淺議ROV在水利水電設施檢測中的應用

張 沖，曹雪峰

（1.山東省防汛抗旱物資儲備中心，山東 濟南 250014；2.濟南市水文局，山東 濟南 250013）

1 研究背景

為增強水下檢測的安全性，近年來國內(nèi)有關科研檢測單位先后引進或聯(lián)合研制各種ROV開展水庫大壩等水利水電工程水下檢測。ROV的英文全稱為：RemoteOperatedVehicle，中文為纜控水下機器人，它是由水面控制終端通過臍帶纜和水下機器人連接，實現(xiàn)能源供應和控制信號水上水下傳輸，將機器人采集的視頻、傳感器參數(shù)等實時回傳至控制終端。ROV的研究工作最早可追溯到20世紀中期，真正引起轟動是在1966年，一臺名為“CURV-1”的ROV和載人潛水器配合，成功在西班牙外海找到并打撈起失落在海底的氫彈。受此影響，歐美、日本等西方國家迅速展開大規(guī)模ROV研發(fā)與推廣。相對國外，我國ROV研究起步較晚，1985年中國科學院沈自所和上海交通大學自主研發(fā)了我國第一臺水下機器人“海人一號”ROV，首潛199m。由于在導航定位技術、探測技術、核心水下零部件技術、工藝水平等方面與國外存在著較大差距，在2000年以前國產(chǎn)ROV并不多，主要集中在幾個科研單位（中科院沈自所、上海交通大學、哈爾濱工程大學等）。

近年來，隨著國家“十三五”規(guī)劃關于發(fā)展海洋高端裝備創(chuàng)新的戰(zhàn)略部署以及國內(nèi)認識和需求的不斷加強，我國諸多科研院所、高校以及企業(yè)開始投入ROV的研發(fā)和制造。2014年4月18日，上海交通大學研制的“海馬”號4500m級深海ROV通過了863海洋技術領域專家組的海上驗收，實現(xiàn)了我國在深度無人遙控潛水器自主研發(fā)領域“零的突破”。由于ROV水下檢測實時性好、擴展性強、工作潛力大，隨著產(chǎn)品技術和質量的不斷提升，目前國內(nèi)已將ROV廣泛應用于海洋石油、搜救打撈、水電檢測等。水利部長江水利委員會國家大壩安全工程技術研究中心、中國電建集團昆明勘測設計研究院、中國電建集團成都勘測設計研究院等單位先后引進或聯(lián)合研制各種ROV用于水庫大壩等水利工程水下檢測。

2 ROV系統(tǒng)功能

2.1 ROV系統(tǒng)組成

ROV是一種配備有水下攝像、水下檢測設備和水下機械手等工具，通過臍帶纜或鎧裝纜將視頻畫面、控制數(shù)據(jù)、電源與水面控制單元相連，并由專業(yè)操作人員岸基操作，完成專業(yè)水下工作的無人潛器。ROV的水下潛器一般為開放式框架結構，一般采用PP材料，配置4～6個水下推進器，可在水下進行定向、定深巡航。水面控制單元通過線纜對水下潛器進行控制，可以完成水下機器人的運動、多功能機械手的開合和水下攝像頭俯仰角度的調節(jié)、水下攝像頭調焦，同時可以將水下拍攝的畫面通過纜線系統(tǒng)傳輸?shù)剿婵刂茊卧娘@示屏上，并存儲數(shù)據(jù)至電腦中。

2.2 集成聲納探測技術

聲納在水下工程檢測的應用非常廣泛。ROV通常會集成重量輕、體積小的多波束圖像聲納，其發(fā)射的聲波遇到目標后反射回聲納表面，根據(jù)回波可以獲得多波束目標聲吶圖像信號，采集的聲波數(shù)據(jù)傳回ROV水面控制單元的計算機進行處理后，就可以生成二維或者三維的聲納圖像，這樣ROV系統(tǒng)就能在渾濁或黑暗環(huán)境下實現(xiàn)對目標物體的辨識和定位。

2.3 集成水下機械手

ROV通常配備小型水下機械手，同時可根據(jù)不同的任務需求，使用不同“爪型”機械手，在水面控制單元及工程人員的操作下，代替潛水員完成水下的抓取、剪切、取樣等任務。

