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。
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。
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。
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。
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。
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)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、应急搜寻和作业,ROV在海洋工程中发挥着越来越重要的作用。[NextPage]
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。
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。
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。
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。
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。
[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.
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