芮 鈞，華 濤，夏 洲，鄭健兵

(南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，南京 211000)

0 引 言

水電工程通常會在河流上修建大壩，對時空分布不均的天然來水進行科學調(diào)配，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化綜合利用。由于大壩的建設成本十分高昂，且大壩一旦出現(xiàn)問題，將對下游地區(qū)人民群眾的人身和財產(chǎn)安全、地方經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重威脅。為此，我國一直十分重視大壩的安全管理，建立了極為嚴格的技術和管理體系。水電站建設過程中，會在大壩中埋設大量傳感器，全面觀測大壩建設期和運行期的內(nèi)部應力、應變、滲漏以及外部變形等信息，并由水電工程管理單位及第三方定期開展大壩的安全分析評估，確保大壩始終處于安全狀態(tài)。

近年來，國內(nèi)越來越關注大壩水下部分表面缺陷對大壩安全造成的影響。許多大中型水電站正積極探索并實踐大壩水下部分表面的檢查工作。目前，大多數(shù)水電站仍然采用潛水員下潛作業(yè)的方式，由潛水員攜帶配有照明燈的水下攝像機，利用手掌探摸接近觀察區(qū)域，經(jīng)目視確認后進行錄像觀測。潛水員每次下潛作業(yè)時間十分有限，且無法攜帶水下攝像機以外的其他檢查設備。深水作業(yè)時潛水員需氦氧飽和潛水，需提供水面支持系統(tǒng)，對電、氧氣、氦氣、水以及場地要求較高，且潛水作業(yè)風險非常大。因此，這種作業(yè)方式效率低、成本貴、作業(yè)風險大，難以很好地滿足大壩水下檢查需求。

隨著云大物移智等新興技術快速發(fā)展和逐步應用于工業(yè)領域，國內(nèi)各個流域水電開發(fā)公司均積極響應國家“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的發(fā)展戰(zhàn)略，開展水電站智能化建設工作。其中,積極引進工業(yè)機器人技術，實現(xiàn)水電站大壩水下機器人安全檢查，以及廠房內(nèi)的機器人智能巡檢，是智能化建設的重要內(nèi)容之一。然而，國內(nèi)ROV推進系統(tǒng)、導航、運動控制等研究工作均局限于海洋ROV[1-10]，無法滿足水電工程檢查的需要。本文分析國內(nèi)外主流的有纜遙控潛水器(ROV)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內(nèi)水電站試點應用海洋ROV進行大壩安全檢查過程中的主要問題，研究水電站大壩安全檢查ROV的特殊應用需求及需要解決的關鍵技術，為研制適用于水電站大壩安全檢查的ROV裝備提供依據(jù)。

1 水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀

水下機器人也稱水下無人潛水器(Unmanned Undersea Vehicle，UUV)，主要分為有纜遙控潛水器(Remotely Operated Vehicles，ROV)和無纜自治潛水器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，其中有纜遙控潛水器又分為自航式、拖航式和爬行式3種。ROV的優(yōu)點是水面操作人員可實時觀察到水下環(huán)境并遙控操作，對機器智能要求不高，缺點是由于電纜連接，其活動范圍有限；AUV的優(yōu)點是由于沒有電纜連接，其活動范圍較大，不受母船制約，不足是對機器智能要求較高，目前僅限于簡單的水下探測作業(yè)。

1960年，美國成功研制了世界上第一個真正意義上的有纜水下機器人ROV-CURV。該機器人在西班牙外海找到了一顆失落在海底的氫彈，在全世界引起了極大地轟動。20世紀70年代以后，由于海洋油氣業(yè)的迅速發(fā)展，ROV也得到飛速發(fā)展。1975年，美國研制了第一個商業(yè)化的水下機器人-“RCV-225”，用于北海油田和墨西哥灣。1987年，法國國家海洋開發(fā)中心建造了“埃里特”聲學遙控潛水器，用于水下鉆井機檢查、海底油機設備安裝、油管輔設等復雜作業(yè)。1988年，日本海事科學技術中心建造了萬米級無人遙控潛水器。近年來，日本海洋科學與技術中心研制了KAIKO 7000水下機器人，最大工作水深7 000 m。加拿大Seamor Marine公司研發(fā)的專用于淺海水下勘察和輕量級作業(yè)的Seamor300系列ROV。

