值来确定在所述步骤S1中生成的Huffman码表文件中的寻址值，所述寻址值为自然数，例如，寻址值为0～1023。在实施例中，可通过将经过预测编码处理之后的实时预测帧数据的数值加上255，所得的值作为在步骤S1中生成的Huffman码表文件中的寻址值；按照寻址值，找到步骤S1中生成的Huffman码表文件中对应位置数的码字信息；根据码字信息中的码字长度和码字，提取出实时预测帧数据数值对应的Huffman代码；依次将Huffman代码按位进行编码，完成对实时预测帧数据的Huffman编码。

本实施例中，井下随钻数据的压缩装置101在步骤S2之后可利用泥浆脉冲来将编码后的数据传输至地面端的随钻数据的解压缩装置102。当然，在本发明的其他实施例中，随钻数据的压缩装置101与随钻数据的解压缩装置102之间的数据传输方式还可以配置为其他合理方式，本发明并不对此进行限定。

本实施例中，Huffman码表制作模块和压缩模块实现其各自功能的原理以及过程在上述步骤S1至步骤S2中已经得到充分体现，因此在此不再对数据Huffman码表制作模块和压缩模块的具体内容进行赘述。

如图1和图2中所示，在本实施例中，井下随钻数据的解压缩装置102设置在地面端，其用于与井下随钻数据的压缩装置101通信连接，井下随钻数据的解压缩装置102在接收到井下随钻数据的压缩装置101所传输来的数据后，可在步骤S3中对上述数据进行解码和对解码后的数据进行重构，从而得到随钻重构数据。

解压缩装置可包括参考帧解码单元、预测帧Huffman解码单元以及预测帧重构单元。

其中，参考帧解码单元被配置为根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码。

预测帧Huffman解码单元被配置为对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码。

预测帧重构单元被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构。预测帧重构单元可包括帧内预测解码子模块和帧间预测解码子模块。帧内预测解码子模块被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的具有多个相同项的数据进行帧内预测解码处理。帧间预测解码子模块，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的未进行帧内预测解码处理的其它项数据，进行帧间预测解码处理。

与井下随钻数据的压缩装置101的压缩方式相对应地，本实施例中，井下随钻数据的解压缩装置102可根据有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码。对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码。对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构。

其中，根据有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码可包括：对于接收到的压缩编码数据，根据有效数据位数，依次按位读取对应有效位数数据，并存于第一数组中，其中，若接收到的压缩编码数据小于有效数据位数，则在高位补零，填充至有效数据位数，完成每个帧组中的实时参考帧数据的解码。

帧内预测解码处理可包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值加上与其同项的相邻的前一个数据的值，所得之和作为当前位置数据的值。

帧间预测解码处理可包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值加上前一帧相同位置的数据的值，所得之和作为当前位置数据的值。

本发明提供了一种更符合随钻测量工程实际的数据传输方法及系统，其中运用了改进的压缩和解压缩方法，达到提高钻测量数据传输速率的效果。根据本发明实施例的数据传输方法，实现起来简单有效，数据压缩及解压缩方法可以通过软嵌入的方式，嵌入到FPGA、单片机和其他各种已经成型的设备和装置中。

在本发明的另一示例性实施例中，随钻测量数据的传输方法包括以下步骤：

S100、按字节统计预测帧数值频度，并制作Huffman码表。具体包括：

S110、按帧分组。具体地，利用以往在同一测区获取的随钻测量数据集，即，历史随钻测量数据集，按一定的帧数(例如，4帧、5帧或6帧)，进行分组。将一个帧组(GOF，Group ofFrame)中的第一帧作为参考帧，除参考帧以外的数据帧，作为预测帧。

S120、对预测帧内的具有多个相同项(项目)的数据做帧内预测编码，即除去该项目在帧内的第一个数据以外，对后续的同项数据，用当前数据的值减去与其同项的相邻的前一个数据的原始值，所得的差值作为当前位置数据的值。

