ROV發(fā)展現(xiàn)狀與其在海洋石油行業(yè)應(yīng)用前景

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(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶163318；2.中國(guó)石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究院，天津300451)

ROV發(fā)展現(xiàn)狀與其在海洋石油行業(yè)應(yīng)用前景

任福深1，楊雨瀟1，王克寬2，唐德渝2，龍斌2

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶163318；2.中國(guó)石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究院，天津300451)

ROV(有纜遙控水下機(jī)器人)是重要的現(xiàn)代水下作業(yè)工具，具有海下勘探、觀察和作業(yè)等功能，并憑借著高可靠性和高安全性的優(yōu)勢(shì)，成為了海洋石油行業(yè)的新興作業(yè)機(jī)械。通過比對(duì)國(guó)內(nèi)外知名水下機(jī)器人公司的典型產(chǎn)品，介紹了ROV的發(fā)展現(xiàn)狀與其在海洋石油工程中的應(yīng)用狀況。根據(jù)我國(guó)海洋環(huán)境特點(diǎn)和海洋石油的開發(fā)維護(hù)需求，提出了未來ROV需要具備的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。以期推動(dòng)ROV在海洋石油行業(yè)中的創(chuàng)新和發(fā)展。

ROV；海洋石油；研究現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)

水下機(jī)器人是人類認(rèn)識(shí)、開發(fā)海洋的必要工具之一，也是一種必需的建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、捍衛(wèi)國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)手段[1]。

海洋機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期[2]：20世紀(jì)60年代，載人潛水器(HOV)的出現(xiàn)是第1階段的標(biāo)志；在第2階段，20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)了遙控水下機(jī)器人(ROV)的迅速發(fā)展；第3階段大約為20世紀(jì)80年代，以自主水下機(jī)器人(AUV)的發(fā)展和水面機(jī)器人(USV)的出現(xiàn)為特征；目前是混合型水下機(jī)器人的時(shí)代。

水下機(jī)器人按特點(diǎn)可以分為2大類：遙控水下機(jī)器人(ROV，Remotely Operated Vehicle)和自主水下機(jī)器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)[3-5]。ROV分為移動(dòng)式、拖拽式和游浮式；AUV分為傳統(tǒng)型機(jī)器人和仿生水下機(jī)器人。ROV依靠電纜提供的動(dòng)力來進(jìn)行水下作業(yè)。AUV則依靠自身攜帶的能源來實(shí)現(xiàn)水下的三維空間運(yùn)動(dòng)[6]。在經(jīng)歷了近60 a的發(fā)展后，ROV已經(jīng)發(fā)展成為了一種成熟的水下特種作業(yè)機(jī)械。

從1986-09-20，我國(guó)第1座符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化海洋采油平臺(tái)在渤海埕北油田海上安裝并調(diào)試成功，我國(guó)海洋石油工程經(jīng)歷了艱難的發(fā)展歷程。海洋石油勘探開發(fā)投資大，風(fēng)險(xiǎn)也大，因?yàn)橛筒睾穸却蟆?chǔ)量豐度高、單井產(chǎn)量高，所以效益也高，發(fā)展前景不可限量。但是，海洋石油的勘探、平臺(tái)的建設(shè)和維護(hù)、海底輸油管道的鋪設(shè)都存在著投資高、風(fēng)險(xiǎn)大等問題。海底設(shè)備的運(yùn)行過程面對(duì)的海洋環(huán)境也更為復(fù)雜，易發(fā)生安全事故，一旦發(fā)生事故，代價(jià)巨大。因此，除了在設(shè)計(jì)制造階段做好相應(yīng)的預(yù)防工作，海洋石油設(shè)備在使用過程中的檢查和后期的維護(hù)、維修更應(yīng)該被加以重視，以保障其長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

本文根據(jù)ROV在海洋石油行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展需求，提出了ROV發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)海洋石油設(shè)施檢查、維護(hù)和維修的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

