海底檢測(cè)技術(shù)在過(guò)去的數(shù)年有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但海底作業(yè)效率和成本一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一，再加上海底基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的猛增，對(duì)海底資產(chǎn)普查的方法需要不斷創(chuàng)新，解決方案既要改善成本效率，還要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并且能夠引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)平臺(tái)。
為此，我們開(kāi)發(fā)了C19型快速ROV--海底快搜獵頭鯊，其檢測(cè)效率可以達(dá)到傳統(tǒng)ROV的2倍，也兼顧AUV的很多優(yōu)點(diǎn)，還毋需拿上拿下來(lái)回充電＋后處理，不容易丟，是當(dāng)前中淺海最理想的的海底快搜模式，一個(gè)航次，省下的船費(fèi)就很令人心動(dòng)。
就海洋作業(yè)而言，降本增效是必要的前置條件，為此我們開(kāi)發(fā)了這款兼顧ROV和AUV優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合產(chǎn)品。C19型快速ROV幾乎可以搭載大部分的聲學(xué)設(shè)備，各種聲吶傳感器，還可以搭載高清攝像頭、靜態(tài)照相機(jī)，包括管纜搜索器，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、在線處理，發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)可以立即停船，被動(dòng)拖航和主動(dòng)搜索立即轉(zhuǎn)換，是水下比較理想的海洋儀器平臺(tái)，它在水聲儀器和海底檢測(cè)之間搭起一個(gè)很好的橋梁，提高了海底檢測(cè)、搜索的效率。
C19型快速ROV可對(duì)海底的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)收集、處理和視像化，并為搜索、測(cè)量、物探和地質(zhì)工作提供快速服務(wù)，尤其適合海上油氣、風(fēng)電等的海底管纜維護(hù)檢測(cè)，甚至是海底軍事搜索。能夠長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行高效水下作業(yè)，臍帶控制水下ROV有效運(yùn)行。流線型的動(dòng)力外形有效降低了水流阻力，被動(dòng)拖曳和主動(dòng)搜索兩種模式即時(shí)轉(zhuǎn)換，被動(dòng)拖曳時(shí)在5節(jié)水流下也具備良好的水下深度、姿態(tài)、航向控制能力。
海底管道是海上油氣田的重要組成部分，由于長(zhǎng)期在海洋復(fù)雜環(huán)境下工作，易受漁業(yè)活動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害等各種復(fù)雜因素影響，出現(xiàn)懸空、平面位移、管體損傷等情況，因此準(zhǔn)確探明海底管道的狀態(tài)和位置，可用來(lái)預(yù)防和排除海底管道的安全隱患。
傳統(tǒng)的水下管道檢測(cè)方法是使用DP2支持船和工作級(jí)ROV，通過(guò)拖曳式側(cè)掃聲吶或淺剖，用ROV定點(diǎn)檢查的工作模式。由于ROV框架式的方外形阻力很大，水下速度只能在1.5節(jié)以下，并且在強(qiáng)海流條件下容易受到干擾，調(diào)查活動(dòng)完后造成的船舶和人員耗費(fèi)巨大。深海采用自主水下航行器AUV近底檢測(cè)已經(jīng)很成熟，但價(jià)值不菲且容易丟失，功能也不如ROV可靠。另外，一般較小的自主水下航行器不適宜安裝大型傳感器，如管道跟蹤器對(duì)導(dǎo)航精度有很高的要求，仍然離不開(kāi)母船支持，并且需要來(lái)回充電和讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行后處理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再回到疑點(diǎn)處采用ROV復(fù)查。
