陳君賢,吳澤彬

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510760)

0 引言

隨著人們對海洋的研究不斷深入,地質(zhì)取樣作為海洋環(huán)境和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的主要手段,已被許多海洋調(diào)查機構(gòu)廣泛應(yīng)用。早期的海洋地質(zhì)調(diào)查設(shè)備主要以機械結(jié)構(gòu)的重力柱狀取樣器、普通抓斗和箱式取樣器為主。這些設(shè)備無法看到海底探測對象,所以難以獲得準確、有針對性的樣品和數(shù)據(jù),使得早期的地質(zhì)取樣效率較低。另外,由于取樣設(shè)備一般較重,完全靠鎧裝纜進行拖曳是不現(xiàn)實的,因此可移動的海洋地質(zhì)取樣系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來[1]。

雖然我國海底可視化技術(shù)相較于西方國家起步較晚,但是近年來發(fā)展迅速[2]。國產(chǎn)海洋地質(zhì)調(diào)查裝備呈現(xiàn)出可視化、多功能化的特點[3],在研發(fā)方面體現(xiàn)出多學(xué)科、多技術(shù)融合的特點,關(guān)鍵技術(shù)包括整體機械機構(gòu)設(shè)計、液壓動力系統(tǒng)、水下視覺與控制、光電信號的傳輸與控制及甲板監(jiān)視等技術(shù)。國外科學(xué)家在深海建立模型,通過力學(xué)分析和試驗認為,推進器在小范圍的平面內(nèi)移動是可行的,也催生了可移動地質(zhì)取樣系統(tǒng)的研發(fā)。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局引進的深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)通過高清攝像機、激光陣和高度計可以看到海底畫面和離底高度,并通過光纖實時傳輸?shù)郊装鍐卧?海底攝像畫面具有時間長、清晰度高、不間斷等特點[4]。系統(tǒng)具備360°全方位移動能力,可以在一定范圍內(nèi)選擇性抓取樣品,主要用于海底熱液硫化物、富鈷結(jié)殼、多金屬結(jié)核、海底巖石及沉積物的取樣[5]。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)主要由上機架、下機架、抓斗、超短基線定位單元、供電單元、液壓驅(qū)動單元、水下測控單元和甲板監(jiān)控單元等組成,系統(tǒng)實物如圖1所示。

圖1 深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)Fig.1 Deep-sea visual mobile geological sampling system

系統(tǒng)上、下機架可拆卸脫離,當(dāng)在海底發(fā)生意外情況時,可以通過液壓缸將下機架釋放,防止整機丟失。抓斗可根據(jù)調(diào)查需要,選配沉積物取樣抓斗或表層巖石取樣抓斗。超短基線定位單元可實現(xiàn)水下實時定位。供電單元主要靠變壓器實現(xiàn)母船高壓電和系統(tǒng)各個電路的電壓轉(zhuǎn)換,為水下測控單元供電。液壓驅(qū)動單元主要為液壓站,可以控制抓斗張開和閉合。水下測控單元包括電機、攝像頭、照明燈、激光陣、高度計、深度計、傾角儀、羅盤、避碰雷達和光纖控制單元等。甲板監(jiān)控單元包括甲板多功能高清光纖通信機、刻錄機、含監(jiān)視器的工控機以及甲板操作軟件等。水下測控單元和甲板監(jiān)控單元共同組成控制系統(tǒng)。

深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)的參數(shù)見表1,它和常規(guī)地質(zhì)取樣設(shè)備相比,除了具有可視化和可移動功能外,還可以監(jiān)測水下取樣設(shè)備的姿態(tài)、液壓參數(shù)、離底高度、運動方向、系統(tǒng)電壓等數(shù)據(jù),可大大提高生產(chǎn)安全性和工作效率。

表1 取樣系統(tǒng)參數(shù)

1.2 工作原理

圖2為深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)的工作原理圖,該系統(tǒng)通過萬米鎧裝光電復(fù)合纜傳輸300 V電和光纖信號,其中電路又分兩路:

圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle diagram

一路經(jīng)接觸器后到達電機,驅(qū)動推進系統(tǒng)。推進系統(tǒng)由控制盒、動力分配電子控制單元、電機(推進器)等部件組成。操作人員確定目標方位后操控搖桿和功能按鈕,控制盒采集到搖桿、不同功能按鈕的指令后發(fā)送給電子控制單元,電子控制單元接收操縱盒的指令后調(diào)整4個電機排水量的大小來實現(xiàn)前進、后退、旋轉(zhuǎn)和定艏等功能。

