自治潛水器作業(yè)安全風(fēng)險因子研究

馬 良，楊 照，李 鵬

(青島海洋科技中心，山東 青島 266237)

0 引 言

海洋運載設(shè)備是大型海洋調(diào)查設(shè)備的一類，主要有HOV，ROV，AUV等，其中自治潛水器（autonomous underwater vehicle, AUV）自帶能源，能夠按照人類事先編制的程序航行和作業(yè)，或自主根據(jù)賦予使命、作業(yè)環(huán)境和自身狀態(tài)確定航行路線和完成探測作業(yè)[1 – 5]。AUV具有相對安全（無人）、活動范圍廣（不受電纜約束）、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點，同時由于其自主工作在海洋環(huán)境中，安全性是其研究和實用化過程中重要問題之一[6?7]。

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，AUV丟失損壞事故時常發(fā)生，相關(guān)案例屢見不鮮。2005年，曾為南極冰架下海洋環(huán)境與資源探測做出巨大貢獻(xiàn)的英國Autosub2 AUV在南極Fimbulisen冰架下作業(yè)時，因電源硬件或連接器故障導(dǎo)致系統(tǒng)電源失效，進(jìn)而使得主控系統(tǒng)錯誤下達(dá)拋載上浮命令，最終導(dǎo)致陷入200 m厚的冰層而無法浮出水面而丟失。2010年，美國伍茲霍爾研究所潛深6000米級別的AUV ABE在智利沿海探測時，因耐壓艙被壓破碎而丟失。2013年，日本海上自衛(wèi)隊用于調(diào)查海底狀況的水下機(jī)器人在青森縣的津輕海峽丟失。2014年，當(dāng)時世界上最大深度的混合型遙控水下機(jī)器人“海神”號（Nereus），在新西蘭東北克馬德克海溝9990 m的深度丟失。此外，據(jù)報道用于組建反水雷無人水下航行器系統(tǒng)的Remus100，在近5年美國海軍組織的多AUV協(xié)同試驗中丟失。2014年，西北工業(yè)大學(xué)研制的50 kg AUV在聯(lián)合海上試驗時由于通信系統(tǒng)故障丟失，幸運的是1周后漁民作業(yè)時發(fā)現(xiàn)了該AUV。2017年，我國首臺下潛深度超過萬米、創(chuàng)造了我國無人潛水器下潛及作業(yè)最大深度記錄的自主遙控水下機(jī)器人（ARV）“海斗”號，在深海聯(lián)合航次中永遠(yuǎn)留在了馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵。AUV作業(yè)過程中面臨的一系列風(fēng)險因子，嚴(yán)重威脅AUV的作業(yè)安全，并會造成重要財產(chǎn)和數(shù)據(jù)損失，已成為限制AUV技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的重要因素[8?9]。

1 AUV全壽命剖面與典型任務(wù)剖面分解

1.1 AUV全壽命剖面分解

剖面一詞的含義是對所發(fā)生的事件、過程、狀態(tài)、功能以及所處環(huán)境的描述，事件、狀態(tài)、功能及所處環(huán)境都與時間有關(guān)，因此這種描述事實上是一種時間序列的描述[10]。AUV的全壽命周期是指從AUV產(chǎn)品交付驗收到壽命終結(jié)退役的全過程，壽命剖面主要包括基地維修、AUV裝箱轉(zhuǎn)運、系統(tǒng)復(fù)機(jī)和海上作業(yè)。壽命剖面是環(huán)境條件分析的基礎(chǔ)，根據(jù)AUV壽命剖面的各個階段，分析AUV各階段經(jīng)受的主要環(huán)境應(yīng)力及其大小以及可能受到的作業(yè)風(fēng)險。AUV全壽命剖面圖如圖1所示。

圖1 AUV全壽命剖面圖Fig.1 Life profile of AUV

1）基地維修作業(yè)階段

AUV作業(yè)裝備交付使用后，在航次開始前，一般要在維護(hù)保障基地車間進(jìn)行常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)，常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)主要是設(shè)備的調(diào)試檢查，檢查維護(hù)內(nèi)容一般按照AUV 出廠時的出廠要求開展，基地維修保養(yǎng)一般按照設(shè)備服役周期分為日常保養(yǎng)、中修及大修，維修保養(yǎng)的任務(wù)是保證AUV 處于適航狀態(tài)，基地維修階段尾期可開展水池測試或湖上調(diào)試。對于任務(wù)返回后的AUV故障一般需要在基地維修階段進(jìn)行修復(fù)，保證下次任務(wù)出航前能夠修復(fù)故障，對于出現(xiàn)的一些重大故障或損壞，一般返回研制廠家進(jìn)行維修。

