有纜遙控潛水器(ROV)在智能水電廠中的應用

芮 鈞，華 濤，夏 洲，鄭健兵

(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京 211000)

0 引 言

水電工程通常會在河流上修建大壩，對時空分布不均的天然來水進行科學調配，實現水資源的優化綜合利用。由于大壩的建設成本十分高昂，且大壩一旦出現問題，將對下游地區人民群眾的人身和財產安全、地方經濟發展造成嚴重威脅。為此，我國一直十分重視大壩的安全管理，建立了極為嚴格的技術和管理體系。水電站建設過程中，會在大壩中埋設大量傳感器，全面觀測大壩建設期和運行期的內部應力、應變、滲漏以及外部變形等信息，并由水電工程管理單位及第三方定期開展大壩的安全分析評估，確保大壩始終處于安全狀態。

近年來，國內越來越關注大壩水下部分表面缺陷對大壩安全造成的影響。許多大中型水電站正積極探索并實踐大壩水下部分表面的檢查工作。目前，大多數水電站仍然采用潛水員下潛作業的方式，由潛水員攜帶配有照明燈的水下攝像機，利用手掌探摸接近觀察區域，經目視確認后進行錄像觀測。潛水員每次下潛作業時間十分有限，且無法攜帶水下攝像機以外的其他檢查設備。深水作業時潛水員需氦氧飽和潛水，需提供水面支持系統，對電、氧氣、氦氣、水以及場地要求較高，且潛水作業風險非常大。因此，這種作業方式效率低、成本貴、作業風險大，難以很好地滿足大壩水下檢查需求。

隨著云大物移智等新興技術快速發展和逐步應用于工業領域，國內各個流域水電開發公司均積極響應國家“互聯網+”智慧能源的發展戰略，開展水電站智能化建設工作。其中,積極引進工業機器人技術，實現水電站大壩水下機器人安全檢查，以及廠房內的機器人智能巡檢，是智能化建設的重要內容之一。然而，國內ROV推進系統、導航、運動控制等研究工作均局限于海洋ROV[1-10]，無法滿足水電工程檢查的需要。本文分析國內外主流的有纜遙控潛水器(ROV)的發展現狀，以及國內水電站試點應用海洋ROV進行大壩安全檢查過程中的主要問題，研究水電站大壩安全檢查ROV的特殊應用需求及需要解決的關鍵技術，為研制適用于水電站大壩安全檢查的ROV裝備提供依據。

1 水下機器人發展現狀

水下機器人也稱水下無人潛水器(Unmanned Undersea Vehicle，UUV)，主要分為有纜遙控潛水器(Remotely Operated Vehicles，ROV)和無纜自治潛水器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，其中有纜遙控潛水器又分為自航式、拖航式和爬行式3種。ROV的優點是水面操作人員可實時觀察到水下環境并遙控操作，對機器智能要求不高，缺點是由于電纜連接，其活動范圍有限；AUV的優點是由于沒有電纜連接，其活動范圍較大，不受母船制約，不足是對機器智能要求較高，目前僅限于簡單的水下探測作業。

1960年，美國成功研制了世界上第一個真正意義上的有纜水下機器人ROV-CURV。該機器人在西班牙外海找到了一顆失落在海底的氫彈，在全世界引起了極大地轟動。20世紀70年代以后，由于海洋油氣業的迅速發展，ROV也得到飛速發展。1975年，美國研制了第一個商業化的水下機器人-“RCV-225”，用于北海油田和墨西哥灣。1987年，法國國家海洋開發中心建造了“埃里特”聲學遙控潛水器，用于水下鉆井機檢查、海底油機設備安裝、油管輔設等復雜作業。1988年，日本海事科學技術中心建造了萬米級無人遙控潛水器。近年來，日本海洋科學與技術中心研制了KAIKO 7000水下機器人，最大工作水深7 000 m。加拿大Seamor Marine公司研發的專用于淺海水下勘察和輕量級作業的Seamor300系列ROV。

