ROV发展现状与其在海洋石油行业应用前景

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(1.东北石油大学，黑龙江 大庆163318；2.中国石油集团 工程技术研究院，天津300451)

ROV发展现状与其在海洋石油行业应用前景

任福深1，杨雨潇1，王克宽2，唐德渝2，龙斌2

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆163318；2.中国石油集团 工程技术研究院，天津300451)

ROV(有缆遥控水下机器人)是重要的现代水下作业工具，具有海下勘探、观察和作业等功能，并凭借着高可靠性和高安全性的优势，成为了海洋石油行业的新兴作业机械。通过比对国内外知名水下机器人公司的典型产品，介绍了ROV的发展现状与其在海洋石油工程中的应用状况。根据我国海洋环境特点和海洋石油的开发维护需求，提出了未来ROV需要具备的关键技术和发展趋势。以期推动ROV在海洋石油行业中的创新和发展。

ROV；海洋石油；研究现状；关键技术

水下机器人是人类认识、开发海洋的必要工具之一，也是一种必需的建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的技术手段[1]。

海洋机器人的发展经历了4个时期[2]：20世纪60年代，载人潜水器(HOV)的出现是第1阶段的标志；在第2阶段，20世纪70年代实现了遥控水下机器人(ROV)的迅速发展；第3阶段大约为20世纪80年代，以自主水下机器人(AUV)的发展和水面机器人(USV)的出现为特征；目前是混合型水下机器人的时代。

水下机器人按特点可以分为2大类：遥控水下机器人(ROV，Remotely Operated Vehicle)和自主水下机器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)[3-5]。ROV分为移动式、拖拽式和游浮式；AUV分为传统型机器人和仿生水下机器人。ROV依靠电缆提供的动力来进行水下作业。AUV则依靠自身携带的能源来实现水下的三维空间运动[6]。在经历了近60 a的发展后，ROV已经发展成为了一种成熟的水下特种作业机械。

从1986-09-20，我国第1座符合国际标准的现代化海洋采油平台在渤海埕北油田海上安装并调试成功，我国海洋石油工程经历了艰难的发展历程。海洋石油勘探开发投资大，风险也大，因为油藏厚度大、储量丰度高、单井产量高，所以效益也高，发展前景不可限量。但是，海洋石油的勘探、平台的建设和维护、海底输油管道的铺设都存在着投资高、风险大等问题。海底设备的运行过程面对的海洋环境也更为复杂，易发生安全事故，一旦发生事故，代价巨大。因此，除了在设计制造阶段做好相应的预防工作，海洋石油设备在使用过程中的检查和后期的维护、维修更应该被加以重视，以保障其长期安全运行。

本文根据ROV在海洋石油行业中的应用现状和未来发展需求，提出了ROV发展的关键技术和发展趋势，对海洋石油设施检查、维护和维修的发展具有一定的指导意义。

1 ROV发展现状

早在20世纪50年代，几个美国人想把人类的视觉延伸到神秘的海底世界，他们把摄像机密封起来下沉至海底，这就是ROV的雏形，自此拉开了水下机器人的研发大幕。

1.1 国外ROV发展现状

1960年，美国成功研制了世界上第1台ROV——CURV1[7]，如图1所示。在载人潜水器的配合下，CURV1在西班牙外海海底找到了一颗失落的氢弹，引起了世界各国对水下机器人的重视。美国、瑞典和日本等国家研究和开发出了不同型号的ROV，已应用于不同的作业任务和不同的下潜深度。

图1 世界第1台ROV(CURV1)

日本拥有世界上最多的机器人，在ROV的研发和应用方面也不甘后人。日本海洋技术研究所开发研制的KAIKO号是目前世界上下潜深度最大的潜水器[8](如图2)。1995年，KAIKO号下潜到马里亚那海沟的最深处10 911.4 m，创造了下潜深度纪录。虽然KAIKO号最后丢失，但是在科研领域中散发出的光芒仍然无法掩盖。

