海底電纜（以下簡稱海纜）在線監(jiān)測主要分為路由在線監(jiān)測與本體在線監(jiān)測，前者主要包括水上與水下監(jiān)測兩方面。水上監(jiān)測通常利用海事部門的船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）和船舶交通服務(wù)（VTS）等手段，實時監(jiān)測海纜路由區(qū)域的船只與障礙物，防止過往船只在海纜路由區(qū)域內(nèi)拋錨。同時，為彌補上述系統(tǒng)漏報率高、被動接受等缺陷，還可采用岸基雷達系統(tǒng)進行協(xié)同監(jiān)視。近來年，隨著大批新技術(shù)、新裝備的涌現(xiàn)，路由在線監(jiān)測也衍生出新領(lǐng)域，如基于無人機、自主式水下航行器（AUV）等的路由監(jiān)測系統(tǒng)，并逐漸得到應(yīng)用。海纜近岸段監(jiān)測主要包括紅外觀測、高清視頻監(jiān)測等，可為上述監(jiān)控手段提供近岸段補充。海纜本體在線監(jiān)測通過與海纜復(fù)合或捆綁光纖作為傳感器，在線監(jiān)測并記錄海纜應(yīng)力、應(yīng)變、工作溫度和振動等參量，評估海纜運行狀態(tài)。

溫度、振動、應(yīng)力在線監(jiān)測技術(shù)

1.1?分布式光纖在線監(jiān)測技術(shù)

分布式光纖在線監(jiān)測通過在海纜沿線敷設(shè)光纖，實時監(jiān)測全線海纜的溫度、振動、應(yīng)力的分布情況。具有抗電磁干擾、耐高壓、尺寸小等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中效果較好，尤其是溫度測量具有良好的準確度，這對提高海纜線路的有效傳輸容量具有重要作用。同時對海纜運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)海纜運行期間導體溫度過高、外力破壞引起的振動和應(yīng)力變化等異常信息。監(jiān)測結(jié)果對于監(jiān)測海纜的健康狀態(tài)、準確預(yù)測和實時調(diào)整海纜輸送容量具有重要指導作用。

1.2?光纖光柵測量

光纖光柵具有質(zhì)量小、體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、性價比高等優(yōu)勢，可進行連續(xù)高分辨率溫度測量，適合在惡劣工況下運行。作為新型溫度監(jiān)測技術(shù)，分布式光纖光柵溫度傳感器具有易安裝、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，可實現(xiàn)長距離大范圍多點測量。目前，國內(nèi)的部分海陸纜項目采用了國外設(shè)計生產(chǎn)的光纖光柵測量系統(tǒng)，運用效果良好，但系統(tǒng)造價與使用成本較高；同時，國內(nèi)的一些廠家也在與高校、科研院所等機構(gòu)合作進行相關(guān)領(lǐng)域的研究，并取得了一些進展。

1.3?紅外熱成像測量技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是電力設(shè)備溫度檢測的重要手段，原理是通過檢測設(shè)備的紅外輻射能量，將能量分布圖形反映在紅外探測器的光敏元件上，以推斷設(shè)備的溫度，進而判斷設(shè)備是否存在缺陷。紅外熱成像測量技術(shù)與其他測量方式相比，其最大的優(yōu)點是可以對設(shè)備進行非接觸式測量。另外，各電力運行單位也逐步建立了設(shè)備的紅外測量檔案庫，在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，紅外測量將發(fā)揮更大的診斷價值。紅外熱成像測量技術(shù)的不足主要為測量時易受外部環(huán)境因素的干擾，不能全天候測量，同時也不適用于直埋海纜本體和電纜附件內(nèi)部缺陷的檢測。

局部放電在線監(jiān)測

海纜局部放電量與海纜絕緣狀態(tài)密切相關(guān)，其變化表明絕緣可能存在危及海纜安全可靠運行的缺陷。目前，監(jiān)測局部放電的途徑主要包括電容耦合法和電感耦合法。

2.1?電容耦合法

電容耦合傳感器是在局部放電信號引起的電場中耦合能量，獲得電壓信號，可安放在海纜金屬屏蔽層內(nèi)，具有受外界電磁干擾小、穩(wěn)定性高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，但缺點是制造過程較為嚴格與繁瑣，須確保保護套的抗變形能力與防水性能。該技術(shù)應(yīng)用于海纜時，電纜長度過長會導致傳感器檢測信號衰減嚴重，測量精度大幅下降，通常電容耦合法僅在應(yīng)用于登陸段時具有良好效果。