我國自二十世紀80年代初開始研制ROV。1985年，中國科學院沈陽自動化研究所聯合上海交通大學自主研制了我國第一艘無人遙控水下機器人“海人一號(HR-1)”，下潛深度199 m。自1986年開始，中國科學院沈陽自動化研究所又先后研制了RECON-IV-300-SIA-01、02、03型ROV，“金魚號”輕型觀察用水下機器人。2004年，上海交通大學水下研究所自主研制了“海龍號”ROV，完成了 3 500 m水下測試。2009年，中國科學考察船第21航次第三航段考察中，首次使用水下機器人“海龍2號”在東太平洋海隆“鳥巢”黑煙囪區觀察到罕見的巨大黑煙囪，并用機械手準確抓獲約7千克黑煙囪噴口的硫化物樣品。2010年，中國科學院沈陽自動化研究所研制了北極ARV，集AUV和ROV技術特點于一體，曾多次在北極科考活動中自主完成指定海冰區的冰下光透射輻照度、海冰厚度、冰底形態、海洋環境等參數測量工作。

從國內外發展情況來看，目前ROV已經成為一種成熟的產品，形成了一個新的產業。據不完全統計，目前全世界有近300家廠商提供各種ROV整機、零部件以及ROV服務，ROV產品已經超過110種。ROV在海洋開發的許多領域得到了廣泛地應用，最大下潛深度已達一萬米。AUV則受人工智能發展水平的限制，還不能完全實現自治控制，每次作業前需要由人對作業任務進行分解并進行任務規劃，以預編程的控制方式保證水下機器人按事先計劃的程序完成作業。水下機器人初期主要以軍事為目的，重點圍繞援潛救生、武器打撈和水雷對抗等目標，至今仍有相當數量的水下機器人應用于軍事領域。目前，ROV在海洋科學考察、水下考古、海洋救助與打撈救生、水下工程等方面均得到了廣泛的應用。例如，在海洋科學考察中，ROV能夠用來記錄海底地形、繪制海底地圖、獲取土樣和巖石樣本、測定海底生物形態，采集生物樣本、測定地球磁場，考察石油、天然氣、礦物資源，考察海底火山活動情況等；在水下工程應用中，可以進行各類水下工程部位的檢查、水下設備的搜索，以及石油鉆井平臺基礎清理、水下構件除銹等作業。

2 智能水電廠ROV應用研究

2.1 應用場景分析

我國部分大中型水電站自2010年左右開始進行ROV初步應用探索[11,12]。如2009年，長江科學院工程安全所引進加拿大Shark Marine公司的ROV應用于三峽水利樞紐工程、白蓮河抽水蓄能電站等工程中，開展了水下凝土狀態、巖坎爆破效果、電站進水口淤積等方面的檢測、探查工作。2010年，小灣電站第三階段蓄水之前引進英國SEAEYE公司的FALCON 12167觀察型ROV，對1號、2號放空底孔進行水下觀測。2012年，阿海水電站利用FALCON ROV攜帶彩色成像聲納、水下攝像機對1號機組進水口檢修閘門槽進行探測和觀察，并利用機械手清理了部分雜物[13]。2016年，上海交通大學利用其研制的“海馬-500”中型水下作業級ROV對二灘水電站6號引水隧洞進行了聲光學復合全面檢測。

