浅析水下机器人的发展及在LNG接收站应用

刁俊武 董治超

（中海油信息科技有限公司智能制造（惠州）分公司，广东惠州，516086）

0 引言

最初水下机器人的发展是出于军事等方面的需求，由美国、俄罗斯、日本、法国等国率先研制，因水下机器人的研制离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航等技术的发展。后来，海洋石油工业的迅速发展带动了工业型ROV的发展，北海油田和墨西哥湾油田在1975年使用了第一台商业化ROV，至1981年，ROV数量猛增到400多台，现如今各种类型、各种功能的ROV数量已数不胜数。

水下机器人分为两个大的发展方向，一是有缆的ROV，可以通过线缆连接，进行实时控制和通信，并且可以通过实时回传的视频画面进行作业。另一种是无缆的AUV，可以同时携带多种载荷，如导航系统、多波束测深系统等，在预先规划好的路径下进行大范围的快速观察、监测、搜寻、绘制地形等工作。

1 水下机器人的分类

水下机器人主要分为遥控机器人(ROV)、载人水下机器人(HOV)、智能水下机器人(AUV)三类，根据用途和控制手段细分如下。

1.1 按用途分类

水下机器人根据用途可分为观察型、观测型和作业用水下机器人。作业用水下机器人一般安装有机械手，用于海中救援、打捞、电缆铺设、海洋石油及其他生产系统的操作维修等水下作业。观测型水下机器人与作业用水下机器人基本相同，但它主要用于测定所要调查对象的参数。观察型水下机器人一般只具备影像观察功能，利用照相机、摄像机、声纳等观测海底地形、地貌或搜寻水下沉物。

1.2 按控制手段分类

水下机器人根据控制手段分为四类：拖曳式水下机器人（TUV）、遥控水下机器人（ROV）、无人潜航器（UUV）、智能水下机器人（AUV）。前两种水下机器人均带揽，由母船上人工控制；后两种均无揽，能够自主航行，分别为预编程控制和智能控制。

2 水下机器人技术发展

世界上第一台真正意义上的ROV于1960年诞生在美国。美国主要从事水下机器人研究的单位有美国海军、麻省理工学院、斯坦福大学、伍兹霍尔海洋研究所等。国外水下机器人技术的发展主要以美国、日本、法国、加拿大等国家为代表，在深潜ROV、观察型ROV和AUV等领域取得了突出成就。[1]

我国水下机器人技术研究起步较晚，但在过去的几十年内，水下机器人技术发展成效显著。其中，“蛟龙”号HOV刷新国际同类潜水器的下潜深度记录，深潜ROV、AUV、ARV等方面均实现了自主研发，技术水平世界领先。2010年以前，在国内水下检测、搜救打捞领域有过应用的小型水下机器人基本为Video Ray、Seabotix、Ocean Module等国外的小型水下机器人，该类小型水下机器人存在价格昂贵、动力较弱、维修时间长的缺点。而今国产小型水下机器人在采用较大推力的动力系统的情况下，普遍价格是同级别进口水下机器人的一半，且后期维护周期短、价格低。[2]

有缆水下机器人最早于20世纪50年代产生，当时的用途主要用于鱼雷和水下导弹回收任务，由军方研制。水下机器人的发展必须加强智能化，在水下机器人中，加强应用智能控制系统，可以使水下机器人自学习和自适应以及自判断能力都能够有效地提升，水下机器人遇到各种情况都能够准确地作出决定，对外部环境能够适应。另外，精准的水下环境感应系统研制出来，对航行路线受环境影响准确地进行判断，从而更加准确实现航行定位。[3]

3 水下机器人主要功能与组成

目前水下潜器通常为框架式架构，框架主要由高强度的钢材或工程塑料组成，配备多个水下大推力推进器，可以在水下进行自由运动。水下潜器在内置多种传感器的基础上会配备水下摄像头、灯光、大推力水下推进器、大型多功能水下液压机械手及水下声学定位装置，多系统协作完成水下探测或打捞任务。

水下机器人本身仅是一种运载工具，如欲进行水下作业，则必须携带水下作业工具。可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，根据作业目的的不同，机器人可以选择携带不同的水下作业系统。

可以携带水下作业系统的功能特性，使水下机器人扩大了适用范围，增强了实用性。现有水下机器人的作业系统通常包括1～2个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包，主要功能有：观察海底地形、地貌、作业状态等；测定相关参数；水下作业中螺栓的拆装及阀门的开闭；水下施工中所用缆绳的系结与切割；水下救助和打捞；水下设施打磨和切割；水下构件或船体表面的清洁；水下钻孔、焊接等。

