淺議ROV在水利水電設(shè)施檢測(cè)中的應(yīng)用

張 沖，曹雪峰

（1.山東省防汛抗旱物資儲(chǔ)備中心，山東 濟(jì)南 250014；2.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250013）

1 研究背景

為增強(qiáng)水下檢測(cè)的安全性，近年來國內(nèi)有關(guān)科研檢測(cè)單位先后引進(jìn)或聯(lián)合研制各種ROV開展水庫大壩等水利水電工程水下檢測(cè)。ROV的英文全稱為：RemoteOperatedVehicle，中文為纜控水下機(jī)器人，它是由水面控制終端通過臍帶纜和水下機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和控制信號(hào)水上水下傳輸，將機(jī)器人采集的視頻、傳感器參數(shù)等實(shí)時(shí)回傳至控制終端。ROV的研究工作最早可追溯到20世紀(jì)中期，真正引起轟動(dòng)是在1966年，一臺(tái)名為“CURV-1”的ROV和載人潛水器配合，成功在西班牙外海找到并打撈起失落在海底的氫彈。受此影響，歐美、日本等西方國家迅速展開大規(guī)模ROV研發(fā)與推廣。相對(duì)國外，我國ROV研究起步較晚，1985年中國科學(xué)院沈自所和上海交通大學(xué)自主研發(fā)了我國第一臺(tái)水下機(jī)器人“海人一號(hào)”ROV，首潛199m。由于在導(dǎo)航定位技術(shù)、探測(cè)技術(shù)、核心水下零部件技術(shù)、工藝水平等方面與國外存在著較大差距，在2000年以前國產(chǎn)ROV并不多，主要集中在幾個(gè)科研單位（中科院沈自所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等）。

近年來，隨著國家“十三五”規(guī)劃關(guān)于發(fā)展海洋高端裝備創(chuàng)新的戰(zhàn)略部署以及國內(nèi)認(rèn)識(shí)和需求的不斷加強(qiáng)，我國諸多科研院所、高校以及企業(yè)開始投入ROV的研發(fā)和制造。2014年4月18日，上海交通大學(xué)研制的“海馬”號(hào)4500m級(jí)深海ROV通過了863海洋技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M的海上驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了我國在深度無人遙控潛水器自主研發(fā)領(lǐng)域“零的突破”。由于ROV水下檢測(cè)實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、工作潛力大，隨著產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量的不斷提升，目前國內(nèi)已將ROV廣泛應(yīng)用于海洋石油、搜救打撈、水電檢測(cè)等。水利部長江水利委員會(huì)國家大壩安全工程技術(shù)研究中心、中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位先后引進(jìn)或聯(lián)合研制各種ROV用于水庫大壩等水利工程水下檢測(cè)。

2 ROV系統(tǒng)功能

2.1 ROV系統(tǒng)組成

ROV是一種配備有水下攝像、水下檢測(cè)設(shè)備和水下機(jī)械手等工具，通過臍帶纜或鎧裝纜將視頻畫面、控制數(shù)據(jù)、電源與水面控制單元相連，并由專業(yè)操作人員岸基操作，完成專業(yè)水下工作的無人潛器。ROV的水下潛器一般為開放式框架結(jié)構(gòu)，一般采用PP材料，配置4～6個(gè)水下推進(jìn)器，可在水下進(jìn)行定向、定深巡航。水面控制單元通過線纜對(duì)水下潛器進(jìn)行控制，可以完成水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、多功能機(jī)械手的開合和水下攝像頭俯仰角度的調(diào)節(jié)、水下攝像頭調(diào)焦，同時(shí)可以將水下拍攝的畫面通過纜線系統(tǒng)傳輸?shù)剿婵刂茊卧娘@示屏上，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至電腦中。

2.2 集成聲納探測(cè)技術(shù)

聲納在水下工程檢測(cè)的應(yīng)用非常廣泛。ROV通常會(huì)集成重量輕、體積小的多波束圖像聲納，其發(fā)射的聲波遇到目標(biāo)后反射回聲納表面，根據(jù)回波可以獲得多波束目標(biāo)聲吶圖像信號(hào)，采集的聲波數(shù)據(jù)傳回ROV水面控制單元的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后，就可以生成二維或者三維的聲納圖像，這樣ROV系統(tǒng)就能在渾濁或黑暗環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的辨識(shí)和定位。

2.3 集成水下機(jī)械手

ROV通常配備小型水下機(jī)械手，同時(shí)可根據(jù)不同的任務(wù)需求，使用不同“爪型”機(jī)械手，在水面控制單元及工程人員的操作下，代替潛水員完成水下的抓取、剪切、取樣等任務(wù)。

2.4 集成水下聲學(xué)定位系統(tǒng)

