ROV發展現狀與其在海洋石油行業應用前景

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(1.東北石油大學，黑龍江 大慶163318；2.中國石油集團 工程技術研究院，天津300451)

ROV發展現狀與其在海洋石油行業應用前景

任福深1，楊雨瀟1，王克寬2，唐德渝2，龍斌2

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶163318；2.中國石油集團 工程技術研究院，天津300451)

ROV(有纜遙控水下機器人)是重要的現代水下作業工具，具有海下勘探、觀察和作業等功能，并憑借著高可靠性和高安全性的優勢，成為了海洋石油行業的新興作業機械。通過比對國內外知名水下機器人公司的典型產品，介紹了ROV的發展現狀與其在海洋石油工程中的應用狀況。根據我國海洋環境特點和海洋石油的開發維護需求，提出了未來ROV需要具備的關鍵技術和發展趨勢。以期推動ROV在海洋石油行業中的創新和發展。

ROV；海洋石油；研究現狀；關鍵技術

水下機器人是人類認識、開發海洋的必要工具之一，也是一種必需的建設海洋強國、捍衛國家安全和實現可持續發展的技術手段[1]。

海洋機器人的發展經歷了4個時期[2]：20世紀60年代，載人潛水器(HOV)的出現是第1階段的標志；在第2階段，20世紀70年代實現了遙控水下機器人(ROV)的迅速發展；第3階段大約為20世紀80年代，以自主水下機器人(AUV)的發展和水面機器人(USV)的出現為特征；目前是混合型水下機器人的時代。

水下機器人按特點可以分為2大類：遙控水下機器人(ROV，Remotely Operated Vehicle)和自主水下機器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)[3-5]。ROV分為移動式、拖拽式和游浮式；AUV分為傳統型機器人和仿生水下機器人。ROV依靠電纜提供的動力來進行水下作業。AUV則依靠自身攜帶的能源來實現水下的三維空間運動[6]。在經歷了近60 a的發展后，ROV已經發展成為了一種成熟的水下特種作業機械。

從1986-09-20，我國第1座符合國際標準的現代化海洋采油平臺在渤海埕北油田海上安裝并調試成功，我國海洋石油工程經歷了艱難的發展歷程。海洋石油勘探開發投資大，風險也大，因為油藏厚度大、儲量豐度高、單井產量高，所以效益也高，發展前景不可限量。但是，海洋石油的勘探、平臺的建設和維護、海底輸油管道的鋪設都存在著投資高、風險大等問題。海底設備的運行過程面對的海洋環境也更為復雜，易發生安全事故，一旦發生事故，代價巨大。因此，除了在設計制造階段做好相應的預防工作，海洋石油設備在使用過程中的檢查和后期的維護、維修更應該被加以重視，以保障其長期安全運行。

本文根據ROV在海洋石油行業中的應用現狀和未來發展需求，提出了ROV發展的關鍵技術和發展趨勢，對海洋石油設施檢查、維護和維修的發展具有一定的指導意義。

1 ROV發展現狀

早在20世紀50年代，幾個美國人想把人類的視覺延伸到神秘的海底世界，他們把攝像機密封起來下沉至海底，這就是ROV的雛形，自此拉開了水下機器人的研發大幕。

1.1 國外ROV發展現狀

1960年，美國成功研制了世界上第1臺ROV——CURV1[7]，如圖1所示。在載人潛水器的配合下，CURV1在西班牙外海海底找到了一顆失落的氫彈，引起了世界各國對水下機器人的重視。美國、瑞典和日本等國家研究和開發出了不同型號的ROV，已應用于不同的作業任務和不同的下潛深度。

圖1 世界第1臺ROV(CURV1)

日本擁有世界上最多的機器人，在ROV的研發和應用方面也不甘后人。日本海洋技術研究所開發研制的KAIKO號是目前世界上下潛深度最大的潛水器[8](如圖2)。1995年，KAIKO號下潛到馬里亞那海溝的最深處10 911.4 m，創造了下潛深度紀錄。雖然KAIKO號最后丟失，但是在科研領域中散發出的光芒仍然無法掩蓋。

圖2 KAIKO號ROV

ROV發展至今天，不僅在科研領域有著良好的表現，在商業應用中也起到了重要的作用。世界各國的多家公司研制的ROV已經在商業工程領域中成功作業運行。

美國的OCEANEERING公司開發的ROV已經可以實現海底管道連接和修復、海下設施的檢查維護和維修、退役海洋平臺的切割和拆除、海下設施的淤泥清除、潛水支持等多項功能。Spectrum號ROV是該公司的典型產品，如圖3所示。Spectrum號代表了新一代的具有深水作業能力的輕量級ROV，下潛能力為3 000 m，可裝配5自由度機械手、作業工具，例如排污泵、CP探針、測量傳感器等。使用的控制系統為最新的水下機器人控制系統OPAC(Oceaneering Power and Control)，具有可靠性高和維護簡易的優點，并且系統設計體積小，推力高，主要服務于海洋油氣鉆井，支持海下建設和配合生產活動。

