|
1 V8 b+ A4 b$ M2 O7 A: x( z; ?
像卫星探索宇宙空间一样，水下机器人是人类的眼睛和手臂在海底的延伸。下面我们将带你认识深水油气开发的利器——水下机器人。
$ _3 z# g$ n. ]5 D, r 海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道甚至是兵戎相见的战场，人类从未停止过对海洋的探索。但海洋环境复杂多变、海底压力巨大，千百年来深海对于人类来说依然是神秘的。
9 I7 m2 q N' f
, v2 U/ ?( U7 M1 M1 v9 d6 D: s △火星探测车“好奇号” , R5 h1 U- t6 _) k
+ s2 o$ d3 V, d" K/ `9 a4 Z% N
摩尔定律在科技领域是适用的，近年来水下机器人技术的快速发展，这使人类可以将视野深入海底、并实现测量数据、精细操作…… 7 L, ^. H- W N# X M
0 o0 K, G( @2 o' V, `
△1966年1月，全球第一个遥控水下机器人CURV1在西班牙海域856米水深处打捞起一颗失落的氢弹 5 \) u0 _( F4 @0 n1 V
4 I w) [8 U6 Z3 n$ K/ G' U. m △2014年8月，遥控水下机器人Victor 6000传回了位于3820米海底的泰坦尼克号残骸清晰照片 4 E3 N, E" W0 |, B( U2 P+ k# n# N
# g2 R/ u$ z5 r# j5 q) F3 q# } 一、标准定义
: l: Y/ B! g+ Z' O
4 F4 ~- p( f0 K1 n# ^ △Magna水下机器人能够检测海底管道 1 Q" `( ]. |/ }+ J, i- d- P; y
像卫星探索宇宙空间一样，水下机器人是人类的眼睛和手臂在海底的延伸。本期石油课堂将带你认识深水油气开发的利器——水下机器人。
4 g' F6 H7 b; p9 T1 u; z 一、标准定义
2 u1 q* R9 W8 D, V 水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控/自主操作方式、使用机械手完成水下任务的装置。
/ V, y* z# N4 X- M& w8 ?$ o
( e3 x- y! D# Y D4 A △小型观测水下机器人
3 }; g: e- |6 H' O' F! U
& d. r' q* r% T" u+ T& w# y △带有机械手的水下作业机器人
: v! @5 H1 O- n & d( j3 q& f. g9 e7 O+ I
△像鱼雷一样无缆自航的水下机器人 2 W" {& }0 s: f; V9 R8 q: B
$ F' \+ w- f. c3 E
△像螃蟹一样在海底行走的Crabster CR200水下机器人 , n6 p3 [, U; S+ ?) @7 N
* G) o: ?4 z' J3 T$ e* M △像坦克一样有履带的水下机器人 D7 \9 w" }( e8 a
$ b Q5 ~, o- V; y( Q. j8 h
4 r. R8 E7 A& E P' ?! J. Z3 k
△普京大帝乘坐水下机器人
% C. [8 \5 [' x2 O- c7 ` 二、水下机器人的分类
! g. [, `* ?8 J0 n& s- I 目前全球有270多种、1000多台水下机器人，按照使用方式可以分为载人潜水器HOV、自治水下机器人AUV、和有缆遥控机器人ROV三类。 - \$ ?" o9 D& ]+ y/ D4 s) F
& U# @' t# `5 H* M2 m) j
△多种水下机器人协同作业
' D1 U0 I; t. U7 ? 1.载人潜水器HUV载人潜水器相当于小型潜水艇，可运载工作人员进入深海，操作机械手开展各种复杂的水下考察、打捞、采样等活动。 ! Q% _* {- P0 {- w4 o
/ ]" O, `0 o" v# D+ k t; S5 x4 r4 m △“蛟龙”号最大下潜深度达7062米，它承受的水压相当于一个小手指头的面积上施加700公斤的压力 / U5 l# p4 ?5 K# a( J! ?+ w1 i/ S& R
