測(cè)量型水下機(jī)器人在水下構(gòu)筑物缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

沈清華，楊 青，朱長(zhǎng)富

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

隨著我國(guó)水利水電工程、橋梁工程等的持續(xù)建設(shè)，水下構(gòu)筑物覆蓋范圍越來(lái)越廣泛。由于長(zhǎng)期處于水下復(fù)雜環(huán)境中，大量的水下構(gòu)筑物在長(zhǎng)期服役后，不同程度地存在著基礎(chǔ)沖刷、淘空、結(jié)構(gòu)侵蝕以及自身老化等一系列的結(jié)構(gòu)性損傷，給工程的整體運(yùn)行帶來(lái)了重要的安全隱患。為對(duì)相關(guān)建筑物的除險(xiǎn)、加固工程提出科學(xué)合理的決策，需有效排查水下構(gòu)筑物存在的各種缺陷，常規(guī)的人工探摸、水下攝像等方法由受水下環(huán)境、水質(zhì)條件、作業(yè)時(shí)間、安全保障等各種因素影響，無(wú)法獲得清晰圖像，檢測(cè)結(jié)果難以滿(mǎn)足工程需求。針對(duì)這一技術(shù)性難題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究并提出了諸如三維聲吶技術(shù)[3- 5]、水下機(jī)器人[6- 7]、水下多波束測(cè)深系統(tǒng)[11]等多種解決方法，取得了一定的成效，但在精確描述缺陷邊界特征方面仍存在不足。由于圖像對(duì)比度相對(duì)較低、缺陷特征信息匱乏、模糊、殘缺，致使不夠細(xì)微，而且定位誤差大、效率較低、適應(yīng)性較弱等。

本文通過(guò)引進(jìn)DOE T5N ROV系統(tǒng)及M900型圖像聲納，構(gòu)建了內(nèi)外業(yè)一體化化的測(cè)量型水下成像系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、智能識(shí)別、圖像采集及處理，并在某大型水利樞紐工程消力池底板、導(dǎo)墻混凝土等多項(xiàng)水下構(gòu)筑物表觀完整性檢查、上游閘門(mén)工作狀態(tài)巡檢等方面實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概況

1.1 DOE T5N ROV系統(tǒng)

DOE T5N ROV系統(tǒng)是一套高性能的可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的測(cè)量型水下成像系統(tǒng)，包括ROV主機(jī)、地面控制系統(tǒng)兩部分。其中，ROV主機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置深度計(jì)、姿態(tài)傳感器、高清水下攝像頭、水下照明、推進(jìn)器等部件，采用框架結(jié)構(gòu)，結(jié)實(shí)可靠；地面控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、電源控制箱等部件。具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1.2 M900型圖像聲納

M900型圖像聲納是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的高性能的水下二維多波束圖像聲納系統(tǒng)，適合水下環(huán)境調(diào)查和檢查。無(wú)論在狹窄還是寬廣區(qū)域搜索，都能得到清晰流暢的目標(biāo)聲學(xué)圖像。水下檢測(cè)時(shí)可視范圍100m，視角130°。具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 M900型圖像聲納主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 系統(tǒng)作業(yè)流程

檢測(cè)作業(yè)時(shí)使用圖像聲吶M900進(jìn)行水下導(dǎo)航，確認(rèn)ROV在水下的位置，使用M900觀察ROV相對(duì)于水下構(gòu)筑物的的相對(duì)位置進(jìn)行水下定位，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)能見(jiàn)度進(jìn)行測(cè)線間距布設(shè)，以確保測(cè)線可以覆蓋所有的檢測(cè)面，具體流程如圖1所示。

圖1 水下構(gòu)筑物檢測(cè)流程

2 檢測(cè)區(qū)概況

為保證某大型水利樞紐安全運(yùn)行，對(duì)樞紐大壩下游的消力池區(qū)域的相關(guān)構(gòu)筑物進(jìn)行完整性檢測(cè)。消力池共分為左區(qū)、中區(qū)、右區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖2所示，左區(qū)和中區(qū)導(dǎo)墻長(zhǎng)度分別約為175m，右區(qū)導(dǎo)墻長(zhǎng)度約為195m，消力池水深約為17m，總寬度約467m。

圖2 消力池檢測(cè)區(qū)域布置圖

2.1 主要檢測(cè)內(nèi)容

對(duì)消力池底板、兩側(cè)導(dǎo)墻和壩前閘門(mén)閘墩進(jìn)行視頻檢測(cè)，并通過(guò)視頻查明消力池底板、導(dǎo)墻和閘墩混凝土表觀完整性，同時(shí)使用ROV對(duì)上游閘門(mén)進(jìn)行檢測(cè)。包括23#～32#閘門(mén)間區(qū)域樁墩檢測(cè)、右區(qū)海曼底板全覆蓋檢測(cè)、右區(qū)導(dǎo)墻全覆蓋檢測(cè)、中間導(dǎo)流墻全覆蓋檢測(cè)、中區(qū)海曼底板全覆蓋檢測(cè)、中區(qū)左側(cè)導(dǎo)流墻全覆蓋檢測(cè)。

