楊 鴿，滕世敏，周建波

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

水工隧洞的安全運(yùn)行對保證水電站生產(chǎn)活動(dòng)的正常開展有重要作用，為此，電力企業(yè)會(huì)對隧洞進(jìn)行放空檢查以了解其運(yùn)行情況。但是，放空檢查一般耗時(shí)較長、成本較高，而當(dāng)隧洞中存在高差較大（例如大于50 m）的豎井、坡度較陡的斜井時(shí)，常規(guī)的人工檢查和潛水員的水下作業(yè)都很難開展。

近年來，無人水下航行器在水庫大壩檢查中已有較多應(yīng)用，包括對水庫庫底、電站消力池、大壩壩面、閘門等檢查，涉及的水利水電工程包括阿海[1]、天荒坪、葛洲壩、毛家坪、金鐘、東圳、仙游[2]、三渡溪[3]以及太平灣[4]等。如能將水下航行器技術(shù)應(yīng)用于水工隧洞檢查、取代隧洞放空人工檢查，可減少檢查停機(jī)時(shí)間，從而降低檢查成本；此外，還可對豎井等常規(guī)人工檢查手段無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行檢查。

為此，在對水下航行器系統(tǒng)組成、原理以及現(xiàn)有應(yīng)用案例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探討水下航行器在水工隧洞檢修中存在的困難，分析可能的解決途徑。

1 無人水下航行器的系統(tǒng)構(gòu)成

水下航行器按照其是否能夠載人分為載人航行器（Human Occupied Vehicle，HOV）和無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）。載人水下航行器由潛水員和科學(xué)家通過觀察窗直接觀察外部環(huán)境做出核心決策，因此可處理較復(fù)雜問題；但是，由于必須提供可靠的生命安全保障和生命維持系統(tǒng)，載人水下航行器體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，且造價(jià)高昂。與之相比，無人水下航行器體型更加靈活、系統(tǒng)相對簡單，更適合長時(shí)間、大范圍和大深度的水下作業(yè)，而且造價(jià)也更加低廉。因此，在包括水利行業(yè)在內(nèi)的民用領(lǐng)域，現(xiàn)階段都只見無人水下航行器的應(yīng)用案例。

無人水下航行器系統(tǒng)包括航行器本體和地面（母船）支持系統(tǒng)。地面（母船）支持系統(tǒng)由保障對水下航行器實(shí)施布放回收、能源供給、指揮控制等的功能系統(tǒng)構(gòu)成。航行器本體由控制系統(tǒng)、載體結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)等組成。

針對水工隧洞檢查，從現(xiàn)有水下航行器產(chǎn)品中進(jìn)行選型時(shí)，首要需確定控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)確定后其載體結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及推進(jìn)系統(tǒng)就基本隨之被確定，接下來再根據(jù)對檢查成果精度的要求選擇搭載的觀察成像系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是無人水下航行器的大腦，分為遙控型和自主型，自主型又進(jìn)一步細(xì)分為預(yù)編程型和智能型。

遙控型水下航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）通過電纜或光纖與水上控制系統(tǒng)連接，工作中實(shí)時(shí)接收并遵守地面控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令。自主型水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）中，預(yù)編程型水下航行器在完成使命的過程中完全執(zhí)行預(yù)定的程序，不具備根據(jù)環(huán)境變化而重新做出規(guī)劃和決策的反應(yīng)能力；智能型水下航行器則具有在未知環(huán)境中建立環(huán)境模型，根據(jù)模型重新做出決策和規(guī)劃的能力。ROV和AUV通常又分別被稱有纜水下航行器和無纜水下航行器。

能源系統(tǒng)方面，ROV一般由水面電源通過電纜供電，AUV目前則多采用能量密度和比能量都較高的蓄電池類化學(xué)式動(dòng)力源，早期曾采用鉛酸電池和銀鋅電池，現(xiàn)常用鋰離子電池。

載體結(jié)構(gòu)方面，由于電纜供電可提供較充足的動(dòng)力，ROV一般采用框架式載體。這種形式雖然運(yùn)行阻力較大，但水下機(jī)器人總體布置比較方便，容易加掛和換裝載體上的設(shè)備儀器。AUV則通常需要采用魚雷形或扁平形載體，這是由于AUV所攜帶的能源有限，為增加水下運(yùn)行時(shí)間、減小動(dòng)力消耗，需盡量減少游動(dòng)阻力。

