亭子口水利樞紐消力池水下機器人智能巡檢系統(tǒng)初探

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

1 概述

亭子口水利樞紐表孔消力池是由中導墻、右導墻、表坎及護坦圍成的四方體結構，底部布置有3縱3橫封閉帷幕灌漿及排水交通廊道，護坦頂面高程355m，池長135m，池寬143.5m，消力池尾坎為連續(xù)式，坎頂高程367m；尾坎后防沖段長度35m，高程360.3m。底孔消力池是由左導墻、中導墻、底坎及護坦圍成的四方體結構，底部布置有3縱2橫封閉帷幕灌漿及排水交通廊道，護坦頂面高程354.0m，池長187.6m(底孔明槽出口～消力池尾坎)，池寬75m，消力池尾坎為連續(xù)式，坎頂高程367m；尾坎后防沖段長度35m，高程360.8m。

表、底孔消力池下游的表坎、底坎頂面高程均為367m，機組正常發(fā)電尾水位一般為373m左右，低于尾水位6m，檢修加高尾坎需大量渣土圍堰。同時，表、底孔消力池位于主河床中央，左側為尾水渠，右側為升船機航道，正常發(fā)電和航運時，若不影響發(fā)電和航運，則圍堰渣土只有通過船運；若圍堰渣土車運，則需升船機航道斷航，從右岸航道內橫向墊渣，形成臨時檢修通道，但會影響通航。以上僅有的兩種圍堰運渣方式，其施工周期均非常長(6個月左右)、成本非常高(單個消力池一般在500萬～2000萬)，而且在僅有的6個月非汛期，很難完成檢修。

目前，表、底孔消力池運行狀況監(jiān)測設施僅有量水堰和帷幕后測壓管，僅能通過滲漏水量和壓力來監(jiān)測護坦、導墻等混凝土體及止水和封閉帷幕工作情況，而對運行過程中，護坦、導墻及尾坎淤積、沖刷、磨蝕、磨損、沖坑、表面揭頂及水流流態(tài)等情況，不能形成實時、有效監(jiān)測，往往這些缺陷由量變到了質變，才會引起滲漏量異常增大。

通過圍堰抽干清淤外觀檢查難度大、成本高、工期長，而現(xiàn)有監(jiān)測手段又不能完全滿足實時監(jiān)測需要，故本文將探索研發(fā)智能水下機器人，搭載所需清理工具和傳感器，通過工作人員實時控制其運動軌跡，在水下所需位置及角度對消力池結構狀況進行全面、詳細檢查，并將檢查信息回傳處理，還原消力池結構現(xiàn)狀，通過后臺綜合分析，對消力池運行性態(tài)做出安全評判，以確定是否進行修理。這樣就能及早發(fā)現(xiàn)潛在隱患或缺陷，準確鑒定是否需要維修，既能確保消力池運行安全，同時又能避免浪費不必要的圍堰抽干修理費用。

2 技術路線

結合消力池檢修現(xiàn)實需求按照現(xiàn)場分析、解決方案制定、關鍵技術突破、系統(tǒng)集成、分析與評估的技術路線進行實施。

(1)在現(xiàn)場分析階段，以消力池的相關資料為重要依據(jù)，整理出系統(tǒng)約束條件，包括環(huán)境條件的限制、作業(yè)流程的限制等；結合相關行業(yè)規(guī)范和國內外已有工程案例，提煉出系統(tǒng)需要達到的巡檢內容、巡檢精度、巡檢范圍等具體參數(shù)；

(2)在解決方案制定階段，采用討論會的形式，以現(xiàn)場維護人員和相應技術開發(fā)人員進行溝通交流，討論方案和關鍵指標，形成消力池巡檢解決方案；通過開展技術論證會，邀請行業(yè)專家進行技術論證和風險評估。形成具有可實施的解決方案；

(3)在關鍵技術突破階段，突破水下運動控制、水下導航定位、水下缺陷檢測與識別等問題。在典型場景下提煉出關鍵技術，總結專利，形成行業(yè)壁壘；發(fā)表高水平論文，提升行業(yè)影響力；