S130、对预测帧数据中未做帧内预测处理的其它项数据，做帧间预测编码，即用当前位置数据的值减去上一帧相同位置的数据的原始值，所得的差值作为当前位置数据的值。

S140、对当前帧组中后续的预测帧数据，重复上述步骤S120和S130，直到处理完一个帧组中的所有预测帧数据。

S150、对后续帧组中的预测帧数据，重复上述步骤S120、S130和S140，直到处理完当前数据集中的所有预测帧数据。

S160、对所有经过帧内预测处理和帧间预测处理的预测帧数据，以字节为单位，统计各数据的值的频度(各字节数据的值出现的次数)，并制作Huffman码表。

S170、改造并制作Huffman码表文件。具体地，可通过以下方式实现：

S171、提取步骤S160中Huffman码表中的各字节数据的值及其对应的码字长度、码字和统计频度。

S172、假设码字信息由码字长度、码字和统计频度组成，则将所有数据的码字信息按照其数据的值的大小，由小到大依次排列。

S173、将排列后的码字信息依次写入到码表文件中，生成Huffman码表文件。即，把码字信息不断写到码表文件中，就生成了完整码表文件。若发现排列后的数据的值的最小值不为0、或者最小值与最大值之间有缺失的整数，则可人为添加该缺失的数值，并设定频度为1，再制作Huffman码表，并按数值的大小排列保存码字信息到文件中。

S200、对实时随钻数据做无损数据压缩。具体包括：

S210、对实时接收到的随钻数据，按一定的帧数(4帧、5帧或6帧)，进行分组。将一个帧组中的接收到的第一帧称为参考帧，后续接收到的数据帧，作为预测帧。

S220、对参考帧数据按有效位数进行编码。

具体地，首先对参考帧中的数据，先另存一个副本，以供后续步骤使用。这里，参考帧数据一方面要提取有效位数数据做编码，另一方面要和预测帧数据进行预测编码，所以要存一个副本，就相当于复制一个副本，然后预测帧数据和这个副本做预测编码。因为原始的数据已经按有效位数进行编码了。因此，此处的后续步骤指的是便于下一帧数据进行帧间预测，也就是说，可以用于步骤S130/S230。然后，按照测量仪器(例如，随钻测量仪器采集器、井径测量仪等)的精度给出的有效数据位数，提取出参考帧中各数据中的有效数据，最后依次对有效数据进行编码。

S230、对预测帧数据做帧内预测编码。对预测帧内的具有多个相同项的数据做帧内预测编码，其具体操作与步骤S120相同。

S240、对预测帧数据做帧间预测编码。对预测帧数据中未做帧内预测处理的其它项数据，做帧间预测编码，其具体操作与步骤130相同。

S250、以字节为单位，依次对预测帧数据做Huffman编码。

S251、首先，打开步骤一中生成的Huffman码表文件，对经过预测编码处理之后的预测帧数据，将其数值加上255，就变成了该数据的数值在码表文件中的寻址值。

S252、然后，按照寻址值，找到码表文件中对应位置数的码字信息。根据码字信息中的码字长度和码字，提取出该数据数值对应的Huffman代码。

S253、最后，依次将该代码按位(bit)进行编码，即完成对该数据的Huffman编码。

S260、重复上述的步骤S220、S230、S240、S250，对后续实时采集的测量数据进行压缩编码，同时将编码数据上传到地面系统，直到完成当前工程测量任务。

S300、对压缩编码数据进行解码和重构。具体包括：

S310、根据已知的数据有效位数对参考帧数据进行解码。对接收到的压缩编码数据，地上解码端软件根据已知的测量仪器有效数据位数，依次按位(bit)读取对应有效位数数据，放入到内存当中，对其中不足8bit的数据，在高位补0，填充至8bit。直到解码完一帧数据，即完成了对当前帧组中的参考帧数据的解码。

