作業(yè)型無人遙控潛水器深海應用與關鍵技術

葛　彤

（上海交通大學，上海 200240）

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作業(yè)型無人遙控潛水器深海應用與關鍵技術

葛彤

（上海交通大學，上海 200240）

摘要:深海作業(yè)無人遙控潛水器（ROV）是水下無人作業(yè)技術的典型代表。隨著信息技術的進步，現代作業(yè)型ROV越來越成為具有智能和探測作業(yè)綜合能力的水下工程支持裝備，不僅是水下精細調查探測平臺、水下復雜精細作業(yè)平臺，而且將成為大型水下工程綜合指揮平臺的一部分。隨著其總體技術和支撐技術的日趨成熟，未來的技術發(fā)展重點也將向以信息技術和特種作業(yè)技術為代表的協同技術轉移，以適應其自身角色的轉變。

關鍵詞:深海；作業(yè)型無人遙控潛水器；水下工程

狹義上，無人遙控潛水器（ROV）是一類具有水下主動浮游運動能力的、通過臍帶纜連接水下本體和水面監(jiān)控動力站的無人遙控平臺。用于深海水下工程的ROV絕大部分是作業(yè)型ROV （WROV），其臍帶纜的動力傳輸能力一般在10—250hp之間。WROV不僅具有水下航行和探測設備搭載能力，而且搭載機械手和工具接口模塊，具備水下操作和動力輸出能力。根據傳輸功率的不同，作業(yè)型ROV又可分為輕作業(yè)型ROV （10—50hp），中等作業(yè)型ROV（50—100hp）和重作業(yè)型ROV（100—250hp）。

深海作業(yè)ROV是水下無人作業(yè)技術的典型代表，通過探討其自身技術的進展及其在深海水下工程中承擔角色的變化，可以了解深海水下作業(yè)技術的發(fā)展。本文嘗試從宏觀上探討深海作業(yè)ROV的深海應用和關鍵技術。

1　應用和技術輪廓

1.1作業(yè)ROV的本質特點

纜控是作業(yè)型ROV系統(tǒng)的本質特點。完整的作業(yè)型ROV系統(tǒng)（圖1）一般包括：ROV本體、水面監(jiān)控動力站、中繼設備和系纜、鎧裝臍帶纜、深海布放系統(tǒng)、配套設備。因此，作業(yè)型ROV系統(tǒng)不僅僅是水下本體，而是橫跨水面和水下的空間大系統(tǒng)，具有與海洋環(huán)境交互的復雜動力學。這是作業(yè)型ROV的重要特點之一。

圖1　海龍II深海作業(yè)ROV系統(tǒng)

臍帶纜提供了作業(yè)型ROV強大且不間斷的動力、以及水面系統(tǒng)與水下本體之間實時和高速的信息交互通道。這些特點賦予作業(yè)型ROV兩個重要的能力優(yōu)勢：強作業(yè)能力和人工現場實時干預能力，使得母船操作人員可以通過作業(yè)型ROV本體實時感知現場環(huán)境和參與現場作業(yè)。這是作業(yè)型ROV的另一個重要特點。

作業(yè)型ROV的本體一般搭載光學聲學探測設備、作業(yè)型機械手、綜合的探測作業(yè)工具包，現代信息技術賦予了作業(yè)型ROV不斷提高的環(huán)境感知、高級自動控制和自主決策能力。隨著信息技術的進步，現代作業(yè)型ROV越來越發(fā)展成為具有強大信息收集和水下干預的水下工程綜合支持裝備。這是現代作業(yè)型ROV第三個重要的特點。

1.2技術體系

深海ROV系統(tǒng)涉及復雜的技術體系，這些技術總體上可以分為總體技術、支撐技術和配套技術三類（圖2）。支撐技術包括深水結構與材料、液壓動力與控制、電子電氣、強電動力、深水推進等，是在部件和子系統(tǒng)層面，支持ROV系統(tǒng)實現的技術。配套技術是基于ROV平臺的面向應用的關鍵技術，包括水下探測、定位、特種作業(yè)、信息綜合管理和工程輔助決策等?？傮w技術則在ROV本體和全系統(tǒng)的層面，支持ROV系統(tǒng)的深水探測作業(yè)能力的實現。與自治潛水器（AUV）和載人潛水器不同，作業(yè)型ROV的總體技術與臍帶纜密切相關，深海布放、運動控制和動力傳輸管理是其中最關鍵的技術環(huán)節(jié)。

