CN102997858B - 一种海底电缆锚害肇事船只确认方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底电缆锚害肇事船只确认方法及应用，其利用分布式光纤应变测量技术和普通通信光纤进行海底电缆应变分布的实时监测，可及时发现海底电缆故障并发出报警，克服了人工无法巡查海缆故障的缺点。利用海底电缆技术资料、施工路由图建立报警点所处地理位置和传感光纤长度的准确关系，可实现故障点的准确定位。利用AIS信息和肇事船只确认算法可以准确认定肇事船。利用镜头偏转调整算法可及时准确地记录肇事船只的影像，连同AIS信息，为肇事理赔提供充足的证据。本发明设计的方法自动化水平高、定位准确、证据充分，克服了人工巡查的诸多缺点，对海底电缆的安全稳定运行有重要意义。

Description

一种海底电缆锚害肇事船只确认方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种海底电缆锚害肇事船只确认方法，特别是一种海底电缆锚害肇事船只确认方法及应用。

背景技术

我国海岸线长达3.2万公里，领海面积约473万平方公里，大小岛屿有6500多个，海上工作平台众多，陆岛、岛际间海底电缆的应用日渐增多，其在远程供电、高压输电、电力通信、信号传输中起关键作用。

随着海洋开发利用活动的日益增加，海底电缆路由海域捕捞活动极为频繁，捕捞方式多样，各种张网、拖网、钓具等对海底电缆造成很大的威胁。特别是帆张网，其定位锚体积、重量大，入水后受水动力作用，移动力量很大，抛入海底的铁锚因潮流的方向最大可走动距离达3-4海里，并且可能360度回转，对海底电缆造成致命的伤害。另外，定置网船在作业过程中抛锚定位时可能对电缆造成伤害，其锚的入土深度在2米左右，由于其在近岸区域作业，对登陆点附近电缆的影响比较大。拖网船对海底电缆的最大威胁是底拖网作业，其主要对埋设深度不够或进行过修理的区域造成较大影响。

同时，随着海上运输业的发展，海上运输船只的吨位和数量也日益增加，给海底电缆安全带来严重威胁。在海底电缆工程设计和实际施工中均严格要求海底电缆路由距航道、锚地有一定的距离，但是仍然存在个别货轮闯入禁锚区随意抛锚、船舶设备临时发生故障或突然出现大雾、大风天气被迫就地抛锚的现象，加之风浪潮流影响，船舶移位很可能使锚钩到海底电缆而造成海底电缆损坏甚至被完全拉断。为了保障海底电缆的正常运行，目前通常是在海底电缆登陆点附近设置值班室，安排专门的值班人员对海底电缆所处海域进行24小时监视，及时发现可疑船只，并加以驱赶。这种方法在一定程度上避免了事故的发生，但驱赶的难度较大。另外，值班员很难做到24小时内对每条船进行无疏漏地监视，特别是在夜晚和雨雾天气，靠肉眼无法实现监视，最终导致锚害断缆事故仍有发生。

海底电缆结构复杂、体积庞大，每公里造价在100万元以上，敷设好的电缆一旦被钩断必须花费大量的人力、物力进行打捞和修复，且耗时很长，给电力企业和用户带来巨大的经济损失，因此，锚害事故危害巨大。锚害事故发生后，及时确定肇事船只，组织事故理赔，对明确事故责任、挽回经济损失十分重要。由于海浪和洋流影响，落锚点和船舶位置距离不确定，特别是在海面上船舶多于1艘时，单纯靠值班人员的肉眼根本无法准确认定肇事船只，给肇事船只的确认带来很大困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种能及时、准确、证据充分的确认肇事船只的海底电缆锚害肇事船只确认方法。

本发明的另一目的还在于提供一种海底电缆锚害肇事船只确认方法的应用。

一种海底电缆锚害肇事船只确认方法，包括如下步骤

(1)使用分布式光纤应变测量技术，利用海底电缆中复合或后期敷设的普通通信单模光纤实现海底电缆应变的实时在线测量，以获得沿整条光纤被测应变的分布信息；

(2)当应变超过预先设定的报警阈值时，产生报警，通过应变数据确定报警点在光纤上的位置；利用光纤长度和海缆长度的关系，换算出报警点在海缆上的位置；再根据施工路由图中的海缆地理坐标和深度数据得出报警点的地理坐标；

(3)利用船舶自动识别系统AIS实时记录海缆上方过往船舶的信息，并作为历史数据存入数据库，当出现报警时，以报警点地理坐标为中心，提取周围一定范围内的船舶信息，将此范围内的所有船舶列为可疑船只；

