林泓，李靈汐

(福州大學(xué)，福建 福州 350108）

0 引言

我國(guó)水系眾多，全國(guó)各地水壩水庫(kù)分布廣泛，水電水利領(lǐng)域設(shè)施建設(shè)發(fā)達(dá)，數(shù)量多、分布廣、差異大，造成當(dāng)前我國(guó)水電水利基礎(chǔ)設(shè)施水下檢測(cè)、清理、勘探難度大，專業(yè)團(tuán)隊(duì)規(guī)模難以滿足現(xiàn)實(shí)需求。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人因其工作高效性、操作便捷性和安全可靠性等諸多優(yōu)勢(shì)逐漸代替人工進(jìn)行水下作業(yè)，成為水利水電基礎(chǔ)設(shè)施定期維護(hù)的一大有力助手。當(dāng)前我國(guó)水下機(jī)器人的發(fā)展具有一定技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)可循，本文將結(jié)合各地有纜遙控水下機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例針對(duì)優(yōu)點(diǎn)與弊端進(jìn)行深入思考和初步探析。

1 水下機(jī)器人的分類及其特點(diǎn)

根據(jù)是否載人，水下潛水器可分為載人潛水器(見(jiàn)圖1a[1]、b[2])和無(wú)人潛水器兩類，其中載人潛水器一般簡(jiǎn)稱為HOV，無(wú)人潛水器一般簡(jiǎn)稱為UUV。水下機(jī)器人一般是指無(wú)人潛水器[3]，水下機(jī)器人可根據(jù)與水面是否有支持設(shè)備分為有纜遙控水下機(jī)器人（一般簡(jiǎn)稱為ROV）（見(jiàn)圖1c[1]、d[4]）與自治水下機(jī)器人（一般簡(jiǎn)稱為AUV）（見(jiàn)圖1e[1]、f[4]），根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同ROV常分為移動(dòng)式、浮游式和拖曳式三種[5]。

圖1 當(dāng)前典型水下潛水器

HOV的主要作用是在復(fù)雜的深海環(huán)境下協(xié)助科研人員完成高效的資源勘探、周密的科學(xué)考察和連續(xù)的開(kāi)發(fā)作業(yè)等任務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)是可為科研人員提供直接觀察深海的環(huán)境，利于準(zhǔn)確地做出決策。目前我國(guó)在大深度載人潛水器領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平，2020年11月10日8時(shí)由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、集成的萬(wàn)米載人潛水器“奮斗者”號(hào)在馬里亞納海溝10909米的深度上坐底，創(chuàng)造了在載人深潛領(lǐng)域我國(guó)的歷史新紀(jì)錄，為我國(guó)探索深?？茖W(xué)奧秘、保護(hù)和合理利用海洋資源提供了又一重要的科研利器[2]。但由于任務(wù)安全性差、深海水壓大等不利因素，載人潛水器存在著一定的局限性[6]。ROV的最大特點(diǎn)是通過(guò)臍帶纜連接水面支持設(shè)備與ROV，操作人員在水面或岸邊通過(guò)遙控裝置操縱ROV作業(yè)。ROV可通過(guò)母船獲得源源不斷的能量，能在水下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，且可在ROV主體上加裝機(jī)械臂等作業(yè)工具，以適應(yīng)各種不同場(chǎng)合的使用。AUV則無(wú)需通過(guò)臍帶纜與水面支持設(shè)備相連，依靠自身攜帶的動(dòng)力，按照人們預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)行自主航行[7]。盡管AUV可極大降低人員風(fēng)險(xiǎn)，但是其動(dòng)力能源有限，續(xù)航時(shí)間短，難以執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，另外其使用后的回收問(wèn)題至今沒(méi)有較好解決方法，特別是在大深度、高輻射、高危險(xiǎn)地區(qū)使用的AUV回收將更加困難，一定程度上會(huì)造成環(huán)境污染與破壞。

