基于無人水下航行器的海洋輸油管道外檢測應用研究

廉成斌，李 軍,2，唐建華，陳 勇，張亞龍

(1.中國艦船研究院，北京 100192；2.武漢環達電子科技有限公司，湖北 武漢 430223；3.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452)

0 引 言

由于海管、海纜運行過程或鋪設過程中受到物理、化學、機械等因素的影響，管道可能會存在不同程度的腐蝕、損傷、變形、沖刷、偏移、懸跨等各種缺陷和現象。為了保證作業安全和防止海洋環境污染，需要定期對海管、海纜進行路由勘察并評估其服役狀況，及時了解海底管道運行中的實際情況，并根據檢測結果采取相應的措施，保障管道安全、正常的運行[1-2]。

1 現有海管外檢設備[2-4]

1）DGPS（差分 GPS）

主要用于導航，并將位置信息實時傳輸給導航電腦、側掃聲吶、單波束測深儀、淺地層剖面儀、多波束測深系統等勘察設備。

2）多波束測深儀

其原理是利用對各個波束測點的空間位置歸算，獲取在與航向垂直的條帶式高密度水深數據，再通過聲學成像算法，獲取海底地貌特征數據，用不同色差的渲染來表達海底地形，從而得到路由區域三維地形、地貌以及水深信息。

海管在鋪設施工過程中，會對海底地形地貌產生一定的擾動，對于海管的裸露部分或周圍擾動區域就能比較清晰地在聲學成像圖中得以體現。

3）側掃聲吶

側掃聲吶與多波束測深儀的區別是實現波束空間的粗略定向，獲取的是海底目標的相對回波強度信息，通過綜合了聲學、聲波轉換技術、數字信號處理技術、導航定位技術和計算機技術等技術，以較高的聲學分辨率對海底地貌成像，反映海底地貌、探測目標物的幾何特征等信息。

4）淺地層剖面儀

淺地層剖面儀通過換能器向水下鉛直發射大功率低頻脈沖的聲波，聲波在地層中傳播，根據不同地層反射的聲波反映出地層的剖面程度，以垂直縱向剖面圖形反映淺地層內部結構，其主要特點是探測記錄海底淺地層組織結構，具有較好的分辨率，可執行探測水下淺部地層結構和構造的任務。淺地層剖面儀生成的圖像可用于辨識淺部地層產狀、內部分層結構，海底地質斷層等，而且還能夠判斷如海底管道、光纜等與海床的埋深空間關系和位置等信息。

5）單波束側深儀

將超聲波換能器置于水面或一定位置，利用超聲波在水中的固定聲速V和超聲波發射到接收的時間T，儀器自動算出水深H，常用于水文測量。

現有的路由、懸跨、形變、障礙物等外檢測步驟一般為：

1）將多波束測深儀、側掃聲吶等聲學設備提前在岸邊安裝在拖船上，如圖1所示。

圖1 聲學載荷裝船示意圖Fig.1 Schematic illustration of acoustic loading

2）DGPS系統進行初始對準，并將初始位置信息發送至各測量儀器，各測量儀器進行初始參數設定；

3）拖船航行至測量水域，按照DGPS給出的定位/導航信息進行航行，各測量儀器以拖魚形式進行掃海測量；

4）在掃海作業時，拖船應密切觀測DGPS及避碰系統的信息，確保安全航行在任務航道；拖船值班人員還要對測量中發生的各種異常和變化，做好記錄（如換線、信號異常、風浪變化等），以便在數據處理時進行分析和修正；

5）掃海任務完成后下載各測量儀器的數據并進行拼圖及修正處理，得到各聲學成像圖，供技術人員分析。

綜上所述，可以總結出現有的外檢測方法的主要缺點如下：

1）設備繁多，步驟復雜。在外檢測勘查作業中，需要動用一艘拖船，并需耗費一定的工時安裝種類繁多的聲學探測設備。這些儀器設備各有專長，互為補充，但功能單一。只能勝任某一項外檢測內容。為完成內容較多的外檢測勘探任務，拖船需要往復航行多個航次。

2）限制條件多。從上述勘測步驟可以看出，側掃聲吶等多種聲學儀器是以“拖魚”的形式臨時安裝在拖船上的。“拖魚”與拖船之間以“拖繩”進行軟性連接。由于拖繩的限制使得這種外檢測方式在執行100 m以上水深海管外檢測任務時，易受到海況較差、航道擁堵等外部因素的影響，作業窗口期較窄。

3）精度差。聲學傳感器工作時，要求搭載的拖魚“三軸”高精度穩定，以保證聲學成像設備能夠得“拍攝到”高清聲學“照片”，為后續技術人員的讀圖分析打下基礎。而拖船以“軟繩”拖曳拖魚這種工作方式必然會造成在較高海況或受到外界因素干擾的情況下拖魚“三軸姿態失穩”，這不利于聲學設備的高清成像。

4）自動化程度低，檢測成本高。現有的勘測作業需要拖船上大量人員從事導航、控制、船舶駕駛、參數設置、狀態監測、海情海況觀察、聲學設備布放回收等工作，自動化程度低，耗費大量人工工時?，F有各傳感器功能單一、精度差，往往需要航行多個任務航次才能得到相對理想的勘測結果，成本高昂。

