海底监测网（共3篇）
海底监测网 篇1
海底电缆是指铺设于海底用于通信、电力输送的电缆, 包括海底通信光缆、海底输电电缆等。近年来伴随着我国海洋经济的迅速发展, 海底电缆工程建设项目也以前所未有的规模和速度不断涌现。铺设海底电缆既是重要的用海方式[1], 又是常见的海洋工程类型[2]。我国现行的涉海法律、法规要求对包括海底电缆铺设在内的海洋工程建设项目实施海域使用及环境影响实施监视、监测和监督管理[3,4,5,6]。国家海洋局从2006年开始建设国家海域使用动态监视监测管理系统[7], 对海底电缆铺设施工的动态监测是该系统的重要内容[8]。
海底电缆工程被世界各国公认为最复杂困难的大型工程, 其投资巨大、工艺复杂。该类工程进入铺设施工阶段后, 其项目用海行为发生的海域随铺缆船沿施工路由不断离岸延伸, 速度可达每天十余千米。现有的卫星遥感监测与地面监测等手段无法承担此类海域使用动态监测任务, 难以满足政府对海域使用实时监督和科学管理的需求。因此, 开展海底电缆铺设施工期间海域使用动态监测技术探讨, 对提高各级海洋管理部门和其他涉海部门的综合决策能力和办事效率, 依法维护国家海域所有权和海域使用权人的合法权益, 保护海洋资源和环境具有重要意义。
海域使用动态监测是一个全新的工作领域, 有着鲜明特点, 在监测实施、业务组织、系统开发等方面都需要进行大量的探索与创新[9]。海域使用动态监测工作有着强烈的实践需求, 也有较为综合的理论要求。现今针对海底电缆铺设施工前的路由勘察、环境影响评价及海域使用论证等工作已经拥有了丰富的实践经验, 形成了较为成熟的法律法规与标准规程, 但海底电缆铺设施工期间的动态监测工作刚刚起步, 仍面临着许多理论和实践问题, 有待进一步研究探讨。
1 海底电缆铺设施工简介
海底电缆是铺设于海底的线状设施, 其直径在60 mm左右[10], 长度取决于连接的两端登陆点间的距离, 单根无中继段海底光缆最大距离已经可达400km[11]。海底电缆一般由外被层、铠装层、护层、抗压管和光纤单元 (导体) 等部分组成, 根据铺设海区的深度分为浅海型 (水深小于500 m) 和深海型 (水深大于500m) 。
海底电缆的铺设施工过程可分为以下几个步骤:铺设前扫海清障、铺设作业、铺后监测与复埋。其中, 铺设作业分为埋设和敷设。在浅海区, 由于易受到养殖、捕捞、抛锚等人为因素损坏, 一般采用埋设方式;在深海区, 受外界因素影响较小, 一般采用敷设方式, 即直接将海底光缆布放在海底。根据埋设区海底底质的类型, 埋设手段包括为犁式埋设、水喷式埋设与机械挖掘式埋设[12]。当埋设电缆交越其他在用海底管线时, 在距离交越点500m以外, 会将埋设犁回收至铺缆船的甲板, 将铺设光缆用硬塑料套管进行保护后敷设于现有光缆之上, 交越的角度尽量控制在90°, 且不低于45°, 然后在离开交越点500 m以外后, 埋设犁重新下放工作。铺后监测与复埋, 是在由于不利的地质条件、水下设备故障等因素导致在铺设施工中海底电缆未能达到埋设要求的区域, 利用ROV (遥控水下机器人) 进行检查, 并利用ROV上高压水枪冲埋的方式进行埋复。
2 动态监测的内容与目的
海洋管理必须依靠监测的资料与数据才能产生正确的管理行为和较好的行为后果[13]。海底电缆铺设施工海域使用动态监测是专业勘察监测单位以相对独立的第三者身份, 依据相关法律规范、有关政策以及批复文件等, 对发生在中华人民共和国内水、领海和其他管辖海域内的海底电缆铺设施工时间、位置、工艺及对利益相关者解决方案的落实进行监测监控, 并将监测监控的数据完整、安全和及时传递给海洋管理部门, 为海域使用动态评价与决策提供技术支撑。
