CN115588276A - 一种海洋地质灾害远程监测预警站及监测预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海底监测技术领域，具体涉及一种海洋地质灾害远程监测预警站及监测预警方法，包括框架，框架内设置有数据采集控制舱、压载式贯入机构和我孔隙压力探杆，还包括海底锂电池舱；数据采集控制舱内置总控系统，与海底锂电池舱电连接；压载式贯入机构包括升降座和贯入齿条，升降座安装两个贯入电机，贯入电机连接一贯入齿轮，贯入齿条竖向固定在框架内并分别与贯入齿轮啮合，升降座上还安装电机控制舱，电机控制舱内置控制模块MCU，控制模块MCU与数据采集控制舱内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接；孔隙压力探杆连接在升降座底面中心下方。本发明可实现深海海底原位长期观测，通过监测单一参数变化即可有效预警海床稳定性变化。
Description
技术领域
本发明涉及海底监测技术领域，具体涉及一种海洋地质灾害远程监测预警站及监测预警方法。
背景技术
海洋地质灾害包括海底滑坡、浊流、浅层气喷发等，严重威胁海洋平台、海底光缆、海底油气管道、海堤工程、海上行船、海洋生态环境等安全。据统计，海洋平台事故的40％、海底管道事故的50％由海洋地质灾害造成。海洋地质灾害的远程监测预警，对于海洋工程建设的安全和海洋生态环境保护具有十分重要的意义。因此，亟需尽快建立有效的海洋地质灾害远程监测预警能力，开展海洋地质灾害重大远程监测预警装备研发，以期在未来深海资源开发与环境保护中抢占国际制高点，维护国家利益。
目前，现有技术中专利号CN201120212142.6的专利文件已经公开的海洋地质灾害远程监测预警装置与方法，集成地震波检波器、水听器和磁力计等探头对水下地震波场、水声和磁场进行监测，通过铠装光电复合缆给水下各监测设备供电，并且将数据实时传输至岛基数据系统工作站，在岛基数据系统工作站对数据进行存储、处理及波形实时显示。但是，该技术及方法仅能监测海底地震波场、海底声场和海底磁场，难以对海底滑坡、浊流、浅层气喷发等海洋地质灾害过程进行有效的监测并提前预警。此外，该技术及方法依赖岛礁等陆基工作站的远程支持，对于远离岛礁的深海海洋地质灾害难以有效的进行监测预警。
显然，对于复杂、多变的海底地质环境，传统的陆地地质灾害监测预警方法并不适用深海，现有的海洋地质灾害远程监测预警装置与方法也无法满足现有的实际应用需求，这是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种海洋地质灾害远程监测预警站及监测预警方法，可在深海海底原位长期观测，通过监测单一参数变化即可有效预警海床稳定性变化。
本发明是通过如下技术方案实现的：
提供一种海洋地质灾害远程监测预警站，包括框架，框架内设置有数据采集控制舱、由数据采集控制舱控制在框架内竖向移动的压载式贯入机构，以及由数据采集控制舱控制的孔隙压力探杆，还包括用于供电的海底锂电池舱；其中：
数据采集控制舱内置总控系统，并与海底锂电池舱的供电线缆电连接，总控系统通过分压模块控制供电线缆向外供电；
压载式贯入机构包括升降座和贯入齿条，升降座上分别安装有两个贯入电机，每个贯入电机连接一贯入齿轮，贯入齿条竖向固定在框架内并分别与贯入齿轮啮合，升降座上还安装有用于控制贯入电机的电机控制舱，电机控制舱内置控制模块MCU，控制模块MCU与数据采集控制舱内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接；
孔隙压力探杆可拆卸的连接在升降座的底面中心下方。孔隙压力探杆包括探杆贯入杆体，探杆贯入杆体的顶部连接孔隙压力探杆耐压舱，孔隙压力探杆耐压舱内部安装有数据采集仪，孔隙压力探杆耐压舱顶端安装有水密接插件，数据采集仪通过水密接插件和水密线缆与数据采集控制舱内部的总控系统双向数据通讯连接，孔隙压力探杆耐压舱下部安装有开放副仓，开放副仓的仓壁安装有金属透水石；探杆贯入杆体的底部连接探杆锥尖，探杆贯入杆体由空心不锈钢的套管串联形成，相邻两个套管之间通过连接件配合螺丝连接，连接件内安装有与数据采集仪有线通讯连接的超孔隙压力传感器。
进一步的，框架包括上框架和下框架，上框架为环形框架，包括竖向连接在下框架上的至少两个立柱，立柱的端部通过大环形板连接，贯入齿条设置在大环形板内，贯入齿条的下端与下框架连接，贯入齿条的上端通过小环形板连接。
环形框架结构通过四根不锈钢立柱配合大环形板组成，环形框架结构内部用于安装固定观测仪器和数据采集耐压舱，观测仪器和数据采集耐压舱通过POM夹具夹持固定，POM夹具与环形框架结构之间通过紧固螺丝安装固定；贯入齿条用于为贯入齿轮提供移动轨道完成压载式贯入机构的上下移动，贯入齿条共有两个，分别对应压载式贯入机构上部的两个贯入齿轮，环形框架一方面起到保护内部观测仪器、数据采集耐压舱等的作用，另一方面起到承受上部吊环拉力，以及下部支撑腿、底部配重和海床沉积物之间的吸附力的作用。
进一步的，上框架和下框架内分别安装有容置观测多普勒流速剖面仪的ADCP仪器舱和容置多普勒单点流速计的ADV仪器舱，多普勒流速剖面仪的采集器和多普勒单点流速计的采集器均与数据采集控制舱内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接。
进一步的，上框架和下框架内分别安装有深海摄像机，深海摄像机的数据采集仪密封于数据采集控制舱内部，深海摄像机的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱内部的总控系统电连接。
进一步的，小环形板的下方与下框架之间还竖向连接有贯入导轨，升降座上安装有贯入滑轮，贯入滑轮与贯入导轨滑动连接。
作为优选，升降座呈三角形，贯入滑轮转动安装在三角形的三个顶角处。
进一步的，下框架为棱台形框架，棱台形框架的上底面与环形框架连接；棱台形框架的下底面在四角分别安装有连接配重的支撑腿；棱台形框架的侧棱上安装有紧固吊环；棱台形框架内通过夹具安装有与数据采集控制舱内置总控系统电连接的多参数传感器舱。
