海底電纜檢測方法發(fā)展現(xiàn)狀綜述

冀大雄，周佳龍，錢建華，邵靜，張洪星

(1.海洋電子與智能系統(tǒng)研究所(浙江大學(xué)海洋學(xué)院)，浙江 舟山 316000；2. 上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司，上海 201306；3. 舟山遨拓海洋工程技術(shù)有限公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

海底電纜也常稱為海纜，包括鋪設(shè)在海底用加強保護套包裹的電纜、光纜和光電復(fù)合纜，在電能傳輸、跨海通信、海洋工程和新能源開發(fā)等領(lǐng)域具有其他手段無法替代的優(yōu)勢[1 - 2]。隨著海洋資源調(diào)查和開發(fā)進(jìn)程的加快以及海島經(jīng)濟的發(fā)展，海纜在國內(nèi)外的使用數(shù)量不斷增加。據(jù)市場調(diào)研公司TeleGeography統(tǒng)計，截至2019年初，全球有約378條海纜在使用，總長度超過1.2×106km[3]。在國內(nèi)，截至2017年，福建省10—220 kV的海纜長度就達(dá)到了約120 km；浙江省舟山市海纜的總長度就超過了500 km。海纜工程是海洋產(chǎn)業(yè)技術(shù)中最為復(fù)雜困難的大型工程之一[4]，和陸地纜線相比，海纜故障查找難度大，修復(fù)時間長，修復(fù)費用高[5]。

受到自然災(zāi)害、器件壽命和海上作業(yè)的影響，海纜可能發(fā)生故障。一旦發(fā)生故障，不僅會引起國民經(jīng)濟的巨大損失，還會給國民的正常生活造成嚴(yán)重影響。2010年7月11日福建省莆田南日島35 kV海纜故障，修復(fù)時間長達(dá)20 d，影響島上1.3萬多用戶用電[6]；2010年8月10日舟山嵊泗縣海域的兩條海纜被船只錨鉤損壞，相關(guān)海島大面積停電，約9萬居民的生活和工作受到影響[7]。據(jù)統(tǒng)計，在2007—2018年間的海纜事故中，由船舶拋錨(43%)和漁船捕魚作業(yè)(33%)引起的事故占絕大部分(超過75%)，地質(zhì)變化和磨損導(dǎo)致的事故各占10%，其余4%被歸因于其他原因[8]。在美國電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)海纜相關(guān)鋪設(shè)規(guī)范中，錨害被認(rèn)定為造成海纜損壞的首要原因[9]。此外，受濁流、海嘯、地震等具有區(qū)域性、動態(tài)性、不可預(yù)測因素的影響，海纜的位置、埋設(shè)深度和裸露狀態(tài)可能發(fā)生變化，如受到洋流作用時海纜的表層會被沖刷，可能裸露于海底甚至在海底懸空，使海纜的安全運行受到極大威脅[10]。

為了避免海纜突發(fā)故障影響國民正常生活、國家經(jīng)濟發(fā)展和領(lǐng)土安全，除了臨檢外，還需要定期排查有可能發(fā)生懸空或裸露以及被海水侵蝕的海纜段落，獲取海纜路由、埋深、故障信息以及周圍環(huán)境狀況等基本要素，及時準(zhǔn)確地對海纜進(jìn)行風(fēng)險評估、維護和維修。本文從宏觀層面的檢測手段和微觀層面的檢測技術(shù)2個角度，對國內(nèi)外海纜檢測方法的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和分析，梳理了目前海纜檢測方法存在的問題，指出了未來發(fā)展趨勢，期望為我國海纜檢測方法的發(fā)展提供參考和依據(jù)。

表1 5種檢測手段對比及關(guān)鍵技術(shù)Tab.1 Comparison of five detection methods and their key technologies

1 海纜檢測手段

由于海水深度和海纜性質(zhì)各不相同，海纜鋪設(shè)方式不盡相同，其檢測手段也不同。目前常用的海纜檢測手段有人工瞭望、巡視，海洋“拖魚”，潛水員下潛，水下機器人搭載，海岸監(jiān)測站等。其優(yōu)勢、不足與關(guān)鍵技術(shù)見表1。

1.1 人工瞭望、巡視

目前，國家電網(wǎng)公司主要通過設(shè)立瞭望臺，依靠專業(yè)人員瞭望、巡視來實現(xiàn)對海纜運行狀態(tài)的24 h不間斷監(jiān)測，對海纜受損進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)急處理。然而，海纜鋪設(shè)長度一般從幾千米到幾萬米，海面上缺少顯著的路由標(biāo)志，若僅僅依靠人工瞭望、巡視，不僅值班人員的勞動強度大，而且不能及時準(zhǔn)確地獲得海纜的運行狀態(tài)，無法準(zhǔn)確判斷海纜的結(jié)構(gòu)是否損傷及損傷的程度。因此常存在因漏報或誤報而導(dǎo)致海纜未得到及時維修而發(fā)生故障的情況。

1.2 海洋“拖魚”