S320、对预测帧数据做Huffman解码。具体包括：

S321、首先，打开步骤S1中生成的Huffman码表文件，按码字信息存放地址的先后顺序，依次读取码字信息中的频度值，放入到内存的数组当中。

S322、然后，以数组的下标为数值，该下标对应的频度值为数值的频度大小，构建Huffman树。

S323、最后，依次对后续的压缩编码数据，以bit为单位进行Huffman解码，直到解码获取到一帧预测帧数据。

S330、对预测帧数据做帧内预测解码。

对经过步骤S320得到的预测帧数据，对其中相邻的相同项数据做帧内预测解码，即除去该项在帧内的第一个数据以外，用当前数据的值加上与其同项的相邻的前一个数据的值，所得的和作为当前位置数据的值。

S340、对预测帧数据做帧间预测解码。

对经过步骤S330得到的预测帧数据，对其中未做帧内预测处理的其他项数据，做帧间预测编码，即用当前位置数据的值加上前一帧相同位置的数据的值，所得的和作为当前位置数据的值。

S350、对后续的压缩编码数据，可以重复上述步骤S320、S330、S340，直到解码出一个帧组中的所有预测帧数据。

S360、对后续的压缩编码数据，可以重复上述步骤S310、S320、S330、S340、S350，直到完成当前工程测量任务。

根据本发明示例性实施例，充分利用了测量数据中的帧内数据和帧间数据之间的相关性，并与适合于单片机等硬件的Huffman压缩算法相结合，相比于预测编码结合动态Huffman编码的方案，本发明的方法不会导致误码扩散，具有更好的抗误码性。同时，由于利用了以往的同测区的测量数据，提前制作Huffman码表，使得本技术方案仍然具备很好的压缩效果的同时，更容易在单片机等井下硬件设备上实现，而不会影响井下设备工作的实时性。

为了能更清楚地描述本发明所涉及的随钻测量数据无损压缩及解压缩方法，以下通过示例展示关键步骤，以对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施方法仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

表1示出了随钻测量数据的数据帧结构。表1中包含7个不同的物理量，即，伽马1、近钻头井斜、近钻头方位、近钻头重高、压力1、压力2、以及压力3，每个物理量的有效数据位数为6到12位。

表1

在表1中，RIN表示近钻头井斜，RAZ表示近钻头方位，RTF表示近钻头重高，PRS1、2、3表示压力1、2、3，GMA表示伽马。

步骤一、制作Huffman码表。

利用以往同一测区的数据集，制作Huffman码表。具体包括：

(1)帧内预测和帧间预测处理。

首先，将数据按帧分组，以6帧为一个帧组(GOF，Group of Frame)为例，其中，首帧(第1帧)所在位置的数据帧，称为参考帧，其他帧(第2、3、4、5、6帧)所在位置的数据帧，称为预测帧。

设D[m][n](m＝1、2、3……6，n＝1、2、3、……14)为编码前表1所示数据帧的一个帧组中的数据，下标m对应帧组中的帧序号[第m帧]，下标n与表1中的数据在帧内的所在位置相对应[第m帧中的第n个数据]。设R[m][n](m为1、2、3……6，n＝1、2、3、……14)为编码后的对应位置的数据。

然后，对预测帧数据做帧内预测和帧间预测处理，以第2帧为例，对预测帧做帧内预测处理的过程如下：

R[2][1]＝D[2][1]；

R[2][4]＝D[2][4]-D[2][1]；

R[2][7]＝D[2][7]-D[2][4]；

R[2][9]＝D[2][9]-D[2][7]；

R[2][11]＝D[2][11]-D[2][9]；

R[2][13]＝D[2][13]-D[2][11]；

同样以第2帧为例，对预测帧数据做帧间预测处理的过程如下：

R[2][2]＝D[2][2]-D[1][2]；

R[2][5]＝D[2][5]-D[1][5]；

R[2][8]＝D[2][8]-D[1][8]；

R[2][10]＝D[2][10]-D[1][10]；

R[2][12]＝D[2][12]-D[1][12]；

R[2][14]＝D[2][14]-D[1][14]；

对第3、4、5、6帧预测帧数据，也用上述方法做帧内预测和帧间预测处理。

(2)制作Huffman码表文件

对所有帧组中的预测帧数据做帧内预测和帧间预测处理之后，统计其数值频度，并生成Huffman码表。为方便在单片机上实现Huffman编码，Huffman码表中的数据格式需要经过进一步处理，再写入到码表文件中。