进一步的，棱台形框架的下底面中心固定有限位挡板，限位挡板中心开设有供孔隙压力探杆穿过的贯入孔。
进一步的，还包括水下通讯滑翔机，以及可与水下通讯滑翔机数据通讯的高频水声换能器，高频水声换能器安装在框架内，高频水声换能器的数据采集仪密封于数据采集控制舱内部，水声换能器的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱内部的总控系统连接。
一种海洋地质灾害远程监测预警站的监测预警方法，包括以下步骤：
S1、使用一分二数据通讯线缆一端连接数据采集控制舱的水密接插件，另一端分别连接外部电脑上位机和外部电源，通过外部电脑上位机唤醒总控系统，查看系统状态信息，调试各观测仪器工作状态，设置各观测仪器的工作参数和采集频率，设置压载式贯入机构的海底贯入时间和海底贯入深度；
S2、海洋地质灾害远程监测预警站的吊环连接水声释放器，水声释放器的吊环连接工作船的地质缆绳的挂钩，通过地质缆绳绞车起吊入水，直至监测预警站抵达海底，布放过程中，通过水面水声通讯机与水下监测预警站的水声换能器实现双向通讯，辅助判断监测预警站水下状态；待监测预警站坐底后，通过发送声学释放命令控制水声释放器释放监测预警站；
S3、在到达压载式贯入机构预设的海底贯入时间后，启动贯入电机带动贯入齿轮转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向下带动孔隙压力探杆到达指定的贯入深度并停止贯入电机；
S4、多个监测预警站选用环形的布放方式并对海底布放监测点位置依据监测区的范围和地质灾害监测类型进行确定，监测区的环形中心布放海底锂电池舱，海底锂电池舱集成有多个供电线缆接口，各个供电线缆接口通过水下机器人的机械手配合，完成各供电线缆与各海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱的连接，由海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱内部的总控系统通过控制分压模块，来控制供电线缆向各用电设备的电量输送；
S5、海底监测预警站观测网布放完成后，布放水下通讯滑翔机，水下通讯滑翔机浮在海面时，可以依靠自身携带的卫星天线通过通讯卫星与路基卫星天线或船载卫星天线建立双向通讯连接，水下通讯滑翔机在深海滑翔时，进入海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区，水下通讯滑翔机可依靠自身携带的水声换能器通过水声通讯信号与海洋地质灾害远程监测预警站的水声换能器建立双向通讯连接；
S6、孔隙压力探杆可以观测到海底沉积物的超孔隙压力Δμ的动态变化，基于这一参数，反演得到以下可用来评估沉积物的物理力学性质变化和海床强度变化指标：
i.海底沉积物的不排水抗剪强度Cu：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Cu＝Δμmax/6
其中：Δμmax为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ；
ii.海底沉积物的水平固结系数Ch：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Ch＝r2Tr50/t50
其中：r为孔隙压力探杆的贯入直径；t50为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ衰减至50％所需要的时间；Tr50为无量纲的时间因子，约等于1；
iii.海底沉积物的渗透率k：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
k＝Chγw/D
其中：Ch为海底沉积物的水平固结系数；γw为海水的重度，根据γw＝ρ×9.8，ρ为底层海水的密度；D为海底沉积物的压缩模量，是海底沉积物在侧向完全不能变形的情况下受到的竖向压应力与竖向总应变的比值，通过试验获得；
iv.海底沉积物的有效应力σ′：可以用于评估海床的强度变化，计算公式为：
σ＝σ′+μ
其中：σ为海底沉积物的总应力，可以根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；μ为孔隙压力，根据μ＝Δμ+μ0，Δμ为超孔隙压力；μ0为静孔隙压力，μ0根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；
S7、当监测预警站完成海底监测任务之后，到达预定设备回收时间，贯入电机启动，贯入齿轮反向转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向上运动，完成孔隙压力探杆从海底回收，通过ROV水下机器人下潜辅助挂钩的方式将监测预警站与船载地质缆绳连接，通过船载地质缆起拔回收。
本发明的有益效果：
一、海洋地质灾害远程监测预警站基于监测灾害体内部的孔隙压力变化反演海洋地质灾害发生、发展、演化的全过程，并结合海底环境监测数据和深度学习技术实现海洋地质灾害的有效预警，克服了传统方法仅监测灾害体表面变形，难以实现超前预警的瓶颈。
二、海洋地质灾害远程监测预警站的实时监测数据通过水下通讯滑翔机作为数据中继站点进行接收，并反馈给通讯卫星，缩短了海底水声通讯距离，提高了数据传输的稳定性和可靠性好，提高了海底数据的传输速度，实现了海底监测数据的海-天-地超远距离实时传输。
三、海洋地质灾害远程监测预警站的水下通讯滑翔机具有低能耗、长航程的特点，任务执行时长可达数月，即使在恶劣的环境下也能航行数千公里，在电量不足的情况下，可以及时更换，保证监测数据的不间断通讯，扩大了海洋地质灾害远程监测预警站的海底监测区域面积，提高了远程监测预警站在复杂海底地形条件下的数据通讯能力，克服了传统浮标通讯方式难以实现连续通讯的不足。
