劉愛華
(福建省港航勘察設(shè)計院有限公司,福建福州 350002)
隨著我國航運(yùn)行業(yè)的發(fā)展,水路貨運(yùn)量不斷上升,航道中貨運(yùn)船舶往來越來越密集,這便不可避免地會出現(xiàn)集裝箱掉落等不可預(yù)見的事故。為最大限度地降低這些事故對航道正常運(yùn)行的影響,需要以最快速、最高效的辦法準(zhǔn)確確定集裝箱掉落的位置,進(jìn)而為打撈集裝箱、促進(jìn)通航順暢提供保障。在進(jìn)行應(yīng)急測量時,綜合利用現(xiàn)有的技術(shù)手段可以提高應(yīng)急搜尋效率。
在應(yīng)急測量中,常用的測量設(shè)備有單波束測深儀、多波束測深儀、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等。單波束測深儀可獲得線狀水深,按照常規(guī)集裝箱尺寸測線,按照5m布設(shè),單天單船掃測面積約0.3~0.5km2;多波束測深儀可獲得全覆蓋面狀水深,掃測時測量船速6 節(jié)左右,預(yù)計每天有效作業(yè)時間7h,每天工作量約70km,多波束有效測深寬度為水深的4~5 倍,綜合計算,單天單船掃測面積約3.5km2;側(cè)掃聲納系統(tǒng)可獲得海底全覆蓋地貌,按照同樣的船速和有效工作時間來計算,單天單船掃測面積約5.6km2。
單波束測深手段在多波束測深技術(shù)發(fā)明前一直在海洋測量中發(fā)揮重要作用,其缺點(diǎn)是信息量少、效率低;多波束測深手段可以獲取精確的水深和定位數(shù)據(jù),且具有效率高、信息量大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是對船型選擇、安裝條件要求高,不適用于描述地物的輪廓;側(cè)掃聲納掃測手段可以快速獲取清晰的海底聲像圖,具有實時判讀海底地物的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是無法獲取準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)和較精確的定位信息。綜上,單波束測深手段是上述三種技術(shù)手段中最低效的,多波束測深、側(cè)掃聲納掃測手段顯然更高效,都能確保目標(biāo)測區(qū)全覆蓋、無遺漏。不過這兩種掃測手段也存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),側(cè)掃聲納能得到高分辨率的二維海底地貌圖,并根據(jù)海底回波強(qiáng)度信息定性分析海底介質(zhì)的組成[1],在效率上優(yōu)于多波束,能夠更高效、更快速地判讀海底目標(biāo)物,但在定位精度上不如多波束手段;多波束能精確水深數(shù)據(jù)和位置信息,在定位精度上優(yōu)于側(cè)掃聲納手段,但在效率上略低于側(cè)掃聲納手段。
在應(yīng)急搜尋測量時,如何最大限度地發(fā)揮側(cè)掃聲納和多波束兩種手段各自優(yōu)勢,來更快速更高效地完成應(yīng)急掃測任務(wù),成為現(xiàn)在航道應(yīng)急掃測應(yīng)用研究的方向。
側(cè)掃聲納是一種利用回聲測深原理探測海底地貌和水下物體的設(shè)備,又稱旁側(cè)聲納或海底地貌儀。“側(cè)掃”指的是這種聲納系統(tǒng)不是掃測正前方的水域情況,而是對兩側(cè)水下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。同時,這種聲納通過拖動海床上方的拖魚聲納探頭,能夠形成該水域環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)。側(cè)掃聲納系統(tǒng)的工作原理是換能器基陣向測量船航向正下方兩側(cè)傾斜發(fā)射聲波,并接收兩側(cè)一定寬度內(nèi)的海底目標(biāo)和地貌的反向散射聲波,返回聲波信號的強(qiáng)弱即可反映海底起伏和地質(zhì)軟硬信息。
