基于深海作业设备C3D—SBP的升级改造与工程应用

梁春江++岳鹏

摘 要：该文针对深海海底管缆搜索定位及海底地层地貌勘探任务需求，对已有C3D-SBP拖鱼系统进行升级改造，分别对该设备通信硬件、供电线路、连接电缆、软件源代码、USBL、测线进行改装设计。为配合该升级设备在工程中的应用，分别对作业过程中的原始数据资料判断提取技术、原始数据处理与分析技术、释放与回收技术进行相应调整改进。最终形成了一整套适用于深海海底管缆调查和地层地貌综合调查的应用系统升级改造方案。实际工程应用证明该改造方案可行，并带来直接经济效益和间接经济效益，为同类设备的升级改造与应用推广提供了参考，拓展了深海海底管缆和地层地貌调查的技术手段。

关键词：深海海底勘探 C3D-SBP 升级改造设计 工程应用

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0008-04

目前，海上平台设施越来越多，其周边的海底管缆分布密集，甚至错综复杂。所以准确地确定海底管缆的位置、状态和地层地貌等信息对油田综合调整实施的设计、海上平台的安全抛锚就位、后继施工、日常运营维护以及海底管缆自身的安全具有重大意义[1-6]。

随着海海底管缆调查的工作量逐步增长，但现有的近平台区域管缆调查方式主要分为三类。

第一类：潜水探摸调查。具体方法为潜水员携带水下定位信标对对下管缆进行目视检测，利用水面差分定位系统和水下定位系统进行综合定位方式对海底管缆进行探摸确定管缆的位置和状态。常规的潜水探摸调查不仅成本高昂、风险系数高，且作业效率低、受天气影响很大等众多局限性并且潜水员的潜水深度局限于500 m水深以内。

第二类：ROV或AUV水下作业，通过ROV或AUV搭载专业换能器等设备，由专业的有资质的操作人员操作，同时要求有DP船支持，专业设备成本、人工成本和船舶成本很高，容易受天气、海底流层的影响，不仅成本高昂、风险系数高，且作业效率低。

第三类：拖拽设备作业，对辅助设备如大型门吊、绞车、液压泵、拖拽电缆等要求苛刻，设备动复员成本高，作业中受渔业干扰严重，对海底地形起伏较大的工区中效率更低。

综上所述，开发新的有效调查手段对深海海底管缆搜寻定位设备和技术，获取状态和地层地貌等信息，解决该技术难题迫在眉睫。

近年来，许多科研机构、院校和勘察单位都在研究新的设备和技术用以改进常规的管缆调查方式。该文通过自主升级改装设备C3D-SBP[7，8]，以深海调查项目实践应用为研究背景，研究出了一整套适用于100～2000 m的海底管缆调查和地层地貌综合调查应用系统和解释方案，可以替代常规的作业模式，实现了规避作业风险、提高了作业质量和效率，同时降低了生产成本，拓展了深海海底管缆和地层地貌调查的技术手段，提高了工程勘察质量，提升了该领域的技术水平。

1 C3D-SBP的升级改造需求分析

1.1 C3D-SBP设备技术指标

C3D-SBP系统是Teledyne Benthos公司开发的新一代深海拖鱼，C3D-SBP拖鱼系统具有较宽的扫宽，并可以将旁扫、测深和浅剖数据集成在一起，具有较高的作业效率[9-12]，如图1所示。其技术指标如表1所示。

1.2 设备升级改造需求分析

针对深海作业任务，现有C3D-SBP设备具有很多局限性，设备的软硬件等不符合作业要求。因此，基于多样化的不定海深作业任务背景，对C3D-SBP进行升级改造设计，具体作业需求如下。

（1）通信硬件自主改装升级：设备内部现有的通信设备指标和技术已趋于淘汰，需在C3D-SBP设备现有的局限性内重新设备的硬件配置。

（2）供电线路自主改装升级：根据项目的技术需求，结合磁力仪设备的用电需求的实际情况，需在不影响其他传感器供电的前提下进行电路改装。

（3）电缆改装升级：鉴于C3D-SBP设备本身的硬件已经做了较大改动，原配的部分电缆已与其不再匹配，为了适应改装升级后的C3D-SBP，改装电缆要求与改装版的C3D-SBP完全匹配。

（4）软件源代码编写：为确保C3D-SBP设备的硬件改装的每个动作的安全可靠，编写微观底层硬件的调试源代码程序，由于改装步骤复杂、改装所涉及到的传感器、线路较多，因此需要从新编写系统源代码。

