水下機器人在水利水電工程檢測中的應用現狀及發(fā)展趨勢

李永龍，王皓冉，張 華

（1.清華四川能源互聯網研究院，四川 成都 610000； 2.清華大學 水利系，北京 100084；3.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

1 研究背景

我國是世界上水庫大壩最多的國家，已建成逾十萬座水庫大壩。在數量眾多的存量高壩大庫中，一些工程由于長年運行，加之受水工建筑物的結構老化和地震等地質災害影響，安全問題日益凸顯，如壩體滲漏、混凝土裂縫和缺失、沖蝕沖坑以及地形地貌變化、金屬設備腐蝕等，嚴重影響了工程的安全穩(wěn)定運行和長期效益的發(fā)揮。由于此類工程安全隱患通常處于水面以下，排查難度較大，而大多數水庫大壩不具備放空條件，因此針對該類工程問題的水下安全隱患探查是一個急需解決的工程問題［1］。

長期以來，水下檢測工作主要采用潛水員作為水下移動載體，通過潛水員人工作業(yè)經驗或者手持水下檢測設備來完成，如水下攝像監(jiān)視機等［2］。通過實際工程的檢驗［3-4］，此方法是可行有效的檢測手段。

我國從20世紀80年代開始從事水下機器人的研究和開發(fā)工作。近年來，隨著機器人技術發(fā)展和檢測技術的提升，水下機器人在水下結構檢測方面得到了廣泛的應用，相對于潛水員作為水下載體，水下機器人檢測的優(yōu)勢主要體現在：（1）靈活性強，多自由度的移動能力可自如應對水下環(huán)境的復雜多變；（2）作業(yè)時間長，通過電纜供電的水下機器人基本沒有作業(yè)時間的限制；（3）作業(yè)深度廣，潛水員下潛深度不宜超過50 m，而水下機器人作業(yè)深度可達100 m以上；（4）作業(yè)半徑大，水下機器人可以覆蓋大面積的檢測工作任務［5］。目前，水下機器人已成為水利工程智能檢測方面最具潛力的水下探測工具，具備較大的發(fā)展空間，對于水利工程除險加固和大壩日常安全管理等均具備十分重要的應用價值。本文梳理了水下機器人在水利水電工程領域的典型應用場景和檢測實踐現狀，歸納和分析了水下機器人的關鍵技術要點，結合技術發(fā)展，對水下機器人在水利工程領域的應用前景和發(fā)展趨勢進行了展望。

2 水下機器人應用現狀

水下機器人是一種具有智能功能的水下潛器，通過搭載不同的作業(yè)工具，完成特定領域的作業(yè)。目前，國內外專家根據作業(yè)空間、操控方式、動力特點，通常將水下機器人分為載人潛水器（Human Operated Vehicle，HOV）和無人潛水器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV），而無人潛水器又可以進一步分為有纜遙控水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）和自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），見圖1。

圖1 水下機器人分類

載人潛水器是依據人的操作使機器人來完成水下任務，其優(yōu)點是人工操作有利于處理緊急復雜事件，潛水員可直接觀察水下環(huán)境，獲得水下環(huán)境信息更加準確。但是由于水壓、任務安全系數低等因素，載人潛水器在水下有一定的局限性（圖2（a））。有纜遙控水下機器人的標志特點是具有臍帶纜，有纜遙控水下機器人穩(wěn)定性強，操作員可通過電纜傳輸介質向水下機器人傳遞信息進行遙控操作，在水下實現人-機交互控制。如Saab公司的Seaeye工程系列ROV（圖2b）。自治水下機器人不需要電纜對水下機器人進行控制，機器人有一定的自我判斷能力，自身攜帶動力能源，不需要電纜提供動力，并且機器人按照人們預先編好的程序自動完成預定的水下作業(yè)，如藍鰭水下機器人公司（Bluefin Robotics Corp.，）的AUV（圖2（c））。

圖2 水下機器人的主要形式

對于有纜遙控水下機器人下潛深度可達100 m以上；負載能力可達10 kg左右；電源從臍帶纜供給，作業(yè)時間沒有限制；結構主要以框架式為主，便于布放；綜合各方面技術指標來考量，有纜遙控水下機器人（ROV）滿足絕大多數水利水電工程檢測的需求，在實際應用中，有纜遙控水下機器人（ROV）是水利水電工程水下檢測與作業(yè)的主要機型。

3 水下機器人在水利水電工程應用中的關鍵技術

在水利水電工程檢測中應用的ROV水下機器人是一個比較復雜的系統，按照功能劃分，主要由供電系統、導航系統、推進系統、收放系統、通信系統、控制系統、檢測系統、作業(yè)系統這8個部分構成。主要的關鍵技術包括：

