海底光缆路由勘察的发展趋势

近30年来，海洋调查相关技术均取得了长足的进步，因此路由勘察也得到了高速的发展，主要在以下方面：

1.调查技术要求的规范化趋势

国际上并无统一的海底光缆工程勘察标准，而世界上主要国际海底光缆系统供应商和海底光缆运行商也未公开出版过相关的勘察规范或标准，因此目前国际海底光缆勘察一般的做法都是针对特定工程项目编制相应的路由勘察技术要求，而这些路由勘察技术要求一般都是基于以往经验的基础上编制，经过多年的积累，这些路由勘察技术要求（包括调查项目、内容、作业程序、技术标准、仪器性能指标、用船要求、成果报告格式等）也越来越趋于一致，勘察技术要求也越来越成熟、规范。

我国在总结以往路由调查实践以及广泛收集国外相关规范和标准的基础上，制订了第一部《海底电缆管道路由勘察规范》（GB 17502—1998），作为强制性国家标准于1998年4月实施，第一次全面而系统地对海底电缆管道路由勘察做出了科学规定。这对我国海底电缆管道路由调查的标准化和规范化起到了重要作用，亦为海域管理提供了重要的技术依据。2009年，在充分吸收国内外勘察实践经验的基础上，修订颁布了《海底电缆管道路由勘察规范》（GB/T 17502—2009），是目前国内进行海底光缆路由勘察工程的主要技术依据。

2.新技术的应用

20世纪90年代以来，由于海洋调查和海底探测技术的进步以及海缆路由调查专门技术的不断成功研发，许多新的技术手段在海缆路由调查中得到了广泛应用，使资料的处理更为快速、高效，调查技术要求更加规范化。调查的内容、方法和技术手段亦均有所改进和提高。

（1）高精度定位技术

差分GNSS的采用使调查船只的定位提高到优于5m的精度，而目前近岸的RTK技术以及远岸的星载差分GNSS和高精度单点定位技术（PPP）的应用，可以使勘察定位精度从米级提高到分米级甚至是厘米级。而水下定位系统超短基线（USBL）的应用则是大幅提高了拖曳式水下传感器采集的水下定位精度，也提高了侧扫声呐、浅地层剖面仪和磁力仪等数据的可靠性。

（2）海底高分辨率数字式地球物理探测技术

多波束测深技术的发展和成熟，并广泛用于海洋地形调查，使得海缆路由调查可以获取全覆盖、高精度的水深地形测量数据，从而可以实现高精度的海底地形模型应用；而侧扫声呐、合成孔径声呐和三维声呐的应用大大提高了对海底面状况和海底目标物探测的分辨率，并使声呐记录的镶嵌图得到广泛应用；地层剖面仪从模拟式发展到数字式，还有Chirp技术、参量阵技术的应用大大提高了浅部地层探测的精度和效果；磁法和侧扫声呐探测的组合对铁磁性目标物的探测可获得理想的效果。

上述海底数字式、高分辨率的地球物理探测技术的综合应用，实现了对海底光缆路由走廊带全程的大比例尺、全覆盖的测量，可以获得连续的高质量的海底各类信息。同时，结合一系列先进软件（如Caris、Triton、Sonarwiz、Qinsy、Fle-dermaus和ACRGIS等）的采用，达到了资料处理的快速、高效和实时显示。

（3）数字成果

原来的海缆路由勘察的最终成果一般只有纸质成果图或者基于AutoCAD文件格式的线划数字电子图，而高分辨率数字式勘察技术和软件的大量应用，使得数字成果得到了实现，丰富了海缆路由勘察的成果数据。随着计算机技术的发展，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的应用越来越广泛，而地理信息系统技术在海缆路由勘察的应用，可以使海缆路由勘察的数据得到更全面、更高效的应用。

数字成果可以实现多源数据的融合分析，比如多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、采样和磁力等勘察数字成果通过地理信息位置的匹配实现多源数据融合，从而方便进行分析和数据挖掘，提高效率和质量。图1-1为侧扫声呐和浅地层剖面数据融合分析示意图。

图1-1 侧扫声呐和浅地层剖面数据融合分析示意图

数字成果可以很方便进行共享，因此海缆工程设计方和施工方可以直接利用数字成果数据进行相关的工作，相比原来纸质成果图或者线划数字电子图，可以更方便地获取到需要的信息，也可以根据自己的需求从数字成果进行进一步挖掘数据，更大化利用成果数据。图1-2和图1-3分别为勘察获取到的地形数字成果示意图和利用地形数据计算出来的坡度数字成果示意图，通过计算，可以很直观地得到整个路由区域的坡度情况，可以很方便地进行设计等工作。

