一種新型的海洋地震觀測浮標平臺的設計＊

吳承東，朱小毅，陳全勝，趙帥博，李棟

（1.防災科技學院，河北 廊坊 065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京 102628；3.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；4.天津天元海科技開發有限公司，天津 301800）

中國海洋面積廣闊[1]，海域自北向南由渤海、黃海、東海以及南海4 個海區組成，距離海岸較近，蘊含著豐富的能源與生物資源[2]。目前的海洋環境數據采集有多種方式，如遙感衛星、沿岸監測站、監測浮標等[3]。每種監測方式各有優勢和劣勢：遙感衛星范圍廣，但是造價高，精度低；沿岸監測具有采集數據準確度高的優勢，但是布置煩瑣，受地點局限性大；而監測浮標造價低，能實現數據采集的連續性，是研究海洋的重要工具之一，但監測浮標需根據投放地點的海況設計，投放和回收具有一定難度[4]。

1 海洋地震觀測的重要性

1.1 原位觀測，數據準確可靠

環太平洋火山地震帶、歐亞地震帶、洋脊地震帶這三大地震帶中，環太平洋火山地震帶大部、洋脊地震帶幾乎全部位于海洋上。海洋地震觀測浮標平臺可部署在海洋上地震帶位置，觀測數據更準確可靠。

1.2 實時傳輸，服務海嘯預警

海洋地震發生后，海洋地震觀測浮標平臺可以第一時間監測到部署位置發生地震并提供海嘯預警，通過傳輸鏈路實時傳輸到岸基服務器，給海嘯應對提供充足的時間。部分國內外研發的地震海嘯監測系統及其應用情況如表1 所示。

表1 國內外地震海嘯監測系統

2 三錨地震浮標設計

三錨地震浮標為海洋信息監測浮標，包括主浮標1臺（直徑為6 m）、中間浮子3 臺（直徑為2.4 m，呈120°均布）、中間小浮子6 臺（直徑為1 m）、Φ42 mm有擋錨鏈3 組、重力錨3 組（5 t）、丹福爾錨3 組（500 kg）、地震儀1 臺、鎧裝纜小浮子及配重1 組。效果如圖1 所示。

圖1 三錨地震浮標整體布配效果圖

三錨地震浮標系統設計圖如圖2 所示，各系統介紹如下。

圖2 三錨地震浮標系統設計圖

主浮標（6 m）：由浮體組件、燈架組件、護身圈組件、航標燈器、頂標組件、避雷針組件、天線組件、太陽能板組件（100 W，18 塊）及其他設備組成；直徑6 m，高5.64 m；浮體主要材質是CCSB 船板，燈架主要材質是線性低密度聚乙烯和鍍鋅碳鋼。如圖2（a）所示。

中間浮子（2.4 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件、燈架組件、航標燈器組成；直徑2.4 m，高3.3 m；主要材質是CCSB 船板。如圖2（b）所示。

中間小浮子（1 m）：由浮體組件、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成；直徑1 m，高0.8 m；主要材質是線性低密度聚乙烯、閉水型聚氨酯、骨架組件（316L、碳鋼）。如圖2（c）所示。

鎧裝線纜組件：由鎧裝線纜、小浮子1 組、小配重1 組、重力錨1 組組成；小浮子直徑0.6 m，高0.8 m；主要材質是線性低密度聚乙烯；小配重質量50 kg，重力錨質量300 kg。如圖2（d）所示。

錨泊系統：共有3 套，單套錨系包括重力錨1 組、拖曳錨1 組、垂直鏈1 組、水平鏈1 組及連接卸扣若干等。錨鏈選用Φ42 mm 有擋錨鏈，重力錨選用5 t 沉石，拖拽錨為500 kg 丹福爾拖拽錨。如圖2（e）所示。

3 技術特點

3.1 模塊化設計

三錨地震浮標主浮標和中間浮子結構為模塊化組裝結構，相對于整體結構，碰撞防沉沒效果更好并便于生產及運輸。主浮標模塊設計如圖3 所示。

圖3 主浮標模塊設計

主浮標浮體由中間倉組件1 組、外側倉組件3 組、纜樁柱組件3 組、太陽能板組件（100 W，12 塊）、吊耳組件、護舷組件、中間設備井組件（含橡膠筒保護套）、備用電池倉3 組、頂部吊裝吊耳組件、底部錨系吊耳組件組成。每個浮塊均設計有多個單獨密閉隔倉，在一兩個密閉隔倉破損情況下浮塊不會沉沒。中倉組件設計有中間設備井，并加裝有橡膠筒保護套，能很好地保護線纜設備。如圖3（a）所示。

