“世越號”整體打撈起浮過程中沉船狀態(tài)監(jiān)測

王崇明，王曉琳，楊海忠，隋海琛

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

圖1 “世越號”整體打撈方案示意圖Fig.1 Sketch of Sewol salvage plan

韓國大型輪渡“世越號”于2014年4月16日在全羅南道珍島郡屏風(fēng)島以北海域意外進水并沉沒，2015年8月上海打撈局按照韓方要求，開創(chuàng)性地提出“鋼梁拖底+整體起浮”的人性化打撈方案，獲得商業(yè)打撈合同[1-3]。該方案最大特點是在不改變沉船姿態(tài)、不損傷船體結(jié)構(gòu)的情況下，采用兩條抬浮駁將沉船整體起浮至半潛駁上，最大限度的保證了船體完整不受破損。如圖1所示，首先安裝33根托底鋼梁，在沉船兩端安裝起吊鋼絲，起吊鋼絲兩端分別連接船底鋼梁端頭和雙抬浮駁上的鋼絞線端頭，利用鋼絞線液壓同步提升原理將沉船抬浮出水，實現(xiàn)沉船的整體打撈。

沉船打撈現(xiàn)場海域氣象多變，水文條件復(fù)雜，平均水深44 m，最大流速大于4節(jié)。沉船起浮過程會受到環(huán)境影響，容易發(fā)生鋼絲繩斷裂、沉船側(cè)翻等事故，從而導(dǎo)致打撈失敗。因此起浮過程要保證沉船和抬浮駁姿態(tài)的穩(wěn)定，必須要對沉船的狀態(tài)進行監(jiān)測。沉船起浮過程中的狀態(tài)信息主要包括位置、離底高度、艏向、橫傾、縱傾等，這些狀態(tài)信息必須要實時展示給施工指揮人員。

1 狀態(tài)監(jiān)測方法

沉船打撈過程的狀態(tài)監(jiān)測，傳統(tǒng)上多由潛水員使用機械式傾斜儀進行沉船靜態(tài)單一傾斜的測量，無法得到實時的船體姿態(tài)，同時還缺乏艏向和位置等數(shù)據(jù)，決策基本靠個人經(jīng)驗，導(dǎo)致打撈起浮過程中失去控制能力，易出現(xiàn)縱橫傾、側(cè)滾、纜繩斷裂等事故[4]。隨著微機電制造技術(shù)的發(fā)展，MEMS(Micro Electro Mechanical System)器件的應(yīng)用越來越廣，常用在飛行器航空狀態(tài)監(jiān)測、車聯(lián)網(wǎng)車輛姿態(tài)測量、船舶運動狀態(tài)監(jiān)測等。光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的敏感元件，基于賽格尼克理論實現(xiàn)艏向和姿態(tài)角等的測量，在航海、航空航天、軍事、車輛導(dǎo)航：地下工程中有著廣泛的應(yīng)用[5-6]。

世越號沉船打撈采取的方案與傳統(tǒng)方式差別很大，根據(jù)監(jiān)測對象和功能要求的不同，將沉船狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)劃分為兩部分：船體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和鋼梁傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，下面對這兩種系統(tǒng)進行詳細(xì)描述。

1.1 船體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 船體狀態(tài)監(jiān)測箱Fig.2 Statue monitoring box

將船體的狀態(tài)分為東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、深度、艏向、橫傾和縱傾等六個自由度信息，集成光纖陀螺姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)、水下定位技術(shù)、水下無線通訊技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等先進技術(shù)手段，開發(fā)了高精度的水下船體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示為監(jiān)測設(shè)備組成的箱體。

箱體由框架和三個不銹鋼浮箱組成，上部安裝吊耳便于吊裝，下部預(yù)留螺孔便于同沉船上的基座連接。箱體內(nèi)部固定安裝有Octans3000光纖羅經(jīng)、DMS05姿態(tài)傳感器、Compatt信標(biāo)、WMT信標(biāo)、深度傳感器、Benthos水聲通訊機以及數(shù)傳和供電單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，共分為有線傳輸和無線傳輸兩部分。有線傳輸部分，甲板直接給多個設(shè)備供電，并通過光纖將監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)回傳；無線傳輸部分，超短基線換能器與信標(biāo)用于水下定位，帶電池組供電的姿態(tài)傳感器通過水聲通訊機發(fā)送至甲板接收單元，電池組采用磁感應(yīng)開關(guān)，使用時由潛水員水下啟動。有線部分和無線部分互為補充或備份，確保極端情況下依然可以得到穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息[7]。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure

1.2 鋼梁傾斜監(jiān)測系統(tǒng)

沉船托底鋼梁共33根，每根均為27 m長、1.8 m寬、0.9 m高，每一根均根據(jù)船體型線設(shè)置支墩，沉船的整體重量分布在33根鋼梁上。鋼梁呈長條形，為避免屈曲對結(jié)構(gòu)進行了加強處理，在沉船起浮過程中其變形量可以忽略不計，因此只需沿鋼梁長軸方向安裝一單軸MEMS傾角儀就可以監(jiān)測鋼梁的傾斜情況。

33根鋼梁中，B01#-B18#為剛性連接鋼梁兩組，位于沉船中部；FB1#-FB2#為剛性連接鋼梁組，F(xiàn)B3#-FB5#為剛性連接的鋼梁組，兩組鋼梁位于船艏；B19#-B28#為10根單獨鋼梁。單獨鋼梁每個均需安裝傾角儀，B01#-B18#鋼梁組安裝兩個傾角儀，剩余兩個鋼梁組各安裝一個傾角儀，因此傾斜儀安裝的鋼梁為編號為FB2#、FB4#、B01#、B16#、B19#、B20#、B21#、B22#、B23#、B24#、B25#、B26#、B27#、B28#，共14臺傾角儀，構(gòu)成鋼梁傾斜監(jiān)測系統(tǒng)。

2 監(jiān)測作業(yè)設(shè)計與實施

2.1 監(jiān)測設(shè)備安裝

根據(jù)起浮受力分析計算結(jié)果和通視的水聲傳輸要求，選取沉船重心附近的區(qū)域安裝船體狀態(tài)監(jiān)測箱，如圖4所示，狀態(tài)監(jiān)測箱安裝在沉船右舷，通過一根電纜連接到抬浮駁招商重工1的甲板。

位于托底鋼梁上的MEMS傾角儀，沿鋼梁長軸方向安裝在靠近招商重工1一側(cè)的鋼梁上，反映鋼梁垂直于沉船方向的角度變化，進而可以得到沉船橫傾Roll的角度變化。14臺傾角儀均通過電纜連接的招商重工1的甲板，數(shù)據(jù)通信采用RS485的模式。傾角儀安裝在穿鋼梁作業(yè)結(jié)束后、整體起浮開始前進行。

圖4 船體狀態(tài)監(jiān)測箱安裝位置示意圖Fig.4 Installation of status mornitoring box

2.2 監(jiān)測設(shè)備初值標(biāo)定

船體狀態(tài)監(jiān)測箱里的設(shè)備在入水前，采用全站儀精細(xì)觀測各設(shè)備的偏移量，其中需要初值標(biāo)定的設(shè)備主要有Octans3000光纖羅經(jīng)、DMS05姿態(tài)傳感器和深度傳感器。Octans3000光纖羅經(jīng)可以測量艏向Heading、橫傾Roll和縱傾Pitch，DMS05姿態(tài)傳感器可以測量橫傾Roll和縱傾Pitch，深度傳感器是利用壓強差來測量沉船與海面之間的距離。

監(jiān)測箱體入水前，深度傳感器在空氣中連續(xù)采集1 h的壓強數(shù)據(jù)，作為大氣壓初值，并在船上測量大氣壓的變化，這樣就可以得到深度傳感器入水前后精確的壓強差，經(jīng)過計算得到入水深度。

表1 設(shè)備標(biāo)定改正值Tab.1 Calibration value

根據(jù)沉船掃測結(jié)果，艏向為50.8°，縱傾1.29°，橫傾-4.76°。在監(jiān)測箱體安裝固定完成后，隨即開啟光纖羅經(jīng)和姿態(tài)傳感器，將兩者的初始值改正為上述結(jié)果[8]。表1為兩個設(shè)備的改正值。