海底电缆铺设海域使用动态监测, 能够促使海缆铺设项目严格按照海域使用论证和环境影响评价及其批复文件的要求, 进行建设并落实到位, 防止其随意改变项目用海的方式、位置, 预防对利益相关者造成重大损害, 避免对海洋环境和生态环境产生不可逆转的影响。这种运用专业、高效的动态监测技术手段, 对海底电缆铺设过程中用海行为进行客观评价, 改进管理的意见和建议的过程, 是提高行政效能、保证涉海政府管理部门决策科学化的重要举措。
3 监测方法及特点
根据海缆铺设施工过程中不同的用海行为特点, 采取人员监督或设备探测等不同类型的监测方法, 选择多元的监测手段, 可大幅提高海域使用动态监测的科学化、规范化的水平。
3.1 施工现场监督与监测
施工现场检验与监测是指监测技术人员登临海底电缆铺设船, 对整个施工过程进行实时监测与监督。深入现场实施检查、监测海底电缆铺设, 是海域使用动态监测的不可或缺的重要环节。现场监督与监测方法主要包括人员现场监督记录与设备水上水下定位等。
人员现场监督记录为监测人员采用现场监视、拍照、录像等手段, 对海缆铺设所采用的施工设备、工艺与施工进度进行详细记录, 并形成监测档案, 以核实海缆铺设是否落实用海方式控制要求, 其施工工艺以及技术手段是否符合海域使用批复的要求, 海缆铺设船是否发生批复铺设海缆以外的其他用海行为。若在现场发现有违背批复的海域使用行为应及时上报相关海洋管理部门。
设备水上、水下定位为监测技术人员利用全球卫星定位系统对海缆铺设船的航迹进行实时监控记录, 采用水下声学定位系统对海缆铺设的水下设备 (如埋设犁) 的水下活动开展定位记录, 以监督海缆船铺设行为是否超出批复的用海海域。此外, 由于水下声学定位系统使用技术难度及经济成本都较高, 可利用“主要因素分析管理”等方法, 统筹整个施工全过程, 抓住主要矛盾, 在铺设光缆与在用光缆管道交越等关键控制点采用, 既不影响海缆铺设项目的顺利实施, 同时满足海域使用管理的需求。
施工现场监督与监测的数据与成果应及时以航次简报的形式上报海洋管理部门, 航次简报应包括航次编号、项目名称、项目编号、施工单位、施工船只、监测单位、测量时间、测量基准、测量设备、测量人员、项目施工进度、项目施工工艺及设备、施工船航行描述、施工船作业过程简述、相关照片、其他附件、结论与建议等内容。在施工结束后应编入项目动态监测报告中。
3.2 综合工程地球物理探测
由于大型海缆工程的路由长度普遍较长, 往往会达到几千千米, 因此可根据海缆铺设施工进度, 分阶段在完成铺设的路由区, 综合采用水深测量 (单波束、多波束) 、侧扫声呐探测、浅地层剖面探测等工程地球物理技术手段, 核实海底电缆的埋设位置、深度, 了解和掌握海缆开挖、填埋施工后海底地貌变化状况, 以及对其交越的其他海底管线等构筑物的影响。
综合工程地球物理探测的测线布设及实施过程可参照相关规范执行[14]。综合工程地球物理探测的时效性应予以保证, 同时在内水、领海及其他管辖海域内可根据具体的施工工艺, 采用不同的监测方式 (全程检测与监督抽查) 、不同的监测比例尺, 但在内水与领海范围应强制采用全程监测的方式。同时, 在综合工程地球物理探测实施工程中, 应保证监测仪器设备满足各监测项目的要求、计量设备应经过法定计量检定部门的检定后使用、监测人员应经过行业管理部门的培训后持证上岗。
综合工程地球物理探测应形成工程地球物理动态监测报告及相关图件, 编入项目动态监测报告中, 并上报海洋行政主管部门。
3.3 调查走访
该方法是利用实地走访或征求意见函的手段, 考察海域使用者对于海域使用协调方案与对策措施的落实情况, 确定其是否对相关利益者造成不良影响。调查走访的过程中, 若发现重大问题, 应及时反馈给施工单位, 并上报管理部门。
调查走访应形成调查走访监测报告, 并编入项目动态监测报告中, 同时上报给海洋行政主管部门。
4 结束语