四、海洋地质灾害远程监测预警站结合微型海底锂电池舱作为供电来源，采用海底高能中子轰击燃料，并以热电联供的形式提供能量供给，在热效率的利用上更高，可以提供长达数年的电量供应，输出电能稳定，提高了海洋地质灾害远程监测预警站的原位长期工作能力。
五、全面考虑了海底滑坡、海底浊流、海底浅层气喷发、海底侵蚀淤积等多种海洋地质灾害类型，以及导致海洋地质灾害发生的深海底流变化、海地地震活动等各方面因素，依据“以点代面、超前预警”的原则，重点关注跨海床-水体界面这一海洋地质灾害的关键地带，科学合理地布设监测站单元，获得海洋地质灾害过程中的环境参数变化规律，提前预警潜在的海洋地质灾害，为海洋工程建设活动的安全进行提供支撑。
附图说明
图1为本发明的海洋地质灾害远程监测预警站总体结构图。
图2为图1的正视图。
图3为图1的侧视图。
图4为图1的俯视图。
图5为图1的仰视图。
图6为海洋地质灾害远程监测预警站海底布放流程A、B、C。
图7为海洋地质灾害远程监测预警站海底回收流程D、E、F。
图8为海洋地质灾害远程监测预警站海底工作方式立面示意图。
图9为海洋地质灾害远程监测预警站海底工作方式平面示意图。
图10为海洋地质灾害远程监测预警站数据传输方式示意图。
图11为本发明中海底锂电池舱的示意图。
图中所示：
1、吊环，2、深海摄像机，3、小环形板，4、贯入齿条，5、贯入导轨，6、上框架，7、贯入齿轮，8、升降座，9、贯入电机，10、数据采集控制舱，11、水声换能器，12、下框架，13、侧棱，14、设备状态监控舱，15、耐压舱，16、孔隙压力探杆，17、温度传感器，18、支撑腿，19、配重，20、大环形板，21、孔隙压力探杆耐压舱，22、耐压舱，23、锥形框架，24、多参数传感器舱，25、贯入孔，26、电机控制舱，27、限位挡板，28、通讯卫星，29、卫星通讯信号，30、路基卫星天线，31、船载卫星天线，32、水下通讯滑翔机，33、水下通讯滑翔机巡航路线，34、水声通讯信号，35、海底流场，36、海底气体喷发，37、海底滑坡，38、海底气体运移，39、供电线缆，40、检测区范围，41、海洋地质灾害远程监测预警站，42、海底锂电池舱，43、海底不稳定地质体，44、监测点范围，45、水下通讯滑翔机运动轨迹，46、水声信号有效传播区，47、供电线缆接口。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
一种海洋地质灾害远程监测预警站，包括框架，框架内设置有数据采集控制舱10、由数据采集控制舱10控制在框架内竖向移动的压载式贯入机构，以及由数据采集控制舱10控制的孔隙压力探杆16，还包括用于供电的海底锂电池舱42。
在本发明中，框架包括上框架6和下框架12，上框架6为环形框架，包括竖向连接在下框架12上的四个立柱，立柱的端部通过大环形板20连接，贯入齿条设4置在大环形板20内，贯入齿条4的下端与下框架12连接，贯入齿条4的上端通过小环形板3连接，小环形板3上方通过不锈钢管形成锥形框架23，且锥形框架23的尖端连接有吊环1，可用于连接起吊设备。小环形板3的下方与下框架12之间还竖向连接有贯入导轨5，升降座8呈三角形，升降座8上安装有贯入滑轮，贯入滑轮转动安装在三角形的三个顶角处，贯入滑轮与贯入导轨5滑动连接。贯入导轨5用于为压载式贯入机构提供移动轨道，贯入导轨5整体为不锈钢细长圆柱形立柱，通过与压载式贯入机构的贯入滑轮配合完成压载式贯入机构的上下移动，贯入导轨5共有三个，分别对应压载式贯入机构下部的三个贯入滑轮，三个贯入导轨5形成三角形稳定结构，从而保证压载式贯入机构的贯入稳定性。
上框架6和下框架12内分别安装有容置观测多普勒流速剖面仪的ADCP仪器舱和容置多普勒单点流速计的ADV仪器舱，多普勒流速剖面仪的采集器和多普勒单点流速计的采集器均与数据采集控制舱10内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接。
海洋地质灾害远程监测预警站41的海底监测内容包括水体变化和沉积物变化，其中水体部分的监测内容包括海洋动力监测和海洋环境监测，沉积物部分的监测内容包括沉积物的物理力学性质变化的监测和海床强度变化的监测。
海洋动力监测包括监测预警站上部水体的运动变化和近底层海水的运动变化，上部水体的运动变化通过在上层观测框架集成向上观测的ADCP(多普勒流速剖面仪)来实现上层水体剖面的流速、流向的观测；近底层海水的运动变化通过在上层观测框架集成向上观测的ADV(多普勒单点流速计)来实现近海底边界层海水流速、流向的观测，通过在底层观测框架集成向下观测的ADCP(多普勒流速剖面仪)来实现近底层海水剖面的流速、流向的观测，通过在底层观测框架集成向下观测的ADV(多普勒单点流速计)来实现近底层海水的精细湍流观测。ADCP(多普勒流速剖面仪)和ADV(多普勒单点流速计)的数据采集仪密封于各自的仪器舱内部，各个仪器舱顶端安装有水密接插件，可以通过水密线缆连接数据采集控制舱，用于各个仪器与数据采集控制舱10总控系统之间的数据通讯。数据采集控制舱10内部的总控系统和各个仪器舱内部的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向各个仪器舱内部的数据采集仪发送控制命令(仪器唤醒、仪器休眠、获取仪器状态信息、重置仪器参数等)，另一方面总控系统可以接收各个仪器舱内部的数据采集仪采集到的仪器数据信息和反馈的仪器状态信息。ADCP(多普勒流速剖面仪)和ADV(多普勒单点流速计)与数据采集控制舱之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱10内部的总控系统控制下的电量供应。