海洋“拖魚”是指采用常規(guī)的水面船只使用纜繩拖曳將聲學(xué)或磁學(xué)設(shè)備保持在一定深度對海纜進(jìn)行檢測，速率較高。但在航行過程中，受海底巖石的影響，“拖魚”無法抵近海纜；受海浪、海流、拖曳船只航速、電纜長度、拖曳重量等共同影響，“拖魚”可能發(fā)生起伏變化和左右擺動，導(dǎo)致入水深度控制及定位精度較差，檢測精度無法保證，往往需要通過多次重復(fù)檢測來提高檢測結(jié)果精度。因此，如何準(zhǔn)確獲取“拖魚”的空間位置，并將其控制在距海底特定高度是海纜檢測的技術(shù)難點。對于高精度的測量而言，可以采用超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)等裝置對“拖魚”進(jìn)行精確的位置估算，但成本高，安裝拆卸復(fù)雜，在沒有此類裝置或裝置故障的情況下，大多采用直接概算法來估算“拖魚”位置。文獻(xiàn)[11]考慮到測船轉(zhuǎn)向和測船偏離計劃測線的情況提出了“拖魚”位置的拖曳概算法。文獻(xiàn)[12 - 13]結(jié)合拖曳概算法，形成改進(jìn)的“拖魚”水平位置改正方法，分析并提出了減小航速變化和海流對“拖魚”定位影響的補償模型，進(jìn)一步研究了“拖魚”的定位方法。文獻(xiàn)[14]則進(jìn)一步考慮了拖纜受力、海流影響和運動性質(zhì)，仿真計算分析得出測船航速、海流效應(yīng)對“拖魚”運動的具體影響，如圖1所示。

圖1 測船拖點及“拖魚”位置空間三維示意圖Fig.1 Three dimensional diagrams of towing point and “tow-fish”

文獻(xiàn)[15 - 17]分別分析了測船航速、調(diào)整動端力、收放拖纜對“拖魚”深度的影響；綜合考慮海水阻力、拖纜長度、航行速度和配重等因素下“拖魚”入水深度的計算方法；施加附加質(zhì)量和拖曳力時拖纜的水動力建模為“拖魚”的控制提供理論基礎(chǔ)。此外，在檢測過程中還需要考慮拖曳船只船體對拖曳磁力儀的影響，根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范規(guī)定磁力儀探頭距離拖曳船只的距離至少應(yīng)達(dá)到船長的3倍[18]；文獻(xiàn)[19]將測船等效為一個磁偶極子，提出了確定最佳拖曳距離的理論計算方法，與實驗法確定的結(jié)果相差小于1 m。

1.3 潛水員下潛

專業(yè)潛水員攜帶手持式檢測設(shè)備可對海纜進(jìn)行人工摸查和近距離檢測。常見的手持式設(shè)備有國外Tinsley5930設(shè)備(工作深度小于100 m，埋設(shè)深度0.1～3 m，深度準(zhǔn)確率為±5%)和CT-1設(shè)備(工作深度小于60 m)，這些設(shè)備一般只適于淺水，定位精度不高。潛水員下潛的主要方法有飽和潛水和穿戴常壓潛水服下潛，其中飽和潛水深度可達(dá)幾百米，但國內(nèi)商業(yè)飽和潛水能力比較落后。

由于海纜可能被泥沙掩埋或發(fā)生移位，潛水員對海纜的定位需要耗費較長時間，受體力和氧氣量限制，潛水員對海纜的檢測范圍有限，且水下作業(yè)的成本和危險性高。隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了降低水下調(diào)查成本和潛水員的風(fēng)險，利用水下機器人對海纜進(jìn)行跟蹤檢測，消除人工干預(yù)已成為一種趨勢[20]。

1.4 水下機器人檢測

水下機器人由于具備高效、大深度、長時間水下作業(yè)、可自動化等優(yōu)點，在海洋開發(fā)和建設(shè)中備受青睞，并已廣泛應(yīng)用于海纜等水下設(shè)施的檢測項目。近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開展了利用遙控操作車(remotely operative vehicle，ROV)對海纜進(jìn)行外部檢測的研究工作，少數(shù)國家已經(jīng)開始利用自主式水下機器人(autonomous underwater vehicle, AUV)和水面無人艇(unmanned surface vehicle, USV)對海纜的自動跟蹤檢測。水下機器人檢測系統(tǒng)可以搭載多種檢測設(shè)備對海纜進(jìn)行埋深檢測、視頻攝像、懸空裸露檢測、故障檢測、路由檢測等。

水下機器人檢測系統(tǒng)如圖2所示。一般由傳感器模塊、導(dǎo)航模塊、自動駕駛儀、推進(jìn)系統(tǒng)、故障診斷模塊、通信以及任務(wù)處理模塊組成。

圖2 水下機器人檢測系統(tǒng)[21]Fig.2 Underwater robot detection system

標(biāo)準(zhǔn)的檢測任務(wù)主要包括7個部分(圖2(a))：任務(wù)開始后，水下機器人下潛；經(jīng)過一系列機動操作后到達(dá)檢測路徑起始點；然后進(jìn)入檢測階段，按照預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行區(qū)域搜索或搜索并發(fā)現(xiàn)海纜后進(jìn)行跟蹤檢測；在完成檢測任務(wù)后，水下機器人上浮至回收區(qū)域或進(jìn)入下一個路徑起始點。

