浅析国产小型水下机器人在水下救助打捞中的应用

为提高国产小型水下机器人在水下救助打捞中的应用水平，尤其是水域应急救援情况下的水下搜寻打捞效率，本文对国产水下机器人的发展、特点、组成等进行了介绍，并对在国内应急救援事故中用到的水下机器人系统技术、声呐探测技术、水下打捞工具等进行了简要分析。通过分析，在水下救助打捞领域对国产小型水下机器人提出了要求，为其研究指明了方向。

  p4 W: C' R. i2 Y* N! o4 `

国产小型水下机器人发展

  B( d+ u/ `" L$ H& h- k国际上水下机器人的研制一般追溯到20 世纪中期，1966 年，一台名为“CURV-1”的水下机器人和载人潜水器配合，成功在海上搜寻并打捞到了丢失在海底的氢弹受到人们关注，自此水下机器人的研究工作在世界范围内展开。我国水下机器人的研究工作开展较晚，始于上世纪70年代，与欧美国家相比我国水下机器人研发技术一直处于较为落后的状态。1980 年代，中科院和上海交大联合研制的“海人一号”ROV，首次潜水深度199m，它是我国独立自主研发的第一台水下机器人。直至20世纪末期，由于水下机器人涉及的诸多核心技术与国外的差距，且国内对水下机器人的了解和应用需求较少，因此国产的水下机器人并不多，主要集中在国内极少数的的科研院所。近年中国提出“海洋强国”战略，国家战略及资金均向高端海洋装备倾斜，同时国内许多涉水单位对无人化的水下机器人设备的认知和需求不断增强，水下机器人的研发制造发展迅速，众多高校、科研院所和一些高科技企业都投入到水下机器人的研发和制造领域。2000年后，国内部分高校与一些高科技公司开始了小型水下机器人研发工作，开始研发小型、微型水下机器人设备。小型水下机器人重量一般在20kg～100kg，前进推力普遍在 20kgf～100kgf；整套系统可以适合2人～3人在野外实施布放，进行水下作业。该类水下机器人因其便携性、实时性、抗水流性、长时间作业等特点使其在水下搜救打捞等方面得到了广泛的应用。本文主要探讨国产小型水下机器人在水下救助打捞中的应用。

( _% e& |* r% Z+ f, W

国产小型水下机器人的特点

# [4 c8 u, K2 j7 _（1）便利性好
4 B  f" r: c6 C1 ?, o作业级水下机器人整套系统重量为百吨级，在应急救援的情况下在内陆运输相当不便，且作业时需要较大的作业母船，在内河、内陆水库的救助打捞过程中，调遣、布放、使用存在较大问题。而国产小型水下机器人水下平台基本在100kg以下，整套作业系统不超过200kg，可以较快的进行调遣，同时可以在岸边或小型船只甚至快艇上进行布放及水下操作，极大地提高了使用的便利性。

（2）可定制化
在国际局势瞬息万变的今天，国外对中国的技术封锁愈加严峻，相关技术沟通趋于停滞。但相对于国产小型水下机器人而言，我国科研单位掌握着全部核心技术，在相关的具体应用中，国内科研单位可以对水下机器人进行定制化改造，使其更好地适应我国国内用户的要求和使用环境。
& r1 @" B, O; c) K( _
（3）经济性好
7 T0 C1 P" Y* |; B8 E2010 年以前，在国内水下检测、搜救打捞领域有过应用的小型水下机器人基本为VideoRay、Sea⁃botix、OceanModule等国外的小型水下机器人，该类小型水下机器人存在价格昂贵、动力较弱、维修时间长的缺点。而国产小型水下机器人在采用较大推力的动力系统的情况下，普遍价格是同级别进口水下机器人的一半，且后期维护周期短、价格低。其性价比高，将有利于产业用户的使用，极大地推进了小型水下机器人在各行各业的应用。
4 r7 O2 Z/ k& v
% i7 J- U# Y* d) c( t% q: T$ E/ N) R

