三峽庫(kù)區(qū)ADS應(yīng)用問(wèn)題研究

司太生 屈文鵬

摘 要：了解常壓潛水裝具的系統(tǒng)組成、操作方式，分析了每一部分的功能配置。針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水深過(guò)大、水底渾濁和河床形態(tài)多樣化等深潛水作業(yè)難點(diǎn)，分析了ADS裝具在三峽庫(kù)區(qū)深水救助中的適應(yīng)性問(wèn)題及設(shè)備需求，進(jìn)而提出改進(jìn)常壓潛水裝具的措施，包括水下作業(yè)工具、中繼器形狀以及潛水裝具的搭載平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：ADS;深度潛水;三峽庫(kù)區(qū)

三峽庫(kù)區(qū)目前使用的潛水救助裝具是內(nèi)河救助常使用的普通潛水裝具。裝具組成有面罩、頭盔、潛水服、氣瓶組件、減壓和呼吸系統(tǒng)等。其中呼吸系統(tǒng)的供氣設(shè)備有儲(chǔ)氣罐、空氣壓縮機(jī)等。這些潛水設(shè)備在內(nèi)河潛水打撈時(shí)，效果好、成本小。但是，三峽庫(kù)區(qū)成庫(kù)后：水深達(dá)到175m，部分水深更是超過(guò)200m。面對(duì)這種情況，傳統(tǒng)的潛水救助潛水裝具明顯達(dá)不到這個(gè)深度要求。如果強(qiáng)行作業(yè)，對(duì)潛水人員會(huì)有巨大的健康隱患，并且很難完成水下的作業(yè)要求;三峽成庫(kù)后，河底淤泥化嚴(yán)重，這也給水下搜尋、救助帶來(lái)了很大困難;庫(kù)區(qū)水下能見(jiàn)度差，目前使用潛水頭燈的情況下能見(jiàn)度不足一米。那么，面對(duì)復(fù)雜的潛水環(huán)境，以三峽為代表的內(nèi)河深潛水救助問(wèn)題急需引入合適的深潛水救助設(shè)備。三峽庫(kù)區(qū)河段船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)的話，普通潛水無(wú)法到達(dá)水下救援。氦氧飽和潛水又需要龐大的水面支持系統(tǒng)，包括有生活艙、加壓艙、潛水鐘等。并且，每次救援都需要有多名潛水員輪換作業(yè)。整個(gè)的投資成本比常壓潛水系統(tǒng)高很多，并且，專業(yè)的潛水人才需求量過(guò)大。

相比之下，常壓潛水裝具的水面控制平臺(tái)較為簡(jiǎn)單，只有一個(gè)控制室和船上水面吊放系統(tǒng);水面只需要一個(gè)監(jiān)控臺(tái)、一個(gè)操作人員;水下也只需要一個(gè)嫻熟的裝具潛水員即可完成整個(gè)救援任務(wù)。

1 國(guó)內(nèi)外裝備現(xiàn)狀

1715年，世界上產(chǎn)生了第一臺(tái)潛水裝具，直到1882年Carmagnolle裝具的出現(xiàn)，可以認(rèn)為是常壓潛水裝具發(fā)展的初期階段。在這一階段，此時(shí)的裝具發(fā)展是由于人類對(duì)于海底財(cái)寶的打撈需求，此時(shí)常壓潛水裝具的技術(shù)水平還處在非常低的水平，下潛深度較小，裝具沒(méi)有配備輔助的生命支持設(shè)備并且此時(shí)的供氣方式只是通過(guò)氣管由水面供氣，沒(méi)有通訊和推進(jìn)系統(tǒng)，裝具的頭盔視窗以平板玻璃為主，不僅尺寸小視野有限而且轉(zhuǎn)向不易，無(wú)法觀察到側(cè)向的信息。但是從這一時(shí)期開(kāi)始，潛水行業(yè)中才出現(xiàn)了常壓潛水這一概念，并一步步的從最初的桶型結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在的仿人型結(jié)構(gòu)，材料方面從木質(zhì)材料發(fā)展到金屬材料。從20 世紀(jì)60 年代初，英國(guó)MikeHumphrey和Mike Borrow及Tritonia 裝具的發(fā)明者Joseph Peress合作設(shè)計(jì)了JIM 裝具。

