呂 驥，張洪星，陳 浩

（上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司，上海 201306）

水下機(jī)器人（ROV）在水庫大壩檢測作業(yè)的安全分析

呂 驥，張洪星，陳 浩

（上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司，上海 201306）

文章針對現(xiàn)有的水庫大壩水下檢測作業(yè)中，缺少ROV相關(guān)的作業(yè)安全分析（JSA）規(guī)范的事實，提出有必要制定JSA方案，以便適應(yīng)于水庫大壩水下檢測作業(yè)。通過分析ROV的作業(yè)環(huán)境，討論ROV作業(yè)團(tuán)隊的安全隱患及對策，ROV設(shè)備的安全及對策。通過采用JSA，包括在編寫項目作業(yè)方案時進(jìn)行風(fēng)險預(yù)判，以及列出ROV作業(yè)相關(guān)的子項并逐條分析作業(yè)風(fēng)險，從“軟件”方面提高設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的使用安全等級。

水下機(jī)器人（ROV）；水庫大壩；檢測作業(yè)；作業(yè)安全分析（JSA）

1 背景介紹

水下機(jī)器人（Remote Operational Vehicle，ROV），或者說無人有纜潛器，是一種利用自身搭載的儀器設(shè)備在水下進(jìn)行人為操縱作業(yè)的潛水設(shè)備。水下的ROV本體有浮力材料、框架、推進(jìn)器及相應(yīng)的電子艙，水上的控制系統(tǒng)通過一定長度的臍帶纜將電力和控制信號傳到水下的ROV本體，并將數(shù)據(jù)信號上傳到控制系統(tǒng)并輸出。ROV本體利用浮力材料來調(diào)整載荷的大小，通過改變框架來選擇搭載諸如高清攝像頭、廣角/微光攝像頭、圖像聲吶、三維掃描聲吶、側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、超短基線信標(biāo)、多功能機(jī)械手、采樣儀器等設(shè)備。其廣泛應(yīng)用于海洋油氣作業(yè)、海底管道檢測、科學(xué)考察等海洋水體，也可適用于陸上水體的水下結(jié)構(gòu)物觀測、水庫電站的檢測以及漁業(yè)觀測作業(yè)等。

在國內(nèi)的水利水電工程中，現(xiàn)有9萬多座水庫大壩，內(nèi)河流域還有眾多水閘需要檢測［1］。這些水庫大壩中，除了近十年新建的大型、特大型水庫和高壩，多數(shù)為建國后十年修建的中小型水庫，以現(xiàn)在的安全標(biāo)準(zhǔn)來評估，多數(shù)水庫大壩存在諸多安全隱患。在水庫大壩安全檢測和維護(hù)過程中，需要探明水下混凝土缺陷、大壩滲漏、面板裂縫與淘蝕、金屬結(jié)構(gòu)腐蝕和水庫淤積等安全運行隱患。

作為水利水電水下設(shè)施的現(xiàn)場檢測技術(shù)手段之一，相比利用超聲波、水下電視、電磁法、電場法、電極法等其他現(xiàn)場檢測技術(shù)，利用ROV作為檢測平臺，可以搭載光學(xué)和聲學(xué)儀器對大壩、涵洞、閘門等水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下全方位掃描檢測，并可對重點部位近距離“駐足”觀測測量。檢測數(shù)據(jù)通過數(shù)字化的形式儲存，形成水庫、大壩、水閘等結(jié)構(gòu)的“體檢”檔案。

在海洋油氣作業(yè)中，考慮各種海況變化的不確定性，ROV的作業(yè)安全分析-Job Safety Analysis（JSA）是作為行業(yè)規(guī)范來執(zhí)行的。而在現(xiàn)有的水庫大壩水下檢測作業(yè)中，沒有ROV相關(guān)的作業(yè)安全分析規(guī)范。一方面，國內(nèi)越來越重視利用新的高科技手段，包括水下機(jī)器人，來確保滿足在水利工程從簡單到復(fù)雜等各種環(huán)境條件下的作業(yè)安全要求。另一方面，隨著ROV產(chǎn)業(yè)化的推廣，ROV制造企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ谭?wù)帶動產(chǎn)品銷售，在各種小型/中型ROV應(yīng)用到水利工程服務(wù)中，尤其是相對具有復(fù)雜環(huán)境的水庫大壩水下檢測作業(yè)時，設(shè)備的自身安全和適應(yīng)作業(yè)要求的改裝也變得日益重要。所以，制定適應(yīng)于水庫大壩水下檢測作業(yè)的ROV作業(yè)安全分析（JSA）就變得很有必要。

