水下機(jī)器人及三維聲吶技術(shù)在水閘安全鑒定中的應(yīng)用研究

許可 安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站

在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物應(yīng)用廣泛。我國是水利大國，所建成的水閘數(shù)量全球最多，根據(jù)國家2010-2012年第一次全國水利普查的結(jié)果，過閘流量1立方米每秒及以上水閘268476座，橡膠壩2685座。其中規(guī)模以上（過閘流量≥5立方米每秒）水閘97019座。由于人類活動(dòng)和環(huán)境荷載的影響以及日常管理缺失等原因，我國許多水閘，特別是上世紀(jì)90年代前建設(shè)的部分水閘，存在嚴(yán)重的安全隱患。

水閘安全鑒定作為水閘排險(xiǎn)加固工作的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，是水閘運(yùn)維管理不可或缺的部分?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果是水閘安全鑒定的重要依據(jù)和復(fù)核計(jì)算基礎(chǔ)，同時(shí)也直接關(guān)系到水閘安全等級(jí)的最終評(píng)價(jià)。水閘現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)分水上部分和水下部分，水上部分檢測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，但水下部分檢測(cè)還主要依靠潛水員水下探摸或圍堰排水后檢測(cè)，檢測(cè)效率、檢測(cè)質(zhì)量均不甚理想。

水下機(jī)器人技術(shù)作為近年快速發(fā)展的應(yīng)用技術(shù)，可作為水下檢測(cè)平臺(tái)搭載相應(yīng)的水下檢測(cè)儀器設(shè)備高效快速的完成水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作；水下三維聲吶技術(shù)，利用水下三維掃描成像技術(shù)，獲取水下結(jié)構(gòu)外觀輪廓的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為水下結(jié)構(gòu)測(cè)量及外觀質(zhì)量判斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。水下機(jī)器人和三維聲吶技術(shù)的綜合應(yīng)用可為水閘安全鑒定現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供高效、高質(zhì)量的水下檢測(cè)成果。

1.水閘安全鑒定

為加強(qiáng)水閘安全管理，規(guī)范水閘安全鑒定工作，保障水閘安全運(yùn)行，水利部2008年印發(fā)了《水閘安全鑒定管理辦法》（水建管〔2008〕214號(hào)）。根據(jù)管理辦法的要求，水閘實(shí)行定期安全鑒定制度。首次安全鑒定應(yīng)在竣工驗(yàn)收后5年內(nèi)進(jìn)行，以后應(yīng)每隔10年進(jìn)行一次全面安全鑒定。如遇特殊運(yùn)行情況，如超標(biāo)洪水、強(qiáng)烈地震等，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全檢查。

現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)針對(duì)水下部分，重點(diǎn)檢測(cè)水下部位有無淤積、接縫破損、結(jié)構(gòu)斷裂、混凝土腐蝕、地基土或回填土流失、沖坑和塌陷等異?，F(xiàn)象。水下工程檢測(cè)目前主要依靠潛水員潛入水下采用探摸、觀察及樹下照相等技術(shù)對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行檢測(cè)。但潛水員檢測(cè)對(duì)檢測(cè)深度、檢測(cè)工作時(shí)間，檢測(cè)水下環(huán)境有較多限制，對(duì)潛水員有一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)潛水員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴程度高。因?yàn)闈撍畣T檢測(cè)需要潛水員一點(diǎn)點(diǎn)探摸，主要集中在局部進(jìn)行檢測(cè)觀察，無法對(duì)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)形成整體的探查結(jié)果。

2.水下機(jī)器人系統(tǒng)

AUTO200ER水下機(jī)器人系統(tǒng)（ROV）是一款結(jié)構(gòu)緊湊、易維護(hù)、可靠穩(wěn)定的定制化水下機(jī)器人系統(tǒng)，具有推力大、功能齊全等特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要包括水下機(jī)器人水下主體、地面控制系統(tǒng)兩部分；其中，水下主體標(biāo)準(zhǔn)配置深度計(jì)、姿態(tài)傳感器、高清水下攝像頭、水下照明、推進(jìn)器等部件，采用框架結(jié)構(gòu)，結(jié)實(shí)可靠，本體示意圖如圖1；地面控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、電源控制單元等部件。該系統(tǒng)最大耐壓深度為200米，采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便快捷地對(duì)各種功能模塊和單元進(jìn)行配置和更換，并支持多種外置傳感器設(shè)備；其推進(jìn)及控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單方便，擁有多個(gè)微處理器，可有效提高系統(tǒng)性能。

AUTO200ER 水下機(jī)器人系統(tǒng)（ROV）可廣泛應(yīng)用于水利水電，水務(wù)等水下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的觀察和檢測(cè)，搜救，水環(huán)境和水下生物的觀測(cè)、研究及教學(xué)，海洋科研，水下娛樂，水下考古，深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調(diào)查等。

