作品展示▏张烜：无人水面艇巡检油气管线方法及实检结果
【摘要】海底油气管线巡检已经迫在眉睫。无人水面艇自主巡检油气管线可以高精度、高效率、低成本。本文介绍了无人水面艇自主巡检油气管线的方法，并着重介绍了在渤海湾的实际巡检过程及巡检结果。
关键词：无人水面艇；浅底层剖面仪；自主巡检；油气管线巡检。
一、引言
近年来，随着海洋石油开采，我国海底油气管道铺设的公里数不断攀升，目前共拥有海底管道约6000km。我国目前开发的海洋油气田多位于浅水海域，尤其是渤海海域水深不超过50m，生态环境脆弱。一方面由于海底管道所处的海洋环境复杂多变，人类海上活动日益频繁，海底管道受损事故时常发生；另一方面我国海底管道多建造于 20 世纪 90 年代中后期和21世纪初，设计使用年限多为 15～20年左右，随着时间的推移，许多管道进入服役后期，有些已超过设计使用年限，运行风险日趋增高[1]。一旦出现油气泄露事故，会产生恶劣的经济及社会影响。因此，对海底油气管道开展定期巡检已经迫在眉睫。
本文介绍无人水面艇在浅海水域油气管线巡检的优势，巡检方法及介绍在施工水域对油气管线实际巡检的结果。
二、无人水面艇巡检油气管线的优势
随着多波束测深仪、浅地层剖面仪、侧扫声纳等声学传感器的日渐成熟，检测工具已经不是制约海底油气管线巡检的瓶颈。如何搭载这些检测工具高强度地开展长期、频繁的油气管线巡检作业并进行高效、准确的多传感器检测数据处理成为当前急需解决的问题。
我国现有海底油气管线大多集中于渤海区域，且水深大多不超过30m，最深处也未超过50m。而多波束测深仪、浅地层剖面仪、侧扫声纳等声学检测传感器的有效测距均超过50m。因此，采用无人水面艇搭载声学检测设备来完成渤海区域的油气管线巡检成为一个高精度、高效率、低成本的可行方案。
传统的油气管线巡检常利用船艇拖带“拖鱼”进行作业。使用深拖系统进行海底地形测量时，由于拖缆较长，拖鱼很难保持在要求的航线上，特别是在有海流的情况下，拖鱼往往被推离预定航线上百米之外[2]。小船耐波性差，作业窗口受限很多；大船的船时成本昂贵，不利于长期、频繁作业；“拖鱼”作业的另一个缺点是柔性拖缆只能进行直线或简单的航迹变换，无法进行梳形搜索等复杂路径检测。
也有租用渔船搭载声呐探测设备进行油气管线巡检。在搭载浅剖声呐巡检的时候，船需要做折返航行，渔船巡检模式转弯半径较大，并且测量船需要不停的机动转弯，测量船船长长时间高强度的工作，并且还需专业的技术人员辅助船长导航。这种作业模式对测量人员体力消耗大，安全隐患突出[3]。而无人艇采用自动控制系统，可原地转弯，自主修正航向对准测线，大量节省了转弯和对准测线时间。
无人艇在自主巡检工作期间，母船不需要机动，现场试验人员只需要远程操作和监视数据即可。无人艇巡检模式不但节约测量成本，还减轻了现场试验人员的工作量。因为工作量低，无人艇可24h全天候连续巡检。
船巡检模式所采用的测量船吃水均大于2m，加上传感器测量盲区约1m，因此有人船巡检模式只能测量水深大于4m的海域；通常需要选择高潮期间实施作业,导致作业效率不高[3]而无人艇吃水深度加上设备安装小于1m，加上传感器测量盲区约1m，因此无人艇可以巡检水深小于2m的极浅海域。2m高度差，在浅水区域水平可能距离几公里远。
渔船巡检模式所采用DGPS定位，定位精度较差。并且有人驾驶模式下，无法在长时间、长距离作业情况下保持航向和姿态的稳定，无法实现航向、航迹准确闭环。而无人水面艇采用北斗和DGPS组合定位导航技术，其动态定位精度优于2m；精确的导航信息，既可用于无人水面艇自主导航控制，更重要的是可以精确测量海管的位置信息，为海管实际情况监控提供高精度数据支撑。
无人水面艇采用燃油动力，使用成本低，且可通过无线通信或卫星通信使控制中心可实时监视和控制无人水面艇的运行状态。
三、无人水面艇巡检油气管线的方法
及技术难点
无人水面艇是一种可以无人操作的水面舰艇[3]，无人水面艇巡检分两部分：无人水面艇（船体部分）和控制无人艇的主控站（岸基部分）[3]。无人水面艇在水面航行执行巡检任务，岸基支持系统可以在岸上或者保障母船上。岸基支持系统通过无线网桥给无人水面艇下载行程使命，对无人水面艇进行系统调试、参数设置及无人水面艇探测过程中所有的状态数据和探测的声纳数据上传。无人水面艇配置高精度的DGPS/北斗导航设备，为巡检无人水面艇提供精确的位置信息，此信息可以用于无人水面艇高精度导航。利用导航雷达（远距离预警）、激光雷达（近距离预警）、夜视仪（夜间预警）等可以实现无人水面艇自主躲避水面静止和移动的障碍，防止与船舶等海洋结构物相撞。通过AIS（船舶自动识别系统）示位，为过往船舶提供自身的位置信息，进行及时准确示位。
