陳 帥，俞金林，王靖凱，劉國增

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

中國南海是孤立內(nèi)波十分活躍的海區(qū)，在該海區(qū)內(nèi)作業(yè)的動力定位船舶易受孤立內(nèi)波的影響，存在極大的安全隱患。對此，本文介紹南海孤立內(nèi)波的基本特點及其對動力定位船舶作業(yè)的影響，結(jié)合多年應(yīng)對內(nèi)波流作業(yè)的經(jīng)驗總結(jié)出應(yīng)對措施，供動力定位船舶和項目施工人員參考。

1 南海北部孤立內(nèi)波基本特征

1.1 孤立內(nèi)波的含義

孤立內(nèi)波是發(fā)生在層化海洋內(nèi)部的一種高能量非線性波動，孤立內(nèi)波產(chǎn)生之后可攜帶巨大的能量，并將其傳播至很遠(yuǎn)的地方（見圖1）。孤立內(nèi)波在層化海洋內(nèi)部傳播過程中會產(chǎn)生很強的波致剪切流，上層海洋海流和下層海洋海流的垂向速度會在短時間內(nèi)急劇增大，上層海洋海流的流向基本上與孤立內(nèi)波的傳播方向保持一致，而下層海洋海流的流向則與孤立內(nèi)波的傳播方向相反。由于海洋內(nèi)部的層化不同，波致流在不同水層的強弱不同，波致流的流速在海洋混合層和溫躍層界面處最大。

圖1 孤立內(nèi)波結(jié)構(gòu)示意

1.2 孤立內(nèi)波的特征參數(shù)

孤立內(nèi)波傳播過程中，其波形特征會受地形和海洋層結(jié)的影響，在不同海域觀測的孤立內(nèi)波具有完全不同的特征參數(shù)。亞洲季風(fēng)試驗期間定點的溫度和海流觀測結(jié)果揭示了南海北部東沙島附近孤立內(nèi)波的特征，觀測到孤立內(nèi)波最大振幅約為200m，波致流速可達(dá)2m/s，周期為10～27min，孤立內(nèi)波的波包大致24h 出現(xiàn)一次。在呂宋口產(chǎn)生的孤立內(nèi)波會沿東西方向向南海和西太平洋傳播，在傳播過程中因具有非線性效應(yīng)，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。監(jiān)測海域孤立內(nèi)波的傳播速度一般為1.6～2.0m/s，對于單個孤立內(nèi)波而言，其波長為0.5～4.0km，傳播方向為270°～300°。圖2 為通過衛(wèi)星觀測的南?；×?nèi)波圖像。

1.3 南海北部孤立內(nèi)波的分布

南海北部是一個孤立內(nèi)波十分活躍的海區(qū)。早在20世紀(jì)70年代就從衛(wèi)星圖像中發(fā)現(xiàn)東沙群島附近存在著孤立內(nèi)波，但直到20世紀(jì)90年代相關(guān)研究才得到重視。由現(xiàn)場觀測資料和衛(wèi)星遙感資料可知，南海北部為南海孤立內(nèi)波的主要生成和傳播區(qū)域，每年正壓潮經(jīng)過呂宋口東西兩側(cè)海脊時會產(chǎn)生大量的孤立內(nèi)波，按270°～300°的方向傳播，在傳播過程中因具有非線性效應(yīng)，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。南海陸架、海南島周邊海域和中南半島周邊海域均有孤立內(nèi)波分布，但受南海北部大陸架分布特點的影響，內(nèi)波流強度最大、影響時間最長的區(qū)域還是南海東北部、呂宋口以西海域。

圖2 通過衛(wèi)星觀測的南海孤立內(nèi)波圖像

2 南海孤立內(nèi)波對動力定位船舶作業(yè)的影響

隨著國家深水戰(zhàn)略總體布局的不斷推進(jìn)，南海海上油氣田的開發(fā)力度逐漸增大，各類油氣田相關(guān)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)需求逐漸增多。作為油氣田及水下設(shè)施建設(shè)和維護(hù)的重要平臺，動力定位船舶發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2.1 動力定位船舶作業(yè)原理

