世界海洋總面積約為3.6×108平方千米，占地球總面積的70.8%，在廣闊的海洋中，蘊含著非常豐富的生物資源、礦物資源和海洋能源。其中最具經(jīng)濟開采價值的是海底的石油和天然氣資源，海洋石油資源儲量占世界總儲量的1/3。海洋油氣資源的開發(fā)從上世紀90年代開始迅猛發(fā)展，我國海洋油氣資源的開發(fā)利用也在快速發(fā)展。隨著陸上油田資源逐漸枯竭，產(chǎn)量逐年下降，海洋油氣產(chǎn)量在全國油氣產(chǎn)量中的比重越來越高。在海洋油氣開發(fā)過程中，使用水下機器人可以提高工作效率，水下機器人可以潛深到潛水員到達不了的水深，克服潛水員在深水工作遇到的困難等等。人們研制的性能多樣結構各異的載人潛水器，是在潛水球和潛艇技術微型化基礎上發(fā)展起來的。

一、常規(guī)水下機器人介紹

ROV(RemoteOperated Vehicle)全稱遙控水下機器人，也稱為遙控式水下無人潛航器，屬于水下無人潛航器(UUV)的一種，主要用于水中觀察、檢查和水下施工。另一類型的水下無人潛航器被稱作AUV，全稱自主式水下機器人，也稱為自主式水下無人潛航器，其研制始于20世紀50年代，其特點是無需攜帶纜繩，行動更靈活。

起初，水下機器人的發(fā)展是出于軍事等方面的需求，由美國、俄羅斯、日本、法國等國率先研制，因水下機器人的研制離不開計算機技術、聲納技術、水下微光電視、遙控技術、定位導航等技術的發(fā)展。后來，海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展帶動了工業(yè)型ROV的發(fā)展，北海油田和墨西哥灣油田在1975年使用了第一臺商業(yè)化ROV，至1981年，ROV數(shù)量猛增到400多臺，現(xiàn)如今各種類型、各種功能的ROV數(shù)量已數(shù)不勝數(shù)。本文主要討論的是商業(yè)型或稱為工業(yè)型的水下機器人。

⒈水下機器人分類

工業(yè)用水下機器人功能多種多樣，所完成的水下作業(yè)也極富多樣性，按照不同的分類標準，現(xiàn)有的水下機器人一般分為：

(1)按用途分為觀察型、觀測型和作業(yè)用水下機器人。作業(yè)用水下機器人一般安裝有機械手，用于海中救援、打撈、電纜敷設、海洋石油及其他生產(chǎn)系統(tǒng)的操作維修等水下作業(yè)。觀測型水下機器人與作業(yè)用水下機器人基本相同，但它主要用于測定所要調查對象的參數(shù)。觀察型水下機器人一般只具備影像觀察功能，利用照相機、攝像機、聲納等觀測海底地形、地貌或搜尋水下沉物。

(2)按水下機器人與施工母船之間有無電纜可分為有纜水下機器人(即ROV)和無纜水下機器人(即AUV)。有纜水下機器人與施工母船之間通過電纜相連，由母船向水下機器人提供動力和實施遙控；無纜水下機器人與母船間無電纜連接，AUV自帶動力，依靠自身的動力航行。

(3)按運動方式可分為浮游式、履帶式和步行式水下機器人。浮游式水下機器人在水中漂浮，一般呈零浮力(或稍有一點正浮力)狀態(tài)，依靠所裝的推進器在水下做三維空間運動。履帶式水下機器人多用于海床施工，例如挖溝機、挖溝犁等。

⒉水下機器人的主要功能

水下機器人本身僅是一種運載工具，如欲進行水下作業(yè)，則必須攜帶水下作業(yè)工具。可以說，水下作業(yè)系統(tǒng)是水下機器人工作系統(tǒng)的核心，根據(jù)作業(yè)目的的不同，可以選擇攜帶不同的水下作業(yè)系統(tǒng)。可以攜帶水下作業(yè)系統(tǒng)的功能特性，使水下機器人擴大了適用范圍，增強了實用性。現(xiàn)有水下機器人的作業(yè)系統(tǒng)通常包括1～2個多功能遙控機械手和各種水下作業(yè)工具包。主要功能有：海底觀察海底地形、地貌、作業(yè)狀態(tài)等；測定相關參數(shù)；水下作業(yè)中螺栓的拆裝及閥門的開閉；水下施工中所用纜繩的系結與切割；水下救助和打撈；水下設施打磨和切割；水下構件或船體表面的清潔；水下鉆孔、焊接。