通信系統(tǒng)方面，ROV一般采用交流載波或光纖通信，具有通信容量大、抗電磁干擾、保密性好、體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。對于無纜的AUV，由于地面通信常用的電磁波在水下衰減極快、傳輸距離很短，AUV在水下時(shí)一般采用水聲通信，浮出水面后方可采用無線電、衛(wèi)星及以太網(wǎng)等通信手段。

值得注意的是，除了ROV和AUV，還可見到一種綜合了ROV和AUV特點(diǎn)的復(fù)合型水下航行器（Autonomous Remotely Vehicle，ARV）。ARV用微細(xì)光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的臍帶電纜向機(jī)器人傳送控制信號，同時(shí)，自帶電源而不采用電纜供電。因而，與AUV相比，ARV在水下的運(yùn)動(dòng)更加機(jī)動(dòng)靈活、精細(xì)作業(yè)能力更強(qiáng)；與ROV相比，纖細(xì)輕盈的光纖減小了航行器的負(fù)擔(dān)，使其活動(dòng)范圍大大提升。

1.2 觀察成像系統(tǒng)

水工隧洞檢查的主要任務(wù)是獲取反映洞內(nèi)情況的影像資料，因此其作業(yè)系統(tǒng)主要為觀察成像系統(tǒng)，也可搭載機(jī)械手用于輔助完成持尺測量以及移除障礙物等簡單操作。

按照成像原理，觀察成像系統(tǒng)分為聲吶成像和光電成像系統(tǒng)。聲吶成像系統(tǒng)利用聲波傳播和反射原理，通過發(fā)射和接收聲波形成回聲圖像，常用的設(shè)備包括側(cè)掃聲吶、多波束成像聲吶以及合成孔徑聲吶等[5]。水下光電成像系統(tǒng)利用光電技術(shù)獲得圖像視頻，如水下攝錄機(jī)、照相機(jī)以及激光掃描成像設(shè)備等；此外，成像系統(tǒng)還應(yīng)包括水下探照燈、控制器、視頻監(jiān)視器和電纜等輔助設(shè)備。

1.3 定位導(dǎo)航系統(tǒng)

定位導(dǎo)航系統(tǒng)為無人水下航行器提供位置、航向、深度、速度和姿態(tài)等信息，以保障航行器安全航行或作業(yè)。導(dǎo)航方法可分為自主導(dǎo)航、非自主導(dǎo)航以及視覺導(dǎo)航。

1.3.1 自主導(dǎo)航

自主定位是指航行器不依賴外界導(dǎo)航信息，僅靠自身定位設(shè)備產(chǎn)生的信息實(shí)現(xiàn)載體定位和導(dǎo)航的方式，例如慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航以及地形導(dǎo)航等。值得注意的是，慣導(dǎo)系統(tǒng)從初始條件起通過積分運(yùn)算來推算導(dǎo)航參數(shù)，因而其導(dǎo)航精度在開始工作的較短時(shí)間內(nèi)很高，隨著時(shí)間增長，誤差積累使精度降低。因此，對于需要長時(shí)間導(dǎo)航的載體，必須依靠其他外部導(dǎo)航設(shè)備提供的信息進(jìn)行校正，以確保長時(shí)間導(dǎo)航精度的要求[5]，即“捷聯(lián)導(dǎo)航”。

1.3.2 非自主導(dǎo)航

非自主導(dǎo)航需依賴外部輔助導(dǎo)航設(shè)備。常用的非自主導(dǎo)航定位為水聲定位系統(tǒng)，其工作原理為：水下航行器上的聲源發(fā)出脈沖，被設(shè)在母船或地面上的聲學(xué)傳感器接收到脈沖信號，經(jīng)過處理和按預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到聲源的位置。

1.3.3 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航利用成像設(shè)備將水下環(huán)境和目標(biāo)的信息傳遞到水面控制臺(tái)，操作人員憑借所看到的圖像控制航行器的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀及案例

無人水下航行器在水利水電工程中的應(yīng)用可分為在開放水域（如庫區(qū)、河道等）和洞室水域（如隧洞、調(diào)壓井、豎井、管道等）。航行器在開放水域中的工作條件與在海洋中相似，故起源于海洋工程中的水下航行器在水利水電工程開闊水域中的應(yīng)用并未遇到新難題，已經(jīng)有較多成功的應(yīng)用案例。

