梁春江++岳鵬

摘 要：該文針對(duì)深海海底管纜搜索定位及海底地層地貌勘探任務(wù)需求，對(duì)已有C3D-SBP拖魚系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，分別對(duì)該設(shè)備通信硬件、供電線路、連接電纜、軟件源代碼、USBL、測(cè)線進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。為配合該升級(jí)設(shè)備在工程中的應(yīng)用，分別對(duì)作業(yè)過程中的原始數(shù)據(jù)資料判斷提取技術(shù)、原始數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)、釋放與回收技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整改進(jìn)。最終形成了一整套適用于深海海底管纜調(diào)查和地層地貌綜合調(diào)查的應(yīng)用系統(tǒng)升級(jí)改造方案。實(shí)際工程應(yīng)用證明該改造方案可行，并帶來直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益，為同類設(shè)備的升級(jí)改造與應(yīng)用推廣提供了參考，拓展了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：深海海底勘探 C3D-SBP 升級(jí)改造設(shè)計(jì) 工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0008-04

目前，海上平臺(tái)設(shè)施越來越多，其周邊的海底管纜分布密集，甚至錯(cuò)綜復(fù)雜。所以準(zhǔn)確地確定海底管纜的位置、狀態(tài)和地層地貌等信息對(duì)油田綜合調(diào)整實(shí)施的設(shè)計(jì)、海上平臺(tái)的安全拋錨就位、后繼施工、日常運(yùn)營維護(hù)以及海底管纜自身的安全具有重大意義[1-6]。

隨著海海底管纜調(diào)查的工作量逐步增長(zhǎng)，但現(xiàn)有的近平臺(tái)區(qū)域管纜調(diào)查方式主要分為三類。

第一類：潛水探摸調(diào)查。具體方法為潛水員攜帶水下定位信標(biāo)對(duì)對(duì)下管纜進(jìn)行目視檢測(cè)，利用水面差分定位系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)進(jìn)行綜合定位方式對(duì)海底管纜進(jìn)行探摸確定管纜的位置和狀態(tài)。常規(guī)的潛水探摸調(diào)查不僅成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，且作業(yè)效率低、受天氣影響很大等眾多局限性并且潛水員的潛水深度局限于500 m水深以內(nèi)。

第二類：ROV或AUV水下作業(yè)，通過ROV或AUV搭載專業(yè)換能器等設(shè)備，由專業(yè)的有資質(zhì)的操作人員操作，同時(shí)要求有DP船支持，專業(yè)設(shè)備成本、人工成本和船舶成本很高，容易受天氣、海底流層的影響，不僅成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，且作業(yè)效率低。

第三類：拖拽設(shè)備作業(yè)，對(duì)輔助設(shè)備如大型門吊、絞車、液壓泵、拖拽電纜等要求苛刻，設(shè)備動(dòng)復(fù)員成本高，作業(yè)中受漁業(yè)干擾嚴(yán)重，對(duì)海底地形起伏較大的工區(qū)中效率更低。

綜上所述，開發(fā)新的有效調(diào)查手段對(duì)深海海底管纜搜尋定位設(shè)備和技術(shù)，獲取狀態(tài)和地層地貌等信息，解決該技術(shù)難題迫在眉睫。

近年來，許多科研機(jī)構(gòu)、院校和勘察單位都在研究新的設(shè)備和技術(shù)用以改進(jìn)常規(guī)的管纜調(diào)查方式。該文通過自主升級(jí)改裝設(shè)備C3D-SBP[7，8]，以深海調(diào)查項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用為研究背景，研究出了一整套適用于100～2000 m的海底管纜調(diào)查和地層地貌綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)和解釋方案，可以替代常規(guī)的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了規(guī)避作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提高了作業(yè)質(zhì)量和效率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，拓展了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的技術(shù)手段，提高了工程勘察質(zhì)量，提升了該領(lǐng)域的技術(shù)水平。

1 C3D-SBP的升級(jí)改造需求分析

1.1 C3D-SBP設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

C3D-SBP系統(tǒng)是Teledyne Benthos公司開發(fā)的新一代深海拖魚，C3D-SBP拖魚系統(tǒng)具有較寬的掃寬，并可以將旁掃、測(cè)深和淺剖數(shù)據(jù)集成在一起，具有較高的作業(yè)效率[9-12]，如圖1所示。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 設(shè)備升級(jí)改造需求分析

針對(duì)深海作業(yè)任務(wù)，現(xiàn)有C3D-SBP設(shè)備具有很多局限性，設(shè)備的軟硬件等不符合作業(yè)要求。因此，基于多樣化的不定海深作業(yè)任務(wù)背景，對(duì)C3D-SBP進(jìn)行升級(jí)改造設(shè)計(jì)，具體作業(yè)需求如下。

