潛水機(jī)器人在深孔有壓式隧洞環(huán)境檢測中的應(yīng)用

王黎陽

（廣東粵電南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東韶關(guān)，512000）

1 南水引水隧洞閘門井至攔污柵前隧洞工況

南水電站位于廣東省乳源瑤族自治縣東坪鎮(zhèn)（原龍南鎮(zhèn)）雞公岐附近的南水河，屬于多年調(diào)節(jié)水庫。電站原先以發(fā)電為主，結(jié)合改善防洪和灌溉等綜合利用，2011年調(diào)整為以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉。原設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為75MW（3×25 MW），增容改造后最大出力可達(dá)100 MW（1×32+2×34 MW）。

此次檢測電站引水隧洞的閘門井至攔污柵段，隧洞管徑為4 500 mm左右，長度218 m，位于水面線下約30 m左右。由于該段僅單側(cè)有擋水閘門，故從1971年建成至今，該段隧洞一直處于充滿水的狀態(tài)。

傳統(tǒng)方法對電站水下設(shè)施進(jìn)行檢測，主要是通過派遣專業(yè)潛水員的方式來實(shí)現(xiàn)，這種方法的劣勢很明顯：（1）可檢測環(huán)境非常局限，檢測環(huán)境不能太窄，水位不能太深，常規(guī)空氣潛水作業(yè)往往局限在10～20 m左右。當(dāng)水深＞20 m時，潛水員在水下的可操作時間大為縮短，工作效率降低；水深＞40 m時，潛水員需要啟用“氦氧飽和潛水”的特種潛水作業(yè)，工作效率更低、成本更高。（2）人工下水檢測安全風(fēng)險(xiǎn)極高，對于很多實(shí)際可人工檢測但有一定風(fēng)險(xiǎn)的，往往保守選擇放棄檢測。（3）潛水員檢測方式比較單一，往往以拍攝記錄淺水區(qū)域的一些畫面為主。

此次檢測的位置是閘門井至攔污柵一段的引水隧洞，其檢測環(huán)境結(jié)構(gòu)狹小、檢測深度較深等特點(diǎn)決定了無法通過傳統(tǒng)潛水員進(jìn)行檢測，而之前國內(nèi)電站針對具有此類特點(diǎn)的環(huán)境，大都無法進(jìn)行檢測工作。由于以上原因，南水電站該段隧洞運(yùn)行至今未進(jìn)行過檢測。

未進(jìn)行檢測并不意味電站的水下設(shè)施和環(huán)境狀態(tài)良好，也不能掩耳盜鈴地認(rèn)為電站的水下設(shè)施和環(huán)境不需要進(jìn)行定期檢測。對于如此嚴(yán)苛的檢測條件，采用攜帶水下定位系統(tǒng)的ROV潛水機(jī)器人這一技術(shù)進(jìn)行檢測不失為一種科學(xué)、可靠、高效的解決方案。

2 潛水機(jī)器人的主要技術(shù)性能與優(yōu)勢

ROV潛水機(jī)器人攜帶水下定位系統(tǒng)進(jìn)行水下檢測是一項(xiàng)新興而發(fā)展迅速的應(yīng)用技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛使用在科考、海油工程、軍警水下探測、水利大壩檢測、水下管線檢測等領(lǐng)域，圖1為ROV SEAMOR攜帶水下定位系統(tǒng)的照片。

圖1 水下機(jī)器人Fig.1 Remote operated vehicle

本次檢測工作選擇由ROV SEAMOR 300搭載水下定位系統(tǒng)進(jìn)行，為配合長距離和大深度檢測，專門使用了“0”浮力光纜，此技術(shù)解決了高水位和深度檢測的難點(diǎn)，能使ROV潛水機(jī)器人充分發(fā)揮可深潛、機(jī)動能力強(qiáng)、速度快、行進(jìn)距離長等特點(diǎn)。水下定位系統(tǒng)具有信號強(qiáng)、水下成像清晰、掃描頻率高、體積小巧等特點(diǎn)。正確、合理地運(yùn)用此技術(shù)進(jìn)行電站水下檢測具有效率高、工期短、使用安全、易于操作、可靠性高、檢測結(jié)果客觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工下水檢測的不足。