海洋环境监测重点监测近底层海水的生物地球化学参数的长期变化，通过在底层观测框架集成多参数水质仪实现包括电导率(Conductivity)、温度(Temperature)、深度(Depth)、CO2、溶解氧(Dissolved Oxygen)、荧光(Fluorescence)、ORP、PAR、pH、浊度(Turbidity)、透射率(Transmittance)等参数的原位长期精细观测。多参数水质仪的数据采集仪密封于多参数传感器舱24内部，多参数传感器舱24顶端安装有水密接插件，可以通过水密线缆连接数据采集控制舱10，用于多参数水质仪的数据采集仪与数据采集控制舱10总控系统之间的数据通讯。数据采集控制舱10内部的总控系统和多参数水质仪的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向多参数水质仪的数据采集仪发送控制命令(传感器唤醒、传感器休眠、获取传感器状态信息、重置传感器参数等)，另一方面总控系统可以接收多参数水质仪的数据采集仪采集到的传感器数据信息和反馈的传感器状态信息。多参数水质仪的数据采集仪与数据采集控制舱之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱内部的总控系统控制下的电量供应。
上框架6和下框架12内分别安装有深海摄像机2，下框架12的深海摄像机2共有两部，分别监控下框架12内部的各观测仪器工作状态和孔隙压力探杆16的海底贯入状态；上框架6的顶部安装有一部深海摄像机2，用于监控压载式贯入机构和贯入电机9的海底贯入状态。深海摄像机2的数据采集仪密封于数据采集控制舱10内部，深海摄像机2的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱10内部的总控系统电连接，用于深海摄像机2的数据采集仪与数据采集控制舱10总控系统之间的数据通讯。
数据采集控制舱10内部的总控系统和深海摄像机2的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向深海摄像机的数据采集仪发送控制命令(设备唤醒、设备休眠、获取设备状态信息、重置设备参数等)，另一方面总控系统可以接收各深海摄像机2的数据采集仪采集到的视频数据信息和反馈的各深海摄像机2的数据采集仪状态信息。各深海摄像机2和各深海摄像机2的数据采集仪与数据采集控制舱10之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱10内部的总控系统控制下的电量供应。
下框架12为不锈钢立柱形成的棱台形框架，棱台形框架的上底面与环形框架连接；棱台形框架的下底面在四角分别安装有连接配重19的支撑腿18；棱台形框架的侧棱13上安装有紧固吊环1；棱台形框架内通过夹具安装有与数据采集控制舱10内置总控系统电连接的多参数传感器舱24。配重19上还安装有用于测温的温度传感器17。
棱台形框架的下底面中心固定有限位挡板27，限位挡板27中心开设有供孔隙压力探杆16穿过的贯入孔25。支撑腿18用于为海洋地质灾害远程监测预警站41整体提供支撑功能，保持监测预警站41海底做底稳定性，防止监测预警站41由于自身重量导致在海底过度沉降，支撑腿18外壁安装有紧固吊环1，用于通过钢丝缆绳连接紧固吊环1和上框架6外部不锈钢结构，起到提高设备整体稳定性的作用；底部配重19用于调节监测预警站整体的水下重量，降低监测预警站的重心，提高监测预警站的海底做底稳定性。限位挡板27为不锈钢板，中心有贯入孔，孔隙压力探杆16从贯入孔25中穿过，贯入孔25用于限定孔隙压力探杆16的贯入姿态，保证孔隙压力探杆16垂直稳定贯入，防止孔隙压力探杆16由于设备整体出现晃动导致孔隙压力探杆16贯入倾斜的问题；限位挡板27用于为孔隙压力探杆16和孔隙压力探杆耐压舱21提供保护作用，当孔隙压力探杆16贯入完成后，孔隙压力探杆耐压舱21此时与限位挡板27直接接触，为孔隙压力探杆耐压舱21提供支撑作用。
数据采集控制舱10内置总控系统，并与海底锂电池舱42的供电线缆39电连接，总控系统通过分压模块控制供电线缆39向外供电，数据采集控制舱10外置与总控系统电连接的水密接插件。其中：总控系统位于数据采集控制舱10内部，总控系统主体部分为ARM微控制器和大容量机械硬盘，总控系统通过ARM处理器发送总体控制命令，通过大容量机械硬盘存储观测数据；总控系统的电量供应来自海底锂电池舱42，海底锂电池舱42的供电线缆连接至数据采集控制舱10，经数据采集控制舱10内部的分压模块通过供电线缆39连接至各用电设备，数据采集控制舱10内部的总控系统通过控制分压模块，来控制供电线缆39向各用电设备的电量输送；总控系统的数据传输来自海底锂电池舱42，海底锂电池舱42的供电线缆39连接至数据采集控制舱10，经数据采集控制舱10内部的分压模块通过供电线缆39连接至各用电设备，数据采集控制舱10内部的总控系统通过控制分压模块，来控制供电线缆39向各用电设备的电量输送。
压载式贯入机构包括升降座8和贯入齿条4，升降座8上分别安装有两个贯入电机9，每个贯入电机9连接一贯入齿轮7，贯入齿条4竖向固定在框架内并分别与贯入齿轮4啮合，升降座8上还安装有用于控制贯入电机9的电机控制舱26，电机控制舱26内置控制模块MCU，电机控制舱26上也安装有水密接插件，控制模块MCU与数据采集控制舱10内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接。数据采集控制舱10内部的总控系统和电机控制舱26内部的控制模块MCU之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向控制模块MCU发送控制命令(贯入电机唤醒、贯入电机休眠、获取贯入电机状态信息、重置贯入电机9参数等)，另一方面总控系统可以接收控制模块MCU采集到的贯入电机9数据信息和反馈的贯入电机9状态信息。
孔隙压力探杆16可拆卸的连接在升降座8的底面中心下方。孔隙压力探杆16为细长杆状监测仪器，具体包括探杆贯入杆体，探杆贯入杆体的顶部连接孔隙压力探杆耐压舱21，孔隙压力探杆耐压舱21顶端安装有吊环1，用于将孔隙压力探杆与压载式贯入机构的升降座8之间通过U型环连接，孔隙压力探杆耐压舱21上部可以直接套入压载式贯入机构下部。
