国际海道测量组织水深表面产品规范研究

邢伟坡 夏启兵（北海航海保障中心天津航测科技中心 天津 300211）

姜大正1段明昕1初旭洋2（1.交通运输部上海打捞局 上海 200090；2.上海海洋石油局 上海 200120）



国际海道测量组织水深表面产品规范研究

邢伟坡 夏启兵[1]
（北海航海保障中心天津航测科技中心 天津 300211）

摘要：水深表面产品规范是IHO基于S -100 《通用海道测量数据模型》建立的关于水深表面数据产品的规范。本文研究了IHO S-102《水深表面产品规范》的主要内容和结构、维护与编码，探讨了产品生产技术和未来应用。 东海某气田的一条已完工的12″海管管头附近的240m管线受渔网拖拉弯曲变形，受损海管需要立即修复,否则影响后续气田的投产。交通运输部上海打捞局使用中国首艘300m饱和潜水支持船“深潜号”及相关先进设备和经验丰富的施工人员于2013年7月-9月圆满、高效的完成了受损海管的修复并通过了业主的清管试压检验等工作。在施工过程中，工程人员创新性的设计施工方案，采用先进的环形海管切割机截断受损的弯曲海管，使进口机械连接器连接新的替代直管。四段62m超长替代直管的高效吊放和成功安装刷新了水下安装的记录。此次受损海管的及时修复，不仅保证了气田未来能够按时投入运营，同时也积累了丰富的值得推广的饱和潜水海管维修经验。

关键词：海道测量 水深 表面 规范 深潜号 东海气田 海管修复 饱和潜水

0 引言

随着船舶向大型化和高速化发展，船舶安全航行对高精度的、详细的水深数据需求越来越多，尤其在浅水水域。然而传统的纸海图、电子海图由于图幅限制所表示的水深数据有限，并且在系统地融合潮位等时序数据和便于电子海图系统智能调整等深线间距方面存在一定的困难。而水深格网数据恰恰能够弥补纸海图、电子海图的这些缺陷。为了满足船舶安全航行、科学研究等方面对水深格网数据的需求，IHO（国际海道测量组织）在S-100《通用海道测量数据模型》的基础上制定并于2012年4月正式发布了S-102《IHO水深表面产品规范》。

1 内容与结构

S-102[1]总体上由版本标记、元数据、水深估计覆盖（Estimated Elevation Coverage）、水深不确定性覆盖（Uncertainty Coverage）、跟踪列表、可选覆盖层、数字签名模块七部分组成。

1.1元数据

S-102中大部分元数据元素来自于S-100、ISO 19115《地理信息-元数据》和ISO 19115-2《地理信息-元数据 第二部分：影像和栅格数据扩展》，非强制性的其他元数据来源于 ISO 19130 和 ISO 19130-2，特别是与声呐设备相关的元数据。

根据应用目的不同，S-102中元数据分为四类：发现元数据、结构元数据、质量元数据和采集元数据。发现元数据用于识别和发现数据。S-102中，发现元数据应用于数据集（Dataset）和数据集合（Data Collection）两个层级，即整个数据集和由多个切片组成的数据集都有相应的发现元数据，并且对于每一个切片文件也有相应的发现元数据。结构元数据用来描述数据集合的结构，包括了网格空间表达、水平与垂直参考系统、法律和安全限制、切片组成等方面的信息。质量元数据描述了数据来源、数据处理等有关数据质量的信息。采集元数据在S-102中是可选的，数据生产机构可自主选择添加数据采集元数据，例如所采用的测量设备信息。

1.2覆盖

覆盖是水深表面产品的主要组成部分。每一个水深表面产品中应至少包含水深估计覆盖和水深不确定性覆盖，每一种覆盖均是经地理校正的格网。水深估计覆盖和水深不确定性覆盖是地理相关的，采用相同的坐标参考系，它们都包含起始于最西南角、按行存储的二维矩阵。

