有纜遙控潛水器(ROV)在智能水電廠中的應(yīng)用

芮 鈞，華 濤，夏 洲，鄭健兵

(南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211000)

0 引 言

水電工程通常會(huì)在河流上修建大壩，對(duì)時(shí)空分布不均的天然來水進(jìn)行科學(xué)調(diào)配，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化綜合利用。由于大壩的建設(shè)成本十分高昂，且大壩一旦出現(xiàn)問題，將對(duì)下游地區(qū)人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)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(yán)格的技術(shù)和管理體系。水電站建設(shè)過程中，會(huì)在大壩中埋設(shè)大量傳感器，全面觀測大壩建設(shè)期和運(yùn)行期的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)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(píng)估，確保大壩始終處于安全狀態(tài)。

近年來，國內(nèi)越來越關(guān)注大壩水下部分表面缺陷對(duì)大壩安全造成的影響。許多大中型水電站正積極探索并實(shí)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(jī)，利用手掌探摸接近觀察區(qū)域，經(jīng)目視確認(rèn)后進(jìn)行錄像觀測。潛水員每次下潛作業(yè)時(shí)間十分有限，且無法攜帶水下攝像機(jī)以外的其他檢查設(shè)備。深水作業(yè)時(shí)潛水員需氦氧飽和潛水，需提供水面支持系統(tǒng)，對(duì)電、氧氣、氦氣、水以及場地要求較高，且潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)非常大。因此，這種作業(yè)方式效率低、成本貴、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)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(shù)快速發(fā)展和逐步應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，國內(nèi)各個(gè)流域水電開發(fā)公司均積極響應(yīng)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(shè)工作。其中,積極引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水電站大壩水下機(jī)器人安全檢查，以及廠房內(nèi)的機(jī)器人智能巡檢，是智能化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。然而，國內(nèi)ROV推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)應(yīng)用海洋ROV進(jìn)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(yīng)用需求及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，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(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

水下機(jī)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(diǎn)是水面操作人員可實(shí)時(shí)觀察到水下環(huán)境并遙控操作，對(duì)機(jī)器智能要求不高，缺點(diǎn)是由于電纜連接，其活動(dòng)范圍有限；AUV的優(yōu)點(diǎn)是由于沒有電纜連接，其活動(dòng)范圍較大，不受母船制約，不足是對(duì)機(jī)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(gè)真正意義上的有纜水下機(jī)器人ROV-CURV。該機(jī)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(dòng)。20世紀(jì)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(gè)商業(yè)化的水下機(jī)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(xué)遙控潛水器，用于水下鉆井機(jī)檢查、海底油機(jī)設(shè)備安裝、油管輔設(shè)等復(fù)雜作業(yè)。1988年，日本海事科學(xué)技術(shù)中心建造了萬米級(jí)無人遙控潛水器。近年來，日本海洋科學(xué)與技術(shù)中心研制了KAIKO 7000水下機(jī)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(jí)作業(yè)的Seamor300系列ROV。

我國自二十世紀(jì)80年代初開始研制ROV。1985年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合上海交通大學(xué)自主研制了我國第一艘無人遙控水下機(jī)器人“海人一號(hào)(HR-1)”，下潛深度199 m。自1986年開始，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所又先后研制了RECON-IV-300-SIA-01、02、03型ROV，“金魚號(hào)”輕型觀察用水下機(jī)器人。2004年，上海交通大學(xué)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(xué)考察船第21航次第三航段考察中，首次使用水下機(jī)器人“海龍2號(hào)”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(jī)械手準(zhǔn)確抓獲約7千克黑煙囪噴口的硫化物樣品。2010年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制了北極ARV，集AUV和ROV技術(shù)特點(diǎn)于一體，曾多次在北極科考活動(dòng)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(gè)新的產(chǎn)業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界有近300家廠商提供各種ROV整機(jī)、零部件以及ROV服務(wù)，ROV產(chǎn)品已經(jīng)超過110種。ROV在海洋開發(fā)的許多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，最大下潛深度已達(dá)一萬米。AUV則受人工智能發(fā)展水平的限制，還不能完全實(shí)現(xiàn)自治控制，每次作業(yè)前需要由人對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行分解并進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，以預(yù)編程的控制方式保證水下機(jī)器人按事先計(jì)劃的程序完成作業(yè)。水下機(jī)器人初期主要以軍事為目的，重點(diǎn)圍繞援潛救生、武器打撈和水雷對(duì)抗等目標(biāo)，至今仍有相當(dāng)數(shù)量的水下機(jī)器人應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。目前，ROV在海洋科學(xué)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(yīng)用。例如，在海洋科學(xué)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(dòng)情況等；在水下工程應(yīng)用中，可以進(jìn)行各類水下工程部位的檢查、水下設(shè)備的搜索，以及石油鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)清理、水下構(gòu)件除銹等作業(yè)。

