關(guān)鍵字：海底管道；無(wú)人潛水器；聲波探測(cè)；光纖傳感；技術(shù)升級(jí)；人工智能

中圖分類號(hào)：P751 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2024）04-0197-06

隨著海上油氣勘探技術(shù)的提升和開(kāi)發(fā)力度的增大，我國(guó)已陸續(xù)在近海建設(shè)了幾十個(gè)海上油氣平臺(tái)以及大量的海底管道，且呈逐年遞增的趨勢(shì)[1]（圖1a），海底管道作為連接陸海的“能源血管”，其穩(wěn)定性對(duì)能源利用安全至關(guān)重要。海底管道基本埋藏于淺地質(zhì)層內(nèi)，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海底管道通常不僅會(huì)受到腐蝕、風(fēng)暴潮、海床沖刷以及淺層氣活動(dòng)等自然因素的擾動(dòng)，也可能受到第三方破壞與工程質(zhì)量問(wèn)題的影響（圖1b），從而引起海底管道賦存狀態(tài)發(fā)生改變，如管道破損、出露或者懸空狀態(tài)，管道長(zhǎng)期懸跨會(huì)導(dǎo)致自身不均勻受力，并導(dǎo)致局部發(fā)生破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，油氣泄漏亦對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。2016年墨西哥灣發(fā)生海底管道破壞，造成約3.3×10⁵L 的石油泄漏，油污蔓延至北美洲附近海域，對(duì)周圍海洋生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞[2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1986—2016年間我國(guó)共發(fā)生51起海底管道破壞事故[1]。所以亟需開(kāi)展海底管道隱患的檢測(cè)技術(shù)研究，確保海底管道的安全運(yùn)行[3-4]。

海底管道基本埋藏于淺地質(zhì)層內(nèi)，在工程質(zhì)量或外界環(huán)境影響下，常出現(xiàn)一些潛在隱患，所以需要對(duì)海底管道進(jìn)行健康檢測(cè)[5]。目前海底管道隱患的主要檢測(cè)技術(shù)包括直接檢測(cè)、聲波探測(cè)和光纖監(jiān)測(cè)三類。直接檢測(cè)包括人工潛水探摸和無(wú)人潛水器探測(cè)；聲波探測(cè)主要是利用聲波反射信號(hào)進(jìn)行海底管道檢測(cè)，如多波束測(cè)深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶測(cè)量和合成孔徑聲吶等技術(shù)方法[6]。分布式光纖傳感系統(tǒng)則可對(duì)海底管道進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測(cè)預(yù)警[7]，目前美國(guó)、英國(guó)、日本對(duì)無(wú)人潛水器檢測(cè)進(jìn)行了較多的研究和實(shí)踐[8-10]，而我國(guó)目前還主要以地球物理探測(cè)為主，崔征科等研究了導(dǎo)航定位、多波束測(cè)深系統(tǒng)和淺地層剖面儀在海底管道檢測(cè)中協(xié)同應(yīng)用方法，并結(jié)合實(shí)測(cè)實(shí)例探討了協(xié)同應(yīng)用的適宜性和有效性[11]；蔡春麟利用參量陣淺地層剖面技術(shù)對(duì)海底管道隱患進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)對(duì)沙包回填懸空管道后的賦存狀態(tài)進(jìn)行就檢測(cè)和分析，為海底管道的隱患檢測(cè)和綜合防治提供了科學(xué)依據(jù)[12]。

本文介紹了海底管道的3類、8種檢測(cè)方法，并討論了不同檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)和弊端，根據(jù)各類監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)劣，提出了近期應(yīng)用的相關(guān)建議，最后針對(duì)我國(guó)檢測(cè)技術(shù)的薄弱項(xiàng)如無(wú)人潛水器技術(shù)和三維合成孔徑聲吶法提出了技術(shù)升級(jí)建議，并對(duì)人工智能賦能海底管道隱患檢測(cè)進(jìn)行了展望，為未來(lái)新型技術(shù)在管道檢測(cè)應(yīng)用做鋪墊。

1直接檢測(cè)

