?

水下機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要：《國(guó)際水力發(fā)電和大壩建設(shè)》(IWP & DC) 雜志介紹了有關(guān)大壩和水電站檢測(cè)設(shè)備的很多細(xì)節(jié)。在對(duì)大壩和水電相關(guān)的其他一些基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如何接近這些設(shè)施往往是對(duì)操作人員的一大挑戰(zhàn)。因此，很多操作人員就會(huì)借助于無(wú)人遙控潛水設(shè)備(水下機(jī)器人(ROV))來(lái)協(xié)助探查。主要針對(duì)目前市場(chǎng)上一些常用的水下機(jī)器人設(shè)備的種類、型號(hào)和功能，以及它們?cè)趪?guó)際上的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：水工建筑物管理；大壩監(jiān)測(cè)管理；水下機(jī)器人

1水下逆流航行記錄

2014年底，希巴德近海岸(Hibbard Inshore)公司曾創(chuàng)下了最長(zhǎng)淹沒隧道逆流檢測(cè)的記錄。該公司負(fù)責(zé)人說(shuō)，這項(xiàng)任務(wù)只有薩博Seaeye Sabertooth型自主式水下航行器(AUV)/ROV混合水下機(jī)器人才能承擔(dān)。對(duì)于有纜遙控潛水設(shè)備來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋、設(shè)備控制以及安全措施非常重要。對(duì)Sabertooth型水下機(jī)器人，配備有一系列測(cè)量和攝影系統(tǒng)，在0.3 m/s的流速水環(huán)境中能夠行進(jìn)8 km。這一成就使其在力拓集團(tuán)(Rio Tinto)哥倫比亞鋁冶煉廠檢查任務(wù)期間維持了重要的水補(bǔ)給。因需要在一個(gè)“非常快”的8 h內(nèi)完成檢查任務(wù)，所以隨著流量的減少，速度非常重要，Hibbard Inshore公司的部門主管D.馬拉克(Malak)如是說(shuō)。

Sabertooth型號(hào)水下遙控潛水設(shè)備裝備有多波束系統(tǒng)和相機(jī)云臺(tái)，能夠提供水下隧道三維分析，以及隧道壁的狀態(tài)和所關(guān)心區(qū)域的高清視頻檢查記錄。力拓集團(tuán)擁有一個(gè)有著4 a之久的水下隧道重要資產(chǎn)，需要徹底檢查，找出潛在的崩塌區(qū)以作出維修規(guī)劃，并能提供可用于隧道狀態(tài)變化趨勢(shì)分析的可比數(shù)據(jù)。

2013年底，Hibbard公司又創(chuàng)下了一項(xiàng)新紀(jì)錄，它成功地完成了澳大利亞境內(nèi)雪山水電項(xiàng)目長(zhǎng)24 km的隧道檢查任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，同樣采用了聯(lián)機(jī)模式的Sabertooth型號(hào)水下機(jī)器人。該款水下機(jī)器人設(shè)計(jì)理念是將自主式水下機(jī)器人和遙控潛水設(shè)備的技術(shù)整合成統(tǒng)一的優(yōu)化資源提供給用戶，使其不僅具備自主式水下機(jī)器人在工作范圍和操作靈活性上的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有遙控潛水設(shè)備在能源動(dòng)力、工作便捷度方面的優(yōu)勢(shì)。

Hibbard Onshore是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)Sabertooth型水下機(jī)器人潛力的公司，它認(rèn)識(shí)到該款水下機(jī)器人具有360°自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)行、流暢的動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)、高效的推進(jìn)器、精確的導(dǎo)航以及在有限的空間里應(yīng)對(duì)水流等能力。同時(shí)，它也看到了內(nèi)置的大容量電池技術(shù)可以滿足長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間水下工作應(yīng)用的需求。只有當(dāng)需要的時(shí)候，它才會(huì)通過(guò)光纖臍帶纜與水下基站連接，以進(jìn)行充電。

