水下機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及在水利行業(yè)的應(yīng)用前景

譚界雄，田金章，王秘學(xué)

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢）

水下機(jī)器人作為人類(lèi)探索深海環(huán)境的主要工具，一直以來(lái)受到各國(guó)的重視，近年在海洋資源開(kāi)發(fā)、深海探測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用。水下機(jī)器人在我國(guó)水利行業(yè)的應(yīng)用也在不斷探索中，目前主要應(yīng)用于水庫(kù)搜查、大壩檢測(cè)、安全檢查等方面。因水庫(kù)環(huán)境的特殊性，水利行業(yè)應(yīng)用的水下機(jī)器人以觀察型攬控水下機(jī)器人（ROV）為主。

圖1 水下機(jī)器人的分類(lèi)

本文結(jié)合海洋開(kāi)發(fā)和水利行業(yè)中水下機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹水下機(jī)器人分類(lèi)和國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)水利行業(yè)中應(yīng)用較多的觀察型ROV優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

一、水下機(jī)器人分類(lèi)

水下機(jī)器人又稱(chēng)潛水器，按使用方式主要分為載人潛水機(jī)器人（HOV）、載人無(wú)人兩用潛水器和無(wú)人潛水器（UUV），分類(lèi)見(jiàn)圖 1。

載人水下機(jī)器人又稱(chēng)載人潛水器，主要是替代潛水員在深海中進(jìn)行水下觀察和作業(yè)。由于載人潛水器涉及人的安全問(wèn)題，用于完善且復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)，故體積和重量較大，且配備復(fù)雜的運(yùn)載、下放和救援系統(tǒng)，目前主要用于科研和深?？疾?。我國(guó)在深潛載人潛水器領(lǐng)域已走在世界前列，自主研發(fā)的“蛟龍”號(hào)HOV于2012年6月創(chuàng)造了下潛7 062 m的深潛紀(jì)錄，是世界同類(lèi)作業(yè)型潛水器的最大下潛深度紀(jì)錄。

無(wú)人水下機(jī)器人主要包括纜控水下機(jī)器人（ROV）、自主水下機(jī)器人（AUV）和自主/遙控兩用水下機(jī)器人（ARV）。ROV 主機(jī)（水下運(yùn)動(dòng)部分）與岸上控制器通過(guò)臍帶纜相連，臍帶纜是信號(hào)和數(shù)據(jù)上傳下達(dá)的紐帶，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效和作業(yè)深度大等特點(diǎn)。AUV與岸上控制端無(wú)物理連接，依靠自身攜帶的動(dòng)力進(jìn)行自主航行。由于AUV擺脫了臍帶纜，作業(yè)更加靈活自如、作業(yè)范圍更大。ARV是一種新概念水下機(jī)器人，兼顧無(wú)纜自治和有纜遙控水下機(jī)器人的雙重特性，即可依靠預(yù)設(shè)指令自主巡航，又可像ROV一樣，通過(guò)水面視頻畫(huà)面控制進(jìn)行精細(xì)作業(yè)，其最大特點(diǎn)是用微細(xì)光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，使其具有更遠(yuǎn)距離、更大深度、實(shí)時(shí)操作、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。

二、水下機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

1.國(guó)外水下機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展主要以美國(guó)、日本、法國(guó)、加拿大等國(guó)家為代表，在深潛ROV、觀察型ROV和AUV等領(lǐng)域取得了突出成就。

世界上第一臺(tái)真正意義上的ROV于 1960誕生在美國(guó)（CURV1）。美國(guó)主要從事水下機(jī)器人研究的單位有美國(guó)海軍、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、伍茲霍爾海洋研究所等，其中伍茲霍爾海洋研究所設(shè)計(jì)的混合型遙控潛水器 “海神號(hào)”（見(jiàn)圖2）于2009年成功下潛至10 902 m深處。