每一次發(fā)射均可獲得換能器兩側(cè)一窄條海底或地物的回波信號,利用工作站對回波信號進(jìn)行處理,顯示在顯示器上為一條橫線,橫線上每一點(diǎn)所顯示的位置與亮度分別與回波到達(dá)的時刻及回波信號強(qiáng)度相對應(yīng)。將每一次發(fā)射所獲得的回波信號一線接一線地縱向排列顯示在顯示器上,便能得到一幅反映海底地貌特征的二維聲像圖,聲像圖能夠以不同的顏色或不同的黑白程度反映海底地貌的特征。根據(jù)聲像圖可以快速發(fā)現(xiàn)可疑物體,并判斷出物體的性質(zhì)、大小和形狀[2]。
目前應(yīng)用的側(cè)掃聲納設(shè)備一般具有高、低兩種頻率,且可以同步采集。高低頻的采集數(shù)據(jù)對不同水下的目標(biāo)物具有不同的分辨能力和識別能力。
多波束測深系統(tǒng)又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲納等,它是一種多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng),能同時獲得多個相鄰窄波束的回聲。其工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波,利用接收換能器陣列進(jìn)行窄波束接收,能得到上百個被測點(diǎn)的水深值,可以快速測出沿航線方向一定范圍內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化,形成三維點(diǎn)云圖像[3]。
某集裝箱運(yùn)輸公司所屬輪船于2021 年8 月5 日03:00 在某港2#錨地發(fā)生集裝箱落海事件,共有13 個空集裝箱落水,集裝箱規(guī)格均為40 尺(約13.33m)高柜,其單個內(nèi)尺寸為:12032×2352×2698(mm)。集裝箱掉落水域附近涉及該港重要航道,所涉及的水域范圍廣、航道通航密度大,因此需要以最快速、最高效的辦法準(zhǔn)確定位出掉落的集裝箱并進(jìn)行打撈,排除航道礙航風(fēng)險,盡早恢復(fù)通航。
由于時間緊、任務(wù)量大,項目組經(jīng)過仔細(xì)分析商討,確定采用側(cè)掃聲納對掉落的集裝箱進(jìn)行初步搜尋,確保測區(qū)全覆蓋、無遺漏,采用多波束對航道重點(diǎn)水域及側(cè)掃聲納掃測過程中獲取的疑似集裝箱掉落的位置水域進(jìn)行精確定位,獲取集裝箱的位置、凸出海底面的高程,以及掉落集裝箱附近水域的實際水深情況,為后續(xù)打撈工作提供數(shù)據(jù)支持。
3.1.1 側(cè)掃聲納設(shè)備安裝調(diào)試
設(shè)備采用Klein490 側(cè)掃聲納系統(tǒng),將側(cè)掃聲納設(shè)備的拖魚聲納探頭在測量船一側(cè)拖曳入水,入水深度為1.5m 左右,準(zhǔn)確量取GPS 天線與側(cè)掃聲納拖魚的相對位置,以便進(jìn)行定位校正(見圖1)。安裝完成后,測量船以低航速平穩(wěn)航行,接通電源測試整套設(shè)備,確保設(shè)備各單元正常工作,各項參數(shù)符合要求。接著測量船在穩(wěn)定的航速和航向下進(jìn)行掃測。
圖1 側(cè)掃聲納現(xiàn)場安裝調(diào)試圖
3.1.2 側(cè)掃聲納掃測實施
掃測實施時海況符合測量要求,設(shè)備儀器及軟件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。正式掃測前,在掃測區(qū)域進(jìn)行試測。調(diào)節(jié)采集軟件各單元設(shè)備收發(fā)參數(shù),確保采集到清晰可見、辨別度高的聲學(xué)圖像(見圖2)。掃測時,將測量船的航速設(shè)置為不大于7 節(jié),技術(shù)人員實時對聲學(xué)圖像的清晰度和可辨識度進(jìn)行評估,若信號質(zhì)量不穩(wěn)定或聲學(xué)圖像質(zhì)量不滿足后處理要求,需及時調(diào)整相應(yīng)的參數(shù),確保信號質(zhì)量穩(wěn)定。
圖2 側(cè)掃聲納瀑布圖
3.2.1 多波束掃測設(shè)備安裝調(diào)試