无人水面艇目前多应用在：港口监控、水质采样、水文勘察、海事搜救[4]。应用在海上油气管线巡检测国内还无其它成功实例。
无人水面艇巡检油气管线一般加挂多波束测深仪、侧扫声纳、浅地层剖面仪等声学设备。
⒈ 多波束测深
多波束测深系统采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵，一次能测量几十至上百个与航向垂直的一定宽度的全覆盖水深条带数据[5-6]，已成为海底管道巡检中不可或缺的检测设备。多波束测深主要用来探测出露和悬空的海底管道，其结果能形象直观的反映管道的状态和走向，对平台周边管道探测尤其管道分布较复杂时具有突出优势。实际探测时，通过测量管道顶部与海底面之间的距离来判断管道状态( 出露或悬空)[1]。
⒉ 侧扫声纳
侧扫声纳利用海底地物对入射声波的反向散射原理来探测海底形态，具有形象直观、分辨率高和覆盖范围大的优点，被广泛应用于海底状况和目标物探测[7]。侧扫声纳主要用于探测出露和悬空的海底管道[1]。
⒊ 浅地层剖面
浅地层剖面是探测海底浅部地层沉积结构地球物理方法[1]。管道检测时常选用高频、高分辨率、穿透深度较小的浅地层剖面仪。浅地层剖面探测对特定条件下的埋藏、悬空和出露的海底管道均可适用。海底管道在浅地层剖面图像中呈“抛物线”状，抛物线顶点为管道顶部。根据管顶与海底面之间的相对位置关系判断管道状态。管顶位于海底面以下时为埋藏状态[1]。
无人水面艇巡检油气管线，首先用多波束探测仪和侧扫声纳按油气管线施工线路进行巡检。探测出露和悬空的海底油气管线，地形地貌。第二轮对无出露油气管线的区域，用浅地层剖面仪巡检。最终探测出海管路由精确的水深、地形、地貌，海管准确位置、海管走向埋深、该处的地质条件等。
无人水面艇巡检渤海湾油气管线，防渔网缠绕是需要重点考虑的问题。无人水面艇探测设备采用内置式加挂，推进方式可选用空气螺旋桨方式避免渔网缠绕。
四、无人水面艇巡实际巡检过程
2016年6月及10月中海油管道工程公司与中国科学院沈阳自动化研究所一起在渤海湾某海域附近，进行两次海管巡检工作。完成无人水面艇自主巡检油气管线的示范性应用试验。检测无人水面艇探测油气管线的图像清晰度和定位准确性。
探测环境：水深范围1～25m。近岸处细沙底，远处泥沙底。油管施工图定位精度：3～4m误差。海管掩埋深度约1.5m。海管直径20cm～30cm。海流：最大3节、海况：1～3级。
图1 施工图
⒈ 无人水面艇
使用中国科学院沈阳自动化研究所现有的一款用于其它用途的无人水面艇，具备自主、遥控、人工驾驶三种工作模式。
主要性能指标：
艇长：6.6m
艇宽：2.5m
排水量：3t
最大航速：25kn
续航力：40h@15kn；100h@10kn
适应海况：工作海况4级，生存海况6级
传输距离：2～3km
传输速度：1帧/s
图2 GZ-01无人水面艇
⒉ 浅底层剖面仪
浅地层剖面是探测海底浅部地层沉积结构地球物理方法[8]。对于作业水域的探测环境，管道检测时常选用高频、高分辨率、穿透深度较小的浅地层剖面仪。我们使用德国Innomar公司SES2000参量阵浅底层剖面仪。
SES2000参量阵浅底层剖面仪主要技术指标：
波束开角：1.8°；
差频频率：4，5，6，8，10，12，15Khz；
升沉/横摇补偿：是；
地层分辨率:>5cm；
测深范围：1～500m；
⒊ 水面岸基支持系统
水面岸基支持系统主要包括通信控制系统、功能检测和数据处理系统、监控系统以及保障系统。
通信控制系统主要包括北斗/DGPS终端、无线数传终端、无线网络终端等。北斗/DGPS终端用于对无人水面艇定位、接收无人水面艇状态及位置信息。无线数传终端用于接收简要数据，发送试验参数和指令，布放回收时也可手控启动或控制载体航行；无线网络终端用于对无人水面艇进行系统调试、参数设置及作业结束后原始数据的上传。上述终端均与无人水面艇上的对应终端相兼容。