日本憑借其在智能機(jī)器人技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，在水下機(jī)器人方面也取得了飛躍式的進(jìn)步。日本海洋研究中心研發(fā)的“海溝號(hào)”ROV（見(jiàn)圖 3）于 1995年成功下潛至11022m深的馬里亞納海溝，創(chuàng)造了潛水器最大作業(yè)深度的紀(jì)錄。另外，法國(guó)、加拿大在4000～6000m級(jí)深潛ROV上也都有產(chǎn)品問(wèn)世。

圖2 美國(guó)“海神號(hào)”HROV

圖3 日本海洋研究中心的“海溝號(hào)”ROV

觀察型ROV因技術(shù)難度不大，各國(guó)均有成型的產(chǎn)品問(wèn)世，如美國(guó)SeaBotix公司“LBV”系列產(chǎn)品、加拿大Inuktun公司的超小型ROV Video-Ray系列、法國(guó)ECA公司的H300和H800系列ROV、加拿大Seamor Marine公司的Seamor系列ROV等。

AUV方面，國(guó)外的研究與開(kāi)發(fā)起步較早，近年取得了一系列商用成果，工作水深多為100 m左右，主要用于對(duì)海底地形的勘查、水文及環(huán)境信息的采集等。

2.國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)水下機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，但在過(guò)去的幾十年內(nèi)，水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成效顯著。其中，“蛟龍”號(hào)HOV刷新國(guó)際同類(lèi)潛水器的下潛深度記錄，深潛ROV、AUV、ARV等方面均實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，技術(shù)水平世界領(lǐng)先。

經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，我國(guó)在浮游式、爬行式、拖曳式等ROV研發(fā)方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于海洋開(kāi)發(fā)、軍事安防、救援救撈等方面。2003年9月中國(guó)北極科考中首次使用了自行研制的ROV，完成了不同區(qū)域海冰厚度、海冰底部形態(tài)、溫度、鹽度的連續(xù)測(cè)量，并首次呈現(xiàn)北冰洋冰下的景象。2002年12月,中國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制成功我國(guó)第一臺(tái)自走式海纜埋設(shè)機(jī)“CISTAR”，不僅能用于海底電纜和光纜的鋪設(shè)，還能完成海底光纜的監(jiān)測(cè)和維修作業(yè)。2004年，上海交通大學(xué)成功研制3 500 m級(jí)水下取樣型機(jī)器人——“海龍”號(hào)。

2014年，我國(guó)自主研發(fā)的首臺(tái)4 500 m深潛ROV“海馬”號(hào)順利完成海試，最大下潛深度4 502 m，是當(dāng)時(shí)我國(guó)自主研發(fā)的下潛深度最大、國(guó)產(chǎn)化率最高的無(wú)人遙控潛水器系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。2017年，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研制的深?？瓶夹蚏OV成功下潛至5 610.8 m，使我國(guó)深潛ROV技術(shù)跨入6 000 m行列，成為繼美國(guó)、日本、法國(guó)之后具備自主研制6 000 m級(jí)ROV能力的國(guó)家。

AUV研發(fā)方面，20世紀(jì)90年代初，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位與俄羅斯聯(lián)合，針對(duì)我國(guó)對(duì)國(guó)際海底資源調(diào)查的需要，研制開(kāi)發(fā)了 “CR-01”和“CR-02”型無(wú)人無(wú)纜潛水器 （見(jiàn)圖4）。之后沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)研究單位進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，成功研制出6 000 m“潛龍一號(hào)”AUV（見(jiàn)圖 5），并成功應(yīng)用于深?？疾斓阮I(lǐng)域。

2010年8月，由沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所主持研制的“北極號(hào)”ARV（集AUV和ROV技術(shù)特點(diǎn)于一身的新概念水下機(jī)器人，見(jiàn)圖6）成功實(shí)現(xiàn)了高緯度冰下自主導(dǎo)航和自治航行，并獲取了大量的含有海冰位置信息的關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。2017年我國(guó)自主研發(fā)的“海斗號(hào)”ARV （見(jiàn)圖7）成功下潛至10 888 m，創(chuàng)造了我國(guó)水下機(jī)器人最大下潛及作業(yè)深度新紀(jì)錄，填補(bǔ)了我國(guó)萬(wàn)米海底實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)的空白。