除“蛟龙”号外，目前全球拥有6000米以上深潜能力的HUV还有：
8 s; K1 q/ a& o/ j8 m0 l0 B; X3 e
; ~1 }5 g% B! n& Z △美国的“Alvin”号：1964年建成，至今仍在服役
% k$ L- H4 S) Z. G + P2 S6 _" q, X- K: R: y0 Z1 x
△法国的“鹦鹉螺”号（Nautile）：最大下潜深度6000米
9 Z- H2 |% C1 X# p
+ B9 `+ x, F& V i9 y( m+ Q3 s
4 E8 i7 Q& e& J9 ~ △俄罗斯的“和平一号”和“和平二号”
! ~& }" |6 p! G& C3 m! E; W
* |: y+ B4 R" G1 }% x* g △日本的“深海 6500”号：最大下潜深度6527米
( G9 f1 M, ~' q: {7 B' V' e
' @/ r3 p; \8 b △詹姆斯·卡梅隆乘坐深海“挑战者号”抵达11000米深处的马里亚纳海沟
/ J& X5 n0 K! Y' v. i. u 但载人潜水器体积庞大、造价高昂、危险系数较高，运动不灵活，在实际中较少使用，多数载人潜水器应用于科学研究。 . _3 e$ [/ |9 o0 _6 `7 V3 V
2.自治水下机器人AUVAUV没有缆绳，自身携带动力，依靠内置的控制系统来自我控制，可以灵活自主地完成一系列水下作业任务。
' G4 B: G( O2 Y) @9 A3 U
4 V; s0 E. e, C6 m' K( q △为了降低水下潜航阻力，采用仿生流线封闭框架的结构 - { I& K D9 Y, k
1 ^4 M4 X. B" @0 h- q% J/ Q △搜寻不同目标的AUV
8 v' X. U( W' i% O" q, H+ x
( F7 J: `6 o& c5 V( j0 E △可以自动绕开障碍物 * m4 h+ @1 ?5 x" k+ l! n- s
AUV具有活动范围广、潜水深度大、可穿梭进入复杂结构、无需水面支持等优点，代表了水下机器人技术的发展方向。但目前的续航和负载能力有限，AUV只能完成一些短程和轻载的工作，如摄像、拍照、搜寻、测量等。
7 t4 B, g5 O) z+ f$ s6 T( y1 j) A3 ?# w, z; V2 v
8 k7 f7 N. [+ s4 r5 J2 ?; A
2 ?6 l% G- D' b, c, ] △用来寻找马航MH370黑匣子的Remus-6000型AUV
9 L' a& a7 F% f1 s+ j( q5 ] N! Y8 W# f- S1 C4 l" U( f. J3 C
, K: k6 z. s/ f: c
2 e5 ~# D4 d. [8 p
8 d0 J( ?) [/ O; b& }) O$ Q6 M △AUV作业流程 / o' ~3 m" s) {# t$ H( J: \- S: a% t
目前AUV水下大数据信息的传输仍无法以无缆的形式彻底解决，有人问火星上的“好奇号”探测器都实现了无限传输信号呀！这是因为海水会严重阻隔信号，深海大数据无线传输的难度远远大于太空。因此，有缆遥控机器人（ROV）是目前应用最为广泛的水下机器人。3.有缆遥控机器人ROV操作人员在船上远程控制ROV进行水下观察、检查、施工等作业。
) c+ X% T9 ]$ U" O. A: c0 A
) L% N- J7 C7 { △通过脐带缆传递动力、实时传输数据 3 w. m5 B8 H/ t r6 ]' i
( Q' c0 e" Z- ~- B/ f4 Y
% j! A1 v5 X8 y+ r6 K
△脐带缆为动力和数据的传输提供了便捷，但也一定程度上限制了ROV的活动范围，同时脐带缆的断裂也有会造成机器人的丢失
; O; ?4 Z, _5 U6 i' h. t1 O
/ U8 n2 N3 j: ]5 `- C: C
" Y! T$ [. h9 s+ D+ H2 |: [( A* ]9 L. Y
