遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用

郑发顺

（福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001）

遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用

郑发顺

（福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001）

通过遥控水下机器人系统在水库大坝面板趾板、水库进水口、宋代古陂等工程水下检查中的实际应用，总结遥控水下机器人在清水环境下渗漏点查找、浊水环境水下冲刷检查、流动水环境水下金属锈蚀检查、易缠绕环境条件下水下检查的应用技巧，归纳遥控水下机器人系统的特点、技术优势及适用范围，为解决遥控水下机器人系统应用中出现的线缆易缠绕及难以发现大坝渗漏点等问题积累经验。

水库大坝；水下检查；遥控水下机器人系统；水下图像；大坝渗漏点

0 引言

我国拥有大量的水库大坝、水闸等水利工程，这些工程对蓄洪防洪、水资源配置、生产生活用水保障等方面起着积极作用。已有水利工程的运行与维护及新建工程的施工，都需要进行相应的水下检查，以掌握工程水下结构和设施的运行状况，如水下结构损坏、缺失、裂缝、老化，以及不稳定体、冲刷冲坑、地形地貌、金属设备腐蚀等。

国内外水下检查技术主要分 2 种类型：1）人工方法（即雇佣潜水员携带水下摄像机等设备进行水下检查）；2）机器水下检查方法（主要检查设备有水下机器人与电视等）。人工方法受潜水员潜水深度低、工作时间短、工作条件有限、潜水员安全条件等诸多限制，难以长时间在水下危险或不明水域开展工作。机器水下检查方法之一的水下电视，由于受水下晃动、水流、水深等影响，效果不够理想；机器水下检查方法之二的遥控水下机器人，技术先进，工作可靠，可搭载多项检测检查附件，工作能力强，工程应用效果好，是今后主流的水下检查方式。

我国从 20 世纪 80 年代开始从事遥控水下机器人的研究和开发工作。经过 20 多年的发展，目前我国可以生产包括浮游式、爬行式和拖曳式的各种遥控水下机器人[1]。20 世纪 80 年代中期，沈阳自动化研究所和上海交通大学合作研制了我国首台遥控水下机器人“海人一号”。2002 年 12 月，中国沈阳自动化研究所研制成功我国第 1 台自走式海缆埋设机“CISTAR0”，主要用于海底电缆和光缆的铺设，扩展功能后还能完成海底光缆的检测和维修作业[2]。2003 年 9 月中国北极科考中首次使用自行研制的遥控水下机器人“海极号”完成了不同区域海冰厚度、底部形态、温度、盐度的连续测量，并可看到北冰洋下的景象[3]。2004 年，我国下潜深度最大、功能最强的水下取样机器人——“海龙”号在上海交通大学水下工程研究所问世，可在水下 3 500 m 进行操作。2009 年，由上海交通大学研制的水下机器人“海龙 2 号”在东太平洋海隆区域 2 770 m 下方首次观察到了罕见的巨大“黑烟囱”，并且获取了热液“黑烟囱”样品，这标志着我国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一[4]。

遥控水下机器人在我国水利工程中也逐渐得到应用，主要应用于水下检查与作业，如望亭水利枢纽工作闸门、阿海水电站闸门门槽、三渡溪水库除险加固、沙畈水库大坝等工程水下检查，以及三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门水下清理等水下作业。工程应用表明遥控水下机器人具有功能强大、作业水深、作业时间长、安全、经济与社会效益明显等优点[5]。目前，遥控水下机器人凭借良好的人机交互控制性能、较强的实时探测和处理能力、小巧灵活易布置的外观[6]，在水质良好的水体或静水环境中得到广泛应用，已经成为水利工程水下观察和作业方面最为有效和最具潜力的水下开发工具。但是，遥控水下机器人需要由电缆从母船接受动力，需要人为干预，人们通过电缆对水下机器人进行遥控操作，细长的电缆悬在海中成为水下机器人最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率[7]，在应用过程中往往出现线缆易缠绕及难以发现大坝渗漏点等问题。

本文通过遥控水下机器人系统在水库大坝等工程中的实际应用，总结在清水环境下渗漏点查找、浊水环境水下冲刷检查、流动水环境下水下金属锈蚀检查、易缠绕环境水下检查中的应用技巧，为解决遥控水下机器人应用中出现的线缆易缠绕、难以发现大坝渗漏点等问题积累宝贵的实践经验。