（5）将设备准确下沉到850 m水深：在拖拽电缆的巨大的牵引力的作用下，绝大多数类型的设备的拖体都难以超过500 m，需要对设备的尾翼进行改装升级，将C3D-SBP顺利一次性地释放到800多m水深处。

2 C3D-SBP系统的升级改造及勘探技术实施方案

鉴于实际作业要求，除了对上述技术需求进行系统升级改造外，还需考虑作业过程中各种技术的调整及升级后的技术后融合，以确保基于多样化深海作业任务的顺利完成。C3D-SBP系统的升级改造及勘探技术融合设计如下。

（1）C3D-SBP设备通信硬件自主改装升级。根据项目的技术需求，结合C3D-SBP设备实际情况，进行通信硬件改装，在自主改装升级中注重每个步骤都进行软件模拟调试，确保每个硬件改装动作安全可靠。

基于增加的高度及数据、磁力仪数据都需要单独的通讯端口，所以将原有的MOXA通讯卡升级，增加至6个端口，并修改C3D-SBP的VxWorks配置中更新相应的TCP/IP定义，并对6个端口进行单独的通讯测试和综合测试。

同时鉴于原有的工作站只是为了解读原有的旁扫、浅剖数据而设计，为了避免负载过重，添加了新的工作站，基于UDP网络技术将新增的高度及数据和磁力仪数据引导到新的工作站上，在经过高频率的数据通讯测试后，实现了原有工作站和新增工作站可以同时工作，达到了既保留了C3D-SBP原有的技术功能的同时，新增了高度计和磁力仪的数据。

为了解决旁扫和浅剖相互干扰设备自由缺陷，在打开电子舱后将换能器的触发版和浅剖换能器的电源电路、接地电路、通讯通道在不影响去电噪音软件程序的前提下尽量分开，不再共享使用，同时增加地线的平方数，将电噪音从硬件基础上尽量降低。

分析旁扫和浅剖相互干扰的问题根源在声学原理上的原因，在软件上将固定声速改用实测的胜诉剖面，为声学测量奠定基础，同时调整滤波时限。在硬件上着力从调整旁扫换能器和浅剖换能器触发的频率，将浅剖的数据通道引导到另一台新增的工作站上，在旁扫和浅剖直接建立时差触发线，改变以往的同时同步触发，根据不用的作业水深，调整触发频率，改变以往的同时同频触发，以避免旁扫和浅剖的换能器的发射波交叉接受。

（2）C3D-SBP设备供电线路改装：根据项目的技术需求，结合磁力仪设备的用电需求的实际情况，进行供电线路的硬件改装，在改装中注重每个步骤都进行测试，确保每个硬件改装动作安全可靠，如图2所示。

（3）电缆改装：鉴于C3D-SBP设备本身的硬件已经做了较大改动，原配的所有电缆都已与其不再匹配，为了适应改装后的C3D-SBP，为了降本增效，取消了原定Teledyne Benthos电缆，通过自主改装升级原有的老旧电缆、接头使其与改装后的C3D-SBP设备匹配，如图3所示。

（4）软件源代码设计：为确C3D-SBP设备的硬件改装的每个动作的安全可靠，设计微观底层硬件的调试源代码程序，用来测试每个硬件改装后的单独测试的实际效果和联网后的数据测试。

（5）USBL设备改装：考虑到最深的作业水深达到850m，为了更加准确可靠地进行定位作业，对Sonardyne RangePro的换能器加装30度变向换能器，并在软件中做相应的配置调整。USBL设备改装：由于USBL换能器设计的物理规格，市场上通用的USBL声学定位系统的声学覆盖范围大都向下，主瓣能量大都在船只（换能器）的下方，因此对于长距离的水平跟踪无法有效进行。为了解决这个问题，我们对Sonardyne RangerPro USBL的换能器加装了一个30度的倾斜适配器，这样就能够将换能器的主瓣能量覆盖范围向船的垂直后方偏移了30度，并在软件中进行了这个角度的修正，这就保证了我们在水深850 m的情况下，拖曳斜距在5000 m时能够进行更准确可到的定位作业，从而保证了资料的解析准确性。

（6）培训：经过自主改装升级后，C3D-SBP设备已经较原版的设备技术状况提高很多，作业使用的方式方法也截然不同，未经过原厂家的技术指导，也没有现成的技术经验或使用操作手册等资源可用，还要结合改装版的USBL设备、DT-Marine电动绞车等设备进行联机作业，鉴于此种现况，特别着重了培训，对每个软硬件的原理、技术要领、操作使用的注意事项、安全注意事项等进行培训。

