CN110011865A - 海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法与系统，包括：总管道，位于海底地下100‑5000m深处的岩石中；分管道，垂直、间隔设置在总管道上；通信探测基站，设置在分管道上方海底处。在海底之下岩石中建立一个管道网络系统，通过该管道网络系统把电缆、光缆、波导管等高速通信系统设备和电力传输设备连接到各探测和通信基站，把陆地高速通信技术引入海里，解决海里高速通信问题，把电力接入海里，为海里作业提供持续电力服务。建立起覆盖我国领海的高速海里通信、探测和电力网络，将会大大加速我国海洋经济开发步伐，提高海洋防御能力，改变海洋作业者和管理者的工作模式。

Description

海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法与系统

技术领域

本发明涉及海底通信、探测和电力网建设技术。

背景技术

在海洋监测、导航、采矿勘探、舰船等海下工作中经常需要利用海下传感器与地面通信。通常这些传感器位于海面下一定距离处，用于传输信息或测量物理参数、位置信息及环境参数等。传感器获得的这些信息可以用于海洋研究、勘察测量、定位及监测周围环境等。同时，位于地面的监控中心也需要遥控指挥海下传感器完成指定的任务。

海里高速通信网主要采用海底光缆通信网。20世纪70年代末以来，海底光纤通信网络系统逐渐成为全球网络空间物理基础设施的“基干”。目前，海里光纤通信网都是铺设在海底表面，很容易遭到破坏和窃听，具有巨大的安全隐患。海里光纤通信系统一旦遭到破坏，没有任何有效措施能够在短时间内使其恢复功能。因此，目前的海底光纤通信网安全性太差，不能满足高安全性通信的需要。另外，现有海底光纤通信系统基本是封闭式的，没有给大量海里作业提供外接服务，不能满足海里导向和探测服务，海洋探测只是在一些零星点上进行，没有实现联网。

在海洋监测、导航、采矿勘探、舰船等海下工作中，电力提供也是一大难题，目前主要是自己发电或用电池。自己发电造价昂贵，电池使用时间短，不能满足长期作业的需要。发电和电池都不能满足日益增长的海里大规模作业需要。

针对上述，提出一种在海底地下岩石中建设高速通信、探测和电力网络方法和系统则称为本发明所面临的重要课题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，包括：

总管道，位于海底地下100-5000m深处的岩石中，大约与海底平行；分管道，垂直、间隔设置在总管道上；

高速通信和电力传输总线铺设于所述总管道中，高速通信和电力传输支线铺设于分管道中；通信探测基站，设置在分管道上方海底处，用以提供外接通信、探测和供电。

进一步地，所述总线与支线通过公、母接头连接，所述公接头中心镶嵌阴极磁铁，四周为针脚；所述母接头的中心镶嵌阳极磁铁，四周为针孔。

进一步地，所述基站包括壳体及壳体外的防水接头，底部设有安装底座，壳体顶部凹陷处放置压力传感器，该传感器上方为受压板；壳体内部放置若干传感器。

进一步地，所述壳体内部通过隔板分为若干层，隔板上设有走线通道；第一层，设置声呐传感器，底层固定板上设置多路双向信号放大器及电源。

进一步地，基站底面设有内凹插槽，内凹插槽外圈还设置有留有缺口的圆形导向槽，底座上对应设置与之匹配的导向凸起以及外凸插座。

进一步地，所述防水接头为母插头，母插头具有圆柱型凹槽，该凹槽内侧上端设有定位凹槽，在圆柱型凹槽圆形平面上从壳体引出针脚，所述圆形平面除针脚外铺有橡胶垫。

进一步地，所述总管道与分管道的直径5-80cm。

进一步地，所述壳体材质为钛合金，底层固定板为凯夫拉纤维合成板。

本发明另外还提出一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法，如下步骤：

步骤A、定向钻井：采用定向钻井技术，在位于海底地下100-5000m深处的岩石中打一个“L”型管井或双“L”型管井；

步骤B、对接引导：在连接点安装导向源，引导钻井，把步骤A建造的“L”型管井的横部对接起来，形成总管道；

步骤C、钻井对接：重复步骤B，将若干个“L”型管井和双“L”型管井连在一起，构建成任意长度的地下管井；

步骤D、安装套管：在已钻成的管井内下入套管，而后在套管与管井间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体；