1.3應用領域和地位

作業(yè)型ROV的本質特點決定了其成為海洋水下工程的核心裝備，廣泛支持各類典型深海水下應用，主要包括：

（1）海洋油氣勘探開發(fā)；

（2）深海礦產資源勘探開發(fā)；

（3）深海調查研究和生物利用；

（4）深海打撈和應急處置。

在這些應用中，作業(yè)型ROV不僅表現出優(yōu)良的深海精細調查探測能力以及通用的深海復雜精細作業(yè)支持能力，而且隨著現代信息技術的發(fā)展，作業(yè)型ROV也越來越承擔起水下工程組織者的角色（圖2）。

圖2　作業(yè)型ROV的應用和技術輪廓

2　深海應用

2.1深海精細調查探測

作業(yè)型ROV可以代替深海拖體和AUV完成海底精細調查和目標搜索任務。與深拖相比，ROV調查尺度小，精度更高。與AUV相比，其優(yōu)點在于實時性好，調查信息可以實時上傳進行處理。作業(yè)型ROV另一個重要的優(yōu)勢在于在進行預定的調查搜索任務時，可以實現隨時的人工干預、開展預定任務以外的、和實施作業(yè)前難以預計的水下交互式任務，如目標確認、加密調查、取樣和取證作業(yè)等。

2.1.1海底管線檢測

海底管線面臨復雜和多變的水下外部環(huán)境，包括海床地質、水流沖刷、海水電化學環(huán)境等自然因素，以及錨害等人為因素。海管外檢測是海底管線維護的重要工作，一般包括常規(guī)檢測和精細檢測兩個階段［1］。

（1）常規(guī)檢測：管線外部狀態(tài)的快速評估。

（2）精細檢測：在常規(guī)檢測的基礎上，對可疑區(qū)域或預定義點進行近距離的高分辨率成像檢測和特征參數測量，檢測的內容主要包括：

a）外部狀態(tài)精細檢測：光學成像、聲學測量；

b）損傷腐蝕檢測：無損探傷和陰極保護（CP）檢測等。

海管檢測中使用的支持裝備如表1所示。常規(guī)檢測一般采用拖曳式設備（ROTV）或AUV，搭載高頻側掃聲納執(zhí)行，這種技術不支持精細檢測。由ROV搭載檢測設備進行管線巡檢，其基本方式是ROV巡線航行，進行常規(guī)檢測，在可疑點或預定義點懸停機動，采用靈活的方式實現精細檢測（圖3），因此，ROV巡檢可以同時執(zhí)行精細檢測和常規(guī)檢測，甚至可同時完成水下干預。目前，ROV管線巡檢已經成為國際通行的海底管線檢測之必要環(huán)節(jié)，ROV管線巡檢技術則是海底管道安全保障所必需的核心技術之一。

表1　海管檢測的需求與一般方法

圖3　ROV CP檢測［2］

2.1.2區(qū)域精細調查和成圖

在礦區(qū)勘探、水下救援等大量應用中，區(qū)域精細調查和成圖是開展后續(xù)作業(yè)的基本準備。以多金屬硫化物礦區(qū)調查為例，表2給出了鸚鵡螺公司在Solwara 1礦區(qū)開展調查的統(tǒng)計情況，從中可以看出ROV被大量使用，在深拖和AUV調查完成后，ROV精細調查和成圖成為礦區(qū)調查的主要任務。

ROV主要搭載聲學、光學、電磁設備，通過密集的梳形巡航，對選定礦區(qū)進行精細地形地貌探測，并在此過程中同步開展地質、生物、典型標志物觀測、識別，甚至定點取樣。繪制的礦區(qū)圖［3］如圖4所示，包括了地形地質、典型標志物如熱液煙囪、火山巖、以及典型生物等，并與取樣結果相對比和匹配。在成圖過程中，需要水下和水面實時數據交換、測量和取樣作業(yè)的相互配合、以及地質生物學家的現場參與，這是AUV和深拖都不具備的。

2.2深海精細和復雜作業(yè)