1 ROV發(fā)展現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代，幾個(gè)美國(guó)人想把人類的視覺延伸到神秘的海底世界，他們把攝像機(jī)密封起來下沉至海底，這就是ROV的雛形，自此拉開了水下機(jī)器人的研發(fā)大幕。

1.1 國(guó)外ROV發(fā)展現(xiàn)狀

1960年，美國(guó)成功研制了世界上第1臺(tái)ROV——CURV1[7]，如圖1所示。在載人潛水器的配合下，CURV1在西班牙外海海底找到了一顆失落的氫彈，引起了世界各國(guó)對(duì)水下機(jī)器人的重視。美國(guó)、瑞典和日本等國(guó)家研究和開發(fā)出了不同型號(hào)的ROV，已應(yīng)用于不同的作業(yè)任務(wù)和不同的下潛深度。

圖1 世界第1臺(tái)ROV(CURV1)

日本擁有世界上最多的機(jī)器人，在ROV的研發(fā)和應(yīng)用方面也不甘后人。日本海洋技術(shù)研究所開發(fā)研制的KAIKO號(hào)是目前世界上下潛深度最大的潛水器[8](如圖2)。1995年，KAIKO號(hào)下潛到馬里亞那海溝的最深處10 911.4 m，創(chuàng)造了下潛深度紀(jì)錄。雖然KAIKO號(hào)最后丟失，但是在科研領(lǐng)域中散發(fā)出的光芒仍然無法掩蓋。

圖2 KAIKO號(hào)ROV

ROV發(fā)展至今天，不僅在科研領(lǐng)域有著良好的表現(xiàn)，在商業(yè)應(yīng)用中也起到了重要的作用。世界各國(guó)的多家公司研制的ROV已經(jīng)在商業(yè)工程領(lǐng)域中成功作業(yè)運(yùn)行。

美國(guó)的OCEANEERING公司開發(fā)的ROV已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)海底管道連接和修復(fù)、海下設(shè)施的檢查維護(hù)和維修、退役海洋平臺(tái)的切割和拆除、海下設(shè)施的淤泥清除、潛水支持等多項(xiàng)功能。Spectrum號(hào)ROV是該公司的典型產(chǎn)品，如圖3所示。Spectrum號(hào)代表了新一代的具有深水作業(yè)能力的輕量級(jí)ROV，下潛能力為3 000 m，可裝配5自由度機(jī)械手、作業(yè)工具，例如排污泵、CP探針、測(cè)量傳感器等。使用的控制系統(tǒng)為最新的水下機(jī)器人控制系統(tǒng)OPAC(Oceaneering Power and Control)，具有可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積小，推力高，主要服務(wù)于海洋油氣鉆井，支持海下建設(shè)和配合生產(chǎn)活動(dòng)。

瑞典的SEAEYE公司開發(fā)了多款ROV，其中具有代表性的是FALCON號(hào)，如圖4所示。FALCON號(hào)為水下作業(yè)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，開放式框架結(jié)構(gòu)可以輕松裝配多種工具和配件，工具和配件也可以安裝在下端的撬裝上，這使得FALCON具有多種的作業(yè)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜情況和苛刻條件下的海洋應(yīng)用作業(yè)。在FALCON號(hào)上已經(jīng)成功應(yīng)用過的配件有CP探針、三爪機(jī)械手、五功能的機(jī)械手、圖像縮放系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、清潔刷、鋼絲繩鋸等。FALCON號(hào)下潛深度為300 m，在配備中繼器使用時(shí)，最大作業(yè)深度可達(dá)到1 000 m。靈活的作業(yè)工具選配和大范圍下潛深度選擇，讓FALCON號(hào)成為了小型ROV中的標(biāo)桿產(chǎn)品。

