梁 俊，甘孝清，韓賢權(quán)，劉 超

水下無人探測系統(tǒng)在巖坎爆破效果調(diào)查中的應(yīng)用

梁 俊，甘孝清，韓賢權(quán)，劉 超

（長江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

首先討論了水下無人探測系統(tǒng)的各個組成部分及其功能特點，在某巖坎爆破后的水下調(diào)查項目中展開了應(yīng)用研究。根據(jù)現(xiàn)場狀況設(shè)計了相應(yīng)的調(diào)查方案，采用水下機器人攝像與水聲定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行水下調(diào)查。使用水下機器人對爆渣塊體進(jìn)行水下拍攝，同時查找有無未爆巖體；使用水聲定位系統(tǒng)控制水下機器人的位置和前進(jìn)方向，通過水下機器人的行走路徑確定爆堆的形狀、高度和坡度。最后對巖坎爆破效果進(jìn)行綜合評價。

水下無人探測系統(tǒng)；水下機器人；巖坎爆破；水下調(diào)查

1 概 述

中國是一個壩工大國，已建成8萬多座水庫大壩，這些大壩在防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運等方面，為我國國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了巨大作用；而水庫大壩一旦出現(xiàn)危險，將給國家和人民的生命財產(chǎn)安全帶來不可估量的損失，因此水庫大壩在生產(chǎn)建設(shè)過程中的水下安全問題，一直受到國內(nèi)外壩工界的普遍關(guān)注。但是，采用常規(guī)手段難以及時準(zhǔn)確地檢測和掌握這些水下隱蔽工程的情況，也難以及時對可能存在的安全隱患進(jìn)行檢修和處理，從而影響水工建筑物的正常運行。如何全面、科學(xué)、及時地把握水庫大壩的水下安全狀況，是一個急待解決的課題。

水下無人探測系統(tǒng)技術(shù)為解決水下探查問題提供了一個有效的解決方案。水下無人探測系統(tǒng)集功能強大、作業(yè)水深大、作業(yè)時間長、安全度高、經(jīng)濟性強等優(yōu)勢于一身，可實時進(jìn)行水下視頻檢測和觀測，在國外已廣泛用于水利水電行業(yè)的船閘、壩體、橋墩、排沙口、攔污柵、病險水庫等的水下檢查，水下工程質(zhì)量監(jiān)控，協(xié)助水下結(jié)構(gòu)的安裝和日常檢查檢修等。為我國水利電力行業(yè)水下工程作業(yè)提供了一個全新的解決方案與思路。

2 水下調(diào)查設(shè)備及方法介紹［1－3］

水下無人探測系統(tǒng)由水下機器人（主機）、臍帶管理系統(tǒng)、水面控制臺、水聲定位系統(tǒng)4部分組成。水下機器人主機是水下攝像頭、各種探測或檢測傳感器、水下作業(yè)工具等的運動平臺；臍帶管理系統(tǒng)通過臍帶纜將水面的動力和控制命令下傳給水下機器人，將其獲得的視頻、聲納以及其他傳感器數(shù)據(jù)上傳給控制臺；水面控制臺則可對水下機器人的運動、燈光、云臺、焦距、搭載的傳感器進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，并顯示或記錄相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)或水下圖像（圖1）。

圖1 Stealth 2水下無人探測系統(tǒng)Table 1 Stealth 2 Remotely Operated Vehicle（ROV）System

水下無人探測系統(tǒng)主機小巧靈活、控制操作簡便（通過控制臺上的多個旋鈕即可控制機器人的所有動作，包括：前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上升、下沉；燈光強弱和攝像頭焦距；云臺俯仰等）；水下機器人可攜帶定位聲納、多頻或二維圖像掃描聲納、多參數(shù)水質(zhì)檢測傳感器（YSI）、機械手等；可實時進(jìn)行水下視頻檢測和觀測［4－5］。

上述系統(tǒng)包含水下機器人運動平臺、高精度水下聲學(xué)定位系統(tǒng)、圖像掃描聲納、和機械手等，該系統(tǒng)可在最大潛水深度內(nèi)完成所有水下探測檢查作業(yè)，具有以下功能特點：

（1）在高能見度環(huán)境中可使用高分辨率的前后攝像頭對水下地形地物進(jìn)行視頻檢測、修復(fù)部位檢查、輔助水工結(jié)構(gòu)維修、滲流調(diào)查和潛水員安全監(jiān)控。

（2）在低能見度環(huán)境中可使用高分辨率的圖像掃描聲納對水下地形進(jìn)行聲納圖像掃描、障礙物避碰。配備掃描聲納的機器人可在任何水體（清水或渾水）中進(jìn)行作業(yè)。