△脐带缆就像一条长长的尾巴最早ROV是用于打捞武器、清除水雷等任务，但随着海洋经济的兴起，目前90%以上的ROV直接或间接服务于海洋石油工业。 ; l) H8 O- {; s7 e0 ]* k/ X
随着海洋石油开发逐渐向深水迈进，水下设施的安装、海底管道的铺设、海底装置的检修等作业，蛙人已经无法承担。因此，拥有超强水下作业能力的ROV成为不贰的选择。 ( H6 b$ X7 i7 n6 x7 p5 F, m
一、钻完井环节
' D8 H" @8 Q8 T5 Y: ]0 ^: V9 Z* H ROV帮助寻找裸眼井口、安装防喷器，更换防喷器垫圈、进行水下检查等作业。 % R( U7 [8 Z$ _+ H( u
2 X4 k" F) l4 i. z
1 L5 }* Z; C9 s, J △安装井口头
l+ t( {1 I$ T n. b6 s" o
+ B, o! G& d& Y: s$ f3 _7 |: f △下放采油树
+ Y5 p8 h9 {/ ]7 H, N( y. t6 C/ R) ]4 d8 t, d
△打开防尘盖
# W& O. J9 @+ j2 d( L% q! k* u: P6 E% ]& L9 g4 G) q% Q
△剪断钢丝绳，打开保护腿
& A1 f- G7 d! m9 {+ X. U9 p7 \& h$ \* ~+ K" M8 L" ~
△解锁回收LTRT工具
1 u( h* b- g" I* @; X: L; l4 s& t 二、导管架安装环节 3 B8 D$ n+ S" r P# Y) @
ROV可以进行地貌调查、辅助导管架就位、引导插桩、支持灌浆作业、完成水下切割、水下焊接等作业。导管架安装过程详见石油课堂001期文章：人类伟大工程 深海油气开发。
- J5 u2 U; N! w! H0 d
: h9 u/ f# l. W! D △导管架就位、ROV入水引导插桩 : I$ l6 c$ n2 d0 o3 e% A- n8 x7 H
( b1 _) _: w# M! s, \( |1 L
△ROV辅助打桩作业 0 z$ C7 C {' V3 K1 G* A# \% W
6 S! f" @$ H8 P) h/ [+ B
. m8 C3 b# Z; h+ A& P △检查导管架
( E% ^" a0 X4 A' e 三、海底管道铺设 ; u* t) i' x1 p# S
ROV可以携带水下测量设备调查海管铺设的位置、测量膨胀弯、掩埋海管、对接海管、后期海管检修等作业。海管铺设具体过程参见石油课堂008期文章：“能源管道”大解密——海底油气管道是怎样建成的？ 3 J) h q* u- b2 J
% @+ S; B" ~5 ~7 b5 y
△管线运移 " h. m( e# Z% P
" E: ^! n6 m: _5 H' T, Q. [
△海管掩埋
+ ^2 ]6 E e, v+ Z8 |$ S0 E3 ^# a. a% J ]" N( A' ]
7 J6 z6 Z0 j" A" m; D% w* Q
: j2 ]4 A& J: d; {
△检查海管 6 @3 y. s( W% h- c. E
: W* P% q3 K' |7 \
△荣获2015年OTC大奖的海底管道检测装置ROV出尽风头，但实际上它背后还有一套完整的系统支撑着它。下面石油课堂带你去认识一下ROV的作业系统。
: O! b/ s) P! f7 i$ [4 a# ?& i 总体来说，ROV可分为水面控制系统、脐带电缆和水下系统三部分。
0 t% T( D! ~7 V8 p8 d6 ]: M8 x+ O' N; {
△遥控水下机器人结构示意图 ; u8 j8 v# ]& E" t0 X
+ E3 T2 n$ [) P' {( S) h 一、水面控制系统
" h, l9 [6 ?$ O) s: H" ^) [ ROV的水面控制系统位于船上，工作人员通过大屏幕可以看到ROV所处环境，操作机械手进行相应的作业。
( T6 R& n6 K7 J+ v2 f; _1 o% T' n; D5 C( S
△ROV控制室为了将水下机器人安全、迅速地下放和回收，在船体上还需要有吊放系统，主要是由A型吊和绞车组成。