而在封閉洞室中，水下航行器原有的通信、導(dǎo)航以及觀察成像技術(shù)都遇到了不同程度的困難，目前成功應(yīng)用的案例并不多，且大多為斷面較小、長度較短的直線隧洞（管道）?，F(xiàn)有案例包括二灘水電站壓力管道[6]、錦屏二級電站進(jìn)水口[7]、南水電站引水隧洞[8]、珠江南段隧洞等。其中，除錦屏二級進(jìn)水口和二灘壓力管道直徑較大外，其他隧洞（管道）的直徑為3～4 m左右，而隧洞（管道）檢查段的長度僅100～200 m。

2.1 珠江南段隧洞及輸氣管道檢查

該隧洞全長1 480 m，隧洞直徑為3.08 m，洞內(nèi)采用平板型單層管片襯砌。隧洞滿水運(yùn)行，洞內(nèi)有兩條天然氣輸氣管道伴行。隧洞起止端各有一直徑為9.3 m的豎井，深度分別為23.5 m和28.3 m，采用鋼筋混凝土襯砌。

隧洞中輸氣管道檢查選用Mojave觀察級ROV，其工作深度為300 m，有效負(fù)載15 kg。配置14 mm、12芯微浮力臍纜，外帶屏蔽，內(nèi)置凱夫拉纖維，抗拉強(qiáng)度為300 kg，纜重94 kg/km。搭載Tritech Micro DST耐壓750 m聲吶用于定位。搭載470TV線22倍變焦水下彩色攝影機(jī)2臺(tái)，用于獲取視頻、圖像資料，輔以360°云臺(tái)、LED等設(shè)備。地面支持系統(tǒng)方面，采用ROV標(biāo)準(zhǔn)控制單元，包括視頻監(jiān)視器、水下燈光控制器、視頻疊加設(shè)備、自動(dòng)定深設(shè)備等。另外，配有用于ROV釋放回收的吊機(jī)、絞車以及發(fā)電機(jī)設(shè)備等。

檢查發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)伴行的兩條輸氣管道存在管體劃傷、局部防腐層破損（管體發(fā)綠）、雜物同防腐層粘連以及管體修補(bǔ)、焊口不平整、防腐層劃傷等缺陷。隧洞中輸氣管道部分檢查結(jié)果如圖1所示。

2.2 二灘水電站壓力管道檢查

二灘水電站壓力管道直徑9 m，由漸變段、上平段、上彎段（R=30 m）、豎井段（高70 m）、下彎段（R=30 m）以及下平段組成，軸線長度322 m，最大水深200 m。

水下檢查選用觀察級ROV，前進(jìn)推力900 N，垂直推力400 N，側(cè)向推力250 N。前、后、左、右各搭載一臺(tái)低照度環(huán)境的高清攝像機(jī)，并搭載BlueView 900-130型二維圖像聲吶，綜合視頻攝像、掃描聲吶、陀螺儀、高度計(jì)、磁羅經(jīng)、深度計(jì)、測繩等系統(tǒng)進(jìn)行定姿、定位。為保證航行器在直角彎處順利通行，避免電纜與管壁剮蹭，并減少拖曳阻力，采用零浮力電纜。

環(huán)隧洞內(nèi)壁圓環(huán)截面布置檢查測線，相鄰測線間距約2～3 m，以避免線纜纏繞。檢查發(fā)現(xiàn)襯砌接縫不平整、細(xì)微裂縫、混凝土局部脫落、鈣質(zhì)析出等輕微缺陷50余處，集中出現(xiàn)在上彎段與豎井段，部分檢查結(jié)果如圖2所示。

3 水下航行器檢查水工隧洞存在的問題及對策分析

3.1 聲信號多途反射，水聲技術(shù)應(yīng)用受影響

由于聲波在水中傳播時(shí)的損耗遠(yuǎn)小于電磁波和光波，水聲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水下航行器的定位導(dǎo)航、觀察成像及信息通信。在水工隧洞中，由于水體四周為圍巖、鋼筋混凝土或鋼管，在狹小空間中發(fā)射的聲波在洞壁產(chǎn)生多次反射相干，形成復(fù)雜的混響背景，導(dǎo)致回波信號的信噪比降低，解析難度大大增加，使各種水聲技術(shù)的應(yīng)用受到不同程度的影響。

圖1 珠江南段隧洞中輸氣管道水下檢查部分結(jié)果Fig.1 Results of underwater inspection of gas pipeline in the tunnel of southern section of Zhujiang river

圖2 二灘水電站壓力管道水下檢查部分結(jié)果Fig.2 Results of underwater inspection of penstock in Ertan hydropower station

