基于深海作業設備C3D—SBP的升級改造與工程應用

梁春江++岳鵬

摘 要：該文針對深海海底管纜搜索定位及海底地層地貌勘探任務需求，對已有C3D-SBP拖魚系統進行升級改造，分別對該設備通信硬件、供電線路、連接電纜、軟件源代碼、USBL、測線進行改裝設計。為配合該升級設備在工程中的應用，分別對作業過程中的原始數據資料判斷提取技術、原始數據處理與分析技術、釋放與回收技術進行相應調整改進。最終形成了一整套適用于深海海底管纜調查和地層地貌綜合調查的應用系統升級改造方案。實際工程應用證明該改造方案可行，并帶來直接經濟效益和間接經濟效益，為同類設備的升級改造與應用推廣提供了參考，拓展了深海海底管纜和地層地貌調查的技術手段。

關鍵詞：深海海底勘探 C3D-SBP 升級改造設計 工程應用

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0008-04

目前，海上平臺設施越來越多，其周邊的海底管纜分布密集，甚至錯綜復雜。所以準確地確定海底管纜的位置、狀態和地層地貌等信息對油田綜合調整實施的設計、海上平臺的安全拋錨就位、后繼施工、日常運營維護以及海底管纜自身的安全具有重大意義[1-6]。

隨著海海底管纜調查的工作量逐步增長，但現有的近平臺區域管纜調查方式主要分為三類。

第一類：潛水探摸調查。具體方法為潛水員攜帶水下定位信標對對下管纜進行目視檢測，利用水面差分定位系統和水下定位系統進行綜合定位方式對海底管纜進行探摸確定管纜的位置和狀態。常規的潛水探摸調查不僅成本高昂、風險系數高，且作業效率低、受天氣影響很大等眾多局限性并且潛水員的潛水深度局限于500 m水深以內。

第二類：ROV或AUV水下作業，通過ROV或AUV搭載專業換能器等設備，由專業的有資質的操作人員操作，同時要求有DP船支持，專業設備成本、人工成本和船舶成本很高，容易受天氣、海底流層的影響，不僅成本高昂、風險系數高，且作業效率低。

第三類：拖拽設備作業，對輔助設備如大型門吊、絞車、液壓泵、拖拽電纜等要求苛刻，設備動復員成本高，作業中受漁業干擾嚴重，對海底地形起伏較大的工區中效率更低。

綜上所述，開發新的有效調查手段對深海海底管纜搜尋定位設備和技術，獲取狀態和地層地貌等信息，解決該技術難題迫在眉睫。

近年來，許多科研機構、院校和勘察單位都在研究新的設備和技術用以改進常規的管纜調查方式。該文通過自主升級改裝設備C3D-SBP[7，8]，以深海調查項目實踐應用為研究背景，研究出了一整套適用于100～2000 m的海底管纜調查和地層地貌綜合調查應用系統和解釋方案，可以替代常規的作業模式，實現了規避作業風險、提高了作業質量和效率，同時降低了生產成本，拓展了深海海底管纜和地層地貌調查的技術手段，提高了工程勘察質量，提升了該領域的技術水平。

1 C3D-SBP的升級改造需求分析

1.1 C3D-SBP設備技術指標

C3D-SBP系統是Teledyne Benthos公司開發的新一代深海拖魚，C3D-SBP拖魚系統具有較寬的掃寬，并可以將旁掃、測深和淺剖數據集成在一起，具有較高的作業效率[9-12]，如圖1所示。其技術指標如表1所示。

1.2 設備升級改造需求分析

針對深海作業任務，現有C3D-SBP設備具有很多局限性，設備的軟硬件等不符合作業要求。因此，基于多樣化的不定海深作業任務背景，對C3D-SBP進行升級改造設計，具體作業需求如下。

（1）通信硬件自主改裝升級：設備內部現有的通信設備指標和技術已趨于淘汰，需在C3D-SBP設備現有的局限性內重新設備的硬件配置。

（2）供電線路自主改裝升級：根據項目的技術需求，結合磁力儀設備的用電需求的實際情況，需在不影響其他傳感器供電的前提下進行電路改裝。

（3）電纜改裝升級：鑒于C3D-SBP設備本身的硬件已經做了較大改動，原配的部分電纜已與其不再匹配，為了適應改裝升級后的C3D-SBP，改裝電纜要求與改裝版的C3D-SBP完全匹配。

（4）軟件源代碼編寫：為確保C3D-SBP設備的硬件改裝的每個動作的安全可靠，編寫微觀底層硬件的調試源代碼程序，由于改裝步驟復雜、改裝所涉及到的傳感器、線路較多，因此需要從新編寫系統源代碼。

