湯 鐘，邵 浩，張 斌

（1.中國人民解放軍 91039部隊，北京 102401；2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110169）

0 引言

海底通訊電纜是用絕緣材料包裹的導(dǎo)線，鋪設(shè)在海底用來實現(xiàn)國家之間的電信傳輸。首批海底通訊電纜提供電報通訊，后來開始引入電話通訊和互聯(lián)網(wǎng)通訊，而現(xiàn)代的光纜還使用了光纖技術(shù)，因此被稱為海底光纜。自從1985年海底光纜誕生以來，海底光纜建設(shè)遍布全世界[1]。目前海底光纜系統(tǒng)已成為國際跨海、洲際通訊的主要方式，也是島嶼和大陸之間信息傳遞的重要途徑。海底光纜載量大、可靠性高、傳輸質(zhì)量高，在軍事和民用通訊方面發(fā)揮重要作用，尤其是在國際通訊方面[2]，具有不可替代的地位。但自其誕生之日起，海底通信就面臨著各種威脅和挑戰(zhàn)，海底光纜系統(tǒng)經(jīng)常遭受漁網(wǎng)、魚鉤、鐵錨等鉤抓，發(fā)生彎曲、變形甚至斷裂，導(dǎo)致海底光纜系統(tǒng)通訊阻塞，造成巨大經(jīng)濟損失[3]。海底光纜的修復(fù)難度甚至高于鋪設(shè)的過程。淺海區(qū)域還可借助人工來完成檢測及簡單修復(fù)，要從深達(dá)幾百米甚至幾千米的海床上找到直徑不到10 cm的損壞光纜，就如同大海撈針。目前，對海底光纜進(jìn)行斷點定位和維修仍是非常困難的技術(shù)問題。

1 海底光纜檢測技術(shù)研究背景

1.1 海底光纜損壞原因及損壞情況

1.1.1 海底光纜損壞原因

造成海底光纜損壞的因素可分為2類：一類是人為因素，諸如漁業(yè)活動、船只拋錨等；另一類是自然災(zāi)害，包括地震和海嘯等。人類活動是海底光纜損壞的主要因素[4]，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖及漁業(yè)活動、船舶拋錨（見圖 1）、海洋工程等因素造成的光纜損壞占全部光纜損壞的95%左右。近年來，隨著海洋的深度開發(fā)，海上活動愈加頻繁，人類活動對海底光纜安全運營的威脅越來越大，尤其是被船錨破壞的頻率越來越高。2009年12月，舟山定海澳頭水道的海底光纜斷裂；2010年7月，煙臺長島海底光纜斷裂。由于地震造成的光纜、電纜破壞居于次要地位，但歷史上也曾多次發(fā)生。紐芬蘭地震和我國南海地震均對海底光纜造成毀滅性破壞，如：2006年臺灣地區(qū)發(fā)生的強震造成了多條國際海底光纜受損、甚至中斷；2011年日本地區(qū)發(fā)生的強震，也導(dǎo)致海底光纜的通訊中斷。地震影響海底光纜的主要因素為崩塌、滑坡、錯位。從印度洋地震破壞來看，強烈的地面運動和海嘯對敷設(shè)與海床的海底光纜影響很小，但海嘯嚴(yán)重影響海底光纜的登陸段[5]。

圖1 人類活動對海底光纜造成的破壞示意圖Fig.1 Damage of submarine optical cable caused by human activities

1.1.2 海底光纜損壞情況分析

通常情況下，拋錨能夠破壞海底光纜的絕緣層、電導(dǎo)體、光纖，甚至完全切斷海底光纜，進(jìn)而引起絕緣失效、電路損壞、光纖失效甚至光纜斷裂。根據(jù)1995年11月至2002年1月間由拋錨導(dǎo)致48次海底光纜損壞統(tǒng)計：絕緣失效和電路損壞26起，占比54%；光纖損壞14起，占比29%；海纜斷裂8起，占比17%。與此同時，1994年4月至2006年3月發(fā)生在東海的拋錨損纜數(shù)據(jù)，同樣支持上述結(jié)論?？傮w來說，絕緣失效和電路損壞占主導(dǎo)，占到光纜損壞的66%，光纖損壞占27%，海纜斷裂占7%。統(tǒng)計結(jié)果表明，拋錨主要導(dǎo)致海纜絕緣失效、電路損壞和光纖損壞[6]。