(4)调取可疑船只某段时间内的AIS信息，绘制船只航行轨迹，确定肇事船只；

(5)根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前的地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只的影像作为证据。

本发明的海底电缆锚害肇事船只确认方法由分布式光纤应变测量技术获得海缆的应变分布，由船舶自动识别(AIS)技术获得肇事船只的信息，由视频监控技术捕捉肇事船只的影像，由后台软件融合分布式光纤应变测量数据、AIS数据和视频监控数据进行肇事船只确认，实现数据库读写，应变数据、AIS信息、视频影像的显示和报警算法。

报警点地理坐标位置的具体确定方法为：

(1)当应变超过预先设定的报警阈值时，产生报警，通过应变数据一维数组和分布式光纤应变测量仪采样间隔确定报警点在光纤上的位置，

假设报警点发生在应变一维数组的第n(n=0，1，2，…)个点上，若采样间隔为m米，则报警点在光纤上n×m米处；

(2)根据光纤与海底电缆的长度比，将报警点在光纤上距离始端的距离换算成海底电缆上距离始端的距离；

设光单元-内含光纤绞缠在海底电缆内直径d处，光纤的余长量y，绞合节距j，则光纤与海底电缆的长度比p=(π²d²+j²)^1/2×(1+y)/j，此时报警点在海底电缆上的距离为n×m/p；

(3)根据施工路由图建立m米间隔的海底电缆长度与地理坐标关系表，根据报警点在光纤上的距离n×m，通过计算和查表确定报警点的地理坐标。

以报警点地理坐标为中心，提取周围一定范围内的船舶信息，将此范围内的所有船舶列为可疑船只，其是以调取AIS在以报警点为中心的方形或圆形区域的船舶信息。

360米半径内的船舶信息，AIS处于实时监控中，其获得的船舶信息包括船号、地理坐标、航行状态、航速、航向等，该信息数据被实时存入数据库中，以备调用；当报警发生后，调取报警时刻的所有船舶信息，计算船只位置和报警点的距离，筛选出距离小于等于360米的船舶信息，作为可疑船只。

360米半径的计算依据为：船舶在抛锚前后的航行速度都小于2海里，在近陆地海峡内航行的船舶一般都使用B类船载移动设备，根据AIS国标可知，B类AIS在船速小于等于2海里(约1米/秒)时，其标称报告间隔为3分钟，3分钟内船舶的最大移动距离为1米/秒×3分钟×60秒=180米，为画出船舶航行轨迹，至少需连续接收2次AIS信号，因此半径定位180×2=360米。

调取可疑船只某段时间内的AIS信息，绘制船只航行轨迹，按如下条件确定肇事船只：

1)船只由抛锚状态变为起航状态；

2)起航后存在一段航行轨迹，该轨迹与产生报警的海底电缆敷设方向相交；

3)交点离中心最近。

根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前的地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只的影像作为证据，其具体为：设摄像头的地理坐标为(x₀，y₀)，肇事船只的地理坐标为(x₂，y₂)，摄像头坐标的X轴与肇事船坐标的Y轴之交点的地理坐标为(x₁，y₁)=(x₂，y₀)，假设摄像头所处X轴线为摄像头的0°初始角，则拍摄肇事船只的摄像头偏转角。

$\mathrm{\α}=\arcsin (\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2})$

$=\arcsin \left(\right|y_2-y_0|/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2}).$

所述步骤(1)中使用的分布式光纤应变测量技术为通过布里渊光时域反射计(BOTDR)、布里渊光时域分析仪(BOTDA)、布里渊光频域分析仪(BOFDA)或相干光时域反射计(COTDR)中的任意一种实现；海底电缆如果复合有光纤，测量仪直接与光电复合海缆中的单模光纤进行连接；海底电缆如无复合光纤，测量时可以将普通通信光缆敷设于海底电缆表面，测量仪与通信光缆中的单模光纤进行连接。

所述步骤(5)中岸边摄像头指配备长焦镜头的摄像机或长焦红外热成像仪，分别用于白天和黑夜的肇事船只影像录制；镜头偏转角根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前地理坐标计算得到。

一种海底电缆锚害肇事船只确认方法的应用，本海底电缆锚害肇事船只确认方法应用于可敷设光纤的各类海底管线锚害肇事船只确认。

综上所述的，本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明利用分布式光纤应变测量技术和普通通信光纤进行海底电缆应变分布的实时监测，可及时发现海底电缆故障并发出报警，克服了人工无法巡查海缆故障的缺点。利用海底电缆技术资料、施工路由图建立报警点所处地理位置和传感光纤长度的准确关系，可实现故障点的准确定位。利用AIS信息和肇事船只确认算法可以准确认定肇事船。利用镜头偏转调整算法可及时准确地记录肇事船只的影像，连同AIS信息，为肇事理赔提供充足的证据。本发明设计的方法自动化水平高、定位准确、证据充分，克服了人工巡查的诸多缺点，对海底电缆的安全稳定运行有重要意义。本海底电缆锚害肇事船只确认方法适合于可敷设光纤的各类海底管线锚害肇事船只确认。

