水下機器人在水利工程管理中應(yīng)用

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摘要：本文梳理了高港樞紐以往水下檢查存在的難點，介紹了新型水下機器人系統(tǒng)組成單元，結(jié)合在高港樞紐檢查水下建筑物和設(shè)備的應(yīng)用實例，歸納和分析了其功能特點，對水下機器人在水利工程管理中的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景進行了探討。

關(guān)鍵詞：水下機器人；水下檢查；水利工程管理

1研究背景

江蘇省泰州引江河高港樞紐是國家南水北調(diào)東線源頭之一，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110kV專用變電所等組成，年均向江蘇沿海調(diào)引長江水50多億立方米。泵站安裝立式開敞式軸流泵9臺套，采用雙層X型流道。節(jié)制閘設(shè)計流量440m3/s，調(diào)度閘和送水閘設(shè)計流量各100m3/s。高港樞紐以往對工程設(shè)施進行水下例行檢查時，主要依靠潛水員在水下用手進行探摸，因環(huán)境和工具等條件限制，只能對重點部位實施檢查，無法對工程全面檢查。而且工程有無異常情況或安全隱患全憑潛水員個人經(jīng)驗進行判斷，缺乏準(zhǔn)確可靠的材料支撐。當(dāng)水下設(shè)施出現(xiàn)異常情況需要緊急排查時，潛水員下水存在準(zhǔn)備周期長、所需專業(yè)設(shè)備多、連續(xù)工作時間短、檢查成本高等缺陷。有時還會面臨水下環(huán)境復(fù)雜多變，長江水質(zhì)渾濁，能見度低等安全問題。在處理故障時，技術(shù)人員只能依靠潛水員的描述或攜帶水下照相機（攝像機）拍攝的畫面進行大致判斷，有時需要多次操作才能解決故障。另外，高港泵站結(jié)構(gòu)為X型雙層流道，水泵主體均在水下，需要定期對各部件進行檢查。每次均需先組織人員安裝3~4臺潛井泵，打開檢修孔放泵排水，等流道排水結(jié)束后，再由技術(shù)人員進入流道檢查，工作量大、周期長、效率低。針對水下檢查存在的這些難點，高港樞紐根據(jù)工程特點，引進了一款水下機器人，用來檢查水下建筑物和設(shè)備情況。高港泵站流道如圖1所示。

2水下機器人組成

該水下機器人由四部分組成：岸上遠程遙控裝置單元、凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)、水下機器人單元和軟件應(yīng)用程序。

2.1岸上遠程遙控裝置單元

遠程遙控裝置使用PLC信號傳輸，通過線纜實現(xiàn)與水下機器人之間的通信控制。該遙控裝置集成WiFi模組，可與手機平板等終端設(shè)備無線連接，把接收到的水下視頻、溫度和深度等資料傳輸?shù)浇K端設(shè)備，實時呈現(xiàn)水下場景，實現(xiàn)可視化控制。

2.2凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)

此線纜用于岸上遙控器與水下機器人之間的通信連接，保證視頻回傳信號和機器人控制信號傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。

2.3水下機器人單元

針對長江水流湍急，普通機器人水下難以持續(xù)定點作業(yè)的缺點，該水下機器人專門配置了9軸姿態(tài)傳感器，可以偵測到機器人X\Y\Z三個維度的位置信息，MCU控制芯片接收到信息后配合軟件算法，可實現(xiàn)多維度運行姿態(tài)的實時偵測與調(diào)整，能解決擾流帶來的運行不穩(wěn)問題，確保機器人在水深30米范圍內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定的工作?？刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

2.4軟件應(yīng)用單元

在各個終端設(shè)備上的UI交互界面簡易方便，可實現(xiàn)零門檻操控水下機器人。

2.5針對高港樞紐下游長江水體渾濁，能見度低的特點，水下機器人加裝了4000流明LED補光燈，提供8檔可調(diào)補光，保證水下觀測畫面明亮清晰。水下機器人主體如圖3所示。

3應(yīng)用實例

3.1利用水下機器人檢查水泵水下部件

高港樞紐安裝葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9臺（設(shè)計流量35m3/s，設(shè)計揚程4m），流道結(jié)構(gòu)為雙向X型，底層為進水流道，上層為出水流道，通過閘門控制可雙向運行，向外排澇，向內(nèi)灌溉。9臺水泵機組主要受力轉(zhuǎn)動部件位于水下且水泵運行載體為流體,機組運行時不但存在機械旋轉(zhuǎn)振動,還會受到水流脈動和氣蝕振動等影響,為確保機組運行的安全性和穩(wěn)定性，水下部件的定期檢查尤為重要。2018年，高港樞紐首次利用水下機器人進入流道檢查水泵水下部件。技術(shù)人員結(jié)合X形流道結(jié)構(gòu)圖，事先規(guī)劃好最佳行走路線，確定檢查方案。根據(jù)超短基線定位系統(tǒng)，分塊分段全面細致地檢查了水泵水下部件。畫面清晰顯示所有部件螺栓緊固完好，金屬部件表面少許銹蝕在允許范圍內(nèi)。整個檢查過程僅需2人操作，用時45分鐘。與此前檢查需要近10人放泵排水，耗時2天相比，節(jié)省了大量人力、物力和時間。