1.2 海底光纜的維修

首先，對損壞的海底光纜進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果，可初步確定海底光纜的狀態(tài)和大致?lián)p壞位置，制定維修方案；其次，打撈海底光纜，根據(jù)打撈方案，使用海纜敷設(shè)船在靠近斷點附近打撈回收海底光纜，處理斷點兩端，系上標(biāo)記；隨后，清掃維修段海底路由，找到合適維修和掩埋布設(shè)路由。完成上述操作后，海底光纜重新接通；打撈出水的海底光纜被連接起來，并做好絕緣處理；測試正常后，完成第一次接通。隨后，維修段運至預(yù)期埋設(shè)點，轉(zhuǎn)運至埋設(shè)機準(zhǔn)備埋設(shè)；接著，進(jìn)行第二次接通測試；最后，使用水下機器人對海底光纜斷點兩端進(jìn)行測試；測試正常后，兩端托起光纜，敷設(shè)船進(jìn)行敷設(shè)施工，完成光纜維修。

在整個維修過程中，測量斷點位置并精確定位斷點位置是一個關(guān)鍵技術(shù)。定位斷點包括測試斷點距離近岸距離和準(zhǔn)確定位斷點位置2個方面。

1.3 確認(rèn)海底光纜斷點位置

在岸上確定光纜斷點的方法有多種，常用的方法包括光時域反射計測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、在線監(jiān)測法等。光時域反射計測試法，利用瑞利散射原理，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可判斷出斷點距離，并與原始記錄進(jìn)行比較，可在海圖上大致確定斷點的經(jīng)緯度。方便的做法是將斷點坐標(biāo)標(biāo)注在海底光纜施工圖上，同時標(biāo)注相應(yīng)的打撈區(qū)域，確定打撈位置、打撈路徑及其他打撈標(biāo)志。但是，由于裸露段光纜被海水沖刷，相對施工位置有較大偏移，導(dǎo)致通過比對斷點距離和施工圖紙準(zhǔn)確確定斷點位置的可能性很小。

1.4 海底光纜檢測方法

近年來，隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展，聲吶提供了一種經(jīng)濟有效的海底光纜維修手段。使用聲吶，可探測海底光纜在海床的裸露段，測量掩埋深度，確定光纜位置，檢測光纜在海床狀態(tài)，調(diào)查布設(shè)區(qū)海床地形地貌等，如圖2所示。與此同時，海底光纜水下機器人巡檢、維修技術(shù)也得到快速發(fā)展。通過潛水員和作業(yè)船進(jìn)行海底光纜檢測、打撈的方法，逐漸被水下機器人作業(yè)取代。由于在工作深度、探測范圍、連續(xù)工作時間等方面的優(yōu)勢，水下機器人探測技術(shù)突破了深度、潛水員工作時間和環(huán)境要求、作業(yè)船低效率拖曳等瓶頸，在深水區(qū)海底光纜檢測、維護(hù)方面已完全取代潛水員和船只拖曳作業(yè)模式。

圖2 聲吶工作原理和海底光纜檢測示意圖Fig.2 Sonar’s working principle and inspection of submarine optical cable

1.4.1 海底光纜水下機器人檢測技術(shù)

水下機器人用于海底光纜巡檢時，首先使用AUV對海纜布設(shè)區(qū)域進(jìn)行掃測，找到光纜斷點位置。然后使用ROV輔助打撈作業(yè)，吹除泥沙暴露光纜，使用機械手剪斷光纜，抓取光纜帶到海面。與此同時，水下機器人將無線信號收發(fā)器放置光纜斷點位置，以便后續(xù)維修時連接使用。通過信號收發(fā)器提供的位置，將光纜另一端打撈出水。在工作母船上，用相應(yīng)裝置連接光纜兩端，使用近端登陸站信號進(jìn)行檢測，確定光纜故障端。切除故障部分，進(jìn)行重新接通，進(jìn)行信號測試，通訊正常后，按程序進(jìn)行水下重新布設(shè)[7]。