2海獅、水獺型水下機(jī)器人及ROV

美國(guó)JW Fishers公司的水下機(jī)器人是一款可以往任意方向移動(dòng)的水下攝像系統(tǒng)，在水面進(jìn)行控制，能夠無(wú)限制地潛水停留，可以進(jìn)行管道巡查、河流和海洋搜索、壩體巡查、石油和天然氣平臺(tái)工作、養(yǎng)魚場(chǎng)、危險(xiǎn)場(chǎng)所檢查等水下搜索或檢查作業(yè)。這款水下機(jī)器人可以大大縮減搜索時(shí)間以及高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的潛水檢查。當(dāng)配備RMD-1金屬探測(cè)器時(shí)，水下機(jī)器人可以定位槍支，搜索未爆彈體、管道線路、海底寶藏或其他一些金屬物體等。

可供選擇的型號(hào)有Sealion-2 和 SeaOtter-2。SeaLion-2型ROV水下機(jī)器人是Fishers公司很受歡迎的一款SeaLion型ROV水下機(jī)器人的新一代。它有4個(gè)高輸出功率可逆變速馬達(dá)，可以快速移動(dòng)，比SeaOtter-2型水下機(jī)器人的性能更強(qiáng)大。

另外，當(dāng)Sealion-2型水下機(jī)器人在水下遭遇突發(fā)海流時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生額外的推力，從而保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)。它的工作深度為304.8 m(1 000 ft)，最長(zhǎng)連接線纜有457.2 m(1 500 ft)，同時(shí)配備了可平移或傾斜的前后方云臺(tái)彩色攝像機(jī)。前方攝像機(jī)由2個(gè)100 W鹵鎢燈泡提供照明，后方攝像機(jī)的光線則由一個(gè)超亮的LED燈環(huán)提供。

SeaLion-2由PS-2水面甲板控制單元控制，PS-2內(nèi)置3.81 cm(15 inch)的高清顯示器。ROV的推進(jìn)器命令、相機(jī)和光源的操控等均由PS-2甲板控制單元管理，也可以根據(jù)需要選擇無(wú)線控制器。垂直操縱桿輕推ROV至水下，水平方向的輕推力使ROV在水底的上方爬行?？刂泼姘迳嫌胁蹇缀头糯笃鳎梢詽M足每個(gè)作業(yè)的要求。

視頻輸出插孔允許同時(shí)使用內(nèi)部顯示器和遠(yuǎn)程監(jiān)控器，這樣，其他觀測(cè)者不必?fù)頂D在控制臺(tái)就可以看到圖像。內(nèi)置的視頻放大器可以調(diào)整圖像畫面質(zhì)量，讓水體視頻的清晰度達(dá)到最佳狀態(tài)。用戶也可以自行聯(lián)系DVD錄像師，制作一個(gè)記錄水下場(chǎng)景的永久視頻記錄。借助音頻放大器，語(yǔ)音也可以被記錄到視頻圖像中。

SeaLion-2型水下機(jī)器人可供選購(gòu)項(xiàng)包括：最長(zhǎng)457.2 m(500 ft)的線纜、線纜管理系統(tǒng)、屏幕參數(shù)顯示(時(shí)間/日期/GPS/航向/深度/距底部距離)、2個(gè)側(cè)邊彩色攝像頭(由4個(gè)照相機(jī)組成)、自動(dòng)深度控制、自動(dòng)離底距離監(jiān)測(cè)、ROV計(jì)算機(jī)控制、外置DVD刻錄機(jī)、內(nèi)置DVR錄像機(jī)、視頻文字疊加、機(jī)械手、金屬探測(cè)器、掃描聲吶以及備用部件套件。

