孤立内波对动力定位船舶作业的影响和应对措施

陈 帅，俞金林，王靖凯，刘国增

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引 言

中国南海是孤立内波十分活跃的海区，在该海区内作业的动力定位船舶易受孤立内波的影响，存在极大的安全隐患。对此，本文介绍南海孤立内波的基本特点及其对动力定位船舶作业的影响，结合多年应对内波流作业的经验总结出应对措施，供动力定位船舶和项目施工人员参考。

1 南海北部孤立内波基本特征

1.1 孤立内波的含义

孤立内波是发生在层化海洋内部的一种高能量非线性波动，孤立内波产生之后可携带巨大的能量，并将其传播至很远的地方（见图1）。孤立内波在层化海洋内部传播过程中会产生很强的波致剪切流，上层海洋海流和下层海洋海流的垂向速度会在短时间内急剧增大，上层海洋海流的流向基本上与孤立内波的传播方向保持一致，而下层海洋海流的流向则与孤立内波的传播方向相反。由于海洋内部的层化不同，波致流在不同水层的强弱不同，波致流的流速在海洋混合层和温跃层界面处最大。

图1 孤立内波结构示意

1.2 孤立内波的特征参数

孤立内波传播过程中，其波形特征会受地形和海洋层结的影响，在不同海域观测的孤立内波具有完全不同的特征参数。亚洲季风试验期间定点的温度和海流观测结果揭示了南海北部东沙岛附近孤立内波的特征，观测到孤立内波最大振幅约为200m，波致流速可达2m/s，周期为10～27min，孤立内波的波包大致24h 出现一次。在吕宋口产生的孤立内波会沿东西方向向南海和西太平洋传播，在传播过程中因具有非线性效应，能量耗散较快，最后在陆坡处逐渐衰减。监测海域孤立内波的传播速度一般为1.6～2.0m/s，对于单个孤立内波而言，其波长为0.5～4.0km，传播方向为270°～300°。图2 为通过卫星观测的南海弧立内波图像。

1.3 南海北部孤立内波的分布

南海北部是一个孤立内波十分活跃的海区。早在20世纪70年代就从卫星图像中发现东沙群岛附近存在着孤立内波，但直到20世纪90年代相关研究才得到重视。由现场观测资料和卫星遥感资料可知，南海北部为南海孤立内波的主要生成和传播区域，每年正压潮经过吕宋口东西两侧海脊时会产生大量的孤立内波，按270°～300°的方向传播，在传播过程中因具有非线性效应，能量耗散较快，最后在陆坡处逐渐衰减。南海陆架、海南岛周边海域和中南半岛周边海域均有孤立内波分布，但受南海北部大陆架分布特点的影响，内波流强度最大、影响时间最长的区域还是南海东北部、吕宋口以西海域。

图2 通过卫星观测的南海孤立内波图像

2 南海孤立内波对动力定位船舶作业的影响

随着国家深水战略总体布局的不断推进，南海海上油气田的开发力度逐渐增大，各类油气田相关设施的建设和维护需求逐渐增多。作为油气田及水下设施建设和维护的重要平台，动力定位船舶发挥着举足轻重的作用。

2.1 动力定位船舶作业原理

动力定位船舶的基本原理是：利用船舶的各类传感器、罗经和位置参考单元，通过卡尔曼滤波器（Kalman Filter）收集船舶的运动状态、位置变化情况、环境风力的大小和方向，通过动力定位控制器构建船舶数学模型，根据计算结果控制各推进装置输出适当的推力和力矩，以抵消环境扰动力，控制船舶水平横向、纵向和艏向等3 个自由度的运动，从而使其保持目标船位和艏向。动力定位船舶普遍应用于水下设备设施安装维护回收工程、地质调查勘探工程和打捞工程等各类海上施工作业中。动力定位船舶的海上定位精度和定位能力是其顺利完成各项深海作业的保证，同时也是影响其作业质量和安全性的主要因素。

2.2 孤立内波对动力定位船舶作业的影响

基于动力定位工作原理，要想得到良好的定位精度，除了需配备各类高精度的传感器和位置参考系统以外，还需重点考虑外界作业环境是否稳定。动力定位流是系统计算出的船舶所受风力影响以外的其他外力的合力的方向和大小。由于动力定位系统采用的是“记风不记流”的模式，其对水流的变化的反应存在一定的滞后性。当船舶遭遇孤立内波时，流向和流速会突变，造成船舶失位和艏向发生偏差；同时，动力定位系统为使船舶尽快回到初始船位，会控制各推进装置增大输出功率和改变输出方向，由此带来的是各配电板上的负荷急剧增大，甚至会使推进装置或电力系统过载，造成推进装置停车或黑电。

