水下溢油處置可視化監(jiān)控系統(tǒng)設計與開發(fā)

交通運輸部水運科學研究院 潘俊峰，李林，原向東，張偉

1 引言

隨著開發(fā)海洋、江河與湖泊科學事業(yè)的發(fā)展，水下工程的規(guī)模越來越大，水下可視化技術已成為開發(fā)水域的眼睛，其應用也越來越廣泛。尤其是在水下沉船打撈及水下特種作業(yè)時，作業(yè)人員更加需要依靠水下可視化技術獲得水下直觀的實時監(jiān)控圖像，以保證水下作業(yè)的安全性和可靠性。水下可視化已成為水下作業(yè)時不可缺少的重要工具。隨著光電技術的發(fā)展和超聲波技術的發(fā)展，以及各種新型的攝像元器件的不斷出現(xiàn)，水下攝像機和聲吶的性能進一步提高，適應各種惡劣工作環(huán)境的能力也在不斷增強，實用范圍不斷擴大。

本課題以深水環(huán)境中發(fā)生沉船及其他溢油事故的處置為背景，開發(fā)水下作業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，為鉆孔、抽油一體化裝備在水下溢油事故處置過程中提供可視化技術支持和第三方監(jiān)控，從而保障水下作業(yè)的安全性和可靠性，有效提升水下機器人和鉆孔抽油一體化設備的整體配合能力和作業(yè)效率。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 可視化設備技術比選

可見光攝像機、激光攝像機和超聲波攝像機水下成像技術各有優(yōu)缺點。性能對比如表1所示。

表1 可見光攝像機、激光攝像機和超聲波攝像機優(yōu)缺點

綜上，結合本課題實際，確定選擇可見光攝像機和掃描聲吶作為可視化前端設備，選擇鹵素燈輔助水下照明。可見光攝像機用在水質清澈的情況下，實現(xiàn)近距離觀察作業(yè)狀態(tài)，聲吶實現(xiàn)遠距離觀察和引導水下機器人定位，在水質渾濁的條件下，輔助觀察作業(yè)狀態(tài)。

2.2 可視化監(jiān)控系統(tǒng)方案

在作業(yè)過程中，以第三方視角對作業(yè)過程進行全程監(jiān)控，對水下機器人的工作狀態(tài)、設備運行參數(shù)，鉆孔抽油一體化設備的工作狀態(tài)、鉆頭深度，運行參數(shù)進行監(jiān)視。完成對溢油處置工作的監(jiān)視和為水下作業(yè)提供輔助決策信息。

系統(tǒng)通過聲納技術實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的探測；通過引入水下機器人的攝像機提供的視頻信號，結合專用的視頻信號，實時監(jiān)測鉆孔設備與船體的結合及鉆孔抽油一體化設備工作狀態(tài)。水下機器人的工作參數(shù)和鉆孔抽油一體化設備的工作參數(shù)將通過通信接口傳輸至監(jiān)控平臺，由可視化系統(tǒng)實現(xiàn)對整個作業(yè)過程的工作狀態(tài)、設備運行參數(shù)及工作環(huán)境的實時監(jiān)控，從而提高機器人和鉆孔抽油一體化設備的工作效率、安全性和可靠性。

系統(tǒng)主要功能包括：

（1）低可見度/零可見度/較遠距離水下沉船的及油艙位置的搜索定位；

（2）作業(yè)過程和工作環(huán)境的實時監(jiān)控；

（3）機器人和鉆孔抽油一體化設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3 可視化監(jiān)控系統(tǒng)設計開發(fā)

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)深水溢油事故處置機器人可視化監(jiān)控系統(tǒng)的技術要求，系統(tǒng)配置1臺高分辨率彩色攝像機、1臺水下照明燈進行視頻監(jiān)控，同時配置1臺掃描聲吶，用于低可見度/零可見度環(huán)境下的成像探測。水下攝像機、水下照明燈和掃描聲吶通過電纜絞盤吊入海中，通過重力型水下導向穩(wěn)定器保持穩(wěn)定姿態(tài)，水下攝像機和水下照明燈通過水面監(jiān)控平臺進行控制，可以根據(jù)攝像機的拍攝效果調節(jié)照明燈的亮度。同時讀取水下機器人、鉆孔和抽油一體化設備的狀態(tài)信息，完成水下作業(yè)設備的實時監(jiān)控。