在海底电缆铺设用海行为管理中引入动态监测工作, 使动态监测成为海缆海域使用管理的重要支撑, 对工程实施的全过程进行监测评估, 是海域使用管理逐步制度化和规范化的必然要求。本文初步探讨了我国海缆铺设施工动态监测的目的与特点, 提出了现场监督与监测、综合工程地球物理探测、调查走访3种主要动态监测方法。3种监测方法的综合利用, 可有力推动海缆用海管理向科学化和规范化转变。在未来海缆海域使用管理中, 如何建立的动态监测组织管理机制、如何开展动态监测评估工作、如何为动态监测提供制度保障等将是研究的重点。
海底监测网 篇2
1 海底边界层原位监测系统的构成
嵌入式数据的采集与控制系统有5部分组成,其组成框图如图1所示,分别为数据采集系统,MSP430控制系统,9台深海设备,串口服务器,交换机。
数据采集系统包括两块ARM嵌入式系统,MSP430主要控制电机以及不同设备的电源开关和两个化学传感器DO与PH的采集。9台深海设备分别为三维海流计(ADCP),三维点式流速仪(ADV),CO2传感器,CH4传感器,DO与PH传感器,高度计,电机和深海摄像机。串口服务器采用的是拥有一个10/100 M以太网口和8个异步串口的通信服务器。交换机主要是负责ARM系统,MSP430,串口服务器下所连接的设备,深海摄像机和数据回收时PC机通过TCP/IP协议进行相互网络通信。
2 数据采集系统的构成
2.1 硬件基础
ARM处理器是小体积,低功耗,低成本而高性能的微处理器[1]。本系统采用的是ATMEL公司的AT91S9263CU作为系统的控制核心,2 MB的NOR-FLASH用来存放U-Boot引导程序,SD卡用来存放应用程序和从深海设备采集到的数据。MSP430单片机自带8路12位A/D转换器精度高,设计灵活巧妙[2],负责采集DO与PH传感器模拟量数据的采集与系统电源管理控制。
2.2 软件设计
由于系统要长期在海底环境下工作,所以对应用程序的要求很高,首先要求软件能够根据海底不同的环境能够采用不同的数据采集方式与系统的工作方案,同时也需要软件具有较好的健壮性与容错性并且能够修正错误继续正常工作。
2.2.1 程序的整体设计
Linux操作系统是一个完全内存保护,多任务多进程的操作系统[3],所以采用了Linux操作系统。应用程序采用了多线程来实现,线程是一个进程内的基本调度单位,是在共享内存中并发的多道执行路径,大大减小了上下文切换的开销[4]。程序的主线程主要负责两块ARM的相互通信,控制深海设备的数据采集,实时的监测系统运行状态,同时通过与单片机的通信来控制电源系统。数据采集线程是负责深海设备的数据采集控制,在此线程下分别开通了对应于ADCP,ADV,CO2,CH4,DO和PH的子线程,实现了不同设备的同步数据采集,保证了数据的有效性。数据上传线程是负责在设备回收后与PC机连接进行数据上传回收,即将ARM板SD卡上的数据上传到PC机上。程序主要分为3个阶段:岸上设置参数阶段,设备投放阶段,数据采集阶段。岸上设置阶段主要是设置主要参数,包括采集周期,高度计在电机可调范围下的上限以及与传感器的位差,电机可用选择,摄像机开机周期。设备投放阶段主要完成在设备到达海底后进行电机控制,使设备底端到达距海地的最佳位置。数据采集阶段采用的是定时采集数据模式,由单片机根据设定的时间值,周期性控制无触点继电器向嵌入式系统供电。在系统上电后两块ARM板通信确定一个为主系统与从系统,由主系统控制设备的数据采集,数据通过串口服务器,同时传输给主从系统。
2.2.2 程序的可控制性
根据对不同海底环境与设备监测要求,可以在设备投放开始前进行对软件工作模式的设置,设置软件相关参数。设置的参数将以二进制配置文件的格式存储在SD卡中,每次ARM板上电后会读取配置文件,使其在设置的模式下工作,满足对不同海域的深海数据监测。
2.2.3 系统的健壮性与容错性
系统从软件通信与硬件故障处理2个方面来保证系统的正常运行稳定性,以及数据采集的正确性与完整性。