1.1人工潛水探摸

人工潛水探摸：潛水探摸需要潛水員攜帶測(cè)量?jī)x和記錄工具對(duì)出露或者懸跨的管道進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和記錄海底管道懸跨的長(zhǎng)度和高度數(shù)據(jù)。人工直接檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是可精確開(kāi)展測(cè)量，弊端是只能在小范圍檢測(cè)，對(duì)人身安全也有一定的隱患，且只能在淺海區(qū)作業(yè)。

1.2無(wú)人潛水器技術(shù)

無(wú)人潛水器技術(shù)基本可分為兩大類，即遙控式水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，縮寫(xiě)ROV）和自主式水下機(jī)器人技術(shù)（Autonomous Underwater Vehicle，縮寫(xiě)AUV），在海底管道隱患調(diào)查中具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。

ROV是一種多功能遙控控制水下機(jī)器人，主要以控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)采集工具組成，針對(duì)海底管道檢測(cè)，可配備相應(yīng)的傳感器，如溫度、聲學(xué)或者光學(xué)傳感器[13-14]。其優(yōu)勢(shì)是可保障人員安全，且在沿管道移動(dòng)過(guò)程中全程錄像和采集數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)的連續(xù)性；弊端是受海底環(huán)境干擾明顯，定位誤差較大。

AUV最大的特征就是可開(kāi)展自主檢測(cè)。AUV與ROV最大的區(qū)別是獨(dú)立性，可以獨(dú)立操作，人工干預(yù)度小。AUV可同時(shí)完成管道形態(tài)、走向和破壞形態(tài)的測(cè)量和記錄。AUV海底管道檢測(cè)分為在線交互模式和離線自動(dòng)化模式：在線模式是指AUV能夠自動(dòng)化檢測(cè)海底管道并同步傳回管道的位置坐標(biāo)，并完成自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理和預(yù)警響應(yīng)；而離線模式則是預(yù)先設(shè)定好AUV的檢測(cè)路線，自動(dòng)開(kāi)展檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。離線檢測(cè)同樣可保障人員安全，且保障了管道檢測(cè)的連續(xù)性和長(zhǎng)距離等特點(diǎn)；但是弊端也很明顯，離線檢測(cè)存在一定的誤差，其次AUV監(jiān)測(cè)成本極高，尚未全面普及[15-17]。

2聲波探測(cè)

目前海底油氣管道鋪設(shè)方式均是將管道賦存于海床表面或淺地層，海床表層或淺地層經(jīng)過(guò)波浪、潮流的長(zhǎng)期沖刷，海底地形發(fā)生侵蝕或淤積現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致管道賦存狀態(tài)發(fā)生改變，可能出現(xiàn)掩埋、懸空、平移等現(xiàn)象，與管道鋪設(shè)的原始狀態(tài)有明顯的差異。聲波探測(cè)是以聲學(xué)圖像的直接表現(xiàn)形式，是應(yīng)用最廣泛的地球物理探測(cè)方法之一，聲波法探測(cè)儀器主要包括多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶以及合成孔徑聲吶等，可用于海底地形、地貌、淺地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的探測(cè)。

2.1多波束測(cè)深系統(tǒng)探測(cè)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是走航時(shí)發(fā)射和接收一系列垂直航向分布的聲波束，形成一條連續(xù)的與船只航向垂直的測(cè)深波束點(diǎn)。多波束測(cè)深法通過(guò)測(cè)量海底地形直接觀測(cè)海底管道賦存狀態(tài)（圖2a）[18]。其優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)范圍廣，測(cè)量效果好，一般用來(lái)識(shí)別出露或懸空的大口徑管道；其弊端是對(duì)調(diào)查船要求高，受環(huán)境干擾因素多，且無(wú)法探測(cè)海底面以下的管道。

2.2淺地層剖面探測(cè)