附图说明

图1为海底电缆锚害肇事船只确认方法技术方案示意图。

图2为基于分布式光纤应变测量技术的应变测量仪与海底电缆内光单元中光纤的连接示意图。

图3为分布式光纤应变测量仪(BOTDR)测量的海底电缆应变分布曲线。

图4为海底电缆结构示意图。

图5为肇事船只确认方法示意图。

图6为摄像头偏转角计算方法示意图。

标号说明1BOTDR分布式光纤应变测量仪2AIS接收基站3长焦镜头的摄像机或长焦红外热成像仪4SQL数据库5船只6海底电缆7光单元8光纤跳线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，海底电缆锚害肇事船只确认方法综合利用分布式光纤应变测量技术(BOTDR分布式光纤应变测量仪)1、AIS技术(AIS接收基站)2、视频监控技术(配备长焦镜头的摄像机或长焦红外热成像仪)3和信息处理技术(SQL数据库)4，在监测中心实现锚害实时报警、故障准确定位、肇事船只确认、及时记录肇事证据等功能，为海底电缆锚害肇事船只确认提供有力保障。

1、海底电缆应变测量通过图2给出。利用光纤跳线8将分布式光纤应变测量仪与海底电缆6内光单元中的光纤7进行连接，然后打开测量仪，其发射的激光注入到光纤中，光在光纤中传输会发生布里渊散射，利用该散射信号的频移变化量即可实现光纤沿线的应变测量。图3是测量的海底电缆复合光纤的应变分布曲线，可通过曲线的纵坐标值确定海底电缆复合光纤某位置处应变的大小。

2、报警后通过光纤长度确定报警点位置的地理坐标。具体步骤如下：

(1)当应变超过预先设定的报警阈值时，产生报警，通过应变数据一维数组和分布式光纤应变测量仪采样间隔确定报警点在光纤上的位置。

假设报警点发生在应变一维数组的第n(n=0，1，2，…)个点上，若采样间隔为m米，则报警点在光纤上n×m米处。

(2)根据光纤与海底电缆的长度比，将报警点在光纤上距离始端的距离换算成海底电缆上距离始端的距离。

如图4所示，设光单元(内含光纤)绞缠在海底电缆内直径d处，光纤的余长量y，绞合节距j，则光纤与海底电缆的长度比p=(π²d²+j²)^1/2×(1+y)/j。此时报警点在海底电缆上的距离为n×m/p。

(3)根据施工路由图建立m米间隔的海底电缆长度与地理坐标关系表。根据报警点在光纤上的距离n×m，通过计算和查表确定报警点的地理坐标。

3、调取AIS在以报警点为圆心360米半径内的船舶信息。

AIS处于实时监控中，其获得的船舶信息包括船号、地理坐标、航行状态、航速、航向等，该信息数据被实时存入数据库中，以备调用；当报警发生后，调取报警时刻的所有船舶信息，计算船只5位置和报警点的距离，筛选出距离小于等于360米的船舶信息，作为可疑船只。

360米半径的计算依据为：船舶在抛锚前后的航行速度都小于2海里，在近陆地海峡内航行的船舶一般都使用B类船载移动设备，根据AIS国标可知，B类AIS在船速小于等于2海里(约1米/秒)时，其标称报告间隔为3分钟，3分钟内船舶的最大移动距离为1米/秒×3分钟×60秒=180米，为画出船舶航行轨迹，至少需连续接收2次AIS信号，因此半径定位180×2=360米。

4、调取可疑船只6分钟内的AIS信息，绘制船只航行轨迹，如图5所示。筛选符合以下条件的船只作为肇事船只：

1)船只由抛锚状态变为起航状态；

2)起航后存在一段航行轨迹，该轨迹与产生报警的海底电缆敷设方向相交；

3)交点离圆心最近。

5、根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前的地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只的影像作为证据。

如图6所示，设摄像头的地理坐标为(x₀，y₀)，肇事船只的地理坐标为(x₂，y₂)，摄像头坐标的X轴与肇事船坐标的Y轴之交点的地理坐标为(x₁，y₁)=(x₂，y₀)。假设摄像头所处X轴线为摄像头的0°初始角，则拍摄肇事船只的摄像头偏转角

