水下机器人的应用现状

摘要：《国际水力发电和大坝建设》(IWP & DC) 杂志介绍了有关大坝和水电站检测设备的很多细节。在对大坝和水电相关的其他一些基础设施进行检测时，如何接近这些设施往往是对操作人员的一大挑战。因此，很多操作人员就会借助于无人遥控潜水设备(水下机器人(ROV))来协助探查。主要针对目前市场上一些常用的水下机器人设备的种类、型号和功能，以及它们在国际上的应用情况进行了介绍。

关键词：水工建筑物管理；大坝监测管理；水下机器人

1水下逆流航行记录

2014年底，希巴德近海岸(Hibbard Inshore)公司曾创下了最长淹没隧道逆流检测的记录。该公司负责人说，这项任务只有萨博Seaeye Sabertooth型自主式水下航行器(AUV)/ROV混合水下机器人才能承担。对于有缆遥控潜水设备来说，实时数据反馈、设备控制以及安全措施非常重要。对Sabertooth型水下机器人，配备有一系列测量和摄影系统，在0.3 m/s的流速水环境中能够行进8 km。这一成就使其在力拓集团(Rio Tinto)哥伦比亚铝冶炼厂检查任务期间维持了重要的水补给。因需要在一个“非常快”的8 h内完成检查任务，所以随着流量的减少，速度非常重要，Hibbard Inshore公司的部门主管D.马拉克(Malak)如是说。

Sabertooth型号水下遥控潜水设备装备有多波束系统和相机云台，能够提供水下隧道三维分析，以及隧道壁的状态和所关心区域的高清视频检查记录。力拓集团拥有一个有着4 a之久的水下隧道重要资产，需要彻底检查，找出潜在的崩塌区以作出维修规划，并能提供可用于隧道状态变化趋势分析的可比数据。

2013年底，Hibbard公司又创下了一项新纪录，它成功地完成了澳大利亚境内雪山水电项目长24 km的隧道检查任务。在执行任务的过程中，同样采用了联机模式的Sabertooth型号水下机器人。该款水下机器人设计理念是将自主式水下机器人和遥控潜水设备的技术整合成统一的优化资源提供给用户，使其不仅具备自主式水下机器人在工作范围和操作灵活性上的优点，同时也具有遥控潜水设备在能源动力、工作便捷度方面的优势。

Hibbard Onshore是第一个发现Sabertooth型水下机器人潜力的公司，它认识到该款水下机器人具有360°自由旋转运行、流畅的动压轴承设计、高效的推进器、精确的导航以及在有限的空间里应对水流等能力。同时，它也看到了内置的大容量电池技术可以满足长距离、长时间水下工作应用的需求。只有当需要的时候，它才会通过光纤脐带缆与水下基站连接，以进行充电。

2海狮、水獭型水下机器人及ROV

美国JW Fishers公司的水下机器人是一款可以往任意方向移动的水下摄像系统，在水面进行控制，能够无限制地潜水停留，可以进行管道巡查、河流和海洋搜索、坝体巡查、石油和天然气平台工作、养鱼场、危险场所检查等水下搜索或检查作业。这款水下机器人可以大大缩减搜索时间以及高成本和高风险的潜水检查。当配备RMD-1金属探测器时，水下机器人可以定位枪支，搜索未爆弹体、管道线路、海底宝藏或其他一些金属物体等。

可供选择的型号有Sealion-2 和 SeaOtter-2。SeaLion-2型ROV水下机器人是Fishers公司很受欢迎的一款SeaLion型ROV水下机器人的新一代。它有4个高输出功率可逆变速马达，可以快速移动，比SeaOtter-2型水下机器人的性能更强大。

另外，当Sealion-2型水下机器人在水下遭遇突发海流时，它会产生额外的推力，从而保持平稳的工作状态。它的工作深度为304.8 m(1 000 ft)，最长连接线缆有457.2 m(1 500 ft)，同时配备了可平移或倾斜的前后方云台彩色摄像机。前方摄像机由2个100 W卤钨灯泡提供照明，后方摄像机的光线则由一个超亮的LED灯环提供。

SeaLion-2由PS-2水面甲板控制单元控制，PS-2内置3.81 cm(15 inch)的高清显示器。ROV的推进器命令、相机和光源的操控等均由PS-2甲板控制单元管理，也可以根据需要选择无线控制器。垂直操纵杆轻推ROV至水下，水平方向的轻推力使ROV在水底的上方爬行。控制面板上有插孔和放大器，可以满足每个作业的要求。