水深估计覆盖的格网值是一组有序的水深估计值，水深单位是m。与纸海图、电子海图水深表示不同，水深值在垂直基准面以上为正、以下为负，因此水深表面产品中水深值均为负值。水深不确定性覆盖的格网值是一组有序的水深不确定性值，用于表示水深覆盖中水深值精度。水深不确定性值有多种计算方法，分别为原始数据标准差、CUBE （Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator，水深不确定性和估计组合算法）标准差、NOAA（美国海洋与大气管理局）标准产品不确定性 1.0版（综合了CUBE不确定性算法和其他方法）和历史数据标准差等，这有利于将水深表面产品应用于数据生产的各个不同阶段和不同目的。

除水深估计覆盖和水深不确定性覆盖外，水深表面产品中还可包含若干可选择的覆盖，S-102本身并没有对这些覆盖做出规定，这需要在独立的S-10X标准中对这些覆盖做出具体规定。

1.3跟踪列表

跟踪列表中包含了海道测量技术人员修改的任何格网节点的原始水深值和水深不确定性值。水深表面产品的原始水深数据和不确定性值是由计算机按照一定的算法自动计算得出，需要海道测量技术人员的审查和修改。跟踪列表提供了追踪海道测量技术人员修改原始数据情况的一种手段。

1.4数字签名模块

在传统的水深处理中，通常采用直接在归档文件上物理签名的方式来保证数据的质量。但是对于完全数字化的产品，不可能在数据产品上进行物理签名。此外，对于诸如水深表面产品等高密度的数据产品，在传输过程中发生传输错误的概率会明显增加。因此，S-102根据公钥/私钥理论设计了一种数字签名模式，为海道测量技术人员提供了一种与物理签名等效的认证方式，确保了易于发现对数据的任何修改（如操作错误或恶意行为）。

数字签名模块的基本实体是数字签名。数字签名是签名机构根据数字表面产品数据集内容利用密钥计算得到的多字节数字序列。密钥只属于签名机构，签名机构负责密钥文件的保密。通常每一个数字表面产品的数字签名是唯一的，很少会出现两个产品的数字签名相同。与密钥相反，公钥可以自由分发，可以使用公钥确认“水深内容”是否曾经修改过。

除了数字签名，数字签名模块还包含一个32位整型数字，用来指向元数据数据志（描述数据来源、处理等方面信息）部分描述认证原因的实体。其目的是签名机构可以灵活地描述数据认证的原因或认证后数据预期用途。

1.5切片模式

切片技术是一种将较大区域数据分割成更易于管理的较小数据块儿的技术。S-102采用了切片技术将覆盖数据切割成一系列切片进行组织和管理。产品中每一个切片都是一个完整的水深格网，包括水深估计覆盖、水深不确定性覆盖、可选的跟踪列表和元数据。S-102中定义了三种切片模式：一致的多边形格网、四叉树和其他。

2 数据编码与维护

S-100标准[2]的一个重要思想是“数据内容”和“数据载体”分离。S-102遵循了S-100标准，采用了UML概念模型定义产品内容和采用HDF 5（分层数据格式第5版）进行编码。HDF是美国国家高级计算应用中心为了满足各种领域研究需求而研制的一种能高效存储和分发科学数据的新型数据格式。

与S-101《电子海图产品规范》中矢量数据按增量更新的方式不同，水深表面产品中的全部数据或数据集内的切片及其相关元数据都可以作为一个单元来替换。覆盖数据应至少在切片级别下作为一个单元来更新。此外，每个更新的切片数据或数据集必须有其自己的数字授权。

3 生产技术

S-102标准未对产品生产流程和技术方法做出具体规定。2011年，加拿大海道测量局根据S-102标准草案使用CARIS软件生产了86幅覆盖加拿大魁北克市和蒙特利尔港口间圣劳伦斯河的水深表面产品，提出了一套生产S-102产品的技术流程[3]，见图1。

（1）分幅和切片模式设计。主要是设计产品覆盖范围和切片模式。加拿大海道测量局设计了3级分辨率的切片方案，每个切片由1000X1000个格网单元组成。第一级（港口）0.02°X0.02°，第二级（沿岸）0.1°X0.1°，第三级（总图）1°X1°，切片的北方向指向子午线方向。

