刁俊武 董治超

（中海油信息科技有限公司智能制造（惠州）分公司，廣東惠州，516086）

0 引言

最初水下機(jī)器人的發(fā)展是出于軍事等方面的需求，由美國、俄羅斯、日本、法國等國率先研制，因水下機(jī)器人的研制離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)、聲納技術(shù)、水下微光電視、遙控技術(shù)、定位導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展。后來，海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展帶動了工業(yè)型ROV的發(fā)展，北海油田和墨西哥灣油田在1975年使用了第一臺商業(yè)化ROV，至1981年，ROV數(shù)量猛增到400多臺，現(xiàn)如今各種類型、各種功能的ROV數(shù)量已數(shù)不勝數(shù)。

水下機(jī)器人分為兩個大的發(fā)展方向，一是有纜的ROV，可以通過線纜連接，進(jìn)行實(shí)時控制和通信，并且可以通過實(shí)時回傳的視頻畫面進(jìn)行作業(yè)。另一種是無纜的AUV，可以同時攜帶多種載荷，如導(dǎo)航系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)等，在預(yù)先規(guī)劃好的路徑下進(jìn)行大范圍的快速觀察、監(jiān)測、搜尋、繪制地形等工作。

1 水下機(jī)器人的分類

水下機(jī)器人主要分為遙控機(jī)器人(ROV)、載人水下機(jī)器人(HOV)、智能水下機(jī)器人(AUV)三類，根據(jù)用途和控制手段細(xì)分如下。

1.1 按用途分類

水下機(jī)器人根據(jù)用途可分為觀察型、觀測型和作業(yè)用水下機(jī)器人。作業(yè)用水下機(jī)器人一般安裝有機(jī)械手，用于海中救援、打撈、電纜鋪設(shè)、海洋石油及其他生產(chǎn)系統(tǒng)的操作維修等水下作業(yè)。觀測型水下機(jī)器人與作業(yè)用水下機(jī)器人基本相同，但它主要用于測定所要調(diào)查對象的參數(shù)。觀察型水下機(jī)器人一般只具備影像觀察功能，利用照相機(jī)、攝像機(jī)、聲納等觀測海底地形、地貌或搜尋水下沉物。

1.2 按控制手段分類

水下機(jī)器人根據(jù)控制手段分為四類：拖曳式水下機(jī)器人（TUV）、遙控水下機(jī)器人（ROV）、無人潛航器（UUV）、智能水下機(jī)器人（AUV）。前兩種水下機(jī)器人均帶攬，由母船上人工控制；后兩種均無攬，能夠自主航行，分別為預(yù)編程控制和智能控制。

2 水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展

世界上第一臺真正意義上的ROV于1960年誕生在美國。美國主要從事水下機(jī)器人研究的單位有美國海軍、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、伍茲霍爾海洋研究所等。國外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展主要以美國、日本、法國、加拿大等國家為代表，在深潛ROV、觀察型ROV和AUV等領(lǐng)域取得了突出成就。[1]

我國水下機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，但在過去的幾十年內(nèi)，水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成效顯著。其中，“蛟龍”號HOV刷新國際同類潛水器的下潛深度記錄，深潛ROV、AUV、ARV等方面均實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，技術(shù)水平世界領(lǐng)先。2010年以前，在國內(nèi)水下檢測、搜救打撈領(lǐng)域有過應(yīng)用的小型水下機(jī)器人基本為Video Ray、Seabotix、Ocean Module等國外的小型水下機(jī)器人，該類小型水下機(jī)器人存在價格昂貴、動力較弱、維修時間長的缺點(diǎn)。而今國產(chǎn)小型水下機(jī)器人在采用較大推力的動力系統(tǒng)的情況下，普遍價格是同級別進(jìn)口水下機(jī)器人的一半，且后期維護(hù)周期短、價格低。[2]

有纜水下機(jī)器人最早于20世紀(jì)50年代產(chǎn)生，當(dāng)時的用途主要用于魚雷和水下導(dǎo)彈回收任務(wù)，由軍方研制。水下機(jī)器人的發(fā)展必須加強(qiáng)智能化，在水下機(jī)器人中，加強(qiáng)應(yīng)用智能控制系統(tǒng)，可以使水下機(jī)器人自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)以及自判斷能力都能夠有效地提升，水下機(jī)器人遇到各種情況都能夠準(zhǔn)確地作出決定，對外部環(huán)境能夠適應(yīng)。另外，精準(zhǔn)的水下環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)研制出來，對航行路線受環(huán)境影響準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷，從而更加準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)航行定位。[3]