, R) A \0 [, n" B# E3 A$ A! u% O, f: z/ \3 [
& c9 ] M; Y- m1 P+ e
- R' ]& k* y/ ~3 s+ w& Z: W
△吊放系统 ' M) R: P% k7 V8 [5 c+ q
二、脐带缆
2 e' j9 A( Y( Z) P4 T$ j% e5 v 通过脐带缆，水面控制台不但能将动力、控制信号传递给ROV，也可以接收返回的图像信息，所以说脐带缆是水下通讯的桥梁。但由于海况、海底结构复杂，如果脐带缆发生损坏、断裂就会造成水下机器人的丢失，所以脐带缆要选用强度大、防水、抗压、绝缘的材质。 * @/ W( {1 A" m# o* m, f+ W/ N
' ]2 [- A% T# u
% x* @! J. F6 I; L5 o4 O5 C* v
浅水区域，几百米的脐带缆可以直接由船体下放。 7 j Y1 N/ V+ @! Q! n; \7 n. f" c+ |0 c4 @
' N7 y5 ^7 J; {- T: X
5 W; R% y! U9 [' t2 e# T o) Z8 J 但深水区长距离脐带缆下放，会增加水下ROV运动和作业的阻力。这时可以储存、收放脐带缆的水下装置——中继器（Tethe Management System, TMS）出现了。 ; z, ~2 a" J* m/ N
中继器
. Q2 G/ ]6 `$ @) I E% K 当ROV开始下潜准备作业时，中继器可以和ROV一起吊放至作业深度，之后中继器放出ROV，开始作业。借助中继器的重力下潜，既节省了能量，也提升了下潜的速度。
) \& [. w& k: T) w. p* @) [* d" M* k7 C2 T. ]/ Q9 G
△顶置式中继器
& c4 W6 t8 q v' \# `2 M# U! a+ O1 G
' M3 q3 B+ Z# q9 S, j
2 U }' X3 p2 [; F- f2 |# P
△车库式中继器
) o: w q: a( s* W% u 三、ROV水下系统
0 F1 D: `5 B, y& w7 T ROV本体包括密封且耐压壳体、动力系统、观测和照明系统以及传感器、通信、控制系统。
; ^& G# |# G( A! \5 T) g* Z) Q- c" {0 d1 [. |
△ROV各个系统 1 ~! h5 A9 Z1 ` i/ T
1.密封、耐压壳体ROV工作在恶劣的海洋环境中，海水不仅会对电子系统造成腐蚀，而且深水水压极大。而密封、耐压壳体可以保证ROV稳定、持久的工作。 $ K8 c3 F8 I& \7 |/ ?4 A% {' ]
s$ {3 y. L. w6 y n5 b △流线型的壳体 " y, u/ n. W0 `6 E$ P! F! @7 S- I" ^
5 z& V) V7 S) C! C △开架式壳体 ) k6 O9 \- d" `+ y6 k/ ?* n. X. J
2.动力系统水下推进器就是ROV的发动机。ROV可以在水下前进后退、上浮下潜、横移、纵摇、横摇、水平旋转，实现6个维度的运动。 # b( |5 u$ p* s# e1 L6 S! j) \
* w" E) `* [4 D- u8 v+ S+ q) c
5 L" o. y2 U' b/ c, k& O( i/ m( j# l
△推进器
$ s% T% b3 A9 `: U 3.观测和照明系统水下机器人同时拥有拍照和摄影装置，当海底光线不足时还可以打开特制的照明灯。 ( ~% s5 f2 i$ N6 V9 m; e
. G6 P% B" }7 ^- t6 L! F
2 F% m6 A4 E ` ]# { △摄像系统的费用会随着水深的增加而增加 2 ^$ ]% ^4 j+ b% V) S
4.水下作业功能机械手：ROV左手功能往往简单，但力量较大，主要用于抓住物体；右手灵活、作业精度高，一般有5~7个“关节”。
1 L; y) t- p6 m$ J
: u8 \1 }3 `( R/ O' \/ |7 S! `( h; @( L% d0 U3 g; \. ~
