水下机器人在水利工程管理中的应用

干佳馨 陈擎环

（江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225321）

1 研究背景

江苏省泰州引江河高港枢纽是国家南水北调东线源头之一，由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、船闸和110kV 专用变电所等组成，年均向江苏沿海调引长江水50 多亿立方米。泵站安装立式开敞式轴流泵9 台套，采用双层X 型流道。节制闸设计流量440 m3/s，调度闸和送水闸设计流量各100 m3/s。

高港枢纽以往对工程设施进行水下例行检查时，主要依靠潜水员在水下用手进行探摸，因环境和工具等条件限制，只能对重点部位实施检查，无法对工程全面检查。而且工程有无异常情况或安全隐患全凭潜水员个人经验进行判断，缺乏准确可靠的材料支撑。

当水下设施出现异常情况需要紧急排查时，潜水员下水存在准备周期长、所需专业设备多、连续工作时间短、检查成本高等缺陷。有时还会面临水下环境复杂多变，长江水质浑浊，能见度低等安全问题。在处理故障时，技术人员只能依靠潜水员的描述或携带水下照相机（摄像机）拍摄的画面进行大致判断，有时需要多次操作才能解决故障。

另外，高港泵站结构为X 型双层流道，水泵主体均在水下，需要定期对各部件进行检查。每次均需先组织人员安装3～4 台潜井泵，打开检修孔放泵排水，等流道排水结束后，再由技术人员进入流道检查，工作量大、周期长、效率低。

针对水下检查存在的这些难点，高港枢纽根据工程特点，引进了一款水下机器人，用来检查水下建筑物和设备情况。高港泵站流道如图1 所示。

图1 高港泵站流道示意图

2 水下机器人组成

该水下机器人由四部分组成：岸上远程遥控装置单元、凯夫拉零浮力线缆绞车系统、水下机器人单元和软件应用程序。

2.1 岸上远程遥控装置单元

远程遥控装置使用PLC 信号传输，通过线缆实现与水下机器人之间的通信控制。该遥控装置集成WiFi 模组，可与手机平板等终端设备无线连接，把接收到的水下视频、温度和深度等资料传输到终端设备，实时呈现水下场景，实现可视化控制。

2.2 凯夫拉零浮力线缆绞车系统

此线缆用于岸上遥控器与水下机器人之间的通信连接，保证视频回传信号和机器人控制信号传输的实时性和稳定性。

2.3 水下机器人单元

针对长江水流湍急，普通机器人水下难以持续定点作业的缺点，该水下机器人专门配置了9 轴姿态传感器，可以侦测到机器人XY 三个维度的位置信息，MCU 控制芯片接收到信息后配合软件算法，可实现多维度运行姿态的实时侦测与调整，能解决扰流带来的运行不稳问题，确保机器人在水深30 米范围内能持续稳定的工作。控制系统如图2 所示。

图2 控制系统图

2.4 软件应用单元

在各个终端设备上的UI 交互界面简易方便，可实现零门槛操控水下机器人。

2.5 针对高港枢纽下游长江水体浑浊，能见度低的特点，水下机器人加装了4000 流明LED 补光灯，提供8 档可调补光，保证水下观测画面明亮清晰。水下机器人主体如图3 所示。

图3

3 应用实例

3.1 利用水下机器人检查水泵水下部件

高港枢纽安装叶轮直径3m的立式开敞式轴流泵9 台（设计流量35m3/s，设计扬程4m），流道结构为双向X 型，底层为进水流道，上层为出水流道，通过闸门控制可双向运行，向外排涝，向内灌溉。9 台水泵机组主要受力转动部件位于水下且水泵运行载体为流体,机组运行时不但存在机械旋转振动,还会受到水流脉动和气蚀振动等影响,为确保机组运行的安全性和稳定性，水下部件的定期检查尤为重要。2018 年，高港枢纽首次利用水下机器人进入流道检查水泵水下部件。技术人员结合X 形流道结构图，事先规划好最佳行走路线，确定检查方案。根据超短基线定位系统，分块分段全面细致地检查了水泵水下部件。画面清晰显示所有部件螺栓紧固完好，金属部件表面少许锈蚀在允许范围内。整个检查过程仅需2 人操作，用时45 分钟。与此前检查需要近10 人放泵排水，耗时2天相比，节省了大量人力、物力和时间。