图2 KAIKO号ROV

ROV发展至今天，不仅在科研领域有着良好的表现，在商业应用中也起到了重要的作用。世界各国的多家公司研制的ROV已经在商业工程领域中成功作业运行。

美国的OCEANEERING公司开发的ROV已经可以实现海底管道连接和修复、海下设施的检查维护和维修、退役海洋平台的切割和拆除、海下设施的淤泥清除、潜水支持等多项功能。Spectrum号ROV是该公司的典型产品，如图3所示。Spectrum号代表了新一代的具有深水作业能力的轻量级ROV，下潜能力为3 000 m，可装配5自由度机械手、作业工具，例如排污泵、CP探针、测量传感器等。使用的控制系统为最新的水下机器人控制系统OPAC(Oceaneering Power and Control)，具有可靠性高和维护简易的优点，并且系统设计体积小，推力高，主要服务于海洋油气钻井，支持海下建设和配合生产活动。

瑞典的SEAEYE公司开发了多款ROV，其中具有代表性的是FALCON号，如图4所示。FALCON号为水下作业提供了一个理想的平台，开放式框架结构可以轻松装配多种工具和配件，工具和配件也可以安装在下端的撬装上，这使得FALCON具有多种的作业能力，能够实现复杂情况和苛刻条件下的海洋应用作业。在FALCON号上已经成功应用过的配件有CP探针、三爪机械手、五功能的机械手、图像缩放系统、跟踪系统、声纳系统、清洁刷、钢丝绳锯等。FALCON号下潜深度为300 m，在配备中继器使用时，最大作业深度可达到1 000 m。灵活的作业工具选配和大范围下潜深度选择，让FALCON号成为了小型ROV中的标杆产品。

图3 Spectrum号ROV

图4 FALCON号ROV

美国的WHOI公司开发的Jason号，是目前世界上深水范围内使用较为成功的一款ROV，如图5所示。Jason的下潜深度为6 500 m，采用了6个直流无刷电动推进器，每个推进器能提供113 N(250磅)的推力，从而保证了深水作业所需的动力。

图5 Jason号ROV

此外，Hibbard Inshore、Soil Machine Dynamics Ltd (SMD)、FMC Technologies等水下机器人开发公司开发的不同型号、不同应用类型的ROV也在不同工程领域中发挥着重要作用，大力推动了人类对海洋的认知和开发利用。

1.2 国内ROV发展现状

我国从20世纪70年代末开始ROV的相关研究，主要研发机构有：中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学水下机器人技术国防科技重点实验室和上海交通大学水下工程研究所等。虽然国内ROV开始研制的时间较世界先进国家较晚，但经过不懈努力，国内研发机构或自行研发，或与外国机构合作，已经开发出了多款水下作业ROV。

中国科学院沈阳自动化研究所研制的海人一号(HR-01)是我国第1台水下机器人，如图6所示。海人一号的面世为我国的水下机器人研发拉开了大幕。2002年，沈阳自动化研究所开始研制自主/遥控水下机器人ARV[9]，2005—2008年，先后研制成功3种型号的ARV(SARV-A、SARV-R和北极ARV)。其中北极ARV[10]在2008—2010年分别参加了中国第3次、第4次北极科考，并获取了大量有价值的试验科考数据，如图7所示。

图6 海人一号ROV

图7 北极号ARV

上海交通大学水下工程研究所开发的海龙号ROV，是目前我国较先进的深水作业潜水器，如图8所示。海龙号ROV主要用于海下作业和取样，配备了五功能机械手、七功能主从式机械手、5个摄像机和HID灯。有效载质量达到了250 kg，潜水器功率为73.5 kW(100 SHP)，水下航行速度能达到3.3 kn。

中英海底系统有限公司研制的海狮III号ROV能够进行修理海缆管线、安装、检测、电缆打捞以及深达3 m的海缆管线冲埋作业，最大工作水深达2 500 m，如图9所示。

图8 海龙号ROV

图9 海狮Ⅲ号ROV

哈尔滨工程大学在运动控制方面有着杰出的贡献。刘学敏[11]提出了S面控制方法，并通过试验验证了其可行性。王丽荣等[12]在S面控制方法的基础上提出了亚S面控制方法来提高控制系统的响应速度。甘永等[13]提出了一种并行神经网络控制器，解决了传感器在短时间内无数据情况下的控制问题。

