芮 钧，华 涛，夏 洲，郑健兵

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211000)

0 引 言

水电工程通常会在河流上修建大坝，对时空分布不均的天然来水进行科学调配，实现水资源的优化综合利用。由于大坝的建设成本十分高昂，且大坝一旦出现问题，将对下游地区人民群众的人身和财产安全、地方经济发展造成严重威胁。为此，我国一直十分重视大坝的安全管理，建立了极为严格的技术和管理体系。水电站建设过程中，会在大坝中埋设大量传感器，全面观测大坝建设期和运行期的内部应力、应变、渗漏以及外部变形等信息，并由水电工程管理单位及第三方定期开展大坝的安全分析评估，确保大坝始终处于安全状态。

近年来，国内越来越关注大坝水下部分表面缺陷对大坝安全造成的影响。许多大中型水电站正积极探索并实践大坝水下部分表面的检查工作。目前，大多数水电站仍然采用潜水员下潜作业的方式，由潜水员携带配有照明灯的水下摄像机，利用手掌探摸接近观察区域，经目视确认后进行录像观测。潜水员每次下潜作业时间十分有限，且无法携带水下摄像机以外的其他检查设备。深水作业时潜水员需氦氧饱和潜水，需提供水面支持系统，对电、氧气、氦气、水以及场地要求较高，且潜水作业风险非常大。因此，这种作业方式效率低、成本贵、作业风险大，难以很好地满足大坝水下检查需求。

随着云大物移智等新兴技术快速发展和逐步应用于工业领域，国内各个流域水电开发公司均积极响应国家“互联网+”智慧能源的发展战略，开展水电站智能化建设工作。其中,积极引进工业机器人技术，实现水电站大坝水下机器人安全检查，以及厂房内的机器人智能巡检，是智能化建设的重要内容之一。然而，国内ROV推进系统、导航、运动控制等研究工作均局限于海洋ROV[1-10]，无法满足水电工程检查的需要。本文分析国内外主流的有缆遥控潜水器(ROV)的发展现状，以及国内水电站试点应用海洋ROV进行大坝安全检查过程中的主要问题，研究水电站大坝安全检查ROV的特殊应用需求及需要解决的关键技术，为研制适用于水电站大坝安全检查的ROV装备提供依据。

1 水下机器人发展现状

水下机器人也称水下无人潜水器(Unmanned Undersea Vehicle，UUV)，主要分为有缆遥控潜水器(Remotely Operated Vehicles，ROV)和无缆自治潜水器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，其中有缆遥控潜水器又分为自航式、拖航式和爬行式3种。ROV的优点是水面操作人员可实时观察到水下环境并遥控操作，对机器智能要求不高，缺点是由于电缆连接，其活动范围有限；AUV的优点是由于没有电缆连接，其活动范围较大，不受母船制约，不足是对机器智能要求较高，目前仅限于简单的水下探测作业。

1960年，美国成功研制了世界上第一个真正意义上的有缆水下机器人ROV-CURV。该机器人在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，在全世界引起了极大地轰动。20世纪70年代以后，由于海洋油气业的迅速发展，ROV也得到飞速发展。1975年，美国研制了第一个商业化的水下机器人-“RCV-225”，用于北海油田和墨西哥湾。1987年，法国国家海洋开发中心建造了“埃里特”声学遥控潜水器，用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设等复杂作业。1988年，日本海事科学技术中心建造了万米级无人遥控潜水器。近年来，日本海洋科学与技术中心研制了KAIKO 7000水下机器人，最大工作水深7 000 m。加拿大Seamor Marine公司研发的专用于浅海水下勘察和轻量级作业的Seamor300系列ROV。

