水下機器人在水利工程管理中的應用

干佳馨 陳擎環

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

1 研究背景

江蘇省泰州引江河高港樞紐是國家南水北調東線源頭之一，由泵站、節制閘、調度閘、送水閘、船閘和110kV 專用變電所等組成，年均向江蘇沿海調引長江水50 多億立方米。泵站安裝立式開敞式軸流泵9 臺套，采用雙層X 型流道。節制閘設計流量440 m3/s，調度閘和送水閘設計流量各100 m3/s。

高港樞紐以往對工程設施進行水下例行檢查時，主要依靠潛水員在水下用手進行探摸，因環境和工具等條件限制，只能對重點部位實施檢查，無法對工程全面檢查。而且工程有無異常情況或安全隱患全憑潛水員個人經驗進行判斷，缺乏準確可靠的材料支撐。

當水下設施出現異常情況需要緊急排查時，潛水員下水存在準備周期長、所需專業設備多、連續工作時間短、檢查成本高等缺陷。有時還會面臨水下環境復雜多變，長江水質渾濁，能見度低等安全問題。在處理故障時，技術人員只能依靠潛水員的描述或攜帶水下照相機（攝像機）拍攝的畫面進行大致判斷，有時需要多次操作才能解決故障。

另外，高港泵站結構為X 型雙層流道，水泵主體均在水下，需要定期對各部件進行檢查。每次均需先組織人員安裝3～4 臺潛井泵，打開檢修孔放泵排水，等流道排水結束后，再由技術人員進入流道檢查，工作量大、周期長、效率低。

針對水下檢查存在的這些難點，高港樞紐根據工程特點，引進了一款水下機器人，用來檢查水下建筑物和設備情況。高港泵站流道如圖1 所示。

圖1 高港泵站流道示意圖

2 水下機器人組成

該水下機器人由四部分組成：岸上遠程遙控裝置單元、凱夫拉零浮力線纜絞車系統、水下機器人單元和軟件應用程序。

2.1 岸上遠程遙控裝置單元

遠程遙控裝置使用PLC 信號傳輸，通過線纜實現與水下機器人之間的通信控制。該遙控裝置集成WiFi 模組，可與手機平板等終端設備無線連接，把接收到的水下視頻、溫度和深度等資料傳輸到終端設備，實時呈現水下場景，實現可視化控制。

2.2 凱夫拉零浮力線纜絞車系統

此線纜用于岸上遙控器與水下機器人之間的通信連接，保證視頻回傳信號和機器人控制信號傳輸的實時性和穩定性。

2.3 水下機器人單元

針對長江水流湍急，普通機器人水下難以持續定點作業的缺點，該水下機器人專門配置了9 軸姿態傳感器，可以偵測到機器人XY 三個維度的位置信息，MCU 控制芯片接收到信息后配合軟件算法，可實現多維度運行姿態的實時偵測與調整，能解決擾流帶來的運行不穩問題，確保機器人在水深30 米范圍內能持續穩定的工作。控制系統如圖2 所示。

圖2 控制系統圖

2.4 軟件應用單元

在各個終端設備上的UI 交互界面簡易方便，可實現零門檻操控水下機器人。

2.5 針對高港樞紐下游長江水體渾濁，能見度低的特點，水下機器人加裝了4000 流明LED 補光燈，提供8 檔可調補光，保證水下觀測畫面明亮清晰。水下機器人主體如圖3 所示。

圖3

3 應用實例

3.1 利用水下機器人檢查水泵水下部件

高港樞紐安裝葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9 臺（設計流量35m3/s，設計揚程4m），流道結構為雙向X 型，底層為進水流道，上層為出水流道，通過閘門控制可雙向運行，向外排澇，向內灌溉。9 臺水泵機組主要受力轉動部件位于水下且水泵運行載體為流體,機組運行時不但存在機械旋轉振動,還會受到水流脈動和氣蝕振動等影響,為確保機組運行的安全性和穩定性，水下部件的定期檢查尤為重要。2018 年，高港樞紐首次利用水下機器人進入流道檢查水泵水下部件。技術人員結合X 形流道結構圖，事先規劃好最佳行走路線，確定檢查方案。根據超短基線定位系統，分塊分段全面細致地檢查了水泵水下部件。畫面清晰顯示所有部件螺栓緊固完好，金屬部件表面少許銹蝕在允許范圍內。整個檢查過程僅需2 人操作，用時45 分鐘。與此前檢查需要近10 人放泵排水，耗時2天相比，節省了大量人力、物力和時間。