2）AUV準(zhǔn)備轉(zhuǎn)運階段

當(dāng)接到AUV海上作業(yè)任務(wù)后，需要立即啟動AUV裝箱轉(zhuǎn)運工作，包括設(shè)備的調(diào)試測試，備品備件的采購準(zhǔn)備，設(shè)備的裝箱、特殊作業(yè)工具的準(zhǔn)備調(diào)試、設(shè)備的轉(zhuǎn)運與上船，人員的動員，動復(fù)原階段涉及設(shè)備的轉(zhuǎn)運、吊裝等作業(yè)，涉及到外場一些作業(yè)的操作擁有一定安全風(fēng)險。

3）系統(tǒng)復(fù)機(jī)和海上作業(yè)任務(wù)階段

AUV設(shè)備上船后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)機(jī)和調(diào)試，然后正式進(jìn)入海上作業(yè)階段。此階段AUV及其附屬設(shè)備一般在母船上，航渡到達(dá)作業(yè)海區(qū)后，根據(jù)作業(yè)計劃和海區(qū)氣象及母船狀況進(jìn)行潛水器作業(yè)。潛水器作業(yè)包括下潛前準(zhǔn)備、AUV布放、水下自主航行、AUV回收、甲板檢修，按照作業(yè)要求循環(huán)進(jìn)行下潛作業(yè)。水下自主航行階段也是整個設(shè)備面臨作業(yè)風(fēng)險最多的階段，大部分AUV設(shè)備丟失及損壞等都出現(xiàn)在自主航行階段。

1.2 AUV典型任務(wù)剖面分解

由于不具備水下操作組件，通常情況下AUV只能進(jìn)行水下探測或觀測等任務(wù)，無法潛入海底替代人類進(jìn)行各類作業(yè)。AUV按照其設(shè)計功能不同，一般可以分為科考探測型AUV和軍事運載型AUV。對于科考作業(yè)型AUV任務(wù)作業(yè)的任務(wù)剖面描述為：AUV攜帶科學(xué)探測儀器在完成規(guī)定的使命巡航探測任務(wù)過程中所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述。以科考探測型AUV為例，對AUV的任務(wù)剖面進(jìn)行分解?？瓶继綔y型AUV作業(yè)分為海面設(shè)備復(fù)機(jī)檢查—母船機(jī)動到達(dá)下潛點—下潛前硬件檢查—起吊AUV—釋放磁力纜—AUV到達(dá)海面—水面人員脫鉤—AUV開始下潛—布放聲通信機(jī)—測試定位—AUV到達(dá)水下預(yù)定位置—確認(rèn)位置—按照規(guī)劃軌跡自主航行—母船隨航—AUV完成預(yù)定軌跡或電池電量耗盡或應(yīng)急拋載上浮—水面人員回收聲通信機(jī)—AUV出水—水面人員掛鉤—起吊AUV—回收至甲板—淡水沖洗—科學(xué)數(shù)據(jù)下載—甲板拆檢維護(hù)。按照深度剖面和時間剖面將該典型作業(yè)進(jìn)行任務(wù)剖面分解，其任務(wù)剖面分解圖如圖2所示。

圖2 AUV水下作業(yè)任務(wù)剖面圖Fig.2 Profile of AUV underwater operation

1.3 AUV典型環(huán)境剖面分解

AUV產(chǎn)品的使用環(huán)境直接決定了其作業(yè)的風(fēng)險條件，因此對系統(tǒng)的典型環(huán)境剖面進(jìn)行分解，系統(tǒng)分析其壽命剖面和任務(wù)剖面下的環(huán)境剖面，通過環(huán)境剖面加入人的因素就可分析AUV作業(yè)過程中的風(fēng)險因子，并依據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行風(fēng)險因子的系數(shù)選取。AUV全壽命周期主要分為基地維修階段、動復(fù)原階段、海上作業(yè)階段，按照3個階段的任務(wù)剖面對環(huán)境剖面進(jìn)行分析。

1）基地維修階段的環(huán)境條件

基地維修階段AUV設(shè)備一般在廠房中進(jìn)行拆撿維修，在沒有任務(wù)階段，基地拆撿維修所占時間比例較大，在基地維修階段主要外部環(huán)境條件影響為溫度和濕度，AUV與ROV同為海上調(diào)查專用設(shè)備，運行保障條件具有相似性，根據(jù)一般海上設(shè)備存儲車間國家標(biāo)準(zhǔn)，一般AUV 維護(hù)貯存車間需要滿足溫度在5℃～30℃，相對濕度在40%～70%。

2）動復(fù)原階段的環(huán)境條件

AUV動復(fù)原階段，AUV設(shè)備將被裝入集裝箱內(nèi)起吊運輸至工作船，并運抵至作業(yè)海區(qū)。雖位于集裝箱內(nèi)，但AUV在運輸過程中也將承受運輸振動應(yīng)力作用，需要做好系固等操作。