2 AUV執行海管外檢特點分析

為了滿足日益增加的海管外檢測需求。國外海洋石油公司加快了研發新一代無人水下航行器的研發工作，國外已經有幾型產品服務于海管外檢市場。這種可搭載多種聲、光載荷可自主執行檢測任務的AUV較傳統的“拖魚”掃海形式具有以下的優勢：

1）模塊化設計，可裝配多類聲學傳感器。典型的AUV為模塊化設計，通過換裝搭載不同聲學載荷的功能艙段，可完成不同的勘測任務。搭載的“中低頻合成孔徑聲吶”等聲學載荷可對裸露/淺掩埋的海管進行比較高清的聲學成像，搭載的“高頻合成孔徑聲吶”可對裸露海管進行高清成像，以判別彎折、形變、路由走向、裸露或掩埋情況、懸跨、異物等故障現象；搭載的“多波束測深儀”可勘測海管附近地形、地貌及水深；CTD可收集海域的水文數據，為海管的日常維護及海管鋪設提供水文資料參考；“水下高清攝像機”可提供水下高清視頻/圖片資料；“低頻三維成像聲納”具有較強穿透能力，可探測深埋海管埋深及海底地質。

2）自動化程度高，航行姿態穩定，連續工作時間長。AUV由吊機等設備吊放至水面后，可自行按照預置航路信息進行航行并自動開啟搭載的聲學設備進行勘測作業。在航行過程中，AUV通過水聲通信向岸上或支援船發送狀態信息，勘測作業完成后，AUV自動上浮并通過無線電通信發送位置信息，回收人員回收。AUV具有高精度三軸姿態穩定航行控制能力，并可為各類傳感器提供速度、位置、姿態、航深、水文等多類信息，以便于后期進行數據優化處理，是多類高精度聲學傳感器的最理想載體；國外典型海管外檢用AUV航深可達500-1 000 m，可滿足大部分區域的海管外檢需求。AUV裝備有可充電的二次鋰電池，可以連續航行數十小時，上浮后可快速換裝電池，具有較好的大深度連續工作能力。

3）成本及人員風險低。AUV由于自動化程度高且無人航行，使得在勘測作業中人員需求少。由于其無人自主航行的特點，最多僅需一艘保障船搭載相關設備接收水聲信號以監測AUV工作狀態。該船僅需部署在AUV水聲通信距離范圍內，與現有拖船在勘測過程中全程拖曳“拖魚”這種傳統外檢測形式相比，無疑大大減少成本及人員以外風險。

3 典型地質聲學圖像特征

AUV利用搭載的合成孔徑聲吶等聲學載荷完成對目標海域的探測掃描，可以得到以下典型地質（目標）的聲學圖像特征。搭載合成孔徑聲吶的AUV如圖2所示。

圖2 搭載合成孔徑聲吶的AUV外形Fig.2 Shape of AUV

1）水底地形地貌

合成孔徑聲吶是一種新型高分辨率的水下成像聲納，基本原理是利用小孔徑基陣隨AUV平臺在方位向做勻速直線運動，發射聲波并接受回波，對合成虛擬大孔徑內的聲學回波數據進行相干處理，從而實現對觀測區域的高分辨率成像，其優點是分辨率與工作頻率和距離無關[5]。水底由于物理性質的差異，在受到洋流等影響下，產生條（帶）狀、月牙形等斑塊狀。凸出的條（帶）狀、巖石等硬質底質能夠反射回較多的聲學回波，因此在聲學成像圖中顯示成高亮。而凹陷的區域由于反射回較少的聲學回波則顯示成較暗的圖像。圖3為在試驗湖底的地形地貌特征，可以看到高亮呈現的帶狀凸起、巖石底質和較暗的凹陷區域。

圖3 水底地形地貌聲學成像圖Fig.3 Acoustic imaging of underwater topography

2）水底異物

和成孔徑聲吶可以得到清晰的水底異物的聲學成像圖，通過圖像處理可以得到異物的幾何尺寸，方便工程人員進行辨別。圖4為預先布放在湖底的受測目標，圖5為該目標的聲學成像圖。

圖4 受測目標實物Fig.4 Objects of target

圖5 受測目標聲學成像圖Fig.5 Acoustic imaging of target

3）掩埋物體

對于水下埋深1 m以內的物體，利用AUV搭載的中低頻合成孔徑聲吶也可獲得較清晰的聲學成像圖，可用于淺掩埋的海管外檢測任務。圖6為埋深1 m鋼管的聲學成像圖。

圖6 掩埋鋼管的聲學成像圖Fig.6 Acoustic imaging of buried steel tubes

4 結 語

利用模塊化設計的AUV可以搭載不同的聲學載荷執行海管外檢測任務：利用和成孔徑聲吶可以獲得水底目標清晰的聲學成像圖，通過讀圖可以確定目標的性質、尺寸、位置及周圍的地形地貌的變化；利用多波束測深儀可以獲得精確的水深變化。此外AUV還具有使用成本低、適用范圍廣、作業風險低的特點，可以大大提高海管外檢測的工程質量。