（5）將設備準確下沉到850 m水深：在拖拽電纜的巨大的牽引力的作用下，絕大多數類型的設備的拖體都難以超過500 m，需要對設備的尾翼進行改裝升級，將C3D-SBP順利一次性地釋放到800多m水深處。

2 C3D-SBP系統的升級改造及勘探技術實施方案

鑒于實際作業要求，除了對上述技術需求進行系統升級改造外，還需考慮作業過程中各種技術的調整及升級后的技術后融合，以確保基于多樣化深海作業任務的順利完成。C3D-SBP系統的升級改造及勘探技術融合設計如下。

（1）C3D-SBP設備通信硬件自主改裝升級。根據項目的技術需求，結合C3D-SBP設備實際情況，進行通信硬件改裝，在自主改裝升級中注重每個步驟都進行軟件模擬調試，確保每個硬件改裝動作安全可靠。

基于增加的高度及數據、磁力儀數據都需要單獨的通訊端口，所以將原有的MOXA通訊卡升級，增加至6個端口，并修改C3D-SBP的VxWorks配置中更新相應的TCP/IP定義，并對6個端口進行單獨的通訊測試和綜合測試。

同時鑒于原有的工作站只是為了解讀原有的旁掃、淺剖數據而設計，為了避免負載過重，添加了新的工作站，基于UDP網絡技術將新增的高度及數據和磁力儀數據引導到新的工作站上，在經過高頻率的數據通訊測試后，實現了原有工作站和新增工作站可以同時工作，達到了既保留了C3D-SBP原有的技術功能的同時，新增了高度計和磁力儀的數據。

為了解決旁掃和淺剖相互干擾設備自由缺陷，在打開電子艙后將換能器的觸發版和淺剖換能器的電源電路、接地電路、通訊通道在不影響去電噪音軟件程序的前提下盡量分開，不再共享使用，同時增加地線的平方數，將電噪音從硬件基礎上盡量降低。

分析旁掃和淺剖相互干擾的問題根源在聲學原理上的原因，在軟件上將固定聲速改用實測的勝訴剖面，為聲學測量奠定基礎，同時調整濾波時限。在硬件上著力從調整旁掃換能器和淺剖換能器觸發的頻率，將淺剖的數據通道引導到另一臺新增的工作站上，在旁掃和淺剖直接建立時差觸發線，改變以往的同時同步觸發，根據不用的作業水深，調整觸發頻率，改變以往的同時同頻觸發，以避免旁掃和淺剖的換能器的發射波交叉接受。

（2）C3D-SBP設備供電線路改裝：根據項目的技術需求，結合磁力儀設備的用電需求的實際情況，進行供電線路的硬件改裝，在改裝中注重每個步驟都進行測試，確保每個硬件改裝動作安全可靠，如圖2所示。

（3）電纜改裝：鑒于C3D-SBP設備本身的硬件已經做了較大改動，原配的所有電纜都已與其不再匹配，為了適應改裝后的C3D-SBP，為了降本增效，取消了原定Teledyne Benthos電纜，通過自主改裝升級原有的老舊電纜、接頭使其與改裝后的C3D-SBP設備匹配，如圖3所示。

（4）軟件源代碼設計：為確C3D-SBP設備的硬件改裝的每個動作的安全可靠，設計微觀底層硬件的調試源代碼程序，用來測試每個硬件改裝后的單獨測試的實際效果和聯網后的數據測試。

（5）USBL設備改裝：考慮到最深的作業水深達到850m，為了更加準確可靠地進行定位作業，對Sonardyne RangePro的換能器加裝30度變向換能器，并在軟件中做相應的配置調整。USBL設備改裝：由于USBL換能器設計的物理規格，市場上通用的USBL聲學定位系統的聲學覆蓋范圍大都向下，主瓣能量大都在船只（換能器）的下方，因此對于長距離的水平跟蹤無法有效進行。為了解決這個問題，我們對Sonardyne RangerPro USBL的換能器加裝了一個30度的傾斜適配器，這樣就能夠將換能器的主瓣能量覆蓋范圍向船的垂直后方偏移了30度，并在軟件中進行了這個角度的修正，這就保證了我們在水深850 m的情況下，拖曳斜距在5000 m時能夠進行更準確可到的定位作業，從而保證了資料的解析準確性。

（6）培訓：經過自主改裝升級后，C3D-SBP設備已經較原版的設備技術狀況提高很多，作業使用的方式方法也截然不同，未經過原廠家的技術指導，也沒有現成的技術經驗或使用操作手冊等資源可用，還要結合改裝版的USBL設備、DT-Marine電動絞車等設備進行聯機作業，鑒于此種現況，特別著重了培訓，對每個軟硬件的原理、技術要領、操作使用的注意事項、安全注意事項等進行培訓。