（4）海底原位测试技术

海底原位测试技术由于是在原位进行测试，受影响的因素比较少，因此得到的数据更接近真实值，对于工程设计的参考意义更大。目前用于海缆调查的海底原位测试设备主要有静力触探仪（CPT）、电阻率测试系统和海底介质声速测试系统等。

图1-2 地形数字成果示意图

图1-3 地形坡度数字成果示意图(www.xing528.com)

20世纪80年代CPT就开始用于海洋调查。它由小型锥型贯入仪、带有压重物的放到海底的基架、推力器和数据采集处理器等部分组成，微型电子锥体用于测量锥端阻力、锥侧摩阻力。近20年来，用于海底光缆和管道路由调查的CPT的研发方向是多功能和小型化，即MCPT，它可以同时测得土的贯入阻力、孔隙水压力和贯入的倾斜度等，得到一系列以图示形式给出的各种测量值和推导得出的参数与贯入深度的关系曲线，用于解释和确定土的分层和土质状况、粒状土的相对密度、黏性土的超固结化和灵敏度等。

近年来，测量海底介质声速的SHRIMP系统、测量海底电阻率剖面的REDAS系统、RHOBAS系统相继研发成功，并已用于埋设评价调查。例如测量电阻率剖面的RHOBAS系统由带有资料采集器、传输器、多电极电缆的雪橇式拖体、电极资料处理器、连接甲板资料处理器和拖体的多路电缆等3部分组成。调查成果反映在沿路由的视电阻率剖面曲线。用于解释海底底质的土工性质，预测海缆海底安全线的深度，分析得到不同条件路由的埋设保护指数（BPI）等。

（5）新勘察平台

传统的海缆路由勘察采用的平台的水面调查船搭载调查设备的模式进行，但近几年出现的无人艇（Unmanned Surface Vessel，USV）、水下遥控机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）、水下自控机器人（Autonomous Underwater Ve-hicle，AUV）以及无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）等新平台技术的逐渐成熟，也丰富了勘察的手段，并且提高了勘察的效率。在近岸勘察中，无人艇的便利性越来越得到认可，而利用ROV、AUV作为平台，把海洋测量各类传感器或采样器、摄像仪等安装于其上，进行近海底、近距离、近目标的高精度综合检测已成为海底精细观测的有效手段。

1）无人艇（Unmanned Surface Vessel，USV） 无人艇（USV），近年来受到国内外越来越多的关注。目前，船舶自动化水平较高，但船舶的正常运行始终离不开人的参与。即使是无人值班机舱，当有紧急情况发生时仍需要船员来处理。船舶驾驶虽有卫星导航、电子罗盘、电子航道图和自动舵的辅助，但驾驶台还未实现无人化。船舶无人化不仅能提高船舶的自动化和智能化水平，也能减少船舶发生危险的风险。国内外有很多研究机构和公司开展了船舶无人化方面的研究，无人艇（USV）是研究中的热点，在军事和民用都有广阔的应用前景。军事领域，出于保护人身安全的目的，在执行扫雷、侦察等危险系数高的任务时，USV具有很大的优势。民用领域，USV能有效减少人员费用的支出和提高船舶航行的安全性。

在海洋调查领域，可采用USV作为平台，搭载单波束测深仪（或多波束测深仪）、侧扫声呐和星站差分GPS，构建面向超浅水区（5m以浅）、航道岸边滩涂等水域的水下地形测量系统；可搭载多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪、光纤罗经、星站差分GPS、表面声速仪等构建面向浅水水下地形测量系统；可搭载ADCP等定点海流观测系统；还可构建搭载采水器、水质分析仪器等的海洋环境监测系统。面向浅水水下地形测量工作，USV平台具备以下四方面的优势：①具备无人驾驶、油电混合推进等功能，采用电推时航行噪声非常小，涂装保护色后，非常适合用于特殊海域的海洋环境要素调查；②船体小、吃水浅，可抵达礁盘、滩涂等浅水区域开展海洋环境要素调查；③具备自主路径规划功能，可按设定测线自主航行并开展海洋环境要素调查，航行测线与设定测线间的误差远小于人工驾驶船舶；④具备自主避障功能，可适应复杂的海洋作业环境。图1-4为南海无人艇调查技术联合实验室研发的M80无人艇。