$\mathrm{\α}=\arcsin (\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2})$

$=\arcsin \left(\right|y_2-y_0|/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2}).$

本实施例未述部分与现有技术相同。

本海底电缆锚害肇事船只确认方法应用于可敷设光纤的各类海底管线锚害肇事船只确认。

Claims (8)

1.一种海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：包括如下步骤，

(1)使用分布式光纤应变测量技术，利用海底电缆中复合或后期敷设的普通通信单模光纤实现海底电缆应变的实时在线测量，以获得沿整条光纤被测应变的分布信息；

(2)当应变超过预先设定的报警阈值时，产生报警，通过应变数据确定报警点在光纤上的位置；利用光纤长度和海缆长度的关系，换算出报警点在海缆上的位置；再根据施工路由图中的海缆地理坐标和深度数据得出报警点的地理坐标；

(3)利用船舶自动识别系统AIS实时记录海缆上方过往船舶的信息，并作为历史数据存入数据库，当出现报警时，以报警点地理坐标为中心，提取周围一定范围内的船舶信息，将此范围内的所有船舶列为可疑船只；

(4)调取可疑船只某段时间内的AIS信息，绘制船只航行轨迹，确定肇事船只；

(5)根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前的地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只的影像作为证据；

其中报警点地理坐标位置的具体确定方法为：

(1)当应变超过预先设定的报警阈值时，产生报警，通过应变数据一维数组和分布式光纤应变测量仪采样间隔确定报警点在光纤上的位置，

假设报警点发生在应变一维数组的第n(n＝0,1,2，…)个点上，若采样间隔为m米，则报警点在光纤上n×m米处；

(2)根据光纤与海底电缆的长度比，将报警点在光纤上距离始端的距离换算成海底电缆上距离始端的距离；

设内含光纤的光单元绞缠在海底电缆内直径d处，光纤的余长量y，绞合节距j，则光纤与海底电缆的长度比p＝(π²d²+j²)^1/2×(1+y)/j，此时报警点在海底电缆上的距离为n×m/p；

(3)根据施工路由图建立m米间隔的海底电缆长度与地理坐标关系表，根据报警点在光纤上的距离n×m，通过计算和查表确定报警点的地理坐标。

2.根据权利要求1所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：以报警点地理坐标为中心，提取周围一定范围内的船舶信息，将此范围内的所有船舶列为可疑船只，其是调取AIS在以报警点为中心的方形或圆形区域的船舶信息。

3.根据权利要求2所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：所述的圆形区域内的范围为以报警点为中心的圆形360米半径内的船舶信息。

4.根据权利要求3所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：调取可疑船只某段时间内的AIS信息，绘制船只航行轨迹，按如下条件确定肇事船只：

(1)船只由抛锚状态变为起航状态；

(2)起航后存在一段航行轨迹，该轨迹与产生报警的海底电缆敷设方向相交；

(3)交点离圆心最近。

5.根据权利要求4所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前的地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只的影像作为证据，其具体为：设摄像头的地理坐标为(x₀,y₀)，肇事船只的地理坐标为(x₂,y₂),摄像头坐标的X轴与肇事船坐标的Y轴之交点的地理坐标为(x₁,y₁)＝(x₂,y₀)，假设摄像头所处X轴线为摄像头的0°初始角，则拍摄肇事船只的摄像头偏转角 $a=\arcsin (\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2{(y_2-y_0)}^2})$ $=\arcsin \left(\right|y_2-y_0|/\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2}).$

6.根据权利要求5所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用的分布式光纤应变测量技术为通过布里渊光时域反射计(BOTDR)、布里渊光时域分析仪(BOTDA)、布里渊光频域分析仪(BOFDA)或相干光时域反射计(COTDR)中的任意一种实现；海底电缆如果复合有光纤，测量仪直接与光电复合海缆中的单模光纤进行连接；海底电缆如无复合光纤，测量时可以将普通通信光缆敷设于海底电缆表面，测量仪与通信光缆中的单模光纤进行连接。

7.根据权利要求5所述的海底电缆锚害肇事船只确认方法，其特征在于：所述步骤(5)中岸边摄像头指配备长焦镜头的摄像机或长焦红外热成像仪，分别用于白天和黑夜的肇事船只影像录制；镜头偏转角根据岸边摄像头地理坐标和肇事船只当前地理坐标计算得到。

8.一种基于权利要求1-7之一的海底电缆锚害肇事船只确认方法的应用，其特征在于：本海底电缆锚害肇事船只确认方法应用于可敷设光纤的各类海底管线锚害肇事船只确认。