7 f& o: Z8 L2 ?: R5 K W △蛟龙号机械臂 ( ?; ^7 w+ q6 S0 m( O' v
附带外接工具：为了实现更多功能，ROV的机械手还可以携带许多外接工具，例如剪切器、水下清洗刷、砂轮锯、冲击搬手、破碎锤等等。 & H; Q" O% s- @* L8 L( q1 \# v" V j
& p5 h$ @ G7 `# p& M% w* i 5. 传感器、通信、控制系统传感器系统包括深度传感器、电子罗盘和温度传感器等；通信系统是ROV与水面控制台进行信息交互的桥梁；控制系统是ROV的核心部分，由各项复杂精密的仪器构成。
3 d) }, f5 O8 [% t% c
9 D A0 T) z& F5 J- _4 Y& O0 K+ @# [, }# u" @* p% h5 Z% U
_2 b4 [( o! h6 L# r
△复杂精细的内部结构
: t% K# X1 R5 H% e( P. d* t 这里我们重点学习水下机器人中应用最为广泛的ROV。
1 H1 c* b" x7 m/ b. z8 L! H' T 一、ROV的发展 : Q( Q! ^( R+ [0 S! B: P
20世纪50年代，几位美国学者为了探索海底世界的奥秘而把密封的摄像机送到了海底。十年之后，世界上第一台ROV在美国问世。 5 v2 e8 `9 C n" ]$ o5 m
6 ^: V8 M+ v( i+ |1 \( g △CURV-1-3水下ROV1974年后，油价上涨刺激了近海石油工业的发展，同时也带动了ROV产业。1975年，世界上第一台商业化ROV“RCV-125”问世。它首先被应用于北海油田和墨西哥湾。 4 m/ B, a, m+ ]$ a6 g
, |. e) ]# N! y: w( i8 G9 j
△RCV-150：由RCV-125改造而成直到1981年，ROV增加到400余台。1980年末，其数量猛增到800多台。最著名的是日本的KAIKO“海沟”号，它创造了当时的潜水记录——10911.4米。
( w4 J6 x' h `* ~: D0 L% G) }0 ~! _: C. X2 f5 z( ?
△于2003年一次下潜工作中因电缆断裂而丢失如今ROV产业蓬勃发展，全球超过400家厂商可以提供ROV的整机、零部件和作业服务。目前全世界大约有1102台工作级ROV。 2 ^" j" N# L/ a' I' w) W& o% v
* E+ F9 g1 I( P3 k
△全球ROV市场份额分配图（数据来源：Infield Systems第三方调查机构发布）
) @: U( Q9 P1 ? 美国Oceaneering
9 i) n5 x* F' J* X 全球最大的ROV制造企业、作业公司，拥有300多台ROV，占据了世界钻井支持业务的30%。预计到2017年，公司将会陆续增加90-95台ROV。 / i& d$ ]5 l/ H* R# b
" }8 [* T/ R+ g# U1 m2 V/ v
英国Saab Seaeye ; P: e* h5 m0 s* ~6 v7 m
英国Saab Seaeye是Saab水下潜航公司的全资子公司。Seaeye生产的ROV重量从几百千克到上吨重，大部分同时具有观测和作业的功能，占据了全球中小型ROV市场份额的57%。
+ x1 Y/ U# S& `; P8 K) {! K4 }9 v8 z/ D
) c& x5 _+ A- ]1 f7 L
( Z6 |% e3 T- A8 w$ F: n* q! f, o, O4 X
加拿大Seamor
. {9 p5 O8 ` m 加拿大Seamor Marine公司偏重于开发、制造和销售观察级ROV。 3 T1 v8 V5 J- E" ]
+ ]7 V, C* r& y& }/ p# ?- c9 q 荷兰Fugro
t7 Z2 Y) w, h7 p5 @& l# \. }; \ 中海油田服务公司（COSL）与FUGRO组建的合营公司——中海油辉固，拥有有两台Sealion（MK1和MK2）、两台Seal ROV。 & D4 I8 d$ x2 f
) Z4 L- G) J5 h4 ?