我國自二十世紀80年代初開始研制ROV。1985年，中國科學院沈陽自動化研究所聯(lián)合上海交通大學自主研制了我國第一艘無人遙控水下機器人“海人一號(HR-1)”，下潛深度199 m。自1986年開始，中國科學院沈陽自動化研究所又先后研制了RECON-IV-300-SIA-01、02、03型ROV，“金魚號”輕型觀察用水下機器人。2004年，上海交通大學水下研究所自主研制了“海龍?zhí)枴盧OV，完成了 3 500 m水下測試。2009年，中國科學考察船第21航次第三航段考察中，首次使用水下機器人“海龍2號”在東太平洋海隆“鳥巢”黑煙囪區(qū)觀察到罕見的巨大黑煙囪，并用機械手準確抓獲約7千克黑煙囪噴口的硫化物樣品。2010年，中國科學院沈陽自動化研究所研制了北極ARV，集AUV和ROV技術特點于一體，曾多次在北極科考活動中自主完成指定海冰區(qū)的冰下光透射輻照度、海冰厚度、冰底形態(tài)、海洋環(huán)境等參數(shù)測量工作。

從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，目前ROV已經(jīng)成為一種成熟的產(chǎn)品，形成了一個新的產(chǎn)業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界有近300家廠商提供各種ROV整機、零部件以及ROV服務，ROV產(chǎn)品已經(jīng)超過110種。ROV在海洋開發(fā)的許多領域得到了廣泛地應用，最大下潛深度已達一萬米。AUV則受人工智能發(fā)展水平的限制，還不能完全實現(xiàn)自治控制，每次作業(yè)前需要由人對作業(yè)任務進行分解并進行任務規(guī)劃，以預編程的控制方式保證水下機器人按事先計劃的程序完成作業(yè)。水下機器人初期主要以軍事為目的，重點圍繞援潛救生、武器打撈和水雷對抗等目標，至今仍有相當數(shù)量的水下機器人應用于軍事領域。目前，ROV在海洋科學考察、水下考古、海洋救助與打撈救生、水下工程等方面均得到了廣泛的應用。例如，在海洋科學考察中，ROV能夠用來記錄海底地形、繪制海底地圖、獲取土樣和巖石樣本、測定海底生物形態(tài)，采集生物樣本、測定地球磁場，考察石油、天然氣、礦物資源，考察海底火山活動情況等；在水下工程應用中，可以進行各類水下工程部位的檢查、水下設備的搜索，以及石油鉆井平臺基礎清理、水下構件除銹等作業(yè)。

2 智能水電廠ROV應用研究

2.1 應用場景分析

我國部分大中型水電站自2010年左右開始進行ROV初步應用探索[11,12]。如2009年，長江科學院工程安全所引進加拿大Shark Marine公司的ROV應用于三峽水利樞紐工程、白蓮河抽水蓄能電站等工程中，開展了水下凝土狀態(tài)、巖坎爆破效果、電站進水口淤積等方面的檢測、探查工作。2010年，小灣電站第三階段蓄水之前引進英國SEAEYE公司的FALCON 12167觀察型ROV，對1號、2號放空底孔進行水下觀測。2012年，阿海水電站利用FALCON ROV攜帶彩色成像聲納、水下攝像機對1號機組進水口檢修閘門槽進行探測和觀察，并利用機械手清理了部分雜物[13]。2016年，上海交通大學利用其研制的“海馬-500”中型水下作業(yè)級ROV對二灘水電站6號引水隧洞進行了聲光學復合全面檢測。

結(jié)合ROV發(fā)展現(xiàn)狀及在水電工程中的試點應用結(jié)果分析，ROV在水電工程水下安全檢查和作業(yè)中具有比較廣闊的應用場景。例如，在水電站建設過程中，可以使用ROV清理電站進水口淤積，檢查閘槽、底坎是否有異物，避免下閘蓄水過程中被卡住。電站建成投產(chǎn)后，可以使用ROV定期檢查水庫大壩及閘門水下部分的裂縫、損壞情況，檢查船閘底樞、底止水和斜接柱水下部分的完整性，檢查引水隧洞沖蝕、裂縫、剝落、底板磨損、混凝土襯砌結(jié)構與鋼襯結(jié)合部以及鋼襯完整性，監(jiān)視和輔助潛水員進行水下作業(yè)，利用帶機械臂的ROV完成機組攔污柵清理工作。此外，還可以讓ROV通過尾水管進入水輪機組底部，對水輪機組進行檢查。智能水電廠是指以自動化、數(shù)字化、信息化為基礎，利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等技術，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應能力，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效運行的水電廠。因此，利用ROV技術構建智能化的大壩水下安全檢查技術體系，是智能水電廠的重要技術內(nèi)容。與傳統(tǒng)水電廠采用的人工下潛檢查方式相比，基于ROV技術的智能化水下安全檢查技術體系將產(chǎn)生如下效益：①降低水下檢查的風險。大中型水電站水下檢查通常大于60 m水深，深水作業(yè)風險非常大，極端情況下對潛水員生命造成一定的危險。采用ROV進行水下檢查不僅避免了人身危險，而且即使ROV在檢查中發(fā)生動力故障無法返航，也能夠通過臍帶電纜或利用其自身浮力來收回ROV，避免ROV設備的損失風險。②大幅度降低水下檢查工作的成本。大中型水電站水深大，需要聘請高水平的潛水員進行操作，人工成本十分高昂。ROV不僅購置成本低于人工檢查成本，并且從業(yè)務需求來看ROV完全可以在多個電站之間共享應用，從而通過分攤進一步降低了ROV的使用成本。③縮短水下檢查的時間。潛水員在水下單次停留時間短，并且每天潛水次數(shù)受限，即使較簡單的水下檢查任務，也需要較多天數(shù)才能完成。ROV設備通過臍帶電纜從岸基獲取電力，因此可以不限時連續(xù)作業(yè)，因此能夠大幅度減少任務完成天數(shù)。④能夠檢查原來人工無法檢查的項目。對于高水壓的引水隧洞等，潛水員無法進入檢查，必須要排空所有水才能進行作業(yè)。ROV則可以直接在引水隧洞高壓力水中工作，不需要放空引水隧洞，從而避免由此帶來的水量及電量損失。⑤信息采集質(zhì)量更高。潛水員手持水下攝像機拍攝的影像資料難以避免畫面晃動等問題，ROV設備在水下運行時穩(wěn)定性更高，因而采集的圖像和視頻質(zhì)量好于潛水員，并且能夠?qū)崿F(xiàn)水下影像實時傳送。⑥信息采集范圍更加全面。潛水員通常僅攜帶水下攝像機進行檢查，采集的信息相對單一。ROV設備除了獲取實時影像之外，還可以攜帶聲納等大量其他設備，單次水下作業(yè)采集的信息更加豐富。

