ROV在水下工程检测中的应用初探
林七贞 林汉斌
摘要：水下机器人全称为水下遥控运载器，（英译：Remotely Operated Vehicle以下简称：ROV）是一种高科技仪器设备的集成体，文章将介绍ROV的现状与特点，对ROV在水下工程检测中的应用前景进行了探讨，提出在水下探摸检测工作中引进ROV的建议。
关键词：ROV 工程检测 应急搜寻
前言
ROV主要分为两种基本类型，即有缆遥控式ROV和无缆自治式ROV。有缆遥控式ROV是由工作母船上工作人员通过ROV的脐带提供动力和控制信号。无缆自治式ROV自备动力电源，按照预先编制的程序自主航行。同时ROV也向甲板传回各种讯息，将各种传感器水下采集到的数据信息和影像图像在控制台上显示。ROV可搭载水下摄像和声呐设备，在潜水员不便下水时替代潜水员进行水下摄像和河床扫测，可通过机械手进行简单的作业。能从事海洋测量、军事侦测、水利水电、渔业水产、核电设施、救助打捞、应急搜寻等工作。
目前国内外对于ROV的开发和研制相当重视，已有多种款式投入运用，并且不断进行技术更新和升级，近十年来，国外的海洋工程设备供应商也逐渐将各种型号的ROV投放到中国市场，本文选取通用观察型ROV（无人遥控有缆式）作为模版进行评估。
ROV的性能及特点
ROV一般为开放式框架结构，铝合金或玻璃纤维板，亚克力管材，标配4个磁力联轴式推进器，可定向巡航或定深巡航，工作水深可达百米级，能自主或半自主航行，实现直航、回旋、潜浮方式，可在浮游与爬行模块之间自由切换。首部装有可旋转式黑白或彩色摄像变焦镜头或相机，远景和近景自由切换，强光LED灯源或卤素灯。内置压力传感器、姿态传感器、磁罗经、速率陀螺仪和高度计等。电力供应、光纤通信采用脐带传输方式，具有承载能力强，传输速度快，抗电磁干扰等。可选择性搭载GPS定位系统、液压机械臂，多波束图像声呐、扫描声呐、超短基线等。
ROV的主要特点就是潜水器自身不需要携带电源，由甲板控制单元通过脐带向其提供电力，作业时间不受限制，技术人员在水面工作母船上就可以控制和操作，可解决无缆自治式ROV复杂的人工智能要求，其优点是动力持续、结构紧凑、维护方便、操作灵活。
ROV的主要技术参数差别不大，重量约100kg左右，即使搭载有关设备和仪器，也可以利用船舶甲板上的辅助收放系统完成设备的下放和回收，操作简便。
ROV的几种主要特性
1、集成声呐探测技术
声呐探测技术在救助打捞和水下工程检测中发挥着极大的作用，在船舶上使用已经相当成熟，将该技术引入到ROV上，采用搭载声呐设备方式搜寻特定水下目标，对指定水域进行扫测，采集数据信息传回到船舶计算机上进行专业处理，生成二维或三维图像影像，提高搜寻效率。
2、集成水下摄像技术
ROV的摄像或照像系统可将水下采集到的视频图像实时传回甲板，对水下地形、水下建筑物或水下碍障物的形态进行近距离的直接观察，不需要进行数据转换，就可以直观地读图研判，便于工程技术人员掌握水下情况。
3、集成水下定位系统
在水上施工过程中，应用GPS定位技术已相当广泛，而水下导航定位大都采用超短基线，误差较大，换算不便，ROV内置GPS定位系统，配合定向定深巡航设备一起使用，可计算出ROV的运动轨迹和相对坐标位置。
4、集成水下机械设备
ROV一般配置有简单的工具设备，可根据不同作业要求携带机械抓手、钻探杆、液压剪等，在水下摄像系统及甲板技术人员操纵引导下，可替代潜水员在水下工作，在复杂危险的水域实施水下作业任务。
ROV的应用现状
1、海洋工程
1953年世界上出现第一艘ROV，六十多年来，从诞生走向实用化，制造技术渐趋成熟、日臻完美。总数量已超过1000艘。在我国八十年代，一些大专院校、研究机构和国防军工企业合作，专门研制ROV，用于海洋测量作业、深海石油勘探、管线维护检测、军用水雷探测等，以科学实验、技术研发性质为主，经过不断的科学实验和技术创新，逐渐由试用阶段投入到实际使用阶段，近年来，国家制定了一系列发展海洋经济的战略目标，2014年亚太经济合作组织（APEC）领导人非正式会议上更是提出了建设海上丝绸之路的发展构想，大批海洋工程项目开工建设，海洋调查、石油勘探、海底管道、风能核电、海底电缆、岛礁码头等。国内的海事管理部门、科研院所、军工企业、石油化工等单位也开始使用ROV，进行水下扫测、应急搜寻和其它作业，ROV在海洋工程中发挥着越来越重要的作用。
2、长江流域
目前，从我们收集的资料信息分折，大部分ROV都是按照海洋或湖泊而设计研发的，其各项技术参数和性能指标也是按海洋或湖泊的特性而设定的。加上长江上水流湍急、水质混沌、沙砾河床、地形复杂，ROV的操纵困难、功能受限，除三峡通航管理局、水利管理部门在三峡大坝闸门、长江堤防有过几次试验性的使用外，此前在救助打捞、应急搜寻、水下检测方面尚无使用ROV的先例，基本上没有推广使用。