采用快速ROV可以以5節(jié)的速度進(jìn)行拖航檢查，并且能適應(yīng)6節(jié)航速度進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸，可以適應(yīng)最高6級(jí)的惡劣海況，作業(yè)窗口期大為延長(zhǎng)。
二、作業(yè)方法
采用側(cè)掃、淺剖和傳統(tǒng)ROV攝像，ROV在清水區(qū)搭載高分辨率攝像機(jī)和超高解析度靜態(tài)照相機(jī)，在渾水區(qū)采用三維成像聲吶。配備UHD超高解析度靜態(tài)照相機(jī)、4K高分辨率攝像機(jī)和水下三維前視聲吶，能提供更好的管道勘察的數(shù)據(jù)，形成更快速得數(shù)字圖像，見(jiàn)下圖所示。
快速ROV巡檢效果圖
作業(yè)流程通常是先使用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀采用大量程低分辨率對(duì)路由區(qū)進(jìn)行“普掃”，發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)再采用小量程高分辨率進(jìn)行“精掃”，然后降低高度進(jìn)行探測(cè)，甚至從兩側(cè)沿著海底慢慢抵近觀察，獲得靜態(tài)清晰資料，通過(guò)對(duì)比管道位置變化，判斷管道可能存在的問(wèn)題和具體位置。如果管道沒(méi)有裸露，具備一定埋深，可以配裝TSS440貼底爬行進(jìn)行檢測(cè)。采用TSS440同樣可以探明其它埋入泥沙的金屬或者導(dǎo)電物體。
C19型快速ROV幾乎可以搭載所有形式的調(diào)查傳感器，以較快速度進(jìn)行測(cè)量，更具備優(yōu)勢(shì)的是在線實(shí)時(shí)顯示功能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可隨時(shí)切換成局部多角度精細(xì)檢查，完成后也可隨時(shí)切換成路徑普掃。搭載TSS440的C19型快速ROV見(jiàn)下圖所示。
搭載TSS440的正視圖
搭載TSS440的側(cè)視圖
搭載TSS440的C19型快速ROV的腹部特寫
三、主要技術(shù)特點(diǎn)
C19型快速ROV是專門為中淺海、渾濁、激流水域設(shè)計(jì)的一種快速巡檢海底管纜的水下機(jī)器人，為了提升水下檢查速度，C19型快速ROV在設(shè)計(jì)上做了以下技術(shù)改正：
⑴快速ROV兼顧普通ROV和AUV兩者特點(diǎn)，AUV的外形，ROV的操控，效率大為提高。
⑵具備快檢和細(xì)查兩項(xiàng)功能，一個(gè)航次既可查清問(wèn)題，節(jié)約工期和出海費(fèi)用。
⑶減少海水阻力，C19型快速ROV將外形設(shè)計(jì)成飛機(jī)一樣流暢的水動(dòng)力布局，推進(jìn)器進(jìn)水通道布局合理。管道聲學(xué)測(cè)量工作設(shè)計(jì)時(shí)速5節(jié)，可以適應(yīng)最高6級(jí)惡劣海況，為普通ROV或者AUV檢查速度的2～3倍。
⑷采用碳纖維外殼，輕而堅(jiān)固，便于上下船吊放作業(yè)。
⑸實(shí)時(shí)在線檢查提供海底檢查數(shù)據(jù)，遙測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖同步傳輸至水面監(jiān)控站。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)停車投入定點(diǎn)詳細(xì)檢查，細(xì)查結(jié)束又可馬上恢復(fù)快檢。
⑹光纖傳輸，信息和數(shù)據(jù)的傳遞和交換帶寬大，采集的資料質(zhì)量高。