2）水下遥控机器人（Remote Operated Vehicle，ROV） 又称有缆水下机器人、无人遥控潜水器。ROV是一种由水面控制，可以在水下三维空间自由航行的高科技水下工作系统。其基本工作方式是由水面母船上的工作人员通过连接ROV的脐带缆提供动力并控制ROV，利用水下摄像机、成像声呐等专用设备进行水下观察，或者通过机械手等工具进行水下作业。目前工作型ROV应用最为广泛，并且已经发展到第5代产品。石油工程是其主要的应用领域，覆盖油气田开发、生产和弃置的各个过程，包括钻井支持、工程建造支持（导管架安装、管缆铺设、水下设施安装连接、工程前后调查），特别是生产期间的检测/修理和维护（Inspection，Repair and Maintenances，IRM），比如海底管线的检测。而同样在海缆工程中，ROV的应用也是非常广泛，以ROV为载体，搭载多种专业调查及检测设备，如侧扫声呐、多波束测深系统、磁力探测仪等，可以对勘察路由区进行高精度的勘察，包括已有地形、微地物，特别是海底管线探测，可以得到已有海底管线的位置坐标、地形、涂层、节点、异常、损坏、腐蚀、垃圾、牺牲阳极、悬空、掩埋、交叉跨越、是否进水、泄漏等影响海底管线运行安全的所有外部情况，因此ROV也经常用于海底管线的运营后的检测技术。与常规地球物理调查方法相比，它可以通过摄像系统直接反映海底管线的外观以及现状，并进行高精度测量。图1-5为作业型ROV。

图1-4 南海无人艇调查技术联合实验室研发的M80无人艇

图1-5 作业型ROV

3）水下自控机器人（Au-tonomous Underwater Vehicle，AUV） 也称无缆水下机器人。AUV自带动力系统，可进行路线设计自动前行，活动能力较好。AUV是一种非常适合海底搜索、调查、识别和打捞作业的工具。与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROV相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中等优点。AUV代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。AUV在军事上的应用比较广泛，比如水雷对抗、反潜战、情报收集、监视与侦查、目标探测和环境数据收集。而和ROV一样，AUV也可以通过配置不同类型的搭载调查设备完成不同的海洋调查任务，如海洋矿产资源和海洋生物资源等的勘察、海洋测绘、海洋环境监测、潜水支援、海洋科学研究等。

目前，AUV还处于一个发展阶段，还没有广泛应用到海缆路由勘察中，但是AUV的优势将在高精度的勘察中得到淋漓尽致的体现。首先，AUV可以得到更好的数据质量。相对于使用深拖系统进行深海地形测量时，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，拖鱼往往偏离航线非常远。而AUV却能够通过调整艏向，以较高的位置精度保持在设定航线之上，即使有海流影响也不会偏离航线多远，从而保证了数据质量。另外AUV能够自动跟踪海底起伏变化，随时调整自身距海底的高度，从而获得安全而又高质量的数据。另外，与船载多波束系统相比，AUV由于离底更近，因此可以得到更高分辨率的多波束数据。其次，更高的作业效率。深拖系统作业时速度要求很高，一般低于2.5kn，而AUV能够达到4kn的速度。另外深拖系统在完成一个设定航线的探测后转入下一个设定航线时，为保证拖鱼不与海底相碰，必须通过绕半径几十千米大弯的方式回转，或者回收电缆再掉头的方式，所以测线间掉头时间很长，水深的区域可能要达到6h。而AUV却能够快速转弯，仅需要几分钟的时间就可进入下一个设定航线，大大提高了调查效率。图1-6为挪威Kongsberg生产的HUGIN3000型AUV；图1-7为利用AUV获取的深水人工残骸影像。

图1-6 挪威Kongsberg生产的HUGIN3000型AUV

4）无人机（Unmanned AerialVehicle，UAV） UAV是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行。无人机遥感（UAV Remote Sensing，UAV-RS）是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案。无人机遥感系统（UAV Remote Sensing System，UAV-RSS）即是一种以UAV为平台，以各种成像与非成像传感器为主要载荷，飞行高度一般在几千米以内（军用可达10km之上），能够获取遥感影像、视频等数据的无人航空遥感与摄影测量系统。而UAV在海缆路由勘察中主要是针对登陆段调查的应用，具体比如可以通过UAV搭载摄像系统进行高空拍摄完成登陆点踏勘工作，另外也可以利用UAV-RS技术完成复杂、人工难进入的困难登陆点测量。图1-8为六旋翼无人机，图1-9为固定翼无人机。

图1-7 利用AUV获取的深水人工残骸影像

图1-8 六旋翼无人机

图1-9 固定翼无人机