步骤E、铺设管线：高速通信和电力传输总线铺设于总管道中，高速通信和电力传输支线铺设于“L”型管井的竖部即分管道中；

步骤F、建立基站：在分管道上端海底处建立通信探测基站。

进一步地，所述步骤E中，顺着总管道铺设总线，在总线上与支线的连接处留出一个接口用于连接支路线路,该接口的中心镶嵌一个阴极磁铁，用于与分管道中分线接口中心的阳极磁铁吸引以使接口自动对接。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

在海底之下岩石中建立一个管道网络系统，通过该管道网络系统把电缆、光缆、波导管等高速通信系统设备和电力传输设备连接到各探测和通信基站，把陆地高速通信技术引入海里，解决海里高速通信问题，把电力接入海里，为海里作业提供持续电力服务。建立起覆盖我国领海的高速海里通信、探测和电力网络，将会大大加速我国海洋经济开发步伐，提高海洋防御能力，改变海洋作业者和管理者的工作模式。

附图说明

图1为本发明实施例定向钻井示意图；

图2为本发明实施例引导钻井示意图；

图3为本发明实施例总线与分线连接方式示意图；

图4为本发明实施例母头结构示意图；

图5为本发明实施例总线与分线连接示意图；

图6为本发明实施例基站与底座安装结构示意图；

图7为本发明实施例基站与底座安装后结构示意图；

图8为本发明实施例基站底面结构示意图；

图9为本发明实施例底座外凸插座结构示意图；

图10为本发明实施例基站底面内凹插槽结构示意图；

图11为本发明实施例基站内部结构示意图；

如上各图中：1、分管道；1-1、分线；2、总管道；2-1、总线；3、基站；3-1、防水母头；3-1-1、阳极磁铁；3-1-2、针脚；3-2、半球壳体；3-3、圆柱壳体；3-4、受压板；3-5、压力传感器；3-6、凹陷部；4、导向源；5、阀门；6、海底；7、底座；7-1、勾爪；7-2、导向凸起；7-3、外凸插座；8、声呐传感器；9-12、传感器；13、多路稳压电源；14、橡胶垫；15、多路双向信号放大器；16、机械臂；17、隔板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步详细地说明。

实施例一、本实施例提出一种在海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法，具体步骤如下：

步骤A、定向钻井

本步骤参考图1，采用海洋石油勘探中成熟的定向钻井技术打一个“L”型管井或双“L”型管井，管道直径5-80厘米，优选为15-35厘米，垂直方向深100-5000米，水平方向延伸1000-2000米。垂直方向深度取决于安全性要求，在满足安全性要求的情况下，尽量浅些，优选为500米左右。

步骤B、对接引导

参考图2，在连接点安装导向源，引导钻井，把步骤A建造的“L”型管井的横部对接起来，形成总管道，本实施例采用强磁传感器和放射性源作导向源，引导钻进，利用随钻近钻头导向和测量技术提高定位精度。这种打对穿井的技术，主要在煤层气钻井中用的多，技术实现没问题。

步骤C、钻井对接

重复步骤B，将若干个“L”型管井和双“L”型管井连在一起，构建成任意长度的地下管井。

步骤D、下入套管

在已钻成的管井内下入套管，而后在套管与管井间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体，此技术在石油钻井中常用。