具體地，對于水聲定位導(dǎo)航技術(shù)，由于采用的聲波頻率較低（約為10 kHz左右）[9]，抗干擾能力較弱，因而在回波信號干擾較強(qiáng)的隧洞（管道）中幾乎無法正常工作。而對于聲吶成像技術(shù)，雖然其聲波頻率較高，抗干擾能力較強(qiáng)，但多次反射波干擾將降低回波信號的信噪比，影響成像質(zhì)量。各種聲吶技術(shù)的聲波工作頻率范圍如圖3所示。

3.2 洞徑大，較難清晰成像

由于水介質(zhì)對可見光有較強(qiáng)的吸收和散射作用，光能量衰減較快，其傳播距離僅為透明空氣中的千分之一。理論上，水下光電成像設(shè)備的可視距離約為30 m左右，藍(lán)綠光在水中衰減相對較小，水下可視距離可達(dá)100 m以上[10]，但在實(shí)際操作中，水下光電設(shè)備在自然水體中的可視距離一般不超過10 m，有效成像范圍約為5 m左右，而且水質(zhì)越渾濁，可見距離越小。水工隧洞直徑動(dòng)輒十余米，水體中還包含泥沙、浮游生物等雜質(zhì)，因而采用光電成像設(shè)備較難獲得洞壁的清晰圖像。

為獲得較為清晰的圖像，目前常用的方案之一是使航行器緊貼隧洞洞壁來回行進(jìn)多次，每次僅觀察行駛路徑附近較小區(qū)域。這一方法雖然技術(shù)可行，但工作量非常大，檢查效率較低。當(dāng)可視范圍約1 m時(shí)，單次檢查洞壁區(qū)域?qū)挾炔淮笥? m，對于大直徑水工隧洞，需要來回折返10余次才能覆蓋整個(gè)環(huán)形洞壁。當(dāng)洞內(nèi)有淤積或洞壁有附著物時(shí)，航行器貼壁行駛時(shí)將擾動(dòng)淤積物和附著物，使水體變得渾濁，更加影響檢查效果和檢查效率。

除了改進(jìn)行駛路徑，另一種思路是采用聲吶成像。為保證聲吶成像精度，聲吶設(shè)備的聲波頻率一般要求在0.5 MHz以上。當(dāng)前部分主流廠商的成像聲吶設(shè)備標(biāo)稱的最高工作頻率和成像分辨率見表1所示。值得注意的是，雖然各產(chǎn)品標(biāo)稱的分辨率都達(dá)到了厘米甚至毫米級，但實(shí)際成像質(zhì)量與設(shè)備的工作環(huán)境、條件等多種因素有關(guān)，可能并不一定能夠達(dá)到預(yù)期效果，國外部分設(shè)備的聲吶成像圖像見圖4。

3.3 洞軸線非直線，纜線在轉(zhuǎn)彎處摩擦受阻

很多水工隧洞軸線并非直線，在平面和剖面皆可能存在轉(zhuǎn)彎。當(dāng)采用ROV或ARV對此類隧洞進(jìn)行檢查時(shí)，ROV的臍帶纜（或ARV光纖）在隧洞拐彎處與洞壁接觸，發(fā)生摩擦，一方面會(huì)增大航行器的行進(jìn)阻力，另一方面還可能使臍帶纜（光纖）發(fā)生斷裂?？偟膩碚f，隧洞拐彎次數(shù)越多、拐角越大、轉(zhuǎn)彎處距離航行器入口和出口處越遠(yuǎn)以及隧洞總長度越長，檢查的難度越大。

為應(yīng)對上述情況，可采用的措施有如下幾種，具體實(shí)施時(shí)，需綜合考慮工程實(shí)際情況、有機(jī)結(jié)合各種措施：

（1）采用零浮力臍帶纜，盡量使纜繩懸浮在水中、避免與洞壁接觸。

（2）提升臍帶纜（光纖）強(qiáng)度，降低其被拉斷的可能性。

表1 國外部分主流廠商旗艦成像聲吶分辨率Table 1 Resolution of sonar imaging from mainstream manufacturers

（3）提升航行器推進(jìn)力和動(dòng)力，保證能夠順利前行。對于通過臍帶纜供電的航行器，該措施較容易實(shí)現(xiàn)；而對于搭載電池電源、使用光纖傳輸控制信號的航行器，更強(qiáng)的推進(jìn)力意味著更大的能耗，進(jìn)而需要更大或更高效的電池。更大的電池將導(dǎo)致更大的自重，反過來又需要更強(qiáng)的推進(jìn)力；更高效的電池則意味著成本的提高，而且技術(shù)也不一定能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖4 國外部分主流廠商旗艦多波束聲吶成像成果Fig.4 Results of flagship multi-beam sonar imaging from mainstream manufacturers

