淺議ROV在水利水電設施檢測中的應用

張 沖，曹雪峰

（1.山東省防汛抗旱物資儲備中心，山東 濟南 250014；2.濟南市水文局，山東 濟南 250013）

1 研究背景

為增強水下檢測的安全性，近年來國內有關科研檢測單位先后引進或聯合研制各種ROV開展水庫大壩等水利水電工程水下檢測。ROV的英文全稱為：RemoteOperatedVehicle，中文為纜控水下機器人，它是由水面控制終端通過臍帶纜和水下機器人連接，實現能源供應和控制信號水上水下傳輸，將機器人采集的視頻、傳感器參數等實時回傳至控制終端。ROV的研究工作最早可追溯到20世紀中期，真正引起轟動是在1966年，一臺名為“CURV-1”的ROV和載人潛水器配合，成功在西班牙外海找到并打撈起失落在海底的氫彈。受此影響，歐美、日本等西方國家迅速展開大規模ROV研發與推廣。相對國外，我國ROV研究起步較晚，1985年中國科學院沈自所和上海交通大學自主研發了我國第一臺水下機器人“海人一號”ROV，首潛199m。由于在導航定位技術、探測技術、核心水下零部件技術、工藝水平等方面與國外存在著較大差距，在2000年以前國產ROV并不多，主要集中在幾個科研單位（中科院沈自所、上海交通大學、哈爾濱工程大學等）。

近年來，隨著國家“十三五”規劃關于發展海洋高端裝備創新的戰略部署以及國內認識和需求的不斷加強，我國諸多科研院所、高校以及企業開始投入ROV的研發和制造。2014年4月18日，上海交通大學研制的“海馬”號4500m級深海ROV通過了863海洋技術領域專家組的海上驗收，實現了我國在深度無人遙控潛水器自主研發領域“零的突破”。由于ROV水下檢測實時性好、擴展性強、工作潛力大，隨著產品技術和質量的不斷提升，目前國內已將ROV廣泛應用于海洋石油、搜救打撈、水電檢測等。水利部長江水利委員會國家大壩安全工程技術研究中心、中國電建集團昆明勘測設計研究院、中國電建集團成都勘測設計研究院等單位先后引進或聯合研制各種ROV用于水庫大壩等水利工程水下檢測。

2 ROV系統功能

2.1 ROV系統組成

ROV是一種配備有水下攝像、水下檢測設備和水下機械手等工具，通過臍帶纜或鎧裝纜將視頻畫面、控制數據、電源與水面控制單元相連，并由專業操作人員岸基操作，完成專業水下工作的無人潛器。ROV的水下潛器一般為開放式框架結構，一般采用PP材料，配置4～6個水下推進器，可在水下進行定向、定深巡航。水面控制單元通過線纜對水下潛器進行控制，可以完成水下機器人的運動、多功能機械手的開合和水下攝像頭俯仰角度的調節、水下攝像頭調焦，同時可以將水下拍攝的畫面通過纜線系統傳輸到水面控制單元的顯示屏上，并存儲數據至電腦中。

2.2 集成聲納探測技術

聲納在水下工程檢測的應用非常廣泛。ROV通常會集成重量輕、體積小的多波束圖像聲納，其發射的聲波遇到目標后反射回聲納表面，根據回波可以獲得多波束目標聲吶圖像信號，采集的聲波數據傳回ROV水面控制單元的計算機進行處理后，就可以生成二維或者三維的聲納圖像，這樣ROV系統就能在渾濁或黑暗環境下實現對目標物體的辨識和定位。

2.3 集成水下機械手

ROV通常配備小型水下機械手，同時可根據不同的任務需求，使用不同“爪型”機械手，在水面控制單元及工程人員的操作下，代替潛水員完成水下的抓取、剪切、取樣等任務。

2.4 集成水下聲學定位系統

由于GPS及電磁波信號在水的介質中無法傳播，部分ROV潛器會安裝超短基線（USBL）定位系統，跟蹤水下潛器，使用聲學的方式對水下機器人進行水下定位，得到ROV的相對位置。如果超短基線連接有GPS，就可以得到水下機器人的絕對GPS位置。

