孤立內(nèi)波對(duì)動(dòng)力定位船舶作業(yè)的影響和應(yīng)對(duì)措施

陳 帥，俞金林，王靖凱，劉國(guó)增

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

中國(guó)南海是孤立內(nèi)波十分活躍的海區(qū)，在該海區(qū)內(nèi)作業(yè)的動(dòng)力定位船舶易受孤立內(nèi)波的影響，存在極大的安全隱患。對(duì)此，本文介紹南海孤立內(nèi)波的基本特點(diǎn)及其對(duì)動(dòng)力定位船舶作業(yè)的影響，結(jié)合多年應(yīng)對(duì)內(nèi)波流作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出應(yīng)對(duì)措施，供動(dòng)力定位船舶和項(xiàng)目施工人員參考。

1 南海北部孤立內(nèi)波基本特征

1.1 孤立內(nèi)波的含義

孤立內(nèi)波是發(fā)生在層化海洋內(nèi)部的一種高能量非線性波動(dòng)，孤立內(nèi)波產(chǎn)生之后可攜帶巨大的能量，并將其傳播至很遠(yuǎn)的地方（見(jiàn)圖1）。孤立內(nèi)波在層化海洋內(nèi)部傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的波致剪切流，上層海洋海流和下層海洋海流的垂向速度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，上層海洋海流的流向基本上與孤立內(nèi)波的傳播方向保持一致，而下層海洋海流的流向則與孤立內(nèi)波的傳播方向相反。由于海洋內(nèi)部的層化不同，波致流在不同水層的強(qiáng)弱不同，波致流的流速在海洋混合層和溫躍層界面處最大。

圖1 孤立內(nèi)波結(jié)構(gòu)示意

1.2 孤立內(nèi)波的特征參數(shù)

孤立內(nèi)波傳播過(guò)程中，其波形特征會(huì)受地形和海洋層結(jié)的影響，在不同海域觀測(cè)的孤立內(nèi)波具有完全不同的特征參數(shù)。亞洲季風(fēng)試驗(yàn)期間定點(diǎn)的溫度和海流觀測(cè)結(jié)果揭示了南海北部東沙島附近孤立內(nèi)波的特征，觀測(cè)到孤立內(nèi)波最大振幅約為200m，波致流速可達(dá)2m/s，周期為10～27min，孤立內(nèi)波的波包大致24h 出現(xiàn)一次。在呂宋口產(chǎn)生的孤立內(nèi)波會(huì)沿東西方向向南海和西太平洋傳播，在傳播過(guò)程中因具有非線性效應(yīng)，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。監(jiān)測(cè)海域孤立內(nèi)波的傳播速度一般為1.6～2.0m/s，對(duì)于單個(gè)孤立內(nèi)波而言，其波長(zhǎng)為0.5～4.0km，傳播方向?yàn)?70°～300°。圖2 為通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)的南海弧立內(nèi)波圖像。

1.3 南海北部孤立內(nèi)波的分布

南海北部是一個(gè)孤立內(nèi)波十分活躍的海區(qū)。早在20世紀(jì)70年代就從衛(wèi)星圖像中發(fā)現(xiàn)東沙群島附近存在著孤立內(nèi)波，但直到20世紀(jì)90年代相關(guān)研究才得到重視。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料和衛(wèi)星遙感資料可知，南海北部為南海孤立內(nèi)波的主要生成和傳播區(qū)域，每年正壓潮經(jīng)過(guò)呂宋口東西兩側(cè)海脊時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的孤立內(nèi)波，按270°～300°的方向傳播，在傳播過(guò)程中因具有非線性效應(yīng)，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。南海陸架、海南島周邊海域和中南半島周邊海域均有孤立內(nèi)波分布，但受南海北部大陸架分布特點(diǎn)的影響，內(nèi)波流強(qiáng)度最大、影響時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域還是南海東北部、呂宋口以西海域。

圖2 通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)的南海孤立內(nèi)波圖像

2 南海孤立內(nèi)波對(duì)動(dòng)力定位船舶作業(yè)的影響

隨著國(guó)家深水戰(zhàn)略總體布局的不斷推進(jìn)，南海海上油氣田的開(kāi)發(fā)力度逐漸增大，各類油氣田相關(guān)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)需求逐漸增多。作為油氣田及水下設(shè)施建設(shè)和維護(hù)的重要平臺(tái)，動(dòng)力定位船舶發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2.1 動(dòng)力定位船舶作業(yè)原理