托底鋼梁與船體形狀緊密貼合，起浮過程中主要關(guān)注其水平度的變化，因此在鋼梁安裝完成后，將傾角儀初值都改正為0°即可。起浮過程中，通過調(diào)節(jié)鋼梁兩端的鋼絞線長度，使鋼梁的水平度保持在0°。

3 起浮過程狀態(tài)監(jiān)測

世越號沉船打撈起浮的所有準(zhǔn)備工作于2017年3月21日完成，晚九時許開始起浮作業(yè)。

圖5為沉船整體起浮過程中艏向監(jiān)測結(jié)果，沉船離底之前曲線波動是由設(shè)備本身精度造成的，設(shè)備的艏向測量精度為0.1°。從圖中可以看出，沉船離底后，艏向開始發(fā)生較為明顯的波動，幅度超過0.8°，這是施工過程主動調(diào)整起浮鋼絲繩長度而導(dǎo)致的變動。沉船轉(zhuǎn)移至半潛駁后，其艏向監(jiān)測作業(yè)結(jié)束。

圖6所示為起浮過程中縱傾的監(jiān)測結(jié)果，從中可以看出沉船離底之后縱傾發(fā)生了微小變動，變化值約為0.2°。抬浮駁將沉船運輸至半潛駁后，整體重量逐漸轉(zhuǎn)移至半潛駁上，縱傾由1.29°變化至約0°，變化幅度較大，該變化是人為主動調(diào)整造成的，確保沉船和半潛駁的姿態(tài)穩(wěn)定。

圖5 起浮過程艏向監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Heading monitoring result圖6 起浮過程縱傾監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Pitch monitoring result

圖7 起浮過程橫傾監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Roll monitoring result

圖7所示為橫傾的監(jiān)測結(jié)果，起浮和運輸過程中呈階梯狀變化，從-4.76°逐漸變?yōu)榧s0.2°。階梯狀變化是施工指揮人員主動調(diào)整鋼絲繩的結(jié)果，將招商重工3的鋼絞線同步提升約0.35 m，沉船的橫傾就會減小1°，最終使沉船的橫傾接近于0°，使沉船在起浮過程中姿態(tài)穩(wěn)步變化，確保施工安全。

針對托底鋼梁的水平度監(jiān)測，開發(fā)了專業(yè)監(jiān)測軟件，界面如圖8所示。所有傾角儀的數(shù)據(jù)通過電纜共享至網(wǎng)絡(luò)，軟件解析后可以實時顯示每一根監(jiān)測鋼梁的傾角，并計算出鋼梁兩端的高差，指導(dǎo)調(diào)整單根或多組鋼梁的水平度。在鋼絲繩收緊后的提升初始階段，監(jiān)測鋼梁傾角是否過大；在提升過程中，監(jiān)測鋼梁的傾斜度變化，確保鋼梁兩端的高差不超過設(shè)計值。

圖8 托底鋼梁水平度監(jiān)測軟件界面Fig.8 Software interface of girders inclination monitoring system

4 結(jié)論

從世越號打撈整體起浮作業(yè)到沉船出水，船體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和鋼梁傾斜監(jiān)測系統(tǒng)在整個沉船起浮過程中發(fā)揮了重要作用，尤其是鋼絲繩收緊沉船離底和沉船重量轉(zhuǎn)移至半潛駁的過程等關(guān)鍵節(jié)點，監(jiān)測了沉船的整體狀態(tài)和姿態(tài)，指導(dǎo)了沉船橫傾的調(diào)整，確保了整個過程沉船的狀態(tài)穩(wěn)定，有力的保障了打撈工程的安全順利進行，為今后類似工程提供了重要經(jīng)驗。

監(jiān)測施工過程中仍然存在一些不完善之處，如船體狀態(tài)監(jiān)測箱安裝位置僅考慮沉船重心，船體若發(fā)生變形將導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；未開展?fàn)顟B(tài)預(yù)警系統(tǒng)研究，只能顯示當(dāng)前狀態(tài)信息，無法預(yù)測狀態(tài)的變化；未將現(xiàn)場風(fēng)、波、流等水文要素納入到監(jiān)測系統(tǒng)中，施工支持信息不全面。下一步將對這些方面開展研究工作，建立一套完整的施工輔助決策系統(tǒng)。