功能检测和数据处理系统包括检测作业数据处理计算机和数据装载接口。主要完成航路设计和参数装订、检测作业数据下载、数据处理等功能。
监控系统能够以图形化方式显示载体的状态和实时轨迹、航路。
探测期间考虑到无人艇的安全问题，在当地租用渔船作为测量辅助船装载水面岸基支持系统。
⒋ 油气管线实际巡检过程
经过无人艇装载的多波束测深声呐探测，鲅鱼圈海域的油气管线均为掩埋状态，所以，着重介绍无人艇装载浅底层剖面仪探测的过程。
作业前，根据未校准的施工图坐标进行无人水面艇的路径规划，通过桅杆顶部的DGPS进行位置校准，软件根据预置巡检的管线起止点坐标和检测要求（梳型间距，沿路由间距等）自动生成路径规划轨迹。无人艇自主航行至起点，然后自主梳型走航测量掩埋管线。无人水面艇梳型搜索过程中，所有的状态数据和检测数据均可通过无线网桥回传给渔船水面岸基支持系统。使命结束后，无人水面艇自主回航靠泊渔船附近，并通过遥控航行停靠渔船边。
图3 管线巡检工作流程如上图
在测量辅助船主控计算机屏幕上实时看到已测测线和未测测线以及测量船各种导航参数（经度、纬度、航向、当前速度、纵倾角、横滚角、设备状态、当前轨迹等信息）；并可以根据现场水深，实时在测量辅助船上调节参量阵 即浅地层剖面仪的量程，频率，发射增益等参数，以达到最佳的数据效果。
图4 导航监控界面
图5 参量阵浅地层剖面仪参数设置界面
⒌ 探测结果
无人艇采用无人自主测量方式进行连续测量，设置梳型测线间距为50m，测线长度为100m，其中一个实际航行段轨迹如下图所示。检测该段7km管线共用时230min，航速为3kn，检测效率为：230/7=33min/km。
图6 无人水面艇航行轨迹
参量阵浅地层剖面仪发射信号为10kHz时，从浅剖数据均可以看出管线（极浅处）地形地貌非常平坦，管线掩埋情况良好，埋深大约为0.5m；
图7 浅地层剖面仪图像
参量阵浅地层剖面仪发射信号为6kHz时，可以看出管线掩埋情况非常理想，埋深大约为1.5m。
图8 浅地层剖面仪图像
通过本次巡检发现的大部分管道特征清晰，受浅地层剖面仪分辨率限制，大直径的管线图形效果更好。实测管线坐标和施工坐标图对比可以看出实际测量坐标和管线施工图几乎吻合，其中和施工图最大误差为4m，均值误差在2m左右。
对海底管道在海床下的掩埋深度、位置、埋沟等进行了分析，最终为海底管道的维护提供必要的技术数据和科学依据。
五、结束语
我国的海底油气线道定期巡检迫在眉睫，无人水面艇可高效、安全、可靠的完成巡检海底油气管线。无人水面艇加装多波束测深仪、浅地层剖面仪、侧扫声纳可以对裸露和掩埋的海底油气管线位置、海管走向掩埋深度准确定位及定深，并可探测出该处的海管路精确的水深、地形、地貌等。最终为海底管道的维护提供必要的技术数据和科学依据。
本文介绍了无人水面艇巡检油气管线的方法，并着重介绍了无人水面艇实际巡检油气管线过程及结果分析。
参考文献：
[1]张永明,石晓伟,等.声波探测技术在海底输油管道检测中的应用[J].海洋测绘,2014,34(1):65-67.
[2]李岳明,李晔,等.AUV搭载多波束声纳进行地形测量的现状及展望[J].海洋测绘,2016,36(4):7-11.
[3]黄贤源,陆秀平等.无人水面测量艇技术研究（一）：船型及推进方式设计[J].海洋测绘,2016,36(2):54-62.
[4]熊亚洲,张晓杰,等.一种面向多任务应用的无人水面艇[J].船舶工程,2012,34(1):16-19.
[5]李家彪.多波束勘测原理技术与方法[M].北京:海洋出版社,1999.
[6]来向华,马建林,潘国富,等.多波束测深技术在海底管道检测中的应用[J].海洋工程,2006,24 (3):68-73.
[7]金翔龙.海洋地球物理技术的发展[J].东华理工学院学报,2004,27(1):6-13.
[8]李平,杜军.浅地层剖面探测综述[J].海洋通报,2011,30(3):344-350.
【作者简介】张烜，男，中海油能源发展管道工程安装分公司，副总经理，主要从事工程测量与海洋测绘、航道水深测量、海底管线路由与埋深调查等方面研究。
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com