劉振國(guó) ，徐帷巍，鄭澤豪，魏榮灝

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2. 浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3. 衢州市農(nóng)業(yè)水利管理中心，浙江 衢州 324000；4.衢州市信安湖管理中心，浙江 衢州 324000）

0 引 言

水下機(jī)器人（UUV）因能夠在極端海洋環(huán)境下工作并達(dá)到人類難以到達(dá)的海區(qū)，在探索未知世界中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。一般將水下機(jī)器人分為自主水下機(jī)器人（AUV）和有纜遙控水下機(jī)器人（ROV，Remote Operated Vehicle）[1]，其中ROV依靠臍帶纜提供動(dòng)力和通信，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行水下作業(yè)并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，具備較強(qiáng)的觀測(cè)和作業(yè)能力，其工作范圍僅受臍帶纜長(zhǎng)度的限制。ROV 作為一種成熟的大型海洋觀測(cè)平臺(tái)，可搭載聲吶和光學(xué)等多種傳感器，用于水下定位、探測(cè)等工作，已在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2-4]，通過(guò)定制化和小型化實(shí)現(xiàn)在水庫(kù)、堤防工程等多種水利工程的水下隱蔽構(gòu)筑物檢測(cè)中發(fā)揮重要作用[5-7]。本文主要討論一種基于ROV 平臺(tái)的水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)：ROV 作為觀測(cè)平臺(tái)搭載三維圖像聲吶和光學(xué)成像系統(tǒng)，移動(dòng)至預(yù)定觀測(cè)位置后，ROV 靜態(tài)坐底使用三維圖像聲吶進(jìn)行掃描，獲取觀測(cè)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；同時(shí)使用光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行近距離觀測(cè)，詳細(xì)勘察是否存在明顯破損等問(wèn)題。對(duì)某水庫(kù)攔污柵的檢測(cè)結(jié)果表明該技術(shù)可獲取水下隱蔽構(gòu)筑物的精細(xì)三維可量測(cè)點(diǎn)云信息和光學(xué)成像信息，為攔污柵的安全評(píng)估工作提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 基于ROV 平臺(tái)的水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)

1.1 ROV 觀測(cè)平臺(tái)

國(guó)外開(kāi)展ROV 研究已經(jīng)有70 多年的歷史，當(dāng)前全球已經(jīng)有上百家ROV 制造商，其中處于領(lǐng)先地位的主要是美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家，占據(jù)絕大部分的商用市場(chǎng)份額，擁有從水面支持母船到潛深3 000～11 000 m 的系列深海裝備，能完成多種水下任務(wù)。我國(guó)于20 世紀(jì)70 年代末期開(kāi)始研制ROV，現(xiàn)在已經(jīng)形成“海星/海龍/海馬”系列型號(hào)用于科考?！昂Ｐ?000”作為我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)面向科研科考應(yīng)用的ROV，最大工作深度6 001 m，創(chuàng)造了我國(guó)ROV 最大潛深的記錄。此外已有深之藍(lán)海洋科技股份有限公司、杭州鰲海海洋工程技術(shù)有限公司、山東未來(lái)機(jī)器人有限公司和博雅工道（北京）機(jī)器人科技有限公司等多家企業(yè)提供民用商業(yè)化產(chǎn)品，部分廠家更可根據(jù)用戶需求靈活定制生產(chǎn)，克服了國(guó)外產(chǎn)品型號(hào)固定無(wú)法根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整的問(wèn)題。

ROV 觀測(cè)平臺(tái)主要由ROV 本體、臍帶纜、供電單元和控制系統(tǒng)組成。ROV 本體主要功能是搭載各類傳感器和設(shè)備，根據(jù)用戶指令在水下執(zhí)行各種作業(yè)；臍帶纜一般采用零浮力臍帶纜，主要用于通信和電力傳輸；供電單元主要為整個(gè)ROV 觀測(cè)平臺(tái)供電；控制系統(tǒng)主要用于遙控ROV 本體在水中運(yùn)動(dòng)并控制其執(zhí)行各種指令。其中，ROV 本體搭載的傳感器和設(shè)備決定了其作業(yè)能力，一般分為觀察級(jí)和作業(yè)級(jí)2 種，檢測(cè)水下隱蔽構(gòu)筑物一般采用觀察級(jí)ROV 進(jìn)行。臍帶纜長(zhǎng)度決定了ROV 的作業(yè)范圍，其需要在作業(yè)范圍和動(dòng)力之間取得平衡，臍帶纜越長(zhǎng)作業(yè)范圍越大，這對(duì)ROV 本體的動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求。供電單元的主要要求是能穩(wěn)定持續(xù)輸出電力，特別是要應(yīng)對(duì)ROV 作業(yè)時(shí)對(duì)動(dòng)力要求徒增的情況?？刂茊卧枰獫M足實(shí)時(shí)傳輸各類數(shù)據(jù)用于操手控制ROV 本體。