步骤E、铺设管线

参考图3，将高速通信和电力传输总线铺设于总管道中，高速通信和电力传输支线铺设于“L”型管井的竖部即分管道中。

步骤F、建立基站

在分管道出露海底的顶部处建立通信探测基站，通信基站的下方安装有防止海水进入管道系统的阀门。

关于总线2-1和支线1-1如何从窄小的分管道中接出来是本实施例的关键，本实施例在管道建好后，如图3、图5所示，顺着总管道2铺设总线，在总线2-1与分线1-1的连接处留出一个接口用于连接支路线路,分线接口为母头1-1-1，总线接口为公头2-1-1，参考图4，母头1-1-1接口的中心镶嵌一个阳极磁铁1-1-11，用于与公头的阴极磁铁吸引以达到接口自动接通的目的。当总线铺好了过后，顺着分管道铺设支路线路。当母头与公头对齐时，在环形磁铁的相互吸引下连接在一起，并通过自动锁扣锁住，再下放机器臂16进行检查是否连接完好。

基站3的建设需要考虑海盐水的腐蚀和强水压冲力等因素。参考图6及图7，基站整体呈现低矮造型，顶部为半球形状，侧面投影呈流线造型，能在水平方向上有效抵抗洋流冲击，垂直方向上耐受水压。基站顶部设置一个槽位即凹陷部3-6用于安装压力传感器3-5，开槽顶部由安装在压力传感器受压端顶部的圆形受压板3-4覆盖。壳体内部预放置若干个传感器。

通过本实施例的方法在海地建设高速通信和电力网就可以安装各种传感器，持续、实时监控海里情况，实现透明海洋的梦想，海洋管理者和海里作业者就不用望海兴叹。渔民随时看到海里哪里有鱼群，就不用靠运气打鱼了。渔政监管部门，可以准确知道海洋渔业资源的状况，科学决策和管理。也可以遥控指挥水下机器人长期大范围开采海底矿藏。海底有了高速通信和电力网，就可以在海底建设国防防御系统，就可以同1000公里外的舰船(如潜艇)实现双向通信，环境监管部门能实时了解到海洋污染情况，及时应对处理。海底地下岩石中的高速通信网技术，也可以用于建设陆上需要高保密高安全的通信网，如国家首脑机关，军队指挥机构，矿山灾难应急等。

实施例二，参考图3，本实施例提出一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，包括：总管道2、分管道1及通信探测基站3。总管道2，位于海底地下100-5000m深处的岩石中，大约与海底平行；分管道1，垂直、间隔设置在总管道2上；高速通信和电力传输总线2-1铺设于所述总管道2中，高速通信和电力传输支线1-1铺设于分管道1中；通信探测基站3，设置在分管道1上方海底处，用以提供外接通信、探测和供电。

本实施例总线与支线通过公、母接头连接，其中公接头2-1-1中心镶嵌阴极磁铁，四周为针脚，母接头1-1-1如图4所示，中心镶嵌阳极磁铁1-1-11，四周为针孔1-1-10。当母头与公头对齐时，在环形磁铁的相互吸引下连接在一起，并通过自动锁扣锁住。

参考图6及图7，通信探测基站3固定在海底管道阀门5上的基座上，上部为基站本体，下部为底座7，基站3和底座7通过安装在底座上的四个可活动勾爪7-1固定。

如图8、图10所示，基站3底面中心位置设计有8芯圆形内凹插槽3-6，8个针脚按照圆形等距排布，针脚中间设计有导向块3-6-1，导向块3-6-1高度高于针脚高度，对接时在对齐导向块3-6-1后能够保证针脚顺利插入底座7对应位置的外凸插座7-3内，可参考图9。基站底面外圈还设置有圆弧状导向槽3-7，底座7上对应设置与之匹配的导向凸起7-2，对接时用于确定基站3与底座7之间的大致相对位置以方便对接，同时圆弧状导向槽3-7底部并未贯通并且设计有相应导水槽，在对接时可以通过自身重力将针脚插槽内聚集的海水挤出对接面，此设计能够有效保护针脚，防止因海水造成针脚间的短路问题。基站底面的8芯圆形内凹插槽的针脚底部与底座的外凸插座上端均覆盖有橡胶，这样进一步确保了接插件的接触面间无残留海水。