（3）可對水下機器人或?qū)λ鶛z測的目標(biāo)進(jìn)行高精度定位，用于確定病險位置、需要補強和修復(fù)的位置；尤其對在水中具有垂直或近似垂直結(jié)構(gòu)的大壩（系統(tǒng)可繪制整個大壩的掃描圖）、過江或跨河橋梁的橋墩進(jìn)行檢查時，具有快速、精確的特點。而且，對應(yīng)于不同的工程需要，用戶可靈活選擇使用不同精度的定位系統(tǒng)。

（4）遙控機械手可將用戶傳感器運載到指定位置、可撿起失落在水中的物體、可進(jìn)行簡單的水下作業(yè)。

（5）操作人員可遙控操作機器人，不用潛水和到達(dá)危險的水域就可完成大面積、大深度的搜索、檢查和水下作業(yè)。

總之，水下無人探測系統(tǒng)可完成大面積、大深度視頻觀測、探查、聲納掃描、水下精確定位、簡單水下作業(yè)、測量結(jié)果記錄存檔和后續(xù)分析，具有靈活、快速、安全、可靠，不受季節(jié)、地點和水體渾濁與否的限制［6－7］。

3 水下無人探測系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

3.1 某巖坎爆破工程概況

某電站為Ⅰ等工程大（1）型規(guī)模，其永久性主要建筑物包括上庫主壩、副壩、庫岸防護(hù)、上庫進(jìn)（出）水口、引水隧（支）洞、地下廠房抽水發(fā)電系統(tǒng)、尾水隧（支）洞、下庫出（進(jìn)）水口等。

下水庫尾水隧洞共2條，需要使用爆破方式拆除預(yù)留巖坎，如圖2所示。經(jīng)設(shè)計反復(fù)優(yōu)化，并通過水工模型試驗拆除最大縱深水平長度為50余m，總拆除方量較大（不含圍堰削薄及混凝土子圍堰等預(yù)拆除工作量）。預(yù)留巖坎拆除爆破時的最大水深約為20余m。受地質(zhì)、基礎(chǔ)條件限制，預(yù)留巖坎與永久建（構(gòu)）筑物距離較近。

圖2 周邊建筑物分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of building distribution

該電站下庫出（進(jìn)）水口巖坎結(jié)構(gòu)特殊，周邊環(huán)境復(fù)雜，拆除方量大，在國內(nèi)同類拆除爆破工程中，其拆除單一巖坎拆除方量位居前列，該巖坎拆除屬A級拆除爆破工程（圖2）。

3.2 巖坎爆破水下調(diào)查的目的和內(nèi)容

本次水下調(diào)查的主要目的是對巖坎爆破效果進(jìn)行初步評價，為水下清渣施工提供指導(dǎo)。水下調(diào)查的內(nèi)容包括爆渣大小摸查和爆堆形狀調(diào)查。

3.3 巖坎爆破水下調(diào)查方法與相關(guān)措施

巖坎爆破水下調(diào)查采用水下機器人攝像及水聲定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式。水下機器人對爆渣塊體進(jìn)行水下拍攝，同時查找有無未爆巖體；水聲定位系統(tǒng)控制水下機器人的位置和前進(jìn)方向，通過水下機器人的行走路徑確定爆堆的形狀、高度和坡度。其工作現(xiàn)場見圖3所示。

圖3 水下無人探測系統(tǒng)現(xiàn)場工作示意圖Fig.3 ROV operation photograph in site

3.4 調(diào)查斷面劃分及水下機器人行進(jìn)方向

本次水下調(diào)查分別沿爆堆橫向和縱向2個方向進(jìn)行。

橫向的檢測分為多個斷面，在每個攔污柵柱處設(shè)置一個斷面。每個橫向斷面調(diào)查時先將水下機器人沉到堰內(nèi)最底部，然后向堰外方向前進(jìn)，順爆堆內(nèi)坡往上爬，翻過堆頂后，順爆堆外坡下沉，直至爆堆底。

縱向也分為多個斷面，在進(jìn)行縱向斷面調(diào)查時，先將水下機器人置于左岸，下沉至預(yù)定高程后，由左至右貼著爆堆行進(jìn)，最終到達(dá)出（進(jìn)）水口右岸，這樣就能夠得到縱向的水底地形剖面曲線。

4 水下無人探測系統(tǒng)的調(diào)查結(jié)果

4.1 爆渣情況調(diào)查

通過多個橫向斷面和縱向斷面的調(diào)查結(jié)果來看，可將爆渣分為4大類型：較碎塊體（粒徑基本在30 cm以下）、一般塊體（粒徑以30 cm以下為主，少量夾雜30～60 cm粒徑塊體）、較大塊體（粒徑60～100 cm）和大塊體（粒徑大于100 cm）。4類塊體中較碎塊體和一般塊體為主，約占88%左右，大塊體約占總量的2%左右，詳見圖4和圖5。從錄像資料可以看出，爆堆內(nèi)緣（堰內(nèi)）以較碎塊體和一般塊體為主，夾雜少量較大塊體，基本無大塊體；爆堆外緣（堰外）以較大塊體和大塊體為主。從清挖施工的角度來看，目前爆堆內(nèi)緣及堆頂?shù)却蟛糠植课坏谋梢詽M足當(dāng)前設(shè)備清挖的要求，爆堆外緣的部分大塊石可能要采取相應(yīng)的措施予以清挖。