1.2 水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)

自20 世紀(jì)20 年代回聲測(cè)深儀出現(xiàn)以來(lái)，海洋探測(cè)和資源勘察等水下檢測(cè)技術(shù)主要基于海洋聲學(xué)技術(shù)進(jìn)行，特別是20 世紀(jì)60 年代美國(guó)開(kāi)發(fā)的條帶測(cè)深儀極大提高了海洋地形數(shù)據(jù)的獲取效率。同期研制成果的側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀則廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)調(diào)查、港口建設(shè)、航道疏浚、海底管線布設(shè)、以及海上石油平臺(tái)建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域。

21 世紀(jì)以來(lái)，水下探測(cè)在現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨顯技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等方面取得突破，出現(xiàn)了以低功耗、高分辨率、高帶寬、可變聲學(xué)探測(cè)頻率和可變發(fā)生角度的第五代多波束測(cè)聲系統(tǒng)為代表，且具有多頻段多脈沖或多個(gè)波束的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和參量陣淺剖等多種水下探測(cè)設(shè)備，解決了傳統(tǒng)海洋測(cè)繪技術(shù)“看得見(jiàn)但看不清”的技術(shù)問(wèn)題，與其他探測(cè)手段融合后形成了水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)。

水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)使用最新的海洋探測(cè)設(shè)備，基于高時(shí)間、空間分辨率對(duì)水下進(jìn)行全方位探測(cè)，其主要使用的技術(shù)手段包括有聲學(xué)、光學(xué)和重磁學(xué)。其中，聲學(xué)觀測(cè)方法主要使用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取水下全覆蓋地形數(shù)據(jù)：使用側(cè)掃聲吶獲取水下地貌數(shù)據(jù)；使用淺地層剖面儀、單道地震儀或多道地震儀獲取河/海底的地層數(shù)據(jù)；使用三維圖像聲吶獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；使用多普勒流速儀獲取水體的流速流向數(shù)據(jù)。光學(xué)觀測(cè)方法主要使用光學(xué)成像相機(jī)或攝像頭獲取水下/水體的光學(xué)照片或視頻，使用水下激光掃描儀獲取超高分辨率的可量測(cè)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。重磁觀測(cè)方法主要使用重力儀觀測(cè)相對(duì)重力變化，使用磁力儀或磁力梯度儀獲取海洋磁力數(shù)據(jù)。同時(shí)由GNSS 定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、聲學(xué)多普勒速度儀（DVL）短基線（SBL）和超短基線（USBL）等多種導(dǎo)航定位設(shè)備融合的組合導(dǎo)航技術(shù)提供覆蓋水面和水下的高精度的三維位置和姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體和水下全范圍的幾何、物理數(shù)據(jù)的探測(cè)。

1.3 設(shè)備選型

浙江省各類大中小型水庫(kù)眾多，部分位置比較偏遠(yuǎn)，交通不便，且一般水庫(kù)的最大水深不超過(guò)100 m，海洋型ROV 難以開(kāi)展工作。因此本研究根據(jù)浙江省實(shí)際情況定制了一套耐壓深度300 m 的輕便型觀測(cè)級(jí)ROV 用于水下隱蔽構(gòu)筑物安全檢測(cè)，其搭載三維圖像聲吶用于水下構(gòu)筑物點(diǎn)云獲取，光學(xué)攝像系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)查看，超短基線系統(tǒng)用于ROV 水下定位，并預(yù)留水下激光掃描儀的接口用于升級(jí)，設(shè)備組成見(jiàn)圖 1，ROV 水下部分主要基本參數(shù)見(jiàn)表 1，設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表1 ROV 水下部分基本參數(shù)表