1 遥控水下机器人系统及作业步骤

水下机器人也称作无人水下潜水器，它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。无人潜水器，适合长时间、大范围和大深度的水下作业。按与水面支持系统间的联系方式，分成有缆水下机器人（或称为遥控水下机器人，ROV）和无缆水下机器人（AUV）2 种。

ROV 系统由水下潜器、控制台、线缆、水下摄像、短基线定位系统和多波束图像声纳等组成。水下潜器配有前视/后视彩色摄像头、LED 灯、水平与垂直推进器，最大潜深一般为百米级；控制台通过线缆可以对水下潜器进行控制，以实现水下机器人的移动、机械手的开关和摄像头角度的控制及调焦，并将水下拍摄的图像经线缆传输到显示屏，并同时存储至电脑中；短基线定位系统跟踪水下潜器，通过定位得到机器人在水下作业时的相对位置，若系统连接 GPS，则可得到绝对位置；多波束图像声纳发射的声波遇到目标后反射回声纳表面，根据回波可以获得多波束目标声呐图像信号，这样水下机器人系统就能在浑浊或黑暗环境下实现对目标物体的辨识和定位。

ROV 将水下摄像、声纳、定位和机器人水下操作相结合，具有结构紧凑、操作灵活、图像清晰、功能强大等特点，可以对水库大坝等水下结构状况进行直观检查，对了解工程水下结构现状，指导水库工程除险加固设计和大坝日常安全管理具有十分重要的作用。ROV 的最大优点是母船可以为其源源不断地提供能源，能在水下长时间地工作，并且可以安装机械手等作业工具，因此在水利工程中应用日益广泛[8-9]。

ROV 的关键作业一般包括以下几个步骤：

1）现场装配。根据 ROV 入水条件选择一个合适的操作平台，按工程水下检查功能要求，装配ROV，选择配置合适的机械手、声纳、后视摄像头、超短基线水下定位系统等，进行入水前的测试与参数校准。

2）入水。根据入水条件、至水面高度、水深，选择人工直接、吊绳悬挂、简单机械操作等入水方式，避免冲击与碰撞。

3）游动。操控控制台，逐渐放松线缆，控制ROV 在水面上游动到检查部位的上方。

4）水下检查与作业。该步骤是 ROV 操控与作业的核心，也影响应用成果。根据检查目的、内容、方式选择合适的检查路线，控制 ROV的前进、后退、上升、下潜、停留，控制机械手的作业，调节灯光、ROV 指向、摄像头角度，开关灯光、激光、测深等辅助功能，同时实时存储水下视频与声纳。

5）出水。水下作业完成后，ROV 可直接升到水面，游动到岸边或船边，回收线缆，用起吊挂绳夹住提升出水，出水后应做必要的维护保养。

2 ROV 在水库大坝水下检查中的应用

2.1 清水环境下水下渗漏点查找

某水库枢纽主要包括上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等工程项目。上水库主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高为 72.6 m。面板设垂直缝，间距为 12 m，并在缝内设 2 道止水。面板与趾板连接处设周边缝，缝内设 2 道止水。水库蓄水后，库水位 ▽736. 0 时渗漏量为 45.0 L/s，最低库水位 ▽715.8 时渗漏量为 11.4 L/s，总体上大坝渗漏量略偏大。水下检查重点是查找渗漏点。

该水库水质较好，属清水环境，有条件采用遥控机器人系统进行水下渗漏点查找，但由于大坝总渗漏量不大，可能出现渗漏点的部位不确定，上游面板趾板面积大，并且水下泥垢杂物易搅浑，大坝水下渗漏点查找非常困难，犹如大海捞针。针对这些情况，事先应了解大坝施工过程遇到的质量问题、大坝渗漏量随库水位升降的变化规律，采取缜密的水下检查方案，将面板趾板分区分块分条带，可疑部位反复排查。实际水下检查过程中，利用ROV 精密控制、水中快速行进速度、长时间水下工作等技术优势，快慢相结合，采取 ROV 在大坝上游面板趾板表面缓慢匀速前进、缓慢匀速后退、快速巡游、快速升降，必要时辅助反复摆动 ROV 驱赶泥垢等方法，结合水下多波束声纳图像进行水下定位，缓慢仔细排查大坝渗漏点。图 1 给出了在左岸面板 3#～4# 块丁字接头附近发现渗漏点，该渗漏点附近混凝土局部出现翘裂，混凝土表面细孔洞较多，仔细观察发现裂缝附近有细颗粒被吸入，判断该点为大坝渗漏点，出现渗漏的部位范围约 1.5 m，渗漏量不太大，粗估约 3.0 L/s。