設(shè)備采用SeaBat T20-P 多波束測深儀,設(shè)備應(yīng)安裝在距船頭二分之一船長處,吃水1.18m。在測量船首尾線上中部重心較低的位置安裝羅經(jīng)傳感器,并使其北方向指向船首,方向線與船首尾線平行。測定設(shè)備的安裝坐標(biāo),將測得的坐標(biāo)輸入導(dǎo)航及采集軟件中。連接各組設(shè)備,接通電源檢測整套系統(tǒng)。掃測前對橫搖偏差(Roll)、縱搖(Pitch)、艏搖(Yaw)等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)(現(xiàn)場安裝調(diào)試情況見圖3)。
圖3 多波束現(xiàn)場安裝調(diào)試圖
3.2.2 多波束掃測實施
多波束掃測針對航道的重點(diǎn)水域及側(cè)掃聲納過程中疑似集裝箱掉落的位置水域進(jìn)行掃測。
多波束系統(tǒng)安裝完成后,準(zhǔn)確量取羅經(jīng)和探頭、傳感器以及GPS 等設(shè)備、系統(tǒng)的相對位置,然后在采集和導(dǎo)航軟件中輸入這些位置信息。平面定位儀器采用Trimble SPS 461,導(dǎo)航軟件采用PDS2000。
內(nèi)業(yè)處理軟件采用軟件Caris Hips 9.0,用以處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù),最終按照1∶10 的密度要求(測點(diǎn)間距0.1m)進(jìn)行抽稀輸出數(shù)據(jù),三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖見圖4。
圖4 三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖
通過3d 對重點(diǎn)航道、重點(diǎn)水域全覆蓋掃測,共計完成測線192km,多波束掃測疑似區(qū)2.5km2,發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)如圖5、圖6 所示。結(jié)果比單獨(dú)采用側(cè)掃聲納或多波束掃測方式提前約2~3d??梢娋C合采用兩種技術(shù)手段,可以大大提高搜尋掉落集裝箱的效率,更快速恢復(fù)航道正常通航,避免造成更大損失。
圖5 側(cè)掃聲納疑似點(diǎn)圖
圖6 多波束疑似點(diǎn)圖
3.4.1 考慮到此次掃測期間潮差大、水流急,如果集裝箱沒有沉沒而是隨潮流漂移,就很難搜尋定位。此時只能先確保主要通航水域沒有障礙物,但浮箱流向未知,需加強(qiáng)對重點(diǎn)水域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。
3.4.2 在重大應(yīng)急任務(wù)面前,需儲備足夠的支撐保障,既需要儲備足夠的專業(yè)、高效的應(yīng)急掃測隊伍,同時也需要儲備足夠的能隨時調(diào)遣的多專業(yè)技術(shù)裝備等。
3.4.3 落水集裝箱漂移方向,是否埋入泥底等情況未知,若能掌握事發(fā)水域流場信息,能為判定落水集裝箱走向提供較大幫助。在日常,非常有必要提前對重點(diǎn)水域開展風(fēng)場、水文、水流、海床等課題研究,儲備相關(guān)資料,建立流場模型,模擬掉落物、漂移物軌跡等,為制訂搜尋掃測方案提供參考,提高應(yīng)急掃測效率,系統(tǒng)防范掉落物掉落對通航安全帶來的風(fēng)險。
上述案例表明,綜合采用側(cè)掃聲納和多波束兩種技術(shù)手段,相較于只使用其中一種技術(shù)手段,工作效率更高,有利于航道管理部門更快地?fù)屚ㄐ迯?fù)航道,能夠減輕和消除航道集裝箱掉落引起的危害,保證船舶航行安全。同時,綜合采用側(cè)掃聲納和多波束兩種技術(shù)手段,能夠取得更準(zhǔn)確、更直觀的搜尋結(jié)果,提高應(yīng)急掃海的效率,可為航道快速復(fù)航提供有力的數(shù)據(jù)支持。
隨著各種技術(shù)手段的進(jìn)步,在未來,通過不斷實踐,更多、更新的測量技術(shù)手段將被綜合應(yīng)用,會進(jìn)一步提高應(yīng)急測量的效率。