海洋论坛▏海洋工程中水下机器人技术的创新与实践 - 海底污染清理设备

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一、引言

水下机器人是一种利用超声波传感器、声呐等仪器对水下的物体进行探测、定位和测量的设备，被广泛应用于海洋资源勘探、环境监测与保护、水下工程等领域，成为海洋工程建设和维护的重要技术手段之一。水下机器人系统由感知系统、通信系统、执行机构等组成，其核心是传感系统，目前主要采用声呐探测技术、视觉探测技术和激光测距技术等。声呐探测技术是一种被动感知设备，其探测深度较浅，而且需要一定的环境条件，如水深、流速等。视觉探测技术可以将图像转化为数字信号，然后传输到控制系统，进行图像处理和信息融合。激光测距技术通过测量目标物体与机器人之间的距离，来确定目标的位置、速度和运动轨迹等。水下机器人技术为海洋资源勘探、环境监测与保护以及辅助施工提供了有力的技术手段，尤其在海底管道检测、水下工程建设及海洋环境监测与保护方面发挥了重要作用。

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图片来自网络

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二、海洋工程中的水下机器人技术应用的优势

⒈提升水下工作效率

在海洋工程中，水下作业的难度和危险性较大，而水下机器人的应用则能够显著提高水下作业的效率。通过水下机器人，可以快速、准确地完成水下探测、定位、测量等任务，避免了传统水下作业中的人工操作，降低了作业难度，提高了工作效率。

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⒉实现自动化作业

水下机器人技术可以实现自动化作业，进一步提高了海洋工程的效率和精度。通过预设程序或远程控制，水下机器人可以自主完成各项任务，避免了人工操作的误差和不确定性，提高了作业的可靠性和安全性。

⒊降低施工成本

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与传统的人工水下作业相比，水下机器人的应用可以大幅降低施工成本。水下机器人可以在保证工作效率的同时，减少人力和物力的投入，降低工程成本。同时，水下机器人的使用还可以避免因人工操作失误造成的额外损失。

三、海洋工程中的水下机器人技术应用要点

⒈水下机器人的规划

水下机器人的规划是应用中的重要环节，需要根据实际需求和作业环境，对机器人的性能指标、结构形式、作业任务等进行全面规划。在规划过程中，需要考虑机器人的稳定性、机动性、作业精度以及可靠性等关键因素，以确保水下机器人能够满足实际应用的需求。

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⒉传感器技术

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在众多传感器中，声呐、摄像头和压力传感器是最常用的几种。声呐是一种利用声波在水下传播特性进行探测和通信的传感器。其在水下机器人中主要用于障碍物检测、地形测绘和目标跟踪等方面。通过声呐，水下机器人可以感知周围环境中的物体，并确定物体的位置和距离。声呐的优点是能够在各种水下环境中工作，而且不受光线和视线的影响。摄像头是另一种常用的传感器，主要用于图像采集和目标识别。通过摄像头，水下机器人可以获取水下环境的清晰图像，并利用图像处理技术进行目标检测、分类和识别。这对于水下考古、海洋生物研究和海底资源勘探等领域具有重要意义。压力传感器是用于测量水压的传感器，对于水下机器人的深度控制和导航至关重要。通过压力传感器，水下机器人可以实时感知自身的深度和位置，并进行相应的调整和控制。这对于保证水下机器人的安全和稳定性非常重要。

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⒊环境信息采集

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水下机器人需要具备环境信息采集的能力，以便对水下环境进行全面了解和分析。在应用中，需要采用多种传感器和测量技术，如声呐、光学成像、水温、盐度等测量技术，以实现对水下环境的全面感知和测量。同时，需要采用先进的数据处理和分析技术，对采集到的环境信息进行处理、分析和融合，以实现对水下环境的准确理解和描述。

⒋导航控制技术

导航控制技术作为水下机器人的关键技术之一，在机器人的定位和导航中扮演着至关重要的角色。水下环境复杂多变，对导航控制技术的要求极高。为了确保机器人能够在水下精准定位、稳定导航，必须采用先进的导航控制技术。惯性导航是一种基于运动学原理的导航方式，通过机器人的运动信息来推算位置和姿态，不依赖外部信息源，可以在水下长时间自主导航。GPS导航则是基于全球定位系统进行定位的导航方式。在水面或近水面环境中，GPS信号通常比较稳定，可以提供较高的定位精度。声呐导航则是利用声波在水中的传播特性进行定位和导航。声呐设备向周围发出声波信号，遇到障碍物或海底地形后会反射回声波信号，通过分析反射信号的时间和强度，可以确定机器人与障碍物或海底地形的距离和方位。声呐导航在水下具有较高的定位精度和稳定性，是水下机器人常用的导航方式之一。