2.2?電感耦合法

電感耦合法是將線圈繞在流過放電信號的導體上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，反映局部放電信息。電感耦合傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝更換方便，但容易受現(xiàn)場信號干擾影響。由于海纜兩端通常直接接地，這種方法往往只能測量終端附近一定范圍內(nèi)的局部放電，無法監(jiān)測整個路由的局部放電。

護套電壓在線監(jiān)測

當海纜為單芯結(jié)構(gòu)且電壓級別較高時，金屬護套會產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。為限制感應(yīng)電壓，對于長度較短的海纜，可在兩端將金屬護層直接接地；當海纜長度較長時，往往將金屬護層外的聚乙烯護套改為半導電護套，防止護套承受高壓甚至擊穿，此在線監(jiān)測護套所承受的電壓至關(guān)重要。

介質(zhì)損耗角（tanδ）在線監(jiān)測

研究表明，tanδ隨著絕緣老化程度的增大而增加，實時測量tanδ，可判定海纜絕緣狀況。該方法對過零點檢測設(shè)備的穩(wěn)定性和檢測精度要求很高，同時對檢測信號要求也較高。但tanδ僅能反映絕緣整體性能的好壞，不能反映因老化、受潮等因素引起的絕緣劣化，因此該方法并未得到大范圍推廣。

海纜路由在線監(jiān)測主要技術(shù)

5.1?基于AIS的海纜綜合監(jiān)控系統(tǒng)

基于AIS的海纜綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成計算機、無線通信、全球衛(wèi)星定位、電子海圖等技術(shù)，實現(xiàn)了對海纜的全天候監(jiān)控。通過集成各類信息，實現(xiàn)對海纜路由區(qū)域船舶異常狀況的主動報警，并將國際電子海圖標準IHOS-57應(yīng)用到海纜領(lǐng)域，實時更新電子海圖數(shù)據(jù)；系統(tǒng)自動接收海纜保護區(qū)的過往船舶信息，當發(fā)現(xiàn)有船舶處于海纜保護區(qū)內(nèi)，并無法滿足系統(tǒng)規(guī)定的時間和速度時，將立即啟動報警程序；系統(tǒng)將自動定位到異常區(qū)域，重點監(jiān)控異常船舶，并及時將情況反饋給有關(guān)部門，避免事故發(fā)生；在海纜警戒區(qū)域的海圖上，設(shè)置流量統(tǒng)計線，統(tǒng)計過往船舶數(shù)量，重點監(jiān)控流量較大的區(qū)域。

5.2?VTS系統(tǒng)及岸基雷達監(jiān)測系統(tǒng)

利用岸基雷達監(jiān)測系統(tǒng)可以對海纜路由區(qū)域內(nèi)活動的船只進行更精準的監(jiān)測。海纜運營部門利用雷達數(shù)據(jù)，可以更好地防止船只在海纜路由區(qū)域內(nèi)違規(guī)拋錨，同時對可能威脅海纜的船只事件進行預(yù)防，大大提高海纜保護水平。此外，VTS系統(tǒng)可提高船舶交通安全水平和交通管理效率以保護海纜設(shè)施。VTS系統(tǒng)以岸基雷達為主要探測設(shè)備，以數(shù)據(jù)處理設(shè)備為核心，通過通訊手段實時收發(fā)船舶交通信息。

5.3?基于潛標技術(shù)的洋流/波浪/潮汐監(jiān)測

潛標是系泊在海面以下對海洋環(huán)境、海上活動等進行近距離監(jiān)測的海上工作平臺。潛標以主浮體為依托平臺，采用外置或內(nèi)嵌的方式安裝傳感單元，通過通信電纜或海面通信浮標傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海洋離岸在線監(jiān)測。海纜路由監(jiān)測潛標系統(tǒng)主要用于洋流流速測量、海水溫度測量、視頻測量等。

5.4?基于聲吶監(jiān)測技術(shù)的探測與定位

由于不同物體反射聲信號的強度和頻譜信息是不一樣的，聲吶的接收設(shè)備將接收到的信息經(jīng)過處理后，與數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)進行比對，就能判斷出所遇物體的性質(zhì)和特征，甚至能判別其運動速度和方向，不同類型船只的回音類型及回波特性見表１。

聲吶分為主動聲吶（回聲定位儀）和被動聲吶（噪聲測向儀），其中被動聲吶多用于常規(guī)海纜監(jiān)測。對于基于聲吶的海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，其供電系統(tǒng)需要鋪設(shè)專用的中低壓海纜，通信系統(tǒng)是通過專用的海底光纖將采集到的信號傳輸至監(jiān)控中心。