作業(yè)型ROV是完成深海精細和復雜作業(yè)的基本手段，用于水下作業(yè)時主要有3種形式，即基于機械手和小型工具的直接作業(yè)、搭載專用工具裝備的特種作業(yè)、以及與大型作業(yè)裝備的協同作業(yè)。在這些作業(yè)中，作業(yè)型ROV通過3種方式提供作業(yè)支持，分別是水下裝備和工具的操作者、動力源、信號中繼。

2.2.1深海熱液硫化物礦區(qū)勘查取樣

對于深海熱液硫化物礦區(qū)，勘查取樣主要包括表面取樣和鉆孔取樣，主要用于對選定的礦區(qū)進行確認和資源評價。勘查取樣要求具有較好的礦區(qū)覆蓋性、一定的取樣密度和精確的定點控制。傳統(tǒng)的海底硫化物礦區(qū)確認過程主要采用3種勘查取樣方式：拖網取樣、ROV表面取樣和鉆機取樣。拖網取樣定位能力差，現在已經很少應用。鉆機取樣能力強，但是時間長，費用高，并且定位難度較高，因此大量用于礦區(qū)圈定后的資源詳查中。ROV勘查取樣由于其高效和高精度特點，已成為礦區(qū)確認中使用最廣泛的取樣方式。

表2　鸚鵡螺公司Solwara 1礦區(qū)調查的統(tǒng)計情況［3］

圖4　Solwara 1礦區(qū)測量成圖

鸚鵡螺礦業(yè)公司在2006年、2007年對Solwora 1硫化物礦區(qū)開展了大規(guī)模的勘查活動，使用的是Perry公司的Triton200 ROV，該ROV屬于200hp的重作業(yè)型ROV。ROV表面取樣目前最主要的方式是機械手取樣，采用機械手（圖5a）和必要的工具（圖5b），大量地精確定點采集礦區(qū)的硫化物、巖石和沉積物樣品［3］。

基于ROV的深海鉆孔取樣設備也獲得有效的應用。圖5c［3，4］為基于ROV的海底鉆機，具有靈活性高、定位精確的特點，已經在硫化物礦區(qū)勘查中獲得成功應用。

2.2.2水下生產系統(tǒng)回接（Tie-in）

海底復雜精細作業(yè)一般需要通過ROV和無人遙控作業(yè)工具（ROT，Remotely Operated Tools）組成的裝備體系協同作業(yè)。前者是水下作業(yè)的平臺和操作者，后者是水下作業(yè)的專用工具裝備。

水下回接是水下生產系統(tǒng)安裝的典型工序，其目的是實現流線和臍帶纜與水下管匯的連接。深水回接需要使用作業(yè)型ROV配合專用作業(yè)裝置共同實現。圖6中示出的是FMC公司開發(fā)的ROVCON工具系統(tǒng)［5］，搭載在作業(yè)型ROV下方，使用2個水下絞車和一組油缸機構，通過一系列操作，實現各類預鋪設流線的回接和與管匯的連接。

圖5?。╝）機械手取樣；（b）機械手抓持鏟形工具取樣；（c）ROV Drill

圖6　ROVCON工具系統(tǒng)水下回接

2.2.3海底管線的維修搶修

深水管線維修搶修作業(yè)是另一類海底復雜精細作業(yè)的典型代表。圖7是深水管線維修搶修中快速打卡作業(yè)［6］的示意圖。專用維修工具攜帶維修卡具吊放至海管上方，在作業(yè)型ROV的輔助下實現對管和抱管。此后，ROV通過機械手將其液壓接頭和電氣連接器與專用維修工具的控制面板連接，向專用維修工具提供動力源、信息傳輸通道，操作專用維修工具安裝管線維修卡具。

顯然，這種作業(yè)需要雙纜布放，維修工具和ROV協同作業(yè)。對于更復雜的深水管線維修搶修則可能需要多ROV和多種工具協同作業(yè)。

圖7　快速打卡維修搶修作業(yè)

3　關鍵技術

3.1深海布放技術

如前所述，深海ROV系統(tǒng)是橫跨水面和水下的復雜的大系統(tǒng)，具有與海洋環(huán)境交互的復雜動力學。深海布放不僅關系到ROV水下作業(yè)的安全性，而且直接影響其水下作業(yè)的性能。