SeaOtter-2 水下機(jī)器人有很多與SeaLion相似的特征，但沒有SeaLion的性能強(qiáng)大。它更適用于中低速的海流區(qū)域。這款水下機(jī)器人同樣擁有前后方可傾斜彩色攝像機(jī)，照明設(shè)備由前端2個(gè)50 W的鹵鎢燈泡和尾部的高亮LED燈環(huán)組成。該款ROV最長(zhǎng)工作線纜為152.4 m(500 ft)，并配備有73.152 m(240 ft)的線纜系統(tǒng)控制和10.4英寸高分辨率高亮顯示器。ROV的推進(jìn)器、攝像機(jī)以及燈光的命令通過(guò)PS2手柄控制。

SeaLion-2型水下機(jī)器人可供選購(gòu)項(xiàng)包括：最長(zhǎng)152.4 m(500 ft)的線纜、線纜管理系統(tǒng)、屏幕參數(shù)顯示(時(shí)間/日期/GPS/航向/深度)、自動(dòng)深度控制、外置DVD刻錄機(jī)、操作臂、金屬探測(cè)器、掃描聲吶以及備用部分套件。

3遙控檢測(cè)

美國(guó)因努克吐恩(Inuktun)公司的產(chǎn)品可以滿足水利電力行業(yè)許多遠(yuǎn)程遙控檢測(cè)的需求。該產(chǎn)品的潛水系統(tǒng)使用方便，已使其成為大壩和水閘檢測(cè)的理想工具，而且也適合偏遠(yuǎn)場(chǎng)所。該公司的產(chǎn)品主要有Versatrax 100，Versatrax 100 MicroMag和Helios。

Versatrax 100產(chǎn)品是一個(gè)微型爬行器，能夠檢測(cè)直徑小到4英寸，即直徑大約為10 cm的管道。該爬行器可以根據(jù)不同的管道尺寸提供串聯(lián)和并聯(lián)2種檢測(cè)方式。

同時(shí)，該Versatrax 100也是個(gè)便攜爬行器，其整個(gè)系統(tǒng)被封裝成2個(gè)Pelican機(jī)箱(包括線纜和手動(dòng)絞盤)。盡管它體積不大，但卻有足夠的動(dòng)力來(lái)穿越大約180 m長(zhǎng)的管道，具有良好的越障能力。

Versatrax 100 MicroMag型號(hào)管道機(jī)器人是一款緊湊、防水、有磁性的移動(dòng)機(jī)器人。它可以實(shí)施快啟動(dòng)工作，實(shí)時(shí)傳回錄像信息，并可以吸在鐵的表面，適宜于各類應(yīng)用。另外，可以對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)程控制，即使在水下也可以進(jìn)行水平、垂直和倒轉(zhuǎn)操作。

一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的MicroMag型爬行器配備有一個(gè)鋁制底盤、稀土磁鐵、一堆堅(jiān)固的鋁制激光粒度分析儀、一個(gè)可平移和傾斜的照相機(jī)和6個(gè)高亮度的LED燈，以及2個(gè)可變亮度的鹵燈，以便在需要時(shí)輔助照明。當(dāng)遇到光照不足、灰塵、雨、雪、霧、煙以及渾水等不利條件時(shí)，拍攝高質(zhì)量的視頻圖像會(huì)變得十分困難。因努克吐恩公司的實(shí)時(shí)視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)(即Helios)可以自動(dòng)校正這些可見性問(wèn)題，極大提高圖像的清晰度、亮度，減輕邊緣效應(yīng)。該Helios平臺(tái)可以捕捉平常肉眼所不能捕捉到的一些視頻圖像細(xì)節(jié)。

Helios視頻圖像處理系統(tǒng)，與標(biāo)準(zhǔn)的因努克吐恩公司生產(chǎn)的管道機(jī)器人的控制器、照相機(jī)進(jìn)行了集成，是負(fù)責(zé)視頻工作環(huán)節(jié)的專業(yè)人員必不可少的，相當(dāng)實(shí)用。

4大壩監(jiān)測(cè)