（1）通信硬件自主改裝升級(jí)：設(shè)備內(nèi)部現(xiàn)有的通信設(shè)備指標(biāo)和技術(shù)已趨于淘汰，需在C3D-SBP設(shè)備現(xiàn)有的局限性內(nèi)重新設(shè)備的硬件配置。

（2）供電線路自主改裝升級(jí)：根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求，結(jié)合磁力儀設(shè)備的用電需求的實(shí)際情況，需在不影響其他傳感器供電的前提下進(jìn)行電路改裝。

（3）電纜改裝升級(jí)：鑒于C3D-SBP設(shè)備本身的硬件已經(jīng)做了較大改動(dòng)，原配的部分電纜已與其不再匹配，為了適應(yīng)改裝升級(jí)后的C3D-SBP，改裝電纜要求與改裝版的C3D-SBP完全匹配。

（4）軟件源代碼編寫：為確保C3D-SBP設(shè)備的硬件改裝的每個(gè)動(dòng)作的安全可靠，編寫微觀底層硬件的調(diào)試源代碼程序，由于改裝步驟復(fù)雜、改裝所涉及到的傳感器、線路較多，因此需要從新編寫系統(tǒng)源代碼。

（5）將設(shè)備準(zhǔn)確下沉到850 m水深：在拖拽電纜的巨大的牽引力的作用下，絕大多數(shù)類型的設(shè)備的拖體都難以超過500 m，需要對(duì)設(shè)備的尾翼進(jìn)行改裝升級(jí)，將C3D-SBP順利一次性地釋放到800多m水深處。

2 C3D-SBP系統(tǒng)的升級(jí)改造及勘探技術(shù)實(shí)施方案

鑒于實(shí)際作業(yè)要求，除了對(duì)上述技術(shù)需求進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造外，還需考慮作業(yè)過程中各種技術(shù)的調(diào)整及升級(jí)后的技術(shù)后融合，以確保基于多樣化深海作業(yè)任務(wù)的順利完成。C3D-SBP系統(tǒng)的升級(jí)改造及勘探技術(shù)融合設(shè)計(jì)如下。

（1）C3D-SBP設(shè)備通信硬件自主改裝升級(jí)。根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求，結(jié)合C3D-SBP設(shè)備實(shí)際情況，進(jìn)行通信硬件改裝，在自主改裝升級(jí)中注重每個(gè)步驟都進(jìn)行軟件模擬調(diào)試，確保每個(gè)硬件改裝動(dòng)作安全可靠。

基于增加的高度及數(shù)據(jù)、磁力儀數(shù)據(jù)都需要單獨(dú)的通訊端口，所以將原有的MOXA通訊卡升級(jí)，增加至6個(gè)端口，并修改C3D-SBP的VxWorks配置中更新相應(yīng)的TCP/IP定義，并對(duì)6個(gè)端口進(jìn)行單獨(dú)的通訊測(cè)試和綜合測(cè)試。

同時(shí)鑒于原有的工作站只是為了解讀原有的旁掃、淺剖數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，為了避免負(fù)載過重，添加了新的工作站，基于UDP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將新增的高度及數(shù)據(jù)和磁力儀數(shù)據(jù)引導(dǎo)到新的工作站上，在經(jīng)過高頻率的數(shù)據(jù)通訊測(cè)試后，實(shí)現(xiàn)了原有工作站和新增工作站可以同時(shí)工作，達(dá)到了既保留了C3D-SBP原有的技術(shù)功能的同時(shí)，新增了高度計(jì)和磁力儀的數(shù)據(jù)。

為了解決旁掃和淺剖相互干擾設(shè)備自由缺陷，在打開電子艙后將換能器的觸發(fā)版和淺剖換能器的電源電路、接地電路、通訊通道在不影響去電噪音軟件程序的前提下盡量分開，不再共享使用，同時(shí)增加地線的平方數(shù)，將電噪音從硬件基礎(chǔ)上盡量降低。

分析旁掃和淺剖相互干擾的問題根源在聲學(xué)原理上的原因，在軟件上將固定聲速改用實(shí)測(cè)的勝訴剖面，為聲學(xué)測(cè)量奠定基礎(chǔ)，同時(shí)調(diào)整濾波時(shí)限。在硬件上著力從調(diào)整旁掃換能器和淺剖換能器觸發(fā)的頻率，將淺剖的數(shù)據(jù)通道引導(dǎo)到另一臺(tái)新增的工作站上，在旁掃和淺剖直接建立時(shí)差觸發(fā)線，改變以往的同時(shí)同步觸發(fā)，根據(jù)不用的作業(yè)水深，調(diào)整觸發(fā)頻率，改變以往的同時(shí)同頻觸發(fā)，以避免旁掃和淺剖的換能器的發(fā)射波交叉接受。