随着我国科技水平的不断调高，水下机器人所能搭载的技术和设备也在不断扩大，它的工作范围也逐渐由简单的摄像行为演变为集摄像和检测一体的作业型水下机器人。例如以ROV为代表的水下机器人在海上石油工程中以其独有的高防水、耐腐蚀、效率高、精准度高等特点，能够最大程度地保障石油作业的安全性，减少石油泄漏和爆炸、火灾等安全隐患的出现。[4]

水下机器人一般由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备（深度传感器、罗经、航速仪等）、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。领航员在施工母船上通过控制台对水下机器人进行远程操作，完成特定的水下作业。ROV与控制台之间一般通过脐带缆将电力、液压、视频和数据及控制信号等相连，AUV同样有控制台，但没有脐带缆。

小型水下机器人的系统组成通常较为简单轻便，一般只有水下潜器、零浮力脐带缆、岸上控制箱。其水下潜器框架均为高强度的PP材料，可以极大地减轻整体重量；水下潜器仅配备水下电驱推进器、摄像头、灯光及内置深度、温度、方向传感器等。

4 水下机器人在LNG接收站码头的应用

LNG液化天然气（LNG）接收站码头位于近海区，一般水质清晰度可见度能到达3m～5m，即使在阴雨天气风浪也不会很大，码头水下20m～30m深处在不同位置各有一个钢网圆形的进水口及排水口，由于水下复杂的地理结构，有时会有异物堵塞进、排水口，影响正常运行，所以需要码头不定期对进、出水口进行检查和清理异物；码头水桩是支撑码头的重要支柱，也是码头的重要检查对象，需要对水下0～50m的水桩的破损、腐蚀、海洋生物依附等情况进行不定期检查，保障码头安全；在LNG接收站码头会有定期的LNG船只进港卸气，所以海面的海床需要保障一定高度，不阻碍船只航行，还需要码头人员不定期对其初始航道进行检查，如发现淤泥过高，就需要通知清淤；目前大多数的码头水下检测采用潜水员下水检查，存在一定的人身安全问题，且水下工作时间受限，不能连续工作，同时也会有检测结果无法有效保存等问题。按照应用，采用水下机器人代替潜水员进行水下检测将是有效安全的替代手段。

4.1 LNG接收站码头的水下机器人

根据LNG接收站码头水下检测的需求，需要配置有200m揽绳水下机器人，搭载高清摄像头。机器人本体进入水下检测时，通过有揽绳内通信线缆，将水下拍摄画面实时回传到岸上控制台，操作人员能及时清晰地了解到水下检查情况，决策者可根据画面显示确定是否需要清理进、出口异物及清淤，同时，拍摄影像存储到计算机可以进行长期保存；水下机器人搭载的机械手可以对水下堵塞异物进行清理，保障生产安全。

4.2 使用水下机器人的优势及限制

水下机器人优势展现在：第一，安全性方面，无论是高危险度环境、水污染严重环境还是零可见度的水域，水下机器人都比人类工作更加有力，通过自身配备的传感器、摄像头、探照灯等仪器，机器人采集所需数据传输给人类或者自主分析处理，能够有效地保障人的安全；第二，由于机器人的机械构造，相比人体，能够提供数倍的力量支持，机器人配备的机械臂、机械爪等工具，在沉船打捞、重物搬运方面，能够极大地提高工作效率；第三，续航能力，数据表明，潜水员身穿自携式潜水装，在水深10m左右时，可以在水下停留约30min，另外，水温、水深、水流、波浪、水下能见度以及潜水员体力消耗，都是影响潜水员水下工作时长的重要因素，而水下机器人则可以长时间在水下工作，续航能力更胜一筹。

水下机器人受限因素则有：第一，水流、水汶等因素都会影响机器人在水下的导航定位，目前常用的惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场引力导航系统等，基本能满足水下机器人的需求，但是成本非常高，这也是国内外目前最重视的问题；第二，水下实时通信需要脐带缆来实现，因此设备下水工作需要拖拽一根脐带缆，比如水下树枝较多时会产生钩挂问题；第三，智能化不足，增加水下机器人行为的智能水平一直是各国努力的目标，但是目前人工智能发展水平还不能完全满足水下机器人的需求。

5 结语

水下机器人是现代高科技和系统的集合体，可以完成很多人工或普通技术无法完成的任务，推广使用前景广阔，随着海洋工程产业的发展和保护海洋意识的提高，该技术必将会有更多的用武之处。[5]

水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物，方便快捷，且可以搭载更加智能化的传感器，进行建立在准确定位基础上的水下三维结构重建，真正实现水下智能化检测。

随着科技的高速发展，水下机器人功能及性能上也将不断完善，将会逐步取代过去由载人潜水器或潜水员所承担的工作。