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⒌遥控和自主模式的选择

水下机器人可以根据实际需求选择遥控模式或自主模式进行作业。在遥控模式下，操作人员通过远程控制系统对机器人进行直接控制；在自主模式下，机器人根据预设程序或智能算法自主完成作业任务。选择合适的作业模式可以提高作业效率、降低人工成本。

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四、水下机器人在海洋工程中的应用实践

⒈海洋资源勘探

随着科技的不断发展，水下机器人在海洋资源勘探中发挥着越来越重要的作用。这些机器人凭借其独特的性能和强大的功能，为人类深入探索海洋提供了强有力的支持。首先，水下机器人搭载的声呐、光学成像等设备，是探测海底地形地貌、矿产资源分布等情况的重要工具。这些设备能够准确捕捉海底信息，将复杂的水下世界清晰地呈现在人们眼前。通过这些数据，科学家们可以更准确地评估海洋资源的分布和储量，为未来的资源开发利用提供重要的数据支持。其次，水下机器人的灵活性使其可以根据任务需求进行定制化的传感器配置和导航控制。无论是深海热液喷口还是浅海珊瑚礁，水下机器人都能适应各种复杂的环境，完成各种精细的探测任务。这种定制化的配置不仅提高了勘探精度，还大大提高了作业效率，为海洋资源的开发利用提供了有力保障。此外，水下机器人还具有可持续性的优势。传统的海洋资源勘探方法往往会对海洋环境造成一定程度的破坏，而水下机器人可以在不破坏海底环境的情况下进行探测，从而保护了海洋生态的完整性。

⒉环境监测与保护

水下机器人在海洋环境监测与保护方面具有广泛的应用前景，可以作为人类的“海洋使者”，深入海洋的每一个角落，为海洋环境提供全方位的监测与保护。首先，水下机器人可以实时监测水下环境参数。通过搭载多种环境传感器，如水温传感器、盐度传感器、水压传感器和污染物浓度传感器等，水下机器人能够获取到水下的实时数据，为环境监测提供连续、可靠的数据源。这些数据不仅可以帮助科学家了解海洋环境的现状，还可以预测未来的变化趋势，为环境保护提供科学依据。其次，水下机器人还可以搭载相应的处理装置，对水下污染物进行就地处理。例如，油污分离器可以将水中的油污分离出来，水质净化器可以降低水中的污染物浓度。这些装置可以在水下机器人发现污染物时立即启动，降低对海洋生态环境的破坏。同时，这些处理装置的研发和应用，也提供了一种新的海洋污染治理方式，有望在未来得到更广泛的应用。此外，水下机器人还可以通过搭载高清摄像头和声呐设备等，对海底地形地貌、海洋生物等进行观测和研究。这些数据可以更好地了解海洋生态系统的结构和功能，为海洋生态保护和资源开发提供科学依据。

⒊辅助施工

在海洋工程建设领域，水下机器人技术已成为一项不可或缺的技术手段。由于海洋环境的复杂性和危险性，传统的人工潜水作业已经难以满足工程需求。而水下机器人技术的出现，为海洋工程建设带来了新的解决方案。在海底管道铺设过程中，水下机器人可以辅助进行管道定位、安装和焊接等工作。通过高精度的导航和定位系统，水下机器人能够确保管道铺设的准确性和稳定性，避免了传统人工潜水作业的风险和误差。同时，水下机器人的焊接技术也可以提高焊接质量，减少后期维修和维护的成本。除了海底管道铺设，水下机器人在海洋风电场建设中也有着广泛的应用。风机基础施工、电缆敷设等环节是风电场建设中的重要组成部分，但这些工作往往需要在深海中进行，难度极大。而水下机器人可以代替人工进行这些危险和困难的工作，提高施工效率和质量，同时也降低了施工成本和风险。