按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象程度來看，水下機器人檢測系統(tǒng)一般分為7個層次，如圖3所示。

圖3 水下機器人海纜檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)Fig.3 Data transmission structure of underwater robot system for submarine cable detection

在采集層中需要考慮傳感器的種類與配置。目前常搭載聲、磁和光學(xué)傳感器來海纜的信息采集，如文獻(xiàn)[22]通過USV系統(tǒng)搭載磁傳感器實現(xiàn)海纜檢測，并結(jié)合動態(tài)路徑規(guī)劃算法使得USV系統(tǒng)能采集到足夠的磁場讀數(shù)樣本進(jìn)行處理。在理解層中，水下機器人對原始數(shù)據(jù)處理獲得海纜與水下機器人的相對位置和方位，并結(jié)合姿態(tài)信息，對前方行駛環(huán)境做出可靠的分析和理解，并由規(guī)劃層完成水下機器人的動作和路徑規(guī)劃，實現(xiàn)對事先規(guī)劃好的路徑或海纜路由進(jìn)行跟蹤。文獻(xiàn)[23]基于三自由度欠驅(qū)動AUV，將海纜局部化方法與磁制導(dǎo)控制算法相結(jié)合提出了一種檢測技術(shù)新框架，并通過仿真分析得到最終海纜與AUV的航向角、水平偏移均收斂至0，說明AUV能沿著海纜航行；文獻(xiàn)[24]引入卡爾曼濾波算法估計動態(tài)障礙物，海上試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的性能實時路線規(guī)劃能力。在控制層中，自動駕駛儀控制推進(jìn)系統(tǒng)按照決策信息進(jìn)行動作，其主要難點在于水下機器人的運動控制器設(shè)計，文獻(xiàn)[21]通過多種海纜信息融合設(shè)計出模塊化的Consys控制框架，并基于多種傳感器檢測到的海纜位置信息設(shè)置AUV的參考路徑點，如圖2(b)所示；文獻(xiàn)[22]最后采用加權(quán)區(qū)間卡爾曼濾波器(WIKF)進(jìn)行航向估計，實現(xiàn)了橫擺率(yaw rate)均方根誤差為0.147 8 °/s，航向均方根誤差為6.123 4 °，均約為標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器的1/4；文獻(xiàn)[25]提出一種全驅(qū)動水下機器人管道跟蹤的非線性視覺伺服控制方法，充分利用了控制設(shè)計中的全系統(tǒng)動力學(xué),控制器直接使用圖像特征作為反饋信息，而不需要利用車輛相對于環(huán)境的相對姿態(tài)，大大簡化了在不確定或不斷變化場景中的實現(xiàn)。通過對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析，并通過仿真實驗表明，即使在系統(tǒng)參數(shù)未知的情況下，所提出的控制方案也是有效的。

表2 4種檢測方法對比Fig.2 Comparison of four kinds of detection methods

1.5 海岸監(jiān)測站

海岸監(jiān)測站指利用線路監(jiān)控設(shè)備周期性地對所有中繼器進(jìn)行測試、記錄并比較。當(dāng)一個中繼段內(nèi)的海纜發(fā)生故障受到輕微損傷或斷裂時，線路監(jiān)控設(shè)備會立刻顯示中繼器中相應(yīng)的指標(biāo)變化的狀況。主要有光時域反射法、電橋法、脈沖電流(電壓)法及脈沖衰減法等技術(shù)。通過多種傳感器測量可以構(gòu)成海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測海纜溫度、應(yīng)力、擾動、故障等參數(shù)[26]。海岸監(jiān)測站可以周期性地監(jiān)測海纜狀態(tài)，但是測試范圍只有一個中繼段，對于海纜故障點位置的定位精度較差，只能獲得故障點的大致位置，不能獲取海纜周圍的環(huán)境信息，也不能對存在風(fēng)險進(jìn)行評估。

2 海纜檢測技術(shù)

目前海纜檢測技術(shù)主要有基于光、電、聲、磁學(xué)及多傳感器融合檢測，其主要優(yōu)勢與不足如表2所示。

2.1 光學(xué)檢測

光學(xué)檢測主要包括視覺檢測和光時域法。在視覺檢測中，首先需要在實際的水下環(huán)境中獲取高質(zhì)量海纜圖像，但這是十分困難的，主要存在以下原因：1)在水質(zhì)混濁、能見度低的海域，由于光波的衰減與反射，水下攝像頭拍攝的圖像容易模糊；2)隨著時間的推移，流動的泥沙和周圍的海洋植物可能將裸露的海纜遮掩，而且海床背景復(fù)雜，導(dǎo)致很難精準(zhǔn)識別目標(biāo)海纜；3)隨著深度的增加，能見度不斷降低，且常用光源無法提供清晰且均勻的照明；4)由于載體運動和外部干擾(如海流)的影響，高分辨率的攝像頭必須靠近海纜才能夠獲取高質(zhì)量的圖像[27]；5)對于水下機器人搭載檢測而言，需要提高圖片的處理速度來保證檢測的實時性。