⒊水下機器人的主要組成

水下機器人一般由潛水器本體、水下觀察設備、檢測設備、導航定位設備(深度傳感器、羅經(jīng)、航速儀等)、機械臂、臍帶纜、控制臺、下放裝置等組成。領航員在施工母船上通過控制臺對水下機器人進行遠程操作，完成特定的水下作業(yè)。ROV與控制臺之間一般通過臍帶纜將電力、液壓、視頻和數(shù)據(jù)及控制信號等相連，AUV同樣有控制臺，但沒有臍帶纜。

二、水下機器人在海洋石油工程中的應用

海洋石油工程中使用的ROV在外形、結構、功能等方面大致與常規(guī)ROV是一致的，只是機械臂或所攜帶的工具更具石油工程的特點。海洋石油工程應用的ROV大多裝備4～8個液壓推進器，根據(jù)作業(yè)目標選用具備相關功能的機械手，通常為一到兩只，功能一般為視頻攝像、抓握物體、剪切纜繩/鋼絲繩、打開/關閉閥門、拆卸螺栓/法蘭/卡環(huán)、水下焊接、水下火焰切割等。此外，還裝備以下設備：定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、測深傳感器、左右舷懸臂攝像頭、轉動/傾斜攝像頭、掃描聲納等。

海洋石油工程中使用的ROV，根據(jù)觀察和作業(yè)能力可分為三類。第一類為純觀察型，只能完成水下純粹的觀察、錄像作業(yè)，不攜帶任何水下作業(yè)工具和設備，一般用在海管著泥點監(jiān)測、導管架下水觀測、海床平面調查等作業(yè)中；第二類為作業(yè)型，通過安裝不同作業(yè)功能的機械手，完成水下較為復雜的工作，此類型ROV是海洋石油工程中使用頻率最高的；第三類為爬行類，主要指挖溝機和挖溝犁等，用于海底管道、海纜的挖溝埋設作業(yè)。

⒈ROV在導管架安裝中的作用

⑴地貌調查。導管架安裝前，利用ROV對導管架安裝區(qū)域的海底地貌進行地貌檢查，確認是否存在自然坑、樁腿坑、海底異物等情況，如存在海底泥面不平的情況，需要根據(jù)情況做進一步填平處理。

⑵導管架扶正過程中的支持。導管架下水后，必須將導管架的姿態(tài)進行調平、扶正，利用ROV測量導管架防沉板與海床面的距離、角度、接觸情況等，施工人員根據(jù)以上信息控制導管架下放。根據(jù)導管架的不同設計情況，有時還需要ROV在水下打開部分閥門，以實現(xiàn)導管架下水后的姿態(tài)調平。

⑶導管架定位。ROV行進到導管架立管口或其他標記處，標記深度、艏向、坐標等信息。

⑷引導插樁。利用ROV協(xié)助觀察，確保導管架鋼樁順利插入喇叭口，有時需要引導鋼樁下放至喇叭口插樁，并引導吊樁器泄壓回收。

⑸監(jiān)控打樁。在打樁作業(yè)時，必須使用ROV引導打樁錘套樁，在套樁成功后，還要監(jiān)測打樁情況，例如鋼樁角度，入泥情況，設備工作狀態(tài)等。

⑹灌漿作業(yè)。鋼樁打到位后，鋼樁與導管架樁腿之間的空隙要進行灌漿固定。使用ROV監(jiān)控氮氣、淡水清洗樁腳內壁與樁外壁夾縫過程，并對該過程進行跟蹤監(jiān)控，將信息反饋給灌漿操作方。根據(jù)導管架的不同設計，有的導管架還需要ROV打開或關閉部分閥門以完成灌漿作業(yè)。

⑺輔助安裝。在以上施工中，通過使用ROV剪切一些輔助安裝的纜繩/鋼絲繩、浮球浮筒等設施，拆卸/安裝卡環(huán)等。

⑻導管架安裝后調查。導管架安裝作業(yè)完成以上全部施工過程后，還要使用ROV做進一步的系統(tǒng)檢查，檢查灌漿后樁腳底部與海床面的接觸情況、導管架各閥門開關狀態(tài)是否正確、導管架上各設備是否完好等，并保留相關視頻影像，得到最終的導管架安裝后調查報告，至此，導管架整個安裝作業(yè)才算完成。