動(dòng)力定位船舶的基本原理是：利用船舶的各類傳感器、羅經(jīng)和位置參考單元，通過(guò)卡爾曼濾波器（Kalman Filter）收集船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置變化情況、環(huán)境風(fēng)力的大小和方向，通過(guò)動(dòng)力定位控制器構(gòu)建船舶數(shù)學(xué)模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制各推進(jìn)裝置輸出適當(dāng)?shù)耐屏土?，以抵消環(huán)境擾動(dòng)力，控制船舶水平橫向、縱向和艏向等3 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而使其保持目標(biāo)船位和艏向。動(dòng)力定位船舶普遍應(yīng)用于水下設(shè)備設(shè)施安裝維護(hù)回收工程、地質(zhì)調(diào)查勘探工程和打撈工程等各類海上施工作業(yè)中。動(dòng)力定位船舶的海上定位精度和定位能力是其順利完成各項(xiàng)深海作業(yè)的保證，同時(shí)也是影響其作業(yè)質(zhì)量和安全性的主要因素。

2.2 孤立內(nèi)波對(duì)動(dòng)力定位船舶作業(yè)的影響

基于動(dòng)力定位工作原理，要想得到良好的定位精度，除了需配備各類高精度的傳感器和位置參考系統(tǒng)以外，還需重點(diǎn)考慮外界作業(yè)環(huán)境是否穩(wěn)定。動(dòng)力定位流是系統(tǒng)計(jì)算出的船舶所受風(fēng)力影響以外的其他外力的合力的方向和大小。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)采用的是“記風(fēng)不記流”的模式，其對(duì)水流的變化的反應(yīng)存在一定的滯后性。當(dāng)船舶遭遇孤立內(nèi)波時(shí)，流向和流速會(huì)突變，造成船舶失位和艏向發(fā)生偏差；同時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)為使船舶盡快回到初始船位，會(huì)控制各推進(jìn)裝置增大輸出功率和改變輸出方向，由此帶來(lái)的是各配電板上的負(fù)荷急劇增大，甚至?xí)雇七M(jìn)裝置或電力系統(tǒng)過(guò)載，造成推進(jìn)裝置停車或黑電。

鑒于以上情況，環(huán)境因素變化越小，建立的數(shù)學(xué)模型越穩(wěn)定和精確，越能精準(zhǔn)控制船舶推進(jìn)裝置的輸出，使船舶保持穩(wěn)定的船位和艏向。由此可看出，孤立內(nèi)波對(duì)動(dòng)力定位船舶作業(yè)的影響是不可忽略的。曾經(jīng)就有動(dòng)力定位船舶在進(jìn)行飽和潛水支持作業(yè)期間因受強(qiáng)內(nèi)波流侵襲而嚴(yán)重失位，致使一名飽和潛水員的臍帶纜直接被拉斷。

2.3 孤立內(nèi)波觀測(cè)和預(yù)警措施

為減小孤立內(nèi)波對(duì)船舶作業(yè)安全的影響，提前發(fā)現(xiàn)并采取有效的應(yīng)對(duì)措施尤為重要。目前已知的觀測(cè)方式主要有目測(cè)法、雷達(dá)觀測(cè)和監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)等3種。

1) 目測(cè)法：在駕駛臺(tái)進(jìn)行無(wú)間斷瞭望（白天），從遠(yuǎn)處觀察像一條細(xì)線，靠近之后可觀察到其表面有明顯的細(xì)碎波紋，在海面呈暗色帶狀分布（見(jiàn)圖3）。

圖3 海上孤立內(nèi)波觀測(cè)圖

2) 雷達(dá)觀測(cè)：在天氣良好時(shí)放大X 波段（3cm）雷達(dá)的增益，適當(dāng)減小抑制，可明顯觀測(cè)到帶狀回波（見(jiàn)圖4），可探測(cè)出孤立內(nèi)波的移動(dòng)方向和相對(duì)的強(qiáng)度（速度）。

3) 監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)：考慮到深海作業(yè)水域離岸較遠(yuǎn)，同時(shí)便于進(jìn)行長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)，可考慮布設(shè)監(jiān)控預(yù)警浮標(biāo)作為長(zhǎng)期的觀測(cè)平臺(tái)，通過(guò)攜帶的聲學(xué)多普勒海流計(jì)采集各水層海流剖面的水溫?cái)?shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均通過(guò)衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸給陸地監(jiān)控站，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得出內(nèi)波流的強(qiáng)度和傳播方向。

