一种新型的海洋地震观测浮标平台的设计.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期15文章编号：2095-6835（2023）17-0015-03一种新型的海洋地震观测浮标平台的设计吴承东1，朱小毅2，3，陈全胜2，赵帅博3，李 栋4（1.防灾科技学院，河北 廊坊 065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京 102628；3.中国地震局地震预测研究所，北京 100036；4.天津天元海科技开发有限公司，天津 301800）摘要：海洋地震观测是全球地震观测的一个重要组成部分，目前全球海洋地震观测已进入深海海底长期定点实时观测阶段，美国、加拿大、日本和中国台湾地区的几个环太平洋大型海底科学观测项目已趋于成熟，正在推广实用。由于海上干扰因素太多，导致人们对海洋地震观测的进展受阻，急需一种高效、精准、低成本的监测方式来应对，这时浮标的应用就受到了广泛的肯定。浮标可以将实时采集到的数据上传到平台，通过数据处理、统计、比对，量化评价该海域的水质状况，通过分析海洋数据，及时发现问题，并有针对性地作出判断并处理，提高对海洋环境监测的能力，为海洋环境预警提供重要依据。关键词：海洋地震观测；浮标；锚泊系统；环境预警中图分类号：P631.46文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.004中国海洋面积广阔1，海域自北向南由渤海、黄海、东海以及南海 4 个海区组成，距离海岸较近，蕴含着丰富的能源与生物资源2。目前的海洋环境数据采集有多种方式，如遥感卫星、沿岸监测站、监测浮标等3。每种监测方式各有优势和劣势：遥感卫星范围广，但是造价高，精度低；沿岸监测具有采集数据准确度高的优势，但是布置烦琐，受地点局限性大；而监测浮标造价低，能实现数据采集的连续性，是研究海洋的重要工具之一，但监测浮标需根据投放地点的海况设计，投放和回收具有一定难度4。1海洋地震观测的重要性1.1原位观测，数据准确可靠环太平洋火山地震带、欧亚地震带、洋脊地震带这三大地震带中，环太平洋火山地震带大部、洋脊地震带几乎全部位于海洋上。海洋地震观测浮标平台可部署在海洋上地震带位置，观测数据更准确可靠。1.2实时传输，服务海啸预警海洋地震发生后，海洋地震观测浮标平台可以第一时间监测到部署位置发生地震并提供海啸预警，通过传输链路实时传输到岸基服务器，给海啸应对提供充足的时间。部分国内外研发的地震海啸监测系统及其应用情况如表 1 所示。2三锚地震浮标设计三锚地震浮标为海洋信息监测浮标，包括主浮标 1台（直径为 6 m）、中间浮子 3 台（直径为 2.4 m，呈120均布）、中间小浮子 6 台（直径为 1 m）、42 mm有挡锚链 3 组、重力锚 3 组（5 t）、丹福尔锚 3 组（500 kg）、地震仪 1 台、铠装缆小浮子及配重 1 组。效果如图 1 所示。表 1国内外地震海啸监测系统序号机构名称软件研究成果成果应用情况1美国太平洋海洋环境实验室海啸浮标部署在美国国家海啸预警中心业务化应用2日本国家地球科学与减灾研究所海底地震和海底压力计海啸观测海啸监测预警业务化3国家海洋环境预报中心（自然资源部海啸预警中心）部署沿海及岛礁潮位计和地震仪（北京港震生产）南中国海区域海啸监测预警业务化和粤港澳大湾区精细化海啸数值预报4印度尼西亚气象、气候和地球物理局地表地震仪等（中国地震局地震预测研究所和港震研发）在印尼 BMKG业务化运行图 1三锚地震浮标整体布配效果图课题来源：国家重点研发计划资助课题“高精度星载温度测量传感技术”（编号：2022YFC2204301）科技与创新Science and Technology&Innovation162023 年 第 17 期三锚地震浮标系统设计图如图 2 所示，各系统介绍如下。