（2）数据搜集和评价。为了增强ENC单元中已经包含的信息，加拿大海道测量局搜集了各种数据，包括稀疏的水深数据点、高分辨的水深格网数据、ENC导出的高潮线等，所有这些数据都进行了质量评价以用于数据生产。此外，还利用CARIS S-57 Composer和BASE Editor两个软件模块创建了辅助层（例如切片方案、覆盖、分界线等）和将所有数据源切割成切片。

（3）点数据处理。主要内容包括构建TIN模型（不规则三角网）、插值得到初级的水深表面产品。

（4）将其他高分辨率水深表面产品和上一步生成的表面产品合并，并利用BASE Editor软件中基于规则的冲突检测工具处理数据冲突部分。

（5）提取和导出水深表面产品数据。利用CARIS BASE Editor导出HDF5格式水深表面产品。

通常，根据水深点数据生成格网水深的方法有两种：直接法和间接法。直接法是直接通过采样水深点插值生成格网水深。间接法是首先根据点数据建立TIN，然后插值得到格网水深。加拿大海道测量局采用了间接法生成格网水深，但这种方法有可能丢失格网节点周围的浅点水深。如果水深表面产品应用于船舶航行，还需对上述流程中水深点数据生成格网的算法进一步优化。

4 应用

S-102标准的制定，使海道测量领域具有了适合本行业的数字高程模型（DEM）标准，丰富了海道测量产品种类，拓展了海道测量数据应用范围。作为一种不同于电子海图、传统纸海图的新产品，S-102产品有诸多优点，将会在船舶航行、水文动力模拟、空间数据分析等方面获得广泛应用。

4.1船舶航行

相比电子海图，水深表面产品用于船舶航行具有以下优势：水深信息更加丰富、更新更加方便（只需替换需要更新的切片）、能够快速准确生成安全等深线、更易于和潮汐等时序数据叠加计算富余水深等。将水深表面产品作为背景与电子海图数据叠加应用于航行是一种可行的、有效的应用方式，如图2。

图2　S-102产品和电子海图叠加显示

航道工程

可利用GIS空间分析技术基于水深表面产品计算航道疏浚土石方量、航道边坡比（航道是否稳定的指标）等数据，作为竣工验收的依据。

4.2科学研究

水文动力模型、大气-水文模型等数值计算模型都需要格网型海底地形数据。S-102产品能够方便地应用于水文动力模型、大气-水文模型中，满足科学研究的需求。

5 结束语

目前，美国、加拿大等国家的海道测量机构已经开始生产并发布S-102产品，一些ECDIS设备生产商也正在升级软件支持S-102产品的显示和应用。而我国尚未开展S-102产品的生产，应加强S-102规范的研究和加快产品的生产。一旦S-102产品得到广泛生产和应用，由于其编绘简单、更新便捷，将会大大缩短新测水深应用于船舶航行的周期，提高船舶航行安全。

参考文献

[1]IHO.S -102 bathymetric surface product specification，e-dition1.0.0[s].Monaco: International Hydrographic Bureau，2012.

[2]IHO.S-100 通用海道测量数据模型[M].中华人民共和国海事局译.天津: 天津科学技术出版社，2011.

[3]Ed Kuwalek etc.The New IHO S-102 Standard Charting a New Frontier For Bathymetry.The International Hydrographic Review.2011 (2):21-25.

东海某气田受损海管修复工程解析.

姜大正1段明昕1初旭洋2
（1.交通运输部上海打捞局 上海 200090；2.上海海洋石油局 上海 200120）

1 项目简介

东海某气田群位于东海大陆架，平均水深为94.4m～108.3m。现有CEP、A、B平台以及各平台之间的海底管线及电缆。其中A平台的设计工作水深为102.5m，B平台的设计工作水深为91.5m，两平台之间计划铺设一根12″的长度为16.2km的水泥配重气管线。A平台至CEP平台长度为22.9km的12″海管已于2006年完成海上铺设和试压等工作。CEP、A及B平台气田群的位置分布如下图1所示。