3、水库湖泊
内陆山区因其独特的地形地貌，有许多深达近百米的湖泊和水库，按照《潜水员管理办法》的规定，潜水员水下作业深度不得超过60m，因此，一些单位用ROV替代潜水员进行过水库坝体闸门、水下地形观测和水下文物考古等，收集相关数据和图像资料，但使用并不太多。
ROV在水下工程检测中的运用前景
目前在长江航道整治工程中，水下工程检测主要是对水下铺排搭接这道工序进行检测，采取水下探摸摄像和声呐图像实时监控二种检测方式，而对水下抛石、水下抛枕和透水框架等工序，采用的是高程测量控制方法，只能进行总量控制，不能进行水下实时检测，从而无法掌握其施工质量。其主要原因就是施工区域水流紊乱、环境复杂，潜水员不能下水作业。为创新检测技术和手段，形成对水下工程施工全过程、全方位的检测成为当务之急，必须采用新的装备和器材，弥补各道工序的检测空白，这是我们瞄准前沿科技、着眼高新领域、打造核心技术的着力点和突破口。
2014年8月15日，武汉长江航道救助打捞局水下检测中心在长江荆江河段首次进行了ROV运行试验，对其航行稳性、动力模块、操纵系统、扫测范围、拍摄效果等方面作了负载测试，测试ROV的各项性能指标，初步评估了ROV在长江航道整治工程中使用的可行性，结论为：ROV融合了现代最新科技成果，实现了集数字化、自动化、智能化为一体的发展趋势，ROV可以弥补潜水员工作受限的短板，充分发挥其在深水复杂区域连续作业的优势，完成复杂条件下的水下声呐扫测搜寻、水下目标探测摄像等任务，为下一步在水下工程检测中引进ROV提供了许多有益的尝试。
与此同时，对在水下工程检测中使用ROV提出了一些建议和设想：
动力驱动设备：ROV一般配置4个推进器，可在静水中完成常规的潜航动作，但在长江中游航道中，最大流速达到1.5m/s左右。一是ROV要在水中作长时间的悬停，动力驱动设计必须满足控制要求；二是ROV要克服水的流速，按照预定路线航行，动力驱动能量必须满足其推力要求。
动力定位系统：ROV的内置GPS定位系统是水下检测精度的关键环节，基本上可以确定其在水下的具体坐标，建议在ROV的电脑程序中设置DP动力定位系统，预先设计航行轨迹坐标，使其在水下目标附近自主巡航，保持自身位置的相对稳定。
水下摄像器材：水下电视摄像设备上的摄影机采用的是光学成像原理，不宜在昏暗、混浊的长江中使用，即便装有照明光源，效果也不太理想。随着声学摄像技术的出现，ROV可装配声学彩色摄像变焦镜头，使拍摄效果更为理想，拍摄图像更为清晰，完成水下预定目标的拍摄。
操作功能升级：观察型ROV以扫测搜寻为主，有扫测范围大，持续时间长的优点。但ROV还应具备强大的作业功能，配置机械臂和其它装备，满足水下特殊工作要求，完成钻探、剪切、打孔、取样、冲砂、运输等任务。
ROV作为一种新型水下探测工具，在超越潜水极限的恶劣水下环境中，搭载各种仪器设备的ROV很自然地成为人类延伸自已感知能力的主要工具之一，随着实践经验的不断积累和完善，ROV系统将越来越广泛地应用。
结论
随着长江电子航道图3.0版本即将上线运行，为确保长江航道畅通，要建设一支应急反应快、技术水平高、救助能力强的救助打捞队伍，努力建成全方位覆盖、全天候运行的应急救助体系，提高救助打捞技术水平，加强救助打捞设备和水下工程检测器材建设势在必行、很有必要。
在对ROV的导航定位、视觉传感、动力系统、运动控制、模拟仿真等关键技术进行改造升级后，在长江上进行沉船、沉物的搜寻扫测工作，可提高应急抢险保通的效率。 ROV在水下工程检测的运用，将填补长江航道整治工程水下工程质量检测的空白，为提高长江航道的科技创新能力，打造核心竟争力，发挥着积极而深远的影响和作用。
参考文献：
[1]Robert D Christ， The ROV Manual， Second Edition： A User Guide for Remotely Operated Vehicles[M]. Oxford：Butterworth-Heinemann，2011.
[2]罗伯茨 （Roberts.G.N），萨顿 （Sutton.R.），无人水下航行器进展[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]沈林成， 徐昕， 朱华勇.移动机器人自主控制理论与技术[M].北京：科学出版社，2011.
[4]郑剑春，机器人结构与程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.
（作者单位：武汉长江航道救助打捞局）