2.2 關鍵技術研究

如前所述，我國部分大中型水電站已經(jīng)開展了試點應用研究，也在ROV應用方法、場景和效益等方面掌握了一定的成果。然而，上述水電站均使用了海洋ROV產(chǎn)品進行水下檢查。由于海洋ROV的工作環(huán)境、產(chǎn)品特性以及業(yè)務需求，與水電工程大壩水下檢查存在較大的差異，導致多數(shù)水電工程采用ROV進行水下檢查時未能達到所期望的水平，ROV水下檢查的效益未得到充分發(fā)揮，進而影響了ROV在水電工程中的應用推廣。經(jīng)過分析，造成上述問題的主要原因在于：①海洋中的水質(zhì)較清，可視距離相對較遠。水庫下的可視距離則通常低于1 m，部分甚至低于50 cm，遠低于在海洋中的可視距離。②部分海洋ROV不具備橫向移動功能，而大壩水下部分檢查則需要在水平方向沿著大壩作橫向連續(xù)移動，因此部分海洋ROV無法滿足大壩表面檢查需要。③海洋ROV按照海水浮力進行殼體設計，在海洋中運行時受到的浮力剛好抵消其重力。淡水浮力小于海水，海洋ROV在水庫中使用時必須依賴垂直推進器保持ROV在固定深度，比較難以保持自身穩(wěn)定，尤其當水中臍帶電纜太長時，垂直推進器動力不足將使得ROV沉到水底。④在對機組進水口附近進行檢查時，相鄰機組發(fā)電會帶來明顯的紊流，海洋ROV的動力系統(tǒng)并無該工況的針對性設計，動力和穩(wěn)定性難以滿足相鄰機組運行工況下的水下檢查任務。⑤部分水電站有壓引水隧洞長達數(shù)公里，海洋ROV臍帶電纜長度大多無法滿足水電站有壓引水隧洞、壓力鋼管檢查的要求，臍帶電纜加長又會帶來電力傳送問題。

因此，智能水電廠需要在傳統(tǒng)的海洋ROV技術的基礎上，結(jié)合水電廠大壩水下檢查的工作環(huán)境、產(chǎn)品特性以及業(yè)務需求，在以下關鍵技術方面開展深化研究：①嚴重濁度下的導航定位和測量技術，優(yōu)選聲學導航技術，并結(jié)合視覺導航技術和慣性導航技術，建立基于超短基線定位系統(tǒng)、小量程聲吶系統(tǒng)、多波速聲吶系統(tǒng)、高靈敏度水下攝像機等組成的綜合導航和測量系統(tǒng)，提高ROV設備的導航和測繪能力，滿足水庫大壩底部檢查的需求。②具備橫向移動及原地旋轉(zhuǎn)能力的動力系統(tǒng)，優(yōu)化設計ROV本體推進器的布置方式，實現(xiàn)前進后退、上浮下潛、橫向移動、水平旋轉(zhuǎn)等運動能力，使得ROV本體能夠在自動與大壩表面保持固定距離的情況下橫向移動檢查，以及在引水隧洞、尾水管等有限空間內(nèi)原地旋轉(zhuǎn)作360度檢查。③圖像識別及距離量測技術，能夠從視頻中抓取快照并進行處理，并采用圖像識別技術自動判別大壩裂縫及常見缺陷，可以在電腦屏幕上人工選定裂縫進行裂縫長度測量，選定表面剝落區(qū)域并自動進行面積測量，同時也能夠自動進行問題區(qū)域的定位(距離測量)計算，便于后期進行缺陷修復。④淡水強紊流環(huán)境下的穩(wěn)定控制技術，根據(jù)淡水比重優(yōu)化ROV結(jié)構設計，使得ROV本體的浮力能夠抵消其重力。同時，通過使其浮心遠高于重心的結(jié)構設計、動力系統(tǒng)功率增加以及優(yōu)化的推進器部署方式，進一步增強其在淡水中的穩(wěn)定性，從而滿足僅需關閉待檢查機組，不影響相鄰機組發(fā)電的應用需求。⑤長臍帶電纜下的ROV本體供電及通信技術，進一步優(yōu)化ROV驅(qū)動方式，完善動力系統(tǒng)以及通信方式設計，改善臍帶電纜結(jié)構，將目前臍帶電纜最長1 km延長至5 km以上，滿足國內(nèi)部分水電站長引水隧洞檢查需求。