另一路電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為26.5 V至電源電路,再分為功率電路和信號電路,和光纖信號一起傳輸?shù)诫娮优摵徒涌谙洹ｋ娮优撏ㄟ^CAN串行通信協(xié)議和系統(tǒng)上搭載的攝像頭、照明燈、高度計、深度計、三點激光陣、傾角儀、羅盤、避碰雷達、液壓站等傳輸信號。到達取樣點位后,操作人員發(fā)送取樣指令給甲板單元,甲板單元通過甲板通信機將信號發(fā)送至水下測控單元,水下測控單元完成信號解析后發(fā)送至各個傳感器和液壓站,液壓站控制電機驅(qū)動器驅(qū)動抓斗完成閉合動作,從而完成一次取樣。

在作業(yè)過程中,主控電腦向甲板光端機和水下測控單元發(fā)送命令,同時接收由水下發(fā)送至甲板光端機的數(shù)據(jù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集水下各個高清攝像機拍攝的視頻,并傳輸?shù)娇啼洐C進行備份。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集高度計、深度計、傾角儀、羅盤方位等傳感器數(shù)據(jù),推進系統(tǒng)控制盒實時顯示通信、定艏和電機狀態(tài)是否正常,這些都通過光纖纜實時傳輸至甲板單元,使操作人員完成精準取樣,從而大幅提高取樣作業(yè)效率。

2 施工過程

2017年“海洋地質(zhì)十號”船在水深3600 m情況下,對深海可視化移動地質(zhì)取樣系統(tǒng)進行了海試。本次海試目的主要為解決以下參數(shù)指標問題:①系統(tǒng)適用工作水深>3000 m;②萬米鎧裝光電復(fù)合纜通信工作正常;③燈、攝像頭、高度計、羅盤、三點激光陣工作正常;④抓斗張開/合攏到位,張開/合攏時長<60 s;⑤液壓站系統(tǒng)最大工作壓力≥20 MPa,系統(tǒng)保壓在13 MPa 以上;⑥操縱桿控制推進器,使拖體在水下移動和旋轉(zhuǎn);⑦抓取樣品質(zhì)量>500 kg。

2.1 下水前工作

在下水前使用船載伸縮吊機將可視化移動地質(zhì)取樣系統(tǒng)吊放在船后甲板的作業(yè)區(qū)中,并安裝水下定位信標,確保導(dǎo)航工作界面能捕捉到系統(tǒng)實時位置信息。

檢查確認系統(tǒng)外觀、油管接口、油箱及其堵頭密封均正常。測試光纖衰減值在正常范圍,保證光纖電纜連接正常。確認機械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)連接正常,最后上緊承重頭螺栓。

圖3是在絞車間進行電源測試,用手搖兆歐表測試鎧裝纜內(nèi)部與外部阻抗值大于20 MΩ,符合絕緣標準,測量后使用放電棒進行放電。

圖3 下水前電源測試Fig.3 Power test before launching

檢查完后對抓斗進行復(fù)位,并做好止蕩工作,作業(yè)組長指揮將A架擺至合適位置,準備入水。在水面下0.5 m位置停止纜繩下放,通知絞車間啟動電源。

圖4是建立通信后程序主界面數(shù)據(jù)顯示正常,依次點擊確認攝像頭、照明燈、高度計、推進器、激光陣均能正常開啟。儀器房人員嚴格按照入水前檢查表對抓斗進行測試后斷電,后甲板人員拉好止蕩繩,隨時準備下水。

圖4 通信測試主界面Fig.4 The main interface of communication test

2.2 下水后工作

船舶到達站位后開啟動力定位,各部門人員就位,后甲板人員使用止蕩繩和絞車操作員配合施放下水。

儀器房人員將系統(tǒng)上電,時刻關(guān)注操作界面中電壓、絕緣值、羅盤等參數(shù),如圖5所示。打開照明燈、攝像頭、三點激光陣、高度計,觀察水下監(jiān)控畫面,如圖6所示,確保萬米鎧裝光電復(fù)合纜通信工作均為正常。

圖5 軟件操作界面Fig.5 Software operating interface

圖6 攝像頭視頻監(jiān)控畫面Fig.6 Video surveillance screen from the camera

在取樣設(shè)備快到底時,觀察高度計數(shù)值和激光陣,在離底100 m時懸停一段時間,然后使用羅盤和搖桿控制取樣系統(tǒng)的緩慢移動。由于海底視野受限且缺少參照物,無法獲得移動距離,只能操控搖桿使取樣系統(tǒng)靠近合適的取樣位置。推進器推力不夠理想,旋轉(zhuǎn)定向時常會出現(xiàn)擺動,最后設(shè)備坐底時姿態(tài)未超過30°,可以進行取樣作業(yè)。通過水下定位信標可知,海底實際移動距離>50 m,如圖7所示。

圖7 水下定位界面Fig.7 Underwater positioning interface

開啟液壓站電機及電磁閥關(guān)閉抓斗,取得樣品,液壓站工作壓強>50 MPa,閉合動作勻速流暢,未出現(xiàn)卡停,閉合時長約40 s。抓斗液壓缸的保壓壓強>30 MPa,保證抓斗在回收過程中不會泄壓導(dǎo)致樣品丟失。