圖4 各類塊體數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.4 Different kinds of blocks statistical graph

4.2 巖坎爆破效果綜合評價

使用水下無人探測系統(tǒng)結(jié)合水聲定位裝置，對巖坎爆破后的水下狀況勘察的結(jié)果是：從爆堆形狀及爆渣大小來看，巖坎沒有尚未爆破的地方，爆渣基本符合設(shè)計要求，以較碎塊體和一般塊體為主，滿足清挖施工的要求。從水聲定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及水下機器人拍攝的視頻資料的分析來看，爆堆形狀合理，符合爆破設(shè)計的要求。爆堆內(nèi)緣坡度約30°～40°，爆堆外緣坡度約35°～45°，外緣坡度略高于內(nèi)緣坡度。水下三維地形詳細(xì)請見圖6。經(jīng)過水下無人探測系統(tǒng)進(jìn)行水下探查后，可以直觀地看到巖坎爆破的效果較好，但局部仍存在一些大塊體，相對于所采用的清挖設(shè)備而言具有較大的清挖難度，須制定專門的施工措施。

圖5 爆渣各類塊體影像圖Fig.5 Images of various blocks

圖6 水下三維地形假彩色模擬圖Fig.6 Underwater 3D terrain pseudocolor simulation graph

［1］ 馮正平.國外自治水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］.魚雷技術(shù)，2005，13（1）：5－9.（FENG Zheng-ping.A Review of the development of autonomous underwater vehicles（AUVs）in Western Countries［J］.Torpedo Technology，2005，13（1）：5－9.（in Chinese））

［2］ 桑恩方，龐永杰，卞紅雨.水下機器人技術(shù)［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，3（3）：8－12.（SANG En-fang，PANG Yong-jie，BIAN Hong-yu.Technology of underwater vehicle［J］.Robot Technique and Application，2003，3（3）：8－12.（in Chinese））

［3］ 任福君，張 嵐.水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，18（4）：317－320.（REN Fu-jun，ZHANG Lan.Development state of underwater vehicles［J］.Journal of Jiamusi University（Natural Science Edition），2000，18（4）：317－320.（in Chinese））

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［6］ CASTELLANOSJA，TARDOSJD.Mobile Robot Localization and Map［M］.Building：A Multisensor Fusion Approach.Kluwer Academic Publishers 2000：12－13.

［7］ WILLIAMSSB，DISSANAYAKE G，DURRANT-WHYTE Hugh.An efficient approach to the simultaneous localization and mapping problem［C］∥In IEEE International Conference on Robotics and Automation，［s.l.］：［s.n.］2002：406－411.

Application Research of Remotely Operated Vehicle for Underwater Exploration of Rock Bar Blasting

LIANG Jun，GAN Xiao-qing，HAN Xian-quan，LIU Chao
（Yangtze River Scientific Research Institute，Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR，Wuhan 430010，China）

Firstly，each part of the unmanned detection system underwater and their function characteristics were discussed in detail.And then this system was used in reserved rock bar blasting underwater exploration of some project.Corresponding investigation scheme was designed，which included conducting the camera shooting by ROV（remotely operated vehicle）and underwater positioning by acoustic positioning system.Moreover，this ROV did not only take the photograph underwater on broken rock blocks，but also could look for unblasting rock mass.The ROV position and forward direction were determined by the acoustic positioning system.And the shape，height，slope and profile of a muck-pile were determined by ROV forward path.Finally，the effect of rock bar blasting was comprehensive evaluated.

unmanned detection system underwater；remotely operated vehicle（ROV）；rock bar blasting；underwater exploration

TP242.6；TV698.1

A

1001－5485（2010）02－0016－04

2009-02-17

水利部“948”項目水下無人探測系統(tǒng)技術(shù)（200710）；長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研項目（YWF0906）

梁 俊（1977-），男，浙江臨海人，工程師，博士，主要從事 GIS遙感圖像處理、三維數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用研究，（電話）13476285125（電子信箱）keyindex＠163.com。

（編輯：曾小漢）

長江科學(xué)院三項成果獲湖北省優(yōu)秀工程咨詢成果獎

湖北省工程咨詢協(xié)會2009年會暨湖北工程咨詢論壇在武漢召開，會上頒發(fā)了2009年度湖北省優(yōu)秀工程咨詢成果獎。長江水利委員會長江科學(xué)院有3項成果獲獎，其中“華能岳陽電廠三期工程水資源論證與防洪評價報告”獲一等獎，“天門凱迪生物質(zhì)能發(fā)電廠（1×25 MW）水土保持方案研究報告”和“武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)神龍公司第三工廠一期場平工程2008年度吹填采砂可行性論證報告”獲三等獎。

（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）