3.2利用水下機器人檢查閘門止水

閘門是水工建筑物的重要組成部分,閘門止水也是不可缺少的裝置，安裝設(shè)計不合理,可能會造成閘門損壞、閘門漏水、振動、銹蝕和冬季結(jié)冰卡阻等，由此可見閘門止水是保證閘門能否有效地擋洪、引水，充分發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵。閘門運行工需定期檢查閘門止水的整體性，檢查止水是否有斷裂或撕損、材料老化現(xiàn)象，檢查閘門止水與止水座板是否緊密，止水座板有無變形，固定螺栓有無銹蝕松動。2019年，值班人員在巡視過程中發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘閘門水下存在水泡和異響，懷疑閘門底部止水或門槽可能存在破損。技術(shù)人員操控水下機器人潛入水底檢查，發(fā)現(xiàn)止水與門槽結(jié)合部位有大量水泡翻騰，靠近觀察確定止水已局部破損。單位立即安排人員對閘門止水進行及時維修，確保了工程安全。相比以往需要等待潛水員下水摸查，水下機器人確定故障位置快速準(zhǔn)確，傳送實時畫面清晰。

3.3利用水下機器人檢查水下水工建筑物

水工建筑物經(jīng)常承受著水的作用。擋水建筑物承受著一定的水平靜水壓力、風(fēng)浪壓力、浮力、地震動水壓力以及滲流產(chǎn)生的滲透壓力，對建筑物的穩(wěn)定性影響極大，水流滲入建筑物內(nèi)部及地基中，還可能產(chǎn)生侵蝕和滲透破壞；泄水建筑物的過水部分，還承受著水流的動水壓力，高速水流還可能對建筑物產(chǎn)生空蝕、振動以及對河床產(chǎn)生沖刷，存在安全隱患。故應(yīng)定期對水下水工建筑物進行檢查。2020年，汛前定期水下檢查時，潛水員經(jīng)探摸發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘長江側(cè)翼墻與岸墻伸縮縫的填料疑似部分缺損，混凝土表面可能存在剝落，但因長江水質(zhì)渾濁，難以判斷具體情況。為查清有無上述問題，技術(shù)人員利用水下機器人對疑似區(qū)域進行了檢查。在水流較快、干擾較大的情況下，技術(shù)人員短短幾分鐘就成功操控水下機器人到達指定位置，利用LED補光燈和高清攝像頭，經(jīng)查看確認填料無缺損，混凝土表面完整，工程完好。

4功能特點

4.1提供實時畫面，實現(xiàn)技術(shù)支持

水下機器人可對水下建筑物和設(shè)備等進行長時間全面拍攝，提供高清視頻，如圖4所示可供多人同時在線分析，使技術(shù)人員對水下工程的狀況、發(fā)現(xiàn)的病險隱患及其嚴(yán)重程度有直觀的了解，從而能快速做出準(zhǔn)確判斷。

4.2操作快速便捷，安全經(jīng)濟高效

水下機器人在水面或水體中行進速度快，能快速下潛或上浮，能實現(xiàn)定速巡航，作業(yè)時間長，操作方便。相比之前潛水員工作準(zhǔn)備時間長，所需專業(yè)設(shè)備多的缺點，水下機器人的引入，大大減少了工作量和成本，提高了工作效率和安全性。

4.3方便資料收集，提升管理水平

水下機器人檢查畫面自動存儲，結(jié)果同步保存，能夠獲得水下工程設(shè)施直觀具體的影像資料,方便各類檢查資料的收集,利于技術(shù)人員進行分析研究，提升了工程管理科技水平。

5結(jié)論

水下機器人在高港樞紐水利工程管理中的應(yīng)用，較之前潛水員作業(yè)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。其直觀、高效、靈活、安全、可靠，減少了水下檢查的工作量，提高了工作效率，能獲得準(zhǔn)確可靠的檢查結(jié)果。使技術(shù)人員對水下工程的狀況有了直觀了解，為工程管理提供了技術(shù)支撐，進一步保障了水利工程的安全運行，未來水下機器人在水利工程中的應(yīng)用會更加智能化。

參考文獻

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作者:干佳馨 陳擎環(huán) 單位:江蘇省泰州引江河管理處