我國(guó)在20世紀(jì)90年代成功研制出QSZ-Ⅱ型常壓潛水系統(tǒng)。該裝具采用鑄鋁軀體， 鍛鋁四肢關(guān)節(jié)， 最大工作深度達(dá)到300m， 水下最大巡航半徑50m。 QSZ-Ⅱ型裝具相比以前裝具的進(jìn)步之處不僅在于材料的改變、工作范圍的增加，而且還另外增加了4個(gè)動(dòng)力推進(jìn)器，可以實(shí)現(xiàn)定深、定高、定航。還改善了控制系統(tǒng)， 使?jié)撍畣T在水下的活動(dòng)更加方便、快捷。其最大特點(diǎn)是水下的運(yùn)動(dòng)方式可以有兩種選擇：既能使用仿生腿關(guān)節(jié)進(jìn)行貼底行走，又能依靠螺旋槳進(jìn)行自主的水中移動(dòng)。并且這種動(dòng)力方式既可通過(guò)裝具內(nèi)部人員操作，也可通過(guò)水面船舶控制室內(nèi)操作人員進(jìn)行遙控。

2 常壓潛水系統(tǒng)（ADS）

常壓潛水系統(tǒng)（ADS）是一種深水載人作業(yè)工具系統(tǒng)，包含有潛水員穿著的潛水裝具、中繼器、水面起吊裝置及水面船舶搭載的控制指揮系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)一般都搭載在船舶上，在需要下潛水域附近進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的布放，實(shí)現(xiàn)單人的水下作業(yè)。ADS相比于傳統(tǒng)的潛水救援作業(yè)，其最大優(yōu)勢(shì)在于它可以保持裝具內(nèi)部一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在下潛上浮的過(guò)程中無(wú)需考慮 增減壓的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)潛水人員快速、大強(qiáng)度作業(yè)的要求;裝具通過(guò)綜合鎧裝纜里面的氧氣通道給潛水人員供氧、配備生命體征檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在水面檢測(cè)指揮人員操作屏幕，以保護(hù)潛水員的生命需求;水面指揮系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)救援活動(dòng)的指揮和參與決策、水上水下即時(shí)的通訊保障以及潛水人員的安全保障活動(dòng)。整個(gè)ADS系統(tǒng)如圖1：

在使用ADS進(jìn)行水下救援時(shí)，首先需要把整個(gè)系統(tǒng)搭載到救援船舶上，通過(guò)船舶水面吊裝系統(tǒng)把水下裝具和機(jī)器人下放到救援附近水底，然后潛水員自行走出開(kāi)展水下救援任務(wù)。整個(gè)中繼器有鎧裝纜繩與水面吊裝系統(tǒng)連接，方便系統(tǒng)的回收，而潛水員裝具也是通過(guò)綜合鋼纜和中繼器連接。待完成水下救援任務(wù)之后，潛水員乘坐中繼器返回船上，完成整個(gè)救援活動(dòng)。

3 ADS系統(tǒng)的控制操作方式

整個(gè)控制系統(tǒng)按照空間劃分為水面控制、中繼器控制和潛水裝具控制三部分。

水面控制是整個(gè)潛水系統(tǒng)的控制臺(tái)，負(fù)責(zé)接收機(jī)器人采集到的水下信息，并且實(shí)現(xiàn)水下、水面的信息交換（包括水上水下人員交流、水下視頻信息的傳輸和水面操作指令的下達(dá)。水面控制部分與中繼器之間通過(guò)水中鋼纜進(jìn)行連接。