鉴于以上情况，环境因素变化越小，建立的数学模型越稳定和精确，越能精准控制船舶推进装置的输出，使船舶保持稳定的船位和艏向。由此可看出，孤立内波对动力定位船舶作业的影响是不可忽略的。曾经就有动力定位船舶在进行饱和潜水支持作业期间因受强内波流侵袭而严重失位，致使一名饱和潜水员的脐带缆直接被拉断。

2.3 孤立内波观测和预警措施

为减小孤立内波对船舶作业安全的影响，提前发现并采取有效的应对措施尤为重要。目前已知的观测方式主要有目测法、雷达观测和监控预警浮标等3种。

1) 目测法：在驾驶台进行无间断瞭望（白天），从远处观察像一条细线，靠近之后可观察到其表面有明显的细碎波纹，在海面呈暗色带状分布（见图3）。

图3 海上孤立内波观测图

2) 雷达观测：在天气良好时放大X 波段（3cm）雷达的增益，适当减小抑制，可明显观测到带状回波（见图4），可探测出孤立内波的移动方向和相对的强度（速度）。

3) 监控预警浮标：考虑到深海作业水域离岸较远，同时便于进行长期定点观测，可考虑布设监控预警浮标作为长期的观测平台，通过携带的声学多普勒海流计采集各水层海流剖面的水温数据，所有数据均通过卫星实时传输给陆地监控站，经过数据处理得出内波流的强度和传播方向。

图4 X波段雷达孤立内波观测图

3 孤立内波影响海域作业前的准备工作

根据现场作业情况，尽量调整艏向在内波流主流方向上，确保船舶有足够的动力应对。保持驾驶台值班人员对周围海域进行不间断的目测和雷达警戒；机舱值班轮机员和电机员随时准备应对可能出现的推进器和配电板过载问题，及时复位各相关设备，必要时可启动其他发电机组并使其在线，保证配电板上的电力供应冗余。

在正式作业之前，针对内波流造成船舶失位的情况制订应急反应预案，并针对该预案进行船舶失位模拟演练，提高各相关作业部门的协同应急反应能力。

4 船舶作业期间遭遇内波流冲击的应对措施

向相关作业方发出预警，按应急预案和需求下放绞车钢缆或吊机钢缆，若水下有遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）或饱和潜水员作业，应立即通知ROV 回脐带缆控制系统和潜水员回潜钟待命，确保水下设备和人员安全。

迅速调整艏向，尽可能地使其在内波流主流方向上，避免船舶侧面受孤立内波冲击；立即启用“QUICK MODE”（快速反应）模式，使动力定位中央处理器能在短时间内建立数学模型，快速响应船舶在水平横向、纵向和艏摇等3 个自由度的变化，更合理地控制各推进装置的输出，在确保安全的情况下，增大动力定位系统设置的角速度和移动速度，尽可能地保持目标船位和艏向。在靠近半潜式平台或储油船作业时，应在保证安全的情况尽量与其保持一定的距离，并时刻关注相对位置的变化情况。

5 遭遇内波流冲击的应对实例

某DP2 级锚系作业工程船配置有2台7600kW 主机、4台2880kW 发电机组、2台艉部可变螺距螺旋桨推进器、2台艉部侧推器、1台艏部伸缩式全回转舵桨装置和2台艏部侧推器，在对某半潜式平台锚腿钢缆进行更换时，距离该半潜平台50m，利用船舶吊机和锚系绞车与其进行锚链传递，遭遇到了流向为300°、流速为3.3kn 的内波流的强烈冲击，按应急预案立即开启动力定位系统“快速反应模式”，同时向各部门发出报警，调整艏向，避免船舶侧面受到内波流的冲击，锚系绞车及吊机操作员及时下放绞车和吊机钢缆，水下机器人返回脐带缆控制系统，同时观察半潜式平台的偏荡方向，控制船体与平台保持横向安全距离向下流漂移，船舶漂移13.3m，船舶电力控制配电站负荷达到98%，前后侧推器负荷达到100%，由于采取的措施得当，未影响项目施工设施、作业工程船和半潜式平台的安全。

6 结 语

作为动力定位工程船的从业者，应熟悉影响船舶动力定位系统精度的各种因素及正确的应对措施，以确保船舶安全、高效地完成航行和作业任务。南海北部海区油气田各类设施分布密集，相应的水下作业项目较多，该区域的孤立内波是动力定位工程船作业过程中不可忽视的安全性影响因素。掌握预防和应对孤立内波的措施，是相关从业人员需不断研究的课题。