孔隙压力探杆耐压舱21内部安装有数据采集仪，数据采集仪用于解调探杆各超孔隙压力传感器采集到的信号变化，并将信号变化信息转换为观测物理量——超孔隙压力Δμ。数据传输线缆通过RS232接口连接至数据采集控制舱10内部的总控系统，数据采集仪通过孔隙压力探杆耐压舱21的水密接插件与探杆贯入杆体连接件安装的超孔隙压力传感器连接通讯。数据采集控制舱内部的总控系统和孔隙压力探杆耐压舱21内部的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向数据采集仪发送控制命令(设备唤醒、设备休眠、获取设备状态信息、重置设备参数等)，另一方面总控系统可以接收数据采集仪采集到的数据信息和反馈的设备状态信息。
孔隙压力探杆耐压舱21顶端安装有水密接插件，数据采集仪通过水密接插件和水密线缆与数据采集控制舱10内部的总控系统双向数据通讯连接，孔隙压力探杆耐压舱21下部安装有开放副仓，开放副仓的仓壁安装有金属透水石；探杆贯入杆体的底部连接探杆锥尖，探杆贯入杆体由空心不锈钢的套管串联形成，相邻两个套管之间通过连接件配合螺丝连接，连接件内安装有与数据采集仪有线通讯连接的超孔隙压力传感器。
探杆贯入杆体连接件用于空心不锈钢套管与空心不锈钢套管之间的连接固定，探杆贯入杆体连接件上下两侧连接处设置有双层隔水O型橡胶圈，保证孔隙流体仅可以从金属透水石处进入探杆内部；探杆贯入杆体连接件中心为底层海水进水口，上侧有一个孔隙流体通道，通道两端分别连接至超孔隙压力传感器和金属透水石，超孔隙压力传感器通道端设计有螺纹口，作为超孔隙压力传感器的安装基座；探杆贯入杆体连接件中部的孔隙流体通道安装有金属透水石，该金属透水石直接嵌套进探杆贯入杆体连接件外部，通过上下两侧的空心不锈钢套管夹持安装固定，金属透水石与上下两侧空心不锈钢套管连接处设置有单层隔水O型橡胶圈，保证孔隙流体仅可以从金属透水石处进入探杆连接件内部的孔隙流体通道；金属透水石为316L不锈钢粉末高温烧结成型的滤芯结构，具有机械强度高，耐高温，耐腐蚀，孔径均匀的特点，可以使孔隙流体渗入而沉积物颗粒阻隔在外。
沉积物的物理力学性质变化的监测和海床强度变化的监测通过孔隙压力探杆观测到的超孔隙压力的长期变化来实现。孔隙压力探杆的数据采集仪密封于孔隙压力探杆耐压舱21内部，孔隙压力探杆耐压舱21顶端安装有水密接插件，可以通过水密线缆连接数据采集控制舱10，用于孔隙压力探杆16的数据采集仪与数据采集控制舱10总控系统之间的数据通讯。数据采集控制舱10内部的总控系统和孔隙压力探杆16的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向孔隙压力探杆16的数据采集仪发送控制命令(设备唤醒、设备休眠、获取设备状态信息、重置设备参数等)，另一方面总控系统可以接收孔隙压力探杆16的数据采集仪采集到的孔隙压力传感器数据信息和反馈的孔隙压力传感器状态信息。孔隙压力探杆16的数据采集仪与数据采集控制舱10之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱10内部的总控系统控制下的电量供应。
此外，海洋地质灾害远程监测预警站的底层观测框架还集成有设备状态监控舱，设备状态监控舱14包括姿态传感器、加速度传感器、高精度水位压力传感器，分别用于监测设备布放回收和坐底观测期间的海底姿态倾斜角度变化、三维运动加速度变化、设备坐底沉降量变化等参数。设备状态监控舱内部的各传感器的数据采集仪同样密封于设备状态监控舱内部，设备状态监控舱顶端安装有水密接插件，可以通过水密线缆连接数据采集控制舱10，用于设备状态监控舱14内部的各传感器的数据采集仪与数据采集控制舱10总控系统之间的数据通讯。数据采集控制舱10内部的总控系统和设备状态监控舱14内部的各传感器的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向设备状态监控舱14内部的各传感器的数据采集仪发送控制命令(传感器唤醒、传感器休眠、获取传感器状态信息、重置传感器参数等)，另一方面总控系统可以接收设备状态监控舱14内部的各传感器的数据采集仪采集到的各传感器数据信息和反馈的各传感器状态信息。设备状态监控舱14内部的各传感器的数据采集仪与数据采集控制舱10之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱10内部的总控系统控制下的电量供应。
海洋地质灾害远程监测预警站还包括水下通讯滑翔机32，以及可与水下通讯滑翔机32数据通讯的高频水声换能器11，高频水声换能器11安装在框架内，高频水声换能器11的数据采集仪密封于数据采集控制舱10内部，水声换能器11的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱10内部的总控系统连接。
水声换能器11用于海洋地质灾害远程监测预警站41与水下通讯滑翔机32之间的数据通讯，为保证足够的水下通讯速率，从而保证足够的预警效率，该水声换能器11采用高频型号。高频水声换能器11具备较快的水下通讯速率，但通讯距离较短，通过使用水下通讯滑翔机32作为数据传输中转站可以弥补这一缺陷，实现海洋地质灾害远程监测预警站的地质灾害近实时监测预警。
数据采集控制舱10内部的总控系统和水声换能器11的数据采集仪之间施行双向数据通讯，一方面总控系统可以向水声换能器11的数据采集仪发送控制命令(水声换能器唤醒、水声换能器休眠、获取水声换能器11状态信息、重置水声换能器11参数、向水下通讯滑翔机32发送数据信息等)，另一方面总控系统可以执行水声换能器11的数据采集仪接收到的水面控制命令(系统唤醒、系统休眠、获取系统状态信息、重置系统参数、反馈系统状态信息等)。水声换能器11和水声换能器11的数据采集仪与数据采集控制舱之间通过供电线缆连接，接受数据采集控制舱10内部的总控系统控制下的电量供应。
一种海洋地质灾害远程监测预警站的监测预警方法，包括以下步骤：
