水下機器人（ROV）在水庫大壩檢測作業的安全分析

呂 驥，張洪星，陳 浩

（上海遨拓深水裝備技術開發有限公司，上海 201306）

水下機器人（ROV）在水庫大壩檢測作業的安全分析

呂 驥，張洪星，陳 浩

（上海遨拓深水裝備技術開發有限公司，上海 201306）

文章針對現有的水庫大壩水下檢測作業中，缺少ROV相關的作業安全分析（JSA）規范的事實，提出有必要制定JSA方案，以便適應于水庫大壩水下檢測作業。通過分析ROV的作業環境，討論ROV作業團隊的安全隱患及對策，ROV設備的安全及對策。通過采用JSA，包括在編寫項目作業方案時進行風險預判，以及列出ROV作業相關的子項并逐條分析作業風險，從“軟件”方面提高設備在復雜環境下作業的使用安全等級。

水下機器人（ROV）；水庫大壩；檢測作業；作業安全分析（JSA）

1 背景介紹

水下機器人（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備在水下進行人為操縱作業的潛水設備。水下的ROV本體有浮力材料、框架、推進器及相應的電子艙，水上的控制系統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，并將數據信號上傳到控制系統并輸出。ROV本體利用浮力材料來調整載荷的大小，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、側掃聲吶、多波束聲吶、超短基線信標、多功能機械手、采樣儀器等設備。其廣泛應用于海洋油氣作業、海底管道檢測、科學考察等海洋水體，也可適用于陸上水體的水下結構物觀測、水庫電站的檢測以及漁業觀測作業等。

在國內的水利水電工程中，現有9萬多座水庫大壩，內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，多數為建國后十年修建的中小型水庫，以現在的安全標準來評估，多數水庫大壩存在諸多安全隱患。在水庫大壩安全檢測和維護過程中，需要探明水下混凝土缺陷、大壩滲漏、面板裂縫與淘蝕、金屬結構腐蝕和水庫淤積等安全運行隱患。

作為水利水電水下設施的現場檢測技術手段之一，相比利用超聲波、水下電視、電磁法、電場法、電極法等其他現場檢測技術，利用ROV作為檢測平臺，可以搭載光學和聲學儀器對大壩、涵洞、閘門等水下結構進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。檢測數據通過數字化的形式儲存，形成水庫、大壩、水閘等結構的“體檢”檔案。

在海洋油氣作業中，考慮各種海況變化的不確定性，ROV的作業安全分析-Job Safety Analysis（JSA）是作為行業規范來執行的。而在現有的水庫大壩水下檢測作業中，沒有ROV相關的作業安全分析規范。一方面，國內越來越重視利用新的高科技手段，包括水下機器人，來確保滿足在水利工程從簡單到復雜等各種環境條件下的作業安全要求。另一方面，隨著ROV產業化的推廣，ROV制造企業逐漸轉變為以工程服務帶動產品銷售，在各種小型/中型ROV應用到水利工程服務中，尤其是相對具有復雜環境的水庫大壩水下檢測作業時，設備的自身安全和適應作業要求的改裝也變得日益重要。所以，制定適應于水庫大壩水下檢測作業的ROV作業安全分析（JSA）就變得很有必要。

2 ROV作業環境分析

在水利水電工程中，ROV作業環境一般位于水庫大壩的壩前和壩后區域、引水隧洞/涵洞的充水環境、內河水閘和橋梁的水下區域等。其工作環境因素包括：水流速、水下能見度、水面雜物、水底堆積物和水下復雜結構等。

3 ROV人員的安全及對策

ROV作業是以團隊合作為基礎的，考慮到在水利水電工程的檢測作業現場可能出現的安全隱患，需要考慮作業人員的安全注意事項并采取相應的對策。

3.1 高壓電

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

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

3.2 推進器

電動ROV的推進器需要在下水前后進行岸上檢測調試，這時要注意避免觸碰高速推進器，防止造成傷害。

液壓ROV也要進行岸上調試，推進器的壓力控制可達300Bar以上，對接近推進器的人員構成了潛在的危險。

3.3 液壓油

ROV系統中的液壓油泄漏會對環境造成污染。

3.4 對策措施

（1）根據技術手冊，熟知推進器、變壓器的工作原理。

（2）穿戴勞保防護用品。

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

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

4 ROV設備的安全及對策

水下檢測是水利工程日常管理、應急搶修、水庫大壩安全評估不可或缺的重要技術手段。基于ROV的水下檢測技術已經越來越多應用于水利工程中，包括：三峽大壩的導流底孔封堵檢修門水下清理工作［2］， 長江航道治理中的應用［3］， 基于三維成像聲吶技術的水下結構檢測方法［4］，在阿海水電站大壩、閘門槽和流道的水下檢測應用［5］。