设数据的数值对应的码字长度、码字和统计频度作为一个码字信息。将所有的码字信息，按照对应数据的数值大小由小到大排序，形成一串按数值由小到大排列的连续的码字信息(若不连续，说明中间有数据未统计到，为防止编码错误，可为缺失的数值，人为添加最小频度(频度为1)，再制作Huffman码表，生成该数值对应的码字信息)。将该串码字信息依次写入到文件中，就形成了最终的Huffman码表文件。由于各个码字信息是按数值大小由小到大排列的，所以数值大小与其对应的码字信息在码表文件中的位置信息是对应的，相当于建立了码字信息的索引，因而在Huffman编码部分，根据数值的大小，直接找寻对应位置的码字长度和码字信息，就能获取到该数值对应的码字信息。

步骤二、数据压缩

地下设备对采集到的一个帧组内的随钻数据，先对参考帧按表1中给出的有效位数进行编码。如：对参考帧第一个数据R[1][1]，提取8bit数据，将提取的数据放入内存中；对R[1][2]和R[1][3]，提取其中的11bit有效数据，并放入内存中。将参考帧中所有的有效位数数据提取出来，就完成了对参考帧数据的压缩编码。

然后对预测帧部分的数据做帧内预测和帧间预测处理，将处理后的数值加上255，所得的值即为该值对应的码字信息在码表文件中的索引值(范围为0～510)。根据该索引值，提取对应码字信息中的码字，按bit写入到内存，即完成了对预测数据的压缩编码。

步骤三、数据解码与重构

(1)对参考帧数据的解码。地上系统解码端软件，对先接收到的压缩编码数据，首先按照参考帧数据压缩方式对应的方式进行解码。即根据表1所示的已知的有效数据位数信息，依次读取对应有效位数数据，放入到内存当中，对其中不足8bit的数据，在高位补0，填充至8bit。

(2)对预测帧数据的解码。经过解码获得1帧参考帧数据之后，对随后的压缩编码数据，先做Huffman解码。对经过Huffman解码后得到的预测帧数据，按照以下方式进行重构：

设经过Huffman解码得到的预测帧数据为R′[m][n](m＝2、3……6，n＝1、2、3、……14)，对R′[m][n]进行重构后的数据为D′[m][n]＝R′[m][n](m＝1，n＝1、2、3、……14)。

以第2帧为例，对Huffman解码后的预测帧数据进行重构。首先做帧内预测解码：

D′[2][1]＝R′[2][1]；

D′[2][4]＝R′[2][4]+R′[2][1]；

D′[2][7]＝R′[2][7]+R′[2][4]；

D′[2][9]＝R′[2][9]+R′[2][7]；

D′[2][11]＝R′[2][11]+R′[2][9]；

D′[2][13]＝R′[2][13]+R′[2][11]；

再做帧间预测解码：D′[2][2]＝R′[2][2]+R′[1][2]；

D′[2][5]＝R′[2][5]+R′[1][5]；

D′[2][8]＝R′[2][8]+R′[1][8]；

D′[2][10]＝R′[2][10]+R′[1][10]；

D′[2][12]＝R′[2][12]+R′[1][12]；

D′[2][14]＝R′[2][14]+R′[1][14]；

第3、4、5、6帧也做类似处理。经过上述处理后，则获得一个GOF的原测量数据的重构数据D′[m][n](m＝1，2，3，……6，n＝1，2，3……14)，该数据与原测量数据D[m][n](m＝1，2，3，……6，n＝1，2，3……14)是一一对应的。

对于最后不足一个GOF(例如，6帧数据)的数据，也可使用类似上述的数据解码方法。

根据本发明的压缩方法、解压缩方法以及传输方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器执行时使得处理器执行上述压缩方法、解压缩方法以及传输方法中的至少一者，上述处理器和存储器可以被包括在计算机设备中。