3 水下機(jī)器人主要功能與組成

目前水下潛器通常為框架式架構(gòu)，框架主要由高強(qiáng)度的鋼材或工程塑料組成，配備多個水下大推力推進(jìn)器，可以在水下進(jìn)行自由運(yùn)動。水下潛器在內(nèi)置多種傳感器的基礎(chǔ)上會配備水下攝像頭、燈光、大推力水下推進(jìn)器、大型多功能水下液壓機(jī)械手及水下聲學(xué)定位裝置，多系統(tǒng)協(xié)作完成水下探測或打撈任務(wù)。

水下機(jī)器人本身僅是一種運(yùn)載工具，如欲進(jìn)行水下作業(yè)，則必須攜帶水下作業(yè)工具?？梢哉f，水下作業(yè)系統(tǒng)是水下機(jī)器人工作系統(tǒng)的核心，根據(jù)作業(yè)目的的不同，機(jī)器人可以選擇攜帶不同的水下作業(yè)系統(tǒng)。

可以攜帶水下作業(yè)系統(tǒng)的功能特性，使水下機(jī)器人擴(kuò)大了適用范圍，增強(qiáng)了實(shí)用性?，F(xiàn)有水下機(jī)器人的作業(yè)系統(tǒng)通常包括1～2個多功能遙控機(jī)械手和各種水下作業(yè)工具包，主要功能有：觀察海底地形、地貌、作業(yè)狀態(tài)等；測定相關(guān)參數(shù)；水下作業(yè)中螺栓的拆裝及閥門的開閉；水下施工中所用纜繩的系結(jié)與切割；水下救助和打撈；水下設(shè)施打磨和切割；水下構(gòu)件或船體表面的清潔；水下鉆孔、焊接等。

隨著我國科技水平的不斷調(diào)高，水下機(jī)器人所能搭載的技術(shù)和設(shè)備也在不斷擴(kuò)大，它的工作范圍也逐漸由簡單的攝像行為演變?yōu)榧瘮z像和檢測一體的作業(yè)型水下機(jī)器人。例如以ROV為代表的水下機(jī)器人在海上石油工程中以其獨(dú)有的高防水、耐腐蝕、效率高、精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)，能夠最大程度地保障石油作業(yè)的安全性，減少石油泄漏和爆炸、火災(zāi)等安全隱患的出現(xiàn)。[4]

水下機(jī)器人一般由潛水器本體、水下觀察設(shè)備、檢測設(shè)備、導(dǎo)航定位設(shè)備（深度傳感器、羅經(jīng)、航速儀等）、機(jī)械臂、臍帶纜、控制臺、下放裝置等組成。領(lǐng)航員在施工母船上通過控制臺對水下機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，完成特定的水下作業(yè)。ROV與控制臺之間一般通過臍帶纜將電力、液壓、視頻和數(shù)據(jù)及控制信號等相連，AUV同樣有控制臺，但沒有臍帶纜。

小型水下機(jī)器人的系統(tǒng)組成通常較為簡單輕便，一般只有水下潛器、零浮力臍帶纜、岸上控制箱。其水下潛器框架均為高強(qiáng)度的PP材料，可以極大地減輕整體重量；水下潛器僅配備水下電驅(qū)推進(jìn)器、攝像頭、燈光及內(nèi)置深度、溫度、方向傳感器等。

4 水下機(jī)器人在LNG接收站碼頭的應(yīng)用

LNG液化天然氣（LNG）接收站碼頭位于近海區(qū)，一般水質(zhì)清晰度可見度能到達(dá)3m～5m，即使在陰雨天氣風(fēng)浪也不會很大，碼頭水下20m～30m深處在不同位置各有一個鋼網(wǎng)圓形的進(jìn)水口及排水口，由于水下復(fù)雜的地理結(jié)構(gòu)，有時會有異物堵塞進(jìn)、排水口，影響正常運(yùn)行，所以需要碼頭不定期對進(jìn)、出水口進(jìn)行檢查和清理異物；碼頭水樁是支撐碼頭的重要支柱，也是碼頭的重要檢查對象，需要對水下0～50m的水樁的破損、腐蝕、海洋生物依附等情況進(jìn)行不定期檢查，保障碼頭安全；在LNG接收站碼頭會有定期的LNG船只進(jìn)港卸氣，所以海面的海床需要保障一定高度，不阻礙船只航行，還需要碼頭人員不定期對其初始航道進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)淤泥過高，就需要通知清淤；目前大多數(shù)的碼頭水下檢測采用潛水員下水檢查，存在一定的人身安全問題，且水下工作時間受限，不能連續(xù)工作，同時也會有檢測結(jié)果無法有效保存等問題。按照應(yīng)用，采用水下機(jī)器人代替潛水員進(jìn)行水下檢測將是有效安全的替代手段。