因此，在圖像存在模糊、光線不均勻等條件下，圖像處理成為視覺檢測的關(guān)鍵步驟。在水下可見度良好的情況下視覺檢測流程如圖4所示。

圖4 視覺檢測算法流程Fig.4 Algorithm flow of visual detection

ROV獲取的海纜視頻通過逐幀的圖像處理后能夠得到海纜位置及寬度，進(jìn)而確定海纜與ROV的距離。常用的線段檢測方法一般基于霍夫變換判斷是否存在海纜，并確定海纜邊界[28]，采用卡爾曼濾波估計海纜的狀態(tài)[29]，采用粒子濾波有效處理模糊圖像，并預(yù)測海纜在下一幀的位姿[30]。文獻(xiàn)[31]采用視覺檢測，結(jié)合航位推算數(shù)據(jù)和AUV的位置信息，克服了海纜局部不可見、出現(xiàn)多條海纜時的選擇等問題，并取得良好效果，采樣時間達(dá)到了230 ms；文獻(xiàn)[32]采用邊緣檢測和隨機霍夫變換實現(xiàn)了海纜檢測，與海纜邊緣的平均偏差僅為5.63像素，平均處理時間達(dá)到了94.02 ms。在光線較差的情況下，也能達(dá)到160～180幀/s的處理速度。

近幾年，機器學(xué)習(xí)算法不斷發(fā)展，也逐漸出現(xiàn)在海纜(管道)圖像處理算法中。如文獻(xiàn)[33]分別采用多層感知器 (multilayer perceptron, MLP)和基于紋理信息的支持向量機(support vector machine，SVM)對海纜邊緣信息進(jìn)行分類，然后在使用形態(tài)學(xué)濾波和霍夫變換進(jìn)行邊緣修復(fù)和海纜(直線)檢測。實驗結(jié)果表明二維傅里葉變換結(jié)合MLP網(wǎng)絡(luò)是最好的邊緣分類方法，識別率為95.95%，靈敏性為98.80%，特異性為95.94%，特征提取時間為0.004 8 s。文獻(xiàn)[34]利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ResNet- 50)對敷設(shè)在低光照環(huán)境下、不同狀態(tài)的海底管道進(jìn)行檢測標(biāo)注，并獲得95.1%～99.7%標(biāo)注精度，如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及訓(xùn)練過程Fig.5 Neural network model and training process

光時域反射法通過瑞利散射、拉曼散射或布里淵散射原理實現(xiàn)分布式振動、溫度、應(yīng)變傳感技術(shù)，進(jìn)而完成海纜振動、溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)變化的定量測量[35 - 36]。該方法不僅能實時監(jiān)測光纜或復(fù)合電纜的狀態(tài)，而且能及時確定故障位置。由于布里淵散射原理具有較寬的測量范圍而被廣泛使用，但是數(shù)據(jù)采集過程十分耗時，且頻率范圍和分辨率受到限制[37]。

2.2 電學(xué)檢測

電學(xué)檢測主要有電橋法、脈沖衰減法、脈沖電流(電壓)法、電容測試法等方法，一般在海岸檢測站進(jìn)行檢測。電橋法是電纜故障診斷的最初的方法，因測試精度受線路長度、材質(zhì)的均勻性等因素的影響較大，在海纜故障診斷領(lǐng)域中使用不是非常廣泛。脈沖電流(電壓)法可以測量海纜的高阻故障，其中低壓脈沖法可以測量低阻、短路與短路故障，但其精度十分依賴濾波手段[38]。目前常用的方法是二次脈沖法和三級脈沖法，兩者原理一樣，可通過識別起始端和故障點可以判斷出故障點的位置[36]。

圖6 基于彎曲傳感器的海纜檢測系統(tǒng)Fig.6 Submarine cable detection system based on bending sensor

高效的數(shù)據(jù)處理算法是電學(xué)檢測技術(shù)中是的關(guān)鍵之一。通過對數(shù)據(jù)中的異常進(jìn)行分析識別，進(jìn)而獲取海纜故障點的位置及故障類別[39]，如采用基于脈沖衰減法，利用小波變換[40]、希爾伯特黃變換(HHT)等對故障距離的預(yù)測，文獻(xiàn)[41]為解決HHT中經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)存在的模態(tài)混疊問題，提出了改進(jìn)集總經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(MEEMD)和 Teager 能量算子相結(jié)合的電纜故障行波檢測方法，推導(dǎo)出一種不受波速影響的雙端測距算法，仿真結(jié)果表明測距誤差為0.042 4 km。此外，為減少電學(xué)檢技術(shù)的使用成本，不少學(xué)者致力于引進(jìn)新的電學(xué)檢測技術(shù)，如文獻(xiàn)[42 - 43]提出可彎曲傳感器用于檢測水下電纜形狀的方案，通過事先縱向布置的彎曲傳感器測量纜線彎曲和扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而描述出纜線近乎實時的形狀和位置，如圖6所示。目前還沒有將彎曲傳感器用于海纜檢測的工程案例，但其發(fā)展和應(yīng)用為海纜檢測技術(shù)提供了新思路。