根據具體的應用需求，作業(yè)型ROV通常具有3種典型的深海布放形式（圖8）。

圖8　海龍II布放形式：（a）中繼布放；（b）直接布放；（c）直接布放時加裝浮球

（1）直接布放

ROV本體直接連接鎧裝臍帶纜布放至深海作業(yè)深度。由于鎧裝臍帶纜具有較大的水中重量，為了保證ROV具有一定的水下航行能力，必須在臍帶纜根部加裝浮力球。這種布放方式的優(yōu)點是系統(tǒng)環(huán)節(jié)少，不需要水下對接，在海況惡劣時系統(tǒng)具有較高的安全性，缺點是臍帶纜對ROV的水中航行的靈活性和穩(wěn)定性造成一定的影響，并且ROV圍繞母船的活動半徑較小。因此，這種布放模式主要用于深遠?？茖W研究、資源勘查和水下救援等領域。

（2）中繼器布放

中繼器上安裝有系纜絞車和ROV對接裝置，通過鎧裝臍帶纜連接母船，ROV則通過輕質系纜連接中繼器。由于系纜是輕質復合纜，ROV運動受系纜影響小，操縱靈活，并具有較大的活動半徑。目前，商業(yè)級作業(yè)ROV的系纜長度可以超過500米，因此可以有效支持管線鋪設、鉆井支持等需要大的ROV活動半徑的應用領域。

（3）中繼重塊布放

這種布放方式是前兩種方式的折中，中繼重塊通過鎧裝臍帶纜連接母船，ROV則通過輕質系纜連接中繼重塊。由于中繼重塊上沒有絞車，ROV的活動半徑較小，但靈活性得以保證。

中繼器布放的缺點是存在ROV和中繼器水下對接和分離的過程，在海況惡劣時，水面升沉會影響對接安全性。為了提高作業(yè)安全性，在深海中繼布放方案中，一般需要應用升沉補償技術。典型的主動升沉補償采用高速大功率絞車，通過反饋母船升沉穩(wěn)定中繼器垂向，其控制結構如圖9所示。主動升沉補償技術使得中繼器布放模式越來越多地應用于深?？碧胶途仍I域。

圖9　海龍II主動升沉補償控制原理

3.2運動控制

早期的ROV通常只有自動定向定深等簡單的自動控制功能。在深水應用中，臍帶纜的干擾是ROV本體實現水下航行的主要干擾力，海流的干擾又會被臍帶纜進一步放大，嚴重影響水下操縱效果。對于精細調查任務或是精細作業(yè)任務而言，深水ROV的精細控位和循線能力都是必要的。海龍II ROV是較早配置ROV控位系統(tǒng)的ROV（圖10），通過對臍帶纜干擾力以及海流干擾力的估計和預測，補償水下推力分配，可以實現較好的循線效果。目前ROV自動循線控制系統(tǒng)已成為國際高端ROV的標準配置。

圖10　海龍II ROV精細循線控制策略

3.3 動力傳輸與管理

對于深海作業(yè)型ROV，臍帶纜所能傳輸的動力是影響ROV性能的主要瓶頸因素，如何高效使用和分配動力是深海ROV特有的問題。

（1）電動vs液壓

從動力的使用形式上，目前深海作業(yè)型ROV主要有電動和液壓兩類方式。液壓ROV首先將來自臍帶纜的強電動力轉換為液壓動力，再分別驅動推進和作業(yè)系統(tǒng)。電動型ROV則直接采用強電動力實現推進驅動，另配專用的作業(yè)液壓泵站驅動作業(yè)工具。

一般地，增加電液轉換環(huán)節(jié)會使動力使用效率損失近20％，而直接采用強電動力實現推進驅動可以提高動力使用效率，這是電動ROV的重要優(yōu)勢。但另一方面，電動ROV的推進和作業(yè)采用不同的動力形式，使其在推進和作業(yè)兩套系統(tǒng)中難以根據需求實時分配動力，因此電動ROV更適合在輕作業(yè)級ROV中使用，而中等作業(yè)和重作業(yè)級ROV目前仍普遍使用液壓動力。

（2）推進vs作業(yè)