3 ROV檢測應用

3.1 水庫壩體檢測

隨著時間的推移，水庫大壩混凝土表面及混凝土等不可避免會出現裂縫、空洞等缺陷，尤其是在大壩剛建好服役的初期，內部壓力釋放會加劇裂縫產生速度，需要進行及時定期檢查。針對這種情況，首先操作ROV使用二維多波束圖像聲納對壩體進行觀測、檢查，檢查水庫壩體裂縫、破損位置，再通過聲納圖像對破損處位置進行辨別，之后進行視頻觀察。由于ROV系統在裝備高清攝像系統的同時可以搭載激光標尺、電動噴墨器，通過水下攝像裝置可對壩體面板的裂縫、接縫、止水情況進行直觀判斷，并由激光標尺測量破損缺陷尺寸。如：裂縫長度、塌坑面積等；對尺寸較小的對象，如裂縫寬度、鼓包大小等，對接縫處或裂縫處止水效果可通過ROV搭載電動噴墨器進行試驗驗證，如大壩已經存在滲漏問題，噴墨可以顯示出滲漏走向及大小。水利部長江水利委員會國家大壩安全工程技術研究中心、中國電建昆明勘測設計研究院、成都勘測設計研究院等單位實際使用ROV檢測結果表明：ROV可以極大地提升壩體檢測效率。

3.2 水下金屬構件銹蝕與淤積檢查

水下金屬構件主要包括閘門、攔污柵等，水下金屬構件本身的銹蝕和淤積很可能影響到該部位的通透性，尤其是汛期需要對閘門進行開啟時，需要確認異物淤積對閘門沒有影響時才能落放閘門。通過操作ROV，可利用二維多波束圖像聲納搜索到閘門，為ROV導航至閘門處，再通過水下攝像頭，對水下閘門銹蝕、淤積情況進行觀察。2018年以來，山東省防汛抗旱物資儲備中心聯合天津深之藍公司，相繼在大涼山錦屏水利發電廠、黃河小浪底水利樞紐、葛洲壩水利樞紐等進行了試驗測試，測試結果表明，ROV在水利工程水下金屬構件檢測中具有非常高的使用價值，尤其是在60m深度以上時，相對于潛水員水下檢測具有工作時間長、作業深度深、性價比高等優點。

3.3 消力池沖坑及水下結構檢查

檢測結果表明，在遇到渾水、流速混亂等復雜的水域情況下，ROV的二維多波束圖像聲納可對前方120m范圍內的水下結構、地形狀況、淤積和結構破損等問題進行全方位觀測，并形成二維圖像，可以比較好地對消力池的輪廓和尺寸進行分析。

綜上所述，ROV檢測方式可以替代潛水員完成很多水下工作。同時，在深水環境和危險環境使用ROV會極大減少潛水員損傷風險，ROV在水利水電工程檢測中的作用無疑是明顯的，但從長遠看，如進一步推廣應用ROV開展水利工程水下檢測，需要克服三個方面制約：一是ROV成本相對偏高，而且水利水電工程檢測任務越復雜，ROV檢測成本會越高；二是ROV操作要求高，操作員需要具備豐富的經驗，需要熟悉設備和傳感器，同時需要具備海洋物理、空間幾何等方面知識和良好的心理素質；三是水下環境復雜多變，水流、能見度等因素都會影響ROV操作。因此，當前需進一步加強ROV的應用推廣培訓，擴展ROV的搭載能力、降低ROV的操作難度。隨著智能技術的不斷發展，未來ROV也可以通過引入智能技術自主判定水下工作，更好、更高效地完成水下檢測工作。