主浮標燈架由顯形（線性低密度聚乙烯）、內部骨架組件、檢修門組件、太陽能板組件（100 W，6 塊）、爬梯組件、扶手組件、雷達反射器組件、標牌組件、護身圈設備架組件、航標燈器、頂標組件、避雷針組件、天線架組件和搭載設備支架組件組成。如圖3（b）所示。

3.2 安全防護設計

三錨地震浮標設計減少了浮標的旋轉和搖擺角度，限制了水面浮標的多圈轉動，避免了水下的信號電纜與錨鏈的纏繞，增強了抗惡劣環境的能力。

主浮標燈架頂部設計有護身圈，同時可作為設備支架使用，可搭載各種設備，包括避雷針、氣象儀、頂標組件、燈器和其他設備。

主浮標配備天璇-7S 航標燈器，該燈器射程3～7 n mile 可調節，具有AIS 碰撞預警、碰撞報警、雙路遠程通信、內部數據互通、視頻遠程傳輸控制功能。燈器內置AIS 單元，可接收附近船舶的AIS 信息，當船舶進入設定的電子圍欄區域內時，向船舶發出碰撞預警信號，同時啟動影像記錄鎖存功能，將預警范圍內的影像存儲于“黑匣子”中，并將預警信息上傳至監控系統。燈器內置碰撞傳感器，當浮標受到碰撞時，持續開啟影像記錄鎖存功能，并將報警信息上傳至監控系統。

3.3 長效工作設計

三錨地震浮標系統壽命取決于各個系統的壽命，三錨地震浮標系統根據浮標、錨鏈等各分系統壽命短板進行了專門設計，有效確保了三錨地震浮標系統工作壽命。

影響浮標壽命的主要因素有水生物附著、腐蝕、撞擊沉沒等。為避免水生物附著，浮體噴涂新型環保海洋防污涂料，該材料以天然活性物質開發的海洋防污劑為核心技術，比銅基防污材料更環保，效果更好。浮標在浮體底部安裝陽極型號AEI-C-1 板狀鉛塊，利用電化學原理，犧牲陽極，降低浮標腐蝕程度。浮標采用模塊化設計，如果浮標遭到撞擊，首先撞擊的是浮標的護舷材，其次是個別浮力艙，即使某個浮力艙破損進水，浮標仍能安全地浮在水面，不至于沉沒。

錨泊系統共有3 套系統，分別連接在3 個方向的浮子上，中間利用小浮子牽引，將三錨3 套錨系拉大了距離，從而避免了3 套錨系相互纏繞以及和水下線纜發生纏繞的可能性，保護了供電通信線纜，降低了錨系磨損，延長了錨系壽命。

3.4 施工維護設計

海上浮標系統在布放、回收、維護等作業時要考慮海上施工的可操控性及安全因素，要綜合考慮特定浮標自身的固有性能、觀測功能、隨波性、維修性、海上施工作業等眾多因素，因此浮標設計是一個復雜的系統工程，設計者在浮標設計時若疏于考慮任何一個環節，都有可能在浮標的海上應用過程中造成極大的問題，輕則造成一定的經濟損失，重則無法完成觀測任務，造成人力物力的極大浪費。

三錨地震浮標系統大大降低了浮標施工作業的難度。由于將3 套錨泊系統分開，使得布放、回收、維護變得簡單，甚至可以采用單船作業，分別布設3 套系統，然后再進行浮子和主浮標的對接，將一個大任務分成幾個各自獨立的小任務分別完成，從而降低了對施工船舶的要求。3 套錨泊系統也具備了一定的機動性，其中一套系統出故障，可單獨解決，不影響另外2套系統的運行。

3.5 海上通信設計

三錨地震浮標采用衛星通信，三錨的設計可確保海上系統良好的通信狀態，主浮標安裝的18 塊100 W太陽能板為通信系統提供了充足的能源保障，可有效解決海上通信困難問題。

4 結束語

浮標系統由浮標體、三錨系、供電系統、數據采集傳輸系統、接收岸站、供電通信鎧裝纜組成。數據采集傳輸系統由數據采集處理器、傳感器系統、通信傳輸系統、GPS 定位系統組成。使得浮標預計在海上能夠連續工作3 年時間，浮標直徑為6 m，錨系方式為三錨系泊系統，實時傳輸觀測點連通率（重要事件回傳率）大于等于90%，連接浮標方式為鎧裝纜連接浮標和海底地震儀。

海洋地震觀測涉及到技術復雜、投資大等諸多因素，造成中國目前的水平與發達國家相比尚有較大差距，海洋地震觀測浮標平臺的應用對推動國民經濟發展、發展海洋經濟、開展地質勘探、加強國防安全防務等領域均具有很高的科學研究意義和戰略價值，同時可以推動一帶一路國家進行海底地震監測應用。