(4)在系統(tǒng)集成階段，結合實驗室環(huán)境和消力池現(xiàn)場環(huán)境，分別搭建實驗，進行子系統(tǒng)測試和綜合設備調試和實驗，測試設備的可靠性、極限指標以及可操作性。獲取消力池缺陷數(shù)據(jù)；

(5)在分析與評估階段，利用缺陷數(shù)據(jù)，進行缺陷量化分析，進行缺陷類型、缺陷尺寸、缺陷深度的量化。結合水工建筑物缺陷成因理論模型，通過數(shù)據(jù)對比和分析，進行缺陷趨勢預測。進而形成消力池健康評估報告，指導現(xiàn)場人員進行維修、維護等運維作業(yè)。

3 關鍵技術方案

消力池水下智能巡檢系統(tǒng)的架構如圖1所示，分為水面載體和水下機器人兩個部分。水下機器人由本體設備、清洗設備、定位設備、檢測設備組成；水面載體由顯示設備、機器人控制臺、電源設備、定位設備組成。

3.1 水下導航定位

精確的導航與定位是水下機器人成功執(zhí)行水下檢測任務的基本要素，由于水下機器人非線性動力學特性及水介質特殊等因素影響，實現(xiàn)水下機器人特定區(qū)域內長時間、大范圍內精確定位與導航成為一項艱難任務。目前水下導航技術分為慣導、航位推算、聲學導航、地球物理導航幾類。單一導航方法精度、可靠性都無法滿足水下機器人在檢測中的需求，因此，將多種導航系統(tǒng)進行組合成為水下機器人導航技術重要發(fā)展方向。

圖1 消力池水下智能巡檢系統(tǒng)的架構

本系統(tǒng)的定位方案如圖2所示，綜合采用慣性傳感器數(shù)據(jù)、多普勒計程儀數(shù)據(jù)、水聲定位數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)等各種導航數(shù)據(jù)并進行校正，與單獨使用一種導航數(shù)據(jù)相比，組合導航系統(tǒng)可以提升導航精度，增強冗余度，擴大作業(yè)范圍。

圖2 消力池水下智能巡檢系統(tǒng)的定位方案

3.2 水下機器人本體運動控制

對于水下機器人運動控制設計來講，水下機器人動力學本質上是非線性的，并且各個自由度具有強耦合特性；在消力池進行檢測作業(yè)時，水下機器人需要攜帶定位設備以及檢測設備，這些負載的添加，使機器人自身質量和慣量都發(fā)生明顯變化；另外，水下作業(yè)時，壩下水流作用引起擾動輸入，以上諸多因素構成了水下機器人運動控制設計所面臨的主要困難——非線性動力學特性、模型的不確定性和難以測量或估計的干擾。水下機器人控制研究的一個重要趨勢就是運用H∞控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、滑模變結構控制等控制方法，實現(xiàn)操作人員對水下機器人進行動操作輔助控制系統(tǒng)或者自主運動控制系統(tǒng)的更準確控制效果。

水下機器人本體采用模塊化設計，控制結構采用分層智能控制方法。其中姿態(tài)控制主要實現(xiàn)水下機器人姿態(tài)估計和反饋控制；軌跡控制主要實現(xiàn)位置估計和軌跡生成；任務規(guī)劃包括故障診斷和任務規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 消力池水下智能巡檢系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

3.3 水下清淤與巡檢平臺搭建

水下機器人采用模塊化、分布式，使用框架式結構，為搭載各種設備提供可靠載體。水下機器人采用浮力塊，平衡水下機器人自身重量，達到零浮力。水下機器人控制從底層向上分別為姿態(tài)控制、軌跡控制、任務規(guī)劃三層。針對消力池表面附著物厚度及附著強度，在水下機器人平臺上搭載相應工具頭進行水下清理，可搭載的工具頭包括：清洗鏟、清洗刷、高壓水射流；若附著物較厚，則可設計履帶式水下機器人，搭載液壓鏟和回收箱，進行水下附著物清理。