⑺為了有效控制水下高度的穩(wěn)定，采用核潛艇的上圍殼設(shè)計(jì)，布置可調(diào)水平翼和方向舵，隨時(shí)根據(jù)海底測(cè)距聲吶數(shù)值調(diào)整水平翼和方向舵角度，像飛機(jī)一樣在海中流暢穿行。主動(dòng)搜索和被動(dòng)拖曳時(shí)方向舵可以360°適應(yīng)轉(zhuǎn)向。
⑻前段設(shè)彈性防撞導(dǎo)流罩，減少阻力，防止不小心撞壞。
⑼底面下開(kāi)設(shè)不同部位的孔槽，方便安置不同功能傳感器。同時(shí)安裝多個(gè)傳感器，一個(gè)航次解決很多問(wèn)題。
⑽配備10個(gè)大推力螺旋槳。其中 4個(gè)水平矢量布置，負(fù)責(zé)前后、左右等水平方向任一角度平動(dòng)，還可左右轉(zhuǎn)彎；另外4個(gè)垂直布局，負(fù)責(zé)上下升降移動(dòng)，還可調(diào)整本體爬升俯仰姿態(tài)，水中定點(diǎn)詳細(xì)探查時(shí)具備穩(wěn)定懸停能力。后置兩個(gè)加強(qiáng)前行推力。
⑾復(fù)雜的多推進(jìn)器設(shè)計(jì)，在軟件的輔助下，可有效克服海流對(duì)拖體造成的偏航影響。
⑿設(shè)計(jì)成飛機(jī)起落架外形的海底爬行履帶，可以在背部4個(gè)垂直推進(jìn)器的作用下形成抓地力，依靠履帶附著海床上抵近觀察，形成穩(wěn)定清晰的錄像畫面。一些受破壞的海域可能存在強(qiáng)水流。本機(jī)還可以在4個(gè)水平矢量推進(jìn)器和尾端2個(gè)加強(qiáng)推進(jìn)器的綜合作用下，抵御強(qiáng)水流。
⒀重心和浮心布局合理，適應(yīng)水下高速穩(wěn)定航行。
⒁采用控制軟件，可以原地轉(zhuǎn)彎和左右移動(dòng)，并可精準(zhǔn)控制離地高度，能修正航向?qū)?zhǔn)測(cè)線，大量節(jié)省了轉(zhuǎn)彎和對(duì)準(zhǔn)測(cè)線時(shí)間，測(cè)量精度高。
⒂三維圖像模型還可以使用戶更好地了解管道及其附屬結(jié)構(gòu)與海床的關(guān)系，給施工修復(fù)帶來(lái)極大方便。
⒃可以搭載更多的傳感器。包括以往的傳感器（MBES，SSS，HD攝像機(jī)，管道跟蹤器）和新傳感器（UHD靜態(tài)攝像機(jī)，激光標(biāo)尺，三維激光成像儀，超高清攝像機(jī)）等。
⒄動(dòng)力充足，可滿足復(fù)雜的探測(cè)設(shè)備和較大的作業(yè)供電。
抵近觀察，拍攝三面同步高清影像效果（圖片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)）
四、設(shè)備組成結(jié)構(gòu)
1
產(chǎn)品配置
⑴水深耐壓等級(jí)：500米；
⑵推進(jìn)器數(shù)量10個(gè)，水平4個(gè)，垂直4個(gè)，后尾加強(qiáng)2個(gè)；
⑶海底爬行履帶2條；
⑷拖纜長(zhǎng)度：標(biāo)配1000米(可根據(jù)要求加長(zhǎng)至2000米)；
⑸搭載能力：（空氣中凈重）60Kg；
⑹總功率：220/380V 20KW；
⑺體積尺寸(mm)：2580×960×730(長(zhǎng)×寬×高)（高度不含天線）；
⑻前進(jìn)推進(jìn)力：100kgf；
⑼垂直推進(jìn)力：60kgf
⑽空氣中重量：約350KG；
⑾配備前視主攝像頭：4路200萬(wàn)實(shí)時(shí)無(wú)延遲高清低照度星光級(jí)彩色攝像頭；
⑿高清攝像頭：超高清4K攝像機(jī)；
⒀高清照相機(jī)：超高解析度靜態(tài)照相機(jī)
⒁水下閃光燈：兩側(cè)分布共2路；
⒂照明系統(tǒng)：4路高亮度LED汽車級(jí)遠(yuǎn)光大燈；
⒃控制箱顯示器：飛利浦19寸高清顯示器 2個(gè)（1主控，2參數(shù)）；
⒄配套光電復(fù)合纜拖曳能力：3噸；
⒅配套光電復(fù)合纜破斷能力：6噸。
2
結(jié)構(gòu)組成