水下中繼器是整個(gè)潛水裝具的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)了水面設(shè)備與水下裝具之間的通訊中轉(zhuǎn)，水下裝具的布放和回收，同時(shí)，隔離了水面船舶以及水下作業(yè)時(shí)纜繩隨意擺動(dòng)而纏繞潛水員等存在安全隱患。中繼器的存在保證了水下作業(yè)的安全性，并且提高了裝具在水下的機(jī)動(dòng)性。裝具內(nèi)部通過(guò)各種生命信息監(jiān)控設(shè)備和安全監(jiān)控設(shè)備反映潛水人員的生命體征，裝具外部加載水下信息采集設(shè)備，包括采集視頻信息的水下高清攝像機(jī)、三維成像設(shè)備等。

潛水裝具的控制主要是水下的走行活動(dòng)、信息的采集和傳輸控制以及各種特殊作業(yè)工具的具體使用。

4 ADS系統(tǒng)在三峽庫(kù)區(qū)的適用性分析

這個(gè)系統(tǒng)的核心之處在于中繼器。它是連接水面控制室和潛水裝具的中樞。

4.1中繼器的功能需求分析

（1）首先，中繼器作為裝具下潛上浮的載具，必須有良好的穩(wěn)定性，可以抵抗各種不同流速的水域環(huán)境。用來(lái)保證潛水作業(yè)人員下潛、上浮的安全。

（2）中繼器作為信息傳輸?shù)臉屑~，必須保證信號(hào)傳輸良好、實(shí)現(xiàn)上下水面的實(shí)時(shí)溝通。

（3）中繼器上應(yīng)該有必要的生命救助保障，如少量氧氣的儲(chǔ)備等。

4.2 中繼器的改進(jìn)意見(jiàn)

（1）三峽庫(kù)區(qū)不同水層水流速度差別很大，分層流速明顯，并且很多部分還有旋渦、泡水等。這些因素都給中繼器的安全釋放回收帶來(lái)了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的矩形中繼器不適合實(shí)際救援過(guò)程，當(dāng)中繼器著陸水地面不平時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生側(cè)翻等。為了盡可能的減少側(cè)翻的意外，中繼器外觀結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置成為橢球狀。

（2）作為信息傳輸?shù)臉屑~，同時(shí)也是氧氣等生命保障措施的樞紐，我們必須使用足夠堅(jiān)固的鋼纜包裹通訊、呼吸等傳輸通道。

（3）萬(wàn)一發(fā)生意外，中性纜的斷裂或者鋼裝纜的破損，我們必須能夠保證潛水人員安全回到水面。

4.3 裝具加載成像技術(shù)

應(yīng)該給常壓潛水裝具裝備更多的水下成像觀測(cè)技術(shù)。水下綜合成像技術(shù)包含了普通成像技術(shù)和三維成像技術(shù)。我們認(rèn)為應(yīng)該在裝具上搭載普通高清水下攝像探測(cè)，另外再配合以多波束測(cè)深系統(tǒng)為主的水下三維成像技術(shù)，結(jié)合起來(lái)，更好確定探測(cè)水域的地貌。多波束測(cè)深系統(tǒng)具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)。它的探測(cè)結(jié)果是條帶狀的水深圖以及條帶狀水下地貌圖，該結(jié)果可以全面了解探測(cè)區(qū)水底地形，但無(wú)法直觀地判讀水底情況;普通高清成像技術(shù)，其成像結(jié)果是水下小范圍的直觀成像，無(wú)法全面、高效地了解整個(gè)探測(cè)區(qū)的水底環(huán)境。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，我們面對(duì)出事水域，可以先采用三維多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)水域的水下地形描繪，結(jié)合當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T的地下水文資料，分析出幾個(gè)可能的目標(biāo)點(diǎn)。再結(jié)合普通高清成像技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)的小范圍清晰成像。