图1 面板上的渗漏点

2.2 易缠绕环境水下检查

某水利工程大坝为面板堆石坝，蓄水后最大渗漏量达 111 L/s，较同类工程渗漏量偏大；库水位降低后检查发现，4 块面板块在趾板附近出现局部破损，有脱空现象，脱空部位经过灌浆回填与面板修补处理后，大坝继续蓄水，再蓄水后其渗漏量已与同类工程的渗漏数值相当。为了解大坝周边缝、面板垂直缝、面板破损修补处的现状，对该水库进行了水下图像检查。该水库蓄水时间 2 年多，大坝两岸趾板及面板上沉积许多树枝，ROV 水下检查如同在丛林中前进，遥控线缆由于水下机器人的不均匀拖拽、非线性前进、水下紊流干扰、遥控线缆自然张曲等作用，线缆特别容易发生缠绕，水下环境属易缠绕环境，ROV 线缆万一被树枝缠住，ROV 将很难脱身，严重威胁 ROV 的自身安全。本工程检查中，通过采取单向直线前进；检查区域划分为若干小区块，分块检查；检查长度方向划分若干段，分段检查，分段给进或回收遥控线缆等措施，避免ROV 在树枝间盘旋、穿行而引起遥控线缆缠绕现象。图 2 给出了部分水下检查结果，图中是原面板破损修补部位，目前该部位面板混凝土与止水结构基本正常，但修补的混凝土表面有钢筋弯起。

图2 面板破损修补处的现状

2.3 流动水环境水下金属锈蚀检查

某水库工程由大坝、输水涵洞、溢洪道 3 大建筑物组成，拦河大坝为黏土心墙混合坝，进水口修建1 座高度为 35.5 m 的钢筋混凝土放水塔，安装 2 道事故闸门，2 台各 10 t 的卷扬机，出水分叉管 4 道，输水量为 26 m3/s。工程已运行 40 多年，进水口水下部分的混凝土与拦污栅从未检查检修过，情况不明了。适逢大坝除险加固之契机，对进水口水面以下混凝土与金属结构进行检查。该工程因城区供水需要，不具备直接下闸断开通水的条件，水下检查必须在流动水环境情况下进行。流动水会带动 ROV前进，即使 ROV 保留一定的后退速度，仍无法保证ROV 稳定地悬停于水中某个位置，当水流速度超过一定量时或者水流混乱时，甚至无法操控水下机器人，无法开展水下检查工作。在该工程检查中，采取上升下潜靠 ROV，前进后退靠手工收放遥控线缆的方式进行控制。先将线缆后拉，按需逐步放松或收紧遥控线缆等措施后，控制 ROV 保留一定的上升或下潜的动力，让 ROV 悬停在需要的位置，顺利开展进水口金属结构水下部位的检查。图 3 给出了检查过程中的水下图像，从图中可以发现拦污栅下半段附着的垃圾较多，拦污栅门槽导轨、栅叶的锈蚀相对严重，锈包较大，最大约 5 cm。

图3 拦污栅的栅叶与门槽锈蚀严重

2.4 浊水环境水下冲刷检查

莆田木兰陂位于福建省莆田市区西南 5 km 的木兰山下，木兰溪与兴化湾海潮汇流处。木兰陂始建于北宋治平元年（1064 年），是著名的古代大型水利工程，全国 5 大古陂之一，至今仍保存完整并发挥水利效用，全国重点文物保护单位。拦河坝是木兰陂的主体工程，陂长为 219 m，由溢流低堰闸和重力坝组成，陂高为 3.65 m，坝身现存 28 孔堰闸和 1 孔冲砂闸。木兰陂水下检查范围包括上游河床、堰闸附近、上游坦水、上游河床与上游坦水结合部、上游坦水与堰闸结合部等。因工程环境水质不好，属浊水环境，水下摄像头的视频画面非常模糊，只能打开多波束图像声纳系统，利用声纳图像检查水下冲刷情况。木兰陂堰闸漏水严重，属动水环境，增加了 ROV 操控难度。检查过程中，ROV 先行进至上游再顺水漂移，采取多波束声纳图像结合水面光线辅助定向措施后，多波束声纳图像可清晰显示水下结构轮廓情况。图 4 给出了木兰陂上游坦水与河床间存在凹坑的声纳图像，右起第 7 孔上游有 1 处明显阴影区，水深 0.7～1.0 m；右起第 3 孔坝 5 m 前有1 块三角形阴影；右起第 3 ～4 孔间坝上游侧河床与上游坦水结合部有 1 个凹坑，范围约（10×7）m2。