2.3 聲學(xué)檢測

目前，聲學(xué)檢測是海纜檢測領(lǐng)域的常用檢測技術(shù)之一，主要采用側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶4種設(shè)備，以海洋“拖魚”、水下機器人搭載為主要檢測手段。表3總結(jié)了4種檢測設(shè)備的工作原理和發(fā)展趨勢，對其優(yōu)勢與不足進(jìn)行了比較。目前，已有多款先進(jìn)聲學(xué)設(shè)備應(yīng)用到海纜檢測領(lǐng)域，如表4所示。在2011年廣東省電力設(shè)計研究院應(yīng)用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對瓊州海底電力電纜進(jìn)行檢測[44]，通過海底地貌影像分析判定了海纜路由的位置，但側(cè)掃聲吶的平面定位數(shù)據(jù)在惡劣海況、大水深條件、較強溫躍層等情況干擾下，容易產(chǎn)生較大誤差[45]。

表3 4種聲學(xué)檢測技術(shù)對比Tab.3 Comparison of four kinds of acoustic detection technologies

由于海洋復(fù)雜環(huán)境和沉積物對聲學(xué)成像的影響，聲學(xué)圖像中的海纜有時與海床區(qū)分并不明顯，甚至被掩埋。文獻(xiàn)[46]通過改進(jìn)的霍夫變換，將線段的方向和距離在連續(xù)的側(cè)掃聲吶(side scan sonar, SSS)圖像疊加獲取海纜在聲學(xué)圖像上的概率熱力圖，提高了海纜檢測置信度，并結(jié)合運動學(xué)模型實現(xiàn)了AUV對海纜的跟蹤檢測，結(jié)果如圖7所示。文獻(xiàn)[47]提出了一種基于多波束測深儀(MBES)和前視聲納(FLS)的AUV對海底管道進(jìn)行自動檢測的方案，提出了一種改進(jìn)Otsu算法，與傳統(tǒng)的分割算法相比計算效率提高了16%以上。為降低噪聲影響，文獻(xiàn)[48]以懸置、平置、平鋪或懸置在管道溝內(nèi)的存在形式作為分類標(biāo)準(zhǔn)，采用模糊識別方法得到各探測圖的特征數(shù)據(jù)矩陣，對矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后將模糊聚類分析和模糊貼近度法相結(jié)合，實現(xiàn)了對海纜SSS成像圖的有效聚類。

表4 先進(jìn)聲學(xué)檢測產(chǎn)品及主要性能參數(shù)Tab.4 Advanced acoustic detection products and main performance parameters

圖7 海纜識別及跟蹤建模結(jié)果[57]Fig.7 Cable recognition processing and tracking modeling results

2.4 磁學(xué)檢測

磁學(xué)檢測是目前應(yīng)用廣泛、切實有效的檢測技術(shù)之一，分為無源檢測和有源檢測2種，其中無源檢測又可細(xì)分為絕對磁場法和金屬探測法。

2.4.1 絕對磁場法

絕對磁場法指用相應(yīng)的技術(shù)測量海纜鎧裝層對地磁場的影響(磁異常)，與已知的磁場分布規(guī)律對比后可對海纜進(jìn)行定位，并根據(jù)記錄的一系列海纜位置信息點，連接起來即可得到海纜的路徑，主要使用設(shè)備有共振磁力儀、磁通門磁力儀以及磁梯度儀(張量儀)3種，其中共振磁力儀包括質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀，是目前海洋磁檢測常用設(shè)備。表5為常用于海纜檢測的7款磁力儀產(chǎn)品及其性能對比。

磁力儀檢測在實際應(yīng)用中存在以下幾個問題。

1)不能對海纜位置及走向進(jìn)行連續(xù)探測，無法真實反映海纜存在的拐彎、曲折甚至盤繞等現(xiàn)象[45]。

2)易受強磁噪聲干擾，如航標(biāo)、船舶停泊區(qū)等地方的強磁信號，海浪磁噪聲。因此，文獻(xiàn)[49]提出采用Sage-Husa自適應(yīng)Kalman算法來海浪磁場噪聲，結(jié)果顯示海浪磁噪聲在1 Hz時的功率譜密度由50 pT/Hz1/2下降到6 pT/Hz1/2。

表5 7款磁力儀的性能參數(shù)對比Tab.5 Comparison of performance parameters of seven magnetometers

3)易受載體的驅(qū)動推進(jìn)器、舵的電動機以及傳感器的噪聲干擾，文獻(xiàn)[21]指出在測量水下機器人和海纜之間的水平偏移時，傳感器噪聲會產(chǎn)生尖峰信號，導(dǎo)致導(dǎo)航和控制輸入的抖動。文獻(xiàn)[22，50]基于2臺三軸磁力儀，建立了艏向偏移、水平偏移和埋深的解析公式，并在磁視距(LOS)制導(dǎo)中引入一種具有抗噪能力的水平偏移量估計方法，降低了磁噪聲在運動層的負(fù)效應(yīng)，并結(jié)合反饋控制器實現(xiàn)了AUV對具有洋流和傳感器噪聲干擾下的海纜定位與跟蹤仿真。