2 海洋石油行业中ROV的应用状况

20世纪60年代起，海洋石油工业的发展促进了ROV技术的迅猛进步。据统计，到2009年底，大约有461个型号约6 000台ROV在作业，全球有300家以上公司从事ROV研制、生产和售后服务[14]。图10列出了2002年和2008年ROV数量按下潜深度等级的分布情况[15]。从图10中可知，潜深小于1 000 m的ROV占40%左右，这是因为海洋石油资源绝大多数分布在近海，近海水下生产活动多，需求量最大；中等潜深(2 000～4 000 m)的ROV数量大约占26%，主要服务于深水油气生产及大洋中脊的科学活动；潜深大于7 000 m的ROV数量仅占3.1%。

在我国的海洋石油行业中，ROV在水下环境观察、海底管道和电缆铺设、海底管道巡检、平台及水下生产系统设施检测维修、水下结构物拆除等方面应用广泛。由于在探测技术、工艺水平、导航与定位技术等方面与国外存在着较大差距，国内海下作业的ROV主要是从国外进口或者由合资企业制造，国内科研机构与企业自主研发的ROV在海洋石油行业的应用方面上仍有一定的欠缺。

图10 ROV按下潜深度的数量分布

3 关键技术

南海海洋环境条件恶劣，尤其是台风和内波多发[16]，这都对ROV的作业产生严重影响。为了应对我国海洋海况的条件，满足我国海洋石油行业的发展需要，我国研制的ROV需要解决的关键技术有以下几点。

1) 机械本体。机械本体要结构简单紧凑，强度高。框架式ROV结构空间较开放，有本体质量小、实用、经济的优点。但是，框架式ROV的大部分执行器、传感器都裸露在作业环境中，防水能力差，防水空间也较小；硬件放置位置不合理会造成强弱电信号之间的相互干扰，而且这种干扰是持续的，不易屏蔽的[17]。在保证强度的条件下，机械本体材料的选择、精密防水问题和框架中机构的布置问题需要加以重视。

2) 控制系统。控制系统主要进行ROV姿态、运动路径和执行机构的控制，包括水面支持部分、控制主体、数据采集设备、通信设备、电源管理模块和推进系统模块[18]。由于海洋条件的模糊性和不确定性，因此需要完善的控制系统来保障ROV在水下工作的可靠性。

3) 导航与定位系统。导航与定位技术是ROV在水下作业时安全运行的首要保障，是一项技术难度很大的系统。目前用于水下导航的技术有引力导航系统、重力导航系统、惯性导航系统、地磁场导航系统、海底地形导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算导航系统等[19]。不同技术之间优缺点明显，技术的选择或者开发也是ROV行业的一大难题。

4) 动力系统。海洋内波的破坏力巨大，ROV在海下作业时，应尽量避免至内波多发海域运行工作。同时ROV需要配备高效率、大功率的驱动系统来克服内波的影响，以按照既定路线航行和长时间悬停在水中作业。

5) 传感器系统。ROV需要通过各类传感器来感知周边环境和自身状态的变化来进行水下作业。为使ROV具有更好的作业能力，传感器应提高区域覆盖率，提高鉴别能力，同时也要发展与传感器相配合的信息处理技术。

4 发展趋势

随着科学技术的进步和海洋作业的难度增大，ROV未来将向着智能化、标准化、专业化等方向发展。

1) 智能化。智能化是机器人面临的共性问题，ROV也应该提升自身的智能化程度。智能化的核心包括自主控制、自主应对威胁。自主控制主要解决ROV实时快速应变问题；自主应对威胁是ROV生存和执行命令的前提和基础。未来ROV应将人工智能、虚拟现实技术、模糊控制和神经网络等现代控制理论和技术应用到机器人的研发中，使其具有一定的智能程度[20]。

2) 标准化。目前大部分ROV使用的电子化设备，例如导航、定位、通讯、控制设备和软件，大部分是为其他领域开发的，在ROV上应用存在着功耗大，精度差，响应速度慢，以及互相不匹配等缺点。因此行业内有必要制定相关标准，来推动ROV行业的标准化发展，提高产品通用性，缩短产品的研发周期，降低成本和提高可靠性。