2.1 水下定位系統(tǒng)簡介和特點(diǎn)

水下定位系統(tǒng)（underwater positioning system）是利用深水?dāng)z像機(jī)和水下定位傳感器等對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和通信的電子設(shè)備，是水下檢測領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。

現(xiàn)在一些傳感器的成像特點(diǎn)與傳統(tǒng)意義的光學(xué)成像有非常大的不同，很多類似技術(shù)最早用于軍事、工業(yè)和海洋漁業(yè)。前些年這些技術(shù)則主要用于完成一些特種工程和特種檢測，并以檢測報(bào)告作為一項(xiàng)重要依據(jù)。近年來，隨著傳感器技術(shù)的快速進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域也隨之快速擴(kuò)展開來?，F(xiàn)在大多數(shù)的水下定位傳感器都可以準(zhǔn)確地檢測出水下設(shè)施的結(jié)構(gòu)和功能狀況，水下成像系統(tǒng)應(yīng)用日漸成熟，實(shí)際作業(yè)中可靠性高，反饋數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確，相應(yīng)軟硬件開發(fā)完善，為水下設(shè)施和環(huán)境檢測提供了更加安全、科學(xué)和有效的檢測手段。比起人工下水和其他傳統(tǒng)技術(shù)更適合電站水下設(shè)施的檢測。

目前為止，國內(nèi)已經(jīng)有多種匹配水下定位系統(tǒng)的傳感器研制成功，并且已將它們相應(yīng)地運(yùn)用到軍事、民用等領(lǐng)域。其中常用的水聲定位系統(tǒng)包括：長基線定位系統(tǒng)（Long base line）、短基線定位系統(tǒng)（Short base line）、超短基線定位系統(tǒng)（Ultra short base line），但以上的定位方式局限于開放水域，引水隧洞是一個相對封閉的水域，以上的定位系統(tǒng)很難施展，所以此次定位采用了一種全新的水下影像相對定位方法（Digital Profiling Sonar）（見圖2）。

圖2 水下影像定位Fig.2 Digital profiling sonar

此次水下定位系統(tǒng)攜帶的S型傳感器特點(diǎn)如下：S型傳感器適用于有水環(huán)境下的水利設(shè)施水下建筑和環(huán)境檢測，適用范圍為內(nèi)徑200～6 000 mm多種規(guī)格的隧洞、溝渠、箱涵、管道等。傳感器以1.4°圓錐型聲波圓形連續(xù)掃描，掃描速度為1s/圈（1m管徑），根據(jù)回波形成掃描圖像，可以清晰地顯示機(jī)器人在隧洞截面的相對位置，分辨率可達(dá)1/250，通過系統(tǒng)的操作畫面直觀地顯示水下設(shè)施和環(huán)境狀態(tài),為分析、決策、維修、養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。由于此次檢測目標(biāo)很大一部分為引水隧洞，基于以上特點(diǎn)，S型傳感器被選擇集成到此次南水檢測的水下定位系統(tǒng)里。

2.2 ROV潛水機(jī)器人簡介和特點(diǎn)

ROV（Remote Operated Vehicles）遙控潛水器，也稱潛水機(jī)器人,一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人，能代替人完成某些操作。在惡劣危險(xiǎn)的水下環(huán)境中，人的潛水深度受到限制，所以ROV已經(jīng)成為開發(fā)水下作業(yè)的重要工具。它的工作方式是由水上的工作人員通過連接ROV的臍帶電纜提供動力，操縱或控制ROV，通過水下視頻攝像、水下定位系統(tǒng)等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，還可以通過機(jī)械手臂進(jìn)行作業(yè)。典型的ROV潛水機(jī)器人是由水面設(shè)備（包括操縱控制臺、電纜絞車、吊放設(shè)備、供電系統(tǒng)等）和水下設(shè)備（包括中繼器和潛水器本體）組成。潛水器本體（見圖1）在水下靠推進(jìn)器運(yùn)動，本體上裝有觀測設(shè)備（攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈和聲納系統(tǒng)等）和作業(yè)設(shè)備（機(jī)械手、切割器、清洗器等）。