底座7外沿，沿圆周均匀设置有四个安装孔，通过槽位卡住转轴从而固定勾爪。勾爪7-1可沿其安装轴轴向转动，勾爪7-1爪头设计有自锁机构，在基站对准导向孔顺利对接后，4个勾爪7-1随即竖起，爪头勾住基站侧面的相对应槽位内，随即触发限位器，限位器弹开完成自锁。由此，基站3与底座7完成了机械与电气对接。分离时只需将基站断电，勾爪的自锁机构解除，勾爪放下，即可完成基站与底座的脱离。

本实施例基站壳体选用耐压的钛合金材料，上部分为半球壳体3-2，下部分为圆柱壳体3-3，半球壳体顶部具有凹陷部3-6，凹陷部3-6的上表面为平面，该表面为受压板3-4，该受压板直接接触海水，下方凹陷部内置一个压力传感器3-5，传感器的连接线通过设有的铺有橡胶的防水管引至壳体内部。

参考图11，壳体内部分为三层，前两层分别放置用复合材料合成的隔板17，第一层隔板17一侧放置声呐传感器8，将声呐传感器8放置基站上方位置有利于接受海体环境的信息，另一侧放置一传感器9，且在隔板中间打一圆孔为传感器电源线和信号线的通道。第二层隔板放置三个传感器10、11、12，且在置于中间的传感器两侧打孔，同为电源线和信号线提供通道。六个传感器其中一个传感器作为无线收发器，可透过凯夫拉纤维合成的固定板收发无线信号。第三层即为底层，底层的板子为固定板，该板上一侧放置多路双向信号放大器15，该多路双向放大器15将输入的六个传感器信息进行放大处理。另一侧放置多路稳压电源13，该电源为六个传感器同时供电，六个传感器的输出线以及电源线一共八根，该八根线通过壳体至防水插头针脚，壳体与针脚之间的缝隙放置橡胶垫防水，壳体与固定板用螺丝连接之后再同用橡胶垫14填补缝隙，防止海水进入壳体内。(本实施例以六个传感器的安装为例进行说明，当然具体可以根据需求选用更多传感器及配套电气设备)。

壳体外部置有八芯自锁防水母头(图中未示出)，该母头整体壳体与外受力壳体为一体且同采用钛合金材料，该母头对外侧设有圆柱型凹槽，该凹槽圆形平面设有八个针脚，该针脚采用铜线镀金材料，目的是抗盐水腐蚀，且八个针脚之间具有一定的距离，目的是防止出现短路情况，该凹槽圆形除针脚之外铺有橡胶，目的是为了在母头和子头相连接时更加紧密且固定，且从壳体引出针脚之间的缝隙放置橡胶起到防水的作用。该圆柱型凹槽内侧上端设有定位凹槽，该定位凹槽在母头和子头相接时，扣住子头让母头和子头连接更加紧密且不易松动。该圆柱型凹槽内侧及矩形凹槽同采用钛合金材料。基站整体下方设有固定板，该固定板四角处设有四个安装孔。固定板与壳体采用螺丝连接，且两者之间的缝隙铺有橡胶，防止盐水进入，使接口处严密防水。

插头分为母头和公头两部分，母头设置在壳体上。公头与母头对接面设有同母头针脚对应的公头插孔，该对接面除插孔外同铺有橡胶，在母头与公头对接时，公头插孔旁的橡胶与母头针脚旁的橡胶压缩紧密，形成密闭空间防止海水进入，避免插头处发生短路。公头插孔处设有定位凸起，该定位凸槽与母头的定位凹槽相对应，在公头与母头对接时，公头的定位凸起对入到母头定位凹槽里，再利用定位凸起后方的锁相环，将锁相环旋转扣动，便将母头和公头连接处锁死。公头尾部设有压线端，该压线端通过机械手外力作用将从竖井拾取出来的分线压进压线端中对应的槽孔，该槽孔对应公头八个插孔，从而达到竖井分线与基站的连接。