淺地層剖面是利用聲脈沖信號(hào)在不同沉積物地層中存在不同的聲速，通過(guò)計(jì)算聲波所穿透地層傳播的時(shí)間得到地層的分布狀態(tài)。由于海底油氣管道與海底沉積層具有較大的密度差和聲速差，可用來(lái)識(shí)別掩埋、出露、懸空三種狀態(tài)油氣管道（圖2）。當(dāng)管道反射曲線位于海底面以下，管道下方地層反射信號(hào)較弱，呈現(xiàn)與管徑相同的空白窄條帶，其埋深為剖面頂部至海床面之間距離。當(dāng)管道反射曲線位于海底面以上，剖面揭示的是管道出露狀態(tài)，其反射特征和掩埋狀態(tài)類似，但管道出露高度小于管徑（圖2c）。當(dāng)管道反射曲線懸浮于海床以上，剖面揭示的是管道懸空狀態(tài)，表現(xiàn)為管道出露高度大于管徑（圖2d）[16-19]。淺地層剖面探測(cè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可針對(duì)淺層地層結(jié)構(gòu)和管道埋深進(jìn)行探測(cè)，但其弊端也比較明顯，只能垂直管道探測(cè)，效率低下。

2.3側(cè)掃聲吶探測(cè)

側(cè)掃聲吶法是發(fā)射聲波脈沖至海底面，根據(jù)返回接收的時(shí)間和傳送距離的不同，形成不同的灰度影像圖，展現(xiàn)海床表面的精細(xì)化地貌特征（圖2e～f）。側(cè)掃聲吶聲波反射強(qiáng)度不僅與發(fā)射的聲波波長(zhǎng)、頻率、角度等有關(guān)外，還與海床表層的底質(zhì)物粒度和海床起伏變化等因素有關(guān)。例如：黏土組成的平滑型海床，聲波回收信號(hào)弱，則影像色調(diào)表現(xiàn)為偏弱，而基巖、礫石或砂質(zhì)組成的起伏性海床，回波信號(hào)較強(qiáng)，影像色調(diào)表現(xiàn)則偏深[20]。側(cè)掃聲納與多波束系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和弊端較為類似，僅可識(shí)別出露或懸空狀態(tài)的管道，無(wú)法獲取水深和埋藏管道的數(shù)據(jù)信息。

2.4合成孔徑聲吶法探測(cè)

合成孔徑聲吶法是側(cè)掃聲吶的升級(jí)版本，其原理是利用移動(dòng)的小孔徑基陣來(lái)獲得合成孔徑，可得到極高方位方向的空間分辨力。合成孔徑聲吶含二維合成孔徑聲吶和三維合成孔徑聲吶。二維合成孔徑聲吶相較于側(cè)掃聲吶具有更高的分辨率，但仍無(wú)法穿透地層獲取地質(zhì)信息；而三維合成孔徑聲吶則基于多波束測(cè)深和淺地層剖面原理設(shè)計(jì)，是兩者的技術(shù)融合，可實(shí)現(xiàn)懸跨、出露和掩埋管道的三維影像。當(dāng)三維合成孔徑聲吶使用穿透力高的低頻聲波時(shí)，可探測(cè)到海底管線的位置和并實(shí)現(xiàn)三維成圖（圖2g），而高頻聲波則難以獲取地層內(nèi)部信息（圖2h）。相較于傳統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)儀器，三維合成孔徑聲吶具有精度高、范圍廣、效率高等優(yōu)勢(shì)，并可探測(cè)地下非金屬管道。因此，三維合成孔徑聲吶在海底管道隱患檢測(cè)方面極具優(yōu)勢(shì)。但三維合成孔徑聲吶也存在一定的弊端，如作業(yè)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜和環(huán)境穩(wěn)定性要求高等。

3光纖監(jiān)測(cè)

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要采集海底管道的應(yīng)變、振動(dòng)以及周圍環(huán)境溫度等變化，并利用光波和光纖作為信號(hào)傳播的載體和介質(zhì)傳輸至終端設(shè)備，研究人員可在終端設(shè)備上獲取數(shù)據(jù)，并分析海底管道的健康狀態(tài)[23]。光纖傳感（Fiber Optic Sensor，F(xiàn)OS）監(jiān)測(cè)技術(shù)是海底管道最有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一[24]，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)光纖傳感監(jiān)測(cè)開(kāi)展了研究。澳大利亞Peng等[25] 學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬提出了基于振動(dòng)信號(hào)分析的海底管道的懸空監(jiān)測(cè)方法；韓國(guó)Kwon 等[26] 利用布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）獲取海底管道的溫度和應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)了海底管道的長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)光纖傳感監(jiān)測(cè)提出了一些管道異常的算法，金偉良和邵劍文基于自回歸模型提出了海底管道應(yīng)變分析方法，并在渤海海底管道進(jìn)行了應(yīng)用[27-28]；Zhao等[29-31] 學(xué)者基于主動(dòng)加熱測(cè)溫法構(gòu)建了海底埋管懸空監(jiān)測(cè)與評(píng)定系統(tǒng)，該方法可通過(guò)分析海底電纜的溫度變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并計(jì)算海底管道的懸空坐標(biāo)、長(zhǎng)度和高度。光纖傳感監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于全線常態(tài)化監(jiān)測(cè)[32]，而弊端在于成本高，且存在一定的誤差。