在软件方面,包括软件对深海设备的控制与单片机通信2个部分。在对深海设备的控制部分,操作系统向深海设备发送数据采集命令的时候会监测设备的响应,如果设备没有响应或者响应超时,会重新发送数据采集命令,由于操作系统与设备之间通信采用的TCP/IP协议,为了防止设备不响应导致程序客户端接收一直阻塞,所以在客户端建立好后使用SELECT函数控制等待接受数据,在使用SELECT函数之前,首先使用FD_ZERO与FD_SET来初始化描述符集[5],并且设置好客户端等待时间。
这样如果在3次发送命令后设备在设置的时间内均没有响应,则系统会跳出对该设备的数据采集循环,不会使程序进入阻塞。在对单片机通信部分,为了保证通信的正确性与完整性,ARM板与单片机之间采用数据包的方式进行通信[6],其帧格式如图2所示。同时单片机对应于ARM系统有3个工作状态,为了使单片机与ARM工作状态一致,ARM系统在每次启动后都会与单片机确认处于同一工作状态,防止了单片机出现故障时状态改变而导致整个系统出现工作状态不一致带来的风险。
在硬件方面,系统采用的是双ARM冗余的控制与数据存储方式,由于串口服务器设置成了双会话,所以数据采集完成后会同时传送给2个ARM系统,2个ARM系统会将数据存储。2个ARM系统在任何时候都会有一个为主系统和一个从系统。主系统的程序流程图如图3所示,在两块ARM板相互通信后确定主从系统,主系统负责深海设备的数据采集和与单片机通信,从系统只负责接收设备采集的数据并存储,从系统的程序流程图如图4所示。如果在数据采集的过程中主系统出现问题,则从系统会检测判断并完成主系统剩下了的工作任务,使整个系统不会因为某个系统出现问题影响到整个系统崩溃而带来时间与经济的损失。
2.2.4 支持与岸上上位机的程序接口
当系统从海底打捞回收之后,不需要拆卸系统,只需要用一根网线连接嵌入式系统与上位机(如PC机),嵌入式系统就会自动连接上位机并且根据上位机的命令操作,将存储在SD卡上的数据通过网线上传到上位机。
3 结语
通过长时间的实验与调试,结果表明系统可以稳定的实时采集数据,程序结构灵活稳定,修改方便。然而目前系统上电启动时间较长,可以通过对Linux内核的裁剪去除一些不需要的工作模块,使系统进一步优化,来改善系统启动时间较长的问题。
摘要：为了提高深海海底边界层原位数据的实时稳定监测,整个系统采用了9台深海仪器,以ARM9作为控制核心,以Linux系统为软件平台,MSP430单片机作为硬件设备电源控制系统,组成了实时、自动化、稳定的深海数据采集控制与管理;系统采用了双ARM嵌入式系统冗余控制与数据存储设计;该系统分别随东方红2号与海洋4号出海海试,并获得了满意的结果;结果说明该系统具有较高的稳定性与可靠性;
关键词：深海监测,嵌入式Linux,MSP430,双操作系统
参考文献
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海底监测网 篇3
关键词：动力电缆,光纤传感,布里渊散射,温度,变形
1 引 言
当前,随着我国油田在渤海湾浅海地区石油资源开发规模的扩大,相应地浅海地区固定式采油井组平台也越建越多,需要敷设的海底动力电缆也越来越多。如胜利油田浅海海域的钻井平台,其中大多数平台由陆上海洋变电站采用11 kV或35 kV高压海底电缆供电,由于电缆的高负荷运行、海域的复杂地质结构和海上的复杂运行环境,使得运行中的电缆经常出现断路、短路等故障,影响生产,也带来巨大经济损失。因此,对运行电缆进行在线监测将是保障电缆健康运行的重要措施。从有关文献资料得知,日本学者Nishimoto T,在1996年对一个岛上的66 kV的高压电缆内使用分布式光纤温度应变传感来监测船抛锚和人为的一些机械破坏[1,2],取得了一些好的效果;1997年,亚喀巴湾横跨海峡连接约旦和埃及的400 kV海底电缆,采用拉曼散射的分布式光纤温度监视电缆内部温度的变化,从而可对高压电缆导线运行电流和电压状况进行监测,该系统一直应用至今;国内对陆地高压电缆的表面温度也采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行监测[3,4];西安交通大学罗俊华等人主要研究采用局部放电的方法对高压电缆进行短距离在线监测。但目前这些研究的对象要么是陆地高压电缆,要么采用的方法和技术单一,对敷设在浅海域淤泥质海床上的高压动力电缆在线监测难以直接应用。为此,本课题在分析海底电缆产生故障机理的基础上,提出采用分布式光纤传感监测海底电缆的方法,通过模拟和实验验证,为海底电缆的健康运行、监测、维护、管理提供帮助。
