國內(nèi)首艘，萬噸級，“海底神經(jīng)”鋪設船

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導語：萬噸級遠洋通信海纜鋪設船”龍吟9號”計劃在今年9月完成交付，該船在鋪纜作業(yè)系統(tǒng)、新型吊放設備、全船電力推進和動力定位控制系統(tǒng)等方面擁有國產(chǎn)核心技術專利，是我國首艘入級中國船級社的萬噸級DP-2（動力定位二級）遠洋光纜鋪設船。海底光纜有什么特殊之處？”龍吟9號”有什么過人之處，把它們敷設到數(shù)萬米深的海底？

今年3月底“龍吟9號”在江西九江進行舾裝

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，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，光纜總長度超過135萬公里，可繞赤道約35圈。承載了95%以上的國際數(shù)據(jù)傳輸。海底光纜一旦出了故障，整個國家經(jīng)濟就會有癱瘓的危險。

世界海底光纜分布,宛如互聯(lián)互通的

和我們家用平時常見的光纖寬帶線類似，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，細如發(fā)絲非常易碎，應用全內(nèi)反射原理來傳導光。由于反射時沒有光線的損失，因此信號可以傳輸?shù)綐O遠的距離，激光能在光纖中傳輸數(shù)據(jù)超過數(shù)千公里。

海底光纜示意圖

光纖光通信離不開華人工程師高琨的貢獻，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：“造成信號損耗的主要原因是材料不純，而不是玻璃本身。”他也因為對光纖通信的杰出貢獻在2009年獲得諾貝爾物理獎。

華人工程師高琨簡介

只有光纖還不行，海底光纜外圍必須包裹著層層的保護結構，典型海底光纜的結構包括：第一層是絕緣聚乙烯層，第二層是聚酯樹酯薄膜帶或瀝青層，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1萬伏，第七層是石蠟，烷烴層，第八層才是核心傳遞光信號的光纖。

海底光纜結構圖

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

5種海底光纜的比較

我國研發(fā)的海底光電復合纜在海底電力電纜中加入具有光通信功能及加強結構的光纖單元，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”讓中國鋪纜船不掉隊！

有了光纜，接下來的問題就是如何把它們放到海里，接下來就該光纜鋪設船出場了。

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

全球光纜鋪設船隊運營市場由歐洲船東主導，根據(jù)克拉克森統(tǒng)計，截至2021年11月底，全球光纜鋪纜船船隊運力規(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力(以艘數(shù)計為63.3%)，包括瑞士、芬蘭、英國、法國、挪威等國家，而出于國家國防安全考慮，近海的海底光纜敷設、維修維護工作，應盡可能由本國企業(yè)、船舶、本國人員承擔。

說起我國的光纜鋪設船，就不能不提“郵電一號”，她是1976年七0八所專門為敷設我國第一條國際海底電纜而自行設計建造的。目前我國共有3艘光纜鋪纜船，但規(guī)模和噸位較小，在滿足長距離、深水、大容量的海底電纜敷設工程方面尚存差距。

我國自行設計建造的第一艘布纜船“郵電一號”

國際新一代萬噸級光纜鋪設船可以運輸和安裝大量光纜，配備DP動力定位系統(tǒng)，并且環(huán)保標準極高。

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

“龍吟9號”進行舾裝

“龍吟9號”燃油艙配置滿足續(xù)航力1萬海里，續(xù)航天數(shù)約60天，一次性載纜量可達1萬噸，可進行DP-2動力定位，完全電力推進系統(tǒng)，能耗低，可一次性完成從中國跨越太平洋的萬米級全海深光纜敷設作業(yè)。

根據(jù)水深，海底光纜的敷設可簡單的分為三個場景：登陸敷設區(qū)，填埋敷設區(qū)和直接敷設區(qū)。

三、布纜船如何把光纜敷設到海底

1.登陸敷設區(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。岸上的光信號傳遞到了船上，船上和岸上信號聯(lián)通之后。

鋪設船鋪設光纜示意圖

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

ROV（水下機器人）下水完成沖埋工作

2.填埋敷設區(qū)