2 ROV作業(yè)環(huán)境分析

在水利水電工程中，ROV作業(yè)環(huán)境一般位于水庫大壩的壩前和壩后區(qū)域、引水隧洞/涵洞的充水環(huán)境、內(nèi)河水閘和橋梁的水下區(qū)域等。其工作環(huán)境因素包括：水流速、水下能見度、水面雜物、水底堆積物和水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。

3 ROV人員的安全及對策

ROV作業(yè)是以團(tuán)隊合作為基礎(chǔ)的，考慮到在水利水電工程的檢測作業(yè)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的安全隱患，需要考慮作業(yè)人員的安全注意事項并采取相應(yīng)的對策。

3.1 高壓電

電動觀察級ROV工作電壓是220V交流或380V交流。經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換臍帶纜傳輸270～300V直流，這些電壓值對人員構(gòu)成了潛在的危害。

作業(yè)級ROV，輸入工作電壓為380V交流，經(jīng)過變壓器升壓輸出2000/3000V高壓，通過臍帶纜到達(dá)ROV的變壓器模塊，這些高壓對人員構(gòu)成潛在的危害。

3.2 推進(jìn)器

電動ROV的推進(jìn)器需要在下水前后進(jìn)行岸上檢測調(diào)試，這時要注意避免觸碰高速推進(jìn)器，防止造成傷害。

液壓ROV也要進(jìn)行岸上調(diào)試，推進(jìn)器的壓力控制可達(dá)300Bar以上，對接近推進(jìn)器的人員構(gòu)成了潛在的危險。

3.3 液壓油

ROV系統(tǒng)中的液壓油泄漏會對環(huán)境造成污染。

3.4 對策措施

（1）根據(jù)技術(shù)手冊，熟知推進(jìn)器、變壓器的工作原理。

（2）穿戴勞保防護(hù)用品。

（3）連接/拆卸系統(tǒng)各部分的電纜線時，應(yīng)確保電源控制箱的主電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。檢修人員要配置兩人，一人操作，一人看護(hù)協(xié)作，保證手干燥或戴絕緣手套，拆線前先用接地導(dǎo)線棒接觸放電，使用萬用表檢查帶電情況。

（4）針對推進(jìn)器，在進(jìn)行岸上推進(jìn)器調(diào)試時，檢測人員和ROV操作員要時刻保持對講機(jī)工作正常、溝通正常，同時避免正面接觸高速運行的推進(jìn)器。

4 ROV設(shè)備的安全及對策

水下檢測是水利工程日常管理、應(yīng)急搶修、水庫大壩安全評估不可或缺的重要技術(shù)手段?；赗OV的水下檢測技術(shù)已經(jīng)越來越多應(yīng)用于水利工程中，包括：三峽大壩的導(dǎo)流底孔封堵檢修門水下清理工作［2］， 長江航道治理中的應(yīng)用［3］， 基于三維成像聲吶技術(shù)的水下結(jié)構(gòu)檢測方法［4］，在阿海水電站大壩、閘門槽和流道的水下檢測應(yīng)用［5］。