動力定位船舶的基本原理是：利用船舶的各類傳感器、羅經(jīng)和位置參考單元，通過卡爾曼濾波器（Kalman Filter）收集船舶的運動狀態(tài)、位置變化情況、環(huán)境風(fēng)力的大小和方向，通過動力定位控制器構(gòu)建船舶數(shù)學(xué)模型，根據(jù)計算結(jié)果控制各推進(jìn)裝置輸出適當(dāng)?shù)耐屏土?，以抵消環(huán)境擾動力，控制船舶水平橫向、縱向和艏向等3 個自由度的運動，從而使其保持目標(biāo)船位和艏向。動力定位船舶普遍應(yīng)用于水下設(shè)備設(shè)施安裝維護(hù)回收工程、地質(zhì)調(diào)查勘探工程和打撈工程等各類海上施工作業(yè)中。動力定位船舶的海上定位精度和定位能力是其順利完成各項深海作業(yè)的保證，同時也是影響其作業(yè)質(zhì)量和安全性的主要因素。

2.2 孤立內(nèi)波對動力定位船舶作業(yè)的影響

基于動力定位工作原理，要想得到良好的定位精度，除了需配備各類高精度的傳感器和位置參考系統(tǒng)以外，還需重點考慮外界作業(yè)環(huán)境是否穩(wěn)定。動力定位流是系統(tǒng)計算出的船舶所受風(fēng)力影響以外的其他外力的合力的方向和大小。由于動力定位系統(tǒng)采用的是“記風(fēng)不記流”的模式，其對水流的變化的反應(yīng)存在一定的滯后性。當(dāng)船舶遭遇孤立內(nèi)波時，流向和流速會突變，造成船舶失位和艏向發(fā)生偏差；同時，動力定位系統(tǒng)為使船舶盡快回到初始船位，會控制各推進(jìn)裝置增大輸出功率和改變輸出方向，由此帶來的是各配電板上的負(fù)荷急劇增大，甚至?xí)雇七M(jìn)裝置或電力系統(tǒng)過載，造成推進(jìn)裝置停車或黑電。

鑒于以上情況，環(huán)境因素變化越小，建立的數(shù)學(xué)模型越穩(wěn)定和精確，越能精準(zhǔn)控制船舶推進(jìn)裝置的輸出，使船舶保持穩(wěn)定的船位和艏向。由此可看出，孤立內(nèi)波對動力定位船舶作業(yè)的影響是不可忽略的。曾經(jīng)就有動力定位船舶在進(jìn)行飽和潛水支持作業(yè)期間因受強內(nèi)波流侵襲而嚴(yán)重失位，致使一名飽和潛水員的臍帶纜直接被拉斷。

2.3 孤立內(nèi)波觀測和預(yù)警措施

為減小孤立內(nèi)波對船舶作業(yè)安全的影響，提前發(fā)現(xiàn)并采取有效的應(yīng)對措施尤為重要。目前已知的觀測方式主要有目測法、雷達(dá)觀測和監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)等3種。

1) 目測法：在駕駛臺進(jìn)行無間斷瞭望（白天），從遠(yuǎn)處觀察像一條細(xì)線，靠近之后可觀察到其表面有明顯的細(xì)碎波紋，在海面呈暗色帶狀分布（見圖3）。

圖3 海上孤立內(nèi)波觀測圖

2) 雷達(dá)觀測：在天氣良好時放大X 波段（3cm）雷達(dá)的增益，適當(dāng)減小抑制，可明顯觀測到帶狀回波（見圖4），可探測出孤立內(nèi)波的移動方向和相對的強度（速度）。

3) 監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)：考慮到深海作業(yè)水域離岸較遠(yuǎn)，同時便于進(jìn)行長期定點觀測，可考慮布設(shè)監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)作為長期的觀測平臺，通過攜帶的聲學(xué)多普勒海流計采集各水層海流剖面的水溫數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均通過衛(wèi)星實時傳輸給陸地監(jiān)控站，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出內(nèi)波流的強度和傳播方向。

