基于ROV 平臺的水下精細探測技術在水下隱蔽構筑物安全檢測應用

劉振國 ，徐帷巍，鄭澤豪，魏榮灝

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州 310017；2. 浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310017；3. 衢州市農業(yè)水利管理中心，浙江 衢州 324000；4.衢州市信安湖管理中心，浙江 衢州 324000）

0 引 言

水下機器人（UUV）因能夠在極端海洋環(huán)境下工作并達到人類難以到達的海區(qū)，在探索未知世界中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。一般將水下機器人分為自主水下機器人（AUV）和有纜遙控水下機器人（ROV，Remote Operated Vehicle）[1]，其中ROV依靠臍帶纜提供動力和通信，可長時間進行水下作業(yè)并實時傳輸數據，具備較強的觀測和作業(yè)能力，其工作范圍僅受臍帶纜長度的限制。ROV 作為一種成熟的大型海洋觀測平臺，可搭載聲吶和光學等多種傳感器，用于水下定位、探測等工作，已在相關領域得到廣泛的應用[2-4]，通過定制化和小型化實現在水庫、堤防工程等多種水利工程的水下隱蔽構筑物檢測中發(fā)揮重要作用[5-7]。本文主要討論一種基于ROV 平臺的水下精細探測技術：ROV 作為觀測平臺搭載三維圖像聲吶和光學成像系統(tǒng)，移動至預定觀測位置后，ROV 靜態(tài)坐底使用三維圖像聲吶進行掃描，獲取觀測物體的三維點云數據；同時使用光學成像系統(tǒng)進行近距離觀測，詳細勘察是否存在明顯破損等問題。對某水庫攔污柵的檢測結果表明該技術可獲取水下隱蔽構筑物的精細三維可量測點云信息和光學成像信息，為攔污柵的安全評估工作提供重要的基礎數據支撐，具有廣闊的應用前景。

1 基于ROV 平臺的水下精細探測技術

1.1 ROV 觀測平臺

國外開展ROV 研究已經有70 多年的歷史，當前全球已經有上百家ROV 制造商，其中處于領先地位的主要是美國、加拿大、英國、法國和日本等國家，占據絕大部分的商用市場份額，擁有從水面支持母船到潛深3 000～11 000 m 的系列深海裝備，能完成多種水下任務。我國于20 世紀70 年代末期開始研制ROV，現在已經形成“海星/海龍/海馬”系列型號用于科考?！昂Ｐ?000”作為我國首臺自主研發(fā)面向科研科考應用的ROV，最大工作深度6 001 m，創(chuàng)造了我國ROV 最大潛深的記錄。此外已有深之藍海洋科技股份有限公司、杭州鰲海海洋工程技術有限公司、山東未來機器人有限公司和博雅工道（北京）機器人科技有限公司等多家企業(yè)提供民用商業(yè)化產品，部分廠家更可根據用戶需求靈活定制生產，克服了國外產品型號固定無法根據實際應用調整的問題。

ROV 觀測平臺主要由ROV 本體、臍帶纜、供電單元和控制系統(tǒng)組成。ROV 本體主要功能是搭載各類傳感器和設備，根據用戶指令在水下執(zhí)行各種作業(yè)；臍帶纜一般采用零浮力臍帶纜，主要用于通信和電力傳輸；供電單元主要為整個ROV 觀測平臺供電；控制系統(tǒng)主要用于遙控ROV 本體在水中運動并控制其執(zhí)行各種指令。其中，ROV 本體搭載的傳感器和設備決定了其作業(yè)能力，一般分為觀察級和作業(yè)級2 種，檢測水下隱蔽構筑物一般采用觀察級ROV 進行。臍帶纜長度決定了ROV 的作業(yè)范圍，其需要在作業(yè)范圍和動力之間取得平衡，臍帶纜越長作業(yè)范圍越大，這對ROV 本體的動力系統(tǒng)提出了更高的要求。供電單元的主要要求是能穩(wěn)定持續(xù)輸出電力，特別是要應對ROV 作業(yè)時對動力要求徒增的情況。控制單元需要滿足實時傳輸各類數據用于操手控制ROV 本體。