图1　CEP、A平台及B平台的位置分布

CEP至A平台的12″海底管道在2006年完成铺设后，由于油田开发暂缓，该海底管道至今未投入运营。为进一步掌握该海管的埋深状态，气田开发工程项目组在2013年对该海管进行了物探调查。调查结果显示，该管线在距A平台中心280m处向东弯曲，弯曲段管线与原设计路由大致呈77°角，弯曲段长约239m，管头距原设计管线路由约为202m。初步判断该海管可能被拖网渔船拖拽并偏离路由。受损管线弯曲状态示意图如下图2：

图2　受损管线弯曲状态示意图

受气田开发业主委托，需要对受损的海管进行修复，以保证后续气田开发工程项目海上施工的顺利实施。交通运输部上海打捞局使用中国首艘300m饱和潜水支持船“深潜号”及相关施工人员在于2013年7月-9月圆满、高效的完成了受损海管的修复并通过了业主的清管试压检验等工作。施工中，海管环形切割机、多种法兰及进口机械连接器等先进工具的使用、四段62m超长直管的高效吊放和成功安装刷新了水下安装的记录，不仅保证了气田未来能够按时投入运营，积累了丰富的饱和潜水维修海管的经验，同时也展示了上海打捞局过硬的技术力量和高素质的海上施工队伍。

2 工作范围

本次受损海管的修复工程中上海打捞局工作范围包括：1.提供完成海上施工所需的船舶及作业设备、饱和潜水队伍及其他施工人员等；

2.受损旧海管的预调查及水泥压块等障碍物清理；3.机械连接器安装点附近海管的切割及打磨；4.机械连接器及四段62m替代直管的安装；5.切断后的受损海管的移位和废弃，海管头的切割回收；6.四段直管上水泥压块的铺放及机械连接器下方沙包的垫放及完工后调查；

7.修复海管的清管试压支持工作。

2.1海管技术参数

CEP至A平台的已铺12″单层水泥配重混输管线，基本规格如表1：

表1　已有12″单层水泥配重混输管线参数

2.2四段替代直管参数

替代截断的239米旧管线的新的四段替代直管的基本参数如表2：

表2　四段替代直管参数

3 施工设备资源

3.1船舶及主要设备

交通运输部上海打捞局2012年8月交付使用的300m饱和潜水母船“深潜号”将作为饱和潜水支持船及主作业船完成此次工程。“深潜号”是一艘目前亚洲领先、世界一流的深潜水支持船，其投入使用，标志着中国海上大深度潜水、抢险救援打捞能力得以显著提升，也使中国深水工程作业能力向世界先进水平迈出坚实一步。

“深潜号”总长125.7m，型宽25m，型深10.6m，满载排水量为15 864吨，配有现代化的直升机起降平台，可航行作业于无限航区，动力定位2级，能在复杂海况下不用锚泊自动将船定位在指定区域，定位精度达到30cm，有效的支持饱和潜水等海上施工作业。此外，140吨主动式海浪升沉补偿吊机，进一步保障了海上施工的安全和效率。

“深潜号”上同时配置了一套目前世界先进的300m饱和潜水系统，最大工作深度可达水下300m，拥有12人居住舱，3人潜水钟可供3名潜水员同时进行潜水作业。本套系统获英国劳氏证书，完全符合IMCA（国际海洋工程承包商协会）国际潜水最高标准的要求。它是目前中国工作深度最深，容纳潜水员人数最多，设计理念和配置最为先进的一套饱和潜水系统，在世界上属于先进水平。

另外，船上还配置了一台水下机器人（ROV）。此次工程中，ROV将辅助进行水下调查、配合吊机下放水泥压块及沙包等工作。

图3　“深潜号”海上作业

3.2机械连接器

机械连接器选用美国QCS公司生产的GripLock（GLC）型机械连接器，其主要作用是连接旧海管和新的替代海管。其基本原理是将机械连接器的一端套在已打磨光洁的旧海管上，抱紧并形成密封，另一端是标准法兰与新的海管法兰对接。其结构如图4所示：