2 智能水電廠ROV應(yīng)用研究

2.1 應(yīng)用場景分析

我國部分大中型水電站自2010年左右開始進(jìn)行ROV初步應(yīng)用探索[11,12]。如2009年，長江科學(xué)院工程安全所引進(jìn)加拿大Shark Marine公司的ROV應(yīng)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(jìn)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(jìn)英國SEAEYE公司的FALCON 12167觀察型ROV，對(duì)1號(hào)、2號(hào)放空底孔進(jìn)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(jī)對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)水口檢修閘門槽進(jìn)行探測和觀察，并利用機(jī)械手清理了部分雜物[13]。2016年，上海交通大學(xué)利用其研制的“海馬-500”中型水下作業(yè)級(jí)ROV對(duì)二灘水電站6號(hào)引水隧洞進(jìn)行了聲光學(xué)復(fù)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(diǎn)應(yīng)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(yīng)用場景。例如，在水電站建設(shè)過程中，可以使用ROV清理電站進(jìn)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(gòu)與鋼襯結(jié)合部以及鋼襯完整性，監(jiān)視和輔助潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，利用帶機(jī)械臂的ROV完成機(jī)組攔污柵清理工作。此外，還可以讓ROV通過尾水管進(jìn)入水輪機(jī)組底部，對(duì)水輪機(jī)組進(jìn)行檢查。智能水電廠是指以自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化為基礎(chǔ)，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等技術(shù)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的水電廠。因此，利用ROV技術(shù)構(gòu)建智能化的大壩水下安全檢查技術(shù)體系，是智能水電廠的重要技術(shù)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(shù)的智能化水下安全檢查技術(shù)體系將產(chǎn)生如下效益：①降低水下檢查的風(fēng)險(xiǎn)。大中型水電站水下檢查通常大于60 m水深，深水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)非常大，極端情況下對(duì)潛水員生命造成一定的危險(xiǎn)。采用ROV進(jìn)行水下檢查不僅避免了人身危險(xiǎn)，而且即使ROV在檢查中發(fā)生動(dòng)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(shè)備的損失風(fēng)險(xiǎn)。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(qǐng)高水平的潛水員進(jìn)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(wù)需求來看ROV完全可以在多個(gè)電站之間共享應(yīng)用，從而通過分?jǐn)傔M(jìn)一步降低了ROV的使用成本。③縮短水下檢查的時(shí)間。潛水員在水下單次停留時(shí)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(wù)，也需要較多天數(shù)才能完成。ROV設(shè)備通過臍帶電纜從岸基獲取電力，因此可以不限時(shí)連續(xù)作業(yè)，因此能夠大幅度減少任務(wù)完成天數(shù)。④能夠檢查原來人工無法檢查的項(xiàng)目。對(duì)于高水壓的引水隧洞等，潛水員無法進(jìn)入檢查，必須要排空所有水才能進(jìn)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(jī)拍攝的影像資料難以避免畫面晃動(dòng)等問題，ROV設(shè)備在水下運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)進(jìn)行檢查，采集的信息相對(duì)單一。ROV設(shè)備除了獲取實(shí)時(shí)影像之外，還可以攜帶聲納等大量其他設(shè)備，單次水下作業(yè)采集的信息更加豐富。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