我国自二十世纪80年代初开始研制ROV。1985年，中国科学院沈阳自动化研究所联合上海交通大学自主研制了我国第一艘无人遥控水下机器人“海人一号(HR-1)”，下潜深度199 m。自1986年开始，中国科学院沈阳自动化研究所又先后研制了RECON-IV-300-SIA-01、02、03型ROV，“金鱼号”轻型观察用水下机器人。2004年，上海交通大学水下研究所自主研制了“海龙号”ROV，完成了 3 500 m水下测试。2009年，中国科学考察船第21航次第三航段考察中，首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。2010年，中国科学院沈阳自动化研究所研制了北极ARV，集AUV和ROV技术特点于一体，曾多次在北极科考活动中自主完成指定海冰区的冰下光透射辐照度、海冰厚度、冰底形态、海洋环境等参数测量工作。

从国内外发展情况来看，目前ROV已经成为一种成熟的产品，形成了一个新的产业。据不完全统计，目前全世界有近300家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务，ROV产品已经超过110种。ROV在海洋开发的许多领域得到了广泛地应用，最大下潜深度已达一万米。AUV则受人工智能发展水平的限制，还不能完全实现自治控制，每次作业前需要由人对作业任务进行分解并进行任务规划，以预编程的控制方式保证水下机器人按事先计划的程序完成作业。水下机器人初期主要以军事为目的，重点围绕援潜救生、武器打捞和水雷对抗等目标，至今仍有相当数量的水下机器人应用于军事领域。目前，ROV在海洋科学考察、水下考古、海洋救助与打捞救生、水下工程等方面均得到了广泛的应用。例如，在海洋科学考察中，ROV能够用来记录海底地形、绘制海底地图、获取土样和岩石样本、测定海底生物形态，采集生物样本、测定地球磁场，考察石油、天然气、矿物资源，考察海底火山活动情况等；在水下工程应用中，可以进行各类水下工程部位的检查、水下设备的搜索，以及石油钻井平台基础清理、水下构件除锈等作业。

2 智能水电厂ROV应用研究

2.1 应用场景分析

我国部分大中型水电站自2010年左右开始进行ROV初步应用探索[11,12]。如2009年，长江科学院工程安全所引进加拿大Shark Marine公司的ROV应用于三峡水利枢纽工程、白莲河抽水蓄能电站等工程中，开展了水下凝土状态、岩坎爆破效果、电站进水口淤积等方面的检测、探查工作。2010年，小湾电站第三阶段蓄水之前引进英国SEAEYE公司的FALCON 12167观察型ROV，对1号、2号放空底孔进行水下观测。2012年，阿海水电站利用FALCON ROV携带彩色成像声纳、水下摄像机对1号机组进水口检修闸门槽进行探测和观察，并利用机械手清理了部分杂物[13]。2016年，上海交通大学利用其研制的“海马-500”中型水下作业级ROV对二滩水电站6号引水隧洞进行了声光学复合全面检测。

结合ROV发展现状及在水电工程中的试点应用结果分析，ROV在水电工程水下安全检查和作业中具有比较广阔的应用场景。例如，在水电站建设过程中，可以使用ROV清理电站进水口淤积，检查闸槽、底坎是否有异物，避免下闸蓄水过程中被卡住。电站建成投产后，可以使用ROV定期检查水库大坝及闸门水下部分的裂缝、损坏情况，检查船闸底枢、底止水和斜接柱水下部分的完整性，检查引水隧洞冲蚀、裂缝、剥落、底板磨损、混凝土衬砌结构与钢衬结合部以及钢衬完整性，监视和辅助潜水员进行水下作业，利用带机械臂的ROV完成机组拦污栅清理工作。此外，还可以让ROV通过尾水管进入水轮机组底部，对水轮机组进行检查。智能水电厂是指以自动化、数字化、信息化为基础，利用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等技术，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应能力，实现安全、稳定、高效运行的水电厂。因此，利用ROV技术构建智能化的大坝水下安全检查技术体系，是智能水电厂的重要技术内容。与传统水电厂采用的人工下潜检查方式相比，基于ROV技术的智能化水下安全检查技术体系将产生如下效益：①降低水下检查的风险。大中型水电站水下检查通常大于60 m水深，深水作业风险非常大，极端情况下对潜水员生命造成一定的危险。采用ROV进行水下检查不仅避免了人身危险，而且即使ROV在检查中发生动力故障无法返航，也能够通过脐带电缆或利用其自身浮力来收回ROV，避免ROV设备的损失风险。②大幅度降低水下检查工作的成本。大中型水电站水深大，需要聘请高水平的潜水员进行操作，人工成本十分高昂。ROV不仅购置成本低于人工检查成本，并且从业务需求来看ROV完全可以在多个电站之间共享应用，从而通过分摊进一步降低了ROV的使用成本。③缩短水下检查的时间。潜水员在水下单次停留时间短，并且每天潜水次数受限，即使较简单的水下检查任务，也需要较多天数才能完成。ROV设备通过脐带电缆从岸基获取电力，因此可以不限时连续作业，因此能够大幅度减少任务完成天数。④能够检查原来人工无法检查的项目。对于高水压的引水隧洞等，潜水员无法进入检查，必须要排空所有水才能进行作业。ROV则可以直接在引水隧洞高压力水中工作，不需要放空引水隧洞，从而避免由此带来的水量及电量损失。⑤信息采集质量更高。潜水员手持水下摄像机拍摄的影像资料难以避免画面晃动等问题，ROV设备在水下运行时稳定性更高，因而采集的图像和视频质量好于潜水员，并且能够实现水下影像实时传送。⑥信息采集范围更加全面。潜水员通常仅携带水下摄像机进行检查，采集的信息相对单一。ROV设备除了获取实时影像之外，还可以携带声纳等大量其他设备，单次水下作业采集的信息更加丰富。