圖4 X波段雷達(dá)孤立內(nèi)波觀測圖

3 孤立內(nèi)波影響海域作業(yè)前的準(zhǔn)備工作

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)情況，盡量調(diào)整艏向在內(nèi)波流主流方向上，確保船舶有足夠的動力應(yīng)對。保持駕駛臺值班人員對周圍海域進(jìn)行不間斷的目測和雷達(dá)警戒；機艙值班輪機員和電機員隨時準(zhǔn)備應(yīng)對可能出現(xiàn)的推進(jìn)器和配電板過載問題，及時復(fù)位各相關(guān)設(shè)備，必要時可啟動其他發(fā)電機組并使其在線，保證配電板上的電力供應(yīng)冗余。

在正式作業(yè)之前，針對內(nèi)波流造成船舶失位的情況制訂應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案，并針對該預(yù)案進(jìn)行船舶失位模擬演練，提高各相關(guān)作業(yè)部門的協(xié)同應(yīng)急反應(yīng)能力。

4 船舶作業(yè)期間遭遇內(nèi)波流沖擊的應(yīng)對措施

向相關(guān)作業(yè)方發(fā)出預(yù)警，按應(yīng)急預(yù)案和需求下放絞車鋼纜或吊機鋼纜，若水下有遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）或飽和潛水員作業(yè)，應(yīng)立即通知ROV 回臍帶纜控制系統(tǒng)和潛水員回潛鐘待命，確保水下設(shè)備和人員安全。

迅速調(diào)整艏向，盡可能地使其在內(nèi)波流主流方向上，避免船舶側(cè)面受孤立內(nèi)波沖擊；立即啟用“QUICK MODE”（快速反應(yīng)）模式，使動力定位中央處理器能在短時間內(nèi)建立數(shù)學(xué)模型，快速響應(yīng)船舶在水平橫向、縱向和艏搖等3 個自由度的變化，更合理地控制各推進(jìn)裝置的輸出，在確保安全的情況下，增大動力定位系統(tǒng)設(shè)置的角速度和移動速度，盡可能地保持目標(biāo)船位和艏向。在靠近半潛式平臺或儲油船作業(yè)時，應(yīng)在保證安全的情況盡量與其保持一定的距離，并時刻關(guān)注相對位置的變化情況。

5 遭遇內(nèi)波流沖擊的應(yīng)對實例

某DP2 級錨系作業(yè)工程船配置有2臺7600kW 主機、4臺2880kW 發(fā)電機組、2臺艉部可變螺距螺旋槳推進(jìn)器、2臺艉部側(cè)推器、1臺艏部伸縮式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置和2臺艏部側(cè)推器，在對某半潛式平臺錨腿鋼纜進(jìn)行更換時，距離該半潛平臺50m，利用船舶吊機和錨系絞車與其進(jìn)行錨鏈傳遞，遭遇到了流向為300°、流速為3.3kn 的內(nèi)波流的強烈沖擊，按應(yīng)急預(yù)案立即開啟動力定位系統(tǒng)“快速反應(yīng)模式”，同時向各部門發(fā)出報警，調(diào)整艏向，避免船舶側(cè)面受到內(nèi)波流的沖擊，錨系絞車及吊機操作員及時下放絞車和吊機鋼纜，水下機器人返回臍帶纜控制系統(tǒng)，同時觀察半潛式平臺的偏蕩方向，控制船體與平臺保持橫向安全距離向下流漂移，船舶漂移13.3m，船舶電力控制配電站負(fù)荷達(dá)到98%，前后側(cè)推器負(fù)荷達(dá)到100%，由于采取的措施得當(dāng)，未影響項目施工設(shè)施、作業(yè)工程船和半潛式平臺的安全。

6 結(jié) 語

作為動力定位工程船的從業(yè)者，應(yīng)熟悉影響船舶動力定位系統(tǒng)精度的各種因素及正確的應(yīng)對措施，以確保船舶安全、高效地完成航行和作業(yè)任務(wù)。南海北部海區(qū)油氣田各類設(shè)施分布密集，相應(yīng)的水下作業(yè)項目較多，該區(qū)域的孤立內(nèi)波是動力定位工程船作業(yè)過程中不可忽視的安全性影響因素。掌握預(yù)防和應(yīng)對孤立內(nèi)波的措施，是相關(guān)從業(yè)人員需不斷研究的課題。