基于保障航行安全的海纜信息采集方法的研究與應用

季凱敏 范明華

（交通運輸部東海航海保障中心上海海事測繪中心，上海 200090）

隨著海上風電建設的加快發展，海底電纜管線的鋪設越來越多，海上風電場建設過程中可能產生實際影響船舶作業安全的障礙物，這些因素給水上交通安全帶來較大的潛在安全隱患。航行和作業船舶因不了解海底海纜情況，水上交通意外事故時有發生，同時錨泊船舶造成海底電纜損傷，給海上風電綠色能源建設也造成了不可估量的損失。

為了保障船舶通航安全，有必要在海纜敷設完成后，對海纜路由情況及相關水域的水深變化等信息進行全面采集，摸清施工后的周圍水深情況、海底地形現狀，查明斷管、殘管等影響通航安全的障礙物，更新港口航道圖資料，確保各類通航和作業安全風險受控。同時，為港口規劃建設及港航服務提供依據，為海底電纜維護提供技術支持。

1 采集方法研究

1.1 采集內容

為了保障船舶通航安全，需要對海纜電纜鋪設后的水域情況進行信息采集。從信息采集的目的出發，可以將采集的內容分為水深測量、障礙物探測、海纜路由探測3 個主要部分，如圖1 所示。

圖1 海纜信息采集內容

1.2 采集方法

海底電纜管道路由勘察一般在沿路由中心線兩側一定寬度的走廊帶范圍內進行。寬度在登陸段一般為500 m，在近岸段一般為500 m，在淺海段一般為500～l 000 m。為了調查施工水域周圍的水深變化情況，摸清影響通航安全的障礙物，水深測量和障礙物探測的范圍宜選擇500～l 000 m。

1.2.1 水深測量

水深測量的主要方法為單波束測深系統和多波束測深系統。本文建議結合水域港口航道圖資料，可采用單波束測量的方式進行水深數據的采集。在需要采集信息的水域范圍內，測線垂直于海底管線方向布設，如圖2 所示。岸側測至等深線2 m 處為宜。

1.2.2 障礙物探測

探測航行障礙物的基本要求是準確測定其位置、最淺深度(或干出高度或高程)、延伸范圍和性質。大面積海區障礙物探測通常是將多波束測深系統與側掃聲吶掃測系統進行有機結合，在側掃聲吶系統對水域進行粗掃的基礎上，采用多波束測深系統對側掃聲吶系統發現的障礙物的概略位置、高度進行精掃。

采用側掃聲吶系統對測區進行全覆蓋測量，測線平行于路由方向，其中一條測線應沿路由布置。

1.2.3 海纜路由探測

海纜路由探測常用的手段為磁力儀或者淺地層剖面儀。磁力儀通常以拖曳方式，由于受潮流、風浪等因素的影響，位置歸算會存在一定誤差，可采用同一測線往返取平均的方式減小位置歸算誤差的影響。

相比拖曳式的磁力儀，淺地層剖面可固定安裝于船舷，定位精度相對較高，如圖3 所示。如SES-2000 Light 型參量陣淺地層剖面儀，其換能器小巧輕便，安裝快捷，同時具有很高的分辨率(100 KHz 換能器束角僅為1.8°)，適合于淺地層及海底電纜等目標的精確探測。

本文建議一般情況下可使用淺地層剖面儀進行海纜路由探測的主要手段，將磁力儀作為補充手段，如部分水域的海底底質淺剖無法穿透。同時，為了探明特殊路段的海纜信息，如裸露段、拐彎段、海上升壓站附近等，可借助ROV 水下機器人或者水下三維聲吶系統，水下三維聲吶系統組成如圖4所示。

圖4 水下三維聲吶系統組成示意圖

如EchoScope 三維成像聲吶系統可以實時讀取水下目標數據，形成清晰的三維圖像，展現水下結構和目標物的細部構造，準確獲取物體上每個點的三維坐標信息。選取EchoScope 三維成像聲吶系統復核路由拐點附近的淺剖數據，確認路由拐彎段是否存在裸露。同時，探測出升壓站及周邊海纜的水下三維狀況，確定升壓站的準確位置。