（7）原始資料的融合及處理：把精確測量的平臺位置實際的繪制到CAD軟件中，把判讀完的原始調查資料嵌入到CAD軟件中。在判讀資料量取判讀的特征點距離R0，量取實際特征點的距離R，確定縮放比例因子K=R0/R。把判讀影響按縮放因子進行縮放，把原始資料融合到實際位置，如圖4所示。

（8）原始資料分析顯示。對鑲嵌到實際位置的原始資料進行分析，顯示出管纜的實際位置及地層其地貌情況，如圖5所示。

①航跡及姿態數據處理控制。處理過程中應根據實際情況平滑拖體航跡，使鑲嵌圖頻與頻之間圖像均勻過渡，避免出現雜亂的mosaic圖。

②海底跟蹤控制。設置跟蹤范圍，檢查實測海底高度是否準確，如不準確，選用振幅、梯度等檢測方式，或用人工干預方式對海底進行跟蹤，確保海底跟蹤準確，克服圖像記錄中的橫向失真。

③圖像灰度及對比度控制。調節時變增益對來自不同距離的反射點的回波信號進行補償，調節灰度及對比度使圖像灰度適中，目標物清晰易辨。

④進行斜距改正和地理編碼。將每個頻都歸算到實際海底位置，從而能直接在地貌圖上判讀海底反射信息及坐標。

3 升級改造后C3D-SBP系統的工程應用與分析

自2014年初以來，自主改裝升級版的C3D-SBP已經成功應用于中海石油（中國）有限公司深圳分公司的多項深海勘探工程項目，作業效果良好，得到了眾多領導和專家的認可與好評。目前正在推廣應用南海的深水調查項目，特別是更深的水深范圍1000 m～2000 m的作業區域。

升級改造后的C3D-SBP設備突破了調查成本高、作業風險系數高、作業效率低、受天氣影響大等一系列局限性，在解決了設備自有的旁掃和淺剖相互干擾的缺陷，保留了設備原有的技術功能的同時，還新增了深海海底管纜和海底管線和海底光纜纜搜尋定位的功能，并開發出了結合地貌、地層剖面調查、溫度、鹽度綜合調查應用系統和解釋方案，研發出一套完整的深海勘探創新技術體系，在國內此領域的技術處于領先水平。

自從自主改裝升級版的C3D-SBP成功投入到深水調查工程項目應用中以來，節省了以往應用深拖Edgetech DT-1的大量設備動復員的時間和成本，在惡劣海況的有限時間間隙內完成了施工，提高了海洋工程勘察技術水平和工作效率，為整個工程設計和后繼平臺的就位和施工提供了安全保障，同時也創造了良好的經濟效益。

3.1 升級改造后的C3D-SBP系統在工程應用中的技術創新

（1）建立了完整的深海勘探技術體系：通過對C3D-SBP的構成、結構、工作原理，特別是電子艙的以及相關技術標準規范進行研究，規范現場釋放、采集等操作流程，建立了完整的深海勘探技術體系。

（2）提高了數據采集質量：通過對C3D-SB設備的電子艙的數據采集接口、Responder接口的改裝，集成DT-marine 10015電動絞車、SeaSpy磁力儀和USBL深水定位數據和GPS水面定位數據，分析采集數據文件的記錄格式和內容，根據信號采集質量料判別采集數據的質量，合理調整釋放深度提高采集數據的質量。

（3）良好的數據處理與分析效果：通過如圖6所示方法對采集的原始數據進行處理，把原始波形信號和解釋成果嵌入到常用軟件中，直接得出深海海底光纜的實際位置及其周圍地貌情況。

3.2 經濟效益

（1）直接經濟效益：目前中海石油（中國）有限公司正在使用自主改裝升級版的C3D-SBP設備進行作業，預計全年可為南海作業船只增加直接產值3000萬元。

2）間接經濟效益：使用自主改裝升級版C3D-SBP進項深水項目調查，規避了作業風險、大大縮短了作業工期、提高了作業效率、提高了作業質量，大大減少了作業人數，有效的降低了生產成本，擴大了該設備的應用領域，為后期億元項目實施提供了堅強的技術支撐。

4 結語

基于深海海底管纜搜索定位及海底地貌底層勘探任務需求，該文通過分析深海勘探設備C3D-SBP升級改造需求，研發設計出一套C3D-SBP設備升級改造方案，并建立了一整套適用于深海海底管纜調查和地層貌底綜合調查應用系統改造設計方案。升級改造后的C3D-SBP設備及相關技術提高了作業質量和效率和降低了生產成本，提出了深海海底管纜和地層地貌調查的創新性技術手段，提升了在該領域的競爭力，為該技術應用與推廣奠定了良好的基礎。

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