3） 海上作業(yè)階段的環(huán)境條件

海上作業(yè)階段分為母船航渡階段、布放回收階段、水下作業(yè)階段，3個階段承受的外部環(huán)境條件有較大差別，分3個部分對環(huán)境條件進(jìn)行分析。

① AUV母船航渡階段

AUV裝載在支持母船后，隨著母船航渡過程中，由于母船及波浪載荷產(chǎn)生較大的震動，震動載荷施加在集裝箱上，集裝箱內(nèi)的AUV將產(chǎn)生較大幅度的運動，導(dǎo)致AUV結(jié)構(gòu)系統(tǒng)系固部位承受較大的載荷。

② 布放回收階段

與ROV不同，AUV布放回收靈活，對母船具有更大的適應(yīng)性，一般只需要船載吊車或A型架系統(tǒng)滿足AUV布放回收的提升力要求即可。由于AUV為水下無人無纜式自主航行器，布放入水后，便于母船失去物理連接，因此在AUV的布放階段，需要采用多人拉纜的方式做好止蕩和防撞措施同時考慮海況影響及船舶搖晃劇烈程度適當(dāng)增加水面支持人員。

③ 水下自主航行階段

廣義上的自主航行階段又可以分為2個層次，一個是AUV布放入海后的自由下降和拋載后的自主上浮階段，另一個是按照預(yù)定規(guī)劃路線和使命任務(wù)自主航行階段。由于海底除局部復(fù)雜地形外，一般大深度海底的水流運動速度微小，因此在自主航性階段AUV可以保持較平穩(wěn)的速度航行。

2 AUV作業(yè)過程中風(fēng)險因子分析

2.1 下潛作業(yè)前的風(fēng)險因子

在開展海洋調(diào)查時船上作業(yè)空間較小、作業(yè)時間較長、海況復(fù)雜多變，在下潛作業(yè)前，易受季節(jié)性海洋氣象影響，有可能發(fā)生船體搖晃，AUV與船舶碰撞等突發(fā)事故。同時，操作人員的技術(shù)水平及航次的組織協(xié)調(diào)能力都有可能對AUV儀器設(shè)備損壞和丟失的風(fēng)險產(chǎn)生影響。AUV下潛作業(yè)前面臨的風(fēng)險因子如表1所示。

表1 AUV下潛作業(yè)前的風(fēng)險因子分析表Tab.1 Risk factor analysis before AUV diving

2.2 下潛作業(yè)過程中的風(fēng)險因子

在調(diào)查作業(yè)中，使用方式不同的儀器設(shè)備存在的風(fēng)險不同，儀器設(shè)備使用方式也是影響儀器設(shè)備使用風(fēng)險的主要因素[11?12]。AUV這種在調(diào)查作業(yè)時完全與船體分離且與船體無連接的儀器設(shè)備損壞和丟失的風(fēng)險較高。主要考慮方面為：使用機(jī)時、系統(tǒng)性能、海況條件等。在AUV的布放與回收過程中，還需要考慮母船的影響，包括穩(wěn)性、耐波性和操縱性能等。AUV水下作業(yè)時的失效和風(fēng)險因子主要由AUV本身的技術(shù)參數(shù)決定。AUV下潛作業(yè)過程中的風(fēng)險因子分析表如表2所示。

表2 AUV下潛作業(yè)過程中的風(fēng)險因子分析表Tab.2 Risk factor analysis during AUV diving

2.3 作業(yè)后水面拆檢階段的風(fēng)險因子

AUV回收至水面后需要進(jìn)行潛次后的拆檢維護(hù)操作，技術(shù)人員的維護(hù)維修技能需通過專業(yè)的知識儲備、完善的培訓(xùn)體系和豐富的實踐經(jīng)驗獲得。AUV作業(yè)后水面拆檢階段的風(fēng)險因子分析表如表3所示。

表3 AUV作業(yè)后水面拆檢階段的風(fēng)險因子分析表Tab.3 Risk factor analysis during inspection after AUV operation

3 結(jié) 語

AUV作為深海移動式觀探測平臺，不僅造價高昂，其承擔(dān)的作業(yè)任務(wù)往往更加重要，因此對AUV作業(yè)安全風(fēng)險因子的分析即顯得尤為重要。AUV全壽命期剖面主要包括基地維修、AUV準(zhǔn)備轉(zhuǎn)運、系統(tǒng)復(fù)機(jī)和海上作業(yè)任務(wù)3個階段，影響AUV安全作業(yè)的關(guān)鍵安全因子有操作人員素質(zhì)、動復(fù)原操作、設(shè)備本體可靠性、水下作業(yè)環(huán)境等，各因子影響的范圍和程度均不同,要全面考慮各因子對AUV作業(yè)的綜合影響，做好相應(yīng)的預(yù)防措施和應(yīng)急預(yù)案，重點注意操作規(guī)范和日常維護(hù)保養(yǎng)，保障裝備的穩(wěn)定可靠運行。