水下溢油處置可視化監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下部分組成：

（1）水下攝像機及附件，包括水下攝像機、攝像機耐壓殼體及相關附件、水密接頭和固定結構；

（2）水下照明系統(tǒng)，包括水下照明燈耐壓殼體及相關附件、水密接頭、照明燈光源及驅動電路、固定支架；

（3）掃描聲吶，包括水下掃描聲吶及相關附件、水密接頭、固定支架；

（4）水下電纜傳輸部分，包括水下攝像機及照明燈用的水下復合電纜、聲吶用電纜、水密接頭等；

（5）水上電纜絞盤、水下固定纜、重力型水下導向穩(wěn)定器等；

（6）水面監(jiān)控平臺，主要包括可視化系統(tǒng)監(jiān)控計算機、攝像機及照明燈操作控制終端、顯示器、電源單元等。

3.2 系統(tǒng)設計選型

（1）水下攝像機

為了實現(xiàn)可視化系統(tǒng)的基本功能，需要配置水下可視化攝像機，在常規(guī)作業(yè)環(huán)境下，水下攝像機在水下照明系統(tǒng)的輔助下，可以完成對沉船、鉆孔抽油一體化設備的成像和實時監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 水下作業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)功能示意

（2）水下照明燈

設計照明系統(tǒng)的目的是為了獲得高質量的圖像，因此光源的選擇尤為重要。由于在水中波長長的光衰減大，故選擇波長短的光源可獲得更佳的照明效果；但是，如果水中懸浮物很多，對波長短的光來說，散射也極為嚴重，因此要把海洋的場所與狀態(tài)二者結合起來綜合考慮光源的選擇。白熾燈輻射光的主要區(qū)域是紅光，對特殊設計的水下光學成像來說，效率非常低。目前使用的照明光源主要有鹵素燈、氖燈、熒光燈以及LED陣列等，鹵素燈、氮燈作用距離較遠，但壽命較短；LED陣列作用距離適中，其他性能，如壽命、設計優(yōu)化、成本性價比、反應速度都比較高，且熱輻射低。熒光燈作用距離最短。結合本系統(tǒng)的作業(yè)特點，選擇鹵素燈作為照明的光源。

（3）掃描聲吶

在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。這是由于其他探測手段的作用距離都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人們也只能看到十幾米到幾十米內的物體；電磁波在水中也衰減太快，而且波長越短，損失越大，即使用大功率的低頻電磁波，也只能傳播幾十米。

溢油事故處置機器人在對沉船位置進行搜索，特別是確定油艙位置時，使用自身配置的掃描聲吶不能精確定位；如果沉船水域環(huán)境較差，是低可見度/零可見度的區(qū)域，水下攝像機不能成像，就需要使用掃描聲吶進行成像探測。

（4）水下傳輸電纜

水下可視化系統(tǒng)的水下電纜包括水下電源及控制復合電纜和水下以太網(wǎng)復合電纜2種。根據(jù)攝像機、掃描聲吶的接口類型、芯數(shù)、電纜長度要求、浮力要求等規(guī)劃復合電纜中電纜的參數(shù)，復合電纜各芯線的屏蔽、雙絞等內容。