4)目前還沒有能夠較好地對海纜埋深進(jìn)行反演的方法。

此外，磁力儀檢測需要考慮的誤差來源還有實時測量誤差(GPS、磁力儀系統(tǒng)產(chǎn)生的測量誤差)和非實時測量誤差(測量過程中的誤差、“拖魚”定位誤差、正常場校正誤差、固有的地磁日變改正、船磁改正、“拖魚”位置歸算誤差以及數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差等)[51]。

2.4.2 金屬探測法

金屬探測法也稱為脈沖感應(yīng)法，使用前提是海纜包含加強鋼絲和鎧裝層等金屬材料，通過探測金屬材料對外源電磁場的影響而實現(xiàn)對海纜的檢測[52]，無須給海纜加載額外電流。TSS公司的TSS- 440系統(tǒng)及其改進(jìn)型TSS- 660/660E管線儀采用金屬探測法對海纜進(jìn)行檢測，該設(shè)備采用了3個線圈和1個高度計對目標(biāo)進(jìn)行定位，通過軟件背景補償、海水影響補償和手動補償消除外界因素的影響；ELSEC公司的Type5000金屬探測器，采用電磁感應(yīng)的原理檢測低阻體，可用于潛水員手持對淺水區(qū)域大異常體的快捷檢測。這幾款設(shè)備的構(gòu)成和算法均很先進(jìn)，測量無需外接輸入跟蹤信號，但檢測效果受檢測目標(biāo)的響應(yīng)能力(即目標(biāo)物體積)和周圍的磁性物質(zhì)影響較大[10]。

2.4.3 有源檢測法

有源檢測法也稱為交流磁場檢測法，需在海纜金屬層上加載一定頻率的交流電，通過特定的探測器在適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)接收海纜周圍的電磁波信號并進(jìn)行處理分析。但由于各種噪聲源的干擾以及電磁信號的衰減，探測器必須保持接近目標(biāo)。近年來，在國外已有了基于有源檢測法的較為成熟的商用產(chǎn)品，如TSS公司的TSS- 350管線儀、Innovative Inc公司的以Smartrak及其升級版SmartSearch為代表的水下機器人、Optimal Ranging公司的Orion水下管線調(diào)查系統(tǒng)等。TSS- 350管線儀可探測出載體相對于海纜的精確位置，分析出海纜位置、埋深等。但單個TSS- 350管線儀檢測距離和范圍有限，而且使用成本較高。Orion水下管線調(diào)查系統(tǒng)可以測量載體距離管線的水平偏移、垂直深度、電流強度以及偏航角，還會根據(jù)水下導(dǎo)體共線引發(fā)磁場的變形情況，反映同路多條緊密布置管線的信息。Smartrak搭載磁梯度儀和多軸線磁傳感器，可以測量管線及其周圍地貌的“無源磁場”磁性強度和直流、交流磁場，而且可連續(xù)探測和記錄，探測水深達(dá)300 m，覆土層厚度達(dá)8 m。但該套設(shè)備引進(jìn)成本較高，無法進(jìn)行管線防腐層缺陷檢測。在國內(nèi)，海纜檢測系統(tǒng)依然處于研究階段，文獻(xiàn)[4,53]基于磁信號引導(dǎo)遙控水下機器人跟蹤海纜路由的方案提出了5自由度海纜檢測AUV，為海纜檢測工程實踐提供參考方法。

2.5 多傳感器融合

多種傳感器融合主要是結(jié)合多種傳感器的優(yōu)勢，融合多傳感器的數(shù)據(jù)信息，對海纜進(jìn)行形成全面的評估，提高了數(shù)據(jù)處理的可靠性和準(zhǔn)確性，其難點在于信息融合。信息融合包括觀測級融合、特征級融合和決策級融合[54]。觀測級融合將相關(guān)信息與每個傳感器的基本信號處理相結(jié)合，如聲源波束形成和定位技術(shù)。特征級融合是在傳感器提取到信號強度和方向等相關(guān)特征后，對相關(guān)信息進(jìn)行融合。文獻(xiàn)[55]通過對海纜探測過程中的信息分類和信息關(guān)聯(lián)，設(shè)計了具有多層分布式海纜反饋功能的檢測融合結(jié)構(gòu)。決策級融合根據(jù)問題的需要，充分利用特征級融合得到的特征信息，為指揮提供參考，如文獻(xiàn)[20]基于多波束聲吶、攝像頭、磁傳感器提供的海纜位置數(shù)據(jù)分別建立特征圖，并融合為一個映射，提高檢測的置信度和性能的同時，結(jié)合AUV控制算法實現(xiàn)對海纜的跟蹤檢測，如圖8所示。

多傳感器融合在實際工程中應(yīng)用也越來越多，2018年中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司結(jié)合海南聯(lián)網(wǎng)工程的實際情況，用ROV攜帶攝像頭、聲吶系統(tǒng)、TSS- 350、多普勒流速剖面儀近距離檢測海纜路由、埋深、拋石石壩外觀、海纜裸露懸空及風(fēng)險點、海纜路由區(qū)域障礙物和地形地貌、海流等[56 - 57]，可分析海纜埋深、路由等狀況變化的原因。2019年伍茲霍爾海洋研究所利用REMUS 600 AUV同時搭載側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、自補償磁力計對位于Martha’s Vineyard 和 Falmouth, Massachusetts之間的海纜掃描定位，通過對圖像數(shù)據(jù)的疊加對海纜實現(xiàn)了精準(zhǔn)定位[58]。

