一種新型的海洋地震觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)的設(shè)計(jì)＊

吳承東，朱小毅，陳全勝，趙帥博，李棟

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京 102628；3.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036；4.天津天元海科技開(kāi)發(fā)有限公司，天津 301800）

中國(guó)海洋面積廣闊[1]，海域自北向南由渤海、黃海、東海以及南海4 個(gè)海區(qū)組成，距離海岸較近，蘊(yùn)含著豐富的能源與生物資源[2]。目前的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集有多種方式，如遙感衛(wèi)星、沿岸監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)浮標(biāo)等[3]。每種監(jiān)測(cè)方式各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：遙感衛(wèi)星范圍廣，但是造價(jià)高，精度低；沿岸監(jiān)測(cè)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)，但是布置煩瑣，受地點(diǎn)局限性大；而監(jiān)測(cè)浮標(biāo)造價(jià)低，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，是研究海洋的重要工具之一，但監(jiān)測(cè)浮標(biāo)需根據(jù)投放地點(diǎn)的海況設(shè)計(jì)，投放和回收具有一定難度[4]。

1 海洋地震觀測(cè)的重要性

1.1 原位觀測(cè)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠

環(huán)太平洋火山地震帶、歐亞地震帶、洋脊地震帶這三大地震帶中，環(huán)太平洋火山地震帶大部、洋脊地震帶幾乎全部位于海洋上。海洋地震觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)可部署在海洋上地震帶位置，觀測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠。

1.2 實(shí)時(shí)傳輸，服務(wù)海嘯預(yù)警

海洋地震發(fā)生后，海洋地震觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)可以第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到部署位置發(fā)生地震并提供海嘯預(yù)警，通過(guò)傳輸鏈路實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨痘?wù)器，給海嘯應(yīng)對(duì)提供充足的時(shí)間。部分國(guó)內(nèi)外研發(fā)的地震海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用情況如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)外地震海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 三錨地震浮標(biāo)設(shè)計(jì)

三錨地震浮標(biāo)為海洋信息監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，包括主浮標(biāo)1臺(tái)（直徑為6 m）、中間浮子3 臺(tái)（直徑為2.4 m，呈120°均布）、中間小浮子6 臺(tái)（直徑為1 m）、Φ42 mm有擋錨鏈3 組、重力錨3 組（5 t）、丹福爾錨3 組（500 kg）、地震儀1 臺(tái)、鎧裝纜小浮子及配重1 組。效果如圖1 所示。

圖1 三錨地震浮標(biāo)整體布配效果圖

三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2 所示，各系統(tǒng)介紹如下。

圖2 三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

主浮標(biāo)（6 m）：由浮體組件、燈架組件、護(hù)身圈組件、航標(biāo)燈器、頂標(biāo)組件、避雷針組件、天線組件、太陽(yáng)能板組件（100 W，18 塊）及其他設(shè)備組成；直徑6 m，高5.64 m；浮體主要材質(zhì)是CCSB 船板，燈架主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯和鍍鋅碳鋼。如圖2（a）所示。

中間浮子（2.4 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件、燈架組件、航標(biāo)燈器組成；直徑2.4 m，高3.3 m；主要材質(zhì)是CCSB 船板。如圖2（b）所示。

中間小浮子（1 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成；直徑1 m，高0.8 m；主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯、閉水型聚氨酯、骨架組件（316L、碳鋼）。如圖2（c）所示。

鎧裝線纜組件：由鎧裝線纜、小浮子1 組、小配重1 組、重力錨1 組組成；小浮子直徑0.6 m，高0.8 m；主要材質(zhì)是線性低密度聚乙烯；小配重質(zhì)量50 kg，重力錨質(zhì)量300 kg。如圖2（d）所示。