（2）C3D-SBP設(shè)備供電線路改裝：根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求，結(jié)合磁力儀設(shè)備的用電需求的實(shí)際情況，進(jìn)行供電線路的硬件改裝，在改裝中注重每個(gè)步驟都進(jìn)行測(cè)試，確保每個(gè)硬件改裝動(dòng)作安全可靠，如圖2所示。

（3）電纜改裝：鑒于C3D-SBP設(shè)備本身的硬件已經(jīng)做了較大改動(dòng)，原配的所有電纜都已與其不再匹配，為了適應(yīng)改裝后的C3D-SBP，為了降本增效，取消了原定Teledyne Benthos電纜，通過自主改裝升級(jí)原有的老舊電纜、接頭使其與改裝后的C3D-SBP設(shè)備匹配，如圖3所示。

（4）軟件源代碼設(shè)計(jì)：為確C3D-SBP設(shè)備的硬件改裝的每個(gè)動(dòng)作的安全可靠，設(shè)計(jì)微觀底層硬件的調(diào)試源代碼程序，用來測(cè)試每個(gè)硬件改裝后的單獨(dú)測(cè)試的實(shí)際效果和聯(lián)網(wǎng)后的數(shù)據(jù)測(cè)試。

（5）USBL設(shè)備改裝：考慮到最深的作業(yè)水深達(dá)到850m，為了更加準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行定位作業(yè)，對(duì)Sonardyne RangePro的換能器加裝30度變向換能器，并在軟件中做相應(yīng)的配置調(diào)整。USBL設(shè)備改裝：由于USBL換能器設(shè)計(jì)的物理規(guī)格，市場(chǎng)上通用的USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)的聲學(xué)覆蓋范圍大都向下，主瓣能量大都在船只（換能器）的下方，因此對(duì)于長(zhǎng)距離的水平跟蹤無法有效進(jìn)行。為了解決這個(gè)問題，我們對(duì)Sonardyne RangerPro USBL的換能器加裝了一個(gè)30度的傾斜適配器，這樣就能夠?qū)Q能器的主瓣能量覆蓋范圍向船的垂直后方偏移了30度，并在軟件中進(jìn)行了這個(gè)角度的修正，這就保證了我們?cè)谒?50 m的情況下，拖曳斜距在5000 m時(shí)能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確可到的定位作業(yè)，從而保證了資料的解析準(zhǔn)確性。

（6）培訓(xùn)：經(jīng)過自主改裝升級(jí)后，C3D-SBP設(shè)備已經(jīng)較原版的設(shè)備技術(shù)狀況提高很多，作業(yè)使用的方式方法也截然不同，未經(jīng)過原廠家的技術(shù)指導(dǎo)，也沒有現(xiàn)成的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)或使用操作手冊(cè)等資源可用，還要結(jié)合改裝版的USBL設(shè)備、DT-Marine電動(dòng)絞車等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)作業(yè)，鑒于此種現(xiàn)況，特別著重了培訓(xùn)，對(duì)每個(gè)軟硬件的原理、技術(shù)要領(lǐng)、操作使用的注意事項(xiàng)、安全注意事項(xiàng)等進(jìn)行培訓(xùn)。

（7）原始資料的融合及處理：把精確測(cè)量的平臺(tái)位置實(shí)際的繪制到CAD軟件中，把判讀完的原始調(diào)查資料嵌入到CAD軟件中。在判讀資料量取判讀的特征點(diǎn)距離R0，量取實(shí)際特征點(diǎn)的距離R，確定縮放比例因子K=R0/R。把判讀影響按縮放因子進(jìn)行縮放，把原始資料融合到實(shí)際位置，如圖4所示。

（8）原始資料分析顯示。對(duì)鑲嵌到實(shí)際位置的原始資料進(jìn)行分析，顯示出管纜的實(shí)際位置及地層其地貌情況，如圖5所示。

①航跡及姿態(tài)數(shù)據(jù)處理控制。處理過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況平滑拖體航跡，使鑲嵌圖頻與頻之間圖像均勻過渡，避免出現(xiàn)雜亂的mosaic圖。

②海底跟蹤控制。設(shè)置跟蹤范圍，檢查實(shí)測(cè)海底高度是否準(zhǔn)確，如不準(zhǔn)確，選用振幅、梯度等檢測(cè)方式，或用人工干預(yù)方式對(duì)海底進(jìn)行跟蹤，確保海底跟蹤準(zhǔn)確，克服圖像記錄中的橫向失真。