Teledyne SeaBotix水下爬行機(jī)器公司，是Teledyne海事集團(tuán)的成員之一，是迷你型ROV(MiniROV)的制造商。該公司旗下的水下機(jī)器人可用于執(zhí)行海事安全、搜索和恢復(fù)、船體維修、管道檢查，以及一些基礎(chǔ)設(shè)施檢查等多項(xiàng)任務(wù)。該公司生產(chǎn)Seabotix LBV系列的產(chǎn)品，而且其產(chǎn)品近期被San Diego公司(專門從事水下地形成像、檢測(cè)和調(diào)查工作)應(yīng)用在Pro-ROV服務(wù)中。借助于該產(chǎn)出，在3周多的時(shí)間內(nèi)完成了懷俄明州3座(Twin Lakes, Tie Hack and La Prele)大壩的安全檢查。

該LBV系列水下爬行機(jī)器人通用多功能平臺(tái)可以提供以下主要功能。

(1) 攝像機(jī)，用于取水塔出口閘門和低水位水庫(kù)排水工程照相和錄像。

(2) 超聲波測(cè)厚度儀，用于測(cè)量出水管的厚度。

(3) 深度探測(cè)器，用于采集一些水庫(kù)測(cè)深數(shù)據(jù)。

Pro-ROV服務(wù)還利用了SeaBotix LBV300-6型水下機(jī)器人來(lái)檢查福爾松(Folsom)大壩前池溢洪道底部的渾濁帷幕。在基威特(Kiewitt)建筑工程中，巴拉德(Ballard)潛水隊(duì)采用迷你型ROV(MiniROV)代替潛水員潛入水下工作，并從9.144 m(30 ft)的船上獲取110 V的電能。該項(xiàng)檢測(cè)工程的目的是想查看并記錄每個(gè)渾濁灌漿帷幕的接縫，并觀察帷幕沿底部是否有移動(dòng)。每個(gè)接縫大約是15.24 m(50 ft)寬，并有從帷幕底部向上移動(dòng)的趨勢(shì)。由于水底有大量的渾濁泥沙沉積，使檢測(cè)深度較淺，只有9.144 m。

能見度較低帶來(lái)的檢測(cè)困難同樣存在于接觸帷幕底部的可見線時(shí)(用于上下移動(dòng)帷幕)，視頻檢查覆蓋了很長(zhǎng)一段距離，并在1 d之內(nèi)完成。在作業(yè)過(guò)程中，LBV水下機(jī)器人的操作臂手負(fù)責(zé)拉開帷幕和ROV的線纜。利用MiniROV型水下機(jī)器人可以縮短檢測(cè)時(shí)間，從而節(jié)約了成本，并替代潛水員完成水下檢查工作；另一方面也可以減少風(fēng)險(xiǎn)，符合大壩安全協(xié)議的相關(guān)規(guī)定。

Pro-ROV服務(wù)公司的操作員Mark Stepanek說(shuō)，這個(gè)公司的一個(gè)客戶—巴拉德潛水隊(duì)(Ballard)，請(qǐng)求公司使用SeaBotix vLBV-4000型水下機(jī)器人完成另外一個(gè)項(xiàng)目。公司也因此接受并執(zhí)行了該請(qǐng)求，LBV水下機(jī)器人在檢查過(guò)程中表現(xiàn)的十分出色，結(jié)果也令人滿意，公司也因此提前完成了項(xiàng)目的計(jì)劃任務(wù)。

福爾松大壩溢洪道工程是美國(guó)軍隊(duì)和內(nèi)政部合作的一個(gè)項(xiàng)目，投資大約為9億美元。該項(xiàng)目計(jì)劃完工時(shí)間為2017年。屆時(shí)，在洪水期間，水庫(kù)蓄水將可以得到有效泄放。水庫(kù)和大壩是水電工程的一部分，可以提供防洪、發(fā)電、灌溉以及城市供水等多種用途。