4.1 作業時設備的安全隱患

ROV在水庫大壩水下檢測中會有一定的使用局限性：首先在應用中存在臍帶纜易纏繞和大壩滲漏點難于發現的問題［6］；其次，不宜在流速大于0.75m/s、垃圾雜物多、水下結構復雜等環境中檢測作業，避免出現水下樹枝、漁網、垃圾袋等雜物纏繞臍帶纜和推進器的問題；在水質較差的區域，需要依靠聲吶系統代替光學攝像來獲取結構信息，但是聲吶儀器的精度差異造成掃描成像的質量問題。

4.2 采取的對策

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

5 ROV的作業安全分析（JSA）的應用

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

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

5.1 編寫項目作業方案，進行風險預判

根據現場勘察結果對作業中存在的風險進行預判，找出作業中可能存在的風險點。一般JSA由經驗豐富的主管領導主持，作業團隊成員全部參與。要明確作業中可能存在的風險，并找出應對的方法，確保作業中人員和設備安全得到有效的保障。對限制性作業內容，嚴格遵守作業許可制度，按照相關規定進行作業，特殊作業還需要另行申請備案，確保作業中不出現安全隱患，最大限度的保障人員和設備的安全。

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

作業風險控制的方法是根據作業時產生的風險和控制等級對作業中的風險進行分類，提高風險的辨識與控制力度，科學提高作業安全系數。

5.2 列出作業子項

在方案列出后，具體列出ROV作業相關的子項并逐條分析作業風險。

5.2.1 ROV布放方式

根據大壩的結構及現場環境條件來確定，可以選擇ROV在岸上連接調試完成后，通過岸上吊機吊放入水。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碰撞和推進器纏繞

在ROV上安裝防護支架或防碰墊，保護ROV本體在水下運動時搭載的傳感器等設備。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（跑偏或者轉圈），可能造成臍帶纜有異物纏繞或者推進器本身故障，回收ROV出水檢查。

5.2.3 臍帶纜纏繞

ROV領航員按照作業前確定的下水路線（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構物有變化，提醒副操在下水記錄表中記錄結構物特征和所處位置，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領航員的放纜長度；在回收纜過程中如發現拉纜費力或拉不動立即停止拉纜，并需提醒ROV領航員，ROV領航員根據聲納圖像標定的反射板距離確定ROV的位置定位。

考慮壩體鐵質金屬結構對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。為避免該類風險，在作業前需要對作業區域有一定的了解。

（1）對孔洞門槽位置的辨認。

（2）水下移動方向辨識。

（3）清理和搬運大體積重物。采用作業級ROV，搭載多功能機械手。

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

（5）臍帶纜在繃緊的情況下被水下結構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。通過業主確認可否將ROV被吸的引水隧洞所在機組關閉，調整為遠端機組發電。或者等待機組檢修時再考慮ROV解脫。

圖1列出了有關ROV的作業安全分析（JSA）應用的邏輯框圖。

圖1 ROV的作業安全分析應用邏輯框圖

6 結論

本文通過提出并制定一種適應于水庫大壩ROV水下檢測作業的JSA方法（ROV的作業安全分析），使得在面對水庫大壩復雜環境的水下檢測作業時，ROV及搭載儀器的自身安全性得以提高，而且還擴大了作業設備的改裝適應性。

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

［2］單宇翥，陳洋.水下機器人在三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門水下清理工程中的應用［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在長江航道整治工程中的應用［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的水下結構探測新方法［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用［J］.云南水力發電，2013（03）：119-121，133.

［6］鄭發順.遙控水下機器人系統在水庫大壩水下檢查中的應用［J］.水利信息化，2014（02）：45-49，51-53.

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。