2.4 集成水下聲學定位系統(tǒng)

由于GPS及電磁波信號在水的介質中無法傳播，部分ROV潛器會安裝超短基線（USBL）定位系統(tǒng)，跟蹤水下潛器，使用聲學的方式對水下機器人進行水下定位，得到ROV的相對位置。如果超短基線連接有GPS，就可以得到水下機器人的絕對GPS位置。

3 ROV檢測應用

3.1 水庫壩體檢測

隨著時間的推移，水庫大壩混凝土表面及混凝土等不可避免會出現(xiàn)裂縫、空洞等缺陷，尤其是在大壩剛建好服役的初期，內(nèi)部壓力釋放會加劇裂縫產(chǎn)生速度，需要進行及時定期檢查。針對這種情況，首先操作ROV使用二維多波束圖像聲納對壩體進行觀測、檢查，檢查水庫壩體裂縫、破損位置，再通過聲納圖像對破損處位置進行辨別，之后進行視頻觀察。由于ROV系統(tǒng)在裝備高清攝像系統(tǒng)的同時可以搭載激光標尺、電動噴墨器，通過水下攝像裝置可對壩體面板的裂縫、接縫、止水情況進行直觀判斷，并由激光標尺測量破損缺陷尺寸。如：裂縫長度、塌坑面積等；對尺寸較小的對象，如裂縫寬度、鼓包大小等，對接縫處或裂縫處止水效果可通過ROV搭載電動噴墨器進行試驗驗證，如大壩已經(jīng)存在滲漏問題，噴墨可以顯示出滲漏走向及大小。水利部長江水利委員會國家大壩安全工程技術研究中心、中國電建昆明勘測設計研究院、成都勘測設計研究院等單位實際使用ROV檢測結果表明：ROV可以極大地提升壩體檢測效率。

3.2 水下金屬構件銹蝕與淤積檢查

水下金屬構件主要包括閘門、攔污柵等，水下金屬構件本身的銹蝕和淤積很可能影響到該部位的通透性，尤其是汛期需要對閘門進行開啟時，需要確認異物淤積對閘門沒有影響時才能落放閘門。通過操作ROV，可利用二維多波束圖像聲納搜索到閘門，為ROV導航至閘門處，再通過水下攝像頭，對水下閘門銹蝕、淤積情況進行觀察。2018年以來，山東省防汛抗旱物資儲備中心聯(lián)合天津深之藍公司，相繼在大涼山錦屏水利發(fā)電廠、黃河小浪底水利樞紐、葛洲壩水利樞紐等進行了試驗測試，測試結果表明，ROV在水利工程水下金屬構件檢測中具有非常高的使用價值，尤其是在60m深度以上時，相對于潛水員水下檢測具有工作時間長、作業(yè)深度深、性價比高等優(yōu)點。

3.3 消力池沖坑及水下結構檢查

檢測結果表明，在遇到渾水、流速混亂等復雜的水域情況下，ROV的二維多波束圖像聲納可對前方120m范圍內(nèi)的水下結構、地形狀況、淤積和結構破損等問題進行全方位觀測，并形成二維圖像，可以比較好地對消力池的輪廓和尺寸進行分析。

綜上所述，ROV檢測方式可以替代潛水員完成很多水下工作。同時，在深水環(huán)境和危險環(huán)境使用ROV會極大減少潛水員損傷風險，ROV在水利水電工程檢測中的作用無疑是明顯的，但從長遠看，如進一步推廣應用ROV開展水利工程水下檢測，需要克服三個方面制約：一是ROV成本相對偏高，而且水利水電工程檢測任務越復雜，ROV檢測成本會越高；二是ROV操作要求高，操作員需要具備豐富的經(jīng)驗，需要熟悉設備和傳感器，同時需要具備海洋物理、空間幾何等方面知識和良好的心理素質；三是水下環(huán)境復雜多變，水流、能見度等因素都會影響ROV操作。因此，當前需進一步加強ROV的應用推廣培訓，擴展ROV的搭載能力、降低ROV的操作難度。隨著智能技術的不斷發(fā)展，未來ROV也可以通過引入智能技術自主判定水下工作，更好、更高效地完成水下檢測工作。