結合ROV發展現狀及在水電工程中的試點應用結果分析，ROV在水電工程水下安全檢查和作業中具有比較廣闊的應用場景。例如，在水電站建設過程中，可以使用ROV清理電站進水口淤積，檢查閘槽、底坎是否有異物，避免下閘蓄水過程中被卡住。電站建成投產后，可以使用ROV定期檢查水庫大壩及閘門水下部分的裂縫、損壞情況，檢查船閘底樞、底止水和斜接柱水下部分的完整性，檢查引水隧洞沖蝕、裂縫、剝落、底板磨損、混凝土襯砌結構與鋼襯結合部以及鋼襯完整性，監視和輔助潛水員進行水下作業，利用帶機械臂的ROV完成機組攔污柵清理工作。此外，還可以讓ROV通過尾水管進入水輪機組底部，對水輪機組進行檢查。智能水電廠是指以自動化、數字化、信息化為基礎，利用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能等技術，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應能力，實現安全、穩定、高效運行的水電廠。因此，利用ROV技術構建智能化的大壩水下安全檢查技術體系，是智能水電廠的重要技術內容。與傳統水電廠采用的人工下潛檢查方式相比，基于ROV技術的智能化水下安全檢查技術體系將產生如下效益：①降低水下檢查的風險。大中型水電站水下檢查通常大于60 m水深，深水作業風險非常大，極端情況下對潛水員生命造成一定的危險。采用ROV進行水下檢查不僅避免了人身危險，而且即使ROV在檢查中發生動力故障無法返航，也能夠通過臍帶電纜或利用其自身浮力來收回ROV，避免ROV設備的損失風險。②大幅度降低水下檢查工作的成本。大中型水電站水深大，需要聘請高水平的潛水員進行操作，人工成本十分高昂。ROV不僅購置成本低于人工檢查成本，并且從業務需求來看ROV完全可以在多個電站之間共享應用，從而通過分攤進一步降低了ROV的使用成本。③縮短水下檢查的時間。潛水員在水下單次停留時間短，并且每天潛水次數受限，即使較簡單的水下檢查任務，也需要較多天數才能完成。ROV設備通過臍帶電纜從岸基獲取電力，因此可以不限時連續作業，因此能夠大幅度減少任務完成天數。④能夠檢查原來人工無法檢查的項目。對于高水壓的引水隧洞等，潛水員無法進入檢查，必須要排空所有水才能進行作業。ROV則可以直接在引水隧洞高壓力水中工作，不需要放空引水隧洞，從而避免由此帶來的水量及電量損失。⑤信息采集質量更高。潛水員手持水下攝像機拍攝的影像資料難以避免畫面晃動等問題，ROV設備在水下運行時穩定性更高，因而采集的圖像和視頻質量好于潛水員，并且能夠實現水下影像實時傳送。⑥信息采集范圍更加全面。潛水員通常僅攜帶水下攝像機進行檢查，采集的信息相對單一。ROV設備除了獲取實時影像之外，還可以攜帶聲納等大量其他設備，單次水下作業采集的信息更加豐富。

2.2 關鍵技術研究

如前所述，我國部分大中型水電站已經開展了試點應用研究，也在ROV應用方法、場景和效益等方面掌握了一定的成果。然而，上述水電站均使用了海洋ROV產品進行水下檢查。由于海洋ROV的工作環境、產品特性以及業務需求，與水電工程大壩水下檢查存在較大的差異，導致多數水電工程采用ROV進行水下檢查時未能達到所期望的水平，ROV水下檢查的效益未得到充分發揮，進而影響了ROV在水電工程中的應用推廣。經過分析，造成上述問題的主要原因在于：①海洋中的水質較清，可視距離相對較遠。水庫下的可視距離則通常低于1 m，部分甚至低于50 cm，遠低于在海洋中的可視距離。②部分海洋ROV不具備橫向移動功能，而大壩水下部分檢查則需要在水平方向沿著大壩作橫向連續移動，因此部分海洋ROV無法滿足大壩表面檢查需要。③海洋ROV按照海水浮力進行殼體設計，在海洋中運行時受到的浮力剛好抵消其重力。淡水浮力小于海水，海洋ROV在水庫中使用時必須依賴垂直推進器保持ROV在固定深度，比較難以保持自身穩定，尤其當水中臍帶電纜太長時，垂直推進器動力不足將使得ROV沉到水底。④在對機組進水口附近進行檢查時，相鄰機組發電會帶來明顯的紊流，海洋ROV的動力系統并無該工況的針對性設計，動力和穩定性難以滿足相鄰機組運行工況下的水下檢查任務。⑤部分水電站有壓引水隧洞長達數公里，海洋ROV臍帶電纜長度大多無法滿足水電站有壓引水隧洞、壓力鋼管檢查的要求，臍帶電纜加長又會帶來電力傳送問題。

