林七貞　林漢斌

摘要：水下機(jī)器人全稱為水下遙控運(yùn)載器，（英譯：Remotely Operated Vehicle以下簡(jiǎn)稱：ROV）是一種高科技儀器設(shè)備的集成體，文章將介紹ROV的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，對(duì)ROV在水下工程檢測(cè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討，提出在水下探摸檢測(cè)工作中引進(jìn)ROV的建議。

關(guān)鍵詞：ROV 工程檢測(cè) 應(yīng)急搜尋

前言

ROV主要分為兩種基本類型，即有纜遙控式ROV和無(wú)纜自治式ROV。有纜遙控式ROV是由工作母船上工作人員通過(guò)ROV的臍帶提供動(dòng)力和控制信號(hào)。無(wú)纜自治式ROV自備動(dòng)力電源，按照預(yù)先編制的程序自主航行。同時(shí)ROV也向甲板傳回各種訊息，將各種傳感器水下采集到的數(shù)據(jù)信息和影像圖像在控制臺(tái)上顯示。ROV可搭載水下攝像和聲吶設(shè)備，在潛水員不便下水時(shí)替代潛水員進(jìn)行水下攝像和河床掃測(cè)，可通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)單的作業(yè)。能從事海洋測(cè)量、軍事偵測(cè)、水利水電、漁業(yè)水產(chǎn)、核電設(shè)施、救助打撈、應(yīng)急搜尋等工作。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于ROV的開(kāi)發(fā)和研制相當(dāng)重視，已有多種款式投入運(yùn)用，并且不斷進(jìn)行技術(shù)更新和升級(jí)，近十年來(lái)，國(guó)外的海洋工程設(shè)備供應(yīng)商也逐漸將各種型號(hào)的ROV投放到中國(guó)市場(chǎng)，本文選取通用觀察型ROV（無(wú)人遙控有纜式）作為模版進(jìn)行評(píng)估。

ROV的性能及特點(diǎn)

ROV一般為開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)，鋁合金或玻璃纖維板，亞克力管材，標(biāo)配4個(gè)磁力聯(lián)軸式推進(jìn)器，可定向巡航或定深巡航，工作水深可達(dá)百米級(jí)，能自主或半自主航行，實(shí)現(xiàn)直航、回旋、潛浮方式，可在浮游與爬行模塊之間自由切換。首部裝有可旋轉(zhuǎn)式黑白或彩色攝像變焦鏡頭或相機(jī)，遠(yuǎn)景和近景自由切換，強(qiáng)光LED燈源或鹵素?zé)簟?nèi)置壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、磁羅經(jīng)、速率陀螺儀和高度計(jì)等。電力供應(yīng)、光纖通信采用臍帶傳輸方式，具有承載能力強(qiáng)，傳輸速度快，抗電磁干擾等?？蛇x擇性搭載GPS定位系統(tǒng)、液壓機(jī)械臂，多波束圖像聲吶、掃描聲吶、超短基線等。

ROV的主要特點(diǎn)就是潛水器自身不需要攜帶電源，由甲板控制單元通過(guò)臍帶向其提供電力，作業(yè)時(shí)間不受限制，技術(shù)人員在水面工作母船上就可以控制和操作，可解決無(wú)纜自治式ROV復(fù)雜的人工智能要求，其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力持續(xù)、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、操作靈活。

ROV的主要技術(shù)參數(shù)差別不大，重量約100kg左右，即使搭載有關(guān)設(shè)備和儀器，也可以利用船舶甲板上的輔助收放系統(tǒng)完成設(shè)備的下放和回收，操作簡(jiǎn)便。

ROV的幾種主要特性

1、集成聲吶探測(cè)技術(shù)

聲吶探測(cè)技術(shù)在救助打撈和水下工程檢測(cè)中發(fā)揮著極大的作用，在船舶上使用已經(jīng)相當(dāng)成熟，將該技術(shù)引入到ROV上，采用搭載聲吶設(shè)備方式搜尋特定水下目標(biāo)，對(duì)指定水域進(jìn)行掃測(cè)，采集數(shù)據(jù)信息傳回到船舶計(jì)算機(jī)上進(jìn)行專業(yè)處理，生成二維或三維圖像影像，提高搜尋效率。

2、集成水下攝像技術(shù)

ROV的攝像或照像系統(tǒng)可將水下采集到的視頻圖像實(shí)時(shí)傳回甲板，對(duì)水下地形、水下建筑物或水下礙障物的形態(tài)進(jìn)行近距離的直接觀察，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就可以直觀地讀圖研判，便于工程技術(shù)人員掌握水下情況。

3、集成水下定位系統(tǒng)