2.3 研制技術路線

國外ROV設備購買、租賃及維修成本非常十分昂貴，也難以很好地滿足智能水電廠水下檢查的需求，客觀上限制了ROV在水利水電行業(yè)內(nèi)的應用。因此，有必要在研究并掌握上述關鍵技術的基礎上，研制國產(chǎn)化的水電工程ROV設備。水電工程ROV設備研制應該采用模塊化的思想，將其分為本體、控制系統(tǒng)、臍帶電纜三個部分。本體部分通常包括深度傳感器、電子羅盤、水下攝像機、照明燈、溫度傳感器、高分辨率圖像聲吶、剖面聲吶、多波束聲吶、多普勒測速儀等測量裝置及導航系統(tǒng)等測量系統(tǒng)。本體部分還可以根據(jù)需要配置機械手用于攜帶各類外接工具。ROV控制系統(tǒng)分為水上控制設備和水下控制設備，水上控制設備應能夠監(jiān)視和操作ROV本體，并向ROV本體提供所需的動力；水下控制設備應能夠接收水上控制設備發(fā)出的指令，使ROV本體正確動作并完成作業(yè)任務。臍帶電纜包括主纜、系纜和中繼器，用于連接ROV本體和水上控制設備，實現(xiàn)電源傳輸和雙向通信。臍帶電纜應選用強度大、防水、抗壓、絕緣的材質(zhì)，避免發(fā)生損壞或斷裂導致ROV本體丟失。

在設計中應該重點考慮以下因素：①工作深度，即水下機器人在正常使用過程中所能達到的最大深度，水電工程ROV工作深度至少應達到200 m以上；②水平航行速度，每小時水平航行距離應達到為1～2 km，速度約0.5～1 m/s。③自身重量，包括載體框架、推進器、密封艙、作業(yè)工具等，水電工程ROV屬于大型ROV，重量相對較重。設計時可使浮力略大于重力，使得ROV本體故障導致失控時能夠憑借自身浮力浮出水面。④有效載荷，即ROV在水下攜帶作業(yè)裝備的承載能力，主要需要考慮ROV水下作業(yè)的任務范圍。⑤推進器，推進器的數(shù)量及安裝方式，應該同時滿足水電工程水下檢查各類運動能力要求以及紊流下的穩(wěn)定控制要求。⑥控制線 纜，主要是長度應能夠滿足國內(nèi)大中型水電廠有壓引水隧洞檢查要求，同時還應能夠防止控制線纜纏繞等問題。需要注意的是控制線纜長度還將會影響動力系統(tǒng)的設計，避免因動力電纜過長而導致本體受電電壓不足等問題。此外，還需要考慮人工智能圖像識別技術的應用，以及ROV設備系統(tǒng)運輸、下水和回收的便捷性等問題。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合當前大量智能水電廠建設中擬采用ROV進行水電工程水下部分檢查，迫切需要了解ROV技術是否適用于水電工程的情況，介紹了國內(nèi)外ROV技術發(fā)展現(xiàn)狀， 以及國內(nèi)多個水電站探索應用的情況，分析水電工程中的應用場景及意義，并詳細分析了當前海洋ROV應用于水電工程時的問題。在此基礎上，結(jié)合水電工程ROV應用環(huán)境特點及業(yè)務需求，分析了適用于水電工程的ROV需要解決的關鍵技術及解決思路，提出了研制水電工程ROV的技術路線對于推動國產(chǎn)化水電工程ROV研制和應用，提升水電工程安全性具有重要的作用。本文僅解決了水電工程ROV研制的宏觀層面問題，水電工程ROV的各項關鍵技術還需要開展進一步的針對性深入研究。