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五、海洋工程中的水下机器人实践案例分析

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⒈水下机器人在海底管道检测中的应用

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随着科技的不断发展，水下机器人在海底管道检测中发挥着越来越重要的作用。机器人不仅可以搭载声呐、摄像头等传感器，对管道进行全面检测，还能准确发现管道的腐蚀、破损等情况，为保障海底管道的安全运行提供了有力支持。在海底管道检测中，水下机器人首先会进行全面的声呐扫描，通过声波反射原理，对管道的外部结构和内部状况进行初步了解。一旦发现异常，机器人会立即调整探测角度和深度，进行更为细致的扫描。此外，水下机器人还可以搭载高清摄像系统，将管道内部的状况实时传输到控制中心，方便工作人员进行远程分析。这种技术的应用不仅提高了海底管道检测的效率和准确性，还极大地降低了人工检测的风险。在某海底管道检测项目中，水下机器人成功检测出管道的多处破损和腐蚀，为及时进行维修和更换提供了重要依据，避免了潜在的安全隐患和经济损失。除了检测功能外，水下机器人还可以搭载多种工具，如机械臂、钻头等，对管道进行清理、维修等作业。这使得水下机器人在海底管道检测领域的应用更加广泛，不仅可以用于新建管道的检测和验收，还可以用于在役管道的定期检测和维护。

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⒉水下机器人在海洋环境监测中的应用

在海洋环境监测领域，水下机器人发挥着越来越重要的作用。机器人可以搭载多种环境传感器，如水温传感器、盐度传感器、溶解氧传感器和浊度计等，对海洋环境进行全面监测。通过这些传感器，水下机器人能够实时收集海洋环境的数据，包括温度、盐度、溶解氧含量以及水质状况等。这些数据对于了解海洋环境的健康状况至关重要。例如，水温的异常变化可能表明海洋生态系统的异常，溶解氧含量的降低可能影响海洋生物的生存。通过实时监测这些数据，操作人员可以及时发现异常情况，并采取相应的措施。水下机器人的远程控制系统使得操作人员可以随时了解海洋环境的实时状况。借助先进的通信技术，操作人员可以在千里之外对机器人进行操控，获取实时的环境数据。这种远程操控的能力使得操作人员可以及时做出响应，对异常情况采取措施。在实践中，水下机器人的应用已经取得了显著的成果。例如，在某海域发生污染事故时，水下机器人迅速到达现场。通过搭载的传感器，机器人对污染物的种类和浓度进行实时监测，并将数据实时传输到地面站。这些数据为后续的污染治理提供了重要的支持，帮助人们更好地了解污染状况，制定出更加有效的治理方案。

⒊水下机器人在海洋工程建设中的应用

在海洋工程建设中，水下机器人应用范围广泛，能够辅助完成多种复杂的作业任务，如海底地形测量、桩基施工、管道铺设等。机器人通常搭载有多种传感器和施工设备，这将使其能够在水下环境中自主完成定位、测量、焊接等作业。通过使用水下机器人，人们可以降低人工操作的难度和危险性。在深海区域工作，不仅环境恶劣，而且充满未知的危险，因此使用机器人成为一种安全、高效的选择。此外，机器人通常都具有较高的作业精度和稳定性，能够显著提高施工效率和质量。在某海洋风电场建设中，水下机器人成功完成了风机基础的施工任务。这一任务的完成，不仅体现了水下机器人的技术优势，也证明了其在实际应用中的价值。通过精确的定位和测量，以及高效的施工能力，水下机器人能够大幅缩短施工周期，降低成本，并且保证工程的质量。除了在工程建设方面的应用，水下机器人还可以在海底考古、救援打捞等领域发挥重要作用。在考古方面，机器人可以帮助考古学家对海底遗址进行精确地定位和发掘。在救援打捞方面，机器人则可以在复杂的水下环境中进行搜寻和打捞工作，大大提高了救援效率。

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六、结束语

随着技术的不断进步和应用需求的增加，水下机器人技术将在海洋工程中发挥越来越重要的作用。未来，水下机器人技术将朝着智能化、自主化、集成化等方向发展，进一步提高作业效率和安全性。同时，随着海洋工程领域的不断拓展和深化，水下机器人技术的应用范围也将不断扩大，为人类探索和开发海洋资源提供更加有力的技术支持。

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【作者简介】文/汤张硕涵，来自浙江大学。文章来自《珠江水运》（2024年第6期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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