⒉ROV在海底管線鋪設中的作用

(1)ROV攜帶水下測量設備完成海底管線的位置、損傷、埋深、異物等工作。

⑵剪切一些輔助安裝的纜繩/鋼絲繩，如起始纜，剪切輔助安裝的浮球浮筒等設施，拆卸安裝卡環(huán)。

⑶水下觀測工作：對管線的損傷情況、著泥點監(jiān)控、廢物堆積、管線懸跨、犧牲陽極以及管線的支撐、膨脹彎、注水裝置和軟管連接裝置等進行巡航觀測。

⑷電位測量：測量每根管線的陰極保護電位。

⑸管線懸跨測量：使用聲納測量管線懸跨長度。

⑹水下攝像：對整條海管的狀態(tài)做錄像保存，特別是缺陷、異常和管線的重要部位等的記錄。

⑺水下作業(yè)：深海海管鋪設中的膨脹彎安裝過程，需要使用ROV完成法蘭、螺栓等的拆裝。

三、水下機器人的發(fā)展趨勢

⒈新式AUV是未來發(fā)展趨勢

有纜水下機器人雖然通過電纜可以更好地實現(xiàn)供能和遙控，但限制了水下機器人的靈活性、活動范圍以及作業(yè)種類，隨著作業(yè)水深的增加，電纜長度及電纜阻力將增大，導致水下機器人的動力消耗增加，作業(yè)空間受到限制。由于水對電磁波的干擾，長久以來無纜遙控面臨著難題，如何除去ROV攜帶的電纜長期困擾著科學家們。

隨著科技的進步特別是硬件技術和控制技術的發(fā)展，新式AUV應運而生，它實現(xiàn)了無纜化，自帶供能模塊，活動范圍大大提高，且能依靠自身的自動化控制能力來完成所賦予的工作，具有機動性好、智能化、安全性高等優(yōu)點，在海洋油氣資源開發(fā)中發(fā)揮的作用越來越大。

⒉水下機器人尚待解決的關鍵技術問題

水下機器人是高技術的集成，雖然水下機器人本體的各種材料及相關技術已基本成熟，但隨著水下機器人向大范圍、大深度、長續(xù)航、多功能的發(fā)展，一些關鍵技術還需研究解決，例如：

⑴水下通訊問題。有纜水下機器人可以用電纜很好地實現(xiàn)信息傳輸，但電纜又限制了水下機器人的功能。無纜水下機器人的操控信號目前是以水聲通訊來實現(xiàn)的，存在傳輸延時現(xiàn)象，因聲音在水中的傳播速度遠低于光速，從而導致難以對水下機器人實時控制。而且傳輸距離又受載波頻率和發(fā)射功率的限制，目前通訊距離僅10千米左右。另外，聲通訊還容易受到多徑效應造成的干擾，雖然可采用窄波速，但也存在波束對準和跟蹤等問題。美國利用藍綠激光實現(xiàn)了空中對水下100m深處潛艇的通訊，激光通訊的研發(fā)為水中大范圍通訊開辟了一條新路，但目前藍綠激光器的體積過大，效率低，能耗大，尚不能用于無纜水下機器人。

⑵能源問題。有纜水下機器人一般不存在能源問題，但如果在深海作業(yè)，隨著電纜的增長，傳輸損耗也會增大。雖然可提高電壓和加大頻率，但會產(chǎn)生絕緣和安全問題。而對于無纜水下機器人，自帶供能模塊所存儲的能源量是限制其作業(yè)范圍的主要因素，可以考慮燃料電池，但目前在水下機器人中尚未得到應用，需要進一步研究開發(fā)。

⑶控制問題。有纜水下機器人的控制比較簡單，可由操作人員通過操作臺實現(xiàn)人機交互控制。但水下機器人在水中的運動有六個自由度，它本身是一個強耦合的非線性系統(tǒng)，加上局部水流方向、流速都是無規(guī)則變化的，動力定位控制系統(tǒng)的剛度很難滿足定點作業(yè)的要求，這有待進一步研究。無纜水下機器人由于信息傳輸問題而難以實現(xiàn)實時控制，往往要求實現(xiàn)自治式控制或智能控制。但由于控制對象為6自由度，交叉耦合、非線性、時變性都非常嚴重，因此其控制技術十分復雜，要進一步研究開發(fā)。

來源：《石油和化工設備》(2019年第5期)

轉自：溪流之海洋人生

作者：率鵬

總結

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