1.2 水下精細探測技術

自20 世紀20 年代回聲測深儀出現以來，海洋探測和資源勘察等水下檢測技術主要基于海洋聲學技術進行，特別是20 世紀60 年代美國開發(fā)的條帶測深儀極大提高了海洋地形數據的獲取效率。同期研制成果的側掃聲吶和淺地層剖面儀則廣泛應用于海洋地質調查、港口建設、航道疏浚、海底管線布設、以及海上石油平臺建設等多個領域。

21 世紀以來，水下探測在現代信號處理技術、高性能計算機技術、高分辨顯技術、高精度導航定位技術、數字化傳感器技術及其他相關高新技術等方面取得突破，出現了以低功耗、高分辨率、高帶寬、可變聲學探測頻率和可變發(fā)生角度的第五代多波束測聲系統(tǒng)為代表，且具有多頻段多脈沖或多個波束的側掃聲吶系統(tǒng)和參量陣淺剖等多種水下探測設備，解決了傳統(tǒng)海洋測繪技術“看得見但看不清”的技術問題，與其他探測手段融合后形成了水下精細探測技術。

水下精細探測技術使用最新的海洋探測設備，基于高時間、空間分辨率對水下進行全方位探測，其主要使用的技術手段包括有聲學、光學和重磁學。其中，聲學觀測方法主要使用多波束測深系統(tǒng)獲取水下全覆蓋地形數據：使用側掃聲吶獲取水下地貌數據；使用淺地層剖面儀、單道地震儀或多道地震儀獲取河/海底的地層數據；使用三維圖像聲吶獲取三維點云數據；使用多普勒流速儀獲取水體的流速流向數據。光學觀測方法主要使用光學成像相機或攝像頭獲取水下/水體的光學照片或視頻，使用水下激光掃描儀獲取超高分辨率的可量測三維激光點云數據。重磁觀測方法主要使用重力儀觀測相對重力變化，使用磁力儀或磁力梯度儀獲取海洋磁力數據。同時由GNSS 定位系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、聲學多普勒速度儀（DVL）短基線（SBL）和超短基線（USBL）等多種導航定位設備融合的組合導航技術提供覆蓋水面和水下的高精度的三維位置和姿態(tài)信息，從而實現對水體和水下全范圍的幾何、物理數據的探測。

1.3 設備選型

浙江省各類大中小型水庫眾多，部分位置比較偏遠，交通不便，且一般水庫的最大水深不超過100 m，海洋型ROV 難以開展工作。因此本研究根據浙江省實際情況定制了一套耐壓深度300 m 的輕便型觀測級ROV 用于水下隱蔽構筑物安全檢測，其搭載三維圖像聲吶用于水下構筑物點云獲取，光學攝像系統(tǒng)用于實時查看，超短基線系統(tǒng)用于ROV 水下定位，并預留水下激光掃描儀的接口用于升級，設備組成見圖 1，ROV 水下部分主要基本參數見表 1，設計指標見表 2。

表1 ROV 水下部分基本參數表

表2 ROV 水下部分設計指標表

圖1 設備組成圖

2 檢測案例

2.1 工程需求

水庫的陸域部分可采用人工巡視的方法進行定期檢查，但發(fā)電涵洞等水下隱蔽構筑物所處水深較大，受水下作業(yè)專業(yè)性較高、潛水員下水作業(yè)危險性較大等因素影響，安全檢測實施難度較大。以水電站使用的攔污柵為例，其在發(fā)揮功效時會攔截污物，導致攔污柵負荷增大，嚴重時甚至可能導致攔污柵破損。由于攔污柵所處位置水深較大，一般超過20 m，人工檢測實施難度較大，因此需要研究新的檢測技術提供安全保障。

2.2 檢測方法

攔污柵由邊框、橫隔板和柵條構成，一般水電站用的柵條間距取決于水輪機型號及尺寸，以保證通過攔污柵的污物不會卡在水輪機過流部件中為準。因此檢測的主要內容有3 項：一是攔污柵附近的水底標高與設計值的比較，主要使用多波束測深系統(tǒng)進行；二是攔污柵是否存在破損等情況，主要使用高清攝像設備進行；三是攔污柵底部現狀及附近的污物分布情況，主要使用三維圖像聲吶和高清攝像設備進行。