綜合以上內容和方法的研究探討，總結形成以保障船舶通航安全為目的的海纜信息采集方法，如圖5 所示。

圖6 局部水深情況示意圖

2 海纜信息采集方法的應用

基于船舶通航安全，在蘇北某海纜信息數據采集案例中，采用上述方法對海纜信息進行了采集。

2.1 水深數據

水深測量采用ODOM 公司的MKIII 型雙頻測深儀，采集高頻水深數據，頻率為200 KHz。水深測量比例尺1:5 000，路由兩側各500 m，岸側測至等深線2 m 處重點關注路由附近水域水深變化情況，以及淺點分布情況。經綜合分析，路由附近水深無明顯變化，測量范圍內未發現明顯淺點。

2.2 障礙物探測

在障礙物探測過程中共使用藍創Shark-S455 和EdgeTech-Discover-4205 兩套聲吶進行全覆蓋掃測。

障礙物探測范圍以路由中心線為基準兩側各500 m。測線平行于路由中心線布設，在路由上方及左右50 m 處布設3 條測線精掃，其余范圍按照100 m 測線間距掃測。

在現場探測和數據回放過程中，探測到部分裸露路由段，如圖7 所示。未在該水域發現影響船舶航行的礙航物。

圖7 裸露海纜管線

圖8 海纜管線探測信號示意圖

2.3 海纜路由探測

海纜路由探測主體部分采用淺地層剖面儀進行，部分水域以三維聲吶輔助淺地層剖面儀進行探測。

2.3.1 淺地層剖面儀

淺地層剖面儀探測范圍以海纜路由為中線，兩側各延伸250 m。海纜探測采用斷面調查的方式進行作業，測量斷面垂直路由走向，間距100 m，拐點處加密至20 m 間距。

2.3.2 水下三維聲吶

利用水下三維聲吶對海纜路由拐彎段以及升壓站附近的海纜進行輔助探測。通過對外業數據進行處理，去噪、拼接后，分析發現，拐彎段無裸露海纜。將三維聲吶探測到的路由信息通過AutoCAD 成圖軟件將管溝位置輸出成圖，與淺地層剖面儀探測的數據進行比對，確認三維聲吶管溝位置與淺剖探測位置一致。如圖9 所示，圖中紅色點位為淺剖探測數據，白色定位為三維聲吶探測數據。

圖9 拐彎段回路路由三維聲吶數據和淺剖數據比對圖

同時，利用三維聲吶獲得了升壓站附近海纜路由走向以及升壓站的位置信息，為更新海圖提供完整的基礎數據。

3 結束語

利用本文研究的海纜信息采集方法，基于船舶航行安全對海纜路由情況及相關水域的水深變化等信息進行全面采集，可以為更新港口航道圖資料提供基礎數據，確保各類通航和作業安全風險受控。

但是，風電場海纜情況和海底底質情況都比較復雜，在實際采集信息的過程過程中會采用多種手段輔助。

1）對于一些底質，淺地層剖面儀可能無法穿透或者信號強度不夠，須采用磁力儀輔助探測。

2）合成孔徑聲吶（SAS）具有很高的方位向空間分辨能力，30 kHz 甚至更低頻段的SAS，具有很好的掩埋物探測能力。搭載側掃聲吶和多波束的三維合成孔徑聲吶系統，可以對海底懸浮、沉底和掩埋目標進行三維成像探測。但是數據融合處理的效率偏低。

3）對于一些特殊需要，可利用水下機器人ROV 開展輔助探測。

對于通航環境復雜的水域，為了保障通航安全，海纜路由信息的采集要求可適當提高，如對一定范圍內的水域進行多波束、側掃聲吶全覆蓋測量等等。