綜上所述，ROV由于其實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)能夠滿足絕大多數(shù)水利水電工程領(lǐng)域的應(yīng)用需求，因此在我國(guó)已將ROV應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域[8]。

2 應(yīng)用于水利工程水電領(lǐng)域有纜遙控水下機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 水庫(kù)大壩閘門(mén)的水下檢測(cè)與清理

若有異物如枕木、泥沙進(jìn)入水庫(kù)大壩閘門(mén)門(mén)槽內(nèi)淤積或卡死時(shí)，很可能會(huì)造成閘門(mén)落底失敗或閘門(mén)既無(wú)法落下，又無(wú)法收回的危險(xiǎn)情形。因此為了確保安全需要在閘門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟前，確認(rèn)閘門(mén)門(mén)槽內(nèi)的異物狀況，如有必要應(yīng)清理淤積異物，確保綜合評(píng)估認(rèn)為不存在安全隱患，方能落放閘門(mén)。鑒于開(kāi)閘次數(shù)多、水下異物辨識(shí)難、清理工作時(shí)效慢等現(xiàn)實(shí)情況，難以通過(guò)專業(yè)人員快速完成檢測(cè)清理工作，可通過(guò)ROV破解上述難題，閘門(mén)的水下檢測(cè)與清理實(shí)例如圖2所示。利用水下定位系統(tǒng)、水下多波束圖像聲納系統(tǒng)，對(duì)ROV的水下位置進(jìn)行確定，同時(shí)掌握水下建筑物的結(jié)構(gòu)形狀[9-11]。后續(xù)操作人員可通過(guò)操作遙控手柄，將ROV遙控至閘門(mén)處。在近距離水下建筑物的整體通過(guò)水下高清攝像和聲吶掃描的方式進(jìn)行觀察，對(duì)水下閘門(mén)的異物情況進(jìn)行觀察并將圖像通過(guò)臍帶纜傳輸至岸基處。岸上操作人員通過(guò)操控機(jī)械臂可快速開(kāi)展堆積物清理工作，并可通過(guò)圖像實(shí)時(shí)評(píng)估完成進(jìn)度，為水壩閘門(mén)的落放提供了有利的安全保障，相較于潛水員水下作業(yè)具有安全性高、工作時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)深度深、操作性簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[8]。

圖2 閘門(mén)的水下檢測(cè)與清理實(shí)例圖

2.2 消力池的水下檢測(cè)

消力池是水工建筑物常用的消能設(shè)備之一，消力池底板的安全穩(wěn)定是水庫(kù)大壩正常發(fā)電和汛期安全泄洪的重要保證。由于大流量高速水流和夾渣的沖擊，消力池底板易誘發(fā)空化、空蝕破壞以及磨蝕、沖坑、錯(cuò)臺(tái)等缺陷，從而由局部破壞帶動(dòng)大面積失穩(wěn)破壞，存在安全隱患，需要定期檢測(cè)底板狀態(tài)。在水質(zhì)較好的清水環(huán)境內(nèi)，可利用ROV水下高清攝像以及機(jī)械手等設(shè)施，進(jìn)行水下檢測(cè)消力池底板的穩(wěn)定性，如圖3所示。在水質(zhì)較差的復(fù)雜水域環(huán)境下，ROV視頻攝像技術(shù)所拍攝的畫(huà)面不清晰[9，12-13]。若采用水下多波束圖像聲納系統(tǒng)，它發(fā)出的聲波在遇到被測(cè)物后會(huì)反射回聲納表面，再利用回波獲得被測(cè)物的聲納圖像信號(hào)，因此采用多波束聲納圖像并結(jié)合水面光線輔助定向措施后，系統(tǒng)便能可清晰辨識(shí)消力池的輪廓及尺寸，在百米范圍內(nèi)全方位檢測(cè)水下消力池底板沖刷破損情況、查明露筋等缺陷位置，較潛水員水下作業(yè)更方便安全[14]。