4.4 創(chuàng)新水下作業(yè)工具

三峽庫(kù)區(qū)深水救助主要是為了沉船搜索、人命救助和沉船、沉物等的打撈。

在使用這類潛水裝具時(shí)，潛水人員在進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，由于裝具的限制，只可以采用水下機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)，而不是人的手。常壓潛水發(fā)展至今，已經(jīng)形成了較為成熟的水下作業(yè)工具，比如：爪式夾持器 、水下靈巧手等。

機(jī)械手的靈活性和功能性需要進(jìn)一步提升。包括應(yīng)對(duì)特殊的作業(yè)需求，比如說(shuō)船舶打撈時(shí)為了固定鋼纜需要打孔，這個(gè)時(shí)候便需要攜帶鉆頭工具等。還有目前的人形機(jī)械手關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)更為精密，便可以使得水下操作更加靈活，完成難度更大的救援工作。

除了使用機(jī)械手、液壓切割機(jī)之外，還可能需要針對(duì)沉船進(jìn)行固定，以方便起吊。另外，集裝箱等則是通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行鋼纜的固定，然后才用水面起重船舶進(jìn)行打撈作業(yè)。

另外，傾覆的散貨船等（砂石、煤炭）如果不處理，則會(huì)淤積航道，因此，可以在救助裝具上加裝散貨抽取管道，水下機(jī)器人手持管道抽取水下散貨，管道動(dòng)力泵設(shè)在海巡救助艇上，通過(guò)管道即可清理水下的沉物。機(jī)械手加持管道，通過(guò)中性纜、鋼纜和水面連接。面對(duì)特殊沉船，比如化學(xué)品傾覆、石油等通過(guò)此種救援方式可以減少二次污染，回收資源。

5 救援平臺(tái)的搭建

為了實(shí)現(xiàn)常壓潛水裝具在三峽庫(kù)區(qū)應(yīng)急救援工作中的使用，我們需要在救援海巡艇上選擇搭載吊放系統(tǒng)和設(shè)置水面控制室。

5.1 水面吊放系統(tǒng)

水面吊放系統(tǒng)是安裝在水面指揮船舶側(cè)面，用來(lái)進(jìn)行水下中繼器的吊放和回收活動(dòng)。根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)現(xiàn)有海巡艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，船舶前方甲板部分有足夠的空間可以裝載ADS水面吊裝系統(tǒng)，此吊放系統(tǒng)可以考慮安裝在前方甲板側(cè)面，折疊放置，需要使用ADS進(jìn)行水下活動(dòng)的時(shí)候才展開(kāi)吊裝系統(tǒng)。

5.2 水面控制室

水面控制室主要就是水面的終端操作和水下操作設(shè)備的監(jiān)控等。具體來(lái)說(shuō)控制室操作員需要完成水面水下的信息交流和任務(wù)下達(dá);通過(guò)顯示器監(jiān)控水下操作人員的生理指數(shù)、氧氣含量等;配合救援指揮人員結(jié)合水下信息采集設(shè)備得到的水下情況完成救援的決策;監(jiān)控中繼器、水下裝具、各種工具的安全監(jiān)控。水面控制室可以設(shè)在船艙內(nèi)靠前任意一塊區(qū)域，需要面積約三平方米。

6 總結(jié)

常壓潛水裝具非常適合三峽庫(kù)區(qū)河段的深水救助任務(wù)。ADS結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，面對(duì)各種復(fù)雜條件下的水底長(zhǎng)時(shí)間救助任務(wù)都可以滿足。但是，由于該裝備還沒(méi)有廣泛應(yīng)用于內(nèi)河打撈，所以，相應(yīng)的輔助設(shè)施設(shè)備還不夠全面，需要進(jìn)一步優(yōu)化和裝配。我相信ADS常壓潛水系統(tǒng)將成為內(nèi)河深潛水的發(fā)展和應(yīng)用的方向。

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