2 XLPE(交联聚乙烯)浅海域海床动力电缆故障分析和数值模拟
通过课题组前期研究,对运行中的电缆,除了电缆设计制造、敷设、运输中遗留下来的隐患故障外,在电缆运行中的负载变化和电缆所处海域海床的力学破坏是电缆运行中引起损坏和故障的主要原因。
通常情况下,动力电缆正常运行的负载与电缆内部温度有直接关系[4,5],动力电缆的额定功率由电缆缆芯周围的介质阻热率决定,进一步由缆芯周围温度来决定。对处在海床内湿度环境的电缆,随着温度的增高,周围的土壤变热,阻抗增加,绝缘性变差,反过来进一步加剧电缆温度上升,绝缘破坏加快,以致电损增加和电缆承担力减小。因此,对电缆正常运行中的负载变化,即电缆内部的温度状况进行监测是保证电缆正常运行的一种重要措施。三芯动力电缆内部温度分布可简化为一个二维的传热问题,应用有限元数值模拟分析,可得三相动力电缆发热后的内部截面温度场。为研究方便,简化电缆的参数,假定海底电缆截面结构主要由导体、中间XLPE绝缘部分、绝缘屏蔽及防护部分三层组成,三相间的填料物参数可设为:密度为700 kg/m3,热容为2 310 J/(kg·K),导热系数为0.173 W/(m·K);中间XLPE材料的参数为:密度为2 800 kg/m3,热容为856 J/(kg·K),导热系数为2.25 W/(m·K);外层绝缘防护材料的参数为:密度为600 kg/m3,热容为795 J/(kg·K),导热系数为0.07 W/(m·K)。电缆外表面取空气温度为20 ℃,假定三相通电导体的故障温度分别为80 ℃,82 ℃和85 ℃。数值模拟如图1所示,由此可直观得到,若在电缆内部布置分布式温度传感器,在截面不同位置处监测到的温度会不同,电缆截面温度场的模拟可为内部布置的传感元件感知温度,反演电缆负载变化提供理论依据。若电缆导体外的中间绝缘XLPE的导热系数变化为0.02 W/(m·K),其他参数保持不变,也就是隔热能力很强,所模拟的电缆内截面温度场分布如图2所示。
若电流产生的三相线芯导体有一相产生短路故障后,会导致断电跳闸,故障相温度90 ℃,其他两相瞬间分别为30 ℃,则发生故障瞬态的截面温度变化数值模拟如图3所示。
海底地质条件复杂,淤泥质海床不稳定性、地貌形态不均匀,淤泥滑坡滑移,加之波浪动力学的综合作用,会对埋入海底的动力电缆产生巨大的剪切力、拉力、扭矩作用,进而使电缆变形,损伤到里面的铠装层、绝缘层,从而对地放电、短路引起故障。若在海底动力电缆三相间敷设分布式应变传感器,则在电缆受到外力变形时,应变传感器可监测到。利用有限元分析方法来模拟电缆应力场变化更直观,图4是三相电缆外部受压引起变形的应力场截面有限元模拟图。
3 XLPE浅海域海床动力电缆的分布式光纤传感在线监测机理及设计
高功率激光脉冲入射到光纤中,在传播的过程中与光纤分子相互作用产生瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射三种散射光。其中,布里渊散射基本原理是利用光纤单一截面上的布里渊散射光谱中心频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系[6,7],如式(1)所示
Δv(z)=C1·Δε(z)+C2·ΔT(z) (1)