圖3 Spectrum號(hào)ROV

圖4 FALCON號(hào)ROV

美國(guó)的WHOI公司開發(fā)的Jason號(hào)，是目前世界上深水范圍內(nèi)使用較為成功的一款ROV，如圖5所示。Jason的下潛深度為6 500 m，采用了6個(gè)直流無刷電動(dòng)推進(jìn)器，每個(gè)推進(jìn)器能提供113 N(250磅)的推力，從而保證了深水作業(yè)所需的動(dòng)力。

圖5 Jason號(hào)ROV

此外，Hibbard Inshore、Soil Machine Dynamics Ltd (SMD)、FMC Technologies等水下機(jī)器人開發(fā)公司開發(fā)的不同型號(hào)、不同應(yīng)用類型的ROV也在不同工程領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，大力推動(dòng)了人類對(duì)海洋的認(rèn)知和開發(fā)利用。

1.2 國(guó)內(nèi)ROV發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始ROV的相關(guān)研究，主要研發(fā)機(jī)構(gòu)有：中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海交通大學(xué)水下工程研究所等。雖然國(guó)內(nèi)ROV開始研制的時(shí)間較世界先進(jìn)國(guó)家較晚，但經(jīng)過不懈努力，國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)或自行研發(fā)，或與外國(guó)機(jī)構(gòu)合作，已經(jīng)開發(fā)出了多款水下作業(yè)ROV。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的海人一號(hào)(HR-01)是我國(guó)第1臺(tái)水下機(jī)器人，如圖6所示。海人一號(hào)的面世為我國(guó)的水下機(jī)器人研發(fā)拉開了大幕。2002年，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開始研制自主/遙控水下機(jī)器人ARV[9]，2005—2008年，先后研制成功3種型號(hào)的ARV(SARV-A、SARV-R和北極ARV)。其中北極ARV[10]在2008—2010年分別參加了中國(guó)第3次、第4次北極科考，并獲取了大量有價(jià)值的試驗(yàn)科考數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖6 海人一號(hào)ROV

圖7 北極號(hào)ARV

上海交通大學(xué)水下工程研究所開發(fā)的海龍?zhí)朢OV，是目前我國(guó)較先進(jìn)的深水作業(yè)潛水器，如圖8所示。海龍?zhí)朢OV主要用于海下作業(yè)和取樣，配備了五功能機(jī)械手、七功能主從式機(jī)械手、5個(gè)攝像機(jī)和HID燈。有效載質(zhì)量達(dá)到了250 kg，潛水器功率為73.5 kW(100 SHP)，水下航行速度能達(dá)到3.3 kn。

中英海底系統(tǒng)有限公司研制的海獅III號(hào)ROV能夠進(jìn)行修理海纜管線、安裝、檢測(cè)、電纜打撈以及深達(dá)3 m的海纜管線沖埋作業(yè)，最大工作水深達(dá)2 500 m，如圖9所示。

圖8 海龍?zhí)朢OV

圖9 海獅Ⅲ號(hào)ROV

哈爾濱工程大學(xué)在運(yùn)動(dòng)控制方面有著杰出的貢獻(xiàn)。劉學(xué)敏[11]提出了S面控制方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。王麗榮等[12]在S面控制方法的基礎(chǔ)上提出了亞S面控制方法來提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。甘永等[13]提出了一種并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，解決了傳感器在短時(shí)間內(nèi)無數(shù)據(jù)情況下的控制問題。

2 海洋石油行業(yè)中ROV的應(yīng)用狀況

20世紀(jì)60年代起，海洋石油工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了ROV技術(shù)的迅猛進(jìn)步。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2009年底，大約有461個(gè)型號(hào)約6 000臺(tái)ROV在作業(yè)，全球有300家以上公司從事ROV研制、生產(chǎn)和售后服務(wù)[14]。圖10列出了2002年和2008年ROV數(shù)量按下潛深度等級(jí)的分布情況[15]。從圖10中可知，潛深小于1 000 m的ROV占40%左右，這是因?yàn)楹Ｑ笫唾Y源絕大多數(shù)分布在近海，近海水下生產(chǎn)活動(dòng)多，需求量最大；中等潛深(2 000～4 000 m)的ROV數(shù)量大約占26%，主要服務(wù)于深水油氣生產(chǎn)及大洋中脊的科學(xué)活動(dòng)；潛深大于7 000 m的ROV數(shù)量?jī)H占3.1%。