在水上施工過(guò)程中，應(yīng)用GPS定位技術(shù)已相當(dāng)廣泛，而水下導(dǎo)航定位大都采用超短基線，誤差較大，換算不便，ROV內(nèi)置GPS定位系統(tǒng)，配合定向定深巡航設(shè)備一起使用，可計(jì)算出ROV的運(yùn)動(dòng)軌跡和相對(duì)坐標(biāo)位置。

4、集成水下機(jī)械設(shè)備

ROV一般配置有簡(jiǎn)單的工具設(shè)備，可根據(jù)不同作業(yè)要求攜帶機(jī)械抓手、鉆探桿、液壓剪等，在水下攝像系統(tǒng)及甲板技術(shù)人員操縱引導(dǎo)下，可替代潛水員在水下工作，在復(fù)雜危險(xiǎn)的水域?qū)嵤┧伦鳂I(yè)任務(wù)。

ROV的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、海洋工程

1953年世界上出現(xiàn)第一艘ROV，六十多年來(lái)，從誕生走向?qū)嵱没圃旒夹g(shù)漸趨成熟、日臻完美?？倲?shù)量已超過(guò)1000艘。在我國(guó)八十年代，一些大專院校、研究機(jī)構(gòu)和國(guó)防軍工企業(yè)合作，專門研制ROV，用于海洋測(cè)量作業(yè)、深海石油勘探、管線維護(hù)檢測(cè)、軍用水雷探測(cè)等，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)研發(fā)性質(zhì)為主，經(jīng)過(guò)不斷的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新，逐漸由試用階段投入到實(shí)際使用階段，近年來(lái)，國(guó)家制定了一系列發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略目標(biāo)，2014年亞太經(jīng)濟(jì)合作組織（APEC）領(lǐng)導(dǎo)人非正式會(huì)議上更是提出了建設(shè)海上絲綢之路的發(fā)展構(gòu)想，大批海洋工程項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)，海洋調(diào)查、石油勘探、海底管道、風(fēng)能核電、海底電纜、島礁碼頭等。國(guó)內(nèi)的海事管理部門、科研院所、軍工企業(yè)、石油化工等單位也開(kāi)始使用ROV，進(jìn)行水下掃測(cè)、應(yīng)急搜尋和其它作業(yè)，ROV在海洋工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2、長(zhǎng)江流域

目前，從我們收集的資料信息分折，大部分ROV都是按照海洋或湖泊而設(shè)計(jì)研發(fā)的，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)也是按海洋或湖泊的特性而設(shè)定的。加上長(zhǎng)江上水流湍急、水質(zhì)混沌、沙礫河床、地形復(fù)雜，ROV的操縱困難、功能受限，除三峽通航管理局、水利管理部門在三峽大壩閘門、長(zhǎng)江堤防有過(guò)幾次試驗(yàn)性的使用外，此前在救助打撈、應(yīng)急搜尋、水下檢測(cè)方面尚無(wú)使用ROV的先例，基本上沒(méi)有推廣使用。

3、水庫(kù)湖泊

內(nèi)陸山區(qū)因其獨(dú)特的地形地貌，有許多深達(dá)近百米的湖泊和水庫(kù)，按照《潛水員管理辦法》的規(guī)定，潛水員水下作業(yè)深度不得超過(guò)60m，因此，一些單位用ROV替代潛水員進(jìn)行過(guò)水庫(kù)壩體閘門、水下地形觀測(cè)和水下文物考古等，收集相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像資料，但使用并不太多。

ROV在水下工程檢測(cè)中的運(yùn)用前景

目前在長(zhǎng)江航道整治工程中，水下工程檢測(cè)主要是對(duì)水下鋪排搭接這道工序進(jìn)行檢測(cè)，采取水下探摸攝像和聲吶圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控二種檢測(cè)方式，而對(duì)水下拋石、水下拋枕和透水框架等工序，采用的是高程測(cè)量控制方法，只能進(jìn)行總量控制，不能進(jìn)行水下實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而無(wú)法掌握其施工質(zhì)量。其主要原因就是施工區(qū)域水流紊亂、環(huán)境復(fù)雜，潛水員不能下水作業(yè)。為創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù)和手段，形成對(duì)水下工程施工全過(guò)程、全方位的檢測(cè)成為當(dāng)務(wù)之急，必須采用新的裝備和器材，彌補(bǔ)各道工序的檢測(cè)空白，這是我們瞄準(zhǔn)前沿科技、著眼高新領(lǐng)域、打造核心技術(shù)的著力點(diǎn)和突破口。endprint