此次南水電站檢測選用的ROV潛水機(jī)器人的特點(diǎn)如下：此次選擇的ROV Seamor 300F型潛水機(jī)器人系統(tǒng)屬于觀測級，主要用于深潛觀測作業(yè)，具有最大水下500 m的水下工作能力，裝備有高清晰彩色攝像機(jī)、四支強(qiáng)力推進(jìn)器、定位儀、壓力和深度傳感器等。Seamor 300F控制簡單、動作靈活，可自動巡航、懸停、左右橫向移動（此橫向位移功能非常適合于此次電站水下檢測作業(yè)），其開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以搭載多種測量設(shè)備。在本次電站水下檢測中，Seamor 300搭載聲納系統(tǒng)順利完成了對水下30 m深、長度超過200 m的引水隧洞的檢測工作，成功且出色地實(shí)現(xiàn)了搭載平臺的作用。

3 南水引水隧洞閘門井至攔污柵前隧洞檢測情況

以此次南水電站水下檢測為例，依據(jù)檢測要求，結(jié)合水下檢測技術(shù)運(yùn)用要點(diǎn)等因素制定水下檢測流程,其科學(xué)性和可行性通過此次檢測得到最終驗(yàn)證。

通過檢測，水下定位系統(tǒng)形成彩色可視圖像記錄和掃描數(shù)據(jù)記錄,為進(jìn)一步判斷提供客觀參考依據(jù)，所提供的完整檢測圖像可存檔。此次檢測客觀反映了絕大部分水下設(shè)施的狀態(tài)，包括良好狀態(tài)、裂紋狀態(tài)、貝類附著狀態(tài)、攔污柵堵塞狀態(tài)等。所有檢測數(shù)據(jù)圖像都自動保存至專業(yè)配套PC硬盤中，可隨時提取、播放、抓?。ㄈ鐖D3所示）。

ROV潛水機(jī)器人搭載水下定位系統(tǒng)對南水電站引水隧洞的檢測工程安全順利，設(shè)備操作簡便，技術(shù)運(yùn)用合理成熟，性價(jià)比高。檢測全面準(zhǔn)確，為評估電站水下設(shè)施狀態(tài)提供了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)支持，保存了大量的原始資料。檢測成果如表1所示（部分）。

圖3 水下檢測圖組Fig.3 Underwater detection

從整個檢查結(jié)果看，此次南水電站水下檢測圖像完整，無圖形缺失，檢測數(shù)據(jù)連貫，水下檢測目標(biāo)設(shè)施總體狀況優(yōu)良，為業(yè)主方正確判斷水工建筑安全情況提供了準(zhǔn)確、詳實(shí)的信息。工程取得了顯著的成果，為今后國內(nèi)其他水電站水下設(shè)施檢測留下有益的數(shù)據(jù)支持和文獻(xiàn)資料。

表1 檢測成果表（部分）Table 1 Detection results(a part of it)

4 結(jié)語

（1）通過潛水機(jī)器人ROV對電站水下設(shè)施進(jìn)行檢測具有實(shí)用性。

（2）潛水機(jī)器人ROV可順利通過、進(jìn)入較為狹小的引水隧洞開展檢測作業(yè)。

（3）通過視頻增益處理，可一定程度提升水下視頻影像的實(shí)用度。

（4）此項(xiàng)檢測技術(shù)可一定程度解決目前電站水下檢測的技術(shù)難點(diǎn)。

此技術(shù)在南水深孔有壓式隧洞環(huán)境下檢測工程中運(yùn)用成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，它的規(guī)?；茝V在電站水下設(shè)施檢測工程中具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。