三、觀察型攬控水下機(jī)器人（ROV）

纜控水下機(jī)器人（ROV）是一種配備有水下觀察檢測(cè)、導(dǎo)航設(shè)備和水下機(jī)械手等工具，通過(guò)纜索或臍帶將電力、視頻和數(shù)據(jù)及控制信號(hào)與水面控制設(shè)備相連，并由水面人員遠(yuǎn)程操作，完成特定的水下工作的無(wú)人水下運(yùn)載器。根據(jù)其在水中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)可分為浮游、拖曳、爬行和結(jié)構(gòu)依賴(lài)等類(lèi)型，根據(jù)所具備的水下功能可劃分為觀察型和作業(yè)型兩大類(lèi)。本文重點(diǎn)結(jié)合水利行業(yè)應(yīng)用較多的觀察型ROV介紹其系統(tǒng)組成和功能特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

1.ROV系統(tǒng)組成

觀察型ROV的主要任務(wù)是進(jìn)行水下觀察、搜尋、檢測(cè)，在系統(tǒng)組成上，通常包括水下潛水器、成像系統(tǒng)以及導(dǎo)航定位設(shè)備（深度傳感器、羅經(jīng)、航速儀等）、臍帶纜和水面控制單元。

（1）潛水器

潛水器本體是ROV的水下單元，是搭載各類(lèi)傳感器的運(yùn)載平臺(tái)，通過(guò)臍帶纜與水面控制器連接，主要由框架、推進(jìn)器、浮力塊、電子倉(cāng)等組成。觀察型ROV的潛水器動(dòng)力來(lái)源是電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器。目前ROV推進(jìn)器主要有槽道推進(jìn)型和矢量推進(jìn)型兩種，其中矢量推進(jìn)器近年被大量使用，其通過(guò)調(diào)整推水角度和轉(zhuǎn)速，輸出指定方向的推進(jìn)力，通過(guò)推進(jìn)器角度的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變化控制潛水器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

（2）成像系統(tǒng)

根據(jù)觀察型ROV的使用特點(diǎn)，其成像系統(tǒng)主要包括光學(xué)成像系統(tǒng)和聲學(xué)成像系統(tǒng)。光學(xué)成像設(shè)備是ROV的基本配置之一，包括彩色攝像機(jī)、黑白攝像機(jī)和照相機(jī)等，光學(xué)成像的效果受光源和水體質(zhì)量影響較大，通常配備LED光源或者鹵素光源。聲學(xué)成像系統(tǒng)用于光學(xué)成像條件極差或大范圍目標(biāo)搜尋，主要有掃描聲吶、避碰聲吶、雙頻識(shí)別聲吶、多波束聲吶和三維激光聲吶等。

（3）水面控制單元

圖4 “CR-01”和“CR-02”型AUV

圖5 “潛龍一號(hào)”AUV

圖6 “北極號(hào)”ARV

圖7 “海斗號(hào)”ARV

包括系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)、操控器、電源模塊及相關(guān)顯示和記錄設(shè)備等，臍帶纜連接潛水器和水面控制單元，操控人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)視ROV的基本狀態(tài)，并通過(guò)操控器向潛水器發(fā)送控制指令，以操控潛水器和搭載的傳感器、成像系統(tǒng)等。

（4）臍帶纜

連接水面控制單元和水下潛水器的線(xiàn)纜，向下供電、發(fā)送操作指令，向上傳送ROV狀態(tài)指標(biāo)和成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2.ROV主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

（1）水下機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)