4.1 作業(yè)時設(shè)備的安全隱患

ROV在水庫大壩水下檢測中會有一定的使用局限性：首先在應(yīng)用中存在臍帶纜易纏繞和大壩滲漏點難于發(fā)現(xiàn)的問題［6］；其次，不宜在流速大于0.75m/s、垃圾雜物多、水下結(jié)構(gòu)復(fù)雜等環(huán)境中檢測作業(yè)，避免出現(xiàn)水下樹枝、漁網(wǎng)、垃圾袋等雜物纏繞臍帶纜和推進(jìn)器的問題；在水質(zhì)較差的區(qū)域，需要依靠聲吶系統(tǒng)代替光學(xué)攝像來獲取結(jié)構(gòu)信息，但是聲吶儀器的精度差異造成掃描成像的質(zhì)量問題。

4.2 采取的對策

對于這些作業(yè)中出現(xiàn)的問題和難點的解決，一方面是“硬件”方面的提高，包括高清攝像技術(shù)的應(yīng)用，高精度聲吶掃描成像技術(shù)的應(yīng)用；另一方面，通過采用作業(yè)安全分析（JSA），在人員和管理上從“軟件”方面提高設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的使用安全等級。

5 ROV的作業(yè)安全分析（JSA）的應(yīng)用

ROV的作業(yè)安全分析（JSA）是一種應(yīng)用于設(shè)備作業(yè)安全的評估手段。它主要是根據(jù)項目方案中對ROV在作業(yè)中所有可能出現(xiàn)的安全隱患和風(fēng)險做出預(yù)先分析和評估并做出安全分析表格，然后通過作業(yè)團(tuán)隊的討論溝通完善這個表格內(nèi)容，使得作業(yè)團(tuán)隊充分理解整個項目的風(fēng)險意識，并在同業(yè)主溝通項目方案時，按照J(rèn)SA的事項獲得業(yè)主的支持和理解，從而提高項目方案的可行性。

JSA工作安排在現(xiàn)場勘查作業(yè)完成后，配合項目作業(yè)方案同時展開。這里通過現(xiàn)場案例的回顧，來展示JSA的工作。

5.1 編寫項目作業(yè)方案，進(jìn)行風(fēng)險預(yù)判

根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果對作業(yè)中存在的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判，找出作業(yè)中可能存在的風(fēng)險點。一般JSA由經(jīng)驗豐富的主管領(lǐng)導(dǎo)主持，作業(yè)團(tuán)隊成員全部參與。要明確作業(yè)中可能存在的風(fēng)險，并找出應(yīng)對的方法，確保作業(yè)中人員和設(shè)備安全得到有效的保障。對限制性作業(yè)內(nèi)容，嚴(yán)格遵守作業(yè)許可制度，按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，特殊作業(yè)還需要另行申請備案，確保作業(yè)中不出現(xiàn)安全隱患，最大限度的保障人員和設(shè)備的安全。

一般常見ROV作業(yè)JSA主要包括工作人員的直接風(fēng)險和非直接風(fēng)險、設(shè)備在作業(yè)中存在的直接或間接風(fēng)險。人員工作中存在的非直接性風(fēng)險包括工作中通訊不暢，人員滑倒、摔傷，搬運姿勢不正確導(dǎo)致扭傷等；人員的直接風(fēng)險包括作業(yè)中因誤操作或設(shè)備故障等因素導(dǎo)致的人員被機(jī)器磕傷，電擊，液壓沖擊，噪聲等因素傷害。

作業(yè)風(fēng)險控制的方法是根據(jù)作業(yè)時產(chǎn)生的風(fēng)險和控制等級對作業(yè)中的風(fēng)險進(jìn)行分類，提高風(fēng)險的辨識與控制力度，科學(xué)提高作業(yè)安全系數(shù)。

5.2 列出作業(yè)子項

在方案列出后，具體列出ROV作業(yè)相關(guān)的子項并逐條分析作業(yè)風(fēng)險。

5.2.1 ROV布放方式

根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場環(huán)境條件來確定，可以選擇ROV在岸上連接調(diào)試完成后，通過岸上吊機(jī)吊放入水。ROV使用LOCK-LATCH鎖扣裝置，通過岸上人員操作，給水面ROV解鎖釋放；或者通過水面小船的人員給水面的ROV解扣。