圖4 X波段雷達(dá)孤立內(nèi)波觀測(cè)圖

3 孤立內(nèi)波影響海域作業(yè)前的準(zhǔn)備工作

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，盡量調(diào)整艏向在內(nèi)波流主流方向上，確保船舶有足夠的動(dòng)力應(yīng)對(duì)。保持駕駛臺(tái)值班人員對(duì)周圍海域進(jìn)行不間斷的目測(cè)和雷達(dá)警戒；機(jī)艙值班輪機(jī)員和電機(jī)員隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的推進(jìn)器和配電板過(guò)載問(wèn)題，及時(shí)復(fù)位各相關(guān)設(shè)備，必要時(shí)可啟動(dòng)其他發(fā)電機(jī)組并使其在線，保證配電板上的電力供應(yīng)冗余。

在正式作業(yè)之前，針對(duì)內(nèi)波流造成船舶失位的情況制訂應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案，并針對(duì)該預(yù)案進(jìn)行船舶失位模擬演練，提高各相關(guān)作業(yè)部門的協(xié)同應(yīng)急反應(yīng)能力。

4 船舶作業(yè)期間遭遇內(nèi)波流沖擊的應(yīng)對(duì)措施

向相關(guān)作業(yè)方發(fā)出預(yù)警，按應(yīng)急預(yù)案和需求下放絞車鋼纜或吊機(jī)鋼纜，若水下有遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）或飽和潛水員作業(yè)，應(yīng)立即通知ROV 回臍帶纜控制系統(tǒng)和潛水員回潛鐘待命，確保水下設(shè)備和人員安全。

迅速調(diào)整艏向，盡可能地使其在內(nèi)波流主流方向上，避免船舶側(cè)面受孤立內(nèi)波沖擊；立即啟用“QUICK MODE”（快速反應(yīng)）模式，使動(dòng)力定位中央處理器能在短時(shí)間內(nèi)建立數(shù)學(xué)模型，快速響應(yīng)船舶在水平橫向、縱向和艏搖等3 個(gè)自由度的變化，更合理地控制各推進(jìn)裝置的輸出，在確保安全的情況下，增大動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)置的角速度和移動(dòng)速度，盡可能地保持目標(biāo)船位和艏向。在靠近半潛式平臺(tái)或儲(chǔ)油船作業(yè)時(shí)，應(yīng)在保證安全的情況盡量與其保持一定的距離，并時(shí)刻關(guān)注相對(duì)位置的變化情況。

5 遭遇內(nèi)波流沖擊的應(yīng)對(duì)實(shí)例

某DP2 級(jí)錨系作業(yè)工程船配置有2臺(tái)7600kW 主機(jī)、4臺(tái)2880kW 發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)艉部可變螺距螺旋槳推進(jìn)器、2臺(tái)艉部側(cè)推器、1臺(tái)艏部伸縮式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置和2臺(tái)艏部側(cè)推器，在對(duì)某半潛式平臺(tái)錨腿鋼纜進(jìn)行更換時(shí)，距離該半潛平臺(tái)50m，利用船舶吊機(jī)和錨系絞車與其進(jìn)行錨鏈傳遞，遭遇到了流向?yàn)?00°、流速為3.3kn 的內(nèi)波流的強(qiáng)烈沖擊，按應(yīng)急預(yù)案立即開(kāi)啟動(dòng)力定位系統(tǒng)“快速反應(yīng)模式”，同時(shí)向各部門發(fā)出報(bào)警，調(diào)整艏向，避免船舶側(cè)面受到內(nèi)波流的沖擊，錨系絞車及吊機(jī)操作員及時(shí)下放絞車和吊機(jī)鋼纜，水下機(jī)器人返回臍帶纜控制系統(tǒng)，同時(shí)觀察半潛式平臺(tái)的偏蕩方向，控制船體與平臺(tái)保持橫向安全距離向下流漂移，船舶漂移13.3m，船舶電力控制配電站負(fù)荷達(dá)到98%，前后側(cè)推器負(fù)荷達(dá)到100%，由于采取的措施得當(dāng)，未影響項(xiàng)目施工設(shè)施、作業(yè)工程船和半潛式平臺(tái)的安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

作為動(dòng)力定位工程船的從業(yè)者，應(yīng)熟悉影響船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)精度的各種因素及正確的應(yīng)對(duì)措施，以確保船舶安全、高效地完成航行和作業(yè)任務(wù)。南海北部海區(qū)油氣田各類設(shè)施分布密集，相應(yīng)的水下作業(yè)項(xiàng)目較多，該區(qū)域的孤立內(nèi)波是動(dòng)力定位工程船作業(yè)過(guò)程中不可忽視的安全性影響因素。掌握預(yù)防和應(yīng)對(duì)孤立內(nèi)波的措施，是相關(guān)從業(yè)人員需不斷研究的課題。