视频输出插孔允许同时使用内部显示器和远程监控器，这样，其他观测者不必拥挤在控制台就可以看到图像。内置的视频放大器可以调整图像画面质量，让水体视频的清晰度达到最佳状态。用户也可以自行联系DVD录像师，制作一个记录水下场景的永久视频记录。借助音频放大器，语音也可以被记录到视频图像中。

SeaLion-2型水下机器人可供选购项包括：最长457.2 m(500 ft)的线缆、线缆管理系统、屏幕参数显示(时间/日期/GPS/航向/深度/距底部距离)、2个侧边彩色摄像头(由4个照相机组成)、自动深度控制、自动离底距离监测、ROV计算机控制、外置DVD刻录机、内置DVR录像机、视频文字叠加、机械手、金属探测器、扫描声呐以及备用部件套件。

SeaOtter-2 水下机器人有很多与SeaLion相似的特征，但没有SeaLion的性能强大。它更适用于中低速的海流区域。这款水下机器人同样拥有前后方可倾斜彩色摄像机，照明设备由前端2个50 W的卤钨灯泡和尾部的高亮LED灯环组成。该款ROV最长工作线缆为152.4 m(500 ft)，并配备有73.152 m(240 ft)的线缆系统控制和10.4英寸高分辨率高亮显示器。ROV的推进器、摄像机以及灯光的命令通过PS2手柄控制。

SeaLion-2型水下机器人可供选购项包括：最长152.4 m(500 ft)的线缆、线缆管理系统、屏幕参数显示(时间/日期/GPS/航向/深度)、自动深度控制、外置DVD刻录机、操作臂、金属探测器、扫描声呐以及备用部分套件。

3遥控检测

美国因努克吐恩(Inuktun)公司的产品可以满足水利电力行业许多远程遥控检测的需求。该产品的潜水系统使用方便，已使其成为大坝和水闸检测的理想工具，而且也适合偏远场所。该公司的产品主要有Versatrax 100，Versatrax 100 MicroMag和Helios。

Versatrax 100产品是一个微型爬行器，能够检测直径小到4英寸，即直径大约为10 cm的管道。该爬行器可以根据不同的管道尺寸提供串联和并联2种检测方式。

同时，该Versatrax 100也是个便携爬行器，其整个系统被封装成2个Pelican机箱(包括线缆和手动绞盘)。尽管它体积不大，但却有足够的动力来穿越大约180 m长的管道，具有良好的越障能力。

Versatrax 100 MicroMag型号管道机器人是一款紧凑、防水、有磁性的移动机器人。它可以实施快启动工作，实时传回录像信息，并可以吸在铁的表面，适宜于各类应用。另外，可以对其实施远程控制，即使在水下也可以进行水平、垂直和倒转操作。

一台标准的MicroMag型爬行器配备有一个铝制底盘、稀土磁铁、一堆坚固的铝制激光粒度分析仪、一个可平移和倾斜的照相机和6个高亮度的LED灯，以及2个可变亮度的卤灯，以便在需要时辅助照明。当遇到光照不足、灰尘、雨、雪、雾、烟以及浑水等不利条件时，拍摄高质量的视频图像会变得十分困难。因努克吐恩公司的实时视频图像增强系统(即Helios)可以自动校正这些可见性问题，极大提高图像的清晰度、亮度，减轻边缘效应。该Helios平台可以捕捉平常肉眼所不能捕捉到的一些视频图像细节。

Helios视频图像处理系统，与标准的因努克吐恩公司生产的管道机器人的控制器、照相机进行了集成，是负责视频工作环节的专业人员必不可少的，相当实用。

4大坝监测

Teledyne SeaBotix水下爬行机器公司，是Teledyne海事集团的成员之一，是迷你型ROV(MiniROV)的制造商。该公司旗下的水下机器人可用于执行海事安全、搜索和恢复、船体维修、管道检查，以及一些基础设施检查等多项任务。该公司生产Seabotix LBV系列的产品，而且其产品近期被San Diego公司(专门从事水下地形成像、检测和调查工作)应用在Pro-ROV服务中。借助于该产出，在3周多的时间内完成了怀俄明州3座(Twin Lakes, Tie Hack and La Prele)大坝的安全检查。

