國(guó)內(nèi)首艘，萬(wàn)噸級(jí)，“海底神經(jīng)”鋪設(shè)船

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導(dǎo)語(yǔ)：萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋通信海纜鋪設(shè)船”龍吟9號(hào)”計(jì)劃在今年9月完成交付，該船在鋪纜作業(yè)系統(tǒng)、新型吊放設(shè)備、全船電力推進(jìn)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)等方面擁有國(guó)產(chǎn)核心技術(shù)專(zhuān)利，是我國(guó)首艘入級(jí)中國(guó)船級(jí)社的萬(wàn)噸級(jí)DP-2（動(dòng)力定位二級(jí)）遠(yuǎn)洋光纜鋪設(shè)船。海底光纜有什么特殊之處？”龍吟9號(hào)”有什么過(guò)人之處，把它們敷設(shè)到數(shù)萬(wàn)米深的海底？

今年3月底“龍吟9號(hào)”在江西九江進(jìn)行舾裝

一、海底光纜-全球互聯(lián)互通的“海底神經(jīng)”

與衛(wèi)星通信相比，海底光纜具有帶寬大、速度快、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為目前全球跨海間通信的最主要方式。

截至2021年，全球正在商用的海底光纜共有426條，光纜總長(zhǎng)度超過(guò)135萬(wàn)公里，可繞赤道約35圈。承載了95%以上的國(guó)際數(shù)據(jù)傳輸。海底光纜一旦出了故障，整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)就會(huì)有癱瘓的危險(xiǎn)。

世界海底光纜分布,宛如互聯(lián)互通的

和我們家用平時(shí)常見(jiàn)的光纖寬帶線類(lèi)似，海底光纜就像“海底神經(jīng)”也是靠光纖高速穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)。

光纖的主要原料是硅，也就是玻璃制成的，細(xì)如發(fā)絲非常易碎，應(yīng)用全內(nèi)反射原理來(lái)傳導(dǎo)光。由于反射時(shí)沒(méi)有光線的損失，因此信號(hào)可以傳輸?shù)綐O遠(yuǎn)的距離，激光能在光纖中傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)數(shù)千公里。

海底光纜示意圖

光纖光通信離不開(kāi)華人工程師高琨的貢獻(xiàn)，他在1966年首次提出把玻璃纖維作為光傳播介質(zhì)用于通信的理論：“造成信號(hào)損耗的主要原因是材料不純，而不是玻璃本身?！彼惨?yàn)閷?duì)光纖通信的杰出貢獻(xiàn)在2009年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

華人工程師高琨簡(jiǎn)介

只有光纖還不行，海底光纜外圍必須包裹著層層的保護(hù)結(jié)構(gòu)，典型海底光纜的結(jié)構(gòu)包括：第一層是絕緣聚乙烯層，第二層是聚酯樹(shù)酯薄膜帶或?yàn)r青層，第三層是鋼絞線層，第四層是鋁制防水層，第五層是聚碳酸酯層，第六層是銅管或鋁管，這層通電可為光纜中繼器供電，電壓經(jīng)常超過(guò)1萬(wàn)伏，第七層是石蠟，烷烴層，第八層才是核心傳遞光信號(hào)的光纖。

海底光纜結(jié)構(gòu)圖

高防護(hù)的光纜主要用于淺海近岸。需要抵御堅(jiān)硬鋒利的巖石以及以及船錨、漁船拖網(wǎng)的傷害，而在環(huán)境相對(duì)平靜的深海，反而只需這種防護(hù)較低的輕型光纜即可。

5種海底光纜的比較

我國(guó)研發(fā)的海底光電復(fù)合纜在海底電力電纜中加入具有光通信功能及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的光纖單元，使其具有電力傳輸和光纖信息傳輸?shù)碾p重功能。

二、“龍吟9號(hào)”讓中國(guó)鋪纜船不掉隊(duì)！

有了光纜，接下來(lái)的問(wèn)題就是如何把它們放到海里，接下來(lái)就該光纜鋪設(shè)船出場(chǎng)了。

海底光纜工程被世界公認(rèn)為是最復(fù)雜且困難的大型工程之一，這是由于海底環(huán)境復(fù)雜，而光纖非常脆弱、鋪設(shè)和維修要求很高。光纜鋪設(shè)船(Fibre Optic Cable Layer)主要從事海底光纜的鋪設(shè)、檢測(cè)及維修作業(yè)，其作業(yè)內(nèi)容與鋪管船(用于油氣田開(kāi)發(fā)等)、海底電纜鋪設(shè)船(用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)等)均有所差異，專(zhuān)用性更強(qiáng)，船上配有用于海上光纜施工作業(yè)的特種設(shè)備。