4.1 LNG接收站碼頭的水下機(jī)器人

根據(jù)LNG接收站碼頭水下檢測的需求，需要配置有200m攬繩水下機(jī)器人，搭載高清攝像頭。機(jī)器人本體進(jìn)入水下檢測時，通過有攬繩內(nèi)通信線纜，將水下拍攝畫面實(shí)時回傳到岸上控制臺，操作人員能及時清晰地了解到水下檢查情況，決策者可根據(jù)畫面顯示確定是否需要清理進(jìn)、出口異物及清淤，同時，拍攝影像存儲到計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行長期保存；水下機(jī)器人搭載的機(jī)械手可以對水下堵塞異物進(jìn)行清理，保障生產(chǎn)安全。

4.2 使用水下機(jī)器人的優(yōu)勢及限制

水下機(jī)器人優(yōu)勢展現(xiàn)在：第一，安全性方面，無論是高危險度環(huán)境、水污染嚴(yán)重環(huán)境還是零可見度的水域，水下機(jī)器人都比人類工作更加有力，通過自身配備的傳感器、攝像頭、探照燈等儀器，機(jī)器人采集所需數(shù)據(jù)傳輸給人類或者自主分析處理，能夠有效地保障人的安全；第二，由于機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造，相比人體，能夠提供數(shù)倍的力量支持，機(jī)器人配備的機(jī)械臂、機(jī)械爪等工具，在沉船打撈、重物搬運(yùn)方面，能夠極大地提高工作效率；第三，續(xù)航能力，數(shù)據(jù)表明，潛水員身穿自攜式潛水裝，在水深10m左右時，可以在水下停留約30min，另外，水溫、水深、水流、波浪、水下能見度以及潛水員體力消耗，都是影響潛水員水下工作時長的重要因素，而水下機(jī)器人則可以長時間在水下工作，續(xù)航能力更勝一籌。

水下機(jī)器人受限因素則有：第一，水流、水汶等因素都會影響機(jī)器人在水下的導(dǎo)航定位，目前常用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航系統(tǒng)、海底地形導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁場引力導(dǎo)航系統(tǒng)等，基本能滿足水下機(jī)器人的需求，但是成本非常高，這也是國內(nèi)外目前最重視的問題；第二，水下實(shí)時通信需要臍帶纜來實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)備下水工作需要拖拽一根臍帶纜，比如水下樹枝較多時會產(chǎn)生鉤掛問題；第三，智能化不足，增加水下機(jī)器人行為的智能水平一直是各國努力的目標(biāo)，但是目前人工智能發(fā)展水平還不能完全滿足水下機(jī)器人的需求。

5 結(jié)語

水下機(jī)器人是現(xiàn)代高科技和系統(tǒng)的集合體，可以完成很多人工或普通技術(shù)無法完成的任務(wù)，推廣使用前景廣闊，隨著海洋工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和保護(hù)海洋意識的提高，該技術(shù)必將會有更多的用武之處。[5]

水下機(jī)器人可在高度危險環(huán)境、被污染環(huán)境以及零可見度的水域代替人工在水下長時間作業(yè)，水下機(jī)器人上一般配備聲吶系統(tǒng)、攝像機(jī)、照明燈和機(jī)械臂等裝置，能提供實(shí)時視頻、聲吶圖像，機(jī)械臂能抓起重物，方便快捷，且可以搭載更加智能化的傳感器，進(jìn)行建立在準(zhǔn)確定位基礎(chǔ)上的水下三維結(jié)構(gòu)重建，真正實(shí)現(xiàn)水下智能化檢測。

隨著科技的高速發(fā)展，水下機(jī)器人功能及性能上也將不斷完善，將會逐步取代過去由載人潛水器或潛水員所承擔(dān)的工作。