3 存在問題及發(fā)展趨勢

近年來，國內(nèi)外海纜檢測方法得到了快速發(fā)展。隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，海洋工程對海纜技術(shù)的需求進(jìn)一步增強。本文對海纜檢測技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了較系統(tǒng)地整理和歸納。

1)多傳感器融合、多檢測手段組合，構(gòu)建全方位海纜檢測系統(tǒng)。

圖9總結(jié)了4種檢測技術(shù)常用的檢測手段及能夠獲取到的海纜信息，可以看出單種檢測技術(shù)能夠獲取到的海纜信息是有限的。

圖9 檢測技術(shù)常用的檢測手段及檢測內(nèi)容Fig.9 Common detection methods and contents of detection technology

不同的海纜檢測手段具有不同的優(yōu)勢和局限性。在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合檢測目的及要求、工作條件、海洋環(huán)境條件、工期要求等多方面因素，合理選擇搭配檢測方法。為了獲取足夠的海纜信息，保證海纜故障檢測及定位的準(zhǔn)確性、高效性，評估海纜運行環(huán)境的安全與否，采用多種檢測檢測技術(shù)和手段成為越來越多海纜檢測工程的合理選擇。海纜檢測中，結(jié)合聲學(xué)、磁學(xué)以及視覺檢測構(gòu)建綜合的海纜檢測平臺，是適應(yīng)渾濁、含沙量大、具有電磁干擾的海域情況，獲取海纜周圍環(huán)境的詳細(xì)信息，對海纜運行狀況評估和預(yù)防外力破壞的有效手段；磁學(xué)檢測和剖面聲吶結(jié)合可以消除海底面起伏變換、海纜挖溝回填不完全等對埋設(shè)深度探測的影響。

文獻(xiàn)[59]指出我國海底電纜管道管理存在安全隱患問題突出、信息共享機制不暢等主要問題，并提出建立海底電纜管道動態(tài)監(jiān)管體系、實現(xiàn)海底電纜管道普查等建議。通過水下機器人搭載、海洋“拖魚”、潛水員下潛、海岸監(jiān)測站4種檢測手段的整合，有望構(gòu)建全方位立體式海纜檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)海纜的動態(tài)監(jiān)測和普查，完善海纜系統(tǒng)化檢測、管理、規(guī)劃和信息共享機制，如圖10所示。具體來講，海岸監(jiān)測站作為長期實時監(jiān)控手段；水下機器人和海洋“拖魚”作為定期檢測手段，其中海洋“拖魚”、AUV用于長距離快速巡檢，ROV用于目標(biāo)段進(jìn)行的精細(xì)檢測，潛水員下潛作為淺水域突發(fā)故障的精確排查與維修。

2)提高模型及數(shù)據(jù)處理能力，提高海纜檢測技術(shù)的精度與識別率。

第2.3節(jié)表3總結(jié)了光、電、聲、磁學(xué)4種檢測技術(shù)的不足與關(guān)鍵問題，其主要問題可以歸納為如何減小海水中噪聲的干擾，提高海纜或海纜的檢測精度和識別率。

圖10 海纜全方位檢測系統(tǒng)框架Fig.10 Framework of sea cable omni-directional inspection system

海洋環(huán)境是多變、復(fù)雜的，除了采用多傳感器融合檢測外，更重要的是提高檢測模型和算法的處理能力。如對于視覺檢測和聲學(xué)檢測而言，受光線和水溫等不可避免的因素影響，往往無法獲得海纜的高清圖像，要提高海纜檢測和定位的精度、準(zhǔn)確率、召回率，必須從圖像處理算法著手。而對于視覺圖像和聲學(xué)圖像中的海纜檢測和定位可以轉(zhuǎn)化為目標(biāo)檢測的問題。隨著機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，各種目標(biāo)檢測算法不斷涌現(xiàn)，如Faster RCNN、YOLOv4、SSD等。在使用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法完成海纜識別和定位后，可采用傳統(tǒng)的海纜檢測算法(如霍夫變換)對檢測框內(nèi)的海纜進(jìn)行直線檢測，不僅能減少雜亂背景對海纜識別的影響，還能提高直線檢測的精度，減小擬合偏差和運行時間。

深度學(xué)習(xí)具有較好的模型泛化能力，能夠適應(yīng)不同的場景，而且具有良好的識別和分類性能，可應(yīng)用于水下圖像的海纜識別、電學(xué)檢測信號的故障分類、磁學(xué)檢測中海纜的深度反演以及海纜形態(tài)的判別、多傳感器檢測模型訓(xùn)練和權(quán)重分配等，但使用前提是需要足夠多的數(shù)據(jù)量進(jìn)行訓(xùn)練、驗證。目前，完整的海纜圖像或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集是十分匱乏的，數(shù)據(jù)集建立的成本也是十分高昂的，這是深度學(xué)習(xí)在海纜檢測應(yīng)用受到限制的一個重要因素。