根据本发明又一方面的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的压缩方法、解压缩方法以及传输方法中的至少一者的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

根据本发明又一方面的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的压缩方法、解压缩方法以及传输方法中的至少一者的计算机程序。

根据本发明的压缩及解压缩方法，可减少文件存储所占用的空间，可应用于油气钻井或钻探中旋转导向、近钻头地质参数等随钻数据处理，具有更好的抗误码性与压缩效果，更容易在单片机等井下硬件设备上实现，而不会影响井下设备工作的实时性。但本发明不限于此，除了随钻数据，根据本发明的压缩、解压缩方法以及传输方法还可以应用到其他数据处理。比如语音信号，其在短时间之内，相邻两个数据的值很接近，有了这个特性，再对这样的数据做概率统计和生成码表，就能运用根据本发明所述的方法进行压缩、解压和传输，达到快速、高效传输数据的效果。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种井下随钻数据的压缩方法，其特征在于，所述压缩方法包括：

S1、基于同一测区获取的历史井下随钻数据，制作Huffman码表，包括：

将所述历史随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧；

对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；

对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及

所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表；

S2、对实时随钻数据进行无损数据压缩，包括：

对实时接收到的随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧；

对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码；

对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；

对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及

以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。

2.根据权利要求1所述的井下随钻数据的压缩方法，其特征在于，所述帧内预测编码处理包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值减去与其同项的相邻的前一个数据的值，所得的差值作为当前位置数据的值；

所述帧间预测编码处理包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值减去前一帧相同位置的数据的原始值，所得的差值作为当前位置数据的值。

3.根据权利要求2所述的井下随钻数据的压缩方法，其特征在于，所述方法还包括改造所述制作的Huffman码表文件，具体包括：

提取所述Huffman码表中的各字节数据的值及其对应的码字长度、码字和统计频度；

设码字信息由码字长度、码字和统计频度组成，将所有数据的码字信息按照其数据的值的大小，由小到大依次排列；

将排列后的码字信息依次写入到文件中，生成Huffman码表文件；

其中，若发现排列后的数据的值的最小值不为0或者最小值与最大值之间有缺失的整数，则手动添加该缺失的数值，并设定频度为1，再制作Huffman码表，并按数值的大小排列保存码字信息到文件中。

4.根据权利要求1所述的井下随钻数据的压缩方法，其特征在于，对实时参考帧数据按有效位数进行压缩编码的步骤包括：

对实时参考帧中的数据，另存一个副本，用于帧间预测编码处理；

按照测量仪器的精度给出的有效数据位数，提取出实时参考帧中各数据中的有效数据；以及

依次对实时参考帧中所有有效数据进行编码。

5.根据权利要求1所述的井下随钻数据的压缩方法，其特征在于，以字节为单位，依次对实时预测帧数据进行Huffman编码的步骤包括：

利用经过预测编码处理之后的实时预测帧数据的数值，确定在所述步骤S1中生成的Huffman码表文件中的寻址值，所述寻址值为自然数；

按照寻址值，找到所述步骤S1中生成的Huffman码表文件中对应位置数的码字信息；

根据码字信息中的码字长度和码字，提取出实时预测帧数据数值对应的Huffman代码；

依次将所述Huffman代码按位进行编码，完成对实时预测帧数据的Huffman编码。

6.一种井下随钻数据的压缩装置，其特征在于，所述压缩装置设置在井下，所述压缩装置包括Huffman码表制作模块和压缩模块，其中，Huffman码表制作模块用于基于同一测区获取的井下随钻数据，制作Huffman码表，所述Huffman码表制作模块包括：

第一分组单元，被配置为将所述历史井下随钻数据按帧分为多个帧组，将每个帧组内的首帧所在位置的数据帧作为历史参考帧，除参考帧之外的其它帧所在位置的数据帧作为历史预测帧；

第一帧内预测编码单元，被配置为对历史预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；

第一帧间预测编码单元，被配置为对历史预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及

Huffman码表制作单元，被配置为对所有经过帧内预测编码处理和帧间预测编码处理的历史预测帧数据，以字节为单位，统计各字节数据的值的频度，并制作Huffman码表；