式中:Δv(z)——布里渊光频移变化量;Δε(z)——传感光纤z(离入射端面距离)处的应变变化;ΔT(z)——传感光纤z处的温度变化;C1,C2——光纤的布里渊频移应变和温度系数,1 550 nm波长的入射光在普通单模光纤中各个系数为:C1=0.049 3 MHz/με,C2=1.2 MHz/℃。通过测量分析中心频率的漂移变化,便可得到光纤的外表温度和轴向应变。目前应用该技术进行温度与应变同时测量的主要有基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射计法(BOTDR)的分布式光纤传感器和基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器,他们的主要区别是BOTDR利用自发的布里渊散射,只需要单端测量,实际使用时比较方便;而BOTDA技术则利用受激布里渊散射,双端测量,但测量精度高。本课题采用基于BOTDR的自发布里渊散射,便于现场采用。基于分布式光纤布里渊散射的传感器既可同时实现温度和应变的连续点测量,又能很容易地敷设在电缆内部,结合渤海湾海域海底电缆出现故障的现场情况,我们设计定做了35 kV的XLPE海底用实验电缆,在XLPE电缆成缆过程中,实现内部三相填充物之间加入三组单模光纤,每组至少3根,确保测试光纤的冗余,其结构示意如图5所示。
4 XLPE海底高压动力电缆分布式光纤传感测试
将BOTDR的分布式光纤温度应变分析仪与实验电缆内的一根单模传感光纤熔接在一起,可以进行数据采集与分析,由于直接对电缆加高压负载比较困难,实验中从电缆外部加热来模拟电缆本体温度的变化,实验时将内部有传感光纤的电缆放在恒温水槽中,保持自由不受外力状态(仅监测电缆本体温度变化),分别加热到40 ℃和60 ℃,保持一段时间稳定,测试内部的光纤传感温度感应曲线如图6所示。分布式光纤传感器能基本探测到温度的变化和温度的分布。将该电缆从水槽中取出,保持电缆外表环境温度稳定后,在电缆的50 m和100 m处施加外力,产生打扭弯曲,监测到内部的2根传感光纤探测的应变与变形比较明显,如图7所示。由于分布式传感光纤在电缆内的空间分布不同,每根光纤内部敷设后的余长不同,对应光纤在电缆内的自由状态就不同,所以,电缆受扭弯曲后,截面不同处传感光纤感测的应变也将不同;此外,电缆弯曲时受拉部分的光纤能感测应变,受挤压部分的光纤则呈松弛状态,没有变化,这也是电缆弯曲变形后,不是所有的光纤能探测到应变的原因,但感测应变的所有光纤测试数据的变化趋势应一致。
结合渤海湾埕岛海域敷设含有分布式光纤的新动力电缆的现场施工工程,确定靠近海堤边的动力电缆作为试验段,通过内部的光纤传感器监测电缆敷设后的沉降动态变化,同时与水准观测仪的定点观测数据进行对比。由于BOTDR测量得到的是一个相对变化[8,9],需要把初始敷设数据作为系统的监测基准值,为后期的监测数据提供对比依据,同时还要剔除因为温度变化、电缆敷设的预留长度、电缆敷设后的滑移等一些因素造成的影响。敷设完工稳定后测得的7个观测点和常规水准仪测量的数据对比曲线如图8所示。
由于试验段是电缆在海堤淤泥下沉陷后的变形,整个测试段电缆的温度基本相同,不需要温度补偿,从图中仪器测试的分布式光纤传感应变监测数据分析看出,应变分布与现场沉陷情况比较吻合,大应变对应较大的堆载,分布式光纤传感器的变形量与水准仪测量的电缆敷设后的整体沉降趋势也吻合,计算得到的最大偏差为-94 mm,5个水准观测点平均偏差为39.2 mm,能有地效反应电缆受到的拉伸、弯曲应变。
5 结 论
利用布里渊散射的分布式光纤温度应变传感监测技术实现海底高压动力电缆的在线温度和应变的监测与定位。通过实验室模拟和现场电缆敷设测试及与传统仪器测试对比,分析结果证明,内部有分布式光纤传感的动力电缆可实时敏感地检测到电缆外部的应力应变以及电缆内部温度的变化。
参考文献
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