多波束測深系統(tǒng)進行水下地形測量較為常規(guī)，一般在開展ROV 水下檢測前進行。而水下檢測主要使用ROV 平臺搭載的三維圖像聲吶和高清攝像設備進行。ROV 平臺進行涉水觀測時電力由臍帶纜提供，可長時間進行連續(xù)觀測。同時ROV 本體具有多個推進器，能在水下靈活上下左右移動，可到達各個檢測位置。三維圖像聲吶可獲取水下各種構筑物、障礙物的三維點云數據，得到觀測物體的詳細幾何信息，但難以確定探測物體的具體性質；高清攝像設備可獲取觀測物體的圖像、紋理特征，判別觀測物體的類別，但無法確定觀測物體的具體尺寸。水下檢測使用ROV 平臺搭載三維圖像聲吶和高清攝像設備同時進行檢測，可對觀測物體實現定性和定量的描述，為后續(xù)的攔污柵養(yǎng)護工作提供重要的支撐。

基于ROV 平臺的檢測方法和流程見圖2：首先搜集檢測區(qū)域的基礎資料，如攔污柵的設計、施工、交工及歷次檢測成果，明確檢測工作的重點和要求。根據前期搜集的相關信息，對現場進行踏勘，了解作業(yè)區(qū)域條件，如是否具備交流電供電、ROV設備的入水及回收位置、是否具有作業(yè)船舶等。準備工作完成后ROV 可進場作業(yè)。ROV 入水前先進行自檢，入水后測試其各個推進器及傳感器是否工作正常，待系統(tǒng)全部就緒后，由操作手控制其前往指定區(qū)域進行探測。檢測時按照從上到下，從光學檢測到三維圖像聲吶檢測的順序進行。進行三維圖像聲吶檢測工作時，將ROV 由人工操作模式切換至坐底模式，使其在觀測位置保證相對靜止狀態(tài)，先使用聲速計讀取該位置的聲速用于改正，再由三維圖像聲吶對觀測部位進行數據采集工作。如果存在多個觀測點位，則重復進行觀測。觀測完成后對數據進行處理和分析，編制技術報告，同時針對檢測工作中發(fā)現的問題提交典型圖像和點云資料，用于后續(xù)修復工作。

圖2 ROV 檢測流程圖

2.3 檢測結果

本次檢測的是一座以城市供水為主，集防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用為一體的大型水庫，自20 世紀60 年代建成至今已經安全運行多年。水庫管理單位投入大量的人力物力進行水庫、大壩等陸域部分的巡視和維護，但水下部分受技術限制開展頻次較少，因此本次重點使用多波束測深系統(tǒng)和ROV 平臺檢測攔污柵現狀。

通過比較原河床標高與多波束測深數據，攔污柵前方未存在明顯的淤積情況。其底部的典型聲學點云數據和光學影像數據見圖 3。圖 3 左側為聲學點云數據，白框中存在1 個明顯的圓環(huán)狀物體，經量取其尺寸大致為75 cm×75 cm，根據點云特征判別該物體可能為救生圈或輪胎；同時其前方存在1 個疑似錨狀物體。圖3 右側為光學影像，可以直接判別物體1 為輪胎，同時排除物體2 為錨的可能。此外，發(fā)現1 處破損修復區(qū)域受閘門開啟影響需要再次進行整治（見圖 4）。

圖3 三維點云與光學影像圖

圖4 破損區(qū)域示意圖

3 結 語

本文討論了基于ROV 平臺的水下精細探測技術，采用ROV 平臺搭載的三維圖像聲吶和光學成像系統(tǒng)對水下隱蔽構筑物進行觀測，可獲取檢測物體的外觀及三維幾何數據，為其安全運營提供技術支撐。某水庫攔污柵檢測結果表明，該技術無需潛水員進行水下作業(yè)，安全系數較高；三維圖像聲吶獲取的點與數據結合光學成像設備采集影像可對觀測對象進行定性定量描述，能準確判別其屬性，為后續(xù)的清障排污工作提供基礎數據支撐。同時隨著數字孿生工作的不斷推進，基于ROV 平臺的水下精細探測技術不但可用于水下隱蔽構筑物的安全檢測，也可用于獲取具有現勢性的多源水下信息，進一步完善數字孿生流域的數據底板建設。