錨泊系統(tǒng)：共有3 套，單套錨系包括重力錨1 組、拖曳錨1 組、垂直鏈1 組、水平鏈1 組及連接卸扣若干等。錨鏈選用Φ42 mm 有擋錨鏈，重力錨選用5 t 沉石，拖拽錨為500 kg 丹福爾拖拽錨。如圖2（e）所示。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 模塊化設(shè)計(jì)

三錨地震浮標(biāo)主浮標(biāo)和中間浮子結(jié)構(gòu)為模塊化組裝結(jié)構(gòu)，相對(duì)于整體結(jié)構(gòu)，碰撞防沉沒(méi)效果更好并便于生產(chǎn)及運(yùn)輸。主浮標(biāo)模塊設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 主浮標(biāo)模塊設(shè)計(jì)

主浮標(biāo)浮體由中間倉(cāng)組件1 組、外側(cè)倉(cāng)組件3 組、纜樁柱組件3 組、太陽(yáng)能板組件（100 W，12 塊）、吊耳組件、護(hù)舷組件、中間設(shè)備井組件（含橡膠筒保護(hù)套）、備用電池倉(cāng)3 組、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成。每個(gè)浮塊均設(shè)計(jì)有多個(gè)單獨(dú)密閉隔倉(cāng)，在一兩個(gè)密閉隔倉(cāng)破損情況下浮塊不會(huì)沉沒(méi)。中倉(cāng)組件設(shè)計(jì)有中間設(shè)備井，并加裝有橡膠筒保護(hù)套，能很好地保護(hù)線纜設(shè)備。如圖3（a）所示。

主浮標(biāo)燈架由顯形（線性低密度聚乙烯）、內(nèi)部骨架組件、檢修門(mén)組件、太陽(yáng)能板組件（100 W，6 塊）、爬梯組件、扶手組件、雷達(dá)反射器組件、標(biāo)牌組件、護(hù)身圈設(shè)備架組件、航標(biāo)燈器、頂標(biāo)組件、避雷針組件、天線架組件和搭載設(shè)備支架組件組成。如圖3（b）所示。

3.2 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

三錨地震浮標(biāo)設(shè)計(jì)減少了浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和搖擺角度，限制了水面浮標(biāo)的多圈轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了水下的信號(hào)電纜與錨鏈的纏繞，增強(qiáng)了抗惡劣環(huán)境的能力。

主浮標(biāo)燈架頂部設(shè)計(jì)有護(hù)身圈，同時(shí)可作為設(shè)備支架使用，可搭載各種設(shè)備，包括避雷針、氣象儀、頂標(biāo)組件、燈器和其他設(shè)備。

主浮標(biāo)配備天璇-7S 航標(biāo)燈器，該燈器射程3～7 n mile 可調(diào)節(jié)，具有AIS 碰撞預(yù)警、碰撞報(bào)警、雙路遠(yuǎn)程通信、內(nèi)部數(shù)據(jù)互通、視頻遠(yuǎn)程傳輸控制功能。燈器內(nèi)置AIS 單元，可接收附近船舶的AIS 信息，當(dāng)船舶進(jìn)入設(shè)定的電子圍欄區(qū)域內(nèi)時(shí)，向船舶發(fā)出碰撞預(yù)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)影像記錄鎖存功能，將預(yù)警范圍內(nèi)的影像存儲(chǔ)于“黑匣子”中，并將預(yù)警信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。燈器內(nèi)置碰撞傳感器，當(dāng)浮標(biāo)受到碰撞時(shí)，持續(xù)開(kāi)啟影像記錄鎖存功能，并將報(bào)警信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 長(zhǎng)效工作設(shè)計(jì)

三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)壽命取決于各個(gè)系統(tǒng)的壽命，三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)根據(jù)浮標(biāo)、錨鏈等各分系統(tǒng)壽命短板進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，有效確保了三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)工作壽命。