4未來(lái)展望

4.1近期應(yīng)用建議

根據(jù)三類海底管道檢測(cè)探測(cè)方法對(duì)比可知，三類方法各有優(yōu)勢(shì)和弊端（表1）。本文基于各類技術(shù)方法的適用條件，對(duì)比選擇近期海底管道檢測(cè)較為適用的技術(shù)方法。建議海底管道檢測(cè)分三步開(kāi)展：首先，可利用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)海底油氣管道常態(tài)化全線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控其壓力應(yīng)變、溫度等數(shù)據(jù)變化，并分析可能出現(xiàn)異常的管道段；其次，利用聲波法對(duì)可能出現(xiàn)異常的海底管道段進(jìn)行區(qū)域性隱患排查，可采用兩類方式：（1）利用多波束測(cè)深系統(tǒng)和淺地層剖面儀相結(jié)合的方式，對(duì)海床和淺層地質(zhì)層進(jìn)行調(diào)查，識(shí)別存在風(fēng)險(xiǎn)的管道區(qū)；（2）利用三維合成孔徑聲吶法直接開(kāi)展區(qū)域性調(diào)查，形成海床和淺層地質(zhì)層的三維影像，并分析管道風(fēng)險(xiǎn)。兩類方法可根據(jù)海況和經(jīng)濟(jì)進(jìn)行選擇，在海況差的區(qū)域選擇多波束測(cè)深系統(tǒng)和淺地層剖面相結(jié)合的方法，在海況較好的區(qū)域，盡量選擇三維合成孔徑聲吶進(jìn)行調(diào)查，可獲取更加精細(xì)的數(shù)據(jù)。最后，針對(duì)管道隱患段開(kāi)展人工潛水探摸或無(wú)人潛水器設(shè)備探測(cè)，根據(jù)海況和水深選擇不同方法。淺水區(qū)、海況好的區(qū)域可采用人工潛水探摸，而深海區(qū)，海洋環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，首選ROV 遙控探測(cè)，若海洋環(huán)境極為復(fù)雜，則建議采用AUV 離線探測(cè)（圖4）。

4.2技術(shù)迭代升級(jí)

4.2.1AUV技術(shù)升級(jí)

根據(jù)上述綜述可知，AUV技術(shù)在直接探測(cè)方法中最具安全性和智能性，可針對(duì)海底管道開(kāi)展離線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和預(yù)警響應(yīng)，是未來(lái)海底管道監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用的趨勢(shì)。然而，AUV在技術(shù)應(yīng)用上尚存在較多不足，如誤差大，成本高等，亟需開(kāi)展技術(shù)升級(jí)，降低成本并提高其精確性。我國(guó)的AUV技術(shù)與國(guó)際最新技術(shù)尚有一定的差距，未來(lái)建議我國(guó)AUV海底管道探測(cè)技術(shù)向四個(gè)方向試驗(yàn)和技術(shù)升級(jí)：（1）加強(qiáng)在深海區(qū)或者復(fù)雜海洋環(huán)境的試驗(yàn)，利用極細(xì)光纖，制定更為精細(xì)的試驗(yàn)網(wǎng)格，在海底管道周圍開(kāi)展高精度網(wǎng)格化海底作業(yè)；（2）結(jié)合最新的智能圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)更加智能化、自主化AUV探測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展更加智能化海底管道探測(cè)；（3）由于海洋環(huán)境極為復(fù)雜，建議未來(lái)搭載更為豐富的物理、化學(xué)、生物傳感器和自動(dòng)化操作機(jī)械設(shè)備，以獲取多要素綜合海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行復(fù)雜探測(cè)和修復(fù)任務(wù)；（4）結(jié)合GPS、水聲通訊、Mesh組網(wǎng)等多維通訊方法，開(kāi)展無(wú)人化裝備協(xié)同作業(yè)。