所述压缩模块用于对实时随钻数据进行无损数据压缩，其包括：

第二分组单元，被配置为对实时接收到的随钻数据，按帧分为多个帧组，将每个帧组中接收到的第一帧作为实时参考帧，后续接收到的数据帧作为实时预测帧；

参考帧压缩编码单元，被配置为对实时参考帧内的数据按有效数据位数进行压缩编码；

第二帧内预测编码单元，被配置为对实时预测帧内的具有多个相同项的数据进行帧内预测编码处理；

第二帧间预测编码单元，被配置为对实时预测帧内数据中未进行帧内预测编码处理的其它项数据，进行帧间预测编码处理；以及

Huffman编码单元，被配置为以字节为单位，依次对预测帧数据进行Huffman编码。

7.一种井下随钻数据的解压缩方法，其特征在于，所述解压缩方法在地面端对井下传输来的数据进行解码，对解码后的数据进行重构，得到随钻数据重构数据，其中，所述井下传输来的数据为采用如权利要求1～5中任一项所述的压缩方法进行压缩所得到的压缩编码数据，所述解压缩方法包括：

根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码；

对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码；以及

对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构，其中，所述重构步骤包括：对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的具有多个相同项的数据进行帧内预测解码处理；对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的未进行帧内预测解码处理的其它项数据，进行帧间预测解码处理。

8.根据权利要求7所述的井下随钻数据的解压缩方法，其特征在于，根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码的步骤包括：

对于接收到的压缩编码数据，根据所述有效数据位数，依次按位读取对应有效位数数据，并存于第一数组中，其中，若接收到的压缩编码数据小于有效数据位数，则在高位补零，填充至有效数据位数，完成每个帧组中的实时参考帧数据的解码。

9.根据权利要求7所述的井下随钻数据的解压缩方法，其特征在于，所述帧内预测解码处理包括：除去相同项在帧内的第一个数据以外，对后续的相同项数据，用当前数据的值加上与其同项的相邻的前一个数据的值，所得之和作为当前位置数据的值；

所述帧间预测解码处理包括：在每个帧组内，对于未进行帧内预测编码处理的其它项数据，将当前位置数据的值加上前一帧相同位置的数据的值，所得之和作为当前位置数据的值。

10.一种井下随钻数据的解压缩装置，其特征在于，所述解压缩装置设置在地面端，其用于与如权利要求6所述的井下随钻数据的压缩装置通信连接，以对井下传输来的压缩编码数据进行解码，对解码后的数据进行重构，得到随钻重构数据，所述解压缩装置包括：

参考帧解码单元，被配置为根据所述有效数据位数对接收到的实时参考帧数据进行解码；

预测帧Huffman解码单元，被配置为对接收到的实时预测帧数据进行Huffman解码；以及

预测帧重构单元，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据进行重构，预测帧重构单元包括：

帧内预测解码子模块，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的具有多个相同项的数据进行帧内预测解码处理；和

帧间预测解码子模块，被配置为对经过Huffman解码后得到的实时预测帧数据内的未进行帧内预测解码处理的其它项数据，进行帧间预测解码处理。

11.一种井下随钻数据的传输方法，其特征在于，所述传输方法包括：

采用如权利要求1-5中任一所述的压缩方法对实时采集到的随钻数据进行压缩编码；和

采用如权利要求7-9中任一所述的解压缩方法对所述压缩编码数据进行解压缩。

12.一种井下随钻数据的传输系统，其特征在于，所述传输系统包括：

如权利要求6所述的井下随钻数据的压缩装置；以及

如权利要求10所述的井下随钻数据的解压缩装置。

13.一种设备，其特征在于，所述设备包括：

处理器；

存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5中任一所述的压缩方法、如权利要求7-9中任一所述的解压缩方法、以及如权利要求11所述的传输方法中的至少一种。

14.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的压缩方法、如权利要求7-9中任一所述的解压缩方法、以及如权利要求11所述的传输方法中的至少一种。

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