2014年8月15日，武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局水下檢測(cè)中心在長(zhǎng)江荊江河段首次進(jìn)行了ROV運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)其航行穩(wěn)性、動(dòng)力模塊、操縱系統(tǒng)、掃測(cè)范圍、拍攝效果等方面作了負(fù)載測(cè)試，測(cè)試ROV的各項(xiàng)性能指標(biāo)，初步評(píng)估了ROV在長(zhǎng)江航道整治工程中使用的可行性，結(jié)論為：ROV融合了現(xiàn)代最新科技成果，實(shí)現(xiàn)了集數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化為一體的發(fā)展趨勢(shì)，ROV可以彌補(bǔ)潛水員工作受限的短板，充分發(fā)揮其在深水復(fù)雜區(qū)域連續(xù)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，完成復(fù)雜條件下的水下聲吶掃測(cè)搜尋、水下目標(biāo)探測(cè)攝像等任務(wù)，為下一步在水下工程檢測(cè)中引進(jìn)ROV提供了許多有益的嘗試。

與此同時(shí)，對(duì)在水下工程檢測(cè)中使用ROV提出了一些建議和設(shè)想：

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備：ROV一般配置4個(gè)推進(jìn)器，可在靜水中完成常規(guī)的潛航動(dòng)作，但在長(zhǎng)江中游航道中，最大流速達(dá)到1.5m/s左右。一是ROV要在水中作長(zhǎng)時(shí)間的懸停，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)必須滿足控制要求；二是ROV要克服水的流速，按照預(yù)定路線航行，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能量必須滿足其推力要求。

動(dòng)力定位系統(tǒng)：ROV的內(nèi)置GPS定位系統(tǒng)是水下檢測(cè)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基本上可以確定其在水下的具體坐標(biāo)，建議在ROV的電腦程序中設(shè)置DP動(dòng)力定位系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)計(jì)航行軌跡坐標(biāo)，使其在水下目標(biāo)附近自主巡航，保持自身位置的相對(duì)穩(wěn)定。

水下攝像器材：水下電視攝像設(shè)備上的攝影機(jī)采用的是光學(xué)成像原理，不宜在昏暗、混濁的長(zhǎng)江中使用，即便裝有照明光源，效果也不太理想。隨著聲學(xué)攝像技術(shù)的出現(xiàn)，ROV可裝配聲學(xué)彩色攝像變焦鏡頭，使拍攝效果更為理想，拍攝圖像更為清晰，完成水下預(yù)定目標(biāo)的拍攝。

操作功能升級(jí)：觀察型ROV以掃測(cè)搜尋為主，有掃測(cè)范圍大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但ROV還應(yīng)具備強(qiáng)大的作業(yè)功能，配置機(jī)械臂和其它裝備，滿足水下特殊工作要求，完成鉆探、剪切、打孔、取樣、沖砂、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。

ROV作為一種新型水下探測(cè)工具，在超越潛水極限的惡劣水下環(huán)境中，搭載各種儀器設(shè)備的ROV很自然地成為人類延伸自已感知能力的主要工具之一，隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和完善，ROV系統(tǒng)將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。

結(jié)論

隨著長(zhǎng)江電子航道圖3.0版本即將上線運(yùn)行，為確保長(zhǎng)江航道暢通，要建設(shè)一支應(yīng)急反應(yīng)快、技術(shù)水平高、救助能力強(qiáng)的救助打撈隊(duì)伍，努力建成全方位覆蓋、全天候運(yùn)行的應(yīng)急救助體系，提高救助打撈技術(shù)水平，加強(qiáng)救助打撈設(shè)備和水下工程檢測(cè)器材建設(shè)勢(shì)在必行、很有必要。

在對(duì)ROV的導(dǎo)航定位、視覺(jué)傳感、動(dòng)力系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制、模擬仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)后，在長(zhǎng)江上進(jìn)行沉船、沉物的搜尋掃測(cè)工作，可提高應(yīng)急搶險(xiǎn)保通的效率。 ROV在水下工程檢測(cè)的運(yùn)用，將填補(bǔ)長(zhǎng)江航道整治工程水下工程質(zhì)量檢測(cè)的空白，為提高長(zhǎng)江航道的科技創(chuàng)新能力，打造核心竟?fàn)幜?，發(fā)揮著積極而深遠(yuǎn)的影響和作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Robert D Christ， The ROV Manual， Second Edition： A User Guide for Remotely Operated Vehicles[M]. Oxford：Butterworth-Heinemann，2011.

[2]羅伯茨 （Roberts.G.N），薩頓 （Sutton.R.），無(wú)人水下航行器進(jìn)展[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]沈林成， 徐昕， 朱華勇.移動(dòng)機(jī)器人自主控制理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4]鄭劍春，機(jī)器人結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

（作者單位：武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局）endprint