2.2 基本檢測(cè)要求

(1)檢測(cè)消力池和海漫底板、導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)沖刷破損情況，查明破損、露筋、骨料裸露等缺陷位置、性狀等，檢查泄洪閘閘室、檢修門(mén)槽，閘門(mén)等的現(xiàn)狀情況。

(2)對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行編號(hào)，列表對(duì)各缺陷位置、規(guī)模(長(zhǎng)度、寬度、深度)、性狀(破損、露筋、骨料裸露)等進(jìn)行描述，同時(shí)繪制缺陷平面圖，并提供相關(guān)照片，

(3)做好水下檢測(cè)資料剪輯及成果報(bào)告編制，建立相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)字化成果，形成檢測(cè)成果報(bào)告等。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 測(cè)線布設(shè)

水下機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)，沿水下機(jī)器人面向檢測(cè)面的法線方向依次布置測(cè)線，測(cè)線布設(shè)寬度依水質(zhì)能見(jiàn)度為依據(jù)，確保視頻可以覆蓋所有需檢測(cè)的混凝土面，本項(xiàng)目測(cè)線間距設(shè)置為2m，如圖3所示。

圖3 水下機(jī)器人檢測(cè)測(cè)線布置圖

3.2 智能控制

水下機(jī)器人(ROV)通過(guò)連接臍帶提供動(dòng)力來(lái)進(jìn)行操縱和控制，通過(guò)水下高清攝像、圖像聲吶等專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行觀察，提供缺陷影像資料。

檢測(cè)作業(yè)時(shí)使用圖像聲吶M900進(jìn)行水下導(dǎo)航，確認(rèn)ROV在水下的位置，沿計(jì)劃?rùn)z測(cè)線進(jìn)行水下構(gòu)筑物的視頻檢測(cè)，并同步視頻錄像、對(duì)焦拍照、水深記錄智能化操作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土缺陷，通過(guò)視頻、圖像信號(hào)估計(jì)缺陷尺寸并記錄，然后繼續(xù)本條測(cè)線的檢查作業(yè)，依次循環(huán)，直至完成所有計(jì)劃?rùn)z測(cè)工作，如圖4所示。

圖4 檢測(cè)路線示意圖

3.3 影像解析

水下構(gòu)筑物的缺陷一般包括：粗料暴露、掏蝕、水下蓋板缺失、墩體破損等，這些缺陷在檢測(cè)獲取的影像中都會(huì)得到相應(yīng)的體現(xiàn)，如圖5所示。在水下機(jī)器人獲取的影像的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)注分析缺陷的位置與尺寸，生成缺陷位置圖，如圖6所示，及相關(guān)成果報(bào)告。

圖5 缺陷特征影像

圖6 缺陷E位置示意圖

4 檢測(cè)成果分析

4.1 檢測(cè)成果

通過(guò)對(duì)23#～32#閘門(mén)間區(qū)域樁墩檢測(cè)、右區(qū)海曼底板全覆蓋檢測(cè)、右區(qū)導(dǎo)墻全覆蓋檢測(cè)、中間導(dǎo)流墻全覆蓋檢測(cè)、中區(qū)海曼底板全覆蓋檢測(cè)以及中區(qū)左側(cè)導(dǎo)流墻全覆蓋檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)缺陷33處，未發(fā)現(xiàn)對(duì)工程整體安全運(yùn)行有嚴(yán)重影響的重大缺陷。

4.2 總體分析

(1)壩前閘門(mén)只發(fā)現(xiàn)一處較為嚴(yán)重樁墩底板脫落，位于0+816.3～0+832.3，軸0+043.0～軸0+045.0處30#右岸面墩體，尺寸達(dá)到長(zhǎng)1m、寬0.8m、深0.5m，其他均為沖刷導(dǎo)致的輕微缺陷，對(duì)大壩及泄洪消能設(shè)施整體安全運(yùn)行無(wú)嚴(yán)重影響，但也需長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)。

(2)消力池導(dǎo)墻墻面未發(fā)現(xiàn)影響大壩及泄洪消能設(shè)施整體安全運(yùn)行的異常情況，但仍存在局部沖刷缺陷，需長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)。

(3)消力池海曼底板未發(fā)現(xiàn)影響大壩及泄洪消能設(shè)施整體安全運(yùn)行的異常情況，但仍存在局部沖刷、導(dǎo)流墻區(qū)域存在大量樹(shù)枝、生活垃圾、地勢(shì)較低區(qū)域存在大面積淤泥等輕微缺陷需進(jìn)行處理并長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

水下機(jī)器人可代替人工在水下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，能提供實(shí)時(shí)視頻、聲吶圖像，在水下構(gòu)筑物檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)際作業(yè)中，由于受水下能見(jiàn)度影響，對(duì)于檢測(cè)面特別是不規(guī)則檢測(cè)面的全覆蓋技術(shù)仍需進(jìn)一步探討。

下一步，可考慮與多波束水下掃描系統(tǒng)集成應(yīng)用，利用多波束水下掃描系統(tǒng)獲得的影像，進(jìn)行更精細(xì)化的檢測(cè)線布設(shè)，以期達(dá)到更理想的檢測(cè)效果。