S1、使用一分二数据通讯线缆一端连接数据采集控制舱的水密接插件，另一端分别连接外部电脑上位机和外部电源，通过外部电脑上位机唤醒总控系统，查看系统状态信息，调试各观测仪器工作状态，设置各观测仪器的工作参数和采集频率，设置压载式贯入机构的海底贯入时间和海底贯入深度。
S2、海洋地质灾害远程监测预警站的吊环连接水声释放器，水声释放器的吊环连接工作船的地质缆绳的挂钩，通过地质缆绳绞车起吊入水，直至监测预警站抵达海底，布放过程中，通过水面水声通讯机与水下监测预警站的水声换能器实现双向通讯，辅助判断监测预警站水下状态；待监测预警站坐底后，通过发送声学释放命令控制水声释放器释放监测预警站。
海洋地质灾害远程监测预警站的浅海布放可以通过工作船的地质缆绳和潜水员配合来完成。海洋地质灾害远程监测预警站的吊环连接脱钩插销，脱钩插销连接工作船的地质缆绳的挂钩，连接完成后通过地质缆绳绞车起吊入水；监测预警站起吊入水之后下放地质缆绳，直至监测预警站抵达海底，通过观测地质缆绳的张力变化判断设备是否完全坐底；监测预警站在布放过程中，可以通过水面水声通讯机与水下监测预警站的水声换能器实现双向通讯，实时获取监测预警站的海底布放姿态、海底工作状态、实时观测数据等信息，辅助判断监测预警站水下状态；设备完全坐底之后，潜水员下水目视观察设备状态，通过潜水员手动拔出脱钩插销的方式断开地质缆绳与监测预警站吊环的连接；潜水员完成拔销动作之后返回工作船，此时地质缆绳携带脱钩插销上提回收，监测预警站完全布放在海底。
S3、在到达压载式贯入机构预设的海底贯入时间后，启动贯入电机带动贯入齿轮转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向下带动孔隙压力探杆到达指定的贯入深度并停止贯入电机。
S4、多个监测预警站选用环形的布放方式并对海底布放监测点位置依据监测区的范围和地质灾害监测类型进行确定，监测区的环形中心布放海底锂电池舱，海底锂电池舱集成有多个供电线缆接口，各个供电线缆接口通过水下机器人的机械手配合，完成各供电线缆与各海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱的连接，由海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱内部的总控系统通过控制分压模块，来控制供电线缆向各用电设备的电量输送。
S5、海底监测预警站观测网布放完成后，布放水下通讯滑翔机，水下通讯滑翔机浮在海面时，可以依靠自身携带的卫星天线通过通讯卫星与路基卫星天线或船载卫星天线建立双向通讯连接，水下通讯滑翔机在深海滑翔时，进入海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区，水下通讯滑翔机可依靠自身携带的水声换能器通过水声通讯信号与海洋地质灾害远程监测预警站的水声换能器建立双向通讯连接。
一方面工作人员通过路基卫星天线或船载卫星天线可以向水下通讯滑翔机发送控制命令(获取水下通讯滑翔机状态信息、设定水下通讯滑翔机巡航路线、通过水下通讯滑翔机向海洋地质灾害远程监测预警站发送控制命令、接收水下通讯滑翔机发送的数据信息等)，另一方面工作人员通过路基卫星天线或船载卫星天线可以接收水下通讯滑翔机反馈的监测数据信息和设备状态信息等。水下通讯滑翔机在深海滑翔时，进入海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区，此时水下通讯滑翔机可以依靠自身携带的水声换能器通过水声通讯信号与海洋地质灾害远程监测预警站的水声换能器建立双向通讯连接，一方面水下通讯滑翔机可以向海洋地质灾害远程监测预警站的水声换能器发送地面工作人员的控制命令(获取海洋地质灾害远程监测预警站状态信息、更改海洋地质灾害远程监测预警站的工作参数、接收海洋地质灾害远程监测预警站的数据信息等)，另一方面水下通讯滑翔机可以接收海洋地质灾害远程监测预警站反馈的监测数据信息和设备状态信息等。
水下通讯滑翔机的巡航路线依据海洋地质灾害远程监测预警站布设站点而定，保证可以覆盖整个监测区范围；水下通讯滑翔机的布放数量依据监测区范围和各个海洋地质灾害远程监测预警站的布设距离而定，保证前一个水下通讯滑翔机离开海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区时，后一个可以覆盖整个水下通讯滑翔机进入海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区，从而实现连续的信号反馈，保证近实时预警；水下通讯滑翔机的运动轨迹依据各个海洋地质灾害远程监测预警站布设站点的距离和水下通讯滑翔机的数量而定，当水下通讯滑翔机的数量足够多时，水下通讯滑翔机的滑翔深度可以设定的稍浅一些，此时水下通讯滑翔机停留在的海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区时间缩短，接收到的数据信息减少，但是水下通讯滑翔机具有更短的上浮时间，可以更快的到达海面，与卫星建立通讯连接，提高预警的效率；当水下通讯滑翔机的数量较少时，水下通讯滑翔机的滑翔深度可以设定的稍深一些，此时水下通讯滑翔机停留在的海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区时间加长，接收到的数据信息增多，但是水下通讯滑翔机需要更长的上浮时间，到达海面的速度减慢，预警的效率也会降低。
S6、各种海洋地质灾害的发生都反映在沉积物的物理力学性质变化和海床强度变化上，而沉积物的物理力学性质变化和海床强度变化与海底沉积物的超孔隙压力变化紧密相关，海洋地质灾害的孕育、发生、发展、演化的全过程，都伴随着沉积物的超孔隙压力的变化。因此，海洋地质灾害远程监测预警站基于海底沉积物的超孔隙压力来实现对海洋地质灾害的预警，沉积物的物理力学性质变化的监测和海床强度变化的监测通过孔隙压力探杆观测到的超孔隙压力的长期变化来实现。孔隙压力探杆可以观测到海底沉积物的超孔隙压力Δμ的动态变化，基于这一参数，反演得到以下可用来评估沉积物的物理力学性质变化和海床强度变化指标：