典型国产小型水下机器人的组成

- f1 j; a/ H! M3.1 水下机器人的系统组成组成
水下机器人作为水下的无人遥控潜器，水下潜器通过脐带缆放到水下进行拍摄或作业，在岸上或船上的控制箱或控制室采集水下视频或其他信息。系统一般由水下潜器、岸上控制平台和传输信息用的脐带缆（零浮力缆或铠装缆）组成，大型或作业级水下机器人通常还会有专门布放的LARS系统和负责减轻船只浮沉对潜器影响的中继（TMS）系统。

目前水下潜器通常为框架式架构，框架一般由高强度的钢材或工程塑料组成，配备多个水下大推力推进器，可以在水下 12000m 处的深度进行自由运动。水下潜器在内置多种传感器的基础上会配备水下摄像头、灯光、大推力水下推进器、大型多功能水下液压机械手及水下声学定位装置，多系统协作完成水下探测或打捞任务。其中能够潜深3000m或6000m的大型或作业级水下机器人均采用液压动力工具，且内部为油封，其系统总重约为100t左右，需要专业母船支持才可以进行水下作业。

4 U6 T3 P+ T7 v3 m3.2 典型国产小型水下机器人的组成
小型水下机器人的系统组成通常较为简单轻便，一般只有水下潜器、零浮力脐带缆、岸上控制箱。其水下潜器框架均为高强度的PP材料，可以极大地减轻整体重量；水下潜器仅配备水下电驱推进器、摄像头、灯光及内置深度、温度、方向传感器等。小型水下潜器一般还会集成体型轻巧的二维图像声纳系统，声呐对声音的回波进行处理，生成相应的声纳图像，这样水下机器人就能在内陆湖泊等水质较差或者远距离的情况下实现对水下目标物的辨识和显示。
1 d- n- |/ \1 ~国产小型水下机器人的岸上控制平台通常较轻，用 220V～380VAC 电源输入即可，负责监控水下运动平台，通过传感器感知水下温度、深度等信息，为水下机器人的控制提供可靠依据，并对水下潜器进行远程遥控。
6 H1 y4 k: C, Y& X
/ E% g  P4 F1 W0 A: d典型国产小型水下机器人组成如图1所示。
* y- g7 d# P6 f8 ~

岸上控制平台需要通过零浮力脐带缆将电源、控制信号传输至水下潜器。零浮力脐带缆在淡水中呈现零浮力的特性，可尽可能减轻其对水下运动平台的拖拽。小型水下机器人的脐带缆为同轴线缆，通常由同轴缆芯、抗拉层、浮力层等组成，使用过程中操作人员可以直接使用脐带缆对水下机器人进行拖拽回收。


2 I+ F2 I4 ]& b

水下救助打捞应用案例分析

; |) b% C, O3 [4 _: W. ]$ b4.1 唐山潘家口水库“失联潜水员”搜救
2017 年 9 月，河北唐山潘家口水库，GUE 两名潜水员在水下长城探索项目中失联。事故12天后，国产型江豚水下机器人（ROV）成功在水下60余m处找到两名失联潜水员。水下机器人搜索路线如图2所示，失事潜水员水下图像如图3所示。

事发水域为水库，没有风浪。当发现疑似目标点后，水下机器人搭载定位和声纳探测传感器在疑似目标区域下水，通过声纳对该区域进行扫描，获得疑似目标物的相对位置后，操作水下潜器不断靠近疑似目标，直至水下潜器的摄像头观察到失联潜水员。失联潜水员声纳及视频图像如图4所示。