影響浮標(biāo)壽命的主要因素有水生物附著、腐蝕、撞擊沉沒(méi)等。為避免水生物附著，浮體噴涂新型環(huán)保海洋防污涂料，該材料以天然活性物質(zhì)開(kāi)發(fā)的海洋防污劑為核心技術(shù)，比銅基防污材料更環(huán)保，效果更好。浮標(biāo)在浮體底部安裝陽(yáng)極型號(hào)AEI-C-1 板狀鉛塊，利用電化學(xué)原理，犧牲陽(yáng)極，降低浮標(biāo)腐蝕程度。浮標(biāo)采用模塊化設(shè)計(jì)，如果浮標(biāo)遭到撞擊，首先撞擊的是浮標(biāo)的護(hù)舷材，其次是個(gè)別浮力艙，即使某個(gè)浮力艙破損進(jìn)水，浮標(biāo)仍能安全地浮在水面，不至于沉沒(méi)。

錨泊系統(tǒng)共有3 套系統(tǒng)，分別連接在3 個(gè)方向的浮子上，中間利用小浮子牽引，將三錨3 套錨系拉大了距離，從而避免了3 套錨系相互纏繞以及和水下線纜發(fā)生纏繞的可能性，保護(hù)了供電通信線纜，降低了錨系磨損，延長(zhǎng)了錨系壽命。

3.4 施工維護(hù)設(shè)計(jì)

海上浮標(biāo)系統(tǒng)在布放、回收、維護(hù)等作業(yè)時(shí)要考慮海上施工的可操控性及安全因素，要綜合考慮特定浮標(biāo)自身的固有性能、觀測(cè)功能、隨波性、維修性、海上施工作業(yè)等眾多因素，因此浮標(biāo)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)者在浮標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)若疏于考慮任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能在浮標(biāo)的海上應(yīng)用過(guò)程中造成極大的問(wèn)題，輕則造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，重則無(wú)法完成觀測(cè)任務(wù)，造成人力物力的極大浪費(fèi)。

三錨地震浮標(biāo)系統(tǒng)大大降低了浮標(biāo)施工作業(yè)的難度。由于將3 套錨泊系統(tǒng)分開(kāi)，使得布放、回收、維護(hù)變得簡(jiǎn)單，甚至可以采用單船作業(yè)，分別布設(shè)3 套系統(tǒng)，然后再進(jìn)行浮子和主浮標(biāo)的對(duì)接，將一個(gè)大任務(wù)分成幾個(gè)各自獨(dú)立的小任務(wù)分別完成，從而降低了對(duì)施工船舶的要求。3 套錨泊系統(tǒng)也具備了一定的機(jī)動(dòng)性，其中一套系統(tǒng)出故障，可單獨(dú)解決，不影響另外2套系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.5 海上通信設(shè)計(jì)

三錨地震浮標(biāo)采用衛(wèi)星通信，三錨的設(shè)計(jì)可確保海上系統(tǒng)良好的通信狀態(tài)，主浮標(biāo)安裝的18 塊100 W太陽(yáng)能板為通信系統(tǒng)提供了充足的能源保障，可有效解決海上通信困難問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

浮標(biāo)系統(tǒng)由浮標(biāo)體、三錨系、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、接收岸站、供電通信鎧裝纜組成。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理器、傳感器系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)組成。使得浮標(biāo)預(yù)計(jì)在海上能夠連續(xù)工作3 年時(shí)間，浮標(biāo)直徑為6 m，錨系方式為三錨系泊系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸觀測(cè)點(diǎn)連通率（重要事件回傳率）大于等于90%，連接浮標(biāo)方式為鎧裝纜連接浮標(biāo)和海底地震儀。

海洋地震觀測(cè)涉及到技術(shù)復(fù)雜、投資大等諸多因素，造成中國(guó)目前的水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大差距，海洋地震觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、開(kāi)展地質(zhì)勘探、加強(qiáng)國(guó)防安全防務(wù)等領(lǐng)域均具有很高的科學(xué)研究意義和戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，同時(shí)可以推動(dòng)一帶一路國(guó)家進(jìn)行海底地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用。