因此，智能水電廠需要在傳統的海洋ROV技術的基礎上，結合水電廠大壩水下檢查的工作環境、產品特性以及業務需求，在以下關鍵技術方面開展深化研究：①嚴重濁度下的導航定位和測量技術，優選聲學導航技術，并結合視覺導航技術和慣性導航技術，建立基于超短基線定位系統、小量程聲吶系統、多波速聲吶系統、高靈敏度水下攝像機等組成的綜合導航和測量系統，提高ROV設備的導航和測繪能力，滿足水庫大壩底部檢查的需求。②具備橫向移動及原地旋轉能力的動力系統，優化設計ROV本體推進器的布置方式，實現前進后退、上浮下潛、橫向移動、水平旋轉等運動能力，使得ROV本體能夠在自動與大壩表面保持固定距離的情況下橫向移動檢查，以及在引水隧洞、尾水管等有限空間內原地旋轉作360度檢查。③圖像識別及距離量測技術，能夠從視頻中抓取快照并進行處理，并采用圖像識別技術自動判別大壩裂縫及常見缺陷，可以在電腦屏幕上人工選定裂縫進行裂縫長度測量，選定表面剝落區域并自動進行面積測量，同時也能夠自動進行問題區域的定位(距離測量)計算，便于后期進行缺陷修復。④淡水強紊流環境下的穩定控制技術，根據淡水比重優化ROV結構設計，使得ROV本體的浮力能夠抵消其重力。同時，通過使其浮心遠高于重心的結構設計、動力系統功率增加以及優化的推進器部署方式，進一步增強其在淡水中的穩定性，從而滿足僅需關閉待檢查機組，不影響相鄰機組發電的應用需求。⑤長臍帶電纜下的ROV本體供電及通信技術，進一步優化ROV驅動方式，完善動力系統以及通信方式設計，改善臍帶電纜結構，將目前臍帶電纜最長1 km延長至5 km以上，滿足國內部分水電站長引水隧洞檢查需求。

2.3 研制技術路線

國外ROV設備購買、租賃及維修成本非常十分昂貴，也難以很好地滿足智能水電廠水下檢查的需求，客觀上限制了ROV在水利水電行業內的應用。因此，有必要在研究并掌握上述關鍵技術的基礎上，研制國產化的水電工程ROV設備。水電工程ROV設備研制應該采用模塊化的思想，將其分為本體、控制系統、臍帶電纜三個部分。本體部分通常包括深度傳感器、電子羅盤、水下攝像機、照明燈、溫度傳感器、高分辨率圖像聲吶、剖面聲吶、多波束聲吶、多普勒測速儀等測量裝置及導航系統等測量系統。本體部分還可以根據需要配置機械手用于攜帶各類外接工具。ROV控制系統分為水上控制設備和水下控制設備，水上控制設備應能夠監視和操作ROV本體，并向ROV本體提供所需的動力；水下控制設備應能夠接收水上控制設備發出的指令，使ROV本體正確動作并完成作業任務。臍帶電纜包括主纜、系纜和中繼器，用于連接ROV本體和水上控制設備，實現電源傳輸和雙向通信。臍帶電纜應選用強度大、防水、抗壓、絕緣的材質，避免發生損壞或斷裂導致ROV本體丟失。

在設計中應該重點考慮以下因素：①工作深度，即水下機器人在正常使用過程中所能達到的最大深度，水電工程ROV工作深度至少應達到200 m以上；②水平航行速度，每小時水平航行距離應達到為1～2 km，速度約0.5～1 m/s。③自身重量，包括載體框架、推進器、密封艙、作業工具等，水電工程ROV屬于大型ROV，重量相對較重。設計時可使浮力略大于重力，使得ROV本體故障導致失控時能夠憑借自身浮力浮出水面。④有效載荷，即ROV在水下攜帶作業裝備的承載能力，主要需要考慮ROV水下作業的任務范圍。⑤推進器，推進器的數量及安裝方式，應該同時滿足水電工程水下檢查各類運動能力要求以及紊流下的穩定控制要求。⑥控制線 纜，主要是長度應能夠滿足國內大中型水電廠有壓引水隧洞檢查要求，同時還應能夠防止控制線纜纏繞等問題。需要注意的是控制線纜長度還將會影響動力系統的設計，避免因動力電纜過長而導致本體受電電壓不足等問題。此外，還需要考慮人工智能圖像識別技術的應用，以及ROV設備系統運輸、下水和回收的便捷性等問題。

3 結 論

本文結合當前大量智能水電廠建設中擬采用ROV進行水電工程水下部分檢查，迫切需要了解ROV技術是否適用于水電工程的情況，介紹了國內外ROV技術發展現狀， 以及國內多個水電站探索應用的情況，分析水電工程中的應用場景及意義，并詳細分析了當前海洋ROV應用于水電工程時的問題。在此基礎上，結合水電工程ROV應用環境特點及業務需求，分析了適用于水電工程的ROV需要解決的關鍵技術及解決思路，提出了研制水電工程ROV的技術路線對于推動國產化水電工程ROV研制和應用，提升水電工程安全性具有重要的作用。本文僅解決了水電工程ROV研制的宏觀層面問題，水電工程ROV的各項關鍵技術還需要開展進一步的針對性深入研究。