2.2 关键技术研究

如前所述，我国部分大中型水电站已经开展了试点应用研究，也在ROV应用方法、场景和效益等方面掌握了一定的成果。然而，上述水电站均使用了海洋ROV产品进行水下检查。由于海洋ROV的工作环境、产品特性以及业务需求，与水电工程大坝水下检查存在较大的差异，导致多数水电工程采用ROV进行水下检查时未能达到所期望的水平，ROV水下检查的效益未得到充分发挥，进而影响了ROV在水电工程中的应用推广。经过分析，造成上述问题的主要原因在于：①海洋中的水质较清，可视距离相对较远。水库下的可视距离则通常低于1 m，部分甚至低于50 cm，远低于在海洋中的可视距离。②部分海洋ROV不具备横向移动功能，而大坝水下部分检查则需要在水平方向沿着大坝作横向连续移动，因此部分海洋ROV无法满足大坝表面检查需要。③海洋ROV按照海水浮力进行壳体设计，在海洋中运行时受到的浮力刚好抵消其重力。淡水浮力小于海水，海洋ROV在水库中使用时必须依赖垂直推进器保持ROV在固定深度，比较难以保持自身稳定，尤其当水中脐带电缆太长时，垂直推进器动力不足将使得ROV沉到水底。④在对机组进水口附近进行检查时，相邻机组发电会带来明显的紊流，海洋ROV的动力系统并无该工况的针对性设计，动力和稳定性难以满足相邻机组运行工况下的水下检查任务。⑤部分水电站有压引水隧洞长达数公里，海洋ROV脐带电缆长度大多无法满足水电站有压引水隧洞、压力钢管检查的要求，脐带电缆加长又会带来电力传送问题。

因此，智能水电厂需要在传统的海洋ROV技术的基础上，结合水电厂大坝水下检查的工作环境、产品特性以及业务需求，在以下关键技术方面开展深化研究：①严重浊度下的导航定位和测量技术，优选声学导航技术，并结合视觉导航技术和惯性导航技术，建立基于超短基线定位系统、小量程声呐系统、多波速声呐系统、高灵敏度水下摄像机等组成的综合导航和测量系统，提高ROV设备的导航和测绘能力，满足水库大坝底部检查的需求。②具备横向移动及原地旋转能力的动力系统，优化设计ROV本体推进器的布置方式，实现前进后退、上浮下潜、横向移动、水平旋转等运动能力，使得ROV本体能够在自动与大坝表面保持固定距离的情况下横向移动检查，以及在引水隧洞、尾水管等有限空间内原地旋转作360度检查。③图像识别及距离量测技术，能够从视频中抓取快照并进行处理，并采用图像识别技术自动判别大坝裂缝及常见缺陷，可以在电脑屏幕上人工选定裂缝进行裂缝长度测量，选定表面剥落区域并自动进行面积测量，同时也能够自动进行问题区域的定位(距离测量)计算，便于后期进行缺陷修复。④淡水强紊流环境下的稳定控制技术，根据淡水比重优化ROV结构设计，使得ROV本体的浮力能够抵消其重力。同时，通过使其浮心远高于重心的结构设计、动力系统功率增加以及优化的推进器部署方式，进一步增强其在淡水中的稳定性，从而满足仅需关闭待检查机组，不影响相邻机组发电的应用需求。⑤长脐带电缆下的ROV本体供电及通信技术，进一步优化ROV驱动方式，完善动力系统以及通信方式设计，改善脐带电缆结构，将目前脐带电缆最长1 km延长至5 km以上，满足国内部分水电站长引水隧洞检查需求。