水下復合電纜將水下攝像機的部分電纜芯線、水下照明燈的電纜復合到1根電纜中，并經過屏蔽、水密等處理。由電源線、數(shù)據(jù)傳輸電纜組成。

（5）升降設備及水下穩(wěn)定器

水下攝像機和聲吶的布放、回收和升降主要依靠絞盤來完成，通過絞盤收放鋼絲繩及電纜來調整攝像機和聲吶在水中的深度，以便獲得最佳水下攝像視場角。

為確保攝像機和聲吶能在穩(wěn)定的狀態(tài)下進行監(jiān)控，系統(tǒng)使用了重力型水下導向穩(wěn)定器，穩(wěn)定器固定于鋼絲繩末端，采用流線型設計，能夠隨洋流方向調整自身航向，在較急洋流中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，從而確保水下整套設備的平衡。同時，穩(wěn)定器與攝像機間的距離根據(jù)作業(yè)需求可調，避免由于導向器影響攝像機的視角。

3.3 水面監(jiān)控平臺設計開發(fā)

水面監(jiān)控平臺主要用于完成對水下攝像機、水下照明燈、

掃描聲吶的遠程控制和供電。監(jiān)控計算機用于實現(xiàn)水下設備控制、攝像機圖像處理顯示、照明燈調光控制、掃描聲吶的信號處理顯示，同時通過通信接口與機器人、鉆孔和抽油一體化設備進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對機器人和鉆孔和抽油一體化設備的運行監(jiān)控。水面監(jiān)控平臺結構如圖2所示。

圖2 水面監(jiān)控平臺結構示意圖

圖3 可視化監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

4 結語

水下機器人系統(tǒng)通過串口發(fā)送航向和深度信號，通過同軸電纜傳輸水下視頻信號，水面平臺接收信號并處理和圖形化顯示。水下機器人航向和深度信號傳輸要求和格式如下：

通訊類型：RS232

線纜要求：三線制，線長小于10m。

串口設置："9600,N,8,1"

深度：

If subdata.DEPTH < 1 Then

MSComm3.Output = "0"& CStr(subdata.DEPTH) &"m"&Space(5 - Len(CStr(subdata.DEPTH)))

Else

CStr(subdata.DEPTH) &"m"& Space(6 - Len(CStr(subdata.DEPTH)))

End If

航向：

MSComm3.Output = CStr(subdata.HEADING) &"°"

鉆孔和抽油一體化設備主要由液壓站提供動力和完成控制。液壓站控制器采用了和多路比例閥無縫集成的丹佛斯的PLUS+1控制器，使用CAN總線作為通信鏈路。水面平臺通過配置CAN-USB轉換卡，讀取鉆孔和抽油一體化設備的運行參數(shù)，并做相關處理和運算，實現(xiàn)對作業(yè)狀體的實時監(jiān)控。

水面監(jiān)控平臺基于可視化軟件開發(fā)，可實現(xiàn)對水下攝像頭、水下聲吶、水下機器人攝像頭的圖像的實時顯示和錄制存儲。同時完成對機器人航向、深度、鉆孔和抽油一體化設備工作狀態(tài)、液壓系統(tǒng)工作壓力、液壓油溫度、液壓油流量、鉆頭進給深度、鉆頭轉速、液壓馬達轉速、液壓站柴油機轉速、柴油液位、液壓泵工作壓力等信號的監(jiān)控?？梢暬O(jiān)控系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

本文以深水環(huán)境中發(fā)生沉船及其他溢油事故的處置為背景，針對水下作業(yè)機器人和鉆孔、抽油一體化裝備的作業(yè)過程，重點對可視化監(jiān)控系統(tǒng)中采用的水下攝像機、聲吶等設備的性能、相關參數(shù)、安裝方案、密封方案、信號傳輸及上位機顯示等關鍵技術進行研究，在此基礎上開發(fā)出了水下可視化系統(tǒng)，完成水下溢油處置作業(yè)過程的全程監(jiān)控，實現(xiàn)設備的運行監(jiān)測，具有一定的先進性和實用性。

實驗驗證表明，水下溢油處置可視化監(jiān)控系統(tǒng)可在水下溢油處置作業(yè)過程中提供穩(wěn)定、清晰的圖像，同時實現(xiàn)對設備狀態(tài)的集中監(jiān)控，為作業(yè)的順利完成提供了可靠的保障，提高了水下作業(yè)效率和整個系統(tǒng)決策水平。

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