i.海底沉积物的不排水抗剪强度Cu：不排水抗剪强度Cu即在不排水的条件因素下海底沉积物能够抵抗剪切破坏的极限能力，用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Cu＝Δμmax/6
其中：Δμmax为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ；
ii.海底沉积物的水平固结系数Ch：水平固结系数Ch是反映土体固结快慢的一个重要指标，在海床变形大小的计算中，必须首先合理地确定海底沉积物的固结系数，用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Ch＝r2Tr50/t50
其中：r为孔隙压力探杆的贯入直径；t50为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ衰减至50％所需要的时间；Tr50为无量纲的时间因子，约等于1；
iii.海底沉积物的渗透率k：海底沉积物的渗透率k可以反映海底沉积物的渗透能力的大小，与孔隙度、孔隙流体渗透方向上孔隙的几何形状、沉积物颗粒大小以及排列方向等因素有关。用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
k＝Chγw/D
其中：Ch为海底沉积物的水平固结系数；γw为海水的重度，根据γw，＝ρ×9.8，ρ为底层海水的密度；D为海底沉积物的压缩模量，是海底沉积物在侧向完全不能变形的情况下受到的竖向压应力与竖向总应变的比值，通过试验获得；
iv.海底沉积物的有效应力σ′：海底沉积物的有效应力σ′可以反映海床的稳定性，这一指标可以用于评估海床的强度变化，可以用于评估海床的强度变化，计算公式为：
σ＝σ′+μ
其中：σ为海底沉积物的总应力，可以根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；μ为孔隙压力，根据μ＝Δμ+μ0，Δμ为超孔隙压力；μ0为静孔隙压力，μ0根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；
因为，海底沉积物的总应力σ是保持不变的，当海底沉积物的超孔隙压力Δμ升高，将会导致海底沉积物的孔隙压力μ升高，最终导致海底沉积物的有效应力σ′降低。海底沉积物的有效应力σ′表示海底沉积物在外部荷载作用下，通过沉积物颗粒间接触面传递的平均法向应力，会引起海床的变形和决定海底沉积物的抗剪强度。因此，当通过孔隙压力探杆监测到的海底沉积物的超孔隙压力Δμ不断升高，表示此时海床的强度在不断降低，更容易发生海洋地质灾害。因此，当海底沉积物的超孔隙压力Δμ不断升高至海底沉积物的总应力σ的80％时，海床处于软化状态，海洋地质灾害远程监测预警的总控系统发出警示信号；当海底沉积物的超孔隙压力Δμ不断升高至海底沉积物的总应力σ的90％时，海床处于危险状态，海洋地质灾害远程监测预警的总控系统发出预警信号；当海底沉积物的超孔隙压力Δμ不断升高至海底沉积物的总应力σ的95％以上时，海床发生破坏，海洋地质灾害远程监测预警的总控系统发出警报信号。
S7、当监测预警站完成海底监测任务之后，到达预定设备回收时间，贯入电机启动，贯入齿轮反向转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向上运动，完成孔隙压力探杆从海底回收，通过ROV水下机器人下潜辅助挂钩的方式将监测预警站与船载地质缆绳连接，通过船载地质缆起拔回收。孔隙压力探杆的起拔高度通过贯入齿条的旋转卡齿数来判断，贯入齿条的旋转卡齿数最终由贯入电机的旋转角度由总控系统来判断。
观测探杆回收完成后，使用一分二数据通讯线缆一端连接数据采集控制舱的水密接插件，另一端分别通过USB接口和电源接口连接外部电脑上位机和外部电源，通过外部电脑上位机唤醒总控系统，查看系统状态信息，调试各观测仪器工作状态，下载观测数据。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种海洋地质灾害远程监测预警站，包括框架，其特征在于：框架内设置有数据采集控制舱、由数据采集控制舱控制在框架内竖向移动的压载式贯入机构，以及由数据采集控制舱控制的孔隙压力探杆，还包括用于供电的海底锂电池舱；其中：
数据采集控制舱内置总控系统，并与海底锂电池舱的供电线缆电连接，总控系统通过分压模块控制供电线缆向外供电；
压载式贯入机构包括升降座和贯入齿条，升降座上分别安装有两个贯入电机，每个贯入电机连接一贯入齿轮，贯入齿条竖向固定在框架内并分别与贯入齿轮啮合，升降座上还安装有用于控制贯入电机的电机控制舱，电机控制舱内置控制模块MCU，控制模块MCU与数据采集控制舱内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接；
孔隙压力探杆可拆卸的连接在升降座的底面中心下方。
2.根据权利要求1所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：框架包括上框架和下框架，上框架为环形框架，包括竖向连接在下框架上的至少两个立柱，立柱的端部通过大环形板连接，贯入齿条设置在大环形板内，贯入齿条的下端与下框架连接，贯入齿条的上端通过小环形板连接。
3.根据权利要求2所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：上框架和下框架内分别安装有容置观测多普勒流速剖面仪的ADCP仪器舱和容置多普勒单点流速计的ADV仪器舱，多普勒流速剖面仪的采集器和多普勒单点流速计的采集器均与数据采集控制舱内部的总控系统通过水密接插件和水密线缆电连接。