3.2 利用水下機器人檢查閘門止水

閘門是水工建筑物的重要組成部分,閘門止水也是不可缺少的裝置，安裝設計不合理,可能會造成閘門損壞、閘門漏水、振動、銹蝕和冬季結冰卡阻等，由此可見閘門止水是保證閘門能否有效地擋洪、引水，充分發揮工程效益的關鍵。閘門運行工需定期檢查閘門止水的整體性，檢查止水是否有斷裂或撕損、材料老化現象，檢查閘門止水與止水座板是否緊密，止水座板有無變形，固定螺栓有無銹蝕松動。2019 年，值班人員在巡視過程中發現節制閘閘門水下存在水泡和異響，懷疑閘門底部止水或門槽可能存在破損。技術人員操控水下機器人潛入水底檢查，發現止水與門槽結合部位有大量水泡翻騰，靠近觀察確定止水已局部破損。單位立即安排人員對閘門止水進行及時維修，確保了工程安全。相比以往需要等待潛水員下水摸查，水下機器人確定故障位置快速準確，傳送實時畫面清晰。

3.3 利用水下機器人檢查水下水工建筑物

水工建筑物經常承受著水的作用。擋水建筑物承受著一定的水平靜水壓力、風浪壓力、浮力、地震動水壓力以及滲流產生的滲透壓力，對建筑物的穩定性影響極大，水流滲入建筑物內部及地基中，還可能產生侵蝕和滲透破壞；泄水建筑物的過水部分，還承受著水流的動水壓力，高速水流還可能對建筑物產生空蝕、振動以及對河床產生沖刷，存在安全隱患。故應定期對水下水工建筑物進行檢查。2020 年，汛前定期水下檢查時，潛水員經探摸發現節制閘長江側翼墻與岸墻伸縮縫的填料疑似部分缺損，混凝土表面可能存在剝落，但因長江水質渾濁，難以判斷具體情況。為查清有無上述問題，技術人員利用水下機器人對疑似區域進行了檢查。在水流較快、干擾較大的情況下，技術人員短短幾分鐘就成功操控水下機器人到達指定位置，利用LED 補光燈和高清攝像頭，經查看確認填料無缺損，混凝土表面完整，工程完好。

4 功能特點

4.1 提供實時畫面，實現技術支持

水下機器人可對水下建筑物和設備等進行長時間全面拍攝，提供高清視頻，如圖4 所示可供多人同時在線分析，使技術人員對水下工程的狀況、發現的病險隱患及其嚴重程度有直觀的了解，從而能快速做出準確判斷。

圖4

4.2 操作快速便捷，安全經濟高效

水下機器人在水面或水體中行進速度快，能快速下潛或上浮，能實現定速巡航，作業時間長，操作方便。相比之前潛水員工作準備時間長，所需專業設備多的缺點，水下機器人的引入，大大減少了工作量和成本，提高了工作效率和安全性。

4.3 方便資料收集，提升管理水平

水下機器人檢查畫面自動存儲，結果同步保存，能夠獲得水下工程設施直觀具體的影像資料,方便各類檢查資料的收集,利于技術人員進行分析研究，提升了工程管理科技水平。

5 結論

水下機器人在高港樞紐水利工程管理中的應用，較之前潛水員作業具有明顯的技術優勢。其直觀、高效、靈活、安全、可靠，減少了水下檢查的工作量，提高了工作效率，能獲得準確可靠的檢查結果。使技術人員對水下工程的狀況有了直觀了解，為工程管理提供了技術支撐，進一步保障了水利工程的安全運行，未來水下機器人在水利工程中的應用會更加智能化。