全球光纜鋪設(shè)船隊(duì)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)由歐洲船東主導(dǎo)，根據(jù)克拉克森統(tǒng)計(jì)，截至2021年11月底，全球光纜鋪纜船船隊(duì)運(yùn)力規(guī)模僅為49艘，歐洲船東共持有全球近三分之二的光纜鋪纜船運(yùn)力(以艘數(shù)計(jì)為63.3%)，包括瑞士、芬蘭、英國(guó)、法國(guó)、挪威等國(guó)家，而出于國(guó)家國(guó)防安全考慮，近海的海底光纜敷設(shè)、維修維護(hù)工作，應(yīng)盡可能由本國(guó)企業(yè)、船舶、本國(guó)人員承擔(dān)。

說(shuō)起我國(guó)的光纜鋪設(shè)船，就不能不提“郵電一號(hào)”，她是1976年七0八所專(zhuān)門(mén)為敷設(shè)我國(guó)第一條國(guó)際海底電纜而自行設(shè)計(jì)建造的。目前我國(guó)共有3艘光纜鋪纜船，但規(guī)模和噸位較小，在滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、深水、大容量的海底電纜敷設(shè)工程方面尚存差距。

我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的第一艘布纜船“郵電一號(hào)”

國(guó)際新一代萬(wàn)噸級(jí)光纜鋪設(shè)船可以運(yùn)輸和安裝大量光纜，配備DP動(dòng)力定位系統(tǒng)，并且環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)極高。

“龍吟9號(hào)”正是可達(dá)到世界一流水平的遠(yuǎn)洋光纜鋪設(shè)船。它船長(zhǎng)155米，寬23.2米，從照片上看，它采用了國(guó)際主流的尾部作業(yè)的船形設(shè)計(jì)，好處在于足夠大的作業(yè)面積便于人員、設(shè)備的操作協(xié)調(diào)配合。

“龍吟9號(hào)”進(jìn)行舾裝

“龍吟9號(hào)”燃油艙配置滿(mǎn)足續(xù)航力1萬(wàn)海里，續(xù)航天數(shù)約60天，一次性載纜量可達(dá)1萬(wàn)噸，可進(jìn)行DP-2動(dòng)力定位，完全電力推進(jìn)系統(tǒng)，能耗低，可一次性完成從中國(guó)跨越太平洋的萬(wàn)米級(jí)全海深光纜敷設(shè)作業(yè)。

根據(jù)水深，海底光纜的敷設(shè)可簡(jiǎn)單的分為三個(gè)場(chǎng)景：登陸敷設(shè)區(qū)，填埋敷設(shè)區(qū)和直接敷設(shè)區(qū)。

三、布纜船如何把光纜敷設(shè)到海底

1.登陸敷設(shè)區(qū)

首先要把船上的光纜和岸上的光纜登錄站連接，從地下將光纜連接到海里。

光纜由此連接登陸站

在登陸鋪設(shè)區(qū)通常需要將裝有光纜的鋪纜船停在近岸，由小型的駁船牽引著綁有浮筒的光纜開(kāi)到岸邊從地下連接光纜登陸站，可以防止它在海底被拖拽損壞，然后剪掉浮筒讓光纜沉入海底。岸上的光信號(hào)傳遞到了船上，船上和岸上信號(hào)聯(lián)通之后。

鋪設(shè)船鋪設(shè)光纜示意圖

再由遙控水下機(jī)器人（ROV）的高壓水流沖開(kāi)海底泥土，將光纜埋至2-3米深左右。

ROV（水下機(jī)器人）下水完成沖埋工作

2.填埋敷設(shè)區(qū)

在淺海敷設(shè)光纜需要一個(gè)核心機(jī)器-鋪設(shè)犁，它的作用有點(diǎn)像耕田的犁，在小于1000米的深度，都需要用它來(lái)敷設(shè)。

鋪纜船船尾的鋪設(shè)犁正準(zhǔn)備下水作業(yè)

光纜經(jīng)過(guò)布纜機(jī)與船尾的鋪設(shè)犁相連，光纜鋪設(shè)船會(huì)通過(guò)牽引索拖著鋪設(shè)犁前進(jìn)。

鋪設(shè)犁作業(yè)示意圖

與此同時(shí)鋪設(shè)犁利用下方會(huì)噴出高壓水流沖開(kāi)泥沙，前后滑撬逐漸張開(kāi)。讓后方的切割刀深入土層，挖出約3米深的壕溝，形成光纜溝；

鋪設(shè)犁海底光纜溝作業(yè)

光纜也順著放入其中，再推動(dòng)兩側(cè)的泥沙覆蓋在光纜上。它負(fù)責(zé)把光纜埋到海底一米深的地方，在淺水區(qū)這樣可以保護(hù)光纜不被船錨和漁網(wǎng)損壞。

埋完之后，還需要通過(guò)回聲探測(cè)器還原海床的三維圖像，如果發(fā)現(xiàn)仍有裸露在外的光纜，就需要出動(dòng)遙控潛水器。深入海底把光纜埋入泥土下方，完成填埋鋪設(shè)區(qū)的工作。

海底離開(kāi)淺海下降直到1000米深，在這個(gè)深度以下，光纜被損壞的風(fēng)險(xiǎn)很低。所以，可以直接敷設(shè)在海床上。

3.直接敷設(shè)區(qū)