①臍帶纜供電和傳輸信號(hào)，可以支撐復(fù)雜的探測(cè)設(shè)備和較大的機(jī)械作業(yè)用電；②操作人員在岸上操作，減少人員的工作風(fēng)險(xiǎn)；③由人直接控制，操作效率高，誤差可控；④ROV重量和體積小，技術(shù)要求和成本較低。

（2）水下機(jī)器人缺點(diǎn)

①其活動(dòng)范圍受臍帶纜制約，在復(fù)雜水域易纏繞；②在水庫(kù)等狹窄水域中水下定位困難。

（3）ROV在民用方面的應(yīng)用

①管道檢查：遠(yuǎn)洋輸油管道、跨江、跨河管道檢查；②水下檢查：船體檢查，碼頭及碼頭樁基水下部分檢查，鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)、海洋石油工程檢修，管道檢查，大壩、橋墩結(jié)構(gòu)完整性檢查；③科研、考古：水環(huán)境、水下生物的觀測(cè)、研究和教學(xué)，海洋考察，冰下觀察，水下考古、水下沉船考察；④水下搜救：搜尋水下證據(jù)（公安、海關(guān)），海上救助打撈、近海搜索；⑤漁業(yè)：深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調(diào)查；⑥海底作業(yè)：包括海底管道及電纜的開(kāi)溝埋設(shè)，水下輸油管道的連接、檢測(cè)。

四、ROV在水利行業(yè)的應(yīng)用前景

我國(guó)各類(lèi)水庫(kù)大壩約9.8萬(wàn)座，由于大壩長(zhǎng)年擋水運(yùn)行、水工建筑物的自然老化和受地震等地質(zhì)災(zāi)害的影響，水利（庫(kù)）工程面臨越來(lái)越多的安全問(wèn)題，如壩體滲漏、混凝土裂縫、混凝土沖蝕等缺陷，嚴(yán)重影響工程的正常運(yùn)行和效益的發(fā)揮。而高壩大庫(kù)不具備放空條件，或者放空帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境影響，水下檢測(cè)面臨著困難。隨著水下機(jī)器人和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用觀察型水下機(jī)器人攜帶檢測(cè)儀器進(jìn)行水下檢測(cè)為水庫(kù)大壩安全檢查提供了新的手段，在水利（水庫(kù)）工程中，利用水下機(jī)器人（ROV）進(jìn)行水下檢測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì)。

圖8 垂直縫滲漏（顏料吸入）

圖9 面板錯(cuò)臺(tái)裂縫

1.優(yōu)勢(shì)分析

①安全性高：在水庫(kù)中ROV檢測(cè)不受水深限制（目前水庫(kù)最大水深不超過(guò)300 m），克服了潛水員常規(guī)潛水的深度限制，避免了人員安全事故的發(fā)生。

②效率高：水下機(jī)器人利用臍帶纜進(jìn)行供電，操作人員在岸上進(jìn)行操作，高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)提供水下情況，水下機(jī)器人可長(zhǎng)時(shí)間在水下工作，提高了檢測(cè)效率。

③操作簡(jiǎn)單：水下機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)主要由甲板控制單元、供電系統(tǒng)、臍帶纜、ROV主體和檢測(cè)儀器構(gòu)成，通過(guò)手柄控制水下主機(jī)的姿態(tài)和檢測(cè)儀器工作，操作簡(jiǎn)單；框架式的結(jié)構(gòu)便于搭載檢測(cè)設(shè)備。

2.廣闊的應(yīng)用前景

鑒于以上利用ROV進(jìn)行水利工程水下檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)需求分析，ROV在水利行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，可在以下方面得到重點(diǎn)應(yīng)用：

①水庫(kù)大壩滲漏水下檢測(cè)。對(duì)于混凝土壩接縫滲漏、面板堆石壩面板破損和止水破壞引起的滲漏，可采用ROV攜帶高清攝像、聲吶和其他滲漏探測(cè)設(shè)備在上游壩面進(jìn)行滲漏普查和破損情況詳查。利用ROV自帶的定位系統(tǒng)，可確定滲漏部位，為后期加固處理提供設(shè)計(jì)資料。