1、前端左右旋轉(zhuǎn)照明攝像裝置；2、三維前視聲吶；3、海底測(cè)距聲吶；4、淺地層剖面儀；5、激光標(biāo)尺；6、閃光燈；7、后端左右旋轉(zhuǎn)照明攝像裝置；8、超高解析度靜態(tài)照相機(jī)；9、超高清4K攝像機(jī)。
腹部搭載設(shè)備示意圖
10、防撞導(dǎo)流罩；11、垂直推進(jìn)器；12、ROV本體；13、起吊鉤；14、垂直穩(wěn)定翼；15、方向舵；16、調(diào)控水平翼；17、水上衛(wèi)星定位；18、尾拖加強(qiáng)板；19、矢量水平推進(jìn)器；20、控制拖纜；21、加強(qiáng)推進(jìn)器；22、海底爬行履帶；23、兩側(cè)平衡附體。
C19水下機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)圖
五、搭載設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景
巡檢油氣管線性價(jià)比比較好的方案是粗掃采用掛側(cè)掃聲納＋淺地層剖面儀等聲學(xué)設(shè)備，也可考慮增設(shè)三維前視聲吶。細(xì)查采用抵近觀察，清水區(qū)用超高解析度靜態(tài)照相機(jī)拍照，同時(shí)用超高清4K攝像機(jī)進(jìn)行視頻拍攝，渾濁區(qū)只能用兩維或者三維前視聲吶。埋深較深時(shí)可考慮掛載TSS440管纜跟蹤器。下面就來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明三類搭載設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。
⒈
側(cè)掃聲納
側(cè)掃聲納主要用于探測(cè)出露和懸空的海底管道。
⒉
淺地層剖面儀
淺地層剖面儀生成的圖像可用于識(shí)別淺部地層產(chǎn)狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各種淺層災(zāi)害地質(zhì)因素，而且還能夠判斷海底管道等埋藏物與海床的空間位置關(guān)系，確定其埋藏深度或裸露高度。
海底底質(zhì)、氣水界面、外界噪聲、海況等多種海上環(huán)境因素對(duì)探測(cè)效果有較大影響。有人實(shí)踐證明，使用淺地層剖面儀探測(cè)管徑小于101.6mm的管道效果較差。在探測(cè)直徑較小或者埋深較大的管道時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低船速、降低距離海底高度，一般距離海底4～8m為宜，調(diào)查過(guò)程中拖纜長(zhǎng)度應(yīng)大于探測(cè)深度的3倍以上。
⒊
TSS440管纜探測(cè)器
TSS440管纜跟蹤器是世界上先進(jìn)的海底管道、海底電纜跟蹤器之一，又叫探測(cè)器、定位器，是一種采用電脈沖感應(yīng)原理的水下金屬探測(cè)工具，在水下能找到埋地10米的金屬管道或者電纜。其特點(diǎn)是工作要盡量貼近海底，最好是0.5米以內(nèi)，探測(cè)器與本體最好保持2米以上距離，而且有嚴(yán)格的導(dǎo)航精度要求，因此沿著海底穩(wěn)定爬行非常必要。
TSS440是一種在金屬探測(cè)方面比較創(chuàng)新的發(fā)明，無(wú)所謂金屬，甚至可導(dǎo)電的其它物體是否暴露或者埋藏在海地面以下，都可以探測(cè)到。工作原理是通過(guò)向三組線圈發(fā)送交變的電流，產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，感應(yīng)被探測(cè)金屬上產(chǎn)生交變電流，從而在金屬周圍又會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，又可以反過(guò)來(lái)感應(yīng)440上的的三組線圈，通過(guò)探測(cè)3個(gè)通道各誘發(fā)交變電流的大小，可以決定金屬相對(duì)水下機(jī)器人的位置。事實(shí)上線圈感應(yīng)的是線圈到金屬的距離，而安裝的高度計(jì)感應(yīng)的是高度計(jì)到海地面的距離，只要預(yù)先輸入線圈到高度計(jì)的距離補(bǔ)償，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的加減計(jì)算出電纜到海地面的距離，也就是金屬的埋設(shè)深度。