3.4 高精度及全覆蓋巡檢作業(yè)

將三維激光引入消力池檢測，三維激光掃描原理采用三角測量法，即通過已知激光射線和測量目標點到圖像采集傳感器的方向角，來計算得到數(shù)據(jù)空間X、Y、Z點云信息。這些點云數(shù)據(jù)點相對于質心與旋轉軸是對齊的。綜合聲納掃描、水下激光三維掃描、高清攝像的優(yōu)缺點，形成具有層次結構特點的高精度檢測方案。采用聲納進行大范圍輪廓查看；水下三維激光掃描進行小范圍精準點云采集；高清攝像頭進行近距離缺陷確認。為了保證水下作業(yè)過程全覆蓋，將整個消力池底板與導墻劃分為10m×10m大小檢測單元。在每個網(wǎng)格中，重復進行移動-下潛-清洗-采集-上浮作業(yè)。

3.5 缺陷檢測與識別

水下機器人檢測系統(tǒng)中，目標檢測是水下機器人關鍵技術。水下環(huán)境差異對水下作業(yè)和目標檢測帶來了一定困難。特別在低能見度、渾濁水體、雜質水環(huán)境中，進行作業(yè)和檢測是水下應用難點。本系統(tǒng)依賴聲納、高清攝像機、三維激光掃描技術特點，主要綜合三種相輔手段來進行目標檢測，其中聲納適合對構筑物外輪廓、結構破損、護坦淤積等進行大范圍檢查，高清攝像機配合輔助光源照明，在清水近距離，高清晰度缺陷觀測，三維激光掃描進行小范圍精準點云數(shù)據(jù)采集。

由于水體能見度低，加上水中懸浮物對光波吸收和散射效應，以及水流對攝像頭的影響，使得水下圖像亮度分布不均勻，冗余信息匱乏，具有噪聲大、對比度低、邊緣模糊、紋理弱等缺陷。通過帶色彩恢復的多尺度視網(wǎng)膜增強算法(MSRCR)對原始獲得的水下圖像進行實時圖像增強，增強后的圖像信息有利于人工進行水下環(huán)境判斷以及缺陷診斷。

3.6 消力池健康評估與決策支持

研究消力池護坦與導墻破壞機理，包括護坦失穩(wěn)——絕大多數(shù)工程的護坦失事屬于板塊揭底破壞；空蝕——少數(shù)工程屬于空蝕破壞 ；沖磨——水流中夾帶雜物沖刷、磨損、撞擊破壞。研究護坦失穩(wěn)、空蝕、沖磨中的低頻、大振幅脈動壓力分量對護坦與導墻破壞程度，如圖4所示。

圖4 消力池護坦脈動上舉力時程圖

通過數(shù)據(jù)預處理、圖像分析、點云匹配、特征提取、模式識別等計算步驟，綜合得到量化缺陷數(shù)據(jù)，包括缺陷類型、分布、面積與深度?；诒砻嫒毕萏卣鲄?shù)，結合消力池運行水動力條件，建立消力池缺陷風險評價方法。根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)、監(jiān)測成果、失穩(wěn)機理以及老化評估數(shù)據(jù)，進行消力池結構安全多層次、多目標分析評價，對異常和隱患做物理成因分析，給出系統(tǒng)性綜合決策建議。

3.7 技術指標

消力池水下智能巡檢系統(tǒng)主要技術指標詳見表1。

表1 消力池水下智能巡檢系統(tǒng)主要技術指標

4 研發(fā)目標

針對消力池巡檢迫切需求和現(xiàn)有巡檢手段局限，采用水下機器人搭載清淤和巡檢作業(yè)設備，在不排水的條件下，替代人工進行水下作業(yè)，獲取基于高精度位置信息的底板和消力池檢測數(shù)據(jù)。按照缺陷風險部位、性質及其影響因素相互關系，對各缺陷進行劃分歸類，建立消力池缺陷識別與健康評價體系，給出系統(tǒng)性綜合決策建議。