3) 专业化。伴随着ROV技术水平的提高，在海洋石油中可发挥的空间就愈大。水下作业任务复杂多变，为了顺利完成作业，一些特殊作业要求逐渐被提出，这就需要ROV针对具体问题研发具体的作业工具，才能在未来的海洋石油行业中发挥更重要的、不可替代的作用。

5 结语

我国的海洋石油工程发展到今天，取得了可喜的成绩，现如今已经步入了平稳发展时期。前期投入使用的海洋平台已经达到或临近使用年限，需要进行水下结构物的拆除、维护和维修，计划建设或正在建设的海洋平台以及海底输油管道和电缆的铺设无不需要ROV的支持。

随着我国对海洋石油的开发力度逐渐加大，专业化的海洋石油作业级ROV的需求量也随之增加。然而，目前我国海洋石油应用的ROV多为国外进口，不仅价格昂贵，配套服务差，一旦出现故障，维修周期漫长，严重影响施工作业，而且国外ROV产品也不是专门针对我国海洋海况开发，并不能完全适合我国的海洋石油工程。因此，国内的研发机构和科研院校开发研制适合我国海洋海况的ROV及其配套作业工具，对我国的海洋石油行业的发展具有重大意义。

[1] 封锡盛，李一平.海洋机器人30年[J].科学通报，2013(58)：2-7.

[2] McFarlane J R.Tethered and untethered vehicles：The future is in the past[C]// OCEANS 2008.IEEE，2008：1-4.

[3] Aghababa M P.3D path planning for underwater vehicles using five evolutionary optimization algorithms avoiding static and energetic obstacles[J].Applied Ocean Research，2012(38)：48-62.

[5] 王田苗，杨兴帮，梁建宏.中央鳍/对鳍推进模式的仿生自主水下机器人发展现状综述[J].机器人，2013，35(3)：352-362.

[6] 李一平，李硕，张艾群.自主/遥控水下机器人研究现状[J].工程研究：跨学科视野中的工程，2016，8(2)：217-222.

[7] Hurd R C，Hacking K S，Damarjian J L，et al.Underwater Robots Surface in Utah[J].Technology and Engineering Teacher，2015，74(5)：8-16.

[8] Cooke R.Marine technology：Back to the bottom[J].Nature，2005，437(7059)：612-613.

[9] LI Y P，LI S，ZHANG A.Recent research and development of ARV in SIA[C]//Sixth Internation-al Symposium on Underwater Technology UT2009，Wuxi，China.2009：87-90.

[10] Zeng J，Li S，Tang Y，et al.The application of polar-ARV in the fourth Chinese national Arctic expedition[C]// OCEANS’11 MTS/IEEE KONA.IEEE，2011：1-5.

[11] 刘学敏，徐玉如.水下机器人运动的S面控制方法[J].海洋工程，2001，19(3)：81-84.

[12] 王建国，吴恭兴，万磊，等.广义S面的水下机器人控制器设计[J].电机与控制学报，2009，13(1)：144-148.

[13] 甘永.水下机器人运动控制系统体系结构的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[14] 封锡盛，李一平，徐红丽.下一代海洋机器人写在人类创造下潜深度世界记录10 912米50周年之际[J].机器人，2011，33(1)：113-118.

[15] Allen R.Remotely operated vehicles of the world，8th Edition[M].UK：Oilfield Publications，2008.

[16] 杜庆贵，冯玮，姜哲，等.南海内波对 TLP 平台运动和受力影响[J].石油矿场机械，2016，45(7)：6-12.

[17] 丛明，刘毅，李泳耀，等.水下捕捞机器人的研究现状与发展[J].船舶工程，2016，38(6)：55-60.

[18] 曾俊宝，李硕，李一平，等.便携式自主水下机器人控制系统研究与应用[J].机器人，2016，38(1)：91-97.

[19] Cong R L，Sheng D H，Ke Y C，et al.Relative Positioning System for Underwater Acoustic Network nodes[J].Journal of Convergence Information Technology，2013，8(5)，343-351.

[20] 袁夫彩.水下机器人的发展及在黄河上的应用[J].机床与液压，2016(3)：56-60.

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

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目(2016A-1006)

任福深(1976-)，男，辽宁辽阳人，教授，博士生导师，主要从事石油机械设计及其控制理论研究，E-mail：renfushen@126.com。

TE95

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.002