本实施例可以根据通信和探测设备的特殊需要和海底周围环境，选择能达到最佳通信和探测效果的位置建设通信和探测基站，尽量避开干扰源，大大提高通信距离和质量，提高海里导向和探测效果。例如，可以把声通信系统安置在位于声基线的基站，可以实现与1000公里外的目标通信。本实施例系统布置灵活，根据需要可以在海里组建不同规模的网、不同用途的网，提供长期、不间断、高可靠性、高保密性和高安全性通信和电力服务平台。利用长期不间断观测积累的大数据，采用人工智能和大数据分析技术，对目标海域进行数据建模，建立目标海域及周围海域的数字化、智能化模型，培育海下机器人专家，为海下作业服务。也可以作为陆上重要指挥中心高保密高安全性通信网。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于包括：

总管道，位于海底地下100-5000m深处的岩石中，约与海底平行；

分管道，垂直、间隔设置在总管道上；

高速通信和电力传输总线铺设于所述总管道中，高速通信和电力传输支线铺设于分管道中；

通信探测基站，设置在分管道上方海底处，用以提供外接通信、探测和供电。

2.根据权利要求1所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述总线与支线通过公、母接头连接，所述公接头中心镶嵌阴极磁铁，四周为针脚；所述母接头的中心镶嵌阳极磁铁，四周为针孔。

3.根据权利要求1或2所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述基站包括壳体及壳体外的防水接头，底部设有安装底座，壳体顶部凹陷处放置压力传感器，该传感器上方为受压板；壳体内部放置若干传感器。

4.根据权利要求3所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述壳体内部通过隔板分为若干层，隔板上设有走线通道；第一层，设置声呐传感器，底层固定板上设置多路双向信号放大器及电源。

5.根据权利要求3所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：基站底面设有内凹插槽，内凹插槽外圈还设置有留有缺口的圆形导向槽，底座上对应设置与之匹配的导向凸起以及外凸插座。

6.根据权利要求3所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述防水接头为母插头，母插头具有圆柱型凹槽，该凹槽内侧上端设有定位凹槽，在圆柱型凹槽圆形平面上从壳体引出针脚，所述圆形平面除针脚外铺有橡胶垫。

7.根据权利要求1所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述总管道与分管道的直径5-80cm。

8.根据权利要求3所述的海底地下岩石中的高速通信及电力网络系统，其特征在于：所述壳体材质为钛合金，底层固定板为凯夫拉纤维合成板。

9.一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、定向钻井：采用定向钻井技术，在位于海底地下100-5000m深处的岩石中打一个“L”型管井或双“L”型管井；

步骤B、对接引导：在连接点安装导向源，引导钻井，把步骤A建造的“L”型管井的横部对接起来，形成总管道；

步骤C、钻井对接：重复步骤B，将若干个“L”型管井和双“L”型管井连在一起，构建成任意长度的地下管井；

步骤D、安装套管：在已钻成的管井内下入套管，而后在套管与管井间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体；

步骤E、铺设管线：高速通信和电力传输总线铺设于总管道中，高速通信和电力传输支线铺设于“L”型管井的竖部即分管道中；

步骤F、建立基站：在分管道上端海底处建立通信探测基站。

10.根据权利要求9所述的一种海底地下岩石中的高速通信及电力网络建设方法，其特征在于，所述步骤E中，顺着总管道铺设总线，在总线与支线的连接处留出一个接口用于连接支路线路,该接口的中心镶嵌一个阴极磁铁，用于与分管道中分线接口中心的阳极磁铁吸引以使接口自动对接。