3.1 負載和水流擾動下的運動控制在對水利水電工程進行檢測作業(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，使機器人自身的質量和慣量都發(fā)生明顯的局部變化；同時，水下作業(yè)時，大壩水流作用引起了擾動輸入；此外，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的特性；以上諸多因素構成了水下機器人運動控制設計面臨的主要困難——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［6］。水下機器人控制研究就是運用H∞控制、模糊控制、神經網絡控制［7-8］、滑模變結構控制［9-10］等控制方法，實現操作人員對水下機器人進行動操作的輔助控制系統或者自主運動控制系統的更準確的控制效果。經過控制算法有針對性的設計，水下機器人ROV系統可以在流速不大于1 m/s的水流環(huán)境中，攜帶10 kg左右負載穩(wěn)定工作。

3.2 缺陷識別ROV水下機器人檢測系統中，缺陷目標識別是水利機器人的關鍵技術。水下環(huán)境的差異對水下作業(yè)和目標檢測帶來了一定的困難。特別在低能見度、渾濁水體、雜質水環(huán)境中，進行作業(yè)和檢測是水下應用的難點［11］。常用的水下缺陷檢測手段為：（1）攝像機配合輔助光源照明，可在清水近距離，高清晰度的觀測，最大作業(yè)深度為100 m；（2）聲納可對構筑物外輪廓、結構破損、水庫淤積等進行檢查，對水質無要求，最大作業(yè)深度為300 m；（3）水下超聲測厚儀，用于金屬材料測厚，最大作業(yè)深度20 m；（4）水下電位測量儀，用于金屬結構物的電位測量，最大作業(yè)深度200 m［5］。

3.3 缺陷定位水利水電工程規(guī)模大，不僅需要識別出缺陷，還需要得到缺陷的準確位置，為檢測結果和后期處理提供依據。因此，精確的導航與定位成為水下機器人的基本要求。由于水下機器人非線性動力學特性及水介質特殊等因素的影響，實現特定區(qū)域內長時間、大范圍內的精確定位與導航成為一項艱難的任務。目前水下定位技術分為慣導、航位推算、聲學定位、地球物理定位幾類。單一定位方法的精度、可靠性都無法滿足水下機器人在檢測中的需求，因此將多種定位系統進行組合成為水下機器人定位導航技術的重要發(fā)展方向［12］。目前國內水下定位可在水深45 m左右的水域，水下定位精度為5 cm，測深精度為30 cm，且測量誤差不隨時間累積［13］。

總的來講，水下機器人的控制技術、導航定位能力、搭載技術、視頻攝像和聲納掃描成像技術等還有很大改進和提升空間，也是目前水下機器人在水利水電工程應用的主要研究內容。

4 水下機器人在水利工程檢測的典型應用

經過20多年的發(fā)展，目前水下機器人在我國水利工程中也逐漸得到應用，如三渡溪水庫除險加固、小灣電站大壩檢測以及三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門清理等［14］均有得到應用。目前水下機器人在水利工程的水下檢測應用場景主要集中于閘門檢測、水下壩體結構檢測和消能設施底板檢測。

4.1 閘門檢測為了防止閘門有異物而造成閘門即放不下去也收不回來的危險狀態(tài)，需要在收放閘門前對閘槽提前進行認真的觀察檢測，再三確認對閘門沒有影響的情況下，才能落放閘門。

張守楠［15］等人將Saab公司的Seaeye FALCON機器人應用于小灣水電工程閘門的檢測，收到了良好的效果，積累了工程經驗。小灣水電工程大壩壩高292.5 m，在其第三階段蓄水之前，泄洪建筑物進水口處水深就可達70 m以上。根據大壩的結構及現場的環(huán)境條件，FALCON機器人采用了典型的ROV作業(yè)方式，本體與顯控臺分離，顯控臺放于大壩壩頂，ROV機器人本體利用船只運載至下水觀測點附近，從壩頂將臍帶纜放至作業(yè)船只，并留出足夠的作業(yè)余量，再由工作人員在水面連接電纜和ROV本體，通電檢查后直接從水面入水。

該案例中，ROV水下機器人使用了聲納和水下攝像機配合完成檢查作業(yè)。通過聲納掃描的圖像數據，可以掌握壩體建筑物水下部分的狀態(tài)，主要用于操作人員對ROV進行水下定位及操作。在ROV從低孔門洞進入以后，采用水下攝像機近距離觀察及聲納掃描整體觀察的方式來進行作業(yè)。從檢測數據來看，使用FALCON ROV發(fā)現了底坎淤積堆積狀況，為門槽清理提供了依據，為閘門開落提供了安全保障依據。

4.2 壩體檢測水利大壩混凝土表面包括在水下部分隨著時間推移，不可避免會出現裂縫、空洞等缺陷，尤其是在大壩剛建好服役的初期內部壓力的釋放，裂縫產生的速度會加劇，需要進行及時定期檢查。