③圖像灰度及對(duì)比度控制。調(diào)節(jié)時(shí)變?cè)鲆鎸?duì)來自不同距離的反射點(diǎn)的回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)節(jié)灰度及對(duì)比度使圖像灰度適中，目標(biāo)物清晰易辨。

④進(jìn)行斜距改正和地理編碼。將每個(gè)頻都?xì)w算到實(shí)際海底位置，從而能直接在地貌圖上判讀海底反射信息及坐標(biāo)。

3 升級(jí)改造后C3D-SBP系統(tǒng)的工程應(yīng)用與分析

自2014年初以來，自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP已經(jīng)成功應(yīng)用于中海石油（中國）有限公司深圳分公司的多項(xiàng)深?？碧焦こ添?xiàng)目，作業(yè)效果良好，得到了眾多領(lǐng)導(dǎo)和專家的認(rèn)可與好評(píng)。目前正在推廣應(yīng)用南海的深水調(diào)查項(xiàng)目，特別是更深的水深范圍1000 m～2000 m的作業(yè)區(qū)域。

升級(jí)改造后的C3D-SBP設(shè)備突破了調(diào)查成本高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)效率低、受天氣影響大等一系列局限性，在解決了設(shè)備自有的旁掃和淺剖相互干擾的缺陷，保留了設(shè)備原有的技術(shù)功能的同時(shí)，還新增了深海海底管纜和海底管線和海底光纜纜搜尋定位的功能，并開發(fā)出了結(jié)合地貌、地層剖面調(diào)查、溫度、鹽度綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)和解釋方案，研發(fā)出一套完整的深海勘探創(chuàng)新技術(shù)體系，在國內(nèi)此領(lǐng)域的技術(shù)處于領(lǐng)先水平。

自從自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP成功投入到深水調(diào)查工程項(xiàng)目應(yīng)用中以來，節(jié)省了以往應(yīng)用深拖Edgetech DT-1的大量設(shè)備動(dòng)復(fù)員的時(shí)間和成本，在惡劣海況的有限時(shí)間間隙內(nèi)完成了施工，提高了海洋工程勘察技術(shù)水平和工作效率，為整個(gè)工程設(shè)計(jì)和后繼平臺(tái)的就位和施工提供了安全保障，同時(shí)也創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 升級(jí)改造后的C3D-SBP系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新

（1）建立了完整的深?？碧郊夹g(shù)體系：通過對(duì)C3D-SBP的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、工作原理，特別是電子艙的以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行研究，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)釋放、采集等操作流程，建立了完整的深海勘探技術(shù)體系。

（2）提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量：通過對(duì)C3D-SB設(shè)備的電子艙的數(shù)據(jù)采集接口、Responder接口的改裝，集成DT-marine 10015電動(dòng)絞車、SeaSpy磁力儀和USBL深水定位數(shù)據(jù)和GPS水面定位數(shù)據(jù)，分析采集數(shù)據(jù)文件的記錄格式和內(nèi)容，根據(jù)信號(hào)采集質(zhì)量料判別采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，合理調(diào)整釋放深度提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（3）良好的數(shù)據(jù)處理與分析效果：通過如圖6所示方法對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把原始波形信號(hào)和解釋成果嵌入到常用軟件中，直接得出深海海底光纜的實(shí)際位置及其周圍地貌情況。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益：目前中海石油（中國）有限公司正在使用自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，預(yù)計(jì)全年可為南海作業(yè)船只增加直接產(chǎn)值3000萬元。

2）間接經(jīng)濟(jì)效益：使用自主改裝升級(jí)版C3D-SBP進(jìn)項(xiàng)深水項(xiàng)目調(diào)查，規(guī)避了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、大大縮短了作業(yè)工期、提高了作業(yè)效率、提高了作業(yè)質(zhì)量，大大減少了作業(yè)人數(shù)，有效的降低了生產(chǎn)成本，擴(kuò)大了該設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，為后期億元項(xiàng)目實(shí)施提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

基于深海海底管纜搜索定位及海底地貌底層勘探任務(wù)需求，該文通過分析深海勘探設(shè)備C3D-SBP升級(jí)改造需求，研發(fā)設(shè)計(jì)出一套C3D-SBP設(shè)備升級(jí)改造方案，并建立了一整套適用于深海海底管纜調(diào)查和地層貌底綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案。升級(jí)改造后的C3D-SBP設(shè)備及相關(guān)技術(shù)提高了作業(yè)質(zhì)量和效率和降低了生產(chǎn)成本，提出了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的創(chuàng)新性技術(shù)手段，提升了在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，為該技術(shù)應(yīng)用與推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

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