图4　机械连接器结构原理图

此次使用的机械连接器的主要参数如下表所示：

同时，国际先进的分瓣式环形海管切割坡口机的使用，保证了海管水下多次切割的效率和管端精度要求；液压螺栓张紧器系统的使用大大提高了水下法兰螺栓安装的质量及效率。

图4　环形海管切割机及液压螺栓拉紧器

4 施工方法及过程

本次海管修复工程施工的主体思路是由潜水员在受损海管拐点位置附近切除弯曲受损的海管，在切割后的直管头末端安装机械连接器，再依次安装4段总长与被切割海管长度大致相同的直管来达到海管修复的目的。按照施工顺序，主要需要完成受损海管的切割及端部打磨、安装机械连接器及新的四节替代直管、沙包及水泥压块的垫放、清管试压支持等工作。

海管修复的主要施工如下：

1.“深潜号”到达A平台预定位置附近，进行DP测试；

2.潜水员沿受损海管调查，潜水员手持信标配合定位人员进行位置记录，确定海管拐点的准确位置；调查海管原设计路由上海床的平整度、水泥压块、渔网等障碍物，并配合“深潜号”吊机移除原海管路径附近50m内的遗留障碍物；

3.海管受损情况及切割位置确认（主要确认机械连接器安装的位置）；

4.潜水员拆除受损海管头渔网及法兰盲板进行海管内压力的泄放；

5.各方确认海管切割位置及机械连接器的安装位置后，潜水员使用高压水枪、液压打磨刷和刮刀等工具处理需环形海管切割机切割位置附近的水泥层及防腐层；按机械连接器安装的要求打磨需插入连接器内部的海管表面（此处需特别注意，不可使用液压镐、凿子等冲击性工具清理海管表面，以防行程凹坑和损伤，影响机械连接器的密封性能）；

6.吊机下放环形海管切割机，潜水员将切割机安装到位；环形切割机完成指定位置的切割；

7.潜水员配合吊机移除切下的弯曲海管至指定的废弃区域；

8.QCS机械连接器厂方代表确认海管头打磨处理符合安装要求；甲板吊放GLC机械连接器下水，到达指定深度后开启升沉补偿模式；潜水员引导机械连接器安装到打磨好的管头上；按照机械连接器安装程序，使用液压拉伸器对相应螺栓进行拉伸，使机械连接器夹紧海管并密封；按要求进行试压并完成保压试验，最后向连接器内加注黄油并完成所有安装步骤。

图5　QCS机械连接器

9.驳船靠“深潜号”，甲板准备起吊第一根62m替代直管（安装吊装索具、导向牵引绳、绑扎信标、法兰螺栓及水下空气浮袋等）；潜水员在水下安装法兰捕捉器；

10.吊机起吊并下放第一根直管至指定位置；潜水员引导第一根直管与机械连接器法兰靠近，安装法兰密封圈后安装螺栓及螺帽；潜水员在螺栓上安装液压拉伸头及液压管线，按施工方案完成螺栓拉伸；

11,潜水员回收安装工具；移船到第一根直管末端，吊放第二根直管下水，潜水员配合吊机将第二根直管端法兰与第一根末端法兰组对，安装密封圈、螺栓及螺帽；安装液压拉伸器并按程序进行螺栓拉伸；拆除回收安装工具；

图6　吊装第一段替代直管

12.重复以上步骤完成第三、四根63m替代直管的安装。

13.四段直管完成安装后；潜水员在机械连接器下方凹坑中垫放水泥沙包对连接器及海管进行支撑；ROV配合吊机在替代直管上布放水泥压块，保护海管；

14.最后ROV进行施工后调查。

至此，受损海管的修复工作已全部完成后，在另一项目中，“深潜号”又完成了第四段直管与导管架立管之间膨胀弯的安装，完成了整条海管和平台立管的最终对接，最后对CEP 至A平台的整条管线进行清管及试压工作，完成了试压压力的24小时稳定，标志着受损海管的修复取得了圆满成功，达到了设计及生产要求。

5 工程经验总结

在东海某气田受损海管的修复工程中，上海打捞局急业主之所急，技术人员凭借丰富的经验及创造力，提出了可行性的施工方案，大胆使用新的施工方法和设备提高工作效率，如QCS机械连接器、环形海管切割机、法兰捕捉器、超长直管的高效吊放和水下安装等。按照业主施工要求，在现场业主代表的指导及支持下，在施工人员的共同努力下，圆满完成了受损海管的修复工作。工程的施工中积累了很多宝贵的经验和值得推广的方法，主要包括：