（4）超量放纜，避免臍帶纜（光纖）出現(xiàn)過于緊繃的狀態(tài)。實(shí)際操作中，超量放纜的時(shí)機(jī)和量對效果的影響較大——開始太晚或超量太少時(shí)，臍帶纜（光纖）依舊會(huì)緊繃、并在拐彎處發(fā)生較嚴(yán)重的摩擦；開始太早、超量太多則可能會(huì)出現(xiàn)臍帶纜（光纖）纏繞問題。因此，超量放纜這一措施對現(xiàn)場工作人員的技能和經(jīng)驗(yàn)依賴程度較高。此外，超量放纜還會(huì)導(dǎo)致較難再通過放纜長度對航行器進(jìn)行定位。

（5）轉(zhuǎn)彎處設(shè)置導(dǎo)向裝置，避免臍帶纜（光纖）與洞壁直接接觸。導(dǎo)向裝置可為類似于定滑輪的設(shè)備，通過滾動(dòng)摩擦替代滑動(dòng)摩擦，可有效緩解問題。但這一措施存在的問題在于：目前民用水下航行器搭載的機(jī)械手基本沒有能力安裝導(dǎo)向裝置，需要人工完成上述工作。

3.4 洞線長，行進(jìn)阻力大

水工隧洞長度從數(shù)百米到十余千米，如采用ROV對長隧洞進(jìn)行檢查，航行器將需要克服較大的電纜重力和纜線阻力。纜線阻力是指臍帶纜（光纖）在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力和粘性壓差阻力。其中，摩擦阻力與系統(tǒng)的濕表面積有關(guān)，粘性壓差阻力與體型有關(guān)。隨著電纜長度增加，其表面積增加，相應(yīng)摩擦阻力增大。張艷輝［11］計(jì)算了一直徑為4.25 mm的電纜在不同的流速下電纜阻力隨行進(jìn)距離的變化情況，如圖5所示，電纜阻力隨運(yùn)動(dòng)距離的增大呈直線上升（由于該計(jì)算所采用的水深為1 m，電纜入水角度保持為90°，可認(rèn)為行進(jìn)距離近似等于纜長）。為應(yīng)對上述情況，可考慮采用的措施如下：

（1）采用零浮力纜線，可較大程度緩解電纜重力帶來的問題。

（2）提升航行器的推進(jìn)力和動(dòng)力。但是，如無法提升推進(jìn)系統(tǒng)的效率，更強(qiáng)的推進(jìn)力通常需要更大功率的能源供應(yīng)，這對于ROV通常需要更粗的臍帶纜，而臍帶纜直徑增大又會(huì)增大表面積，進(jìn)而增大摩擦阻力。

（3）采用ARV。ARV所采用的光纖的自重和表面積都遠(yuǎn)小于電纜，因而可很大程度減小航行器的行進(jìn)阻力。但是，光纖的抗拉強(qiáng)度一般也小于鎧裝電纜，因而更容易發(fā)生斷裂等問題。此外，ARV本體自帶電池的供能模式使其在水下的工作時(shí)間和行進(jìn)距離受到一定限制。

此外，不采用電纜和光纖的AUV自然可避免纜線重力大、阻力大、斷裂等一系列問題。但是，目前民用領(lǐng)域采用的AUV在復(fù)雜路線（例如“緊貼洞壁往返”）行進(jìn)、自動(dòng)甄別鎖定問題等方面還存在一定局限，而且遙控AUV的聲波指令和AUV應(yīng)答信息也無法在隧洞中正常傳播。另外，實(shí)際應(yīng)用中還需考慮萬一航行器在隧洞工作時(shí)發(fā)生故障，如何對其進(jìn)行定位和回收，以避免對發(fā)電系統(tǒng)造成影響。

圖5 纜線阻力隨行進(jìn)距離和速度的變化Fig.5 Tether force VS speed of vehicle

4 結(jié)語

起源于海洋工程的水下航行器技術(shù)在水利水電工程開闊水域中已有較多成功應(yīng)用的案例，但在水工隧洞檢查中應(yīng)用尚少。隨著近年長引水電站和抽水蓄能電站的大量建成，對水工隧洞的檢查日益迫切，以往的放空人工檢查方式已無法適用，水下航行器在水工隧洞檢查中將發(fā)揮重要作用。