把光纜沉入海底，放在海床上，但這也沒(méi)有想象的那么容易，光纜敷設(shè)不能成直線，海底地形復(fù)雜多變，海底的巖石、珊瑚礁、裂縫，這些都會(huì)損壞光纜。如果長(zhǎng)度過(guò)大會(huì)讓光纜在海底彎折損壞。長(zhǎng)度過(guò)小則會(huì)使光纜橫在兩個(gè)支點(diǎn)上，增加受力磨損并有受洋流切割的危險(xiǎn)。

這就好比晾衣服的繩子，如果懸空起來(lái)，掛上重物，就容易斷裂；如果自然平放在地面上，不受力的情況下自然更耐用。

4.在流動(dòng)的海水中如何定位準(zhǔn)確

此外海水的流動(dòng)還會(huì)使光纜下水后隨時(shí)漂移，偏離設(shè)計(jì)好的預(yù)定位置。所以布纜船需要利用專(zhuān)業(yè)定位系統(tǒng)不斷調(diào)整船速、光纜鋪設(shè)傳送的速度等，來(lái)控制光纜垂放的長(zhǎng)度以及動(dòng)態(tài)調(diào)整船只的航行軌跡，讓光纜即便受海流影響，依然能落到預(yù)定位置。

DP系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制的完美結(jié)合

“龍吟9號(hào)”搭載了DP2動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning，簡(jiǎn)稱(chēng)DP）不需要拋錨，而由船載計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制推進(jìn)器來(lái)保持船舶或浮動(dòng)平臺(tái)位置的技術(shù)，具有靈活的船舶操控性和精準(zhǔn)定位功能；

它采用全電力推進(jìn)，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可使船不借助錨泊系統(tǒng)，利用自主研發(fā)的水聲設(shè)備和測(cè)深儀等船舶傳感器及位置，船的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位置變化，以及外界風(fēng)力、波浪、海流等擾動(dòng)力的大小與方向?？刂拼聂紓?cè)推與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏εc力矩，以抵消擾動(dòng)力精準(zhǔn)定位，這是光纜可以按預(yù)定路徑準(zhǔn)確敷設(shè)的關(guān)鍵。

”龍吟9號(hào)”的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使鼓輪機(jī)、直線布纜機(jī)、埋設(shè)機(jī)等作業(yè)控制系統(tǒng)與布纜船動(dòng)力定位系統(tǒng)協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)海纜建維作業(yè)的自動(dòng)化，降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度。并提高了作業(yè)質(zhì)量。

四、光纜鋪設(shè)船不光會(huì)鋪，還要會(huì)修

“龍吟9”遠(yuǎn)洋光纜鋪設(shè)船除鋪設(shè)通信光纜外，還有很強(qiáng)的線路修復(fù)能力，修復(fù)這些光纜不是一件容易的事，因?yàn)楹苄〉膿p壞都會(huì)導(dǎo)致光纜癱瘓。而要在幾萬(wàn)公里的光纜上找到一個(gè)小缺口需要耗費(fèi)許多人力物力。

海底光纜故障或致湯加與外界“失聯(lián)”數(shù)周

修復(fù)光纜首先需要通過(guò)光時(shí)域反射儀（OTDR）對(duì)光纜發(fā)射信號(hào)確定受損大致位置，然后派出水下機(jī)器人精準(zhǔn)定位并切斷這段光纜，最后再將備用的光纜連接上去。但連接過(guò)程將在水面上完成，光纜會(huì)被拖曳船提到水面上，并由工程師連接修復(fù)，再放入海底。

海底光纜修復(fù)示意圖

“龍吟9”設(shè)置了更適應(yīng)海況條件變化的新型吊放設(shè)備，打撈海纜作業(yè)效率更高。船上裝配了大型鼓輪機(jī)，這是海纜維修的重要設(shè)備，從而保證在不同水深條件下，都能實(shí)施打撈和回收海纜的作業(yè);并裝備了能檢修海纜和進(jìn)行埋設(shè)作業(yè)的遙控水下裝置( ROV )，使海纜作業(yè)的水深可達(dá)到3000m。

結(jié)語(yǔ)：

“龍吟9”是我國(guó)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋通信光纜鋪設(shè)船的突破，拓展了海洋海底光纜、電力電纜、臍帶纜以及復(fù)合軟管的鋪設(shè)能力，是一艘多功能綜合性的可覆蓋海洋油氣、海上風(fēng)電、海上氫能、遠(yuǎn)洋通信、觀測(cè)網(wǎng)、大科學(xué)工程等多個(gè)海洋工程領(lǐng)域的核心裝備。

參考文獻(xiàn)：

[1]新型布纜船功能定位與船型論證，常書(shū)平 方先進(jìn) 姚丁元 李昆鵬

[2]洋流區(qū)海底布纜船，CN2013100744426A、謝永、周楓、王偉