1.此次受损的12″海管水深约100m，海管的修复难度较大，施工复杂，单独使用ROV等无人水下工具很难完成，普通的空气潜水无法到达此深度，因此必须使用作业深度更大、效率更高及更为先进的饱和潜水才能完成。

2.合理施工工具的选择和施工方案的设计是工程顺利高效完成的保障。经过多次比较，最终选择QCS公司的GripLock型机械连接器，主要因为其具有潜水员操作相对简便、抱紧力大、密封性好等特点。同时环形海管切割机的使用大大的提高了海管切割的效率，较传统电氧切割方法不仅提高了效率，切割端面的平整度也非常高。受损的约240m海管的替代直管的选择也是对海上施工难度的巨大挑战。经过综合考虑直管长度、所使用法兰总数量及经济性、海上施工的难度等因素，技术人员决定使用4根62m的超常规直管，并设计了对应的吊梁和索具方便海上吊装。同时在水下安装过程中，施工人员结合安装导向钢丝、定位信标及吊机的升沉补偿功能，准确的将直管下放到指定位置并精确对接法兰。

3.液压螺栓拉紧器是一种在法兰对接及螺栓拉紧施工中非常高效的系统。此次工程中所使用的拉紧器能够通过液压动力同时对法兰上所有螺栓进行同步拉紧，这样保证了所有螺栓的上紧都使用相同的力，也保证了法兰面的对接精度。相比于传统的使用液压扳手依次顺序上紧螺栓的方法，此套系统可靠，高效，值得在今后类似作业中推广使用。

以上先进的施工工具和施工工艺的使用，大大的提高了作业效率。此次项目中，一根62m直管从吊放到完成法兰对接、安装，最快在8小时内即可完成，刷新了国内已知的类似管端安装的记录。相对于以往将海管吊放到海底，潜水员利用压重块、空气浮袋、倒链等工具逐步调整法兰和海管的位置的方法，施工效率有了成倍的提高。

这些宝贵的受损海管维修的经验，在以后的类似作业中值得借鉴和推广。同时此次施工中上海打捞局的动力定位船“深潜号”、饱和潜水、深沉补偿吊机等先进技术和设备的应用配合也起到了非常大的作用，也为上海打捞局积累了更丰富的海上施工经验。

6 展望

随着我国海上资源的逐步开发，尤其是东海、南海海域近年迎来的大规模油气勘探和开采，海上油田的大规模开发和建设已经随之兴起。海底管道是海上油气集输和生产系统的生命线，一旦出现泄漏，不仅造成油气集输和生产中断，更会造成对海洋环境的污染，如不及时修复，后果十分严重。我国已投产的海上油田海底输油输气管道相应总长度已达6 000多km，95%以上在水深300m内。海底管道相对陆上管道投资大施工难度高质量要求严格，一旦泄漏修复难度很大。

饱和潜水能够完成300m内水深的各种作业，同时可以实现大深度、长时间作业，与空气潜水或氦氧潜水相比，有效潜水时间增长可达10倍以上，可大幅度提高潜水作业效率，从而减少施工时间，节约成本。同时饱和潜水进行海底管道修复动用大型工程船舶少，全过程仅需配置一艘主要动力定位施工母船，施工过程全部在水下实现，与使用大型铺管船等进行将海管捞起至水面修复相比，船舶费用减少约三分至二。同时使用机械连接器和替代直管修复损坏海管段，技术新颖，施工简便，质量有保证，水下工作仅为连接法兰，与使用水下干式舱等修复的海管方式相比，技术可靠，效率高。

综上所述，此次海管修复工程的高效、顺利完成，积累了丰富的海管维修经验，检验了新的施工工具和施工方法的可行性，成套施工方法值得在类似海管维修工程中推广。

作者简介：[1]邢伟坡（1983-），男，河北保定人，工程师，硕士，2009年毕业于北京师范大学地图学与地理信息系统专业，主要从事海洋测绘技术研究等工作。