4.2.2三維合成孔徑聲吶法技術(shù)升級(jí)

聲波法探測(cè)中，僅三維合成孔徑聲吶法可形成地表到淺地層的三維影像，精確識(shí)別地形地質(zhì)情況，但是也有操作成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，易受調(diào)查船、海洋環(huán)境等外界因素干擾等弊端，所以建議開(kāi)展三方面技術(shù)升級(jí)。（1）基于GPS、超短基線、慣導(dǎo)等空海地多源數(shù)據(jù)開(kāi)展運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算和補(bǔ)償技術(shù)。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，三維合成孔徑聲吶法的定位和成像精度都存在較大的誤差，亟需基于多源通訊數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)誤差和補(bǔ)償技術(shù)升級(jí)；（2）海底管道目標(biāo)特征自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)：基于智能化圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)海底管道的賦存狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)、分類和識(shí)別，形成自動(dòng)化預(yù)警；（3）提升電子系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)成像算法，開(kāi)展多通道大數(shù)據(jù)并行計(jì)算。隨著海洋探測(cè)深度和和數(shù)據(jù)精度的增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)收集設(shè)備和計(jì)算處理都提出了較高的要求，亟需升級(jí)相關(guān)軟硬件設(shè)備（圖4）。

4.3人工智能賦能

人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，縮寫(xiě)為AI）依托大數(shù)據(jù)集成和算法優(yōu)化，可開(kāi)展自主深度學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別以及智能分析等，是我國(guó)新質(zhì)生產(chǎn)力的主要發(fā)力點(diǎn)之一。未來(lái)海底管線探測(cè)可將人工智能應(yīng)用于分布式光纖傳感技術(shù)中。通過(guò)在光纖傳感系統(tǒng)中加入多類傳感器件構(gòu)建海底管道監(jiān)測(cè)的多模態(tài)模型，基于多類型海底管道隱患深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高模型監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警海底管道運(yùn)營(yíng)隱患問(wèn)題（圖3）。

5結(jié)論和認(rèn)識(shí)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于海底管道的三類檢測(cè)技術(shù)，對(duì)比了直接檢測(cè)、聲波探測(cè)、光纖監(jiān)測(cè)三類方法在海底管道檢測(cè)中優(yōu)劣勢(shì)，并針對(duì)近期應(yīng)用和未來(lái)技術(shù)升級(jí)提出建議和展望，主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)如下：

（1）人工潛水探摸適用于局部小范圍檢測(cè)；無(wú)人潛水技術(shù)（ROV、AUV）安全性高，但誤差大；多波束測(cè)深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶、二維合成孔徑聲吶優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量范圍廣，劣勢(shì)在于效率低、易受海洋環(huán)境影響；三維合成孔徑聲吶和光纖監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)精度和范圍都有較明顯的優(yōu)勢(shì)，但成本較高。

（2）建議未來(lái)海底管道隱患檢測(cè)分三個(gè)階段開(kāi)展：首先，采用分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)海底管道進(jìn)行常態(tài)化全線監(jiān)測(cè)預(yù)警；其次，當(dāng)海底管道局部發(fā)生應(yīng)變或者環(huán)境變化時(shí)，可采用多波束測(cè)深系統(tǒng)與淺地層剖面相結(jié)合或者三維合成孔徑聲吶進(jìn)行區(qū)域性隱患調(diào)查；最后，采用ROV 遙控探測(cè)或AUV 離線探測(cè)開(kāi)展更為精細(xì)化的調(diào)查。

（3）建議未來(lái)通過(guò)技術(shù)升級(jí)和新技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化探測(cè)和智慧預(yù)警：通過(guò)提升AUV 和三維合成孔徑聲吶的算法和硬件設(shè)備，同時(shí)結(jié)合多維通訊數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)測(cè)，通過(guò)加強(qiáng)人工智能在海底管道探測(cè)中的應(yīng)用，提升海底管道光纖傳感系統(tǒng)的自動(dòng)探測(cè)和智能預(yù)警能力。

（責(zé)任編輯：趙寶成）