李鐘群等［16］采用ROV在永康三渡溪水庫、楊溪水庫、金華沙畈水庫等工程的大壩水下進行了實際檢查。實際檢測中，為了對可能發(fā)現的缺陷進行精準定位以及作業(yè)的分布進行，對大壩防滲面進行了人工分塊分區(qū)，并且通過水平方向上的岸上樁號以及垂直方向的水深傳感器進行精確定位。根據水下環(huán)境的情況，選擇水下攝像頭或二維多波束聲納進行壩面檢測，當人工在水面發(fā)現缺陷出現時，通過筆記本電腦對圖像資料以及當前ROV的定位信息進行保存。實際檢測結果表明：ROV可以大大的提升檢測效率，基本在1個星期內完成1個水庫的檢查工作。

楊超等［17］以新安江水電站大壩水下裂紋檢測應用需求，針對復雜水下環(huán)境對水下機器人裂紋檢測平臺硬件配置和運動控制提出了要求，進行了裂紋平臺設計、頂流動力定姿算法和容錯控制算法的研究，缺陷定位采用了噴墨示蹤的方法。其水下機器人在天荒坪水電站進行了實際使用。

4.3 消力池或水墊塘底板檢測消力池或水墊塘是常見的消能形式之一，受到泄洪過程的沖擊，消力池或水墊塘的底板不可避免會出現表面蜂窩麻面、錯臺掛簾、氣泡等缺陷，進而對大壩帶來安全隱患。

王祥等［5］將ROV應用于某水庫的消力池沖坑的實際檢測。該水庫泄洪閘段下游的消力池布置在主河床偏左岸，由于消力池長度不夠，消能效果不佳，泄洪水流對消力池底板及前沿基礎沖刷腐蝕十分嚴重。為了在水質差、流態(tài)不穩(wěn)的復雜情況下進行檢測，該案例中融入了視頻攝像技術、多波束前視聲納技術，該技術可對百米范圍內的水下結構、地形狀況、淤泥和結構破損等問題進行全方位掃描。該案例的聲納掃描結果表明，消力池底板前沿基礎的腐蝕情況嚴重，后經實測驗證基本屬實。

5 水下機器人在水利水電工程應用的發(fā)展趨勢

5.1 全自主水下機器人檢查ROV遙控水下機器人需要由電纜與母船相連，電纜承擔供能和通訊介質兩項功能，根據檢測深度實現電纜收放，細長的電纜懸在水下成為水下機器人最脆弱的部分，大大限制了機器人的工作半徑和工作效率［14］，在應用過程中往往出現線纜易纏繞及難以發(fā)現大壩滲漏點等問題。隨著人工智能、控制技術的發(fā)展，基于AUV技術的水利檢測技術，將逐步完善，可以完全自主完成水下檢測任務，無需人工干預，最大限度地提高了工作效率，以及纜繩帶來的不便［18］。

5.2 內部檢查目前，水下ROV系統在工程實際中只能發(fā)現工程設施的表面情況，無法檢查內部缺陷。另一方面，在水體渾濁和表面附著物較多的條件下僅依靠聲納系統無法實現細致的缺陷檢查，對裂縫、空洞等一些常規(guī)表面缺陷，無法準確測量其長度、寬度、深度［16］，大大限制了水下機器人的檢測應用場景。隨著水下無損探傷工藝和設備的提升，水下機器人檢修系統將攜帶更豐富的無損探傷設備，對缺陷進行更加準確的判斷，來指導修復工作。

5.3 水下維修在漫灣水電站的工程實踐中，已經采用水下澆筑混凝土的方法對水墊塘底板進行補強加固，并取得了良好的效果［19］。隨著水下機器人負載能力和本體穩(wěn)定性的增強，操作結構的更加靈活，水下機器人將不但具備水下檢測的功能，還將越來越多搭載各種機械手和水下工具，替代潛水員進行水下加固維修的工作，能夠有效應對壩前淤積和發(fā)電站進水口攔污柵前雜物的清理工作、泄洪涵洞及閘門的密閉、泄洪檢修閘門門槽的維修工作，進一步增強水利水電工程的運維水平。

6 結語

綜上所述，有纜遙控水下機器人是水利水電工程檢測的主要載體形式，實際應用中需要解決的關鍵技術主要有負載和水流擾動下的運動控制；低能見度、渾濁水體、雜質水環(huán)境中的缺陷識別；長時間、大范圍內的精確定位與導航。在已有典型應用中，水下機器人通過搭載攝像頭和聲納檢測設備，可對閘門、壩體、消能等設施進行水下結構、地形狀況、淤泥和結構破損進行全方位的檢測。隨著控制技術、檢測設備、負載能力、本體穩(wěn)定性的技術提升，水下機器人將通過全自主的作業(yè)形式采集工程設施內外部的缺陷信息，并且完成水下加固維修的工作，進一步保障水利水電工程的長期安全運行，更好發(fā)揮其應有的社會和經濟效益。