瑞典的SEAEYE公司開發了多款ROV，其中具有代表性的是FALCON號，如圖4所示。FALCON號為水下作業提供了一個理想的平臺，開放式框架結構可以輕松裝配多種工具和配件，工具和配件也可以安裝在下端的撬裝上，這使得FALCON具有多種的作業能力，能夠實現復雜情況和苛刻條件下的海洋應用作業。在FALCON號上已經成功應用過的配件有CP探針、三爪機械手、五功能的機械手、圖像縮放系統、跟蹤系統、聲納系統、清潔刷、鋼絲繩鋸等。FALCON號下潛深度為300 m，在配備中繼器使用時，最大作業深度可達到1 000 m。靈活的作業工具選配和大范圍下潛深度選擇，讓FALCON號成為了小型ROV中的標桿產品。

圖3 Spectrum號ROV

圖4 FALCON號ROV

美國的WHOI公司開發的Jason號，是目前世界上深水范圍內使用較為成功的一款ROV，如圖5所示。Jason的下潛深度為6 500 m，采用了6個直流無刷電動推進器，每個推進器能提供113 N(250磅)的推力，從而保證了深水作業所需的動力。

圖5 Jason號ROV

此外，Hibbard Inshore、Soil Machine Dynamics Ltd (SMD)、FMC Technologies等水下機器人開發公司開發的不同型號、不同應用類型的ROV也在不同工程領域中發揮著重要作用，大力推動了人類對海洋的認知和開發利用。

1.2 國內ROV發展現狀

我國從20世紀70年代末開始ROV的相關研究，主要研發機構有：中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學水下機器人技術國防科技重點實驗室和上海交通大學水下工程研究所等。雖然國內ROV開始研制的時間較世界先進國家較晚，但經過不懈努力，國內研發機構或自行研發，或與外國機構合作，已經開發出了多款水下作業ROV。

中國科學院沈陽自動化研究所研制的海人一號(HR-01)是我國第1臺水下機器人，如圖6所示。海人一號的面世為我國的水下機器人研發拉開了大幕。2002年，沈陽自動化研究所開始研制自主/遙控水下機器人ARV[9]，2005—2008年，先后研制成功3種型號的ARV(SARV-A、SARV-R和北極ARV)。其中北極ARV[10]在2008—2010年分別參加了中國第3次、第4次北極科考，并獲取了大量有價值的試驗科考數據，如圖7所示。

圖6 海人一號ROV

圖7 北極號ARV

上海交通大學水下工程研究所開發的海龍號ROV，是目前我國較先進的深水作業潛水器，如圖8所示。海龍號ROV主要用于海下作業和取樣，配備了五功能機械手、七功能主從式機械手、5個攝像機和HID燈。有效載質量達到了250 kg，潛水器功率為73.5 kW(100 SHP)，水下航行速度能達到3.3 kn。

中英海底系統有限公司研制的海獅III號ROV能夠進行修理海纜管線、安裝、檢測、電纜打撈以及深達3 m的海纜管線沖埋作業，最大工作水深達2 500 m，如圖9所示。

圖8 海龍號ROV

圖9 海獅Ⅲ號ROV

哈爾濱工程大學在運動控制方面有著杰出的貢獻。劉學敏[11]提出了S面控制方法，并通過試驗驗證了其可行性。王麗榮等[12]在S面控制方法的基礎上提出了亞S面控制方法來提高控制系統的響應速度。甘永等[13]提出了一種并行神經網絡控制器，解決了傳感器在短時間內無數據情況下的控制問題。

2 海洋石油行業中ROV的應用狀況

20世紀60年代起，海洋石油工業的發展促進了ROV技術的迅猛進步。據統計，到2009年底，大約有461個型號約6 000臺ROV在作業，全球有300家以上公司從事ROV研制、生產和售后服務[14]。圖10列出了2002年和2008年ROV數量按下潛深度等級的分布情況[15]。從圖10中可知，潛深小于1 000 m的ROV占40%左右，這是因為海洋石油資源絕大多數分布在近海，近海水下生產活動多，需求量最大；中等潛深(2 000～4 000 m)的ROV數量大約占26%，主要服務于深水油氣生產及大洋中脊的科學活動；潛深大于7 000 m的ROV數量僅占3.1%。

在我國的海洋石油行業中，ROV在水下環境觀察、海底管道和電纜鋪設、海底管道巡檢、平臺及水下生產系統設施檢測維修、水下結構物拆除等方面應用廣泛。由于在探測技術、工藝水平、導航與定位技術等方面與國外存在著較大差距，國內海下作業的ROV主要是從國外進口或者由合資企業制造，國內科研機構與企業自主研發的ROV在海洋石油行業的應用方面上仍有一定的欠缺。

圖10 ROV按下潛深度的數量分布

3 關鍵技術

南海海洋環境條件惡劣，尤其是臺風和內波多發[16]，這都對ROV的作業產生嚴重影響。為了應對我國海洋海況的條件，滿足我國海洋石油行業的發展需要，我國研制的ROV需要解決的關鍵技術有以下幾點。