! ?+ Y& g3 ~$ E0 s! F  e1 F! r在该次搜救活动中，水下机器人下水后在疑似区域进行往复式搜索，通过超短基线确认水下机器人的行进路线。由于水下能见度较差，主要通过BlueViewM900型二维图像声纳对水下潜器周围进行实时探测。每次ROV转向到下一条搜索路线时，要保证声纳可以部分覆盖上一次路线区域，确保不会有遗漏。
6 H* [$ U7 d/ G经过长时间的搜寻后，水下机器人成功搜寻到两名失联潜水员，并通过摄像头直接观察确认失联人员。
  }, S5 {8 \3 `# R& `) V
4.2 重庆万州“1028”坠江大巴车搜救
+ f1 p0 q  I1 D$ e) [; ?: S! K$ ?2018 年 10 月 28 日，重庆万州发生重大交通事故，一大巴车在长江二桥附近坠入长江。事故发生后，武警、港航等部门派出10多艘专业船舶立即赶往事故江面，连夜展开救援工作。
车辆坠落处江水深 90 余 m，水下情况复杂，救援难度非常大，没有重潜设备潜水员根本无法下水搜寻。水下机器人的介入，辅助了救援工作的进行。10月29日上午，长江航道局携国产的“河豚IV-A”水下机器人及潜水装备到达事故现场执行打捞任务，利用声呐技术探测水下情况。技术人员在详细了解现场情况、确认了车辆的坠落点后，进行二维多波束声呐的安装及设备水下配平，经过仔细勘查后，找到了最佳的布放位置。
$ H; D* C' `* G水下潜器下潜到65m时，在声呐图上发现距离设备30m左右处有一个长方形的高亮点，操作手操作设备慢慢贴近目标，在接近疑似目标大概 2m 的位置，发现了车辆的黄色外壳、玻璃、车上的广告标语，确定为坠江车辆。
0 G/ x* E  O/ M9 E通过声呐扫描和摄像观察，发现车辆侧躺在水底，并以桥梁为参照物，最终于 29 日 18 时，水下机器人在水下80m处确定了车辆位置，并进入大巴车内拍摄到了清晰的水下画面。

回传的水下大巴车破损画面如图5所示。

0 B; x+ s5 \# M, i

国产小型水下机器人在救助打捞行业浅析

水下机器人目前已经成为水下搜救打捞中不可或缺的技术力量，可以代替潜水员在水下救助打捞过程中完成很多水下工作，如水下搜寻、水下检测、水下清障、切割取样等，在深水环境或危险环境中，水下机器人的介入还会极大的减少潜水员的参与，降低潜水员的风险。近两年国产小型水下机器人技术不断成熟，水下机器人会更多的应用到国内的水下搜救打捞的任务中，主要原因有：（1）国产小型水下机器人的价格便宜
小型国产水下机器人相对于进口的大型、深海型水下机器人动辄几百甚至数千万元来说，从数十万到一百多万不等，价格降低较多，很多单位都可以配备。
（2）国产小型水下机器人的操作系统更加符合国人的操作习惯
- b/ Q7 U5 o3 ?$ W+ q" p0 k5 w; m# G它是全中文化系统，可以更快地培养专业操作人员，以便更快地界入突发的水下搜救打捞事故。
/ [) y' B* ^" V) [( L: D* D5 p7 u! ~（3）国产小型水下机器人技术支持响应及时
前些年进口的水下机器人，由于国外水下机器人公司到中国路途遥远，且受国际关系的影响，水下机器人出现问题时，技术支持远不能满足用户需求，而国产的水下机器人可以最快2小时内，最慢12小时到达用户现场。
（4）国内小型水下机器人可以定制化
! Q, R( b! i8 Q技术成熟的厂家可以为用户定制专用的水下机器人设备，根据用户的实际使用场景，专门进行定制化，更加方便用户使用，提高工作效率。

) d0 g0 S, D7 @6 k, D4 [2 O& a  Q9 y

结语

4 p( f( A% x* i3 q' V* D随着我国经济持续高速的发展，长江经济带的繁荣，海洋开发力度的不断强化，水上活动日益增多，将会给具有自主知识产权的国产小型水下机器人带来更大的市场。国产高新技术的介入，可以更强地扩展水下机器人的搭载能力，降低水下机器人的操作难度，而且智能VR技术的介入，使得未来水下机器人可以更加智能地完成水下救助打捞工作可以更好地服务于整个水下救助打捞行业，为我国长江经济带和海洋开发提供全面的应急救援保障，保证经济的持续发展。