在我國(guó)的海洋石油行業(yè)中，ROV在水下環(huán)境觀察、海底管道和電纜鋪設(shè)、海底管道巡檢、平臺(tái)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施檢測(cè)維修、水下結(jié)構(gòu)物拆除等方面應(yīng)用廣泛。由于在探測(cè)技術(shù)、工藝水平、導(dǎo)航與定位技術(shù)等方面與國(guó)外存在著較大差距，國(guó)內(nèi)海下作業(yè)的ROV主要是從國(guó)外進(jìn)口或者由合資企業(yè)制造，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)自主研發(fā)的ROV在海洋石油行業(yè)的應(yīng)用方面上仍有一定的欠缺。

圖10 ROV按下潛深度的數(shù)量分布

3 關(guān)鍵技術(shù)

南海海洋環(huán)境條件惡劣，尤其是臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波多發(fā)[16]，這都對(duì)ROV的作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了應(yīng)對(duì)我國(guó)海洋海況的條件，滿足我國(guó)海洋石油行業(yè)的發(fā)展需要，我國(guó)研制的ROV需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)。

1) 機(jī)械本體。機(jī)械本體要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，強(qiáng)度高?？蚣苁絉OV結(jié)構(gòu)空間較開放，有本體質(zhì)量小、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。但是，框架式ROV的大部分執(zhí)行器、傳感器都裸露在作業(yè)環(huán)境中，防水能力差，防水空間也較??；硬件放置位置不合理會(huì)造成強(qiáng)弱電信號(hào)之間的相互干擾，而且這種干擾是持續(xù)的，不易屏蔽的[17]。在保證強(qiáng)度的條件下，機(jī)械本體材料的選擇、精密防水問題和框架中機(jī)構(gòu)的布置問題需要加以重視。

2) 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要進(jìn)行ROV姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)路徑和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，包括水面支持部分、控制主體、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信設(shè)備、電源管理模塊和推進(jìn)系統(tǒng)模塊[18]。由于海洋條件的模糊性和不確定性，因此需要完善的控制系統(tǒng)來保障ROV在水下工作的可靠性。

3) 導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。導(dǎo)航與定位技術(shù)是ROV在水下作業(yè)時(shí)安全運(yùn)行的首要保障，是一項(xiàng)技術(shù)難度很大的系統(tǒng)。目前用于水下導(dǎo)航的技術(shù)有引力導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)、海底地形導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計(jì)程儀組成推算導(dǎo)航系統(tǒng)等[19]。不同技術(shù)之間優(yōu)缺點(diǎn)明顯，技術(shù)的選擇或者開發(fā)也是ROV行業(yè)的一大難題。

4) 動(dòng)力系統(tǒng)。海洋內(nèi)波的破壞力巨大，ROV在海下作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量避免至內(nèi)波多發(fā)海域運(yùn)行工作。同時(shí)ROV需要配備高效率、大功率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來克服內(nèi)波的影響，以按照既定路線航行和長(zhǎng)時(shí)間懸停在水中作業(yè)。

5) 傳感器系統(tǒng)。ROV需要通過各類傳感器來感知周邊環(huán)境和自身狀態(tài)的變化來進(jìn)行水下作業(yè)。為使ROV具有更好的作業(yè)能力，傳感器應(yīng)提高區(qū)域覆蓋率，提高鑒別能力，同時(shí)也要發(fā)展與傳感器相配合的信息處理技術(shù)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和海洋作業(yè)的難度增大，ROV未來將向著智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化等方向發(fā)展。

