吳承東，朱小毅，陳全勝，趙帥博，李棟

（1.防災科技學院，河北 廊坊 065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京 102628；3.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；4.天津天元海科技開發(fā)有限公司，天津 301800）

中國海洋面積廣闊[1]，海域自北向南由渤海、黃海、東海以及南海4 個海區(qū)組成，距離海岸較近，蘊含著豐富的能源與生物資源[2]。目前的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集有多種方式，如遙感衛(wèi)星、沿岸監(jiān)測站、監(jiān)測浮標等[3]。每種監(jiān)測方式各有優(yōu)勢和劣勢：遙感衛(wèi)星范圍廣，但是造價高，精度低；沿岸監(jiān)測具有采集數(shù)據(jù)準確度高的優(yōu)勢，但是布置煩瑣，受地點局限性大；而監(jiān)測浮標造價低，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，是研究海洋的重要工具之一，但監(jiān)測浮標需根據(jù)投放地點的海況設(shè)計，投放和回收具有一定難度[4]。

1 海洋地震觀測的重要性

1.1 原位觀測，數(shù)據(jù)準確可靠

環(huán)太平洋火山地震帶、歐亞地震帶、洋脊地震帶這三大地震帶中，環(huán)太平洋火山地震帶大部、洋脊地震帶幾乎全部位于海洋上。海洋地震觀測浮標平臺可部署在海洋上地震帶位置，觀測數(shù)據(jù)更準確可靠。

1.2 實時傳輸，服務(wù)海嘯預警

海洋地震發(fā)生后，海洋地震觀測浮標平臺可以第一時間監(jiān)測到部署位置發(fā)生地震并提供海嘯預警，通過傳輸鏈路實時傳輸?shù)桨痘?wù)器，給海嘯應對提供充足的時間。部分國內(nèi)外研發(fā)的地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)及其應用情況如表1 所示。

表1 國內(nèi)外地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)

2 三錨地震浮標設(shè)計

三錨地震浮標為海洋信息監(jiān)測浮標，包括主浮標1臺（直徑為6 m）、中間浮子3 臺（直徑為2.4 m，呈120°均布）、中間小浮子6 臺（直徑為1 m）、Φ42 mm有擋錨鏈3 組、重力錨3 組（5 t）、丹福爾錨3 組（500 kg）、地震儀1 臺、鎧裝纜小浮子及配重1 組。效果如圖1 所示。

圖1 三錨地震浮標整體布配效果圖

三錨地震浮標系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2 所示，各系統(tǒng)介紹如下。

圖2 三錨地震浮標系統(tǒng)設(shè)計圖

主浮標（6 m）：由浮體組件、燈架組件、護身圈組件、航標燈器、頂標組件、避雷針組件、天線組件、太陽能板組件（100 W，18 塊）及其他設(shè)備組成；直徑6 m，高5.64 m；浮體主要材質(zhì)是CCSB 船板，燈架主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯和鍍鋅碳鋼。如圖2（a）所示。

中間浮子（2.4 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件、燈架組件、航標燈器組成；直徑2.4 m，高3.3 m；主要材質(zhì)是CCSB 船板。如圖2（b）所示。

中間小浮子（1 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成；直徑1 m，高0.8 m；主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯、閉水型聚氨酯、骨架組件（316L、碳鋼）。如圖2（c）所示。

鎧裝線纜組件：由鎧裝線纜、小浮子1 組、小配重1 組、重力錨1 組組成；小浮子直徑0.6 m，高0.8 m；主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯；小配重質(zhì)量50 kg，重力錨質(zhì)量300 kg。如圖2（d）所示。

錨泊系統(tǒng)：共有3 套，單套錨系包括重力錨1 組、拖曳錨1 組、垂直鏈1 組、水平鏈1 組及連接卸扣若干等。錨鏈選用Φ42 mm 有擋錨鏈，重力錨選用5 t 沉石，拖拽錨為500 kg 丹福爾拖拽錨。如圖2（e）所示。

3 技術(shù)特點

3.1 模塊化設(shè)計

三錨地震浮標主浮標和中間浮子結(jié)構(gòu)為模塊化組裝結(jié)構(gòu)，相對于整體結(jié)構(gòu)，碰撞防沉沒效果更好并便于生產(chǎn)及運輸。主浮標模塊設(shè)計如圖3 所示。

圖3 主浮標模塊設(shè)計

主浮標浮體由中間倉組件1 組、外側(cè)倉組件3 組、纜樁柱組件3 組、太陽能板組件（100 W，12 塊）、吊耳組件、護舷組件、中間設(shè)備井組件（含橡膠筒保護套）、備用電池倉3 組、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成。每個浮塊均設(shè)計有多個單獨密閉隔倉，在一兩個密閉隔倉破損情況下浮塊不會沉沒。中倉組件設(shè)計有中間設(shè)備井，并加裝有橡膠筒保護套，能很好地保護線纜設(shè)備。如圖3（a）所示。

主浮標燈架由顯形（線性低密度聚乙烯）、內(nèi)部骨架組件、檢修門組件、太陽能板組件（100 W，6 塊）、爬梯組件、扶手組件、雷達反射器組件、標牌組件、護身圈設(shè)備架組件、航標燈器、頂標組件、避雷針組件、天線架組件和搭載設(shè)備支架組件組成。如圖3（b）所示。