2.3 研制技术路线

国外ROV设备购买、租赁及维修成本非常十分昂贵，也难以很好地满足智能水电厂水下检查的需求，客观上限制了ROV在水利水电行业内的应用。因此，有必要在研究并掌握上述关键技术的基础上，研制国产化的水电工程ROV设备。水电工程ROV设备研制应该采用模块化的思想，将其分为本体、控制系统、脐带电缆三个部分。本体部分通常包括深度传感器、电子罗盘、水下摄像机、照明灯、温度传感器、高分辨率图像声呐、剖面声呐、多波束声呐、多普勒测速仪等测量装置及导航系统等测量系统。本体部分还可以根据需要配置机械手用于携带各类外接工具。ROV控制系统分为水上控制设备和水下控制设备，水上控制设备应能够监视和操作ROV本体，并向ROV本体提供所需的动力；水下控制设备应能够接收水上控制设备发出的指令，使ROV本体正确动作并完成作业任务。脐带电缆包括主缆、系缆和中继器，用于连接ROV本体和水上控制设备，实现电源传输和双向通信。脐带电缆应选用强度大、防水、抗压、绝缘的材质，避免发生损坏或断裂导致ROV本体丢失。

在设计中应该重点考虑以下因素：①工作深度，即水下机器人在正常使用过程中所能达到的最大深度，水电工程ROV工作深度至少应达到200 m以上；②水平航行速度，每小时水平航行距离应达到为1～2 km，速度约0.5～1 m/s。③自身重量，包括载体框架、推进器、密封舱、作业工具等，水电工程ROV属于大型ROV，重量相对较重。设计时可使浮力略大于重力，使得ROV本体故障导致失控时能够凭借自身浮力浮出水面。④有效载荷，即ROV在水下携带作业装备的承载能力，主要需要考虑ROV水下作业的任务范围。⑤推进器，推进器的数量及安装方式，应该同时满足水电工程水下检查各类运动能力要求以及紊流下的稳定控制要求。⑥控制线 缆，主要是长度应能够满足国内大中型水电厂有压引水隧洞检查要求，同时还应能够防止控制线缆缠绕等问题。需要注意的是控制线缆长度还将会影响动力系统的设计，避免因动力电缆过长而导致本体受电电压不足等问题。此外，还需要考虑人工智能图像识别技术的应用，以及ROV设备系统运输、下水和回收的便捷性等问题。

3 结 论

本文结合当前大量智能水电厂建设中拟采用ROV进行水电工程水下部分检查，迫切需要了解ROV技术是否适用于水电工程的情况，介绍了国内外ROV技术发展现状， 以及国内多个水电站探索应用的情况，分析水电工程中的应用场景及意义，并详细分析了当前海洋ROV应用于水电工程时的问题。在此基础上，结合水电工程ROV应用环境特点及业务需求，分析了适用于水电工程的ROV需要解决的关键技术及解决思路，提出了研制水电工程ROV的技术路线对于推动国产化水电工程ROV研制和应用，提升水电工程安全性具有重要的作用。本文仅解决了水电工程ROV研制的宏观层面问题，水电工程ROV的各项关键技术还需要开展进一步的针对性深入研究。