5.2.2 ROV碰撞和推進(jìn)器纏繞

在ROV上安裝防護(hù)支架或防碰墊，保護(hù)ROV本體在水下運動時搭載的傳感器等設(shè)備。ROV操作手操作ROV在水下運動時，要觀察水下情況，避開水下的網(wǎng)狀物或繩子，減少對ROV的威脅。如果ROV的運動軌跡與實際操作的軌跡有偏離（跑偏或者轉(zhuǎn)圈），可能造成臍帶纜有異物纏繞或者推進(jìn)器本身故障，回收ROV出水檢查。

5.2.3 臍帶纜纏繞

ROV領(lǐng)航員按照作業(yè)前確定的下水路線（下水點的確定，水下多少高程開始移位）下潛和回收，下潛過程若路徑因水下結(jié)構(gòu)物有變化，提醒副操在下水記錄表中記錄結(jié)構(gòu)物特征和所處位置，回收ROV時在路徑變化位置注意。岸上放纜人員時刻觀察臍帶纜在水中的走向，聽從ROV領(lǐng)航員的放纜長度；在回收纜過程中如發(fā)現(xiàn)拉纜費力或拉不動立即停止拉纜，并需提醒ROV領(lǐng)航員，ROV領(lǐng)航員根據(jù)聲納圖像標(biāo)定的反射板距離確定ROV的位置定位。

考慮壩體鐵質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)對ROV路徑的影響，ROV不要貼近壩體，以避免局部較大流速造成操作和定位困難。為避免該類風(fēng)險，在作業(yè)前需要對作業(yè)區(qū)域有一定的了解。

（1）對孔洞門槽位置的辨認(rèn)。

（2）水下移動方向辨識。

（3）清理和搬運大體積重物。采用作業(yè)級ROV，搭載多功能機(jī)械手。

（4）清理狹小分析內(nèi)的異物。搭載多功能機(jī)械手，在機(jī)械手能夠工作的區(qū)域使用機(jī)械手，在設(shè)備運動不暢的區(qū)域使用外接工具代替ROV本體進(jìn)行工作。

（5）臍帶纜在繃緊的情況下被水下結(jié)構(gòu)割破甚至割斷的極端情況。

（6）ROV本體被引水隧洞附近的水流帶向攔污柵被掛住/卡住，而無法靠自身動力掙脫。通過業(yè)主確認(rèn)可否將ROV被吸的引水隧洞所在機(jī)組關(guān)閉，調(diào)整為遠(yuǎn)端機(jī)組發(fā)電。或者等待機(jī)組檢修時再考慮ROV解脫。

圖1列出了有關(guān)ROV的作業(yè)安全分析（JSA）應(yīng)用的邏輯框圖。

圖1 ROV的作業(yè)安全分析應(yīng)用邏輯框圖

6 結(jié)論

本文通過提出并制定一種適應(yīng)于水庫大壩ROV水下檢測作業(yè)的JSA方法（ROV的作業(yè)安全分析），使得在面對水庫大壩復(fù)雜環(huán)境的水下檢測作業(yè)時，ROV及搭載儀器的自身安全性得以提高，而且還擴(kuò)大了作業(yè)設(shè)備的改裝適應(yīng)性。

［1］賈金生.中國水利水電工程發(fā)展綜述［J］.Engineering，2016，2（03）： 302-312.

［2］單宇翥，陳洋.水下機(jī)器人在三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門水下清理工程中的應(yīng)用［J］.大壩與安全，2005（03）：51-53.

［3］張晏方，鄧勇，畢文煥，等.水下隱蔽工程檢測技術(shù)在長江航道整治工程中的應(yīng)用［J］.水運工程，2010（10）：64-69.

［4］戴林軍，郝曉偉，吳靜，等.基于三維成像聲納技術(shù)的水下結(jié)構(gòu)探測新方法［J］.浙江水利科技，2013（03）：62-65.

［5］李福年，陳慕雄，田維坤.ROV原理及在阿海水電站工程中的應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2013（03）：119-121，133.

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TV698.1

A

1672-2469（2017）10-0112-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.031

2017-08-08

呂 驥（1978年-），男，工程師。