（7）原始资料的融合及处理：把精确测量的平台位置实际的绘制到CAD软件中，把判读完的原始调查资料嵌入到CAD软件中。在判读资料量取判读的特征点距离R0，量取实际特征点的距离R，确定缩放比例因子K=R0/R。把判读影响按缩放因子进行缩放，把原始资料融合到实际位置，如图4所示。

（8）原始资料分析显示。对镶嵌到实际位置的原始资料进行分析，显示出管缆的实际位置及地层其地貌情况，如图5所示。

①航迹及姿态数据处理控制。处理过程中应根据实际情况平滑拖体航迹，使镶嵌图频与频之间图像均匀过渡，避免出现杂乱的mosaic图。

②海底跟踪控制。设置跟踪范围，检查实测海底高度是否准确，如不准确，选用振幅、梯度等检测方式，或用人工干预方式对海底进行跟踪，确保海底跟踪准确，克服图像记录中的横向失真。

③图像灰度及对比度控制。调节时变增益对来自不同距离的反射点的回波信号进行补偿，调节灰度及对比度使图像灰度适中，目标物清晰易辨。

④进行斜距改正和地理编码。将每个频都归算到实际海底位置，从而能直接在地貌图上判读海底反射信息及坐标。

3 升级改造后C3D-SBP系统的工程应用与分析

自2014年初以来，自主改装升级版的C3D-SBP已经成功应用于中海石油（中国）有限公司深圳分公司的多项深海勘探工程项目，作业效果良好，得到了众多领导和专家的认可与好评。目前正在推广应用南海的深水调查项目，特别是更深的水深范围1000 m～2000 m的作业区域。

升级改造后的C3D-SBP设备突破了调查成本高、作业风险系数高、作业效率低、受天气影响大等一系列局限性，在解决了设备自有的旁扫和浅剖相互干扰的缺陷，保留了设备原有的技术功能的同时，还新增了深海海底管缆和海底管线和海底光缆缆搜寻定位的功能，并开发出了结合地貌、地层剖面调查、温度、盐度综合调查应用系统和解释方案，研发出一套完整的深海勘探创新技术体系，在国内此领域的技术处于领先水平。

自从自主改装升级版的C3D-SBP成功投入到深水调查工程项目应用中以来，节省了以往应用深拖Edgetech DT-1的大量设备动复员的时间和成本，在恶劣海况的有限时间间隙内完成了施工，提高了海洋工程勘察技术水平和工作效率，为整个工程设计和后继平台的就位和施工提供了安全保障，同时也创造了良好的经济效益。

3.1 升级改造后的C3D-SBP系统在工程应用中的技术创新

（1）建立了完整的深海勘探技术体系：通过对C3D-SBP的构成、结构、工作原理，特别是电子舱的以及相关技术标准规范进行研究，规范现场释放、采集等操作流程，建立了完整的深海勘探技术体系。

（2）提高了数据采集质量：通过对C3D-SB设备的电子舱的数据采集接口、Responder接口的改装，集成DT-marine 10015电动绞车、SeaSpy磁力仪和USBL深水定位数据和GPS水面定位数据，分析采集数据文件的记录格式和内容，根据信号采集质量料判别采集数据的质量，合理调整释放深度提高采集数据的质量。

（3）良好的数据处理与分析效果：通过如图6所示方法对采集的原始数据进行处理，把原始波形信号和解释成果嵌入到常用软件中，直接得出深海海底光缆的实际位置及其周围地貌情况。

3.2 经济效益

（1）直接经济效益：目前中海石油（中国）有限公司正在使用自主改装升级版的C3D-SBP设备进行作业，预计全年可为南海作业船只增加直接产值3000万元。

2）间接经济效益：使用自主改装升级版C3D-SBP进项深水项目调查，规避了作业风险、大大缩短了作业工期、提高了作业效率、提高了作业质量，大大减少了作业人数，有效的降低了生产成本，扩大了该设备的应用领域，为后期亿元项目实施提供了坚强的技术支撑。

4 结语

基于深海海底管缆搜索定位及海底地貌底层勘探任务需求，该文通过分析深海勘探设备C3D-SBP升级改造需求，研发设计出一套C3D-SBP设备升级改造方案，并建立了一整套适用于深海海底管缆调查和地层貌底综合调查应用系统改造设计方案。升级改造后的C3D-SBP设备及相关技术提高了作业质量和效率和降低了生产成本，提出了深海海底管缆和地层地貌调查的创新性技术手段，提升了在该领域的竞争力，为该技术应用与推广奠定了良好的基础。

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