1) 機械本體。機械本體要結構簡單緊湊，強度高。框架式ROV結構空間較開放，有本體質量小、實用、經濟的優點。但是，框架式ROV的大部分執行器、傳感器都裸露在作業環境中，防水能力差，防水空間也較小；硬件放置位置不合理會造成強弱電信號之間的相互干擾，而且這種干擾是持續的，不易屏蔽的[17]。在保證強度的條件下，機械本體材料的選擇、精密防水問題和框架中機構的布置問題需要加以重視。

2) 控制系統。控制系統主要進行ROV姿態、運動路徑和執行機構的控制，包括水面支持部分、控制主體、數據采集設備、通信設備、電源管理模塊和推進系統模塊[18]。由于海洋條件的模糊性和不確定性，因此需要完善的控制系統來保障ROV在水下工作的可靠性。

3) 導航與定位系統。導航與定位技術是ROV在水下作業時安全運行的首要保障，是一項技術難度很大的系統。目前用于水下導航的技術有引力導航系統、重力導航系統、慣性導航系統、地磁場導航系統、海底地形導航系統、長基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算導航系統等[19]。不同技術之間優缺點明顯，技術的選擇或者開發也是ROV行業的一大難題。

4) 動力系統。海洋內波的破壞力巨大，ROV在海下作業時，應盡量避免至內波多發海域運行工作。同時ROV需要配備高效率、大功率的驅動系統來克服內波的影響，以按照既定路線航行和長時間懸停在水中作業。

5) 傳感器系統。ROV需要通過各類傳感器來感知周邊環境和自身狀態的變化來進行水下作業。為使ROV具有更好的作業能力，傳感器應提高區域覆蓋率，提高鑒別能力，同時也要發展與傳感器相配合的信息處理技術。

4 發展趨勢

隨著科學技術的進步和海洋作業的難度增大，ROV未來將向著智能化、標準化、專業化等方向發展。

1) 智能化。智能化是機器人面臨的共性問題，ROV也應該提升自身的智能化程度。智能化的核心包括自主控制、自主應對威脅。自主控制主要解決ROV實時快速應變問題；自主應對威脅是ROV生存和執行命令的前提和基礎。未來ROV應將人工智能、虛擬現實技術、模糊控制和神經網絡等現代控制理論和技術應用到機器人的研發中，使其具有一定的智能程度[20]。

2) 標準化。目前大部分ROV使用的電子化設備，例如導航、定位、通訊、控制設備和軟件，大部分是為其他領域開發的，在ROV上應用存在著功耗大，精度差，響應速度慢，以及互相不匹配等缺點。因此行業內有必要制定相關標準，來推動ROV行業的標準化發展，提高產品通用性，縮短產品的研發周期，降低成本和提高可靠性。

3) 專業化。伴隨著ROV技術水平的提高，在海洋石油中可發揮的空間就愈大。水下作業任務復雜多變，為了順利完成作業，一些特殊作業要求逐漸被提出，這就需要ROV針對具體問題研發具體的作業工具，才能在未來的海洋石油行業中發揮更重要的、不可替代的作用。

5 結語

我國的海洋石油工程發展到今天，取得了可喜的成績，現如今已經步入了平穩發展時期。前期投入使用的海洋平臺已經達到或臨近使用年限，需要進行水下結構物的拆除、維護和維修，計劃建設或正在建設的海洋平臺以及海底輸油管道和電纜的鋪設無不需要ROV的支持。

隨著我國對海洋石油的開發力度逐漸加大，專業化的海洋石油作業級ROV的需求量也隨之增加。然而，目前我國海洋石油應用的ROV多為國外進口，不僅價格昂貴，配套服務差，一旦出現故障，維修周期漫長，嚴重影響施工作業，而且國外ROV產品也不是專門針對我國海洋海況開發，并不能完全適合我國的海洋石油工程。因此，國內的研發機構和科研院校開發研制適合我國海洋海況的ROV及其配套作業工具，對我國的海洋石油行業的發展具有重大意義。

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CurrentSituationandApplicationProspectofROVinMarinePetroleumIndustry

REN Fushen1，YANG Yuxiao1，WANG Kekuan2，TANG Deyu2，LONG Bin2

(1.NortheastUniversityofPetroleum，Daqing163318，China；2.ResearchInstituteofEngineeringTechnology，CNPC，Tianjin300451，China)

ROV (Remotely Operated Vehicles) is an important modern underwater tool，with the functions of undersea exploration，observation，operation and the like.With the advantages of high reliability and high security，ROV has becoming a newly operating machine in the offshore oil industry.Considering the development situation of the offshore oil industry and through the comparison of the typical products of domestic and international famous underwater robotic companies，the current situation of ROV and its application status in offshore oil industry are briefly introduced.According to China’s marine environment，characteristics and the demands of offshore oil’s development and maintenance，the key technologies and development trend of ROV are put forward in order to promote ROV’s innovation and development in the offshore oil industry.

ROV；offshore oil；research status；key technologies

1001-3482(2017)06-0006-06

2017-05-22

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目(2016A-1006)

任福深(1976-)，男，遼寧遼陽人，教授，博士生導師，主要從事石油機械設計及其控制理論研究，E-mail：renfushen@126.com。

TE95

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.002