（a）主浮标（6 m）（b）中间浮子（2.4 m）（c）中间小浮子（1 m）（d）铠装线缆组件（e）锚泊系统图 2三锚地震浮标系统设计图主浮标（6 m）：由浮体组件、灯架组件、护身圈组件、航标灯器、顶标组件、避雷针组件、天线组件、太阳能板组件（100 W，18 块）及其他设备组成；直径 6 m，高 5.64 m；浮体主要材质是 CCSB 船板，灯架主要材质是线性低密度聚乙烯和镀锌碳钢。如图 2（a）所示。中间浮子（2.4 m）：由浮体组件、顶部吊装吊耳组件、底部锚系吊耳组件、灯架组件、航标灯器组成；直径 2.4 m，高 3.3 m；主要材质是 CCSB 船板。如图2（b）所示。中间小浮子（1 m）：由浮体组件、顶部吊装吊耳组件、底部锚系吊耳组件组成；直径 1 m，高 0.8 m；主要材质是线性低密度聚乙烯、闭水型聚氨酯、骨架组件（316L、碳钢）。如图 2（c）所示。铠装线缆组件：由铠装线缆、小浮子 1 组、小配重 1 组、重力锚 1 组组成；小浮子直径 0.6 m，高 0.8 m；主要材质是线性低密度聚乙烯；小配重质量 50 kg，重力锚质量 300 kg。如图 2（d）所示。锚泊系统：共有 3 套，单套锚系包括重力锚 1 组、拖曳锚 1 组、垂直链 1 组、水平链 1 组及连接卸扣若干等。锚链选用42 mm 有挡锚链，重力锚选用 5 t 沉石，拖拽锚为 500 kg 丹福尔拖拽锚。如图 2（e）所示。3技术特点3.1模块化设计三锚地震浮标主浮标和中间浮子结构为模块化组装结构，相对于整体结构，碰撞防沉没效果更好并便于生产及运输。主浮标模块设计如图 3 所示。（a）主浮标浮体（b）主浮标灯架图 3主浮标模块设计主浮标浮体由中间仓组件 1 组、外侧仓组件 3 组、缆桩柱组件 3 组、太阳能板组件（100 W，12 块）、吊耳组件、护舷组件、中间设备井组件（含橡胶筒保护套）、备用电池仓 3 组、顶部吊装吊耳组件、底部锚系吊耳组件组成。每个浮块均设计有多个单独密闭隔仓，在一两个密闭隔仓破损情况下浮块不会沉没。中仓组件设计有中间设备井，并加装有橡胶筒保护套，能很好地保护线缆设备。如图 3（a）所示。主浮标灯架由显形（线性低密度聚乙烯）、内部骨架组件、检修门组件、太阳能板组件（100 W，6 块）、爬梯组件、扶手组件、雷达反射器组件、标牌组件、护身圈设备架组件、航标灯器、顶标组件、避雷针组件、天线架组件和搭载设备支架组件组成。如图 3（b）所示。重力锚组件小浮子组件小配重组件Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期173.2安全防护设计三锚地震浮标设计减少了浮标的旋转和摇摆角度，限制了水面浮标的多圈转动，避免了水下的信号电缆与锚链的缠绕，增强了抗恶劣环境的能力。主浮标灯架顶部设计有护身圈，同时可作为设备支架使用，可搭载各种设备，包括避雷针、气象仪、顶标组件、灯器和其他设备。主浮标配备天璇-7S 航标灯器，该灯器射程 37 n mile 可调节，具有 AIS 碰撞预警、碰撞报警、双路远程通信、内部数据互通、视频远程传输控制功能。