圖3 消力池的水下檢測(cè)實(shí)例圖

2.3 水庫(kù)大壩壩體的水下檢測(cè)

鋼筋混凝土材料在我國(guó)的水庫(kù)大壩壩體修建中被廣泛使用，隨著時(shí)間的推移，在水庫(kù)大壩壩體表面或內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂縫、空洞等缺陷。大壩庫(kù)區(qū)面積大、水質(zhì)清，因此可以采用ROV進(jìn)行具體的水下檢測(cè)，充分發(fā)揮ROV的水下優(yōu)勢(shì)。通過(guò)ROV攜帶的水下多波束圖像聲納系統(tǒng)對(duì)大壩壩體進(jìn)行檢測(cè)，確定大壩的滲漏位置，再利用基于CNN的高清攝像技術(shù)對(duì)滲漏處進(jìn)行視頻觀察，同時(shí)通過(guò)電腦存儲(chǔ)圖像資料及ROV的位置信息，為后期大壩壩體加固提供資料。壩體的水下檢測(cè)實(shí)例圖如圖4所示[5，7，15]。

圖4 壩體的水下檢測(cè)實(shí)例圖

3 應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域有纜遙控水下機(jī)器人的發(fā)展前景

盡管有纜遙控水下機(jī)器人在水利水電工程檢測(cè)中的具有較好的應(yīng)用現(xiàn)狀，但由于實(shí)際檢測(cè)環(huán)境可能存在水質(zhì)較渾濁、臍帶攬被水下雜物纏繞、水流較快難以有效控制等情況，始終制約著有纜遙控水下機(jī)器的應(yīng)用前景。因此未來(lái)有纜遙控水下機(jī)器人應(yīng)該朝著高智能化、自動(dòng)化的水下沉積物識(shí)別，高效率、高精度的水下沉積物定位，簡(jiǎn)潔、高效的控制穩(wěn)定控制等方向發(fā)展。

3.1 高智能化、自動(dòng)化的水下操作

目前水下清理工作依賴于負(fù)載機(jī)械臂與成像系統(tǒng)相互配合，通常由成像系統(tǒng)反饋目標(biāo)畫(huà)面，在岸上操作人員控制下操控機(jī)械臂對(duì)體積較大的堆積物進(jìn)行破碎、挖除[16]。當(dāng)野外水下作業(yè)環(huán)境泥沙沉積較多，單純依靠成像系統(tǒng)辨別目標(biāo)將會(huì)使得ROV工作陷入停滯，工作時(shí)限與清理效果都難以保證。此外應(yīng)對(duì)體積較小的堆積物時(shí)，在水質(zhì)渾濁條件下對(duì)目標(biāo)物的辨別定位存在一定阻礙。由此可見(jiàn)，有攬水下機(jī)器人通常需適應(yīng)水體巨大、環(huán)境復(fù)雜、能見(jiàn)度不一的工作條件，應(yīng)對(duì)水下精細(xì)化清理任務(wù)，因而迫切需要提升ROV智能識(shí)別技術(shù)，對(duì)水下清理對(duì)象進(jìn)行快速辨析和處理、調(diào)度系統(tǒng)、自主控制負(fù)載在盲像區(qū)域開(kāi)展工作，在一定程度上擺脫ROV對(duì)操作人員的依賴性。