1) 智能化。智能化是機(jī)器人面臨的共性問題，ROV也應(yīng)該提升自身的智能化程度。智能化的核心包括自主控制、自主應(yīng)對(duì)威脅。自主控制主要解決ROV實(shí)時(shí)快速應(yīng)變問題；自主應(yīng)對(duì)威脅是ROV生存和執(zhí)行命令的前提和基礎(chǔ)。未來ROV應(yīng)將人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制理論和技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人的研發(fā)中，使其具有一定的智能程度[20]。

2) 標(biāo)準(zhǔn)化。目前大部分ROV使用的電子化設(shè)備，例如導(dǎo)航、定位、通訊、控制設(shè)備和軟件，大部分是為其他領(lǐng)域開發(fā)的，在ROV上應(yīng)用存在著功耗大，精度差，響應(yīng)速度慢，以及互相不匹配等缺點(diǎn)。因此行業(yè)內(nèi)有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，來推動(dòng)ROV行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，提高產(chǎn)品通用性，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成本和提高可靠性。

3) 專業(yè)化。伴隨著ROV技術(shù)水平的提高，在海洋石油中可發(fā)揮的空間就愈大。水下作業(yè)任務(wù)復(fù)雜多變，為了順利完成作業(yè)，一些特殊作業(yè)要求逐漸被提出，這就需要ROV針對(duì)具體問題研發(fā)具體的作業(yè)工具，才能在未來的海洋石油行業(yè)中發(fā)揮更重要的、不可替代的作用。

5 結(jié)語

我國(guó)的海洋石油工程發(fā)展到今天，取得了可喜的成績(jī)，現(xiàn)如今已經(jīng)步入了平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期。前期投入使用的海洋平臺(tái)已經(jīng)達(dá)到或臨近使用年限，需要進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物的拆除、維護(hù)和維修，計(jì)劃建設(shè)或正在建設(shè)的海洋平臺(tái)以及海底輸油管道和電纜的鋪設(shè)無不需要ROV的支持。

隨著我國(guó)對(duì)海洋石油的開發(fā)力度逐漸加大，專業(yè)化的海洋石油作業(yè)級(jí)ROV的需求量也隨之增加。然而，目前我國(guó)海洋石油應(yīng)用的ROV多為國(guó)外進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，配套服務(wù)差，一旦出現(xiàn)故障，維修周期漫長(zhǎng)，嚴(yán)重影響施工作業(yè)，而且國(guó)外ROV產(chǎn)品也不是專門針對(duì)我國(guó)海洋海況開發(fā)，并不能完全適合我國(guó)的海洋石油工程。因此，國(guó)內(nèi)的研發(fā)機(jī)構(gòu)和科研院校開發(fā)研制適合我國(guó)海洋海況的ROV及其配套作業(yè)工具，對(duì)我國(guó)的海洋石油行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

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CurrentSituationandApplicationProspectofROVinMarinePetroleumIndustry

REN Fushen1，YANG Yuxiao1，WANG Kekuan2，TANG Deyu2，LONG Bin2

(1.NortheastUniversityofPetroleum，Daqing163318，China；2.ResearchInstituteofEngineeringTechnology，CNPC，Tianjin300451，China)

ROV (Remotely Operated Vehicles) is an important modern underwater tool，with the functions of undersea exploration，observation，operation and the like.With the advantages of high reliability and high security，ROV has becoming a newly operating machine in the offshore oil industry.Considering the development situation of the offshore oil industry and through the comparison of the typical products of domestic and international famous underwater robotic companies，the current situation of ROV and its application status in offshore oil industry are briefly introduced.According to China’s marine environment，characteristics and the demands of offshore oil’s development and maintenance，the key technologies and development trend of ROV are put forward in order to promote ROV’s innovation and development in the offshore oil industry.

ROV；offshore oil；research status；key technologies

1001-3482(2017)06-0006-06

2017-05-22

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2016A-1006)

任福深(1976-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)及其控制理論研究，E-mail：renfushen@126.com。

TE95

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.002