如前所述，我國部分大中型水電站已經(jīng)開展了試點(diǎn)應(yīng)用研究，也在ROV應(yīng)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(jìn)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(wù)需求，與水電工程大壩水下檢查存在較大的差異，導(dǎo)致多數(shù)水電工程采用ROV進(jìn)行水下檢查時(shí)未能達(dá)到所期望的水平，ROV水下檢查的效益未得到充分發(fā)揮，進(jìn)而影響了ROV在水電工程中的應(yīng)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(duì)較遠(yuǎn)。水庫下的可視距離則通常低于1 m，部分甚至低于50 cm，遠(yuǎn)低于在海洋中的可視距離。②部分海洋ROV不具備橫向移動(dòng)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(dòng)，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(jìn)行殼體設(shè)計(jì)，在海洋中運(yùn)行時(shí)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(shí)必須依賴垂直推進(jìn)器保持ROV在固定深度，比較難以保持自身穩(wěn)定，尤其當(dāng)水中臍帶電纜太長時(shí)，垂直推進(jìn)器動(dòng)力不足將使得ROV沉到水底。④在對(duì)機(jī)組進(jìn)水口附近進(jìn)行檢查時(shí)，相鄰機(jī)組發(fā)電會(huì)帶來明顯的紊流，海洋ROV的動(dòng)力系統(tǒng)并無該工況的針對(duì)性設(shè)計(jì)，動(dòng)力和穩(wěn)定性難以滿足相鄰機(jī)組運(yùn)行工況下的水下檢查任務(wù)。⑤部分水電站有壓引水隧洞長達(dá)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(huì)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(shù)的基礎(chǔ)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(wù)需求，在以下關(guān)鍵技術(shù)方面開展深化研究：①嚴(yán)重濁度下的導(dǎo)航定位和測量技術(shù)，優(yōu)選聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，并結(jié)合視覺導(dǎo)航技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，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(jī)等組成的綜合導(dǎo)航和測量系統(tǒng)，提高ROV設(shè)備的導(dǎo)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(dòng)及原地旋轉(zhuǎn)能力的動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)ROV本體推進(jìn)器的布置方式，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退、上浮下潛、橫向移動(dòng)、水平旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)能力，使得ROV本體能夠在自動(dòng)與大壩表面保持固定距離的情況下橫向移動(dòng)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(shí)別及距離量測技術(shù)，能夠從視頻中抓取快照并進(jìn)行處理，并采用圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)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(jìn)行裂縫長度測量，選定表面剝落區(qū)域并自動(dòng)進(jìn)行面積測量，同時(shí)也能夠自動(dòng)進(jìn)行問題區(qū)域的定位(距離測量)計(jì)算，便于后期進(jìn)行缺陷修復(fù)。④淡水強(qiáng)紊流環(huán)境下的穩(wěn)定控制技術(shù)，根據(jù)淡水比重優(yōu)化ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得ROV本體的浮力能夠抵消其重力。同時(shí)，通過使其浮心遠(yuǎn)高于重心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)功率增加以及優(yōu)化的推進(jìn)器部署方式，進(jìn)一步增強(qiáng)其在淡水中的穩(wěn)定性，從而滿足僅需關(guān)閉待檢查機(jī)組，不影響相鄰機(jī)組發(fā)電的應(yīng)用需求。⑤長臍帶電纜下的ROV本體供電及通信技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化ROV驅(qū)動(dòng)方式，完善動(dòng)力系統(tǒng)以及通信方式設(shè)計(jì)，改善臍帶電纜結(jié)構(gòu)，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(shù)路線

國外ROV設(shè)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(yīng)用。因此，有必要在研究并掌握上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制國產(chǎn)化的水電工程ROV設(shè)備。水電工程ROV設(shè)備研制應(yīng)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(gè)部分。本體部分通常包括深度傳感器、電子羅盤、水下攝像機(jī)、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(dǎo)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(jī)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(shè)備和水下控制設(shè)備，水上控制設(shè)備應(yīng)能夠監(jiān)視和操作ROV本體，并向ROV本體提供所需的動(dòng)力；水下控制設(shè)備應(yīng)能夠接收水上控制設(shè)備發(fā)出的指令，使ROV本體正確動(dòng)作并完成作業(yè)任務(wù)。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(shè)備，實(shí)現(xiàn)電源傳輸和雙向通信。臍帶電纜應(yīng)選用強(qiáng)度大、防水、抗壓、絕緣的材質(zhì)，避免發(fā)生損壞或斷裂導(dǎo)致ROV本體丟失。

在設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下因素：①工作深度，即水下機(jī)器人在正常使用過程中所能達(dá)到的最大深度，水電工程ROV工作深度至少應(yīng)達(dá)到200 m以上；②水平航行速度，每小時(shí)水平航行距離應(yīng)達(dá)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(jìn)器、密封艙、作業(yè)工具等，水電工程ROV屬于大型ROV，重量相對(duì)較重。設(shè)計(jì)時(shí)可使浮力略大于重力，使得ROV本體故障導(dǎo)致失控時(shí)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(wù)范圍。⑤推進(jìn)器，推進(jìn)器的數(shù)量及安裝方式，應(yīng)該同時(shí)滿足水電工程水下檢查各類運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(shí)還應(yīng)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(huì)影響動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，避免因動(dòng)力電纜過長而導(dǎo)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(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，以及ROV設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)輸、下水和回收的便捷性等問題。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合當(dāng)前大量智能水電廠建設(shè)中擬采用ROV進(jìn)行水電工程水下部分檢查，迫切需要了解ROV技術(shù)是否適用于水電工程的情況，介紹了國內(nèi)外ROV技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 以及國內(nèi)多個(gè)水電站探索應(yīng)用的情況，分析水電工程中的應(yīng)用場景及意義，并詳細(xì)分析了當(dāng)前海洋ROV應(yīng)用于水電工程時(shí)的問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水電工程ROV應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)及業(yè)務(wù)需求，分析了適用于水電工程的ROV需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及解決思路，提出了研制水電工程ROV的技術(shù)路線對(duì)于推動(dòng)國產(chǎn)化水電工程ROV研制和應(yīng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還需要開展進(jìn)一步的針對(duì)性深入研究。