3.水下三維聲吶系統(tǒng)

水下三維聲吶系統(tǒng)利用水下聲學(xué)測(cè)距原理掃描水下目標(biāo)結(jié)構(gòu)物，水下聲納以一 定頻率發(fā)射聲波波束，波束經(jīng)過障礙物反射，聲納頭接收聲波反射信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸至聲納控制單元，聲納控制單元利用聲納的操作軟件把聲納頭掃描到的信息以點(diǎn)云形式存儲(chǔ)并顯示。

BV5000三維聲吶系統(tǒng)是美國Teledye公司開發(fā)的一款水下掃描探測(cè)三維聲吶系統(tǒng)，如圖2。該系統(tǒng)可生成高分辨率、360度全景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可精確獲取水下結(jié)構(gòu)、物體等測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以提供工程和測(cè)量圖像。

4.水下檢測(cè)技術(shù)方案

在水下機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施檢測(cè)前對(duì)待測(cè)區(qū)域環(huán)境、水流條件、下水能見度進(jìn)行先期調(diào)查、勘察，以配置和調(diào)整檢測(cè)設(shè)備，使檢測(cè)達(dá)到良好效果。

4.1 水流條件

水下機(jī)器人系統(tǒng)具備一定抗流能力，當(dāng)水流速度過大，ROV操控將非常困難，易出現(xiàn)ROV無法保持水下位置，偏航迷航等問題，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備與閘室內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，對(duì)閘室內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成損害。

4.2 能見度條件

在水下能見度較高時(shí)，可以選擇高清攝像頭作為水下檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水下能見度低時(shí)，建議先進(jìn)行水下聲吶普查，通過聲吶普查確定水下結(jié)構(gòu)異?；蛞伤拼嬖诋惓^(qū)域，再利用攝像頭對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行詳查，能見度差時(shí)水下機(jī)器人在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能貼近目標(biāo)，確認(rèn)異常的形態(tài)、尺寸和發(fā)育走向等。

檢測(cè)工作首先利用水下三維聲吶系統(tǒng)對(duì)水閘水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行全覆蓋三維掃描，通過點(diǎn)云成圖模式，將水下結(jié)構(gòu)物外觀形態(tài)展現(xiàn)出來。通過對(duì)三維聲吶系統(tǒng)掃描成果分析，查明水閘水下結(jié)構(gòu)及周邊結(jié)構(gòu)是否存在異常。根據(jù)分析結(jié)果，利用水下機(jī)器人對(duì)結(jié)構(gòu)異?；蛞伤拼嬖诋惓^(qū)域進(jìn)行局部詳查。同時(shí)，對(duì)水閘水下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行近距離觀察，獲取狀態(tài)特征。

圖1 水下機(jī)器人系統(tǒng)本體示意圖

圖2 BV5000三維聲吶系統(tǒng)

圖3 閘室三維點(diǎn)云模型圖

5.水下檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用

某節(jié)制閘位于某運(yùn)河泄水出口處，最大泄洪量4，600立方米/秒；最大蓄水庫容量7.78億立方米，該節(jié)制閘共31孔閘，單孔凈寬12m，配弧形鋼閘門。閘室為開敞式倒Π形結(jié)構(gòu)，閘墩、底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為保障節(jié)制閘安全運(yùn)營及水閘管理需要，水閘管理部門組織對(duì)該節(jié)制閘進(jìn)行安全鑒定評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)水下部分，采用水下機(jī)器人和三維聲吶技術(shù)來進(jìn)行水下檢測(cè)。檢測(cè)之前，所有閘門需全部關(guān)閉，水下環(huán)境為無水流，處于靜水狀態(tài)，首先對(duì)單個(gè)閘室進(jìn)行三維掃描聲吶掃描，根據(jù)閘門寬度及向下游延伸長度，每個(gè)閘室設(shè)置一個(gè)測(cè)站，過程中利用換能器對(duì)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，最終通過點(diǎn)云成圖的模式將水下結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的形態(tài)展現(xiàn)，如圖3。

6.結(jié)語

水下機(jī)器人和三維聲吶技術(shù)的綜合應(yīng)用可以有效完成水閘安全鑒定中的水下檢測(cè)工程，可以提供水閘水下結(jié)構(gòu)整體數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)檢測(cè)需要來完成關(guān)鍵部位的局部詳查，為水閘安全鑒定提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，利用水下機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)可以搭載更多水下檢測(cè)儀器，為水閘及其他水下設(shè)施檢測(cè)提供更準(zhǔn)確、更高效的檢測(cè)成果。