灯器内置 AIS 单元，可接收附近船舶的 AIS 信息，当船舶进入设定的电子围栏区域内时，向船舶发出碰撞预警信号，同时启动影像记录锁存功能，将预警范围内的影像存储于“黑匣子”中，并将预警信息上传至监控系统。灯器内置碰撞传感器，当浮标受到碰撞时，持续开启影像记录锁存功能，并将报警信息上传至监控系统。3.3长效工作设计三锚地震浮标系统寿命取决于各个系统的寿命，三锚地震浮标系统根据浮标、锚链等各分系统寿命短板进行了专门设计，有效确保了三锚地震浮标系统工作寿命。影响浮标寿命的主要因素有水生物附着、腐蚀、撞击沉没等。为避免水生物附着，浮体喷涂新型环保海洋防污涂料，该材料以天然活性物质开发的海洋防污剂为核心技术，比铜基防污材料更环保，效果更好。浮标在浮体底部安装阳极型号 AEI-C-1 板状铅块，利用电化学原理，牺牲阳极，降低浮标腐蚀程度。浮标采用模块化设计，如果浮标遭到撞击，首先撞击的是浮标的护舷材，其次是个别浮力舱，即使某个浮力舱破损进水，浮标仍能安全地浮在水面，不至于沉没。锚泊系统共有 3 套系统，分别连接在 3 个方向的浮子上，中间利用小浮子牵引，将三锚 3 套锚系拉大了距离，从而避免了 3 套锚系相互缠绕以及和水下线缆发生缠绕的可能性，保护了供电通信线缆，降低了锚系磨损，延长了锚系寿命。3.4施工维护设计海上浮标系统在布放、回收、维护等作业时要考虑海上施工的可操控性及安全因素，要综合考虑特定浮标自身的固有性能、观测功能、随波性、维修性、海上施工作业等众多因素，因此浮标设计是一个复杂的系统工程，设计者在浮标设计时若疏于考虑任何一个环节，都有可能在浮标的海上应用过程中造成极大的问题，轻则造成一定的经济损失，重则无法完成观测任务，造成人力物力的极大浪费。三锚地震浮标系统大大降低了浮标施工作业的难度。由于将 3 套锚泊系统分开，使得布放、回收、维护变得简单，甚至可以采用单船作业，分别布设 3 套系统，然后再进行浮子和主浮标的对接，将一个大任务分成几个各自独立的小任务分别完成，从而降低了对施工船舶的要求。3 套锚泊系统也具备了一定的机动性，其中一套系统出故障，可单独解决，不影响另外 2套系统的运行。3.5海上通信设计三锚地震浮标采用卫星通信，三锚的设计可确保海上系统良好的通信状态，主浮标安装的 18 块 100 W太阳能板为通信系统提供了充足的能源保障，可有效解决海上通信困难问题。4结束语浮标系统由浮标体、三锚系、供电系统、数据采集传输系统、接收岸站、供电通信铠装缆组成。数据采集传输系统由数据采集处理器、传感器系统、通信传输系统、GPS 定位系统组成。使得浮标预计在海上能够连续工作 3 年时间，浮标直径为 6 m，锚系方式为三锚系泊系统，实时传输观测点连通率（重要事件回传率）大于等于 90%，连接浮标方式为铠装缆连接浮标和海底地震仪。海洋地震观测涉及到技术复杂、投资大等诸多因素，造成中国目前的水平与发达国家相比尚有较大差距，海洋地震观测浮标平台的应用对推动国民经济发展、发展海洋经济、开展地质勘探、加强国防安全防务等领域均具有很高的科学研究意义和战略价值，同时可以推动一带一路国家进行海底地震监测应用。参考文献：1李凯，欧阳杰铭，李海龙.近海海洋水质监测技术分析J.轻工科技，2022，38（1）：75-77，129.2李龙飞.中国海洋环境保护现状及其智能化趋势J.浙江海洋大学学报（人文科学版），2020，37（6）：8-12.3褚同金.中国海洋资料浮标M.北京：海洋出版社，2001.4赵永泉.近岸小型锚系浮标水动力学仿真及环境适应性研究D.秦皇岛：河北科技师范学院，2022.作者简介：吴承东（1997），男，山东聊城人，硕士在读，主要从事地震监测技术研究工作。（编辑：王霞）