3.2 高效率、高精度的水下定位

遙感水下機(jī)器人較傳統(tǒng)人工作業(yè)有著較大的高效優(yōu)勢(shì)，應(yīng)對(duì)每年我國(guó)汛期水下工程應(yīng)急監(jiān)測(cè)和應(yīng)急搶修，ROV因其操作安全性和設(shè)備便攜性有著巨大的應(yīng)用空間。但遙感水下機(jī)器人所配備的供給動(dòng)力和輸送控制的臍帶攬讓水下機(jī)器人的移動(dòng)受限，且連接母船與本體的臍帶攬?jiān)谛羞M(jìn)過(guò)程中被水下雜物纏繞也成為應(yīng)急操作時(shí)的一大隱患[10]。目前各地水庫(kù)工作應(yīng)用中常采用成像技術(shù)與機(jī)械臂操作相互配合對(duì)行進(jìn)過(guò)程中的雜物進(jìn)行移除，從而避免推進(jìn)器被纏繞而發(fā)生系統(tǒng)故障不得不中止作業(yè)，但此過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，難以應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)急水電水利病險(xiǎn)探測(cè)和搶修工作[5]。而集成聲吶探測(cè)技術(shù)現(xiàn)下主要應(yīng)用于水電水利工程水下檢測(cè)領(lǐng)域，如大壩閘門(mén)、消力池和大壩壩體等水下結(jié)構(gòu)的水下檢測(cè)，水下沉積物搜尋目標(biāo)物的辨識(shí)和定位具有一定成效。由此我們可以將聲吶探測(cè)技術(shù)結(jié)合智能分析系統(tǒng)對(duì)前方障礙物進(jìn)行趨避，計(jì)算出水下最佳行進(jìn)路線實(shí)行繞障礙行進(jìn)，降低推進(jìn)器纏繞風(fēng)險(xiǎn)，以提升ROV水下行進(jìn)速度，縮短移動(dòng)時(shí)耗，為作業(yè)實(shí)施延長(zhǎng)時(shí)限，以應(yīng)對(duì)病險(xiǎn)水利特殊情況下滿足水下情況勘探和搶修應(yīng)急的特定需求。

3.3 簡(jiǎn)潔、高效的穩(wěn)定控制

有纜水下機(jī)器人的水下移動(dòng)主要由岸上操作人員依據(jù)水下環(huán)境圍繞作業(yè)目的進(jìn)行操控，操控系統(tǒng)主要是依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)結(jié)合水下操作的自由度進(jìn)行耦合性的使用[6]，但有纜水下機(jī)器人在作業(yè)時(shí)通常需要根據(jù)不同目的搭配不同負(fù)載和設(shè)備，因此各個(gè)作業(yè)任務(wù)點(diǎn)的不同水下機(jī)器人的整體重量等物理參數(shù)存在變化，使得目前應(yīng)用于我國(guó)水電水利工程的有纜水下機(jī)器人只能滿足于流速不大于1m/s的穩(wěn)定水況，現(xiàn)實(shí)情況是在眾多壩體檢測(cè)、應(yīng)急搶修或是橋洞勘探作業(yè)中水流環(huán)境往往超出上述限定范圍，對(duì)有纜水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和應(yīng)用場(chǎng)景都有所影響[17]。因而針對(duì)有纜水下機(jī)器人作業(yè)的可變性，需進(jìn)一步提升控制算法與水下探測(cè)成像穩(wěn)定性，為機(jī)器人在惡劣水環(huán)境下水下作業(yè)提供更加穩(wěn)定的控制體系，實(shí)現(xiàn)精確、有效的操控。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，有纜遙控水下機(jī)器人依靠自身的靈活性可以代替潛水員完成諸如未知水況的急性作業(yè)需求，水質(zhì)惡劣地域的垃圾治理，有毒有害污染物的清除等許多水下工作，并在水利水電工程領(lǐng)域的應(yīng)用中已經(jīng)嶄露頭角，通過(guò)所搭載的聲吶和攝像頭，可對(duì)閘門(mén)、消力池、大壩壩體等設(shè)施進(jìn)行全方位的檢測(cè)與清理，大大提升了工作效率與降低了工作風(fēng)險(xiǎn)。但綜合目前各方面的技術(shù)來(lái)看，水下環(huán)境復(fù)雜多變、水質(zhì)漩渦等因素均會(huì)影響水下機(jī)器人的操作，離有纜遙控水下機(jī)器人在水利水電工程大規(guī)模的應(yīng)用仍有一定距離，需要進(jìn)一步提升相關(guān)技術(shù)，拓寬其使用場(chǎng)景。