3)注重載體的控制精度，提升海纜檢測手段的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

海纜檢測的誤差來源除了檢測設(shè)備的系統(tǒng)誤差外，載體(“拖魚”，水下機器人等)的運動穩(wěn)定性對檢測設(shè)備造成的測量誤差也占有很大的比重，如“拖魚”的深度變化、測船航速變化、水下機器人的定位和跟蹤誤差等。因此，需要提高“拖魚”、水下機器人等載體的控制精度，重點在于載體位姿的獲取和控制，為檢測設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的動態(tài)環(huán)境。

航行速度、航向角、海流和牽引力，是影響“拖魚”入水深度和平面定位的主要影響因素。因此，可通過在“拖魚”垂直和水平方向上添加額外的動力裝置，結(jié)合“拖魚”上的姿態(tài)傳感器的反饋進(jìn)行水平、垂直位置和航向角的調(diào)整，再使用船載式ADCP實時測流輔助“拖魚”定位，此外還可通過改進(jìn)牽引裝置，根據(jù)測船速度和“拖魚”入水深度自適應(yīng)調(diào)節(jié)拖纜收放和拖曳拉力，增強對拖魚的控制精度和定位精度。以水下機器人為載體的海纜檢測系統(tǒng)是目前研究熱點之一，是實現(xiàn)海纜自主巡檢、故障類型自主識別、故障定位及路由獲取的首要選擇。目前已有的海纜檢測機器人一般為幾噸的重型ROV，需要大型水面船只和起重機支持布放和回收，不利于應(yīng)對海纜的各種突發(fā)故障。因此，體積小、質(zhì)量輕、便于運輸是未來的水下機器人和檢測設(shè)備趨勢。而對于海纜檢測AUV和USV而言，還處于研究階段，除了在定位、軌跡跟蹤和運動控制等方面的研究外，還有在海纜不可見或誤檢測情況下的導(dǎo)航問題。還應(yīng)針對不同海域的海纜考慮水文洋流數(shù)據(jù)等，確定水下機器人的抗流能力，確定水下機器人功率、推力以及速度等，提高水下機器人的控制精度。

4)加強國際交流，促進(jìn)國內(nèi)合作共享，推進(jìn)國內(nèi)海纜檢測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

雖然近幾年國內(nèi)海纜檢測系統(tǒng)有所發(fā)展，但與國際先進(jìn)水平還有一定差距。目前國內(nèi)用于海纜檢測的高精度聲吶和海洋磁力儀基本依賴國外引進(jìn)，尤其是合成孔徑聲吶和海洋磁梯度儀。對于高效的海纜綜合檢測系統(tǒng)(如TSS管線儀和Orion系統(tǒng))，國內(nèi)更是處于空白階段，亟待開發(fā)。因此需要進(jìn)一步加強與國外高校與研究所的交流與合作，通過國際論壇和會議實現(xiàn)海纜檢測技術(shù)各部分的技術(shù)突破和數(shù)據(jù)共享，如科學(xué)使用海底電纜國際工作組和國際水下技術(shù)學(xué)會(SUT)會議等。

此外，海纜系統(tǒng)在維護我國海洋領(lǐng)土安全方面具有重要地位，為了打破國外技術(shù)壁壘，開發(fā)擁有自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)先進(jìn)的海纜檢測系統(tǒng)迫在眉睫。需要企業(yè)、高校、研究所等國內(nèi)研究機構(gòu)開展交流，信息資源共享，從基礎(chǔ)理論研究、制造測試到生產(chǎn)應(yīng)用等多方面進(jìn)行合作，并建立海纜檢測的圖像等數(shù)據(jù)信息庫，突破各種海纜檢測技術(shù)關(guān)鍵問題，促進(jìn)我國先進(jìn)海纜檢測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

4 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展以及海洋強國戰(zhàn)略的提出，海島經(jīng)濟發(fā)展、海洋能源開發(fā)、海洋國土防御等海洋工程都成為國家重點發(fā)展對象。作為海洋工程中信息與能源傳輸?shù)年P(guān)鍵角色，海纜系統(tǒng)主要依靠海纜的實時檢測與及時維修來保證安全穩(wěn)定的運行。海纜檢測的目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，海纜檢測系統(tǒng)不僅能夠快速準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)海纜的相關(guān)信息，還能長時間穩(wěn)定地運行。

目前，海纜檢測手段主要采用人工檢測(包括潛水員下潛、人工瞭望)、海洋“拖魚”以及水下機器人集成等形式，人工參與度均較高，對海洋復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性不高；海纜檢測技術(shù)主要基于聲、光、電、磁學(xué)等原理，但均有一定的使用局限性，如光學(xué)檢測受海底能見度的限制，聲學(xué)檢測受深度和含沙量的限制，磁學(xué)檢測受檢測距離限制等。

本文在總結(jié)海纜檢測手段與檢測技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了目前海纜檢測整體存在的問題以及發(fā)展趨勢，期望能給后續(xù)海纜檢測領(lǐng)域提供一定的參考。