取樣品成功后,觀察承重頭和鎧裝纜狀態(tài),保持收纜速度30～40 m/min回收設(shè)備,觀察絞車張力值有明顯變化?；厥栈丶装搴螳@得了1 t左右的巖石樣品。見圖8。

圖8 取樣出水照片F(xiàn)ig.8 Sampling off the water

本次海試獲得圓滿成功,針對主要指標問題,該深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)均得以解決,證明該深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)可以滿足海上精細化地質(zhì)調(diào)查需求。

3 優(yōu)勢與不足

圖9是2009年“大洋一號”上搭載的可視化抓斗,其外型尺寸為2.1 m ×1.4 m×2.1 m,動力功率4 kW,抓樣面積約1 m2,最大取樣質(zhì)量800 kg[5-6]。由于當(dāng)時動力定位技術(shù)還未成熟,該抓斗自身質(zhì)量較大,沒有推進器,長距離拖曳作業(yè)中鎧裝光電復(fù)合纜易發(fā)生損壞,且海底取樣范圍十分受限;此外,受海底地形的影響,易造成設(shè)備碰撞損壞或可視化抓斗卡在巖石中的情況發(fā)生。

圖9 “大洋一號”搭載的可視化抓斗Fig.9 Visual grab onboard “Ocean No.1”

深海可視化移動地質(zhì)取樣系統(tǒng)與“大洋一號”的可視化抓斗相比有外框架保護,擁有4個推進器,可實現(xiàn)任意方向的移動,還搭載有避碰雷達,實現(xiàn)碰撞預(yù)警。整體尺寸更大,抓樣面積約1.5 m2,最大取樣質(zhì)量達到1000 kg。

但目前作業(yè)過程中還存在以下問題:①移動范圍小,推力不足,若與目標距離遠,需回收后重新投放。推測原因是原配的液壓管老化、系統(tǒng)流量不足;②觀測海底時畫面曝光過大,推測原因是燈光參數(shù)無法自動調(diào)節(jié);③轉(zhuǎn)向不靈敏,推測原因是控制系統(tǒng)執(zhí)行單元不足;④抓斗閉合時間較長,推測原因是油缸和補償器容積不合理;⑤甲板單元操作軟件層級和結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化的空間。

未來我們將做以下改進:①補充設(shè)備浮力材料的同時盡可能減輕系統(tǒng)總質(zhì)量;②更換控制硬件,多控制一個或若干個執(zhí)行元件;③更換螺旋槳部分液壓管和補償器;④在液壓部分增加一個蓄能器,使系統(tǒng)的保壓性能更好[7];⑤在液壓系統(tǒng)上增加一個壓力傳感器,使得操作人員可以隨時監(jiān)測系統(tǒng)工作時的實時壓力,防止油液管路滲漏引起系統(tǒng)故障;⑥根據(jù)源代碼自制軟件,重點解決信號處理,光電信號的高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)換、不同程序之間沖突、軟件界面設(shè)計等問題。

該系統(tǒng)具備多種擴展接口,未來我們將試驗性搭載海水取樣配套設(shè)備、溫鹽深(CTD)傳感器,通過甲板供電進行實時信號記錄、傳輸與顯示以達到長時間的監(jiān)測目的,提高作業(yè)效率。在取樣的同時采集多項寶貴數(shù)據(jù),將地質(zhì)取樣和地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)合起來,為地質(zhì)解釋提供有力的數(shù)據(jù)支撐。對配套的硬件設(shè)備進行迭代升級,構(gòu)建模塊化、多功能化、抗干擾能力強的可視化移動地質(zhì)取樣系統(tǒng)[8]。

4 結(jié)語

深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)作為一種定點海底地質(zhì)取樣設(shè)備,適用于全海洋及河口港灣的沉積物和巖石等地質(zhì)樣品采樣。通過船載鎧裝光電復(fù)合纜可下放至水深6000 m的海底進行取樣作業(yè)。相較于傳統(tǒng)的纜控取樣設(shè)備,設(shè)備配有深海高清攝像系統(tǒng)、水下推進系統(tǒng)以及液壓取樣系統(tǒng),可實現(xiàn)海底復(fù)雜環(huán)境的精準取樣。

截止目前,深?？梢暬苿拥刭|(zhì)取樣系統(tǒng)已多次應(yīng)用于科考航次,是海洋工程地質(zhì)、生物、地球化學(xué)等調(diào)查研究的重要設(shè)備之一。未來廣海局將根據(jù)科研需求加裝或改進液壓系統(tǒng)和控制硬件,優(yōu)化操作軟件,并搭載各種試驗設(shè)備,開拓更廣闊的應(yīng)用空間。