4.根据权利要求2所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：上框架和下框架内分别安装有深海摄像机，深海摄像机的数据采集仪密封于数据采集控制舱内部，深海摄像机的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱内部的总控系统电连接。
5.根据权利要求2所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：小环形板的下方与下框架之间还竖向连接有贯入导轨，升降座上安装有贯入滑轮，贯入滑轮与贯入导轨滑动连接。
6.根据权利要求5所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：升降座呈三角形，贯入滑轮转动安装在三角形的三个顶角处。
7.根据权利要求2所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：下框架为棱台形框架，棱台形框架的上底面与环形框架连接；棱台形框架的下底面在四角分别安装有连接配重的支撑腿；棱台形框架的侧棱上安装有紧固吊环；棱台形框架内通过夹具安装有与数据采集控制舱内置总控系统电连接的多参数传感器舱。
8.根据权利要求7所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：棱台形框架的下底面中心固定有限位挡板，限位挡板中心开设有供孔隙压力探杆穿过的贯入孔。
9.根据权利要求1所述的海洋地质灾害远程监测预警站，其特征在于：还包括水下通讯滑翔机，以及可与水下通讯滑翔机数据通讯的高频水声换能器，高频水声换能器安装在框架内，高频水声换能器的数据采集仪密封于数据采集控制舱内部，水声换能器的数据采集仪通过RS232线缆与数据采集控制舱内部的总控系统连接。
10.一种海洋地质灾害远程监测预警站的监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、使用一分二数据通讯线缆一端连接数据采集控制舱的水密接插件，另一端分别连接外部电脑上位机和外部电源，通过外部电脑上位机唤醒总控系统，查看系统状态信息，调试各观测仪器工作状态，设置各观测仪器的工作参数和采集频率，设置压载式贯入机构的海底贯入时间和海底贯入深度；
S2、海洋地质灾害远程监测预警站的吊环连接水声释放器，水声释放器的吊环连接工作船的地质缆绳的挂钩，通过地质缆绳绞车起吊入水，直至监测预警站抵达海底，布放过程中，通过水面水声通讯机与水下监测预警站的水声换能器实现双向通讯，辅助判断监测预警站水下状态；待监测预警站坐底后，通过发送声学释放命令控制水声释放器释放监测预警站；
S3、在到达压载式贯入机构预设的海底贯入时间后，启动贯入电机带动贯入齿轮转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向下带动孔隙压力探杆到达指定的贯入深度并停止贯入电机；
S4、多个监测预警站选用环形的布放方式并对海底布放监测点位置依据监测区的范围和地质灾害监测类型进行确定，监测区的环形中心布放海底锂电池舱，海底锂电池舱集成有多个供电线缆接口，各个供电线缆接口通过水下机器人的机械手配合，完成各供电线缆与各海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱的连接，由海洋地质灾害远程监测预警站的数据采集控制舱内部的总控系统通过控制分压模块，来控制供电线缆向各用电设备的电量输送；
S5、海底监测预警站观测网布放完成后，布放水下通讯滑翔机，水下通讯滑翔机浮在海面时，可以依靠自身携带的卫星天线通过通讯卫星与路基卫星天线或船载卫星天线建立双向通讯连接，水下通讯滑翔机在深海滑翔时，进入海洋地质灾害远程监测预警站水声换能器的水声信号有效传播区，水下通讯滑翔机可依靠自身携带的水声换能器通过水声通讯信号与海洋地质灾害远程监测预警站的水声换能器建立双向通讯连接；
S6、孔隙压力探杆可以观测到海底沉积物的超孔隙压力Δμ的动态变化，基于这一参数，反演得到以下可用来评估沉积物的物理力学性质变化和海床强度变化指标：
i.海底沉积物的不排水抗剪强度Cu：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Cu＝Δμmax/6
其中：Δμmax为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ；
ii.海底沉积物的水平固结系数Ch：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
Ch＝r2Tr50/t50
其中：r为孔隙压力探杆的贯入直径；t50为孔隙压力探杆在贯入过程中产生的最大超孔隙压力Δμ衰减至50％所需要的时间；Tr50为无量纲的时间因子，约等于1；
iii.海底沉积物的渗透率k：用于评估沉积物的物理力学性质，计算公式为：
k＝Chγw/D
其中：Ch为海底沉积物的水平固结系数；γw为海水的重度，根据γw＝ρ×9.8，ρ为底层海水的密度；D为海底沉积物的压缩模量，是海底沉积物在侧向完全不能变形的情况下受到的竖向压应力与竖向总应变的比值，通过试验获得；
iv.海底沉积物的有效应力σ′：可以用于评估海床的强度变化，计算公式为：
σ＝σ′+μ
其中：σ为海底沉积物的总应力，可以根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；μ为孔隙压力，根据μ＝Δμ+μ0，Δμ为超孔隙压力；μ0为静孔隙压力，μ0根据孔隙压力探杆传感器的测量位置的深度确定；
S7、当监测预警站完成海底监测任务之后，到达预定设备回收时间，贯入电机启动，贯入齿轮反向转动，压载式贯入机构沿贯入齿条和贯入导轨向上运动，完成孔隙压力探杆从海底回收，通过ROV水下机器人下潜辅助挂钩的方式将监测预警站与船载地质缆绳连接，通过船载地质缆起拔回收。
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