②水工建筑物水下混凝土缺陷檢測(cè)。水工建筑物長(zhǎng)年水下運(yùn)行，特別是擋水和泄水消能建筑物，因各種原因可能出現(xiàn)混凝土破損、沖蝕、結(jié)構(gòu)變形等病害，可采用攜帶水下高清攝像、機(jī)械手等設(shè)備的ROV對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行水下檢測(cè)。檢測(cè)效率、便捷性大大提高，費(fèi)用相對(duì)潛水員低。

③水工建筑物金屬結(jié)構(gòu) （閘門(mén)、攔污柵等）隱患檢測(cè)。同水工建筑物水下混凝土一樣，金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕、破損時(shí)，亦可采用ROV進(jìn)行水下檢查，并進(jìn)行標(biāo)記。

④水工建筑物水下淤積等檢查。利用ROV攜帶掃描聲吶、多波速測(cè)深系統(tǒng)等，可快速對(duì)壩前水庫(kù)淤積、閘門(mén)前淤積等進(jìn)行檢查。

⑤水工建筑物安全定期水下巡查。為滿(mǎn)足重要水工建筑物安全運(yùn)行的要求，利用ROV對(duì)建筑物水下部分進(jìn)行定期檢查，了解建筑物水下運(yùn)行性狀，可為水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行及管理提供支撐。

⑥新建水利水電工程各種水下應(yīng)急檢測(cè)和各類(lèi)應(yīng)急搶險(xiǎn)工程水下檢測(cè)等。

3.初步應(yīng)用的效果

國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心率先開(kāi)發(fā)適合水庫(kù)大壩的水下機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，已在水利（水庫(kù)）檢測(cè)中有初步的應(yīng)用，取得了較好的檢測(cè)效果。

（1）云南某面板壩滲漏檢測(cè)

云南某水庫(kù)大壩由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、左岸泄洪沖沙洞、左岸引水隧洞、壓力管道、地面主副廠房及導(dǎo)流洞等組成，水庫(kù)總庫(kù)容5.31億m3。大壩蓄水后出現(xiàn)滲漏，為檢查面板及垂直縫是否存在缺陷和滲漏，采用觀察型ROV對(duì)大壩面板、垂直縫、周邊縫等部位進(jìn)行了水下攝像檢查。通過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)垂直縫金屬蓋片銜接處存在滲漏，利用搭載的噴墨系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)示蹤劑有明顯的吸入現(xiàn)象（見(jiàn)圖8）。

（2）重慶某面板壩滲漏檢測(cè)

重慶某水庫(kù)由混凝土面板堆石壩、土石副壩、溢洪道、取水塔和取水隧洞組成，水庫(kù)總庫(kù)容1 629萬(wàn)m3。水庫(kù)運(yùn)行的前幾年，滲漏量一直正常，2015年年底突然增大，經(jīng)分析面板及止水防滲體可能存在滲漏，故采用水下機(jī)器人對(duì)面板進(jìn)行水下檢查，發(fā)現(xiàn)在大壩右岸靠近周邊縫附近有一處錯(cuò)臺(tái)裂縫（見(jiàn)圖9），為大壩滲漏的主要通道。

五、結(jié) 論

水下機(jī)器人技術(shù)在海洋資源開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)近年來(lái)在水下機(jī)器人領(lǐng)域也取得了舉世矚目的成績(jī)，為水下機(jī)器人技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但因?yàn)樗畮?kù)水域、水深及大壩結(jié)構(gòu)型式等特點(diǎn)，水下機(jī)器人在水利行業(yè)推廣應(yīng)用，還要結(jié)合實(shí)際檢測(cè)需要進(jìn)行針對(duì)性的研究開(kāi)發(fā)，在設(shè)備便攜性、功能集成性等方面有所改進(jìn)。 ■