由于GPS及電磁波信號(hào)在水的介質(zhì)中無法傳播，部分ROV潛器會(huì)安裝超短基線（USBL）定位系統(tǒng)，跟蹤水下潛器，使用聲學(xué)的方式對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行水下定位，得到ROV的相對(duì)位置。如果超短基線連接有GPS，就可以得到水下機(jī)器人的絕對(duì)GPS位置。

3 ROV檢測(cè)應(yīng)用

3.1 水庫壩體檢測(cè)

隨著時(shí)間的推移，水庫大壩混凝土表面及混凝土等不可避免會(huì)出現(xiàn)裂縫、空洞等缺陷，尤其是在大壩剛建好服役的初期，內(nèi)部壓力釋放會(huì)加劇裂縫產(chǎn)生速度，需要進(jìn)行及時(shí)定期檢查。針對(duì)這種情況，首先操作ROV使用二維多波束圖像聲納對(duì)壩體進(jìn)行觀測(cè)、檢查，檢查水庫壩體裂縫、破損位置，再通過聲納圖像對(duì)破損處位置進(jìn)行辨別，之后進(jìn)行視頻觀察。由于ROV系統(tǒng)在裝備高清攝像系統(tǒng)的同時(shí)可以搭載激光標(biāo)尺、電動(dòng)噴墨器，通過水下攝像裝置可對(duì)壩體面板的裂縫、接縫、止水情況進(jìn)行直觀判斷，并由激光標(biāo)尺測(cè)量破損缺陷尺寸。如：裂縫長度、塌坑面積等；對(duì)尺寸較小的對(duì)象，如裂縫寬度、鼓包大小等，對(duì)接縫處或裂縫處止水效果可通過ROV搭載電動(dòng)噴墨器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如大壩已經(jīng)存在滲漏問題，噴墨可以顯示出滲漏走向及大小。水利部長江水利委員會(huì)國家大壩安全工程技術(shù)研究中心、中國電建昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位實(shí)際使用ROV檢測(cè)結(jié)果表明：ROV可以極大地提升壩體檢測(cè)效率。

3.2 水下金屬構(gòu)件銹蝕與淤積檢查

水下金屬構(gòu)件主要包括閘門、攔污柵等，水下金屬構(gòu)件本身的銹蝕和淤積很可能影響到該部位的通透性，尤其是汛期需要對(duì)閘門進(jìn)行開啟時(shí)，需要確認(rèn)異物淤積對(duì)閘門沒有影響時(shí)才能落放閘門。通過操作ROV，可利用二維多波束圖像聲納搜索到閘門，為ROV導(dǎo)航至閘門處，再通過水下攝像頭，對(duì)水下閘門銹蝕、淤積情況進(jìn)行觀察。2018年以來，山東省防汛抗旱物資儲(chǔ)備中心聯(lián)合天津深之藍(lán)公司，相繼在大涼山錦屏水利發(fā)電廠、黃河小浪底水利樞紐、葛洲壩水利樞紐等進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，ROV在水利工程水下金屬構(gòu)件檢測(cè)中具有非常高的使用價(jià)值，尤其是在60m深度以上時(shí)，相對(duì)于潛水員水下檢測(cè)具有工作時(shí)間長、作業(yè)深度深、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 消力池沖坑及水下結(jié)構(gòu)檢查

檢測(cè)結(jié)果表明，在遇到渾水、流速混亂等復(fù)雜的水域情況下，ROV的二維多波束圖像聲納可對(duì)前方120m范圍內(nèi)的水下結(jié)構(gòu)、地形狀況、淤積和結(jié)構(gòu)破損等問題進(jìn)行全方位觀測(cè)，并形成二維圖像，可以比較好地對(duì)消力池的輪廓和尺寸進(jìn)行分析。

綜上所述，ROV檢測(cè)方式可以替代潛水員完成很多水下工作。同時(shí)，在深水環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境使用ROV會(huì)極大減少潛水員損傷風(fēng)險(xiǎn)，ROV在水利水電工程檢測(cè)中的作用無疑是明顯的，但從長遠(yuǎn)看，如進(jìn)一步推廣應(yīng)用ROV開展水利工程水下檢測(cè)，需要克服三個(gè)方面制約：一是ROV成本相對(duì)偏高，而且水利水電工程檢測(cè)任務(wù)越復(fù)雜，ROV檢測(cè)成本會(huì)越高；二是ROV操作要求高，操作員需要具備豐富的經(jīng)驗(yàn)，需要熟悉設(shè)備和傳感器，同時(shí)需要具備海洋物理、空間幾何等方面知識(shí)和良好的心理素質(zhì)；三是水下環(huán)境復(fù)雜多變，水流、能見度等因素都會(huì)影響ROV操作。因此，當(dāng)前需進(jìn)一步加強(qiáng)ROV的應(yīng)用推廣培訓(xùn)，擴(kuò)展ROV的搭載能力、降低ROV的操作難度。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來ROV也可以通過引入智能技術(shù)自主判定水下工作，更好、更高效地完成水下檢測(cè)工作。