在淺海敷設光纜需要一個核心機器-鋪設犁，它的作用有點像耕田的犁，在小于1000米的深度，都需要用它來敷設。

鋪纜船船尾的鋪設犁正準備下水作業(yè)

光纜經(jīng)過布纜機與船尾的鋪設犁相連，光纜鋪設船會通過牽引索拖著鋪設犁前進。

鋪設犁作業(yè)示意圖

與此同時鋪設犁利用下方會噴出高壓水流沖開泥沙，前后滑撬逐漸張開。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；

鋪設犁海底光纜溝作業(yè)

光纜也順著放入其中，再推動兩側的泥沙覆蓋在光纜上。它負責把光纜埋到海底一米深的地方，在淺水區(qū)這樣可以保護光纜不被船錨和漁網(wǎng)損壞。

埋完之后，還需要通過回聲探測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，就需要出動遙控潛水器。深入海底把光纜埋入泥土下方，完成填埋鋪設區(qū)的工作。

海底離開淺海下降直到1000米深，在這個深度以下，光纜被損壞的風險很低。所以，可以直接敷設在海床上。

3.直接敷設區(qū)

把光纜沉入海底，放在海床上，但這也沒有想象的那么容易，光纜敷設不能成直線，海底地形復雜多變，海底的巖石、珊瑚礁、裂縫，這些都會損壞光纜。如果長度過大會讓光纜在海底彎折損壞。長度過小則會使光纜橫在兩個支點上，增加受力磨損并有受洋流切割的危險。

這就好比晾衣服的繩子，如果懸空起來，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.在流動的海水中如何定位準確

此外海水的流動還會使光纜下水后隨時漂移，偏離設計好的預定位置。所以布纜船需要利用專業(yè)定位系統(tǒng)不斷調(diào)整船速、光纜鋪設傳送的速度等，來控制光纜垂放的長度以及動態(tài)調(diào)整船只的航行軌跡，讓光纜即便受海流影響，依然能落到預定位置。

DP系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機技術和自動化控制的完美結合

“龍吟9號”搭載了DP2動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning，簡稱DP）不需要拋錨，而由船載計算機自動控制系統(tǒng)控制推進器來保持船舶或浮動平臺位置的技術，具有靈活的船舶操控性和精準定位功能；

它采用全電力推進，由變頻電機驅動，可使船不借助錨泊系統(tǒng)，利用自主研發(fā)的水聲設備和測深儀等船舶傳感器及位置，船的計算機導航系統(tǒng)計算出船舶運動狀態(tài)與位置變化，以及外界風力、波浪、海流等擾動力的大小與方向。控制船的艏側推與全回轉推進裝置產(chǎn)生適當?shù)耐屏εc力矩，以抵消擾動力精準定位，這是光纜可以按預定路徑準確敷設的關鍵。

”龍吟9號”的計算機控制系統(tǒng)使鼓輪機、直線布纜機、埋設機等作業(yè)控制系統(tǒng)與布纜船動力定位系統(tǒng)協(xié)同，可以實現(xiàn)海纜建維作業(yè)的自動化，降低船員勞動強度。并提高了作業(yè)質(zhì)量。

四、光纜鋪設船不光會鋪，還要會修

“龍吟9”遠洋光纜鋪設船除鋪設通信光纜外，還有很強的線路修復能力，修復這些光纜不是一件容易的事，因為很小的損壞都會導致光纜癱瘓。而要在幾萬公里的光纜上找到一個小缺口需要耗費許多人力物力。

海底光纜故障或致湯加與外界“失聯(lián)”數(shù)周

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

海底光纜修復示意圖

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

結語：

“龍吟9”是我國實現(xiàn)萬噸級遠洋通信光纜鋪設船的突破，拓展了海洋海底光纜、電力電纜、臍帶纜以及復合軟管的鋪設能力，是一艘多功能綜合性的可覆蓋海洋油氣、海上風電、海上氫能、遠洋通信、觀測網(wǎng)、大科學工程等多個海洋工程領域的核心裝備。

參考文獻：

[1]新型布纜船功能定位與船型論證，常書平 方先進 姚丁元 李昆鵬

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