该LBV系列水下爬行机器人通用多功能平台可以提供以下主要功能。

(1) 摄像机，用于取水塔出口闸门和低水位水库排水工程照相和录像。

(2) 超声波测厚度仪，用于测量出水管的厚度。

(3) 深度探测器，用于采集一些水库测深数据。

Pro-ROV服务还利用了SeaBotix LBV300-6型水下机器人来检查福尔松(Folsom)大坝前池溢洪道底部的浑浊帷幕。在基威特(Kiewitt)建筑工程中，巴拉德(Ballard)潜水队采用迷你型ROV(MiniROV)代替潜水员潜入水下工作，并从9.144 m(30 ft)的船上获取110 V的电能。该项检测工程的目的是想查看并记录每个浑浊灌浆帷幕的接缝，并观察帷幕沿底部是否有移动。每个接缝大约是15.24 m(50 ft)宽，并有从帷幕底部向上移动的趋势。由于水底有大量的浑浊泥沙沉积，使检测深度较浅，只有9.144 m。

能见度较低带来的检测困难同样存在于接触帷幕底部的可见线时(用于上下移动帷幕)，视频检查覆盖了很长一段距离，并在1 d之内完成。在作业过程中，LBV水下机器人的操作臂手负责拉开帷幕和ROV的线缆。利用MiniROV型水下机器人可以缩短检测时间，从而节约了成本，并替代潜水员完成水下检查工作；另一方面也可以减少风险，符合大坝安全协议的相关规定。

Pro-ROV服务公司的操作员Mark Stepanek说，这个公司的一个客户—巴拉德潜水队(Ballard)，请求公司使用SeaBotix vLBV-4000型水下机器人完成另外一个项目。公司也因此接受并执行了该请求，LBV水下机器人在检查过程中表现的十分出色，结果也令人满意，公司也因此提前完成了项目的计划任务。

福尔松大坝溢洪道工程是美国军队和内政部合作的一个项目，投资大约为9亿美元。该项目计划完工时间为2017年。届时，在洪水期间，水库蓄水将可以得到有效泄放。水库和大坝是水电工程的一部分，可以提供防洪、发电、灌溉以及城市供水等多种用途。

泰里达因遥控潜水机器人(Teledyne SeaBotix)公司除了生产LBV系列机器人产品以外，同时也生产LBV300-5型水下机器人产品。

MiniROV水下机器人作为一个非常稳定和灵活的传感器平台，可以在数分钟内从一个4轴转变成一个5轴的爬行器。它能以22+的kgf(千克力)的吸引力在任何坚硬或平坦的基础设施上移动，比如大坝、船只和海提等。检测表面和传感器之间没有相对运动，检测输出结果的质量可能是最高的，并且操作者的疲劳度可以得到大大降低。

5水下高分辨率检测

在2014年中期，加拿大St. Catharines, Onatario有限公司的ASI 海洋部门，有机会重返哥伦比亚洛基(Rocky)山脉基马诺(Kemano)隧道上游进行高分辨率多波束调查。ASI海洋部门此前证实了水下机器人可以用于在充满水的隧道中收集有用的信息。在2010年的某个项目中，2个水下机器人从隧道两端同时进行检测，扫描声呐、导航声呐和视频，被用于描述短段隧道的状况。中途有个小小的中断，共持续了4 h左右。

在2014年的某个项目中，利用ASI 海洋的高度改装的Mohican型水下机器人，对用户感兴趣的隧道上游8 km的一个区域进行检查。除了能够给系统提供独立电源的发电机外，ASI 海洋的其他设备由直升机送至2台升降机的入口处。其中，一台升降机用于运送带有10 km长脐带缆的绞车，另一台升降机则用于运送水下机器人(ROV)的其余设备。ASI 海洋部门同时拥有LBV 300XL紧凑型水下机器人，用于在主水下机器人潜水和修复期间，作为一个观测设备而存在。

ASI Marine部门的Mohican型水下机器人带有3个立信(Reson)高分辨率多波束装备，3个蓝景(BlueView)M900声呐，一个Tritech SeaKing型号扫描声呐以及一个CDL MiniPOSNAV型惯性导航系统，用于关联和标记所有与精确定位有关的数据。视频系统包括一个标准的高清摄像头，另外增加了2个高速的500万像素数码照相机，用于静态场景的拍摄。

利用多波束声呐收集的数据生成一个带有地理参考的点云模型，每米隧道的点云多达30 700个。通过三维建模，可以准确地显示各种隧道衬砌的状态，以及早在2010年标识的感兴趣的项目。同时，提供了局部网格和标准UTM这2种地理参考方式，可以根据需要进行选择。具有地理参考的这些数据，可以与其他用户数据进行整合、集成。

(杨胜梅赵秋云编译)

文献标志码：中图法分类号：TV698.239A

文章编号：1006-0081(2015)11-0029-03

收稿日期：2015-09-15