3.2 安全防護設(shè)計

三錨地震浮標設(shè)計減少了浮標的旋轉(zhuǎn)和搖擺角度，限制了水面浮標的多圈轉(zhuǎn)動，避免了水下的信號電纜與錨鏈的纏繞，增強了抗惡劣環(huán)境的能力。

主浮標燈架頂部設(shè)計有護身圈，同時可作為設(shè)備支架使用，可搭載各種設(shè)備，包括避雷針、氣象儀、頂標組件、燈器和其他設(shè)備。

主浮標配備天璇-7S 航標燈器，該燈器射程3～7 n mile 可調(diào)節(jié)，具有AIS 碰撞預警、碰撞報警、雙路遠程通信、內(nèi)部數(shù)據(jù)互通、視頻遠程傳輸控制功能。燈器內(nèi)置AIS 單元，可接收附近船舶的AIS 信息，當船舶進入設(shè)定的電子圍欄區(qū)域內(nèi)時，向船舶發(fā)出碰撞預警信號，同時啟動影像記錄鎖存功能，將預警范圍內(nèi)的影像存儲于“黑匣子”中，并將預警信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。燈器內(nèi)置碰撞傳感器，當浮標受到碰撞時，持續(xù)開啟影像記錄鎖存功能，并將報警信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 長效工作設(shè)計

三錨地震浮標系統(tǒng)壽命取決于各個系統(tǒng)的壽命，三錨地震浮標系統(tǒng)根據(jù)浮標、錨鏈等各分系統(tǒng)壽命短板進行了專門設(shè)計，有效確保了三錨地震浮標系統(tǒng)工作壽命。

影響浮標壽命的主要因素有水生物附著、腐蝕、撞擊沉沒等。為避免水生物附著，浮體噴涂新型環(huán)保海洋防污涂料，該材料以天然活性物質(zhì)開發(fā)的海洋防污劑為核心技術(shù)，比銅基防污材料更環(huán)保，效果更好。浮標在浮體底部安裝陽極型號AEI-C-1 板狀鉛塊，利用電化學原理，犧牲陽極，降低浮標腐蝕程度。浮標采用模塊化設(shè)計，如果浮標遭到撞擊，首先撞擊的是浮標的護舷材，其次是個別浮力艙，即使某個浮力艙破損進水，浮標仍能安全地浮在水面，不至于沉沒。

錨泊系統(tǒng)共有3 套系統(tǒng)，分別連接在3 個方向的浮子上，中間利用小浮子牽引，將三錨3 套錨系拉大了距離，從而避免了3 套錨系相互纏繞以及和水下線纜發(fā)生纏繞的可能性，保護了供電通信線纜，降低了錨系磨損，延長了錨系壽命。

3.4 施工維護設(shè)計

海上浮標系統(tǒng)在布放、回收、維護等作業(yè)時要考慮海上施工的可操控性及安全因素，要綜合考慮特定浮標自身的固有性能、觀測功能、隨波性、維修性、海上施工作業(yè)等眾多因素，因此浮標設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計者在浮標設(shè)計時若疏于考慮任何一個環(huán)節(jié)，都有可能在浮標的海上應用過程中造成極大的問題，輕則造成一定的經(jīng)濟損失，重則無法完成觀測任務(wù)，造成人力物力的極大浪費。

三錨地震浮標系統(tǒng)大大降低了浮標施工作業(yè)的難度。由于將3 套錨泊系統(tǒng)分開，使得布放、回收、維護變得簡單，甚至可以采用單船作業(yè)，分別布設(shè)3 套系統(tǒng)，然后再進行浮子和主浮標的對接，將一個大任務(wù)分成幾個各自獨立的小任務(wù)分別完成，從而降低了對施工船舶的要求。3 套錨泊系統(tǒng)也具備了一定的機動性，其中一套系統(tǒng)出故障，可單獨解決，不影響另外2套系統(tǒng)的運行。

3.5 海上通信設(shè)計

三錨地震浮標采用衛(wèi)星通信，三錨的設(shè)計可確保海上系統(tǒng)良好的通信狀態(tài)，主浮標安裝的18 塊100 W太陽能板為通信系統(tǒng)提供了充足的能源保障，可有效解決海上通信困難問題。

4 結(jié)束語

浮標系統(tǒng)由浮標體、三錨系、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、接收岸站、供電通信鎧裝纜組成。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理器、傳感器系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)組成。使得浮標預計在海上能夠連續(xù)工作3 年時間，浮標直徑為6 m，錨系方式為三錨系泊系統(tǒng)，實時傳輸觀測點連通率（重要事件回傳率）大于等于90%，連接浮標方式為鎧裝纜連接浮標和海底地震儀。

海洋地震觀測涉及到技術(shù)復雜、投資大等諸多因素，造成中國目前的水平與發(fā)達國家相比尚有較大差距，海洋地震觀測浮標平臺的應用對推動國民經(jīng)濟發(fā)展、發(fā)展海洋經(jīng)濟、開展地質(zhì)勘探、加強國防安全防務(wù)等領(lǐng)域均具有很高的科學研究意義和戰(zhàn)略價值，同時可以推動一帶一路國家進行海底地震監(jiān)測應用。