泰里達(dá)因遙控潛水機(jī)器人(Teledyne SeaBotix)公司除了生產(chǎn)LBV系列機(jī)器人產(chǎn)品以外，同時(shí)也生產(chǎn)LBV300-5型水下機(jī)器人產(chǎn)品。

MiniROV水下機(jī)器人作為一個(gè)非常穩(wěn)定和靈活的傳感器平臺(tái)，可以在數(shù)分鐘內(nèi)從一個(gè)4軸轉(zhuǎn)變成一個(gè)5軸的爬行器。它能以22+的kgf(千克力)的吸引力在任何堅(jiān)硬或平坦的基礎(chǔ)設(shè)施上移動(dòng)，比如大壩、船只和海提等。檢測(cè)表面和傳感器之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)輸出結(jié)果的質(zhì)量可能是最高的，并且操作者的疲勞度可以得到大大降低。

5水下高分辨率檢測(cè)

在2014年中期，加拿大St. Catharines, Onatario有限公司的ASI 海洋部門，有機(jī)會(huì)重返哥倫比亞洛基(Rocky)山脈基馬諾(Kemano)隧道上游進(jìn)行高分辨率多波束調(diào)查。ASI海洋部門此前證實(shí)了水下機(jī)器人可以用于在充滿水的隧道中收集有用的信息。在2010年的某個(gè)項(xiàng)目中，2個(gè)水下機(jī)器人從隧道兩端同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，掃描聲吶、導(dǎo)航聲吶和視頻，被用于描述短段隧道的狀況。中途有個(gè)小小的中斷，共持續(xù)了4 h左右。

在2014年的某個(gè)項(xiàng)目中，利用ASI 海洋的高度改裝的Mohican型水下機(jī)器人，對(duì)用戶感興趣的隧道上游8 km的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢查。除了能夠給系統(tǒng)提供獨(dú)立電源的發(fā)電機(jī)外，ASI 海洋的其他設(shè)備由直升機(jī)送至2臺(tái)升降機(jī)的入口處。其中，一臺(tái)升降機(jī)用于運(yùn)送帶有10 km長(zhǎng)臍帶纜的絞車，另一臺(tái)升降機(jī)則用于運(yùn)送水下機(jī)器人(ROV)的其余設(shè)備。ASI 海洋部門同時(shí)擁有LBV 300XL緊湊型水下機(jī)器人，用于在主水下機(jī)器人潛水和修復(fù)期間，作為一個(gè)觀測(cè)設(shè)備而存在。

ASI Marine部門的Mohican型水下機(jī)器人帶有3個(gè)立信(Reson)高分辨率多波束裝備，3個(gè)藍(lán)景(BlueView)M900聲吶，一個(gè)Tritech SeaKing型號(hào)掃描聲吶以及一個(gè)CDL MiniPOSNAV型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于關(guān)聯(lián)和標(biāo)記所有與精確定位有關(guān)的數(shù)據(jù)。視頻系統(tǒng)包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高清攝像頭，另外增加了2個(gè)高速的500萬(wàn)像素?cái)?shù)碼照相機(jī)，用于靜態(tài)場(chǎng)景的拍攝。

利用多波束聲吶收集的數(shù)據(jù)生成一個(gè)帶有地理參考的點(diǎn)云模型，每米隧道的點(diǎn)云多達(dá)30 700個(gè)。通過(guò)三維建模，可以準(zhǔn)確地顯示各種隧道襯砌的狀態(tài)，以及早在2010年標(biāo)識(shí)的感興趣的項(xiàng)目。同時(shí)，提供了局部網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)UTM這2種地理參考方式，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。具有地理參考的這些數(shù)據(jù)，可以與其他用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、集成。

(楊勝梅趙秋云編譯)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖法分類號(hào)：TV698.239A

文章編號(hào)：1006-0081(2015)11-0029-03

收稿日期：2015-09-15