浅议ROV在水利水电设施检测中的应用

张 冲，曹雪峰

（1.山东省防汛抗旱物资储备中心，山东 济南 250014；2.济南市水文局，山东 济南 250013）

1 研究背景

为增强水下检测的安全性，近年来国内有关科研检测单位先后引进或联合研制各种ROV开展水库大坝等水利水电工程水下检测。ROV的英文全称为：RemoteOperatedVehicle，中文为缆控水下机器人，它是由水面控制终端通过脐带缆和水下机器人连接，实现能源供应和控制信号水上水下传输，将机器人采集的视频、传感器参数等实时回传至控制终端。ROV的研究工作最早可追溯到20世纪中期，真正引起轰动是在1966年，一台名为“CURV-1”的ROV和载人潜水器配合，成功在西班牙外海找到并打捞起失落在海底的氢弹。受此影响，欧美、日本等西方国家迅速展开大规模ROV研发与推广。相对国外，我国ROV研究起步较晚，1985年中国科学院沈自所和上海交通大学自主研发了我国第一台水下机器人“海人一号”ROV，首潜199m。由于在导航定位技术、探测技术、核心水下零部件技术、工艺水平等方面与国外存在着较大差距，在2000年以前国产ROV并不多，主要集中在几个科研单位（中科院沈自所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等）。

近年来，随着国家“十三五”规划关于发展海洋高端装备创新的战略部署以及国内认识和需求的不断加强，我国诸多科研院所、高校以及企业开始投入ROV的研发和制造。2014年4月18日，上海交通大学研制的“海马”号4500m级深海ROV通过了863海洋技术领域专家组的海上验收，实现了我国在深度无人遥控潜水器自主研发领域“零的突破”。由于ROV水下检测实时性好、扩展性强、工作潜力大，随着产品技术和质量的不断提升，目前国内已将ROV广泛应用于海洋石油、搜救打捞、水电检测等。水利部长江水利委员会国家大坝安全工程技术研究中心、中国电建集团昆明勘测设计研究院、中国电建集团成都勘测设计研究院等单位先后引进或联合研制各种ROV用于水库大坝等水利工程水下检测。

2 ROV系统功能

2.1 ROV系统组成

ROV是一种配备有水下摄像、水下检测设备和水下机械手等工具，通过脐带缆或铠装缆将视频画面、控制数据、电源与水面控制单元相连，并由专业操作人员岸基操作，完成专业水下工作的无人潜器。ROV的水下潜器一般为开放式框架结构，一般采用PP材料，配置4～6个水下推进器，可在水下进行定向、定深巡航。水面控制单元通过线缆对水下潜器进行控制，可以完成水下机器人的运动、多功能机械手的开合和水下摄像头俯仰角度的调节、水下摄像头调焦，同时可以将水下拍摄的画面通过缆线系统传输到水面控制单元的显示屏上，并存储数据至电脑中。

2.2 集成声纳探测技术

声纳在水下工程检测的应用非常广泛。ROV通常会集成重量轻、体积小的多波束图像声纳，其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，采集的声波数据传回ROV水面控制单元的计算机进行处理后，就可以生成二维或者三维的声纳图像，这样ROV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。

2.3 集成水下机械手

ROV通常配备小型水下机械手，同时可根据不同的任务需求，使用不同“爪型”机械手，在水面控制单元及工程人员的操作下，代替潜水员完成水下的抓取、剪切、取样等任务。

2.4 集成水下声学定位系统

由于GPS及电磁波信号在水的介质中无法传播，部分ROV潜器会安装超短基线（USBL）定位系统，跟踪水下潜器，使用声学的方式对水下机器人进行水下定位，得到ROV的相对位置。如果超短基线连接有GPS，就可以得到水下机器人的绝对GPS位置。

3 ROV检测应用

3.1 水库坝体检测

随着时间的推移，水库大坝混凝土表面及混凝土等不可避免会出现裂缝、空洞等缺陷，尤其是在大坝刚建好服役的初期，内部压力释放会加剧裂缝产生速度，需要进行及时定期检查。针对这种情况，首先操作ROV使用二维多波束图像声纳对坝体进行观测、检查，检查水库坝体裂缝、破损位置，再通过声纳图像对破损处位置进行辨别，之后进行视频观察。由于ROV系统在装备高清摄像系统的同时可以搭载激光标尺、电动喷墨器，通过水下摄像装置可对坝体面板的裂缝、接缝、止水情况进行直观判断，并由激光标尺测量破损缺陷尺寸。如：裂缝长度、塌坑面积等；对尺寸较小的对象，如裂缝宽度、鼓包大小等，对接缝处或裂缝处止水效果可通过ROV搭载电动喷墨器进行试验验证，如大坝已经存在渗漏问题，喷墨可以显示出渗漏走向及大小。水利部长江水利委员会国家大坝安全工程技术研究中心、中国电建昆明勘测设计研究院、成都勘测设计研究院等单位实际使用ROV检测结果表明：ROV可以极大地提升坝体检测效率。

3.2 水下金属构件锈蚀与淤积检查

水下金属构件主要包括闸门、拦污栅等，水下金属构件本身的锈蚀和淤积很可能影响到该部位的通透性，尤其是汛期需要对闸门进行开启时，需要确认异物淤积对闸门没有影响时才能落放闸门。通过操作ROV，可利用二维多波束图像声纳搜索到闸门，为ROV导航至闸门处，再通过水下摄像头，对水下闸门锈蚀、淤积情况进行观察。2018年以来，山东省防汛抗旱物资储备中心联合天津深之蓝公司，相继在大凉山锦屏水利发电厂、黄河小浪底水利枢纽、葛洲坝水利枢纽等进行了试验测试，测试结果表明，ROV在水利工程水下金属构件检测中具有非常高的使用价值，尤其是在60m深度以上时，相对于潜水员水下检测具有工作时间长、作业深度深、性价比高等优点。

3.3 消力池冲坑及水下结构检查

检测结果表明，在遇到浑水、流速混乱等复杂的水域情况下，ROV的二维多波束图像声纳可对前方120m范围内的水下结构、地形状况、淤积和结构破损等问题进行全方位观测，并形成二维图像，可以比较好地对消力池的轮廓和尺寸进行分析。

综上所述，ROV检测方式可以替代潜水员完成很多水下工作。同时，在深水环境和危险环境使用ROV会极大减少潜水员损伤风险，ROV在水利水电工程检测中的作用无疑是明显的，但从长远看，如进一步推广应用ROV开展水利工程水下检测，需要克服三个方面制约：一是ROV成本相对偏高，而且水利水电工程检测任务越复杂，ROV检测成本会越高；二是ROV操作要求高，操作员需要具备丰富的经验，需要熟悉设备和传感器，同时需要具备海洋物理、空间几何等方面知识和良好的心理素质；三是水下环境复杂多变，水流、能见度等因素都会影响ROV操作。因此，当前需进一步加强ROV的应用推广培训，扩展ROV的搭载能力、降低ROV的操作难度。随着智能技术的不断发展，未来ROV也可以通过引入智能技术自主判定水下工作，更好、更高效地完成水下检测工作。