通過以上分析可以看出，水下機器人技術(shù)解決了我國海底光纜打撈的重大難題，即工作深度的限制、定位精度和檢測效率問題。水下機器人工作深度不受限制，可以根據(jù)巡檢作業(yè)要求設(shè)計不同工作深度的 AUV。機器人技術(shù)代替人工作業(yè)，可避免潛水員生命危險，大大提高工作效率。通過纜線跟蹤技術(shù)，探測傳感器可獲取更多穩(wěn)定的探測效果，取得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。AUV可在廣闊范圍內(nèi)，以極高的效率、極低的花費，實現(xiàn)管線目標(biāo)的連續(xù)跟蹤探測。因此，水下機器人在海底光纜檢測、維修方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

1.4.2 海底光纜無人艇檢測技術(shù)

除了使用水下機器人進(jìn)行海底光纜巡檢外，無人艇在水下管線自動檢測方面也展現(xiàn)出極大潛能。無人艇是集成多傳感器的智能化設(shè)備，通過傳感器獲取海底管線狀態(tài)，自動、經(jīng)濟地完成管線檢測。其體積小、質(zhì)量小、吃水淺，且無需人員隨艇作業(yè)，非常適合執(zhí)行淺水區(qū)域（如海島礁周邊、灘涂區(qū)、潮間帶等）海底光纜檢測任務(wù)[8]。2019年，裝載多波束測深儀的M40型無人艇完成了海底石油管線檢測，發(fā)現(xiàn)總長超過1 000 m的7處暴露段。2019年9月，XOCEAN使用XO-450型和MBES型管線檢測無人艇在英格蘭東海岸和德國沿岸開展了管線檢測。2019年3月，搭載側(cè)掃聲吶的 TC40型無人艇用于長江流域排污管道檢測。

2 海底光纜無人自動檢測發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外海底光纜無人檢測機器人正快速發(fā)展，技術(shù)已較為成熟。成立于1936年的法國ECA公司，已供貨軍用和民工水下潛艇。早在1980年，公司設(shè)計了第一代無人水下自動無人艇（ALISTAR 3000 AUV），用于海底管線檢測。隨后又發(fā)展出A18TD和A18D型產(chǎn)品。工作深度覆蓋20～3 000 m，連續(xù)工作時間可達(dá)12 h，巡航速度3 kn。能夠攜帶多種傳感器，如側(cè)掃聲吶、多波束測量裝置、淺地層剖面儀及其他便攜型傳感器。

A18TD工作水深20～3 000 m，相對第一代產(chǎn)品，續(xù)航能力提高一倍，達(dá)到24 h，巡航速度3 kn，右舷可搭載右視合成孔徑聲吶、多波束測量設(shè)備、攝像機；左側(cè)可搭載左視合成孔徑聲吶、濁度計、熒光計、甲烷傳感器等。A18D工作水深 5～3 000 m，3 kn航速下可續(xù)航24 h，可搭載側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、淺地層剖面儀、前視聲吶、溫鹽深剖面儀及其它海洋環(huán)境測量傳感器。

挪威 CC公司研制的 HUGIN管線檢測 AUV可搭載多波束聲吶（Kongsberg EM 2040）、側(cè)掃聲吶（EdgeTech 120/410 kHz）、淺地層剖面儀（EdgeTech 1～6 kHz）、高分辨率水下相機、溫鹽深剖面儀等設(shè)備。除了傳統(tǒng)傳感器，德國Ilmenau大學(xué)研制的AUV還可搭載磁場探測陣列。