5.5?潛航器

潛航器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好，適合深水作業(yè)，根據(jù)海纜埋深和海底狀況，水深至少可達100m，可抵抗相應(yīng)水壓；工作海域水流流速大，潛航器可在不大于2節(jié)的流速下工作；潛航器的水中浮力可調(diào)，分為正、負、零浮力，以滿足不同工況時的需求；潛航器既可由線纜拖拽式供電，也可由自帶高能電池蓄電工作，在緊急情況下還具備自控飄浮并報警等功能。潛航器自配姿態(tài)傳感控制儀器，埋深測量儀，溫度、壓力、深度傳感器等，能實現(xiàn)對海纜路由的視頻監(jiān)測、坐標和埋深檢測、環(huán)境參數(shù)測量等多種功能。

5.6?基于無人機的海面全時自動巡航巡檢

相比巡視船的航速，無人機飛行速度更快，尤其是固定翼無人機，可在極短時間內(nèi)率先到達事發(fā)現(xiàn)場。無人機在第一時間搜尋到涉事船舶后，可以盤旋在船舶上方，通過多種方式向其告知此處海纜的位置及重要性，避免錨害風險。無人機還可同時進行現(xiàn)場核實查證、拍攝取證等工作，提升應(yīng)急處置能力。無人機體積較小、質(zhì)量較輕，飛行能耗與運維成本較低，可大大減少巡視船頻繁出海的巨大成本，也可降低維護人員海上作業(yè)的頻率。無人機的廣泛應(yīng)用標志著海纜應(yīng)急事件處置進入海空一體化、智能化、人性化的新高度。

5.7?基于視頻與紅外的海纜近岸段實時監(jiān)控

高清視頻監(jiān)控的技術(shù)核心是高速采集攝像機、高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，及海量存儲需求。部分領(lǐng)域應(yīng)用的高清監(jiān)控還應(yīng)配置自動識別功能，以提高無人值守時的監(jiān)控效率。高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)只能實現(xiàn)白天清晰監(jiān)控，為彌補此不足，可采用紅外夜視系統(tǒng)實現(xiàn)夜間對海纜保護區(qū)近岸海域現(xiàn)場船只通航情況的實時監(jiān)控。紅外夜視監(jiān)控影像見圖1。

目前，工業(yè)級紅外夜視系統(tǒng)監(jiān)測的有效距離可達十幾千米，能準確辯認5km以外的常規(guī)物體，具有超靈敏、超長距離等特性。

5.8?海纜路由立體全時監(jiān)控

海纜路由立體全時監(jiān)控系統(tǒng)是以雷達、衛(wèi)星、潛標等為主體，結(jié)合近岸監(jiān)控、水下監(jiān)控等手段，實現(xiàn)全時立體監(jiān)控功能，其主要結(jié)構(gòu)見圖2。

雷達監(jiān)控系統(tǒng)負責中短距離海面監(jiān)控，誤報率低；衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)負責大范圍海面監(jiān)控，與雷達監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合可擴大監(jiān)控范圍，提高監(jiān)控精度；潛標監(jiān)控系統(tǒng)負責近距離監(jiān)控，獲取目標細節(jié)信息。上述監(jiān)控系統(tǒng)均具備24小時連續(xù)工作、實時傳輸?shù)裙δ?，因此可實現(xiàn)全時監(jiān)控功能。近年來還增加了其他輔助監(jiān)控手段，如水下聲吶、近岸視頻紅外熱成像監(jiān)控、故障定位等。通過整合上述監(jiān)控系統(tǒng)，建立以岸臺控制為中心的立體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)對海纜路由的立體全時監(jiān)控，大大提高海纜運行的安全性與可靠性。

通過目前國內(nèi)外主要的、最新的海纜在線監(jiān)測技術(shù)，梳理各種技術(shù)的特性和優(yōu)缺點，有針對性地提出優(yōu)化和改進海纜在線監(jiān)測技術(shù)的對策與建議。主要結(jié)論如下：

1.海纜本體在線監(jiān)測方面。國內(nèi)外在分布式光纖監(jiān)測領(lǐng)域已獲得大量研究成果，并取得顯著進展，但對于其他領(lǐng)域，包括局部放電與護套電壓在線監(jiān)測等，現(xiàn)有的監(jiān)測方法尚不成熟，仍存在較大的發(fā)展與提升空間。

2.海纜路由在線監(jiān)測方面。單一的監(jiān)測方式往往會存在各種局限性與不足，因此涵蓋各監(jiān)測手段的海纜立體全時監(jiān)控是今后的發(fā)展趨勢。隨著技術(shù)的不斷進步，海纜立體全時監(jiān)控的功能將更加豐富齊全，測量精度更高。

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