TSS440顯控軟件界面
六、搭載淺底層剖面儀探測(cè)的施工流程
作業(yè)前，根據(jù)施工圖坐標(biāo)進(jìn)行拖船的路徑規(guī)劃，將ROV吊放至工作海域，拖放入軌正常后通過(guò)ROV頂部的北斗信號(hào)裝置進(jìn)行位置校準(zhǔn)，進(jìn)行快速普掃，根據(jù)需要釋放合適長(zhǎng)度拖纜，并設(shè)定離地工作高度，然后自主走航測(cè)量掩埋管線。當(dāng)普掃時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑點(diǎn)，即刻停船，操縱拖船上的纜車釋放合適長(zhǎng)纜，控制ROV向后航行至可疑位置，緩慢降低高度，對(duì)疑似區(qū)域盤旋攝像，然后在一側(cè)落地，并背部噴水產(chǎn)生向下抓地力，用履帶驅(qū)動(dòng)，慢慢靠近進(jìn)行精細(xì)拍攝；拍完后起飛，落到另一側(cè)，同樣履帶驅(qū)動(dòng)進(jìn)行精細(xì)拍攝，這樣既可獲得詳盡的清晰錄像資料。然后升空至合適離地高度，繼續(xù)開(kāi)動(dòng)拖船進(jìn)行普掃。普掃結(jié)束，回收ROV到船上。
快速ROV可以在多種測(cè)量方法之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只需要對(duì)傳感器配置進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器解決多種問(wèn)題。這種切換非常簡(jiǎn)單，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)相機(jī)俯視角度，降低機(jī)器的高度，在快速高清攝像模式和三維激光成像模式之間切換，或者增設(shè)管線跟蹤器，可以無(wú)縫地從局部管道檢測(cè)模式切換到普掃路徑檢測(cè)。
七、施工中需要注意的問(wèn)題
海底巡查采用水面船拖曳，其拖纜底端的拖體要保持在距海底5米的高度上航行，拖纜的長(zhǎng)度一般應(yīng)為深度的3倍。對(duì)于300m的水深，其拖纜長(zhǎng)1000。在這樣長(zhǎng)的拖纜下，拖體容易受海流影響偏離預(yù)定航線。偏移距離甚至可達(dá)幾十米，會(huì)偏離預(yù)期探測(cè)目標(biāo)。當(dāng)海底起伏不平時(shí)，要適當(dāng)降低船速，提高距海底的高度。高度增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)變差；高度減少，將限制其探測(cè)的交叉覆蓋率，并增加與海底碰撞的危險(xiǎn)。要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活掌握。
新進(jìn)的調(diào)查技術(shù)也同樣帶來(lái)了新挑戰(zhàn)，通過(guò)快速ROV高速度獲取的大量數(shù)據(jù)，要保持高注意力的跟蹤，以便跟上檢測(cè)速度，同步準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別并做出提示，以及去除大量無(wú)效重復(fù)信息。
快速巡檢ROV示意圖
快速ROV希望能幫助您迅速完成海洋探查和海洋信息搜索，為您的海洋科學(xué)研究提供有效的技術(shù)檢測(cè)手段和好用裝備。
【圖片說(shuō)明】配置TSS440系統(tǒng)的插圖為升級(jí)版，突顯了方向舵和短基線水聲定位系統(tǒng)SBL，采用了不同顏色加以區(qū)分；配置TSS440系統(tǒng)的快速ROV沒(méi)有對(duì)應(yīng)配置動(dòng)畫。少量資料和圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了適應(yīng)的剪裁。