3.2 利用水下机器人检查闸门止水

闸门是水工建筑物的重要组成部分,闸门止水也是不可缺少的装置，安装设计不合理,可能会造成闸门损坏、闸门漏水、振动、锈蚀和冬季结冰卡阻等，由此可见闸门止水是保证闸门能否有效地挡洪、引水，充分发挥工程效益的关键。闸门运行工需定期检查闸门止水的整体性，检查止水是否有断裂或撕损、材料老化现象，检查闸门止水与止水座板是否紧密，止水座板有无变形，固定螺栓有无锈蚀松动。2019 年，值班人员在巡视过程中发现节制闸闸门水下存在水泡和异响，怀疑闸门底部止水或门槽可能存在破损。技术人员操控水下机器人潜入水底检查，发现止水与门槽结合部位有大量水泡翻腾，靠近观察确定止水已局部破损。单位立即安排人员对闸门止水进行及时维修，确保了工程安全。相比以往需要等待潜水员下水摸查，水下机器人确定故障位置快速准确，传送实时画面清晰。

3.3 利用水下机器人检查水下水工建筑物

水工建筑物经常承受着水的作用。挡水建筑物承受着一定的水平静水压力、风浪压力、浮力、地震动水压力以及渗流产生的渗透压力，对建筑物的稳定性影响极大，水流渗入建筑物内部及地基中，还可能产生侵蚀和渗透破坏；泄水建筑物的过水部分，还承受着水流的动水压力，高速水流还可能对建筑物产生空蚀、振动以及对河床产生冲刷，存在安全隐患。故应定期对水下水工建筑物进行检查。2020 年，汛前定期水下检查时，潜水员经探摸发现节制闸长江侧翼墙与岸墙伸缩缝的填料疑似部分缺损，混凝土表面可能存在剥落，但因长江水质浑浊，难以判断具体情况。为查清有无上述问题，技术人员利用水下机器人对疑似区域进行了检查。在水流较快、干扰较大的情况下，技术人员短短几分钟就成功操控水下机器人到达指定位置，利用LED 补光灯和高清摄像头，经查看确认填料无缺损，混凝土表面完整，工程完好。

4 功能特点

4.1 提供实时画面，实现技术支持

水下机器人可对水下建筑物和设备等进行长时间全面拍摄，提供高清视频，如图4 所示可供多人同时在线分析，使技术人员对水下工程的状况、发现的病险隐患及其严重程度有直观的了解，从而能快速做出准确判断。

图4

4.2 操作快速便捷，安全经济高效

水下机器人在水面或水体中行进速度快，能快速下潜或上浮，能实现定速巡航，作业时间长，操作方便。相比之前潜水员工作准备时间长，所需专业设备多的缺点，水下机器人的引入，大大减少了工作量和成本，提高了工作效率和安全性。

4.3 方便资料收集，提升管理水平

水下机器人检查画面自动存储，结果同步保存，能够获得水下工程设施直观具体的影像资料,方便各类检查资料的收集,利于技术人员进行分析研究，提升了工程管理科技水平。

5 结论

水下机器人在高港枢纽水利工程管理中的应用，较之前潜水员作业具有明显的技术优势。其直观、高效、灵活、安全、可靠，减少了水下检查的工作量，提高了工作效率，能获得准确可靠的检查结果。使技术人员对水下工程的状况有了直观了解，为工程管理提供了技术支撑，进一步保障了水利工程的安全运行，未来水下机器人在水利工程中的应用会更加智能化。