休斯頓機械電子公司稱其研制的 Aquanaut水下機器人是世界首款雙模機器人，具有水下變形重組能力。通常來講，傳統(tǒng)的水下無人航行器可分為2類：一類是魚雷型自航航行器，另一類是用于業(yè)務(wù)化測量偵察的滑翔型航行器。Aquanaut機器人兼具兩者優(yōu)勢，在執(zhí)行長航程任務(wù)時，是一個魚雷型機器人，具有長距離探測海底管線的能力，使用鋰電池時其續(xù)航能力可超過200 km。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)一些研究所涉足AUV自動監(jiān)測海底管線研究領(lǐng)域。大部分研究僅依靠單一傳感器，如水下相機、低照度相機、前視聲吶等，在水池開展實驗，還不具備獨立探測海底管線的技術(shù)。海底光纜自動檢測，在國內(nèi)還有很大發(fā)展空間。中國海洋大學(xué)研制的“藍(lán)鯨”海纜檢測機器人已初具能力，實現(xiàn)了精確導(dǎo)航、實時觀測、智能航行、靈活自適應(yīng)跟蹤等功能。在此基礎(chǔ)上，“藍(lán)鯨”可進(jìn)一步升級，加裝高精度設(shè)備，提高海纜檢測精度，進(jìn)行模塊化設(shè)計，根據(jù)檢測目標(biāo)定制針對性設(shè)備，實現(xiàn)機器人的多功能擴展。浙江啟明電力集團公司研制的“啟明”海底光纜維修機器人，能夠準(zhǔn)確快速定位光纜斷點，大大縮短搜尋時間。能夠安全、高效完成附屬設(shè)施的打撈，并在修理完畢后進(jìn)行布設(shè)。此外，該AUV還可搭載更多設(shè)備，完成多種水下作業(yè)。中信重工機械股份有限公司研制的 KC-ROV水下機器人，可加載聲吶探測設(shè)備，實現(xiàn)大范圍、長距離探測，最大作業(yè)深度300 m，最遠(yuǎn)探測距離120 m。中科院研制的“遠(yuǎn)征2號”水下機器人，搭載了高低頻合成孔徑聲吶，能夠同時工作在高低頻段，比其他聲吶技術(shù)更適合海底管線探測。低頻具有一定穿透能力，能夠探測掩埋管線目標(biāo)，探測掩埋深度可達(dá)2 m，具有較強的探測效能，探測效果如圖3所示。

圖3 無人潛航器檢測掩埋光纜目標(biāo)Fig.3 Inspection of the buried underwater cable by AUV

3 結(jié)束語

長期以來，海底光纜屢遭破壞，導(dǎo)致海底光纜系統(tǒng)通訊阻塞，造成巨大經(jīng)濟損失。維護(hù)損壞的海底光纜，首先需要快速準(zhǔn)確地定位光纜損壞段，斷點的快速檢測和精確定位是一個重要問題。隨著水下無人技術(shù)的發(fā)展，為海底光纜檢測提供了一種有效手段，通過多平臺多傳感器的搭配使用，可逐步實現(xiàn)光纜斷點的三維檢測和精確定位。

在無人艇加裝高、低頻合成孔徑聲吶、多波束聲吶及其它長距離探測設(shè)備，可實現(xiàn)海底以上200 m內(nèi)的快速大范圍探測，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，獲取海底光纜的位置信息，引導(dǎo)AUV設(shè)備進(jìn)行抵近探測。AUV設(shè)備上搭載的探測設(shè)備，如磁探陣列、高分辨率水下相機、激光掃描儀等，探測精度較高，但探測范圍有限。在領(lǐng)受任務(wù)后，AUV航行到相關(guān)區(qū)域，在固定高度（如距底5 m）進(jìn)一步獲取目標(biāo)的精確位置、尺寸、磁特征、損壞狀況等信息。因此，使用水下無人裝備開展海底纜線的智能化自動檢測，實現(xiàn)海底纜線的高效探測、準(zhǔn)確識別，是未來的發(fā)展趨勢和應(yīng)用方向之一。