3 ROV 的技术优势与适用范围

根据水库大坝水下检查的视频与声纳图像、检查效果及工作体会，遥控水下机器人系统（ROV）具有以下特点与技术优势：

1）能快速下潜或上浮，下潜深度大，最大潜深达到百米级，可满足水库大坝水下检查需要。而潜水员深水作业需要潜水钟，加压减压时间长，ROV水下作业较潜水员水下作业的技术优势明显。

图4 陂上游坦水与河床间存在凹坑

2）能长时间潜伏或悬停于某一水中某一工作深度，自动锁定方向。

3）在水面或水体中行进速度较快，能实现定速巡航，可以大大提高检测效率。

4）在水质条件较差的情况下，通过水下机器人携带的多波束声纳可以实现对目标的定位和辨识，这一点也明显优于潜水员水下作业。

5）ROV 可根据工程需要，选择携带工具附件，增加水下作业能力。

6）水下检查结果比较直观，检查结果同步保存，便于今后分析与研究。

遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中应用有一定适用范围，比较适合静水或流速缓慢的水体，激流、漩涡、垃圾杂物多的情况下不适宜，在水体浑浊时无法用视频检查，只能通过声纳系统形成一个探测范围较广的多波束声纳成像图，得不到细节情况，连接线缆容易发生缠绕甚至被勾住等情况。

尽管存在一定的局限，遥控水下机器人系统较潜水员作业仍具有明显的技术优势，今后随着系统的改进、携带工具附件的增加，各种类型、不同工作环境的遥控水下机器人系统的开发与应用，遥控水下机器人系统的适应能力将更强、功能将更强大，在水库大坝水下检查中应用范围将越来越广。

4 结语

遥控水下机器人系统对于水下大范围快速探测、细部结构检查、清水或浊水情况下检查等均有明显的技术优势，检查结果直观，便于存储与今后分析研究。应用遥控水下机器人系统开展水下检查工作，对水库大坝安全鉴定和水下除险加固，保障水库大坝的安全，使水库大坝发挥应有的社会和经济效益，具有较重要的意义。

参考文献：

[1]张国光. 21 世纪初我国水下工程技术函待开展的若干课题[J]. 海洋工程，2000, 18 (4): 69-73.

[2]任福君，张岚，王殿君. 水下机器人的发展现状[J]. 佳木斯大学学报，2000, 18 (4): 317-320.

[3]李智刚，张艾群，俞建成. 水下机器人在极地科学考察中的应用[J]. 极地研究，2004, 16 (2): 135-144.

[4]白桦. 我国潜深最大的水下机器人诞生[J]. 中外船舶科技，2004 (4): 44.

[5]单宇翥. 水下机器人在三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门水下清理工程中的应用[J]. 大坝与安全，2005 (3): 51-53.

[6]刘和平. 浅水水下机器人设计与控制技术工程研究[D].上海：上海大学，2009: 1-2.

[7]徐玉如，李彭超. 水下机器人发展趋势[J]. 自然杂志，2011, 33 (3): 125-132.

[8]刘伯运，刘燕红，邱金水，等. 超短基线系统[J]. 水上消防，2011 (6): 39.

[9]李钟群，孙从炎. 水下机器人在浙江省水库大坝检测中的初步应用[J]. 浙江水利科技，2010 (3): 57-59.

Applications of Remote Operated Robotic System for Underwater Inspection of Reservoir and Dam

ZHENG Fashun

(Fujian Provincial Investigation Design & Research Institute of Water Conservancy and Hydropower, Fuzhou 350001, China)

This paper introduces the practical application of the remote operated robotic system for underwater inspection of reservoir and dam, underwater structure such as the panel and plinth, the intake of reservoir, the Song dynasty engineering. Its application skills are summarized, such as seeking leaks of dam in the clear water, checking scour in the turbid water, metal corrosion inspection in the flowing water, underwater inspection in the easy winding environment. It summarizes its characteristics, advantage and applicable scope. It accumulates experiences of using the remote operated vehicle system to solve the difficulty of cable winding and seeking the leakage points of dam in the application.

reservoir and dam; underwater inspection; remote operated robotic system; underwater images; leakage points of dam

TP242；TV698.2

A

1674-9405(2014)02-0045-05

2014-01-16

水利部“948计划”资助项目（编号201224）

郑发顺（1969－），男，福建福州人，高级工程师，主要从事水利水工工程安全检测工作。