1 W0 j3 V1 O e7 K" D
二、中国ROV的发展情况
; ~ v# `' N3 t6 ? 中国从七十年代末开始研究ROV，1985年12月，我国第一台水下机器人“海人一号”样机首航成功。 " @0 V9 @% F2 H K: Q7 _+ N
- h$ G' E. q9 c. G △海人一号：潜深200米，能够在水下连续地进行切割、焊接、观察、取样作业 & F( W- Z# _1 w! S
△1994年我国第一艘无缆水下机器人“探索者”号，下潜深度达到1000米
. }* d' z. p5 k- h+ S5 A: f& z4 y △1995年，我国第一台6000米级的AUV“CR-01”研制成功 ! ?& c0 A' [5 _6 A8 K/ x3 \+ y" P8 \
近二十年来，我国的水下机器人研究有了飞速发展，能够制造大中小型各种ROVs。“海龙号”深海机器人是目前我国下潜深度最大、功能最强的ROV。
- A' L r' H5 D, y9 b △“海龙号”深海机器人
+ ]% T8 H: E% ^5 N/ \& i 在不久前“大洋一号”的深海热液科考任务中，“海龙号”首次观察到了太平洋底罕见的巨大“黑烟囱”，并用机械手获取了热液样品，还搜集了附近的微生物样本。 7 n) Z. F; X6 t9 N1 ]
△抓取样品
. _) |) x" h, l5 T5 x' | 2014年由中科院沈阳自动化所研制的“北极ARV”水下机器人完成了海冰厚度、冰底形态、海洋环境等参数的测量工作。
0 |: T! z N6 \( H7 {2 l △北极ARV 3 n- U9 v) K; m7 Y3 H1 a
过去40年间海洋油气勘探开发事业的飞速发展带动了水下机器人产业，但2014年底开始蔓延的石油“寒冬”直到2015年底不仅没有褪去的迹象、反而愈加严酷——低油价将是新常态！这就意味着以高技术为依托的深海油气开发将受到巨大冲击，因为高技术往往需要高投入来承载。 7 g. ]/ i4 T- |' A
水下机器人产业90%的市场来自于海洋油气产业，在低迷的氛围中水下机器人事业如何保持强势发展？这是所有人需要思考的话题。民族工业是国家的脊背，我国水下机器人事业用30年的时间走过了发达国家50年才迈过的路，付出了巨大的努力才换来今天的成就。
4 ?" G. x$ E7 q, i6 K" E. } 面对当下的产业和市场变革，站长认为一方面我国的水下机器人厂商应该努力控制成本，与海洋石油企业“抱团取暖”，另一方面应该探索海洋经济开发中的新价值、培育新的利润增长点，谋求新发展！祝民族工业迎难而上，百折不回！有志者事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴！ / u( q* E: ?8 z; i- ~* y
人天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴！
! c0 X" O* Q( H, u7 u& v
. X& @+ Q% m1 E9 R" }, \$ I; B% K8 t6 m- T7 V
0 K9 G; O4 P1 l- h% p, ]! m/ `1 d
7 k% R; A' j* \/ p/ l | 
