“世越號”整體打撈起浮過程中沉船狀態監測

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研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，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，開創性地提出“鋼梁拖底+整體起浮”的人性化打撈方案，獲得商業打撈合同[1-3]。該方案最大特點是在不改變沉船姿態、不損傷船體結構的情況下，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，實現沉船的整體打撈。

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

1 狀態監測方法

沉船打撈過程的狀態監測，傳統上多由潛水員使用機械式傾斜儀進行沉船靜態單一傾斜的測量，無法得到實時的船體姿態，同時還缺乏艏向和位置等數據，決策基本靠個人經驗，導致打撈起浮過程中失去控制能力，易出現縱橫傾、側滾、纜繩斷裂等事故[4]。隨著微機電制造技術的發展，MEMS(Micro Electro Mechanical System)器件的應用越來越廣，常用在飛行器航空狀態監測、車聯網車輛姿態測量、船舶運動狀態監測等。光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件，基于賽格尼克理論實現艏向和姿態角等的測量，在航海、航空航天、軍事、車輛導航：地下工程中有著廣泛的應用[5-6]。

世越號沉船打撈采取的方案與傳統方式差別很大，根據監測對象和功能要求的不同，將沉船狀態監測系統劃分為兩部分：船體狀態監測系統和鋼梁傾斜監測系統，下面對這兩種系統進行詳細描述。

1.1 船體狀態監測系統

圖2 船體狀態監測箱Fig.2 Statue monitoring box

將船體的狀態分為東坐標、北坐標、深度、艏向、橫傾和縱傾等六個自由度信息，集成光纖陀螺姿態監測技術、水下定位技術、水下無線通訊技術、無線網絡傳輸技術等先進技術手段，開發了高精度的水下船體狀態監測系統，如圖2所示為監測設備組成的箱體。

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，下部預留螺孔便于同沉船上的基座連接。箱體內部固定安裝有Octans3000光纖羅經、DMS05姿態傳感器、Compatt信標、WMT信標、深度傳感器、Benthos水聲通訊機以及數傳和供電單元等，系統結構如圖3所示，共分為有線傳輸和無線傳輸兩部分。有線傳輸部分，甲板直接給多個設備供電，并通過光纖將監測設備的數據回傳；無線傳輸部分，超短基線換能器與信標用于水下定位，帶電池組供電的姿態傳感器通過水聲通訊機發送至甲板接收單元，電池組采用磁感應開關，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定的監測數據信息[7]。

圖3 系統結構圖Fig.3 System structure

1.2 鋼梁傾斜監測系統

沉船托底鋼梁共33根，每根均為27 m長、1.8 m寬、0.9 m高，每一根均根據船體型線設置支墩，沉船的整體重量分布在33根鋼梁上。鋼梁呈長條形，為避免屈曲對結構進行了加強處理，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，FB3#-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，構成鋼梁傾斜監測系統。

2 監測作業設計與實施

2.1 監測設備安裝

根據起浮受力分析計算結果和通視的水聲傳輸要求，選取沉船重心附近的區域安裝船體狀態監測箱，如圖4所示，狀態監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，數據通信采用RS485的模式。傾角儀安裝在穿鋼梁作業結束后、整體起浮開始前進行。

圖4 船體狀態監測箱安裝位置示意圖Fig.4 Installation of status mornitoring box

2.2 監測設備初值標定

船體狀態監測箱里的設備在入水前，采用全站儀精細觀測各設備的偏移量，其中需要初值標定的設備主要有Octans3000光纖羅經、DMS05姿態傳感器和深度傳感器。Octans3000光纖羅經可以測量艏向Heading、橫傾Roll和縱傾Pitch，DMS05姿態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。

監測箱體入水前，深度傳感器在空氣中連續采集1 h的壓強數據，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，經過計算得到入水深度。

表1 設備標定改正值Tab.1 Calibration value

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

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，通過調節鋼梁兩端的鋼絞線長度，使鋼梁的水平度保持在0°。

3 起浮過程狀態監測

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

圖5為沉船整體起浮過程中艏向監測結果，沉船離底之前曲線波動是由設備本身精度造成的，設備的艏向測量精度為0.1°。從圖中可以看出，沉船離底后，艏向開始發生較為明顯的波動，幅度超過0.8°，這是施工過程主動調整起浮鋼絲繩長度而導致的變動。沉船轉移至半潛駁后，其艏向監測作業結束。

圖6所示為起浮過程中縱傾的監測結果，從中可以看出沉船離底之后縱傾發生了微小變動，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整造成的，確保沉船和半潛駁的姿態穩定。

圖5 起浮過程艏向監測結果Fig.5 Heading monitoring result圖6 起浮過程縱傾監測結果Fig.6 Pitch monitoring result

圖7 起浮過程橫傾監測結果Fig.7 Roll monitoring result

圖7所示為橫傾的監測結果，起浮和運輸過程中呈階梯狀變化，從-4.76°逐漸變為約0.2°。階梯狀變化是施工指揮人員主動調整鋼絲繩的結果，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穩步變化，確保施工安全。

針對托底鋼梁的水平度監測，開發了專業監測軟件，界面如圖8所示。所有傾角儀的數據通過電纜共享至網絡，軟件解析后可以實時顯示每一根監測鋼梁的傾角，并計算出鋼梁兩端的高差，指導調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，監測鋼梁傾角是否過大；在提升過程中，監測鋼梁的傾斜度變化，確保鋼梁兩端的高差不超過設計值。

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

4 結論

從世越號打撈整體起浮作業到沉船出水，船體狀態監測系統和鋼梁傾斜監測系統在整個沉船起浮過程中發揮了重要作用，尤其是鋼絲繩收緊沉船離底和沉船重量轉移至半潛駁的過程等關鍵節點，監測了沉船的整體狀態和姿態，指導了沉船橫傾的調整，確保了整個過程沉船的狀態穩定，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驗。

監測施工過程中仍然存在一些不完善之處，如船體狀態監測箱安裝位置僅考慮沉船重心，船體若發生變形將導致數據失真；未開展狀態預警系統研究，只能顯示當前狀態信息，無法預測狀態的變化；未將現場風、波、流等水文要素納入到監測系統中，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。