對于中等作業(yè)和重作業(yè)級ROV，其動力的主體并不是用于抗流，而是用于產生足夠的牽引力和用于作業(yè)工具驅動。根據作業(yè)需求不同，動力在推進和作業(yè)系統(tǒng)中的分配比例可大范圍調節(jié)。傳統(tǒng)的作業(yè)型ROV有三種液壓動力配置，分別是單機單泵、雙機雙泵和單機雙泵。單機單泵系統(tǒng)采用一臺電機帶動主泵站，同時提供推進和作業(yè)動力，其缺點是對于重載作業(yè)而言，由于推進系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)的液壓油潔凈度要求不同，需要串聯隔離泵站，造成作業(yè)動力的效率損失。雙機雙泵系統(tǒng)采用完全獨立的推進泵站和作業(yè)泵站，較好地解決了串聯隔離泵站的問題，但雙電機構形使系統(tǒng)重量增大。單機雙泵構形是一種效率最高的動力構形，由雙出軸電機同時驅動推進泵和作業(yè)泵。一般地，電機功率與臍帶纜動力傳輸能力相匹配，推進泵和作業(yè)泵的單臺功率都可接近電機輸出功率，通過對推進泵和作業(yè)泵輸出功率的控制，能夠實現對臍帶纜傳來的強電動力的合理分配。

（3）動力傳輸

臍帶纜發(fā)熱和壓降是制約強電動力輸送能力的主要因素。提高電壓可以有效提高動力輸送能力。對于4000米以淺的作業(yè)型ROV，目前廣泛采用3300V送電電壓，而對于更大深度的作業(yè)型ROV，一般必須采用4000V送電。

4 水下工程綜合指揮平臺

現代水下工程越來越體現出多工序、多裝備系統(tǒng)作業(yè)的特點，作業(yè)型ROV由于其固有的技術特點，也將越來越多地承擔起水下作業(yè)綜合指揮和協同的角色，其主要的作用為：

（1）作業(yè)現場信息的綜合采集；

（2）信息實時處理和輔助決策；

（3）水下作業(yè)探測裝備的輔助操作；

（4）多工序的輔助連接。

2002年，攜帶77000噸燃油的威望號油輪在西班牙西北方海區(qū)沉沒，遇難區(qū)域水深4000米。在威望號油輪的應急搶險工程（圖11）中，最多時同時使用了4臺作業(yè)型ROV［7，8］，負責工程中各工序的銜接、裝備的輔助。主要的任務包括：沉船調查、泄漏封堵、油位測量、間隙測量、熱開孔、閥門安裝與操作、布放監(jiān)測、作業(yè)監(jiān)測。所有的信息被統(tǒng)一存儲和處理，并通過多ROV實現各工序的綜合管理。該工程獲得了2004年Platts Global Energy Award著名能源工程獎，集中體現了作業(yè)型ROV在深海水下工程中的核心作用。

圖11　威望號燃油回收工程

5　結論

在深海水下工程中，作業(yè)型ROV承擔著多種角色。它不僅僅是精細作業(yè)平臺、精細調查平臺，更是大型水下工程綜合協調指揮平臺的一部分。隨著水下作業(yè)越來越復雜，使用的水下裝備越來越多，作業(yè)型ROV也越來越多地承擔起現場協調指揮者的角色，其主要職責包括現場信息獲取、水下裝備操控以及將復雜的裝備體系和作業(yè)工序有效地銜接。

隨著作業(yè)型ROV系統(tǒng)的總體技術和支撐技術日趨成熟，作業(yè)型ROV未來的技術發(fā)展重點也將向信息技術和特種作業(yè)裝置的協同技術轉移，以適應其自身角色的轉變。

參考文獻

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Application and Technology of Deep Sea Work-Class ROV

Ge Tong
（Shanghai jiaotong university， shanghai 200240， China）

Abstract:Deep sea work-class ROVs （Remotely Operated Vehicles） are typical representation of the unmanned underwater working system. With the advancement of information technology， modern work-class ROVs are increasingly developing into smart underwater instruments with integrated capability of detection and operation. They not only are platforms of underwater investigation and detection， and platform of sophisticated underwater operation， but also will be part of the integrated command platform for underwater engineering. With their supporting technology maturing， future technological development will focus on the information technology and the collaborative technology with multi-equipment system.

Keywords:deep sea， work-class ROV， underwater engineering

中圖分類號：P71

文獻標識碼：A

文章編號：1674-4969（2016）02-0192-09

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00192

收稿日期：2016-01-09； 修回日期： 2016-03-09

作者簡介：葛彤（1971-），男，博士，教授，研究方向為水下工程與技術。E-mail: tongge@sjtu.edu.cn