表2 ROV 水下部分設(shè)計(jì)指標(biāo)表

圖1 設(shè)備組成圖

2 檢測(cè)案例

2.1 工程需求

水庫(kù)的陸域部分可采用人工巡視的方法進(jìn)行定期檢查，但發(fā)電涵洞等水下隱蔽構(gòu)筑物所處水深較大，受水下作業(yè)專業(yè)性較高、潛水員下水作業(yè)危險(xiǎn)性較大等因素影響，安全檢測(cè)實(shí)施難度較大。以水電站使用的攔污柵為例，其在發(fā)揮功效時(shí)會(huì)攔截污物，導(dǎo)致攔污柵負(fù)荷增大，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致攔污柵破損。由于攔污柵所處位置水深較大，一般超過(guò)20 m，人工檢測(cè)實(shí)施難度較大，因此需要研究新的檢測(cè)技術(shù)提供安全保障。

2.2 檢測(cè)方法

攔污柵由邊框、橫隔板和柵條構(gòu)成，一般水電站用的柵條間距取決于水輪機(jī)型號(hào)及尺寸，以保證通過(guò)攔污柵的污物不會(huì)卡在水輪機(jī)過(guò)流部件中為準(zhǔn)。因此檢測(cè)的主要內(nèi)容有3 項(xiàng)：一是攔污柵附近的水底標(biāo)高與設(shè)計(jì)值的比較，主要使用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行；二是攔污柵是否存在破損等情況，主要使用高清攝像設(shè)備進(jìn)行；三是攔污柵底部現(xiàn)狀及附近的污物分布情況，主要使用三維圖像聲吶和高清攝像設(shè)備進(jìn)行。

多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量較為常規(guī)，一般在開(kāi)展ROV 水下檢測(cè)前進(jìn)行。而水下檢測(cè)主要使用ROV 平臺(tái)搭載的三維圖像聲吶和高清攝像設(shè)備進(jìn)行。ROV 平臺(tái)進(jìn)行涉水觀測(cè)時(shí)電力由臍帶纜提供，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。同時(shí)ROV 本體具有多個(gè)推進(jìn)器，能在水下靈活上下左右移動(dòng)，可到達(dá)各個(gè)檢測(cè)位置。三維圖像聲吶可獲取水下各種構(gòu)筑物、障礙物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到觀測(cè)物體的詳細(xì)幾何信息，但難以確定探測(cè)物體的具體性質(zhì)；高清攝像設(shè)備可獲取觀測(cè)物體的圖像、紋理特征，判別觀測(cè)物體的類別，但無(wú)法確定觀測(cè)物體的具體尺寸。水下檢測(cè)使用ROV 平臺(tái)搭載三維圖像聲吶和高清攝像設(shè)備同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，可對(duì)觀測(cè)物體實(shí)現(xiàn)定性和定量的描述，為后續(xù)的攔污柵養(yǎng)護(hù)工作提供重要的支撐。

基于ROV 平臺(tái)的檢測(cè)方法和流程見(jiàn)圖2：首先搜集檢測(cè)區(qū)域的基礎(chǔ)資料，如攔污柵的設(shè)計(jì)、施工、交工及歷次檢測(cè)成果，明確檢測(cè)工作的重點(diǎn)和要求。根據(jù)前期搜集的相關(guān)信息，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，了解作業(yè)區(qū)域條件，如是否具備交流電供電、ROV設(shè)備的入水及回收位置、是否具有作業(yè)船舶等。準(zhǔn)備工作完成后ROV 可進(jìn)場(chǎng)作業(yè)。ROV 入水前先進(jìn)行自檢，入水后測(cè)試其各個(gè)推進(jìn)器及傳感器是否工作正常，待系統(tǒng)全部就緒后，由操作手控制其前往指定區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。檢測(cè)時(shí)按照從上到下，從光學(xué)檢測(cè)到三維圖像聲吶檢測(cè)的順序進(jìn)行。進(jìn)行三維圖像聲吶檢測(cè)工作時(shí)，將ROV 由人工操作模式切換至坐底模式，使其在觀測(cè)位置保證相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，先使用聲速計(jì)讀取該位置的聲速用于改正，再由三維圖像聲吶對(duì)觀測(cè)部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。如果存在多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，則重復(fù)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，編制技術(shù)報(bào)告，同時(shí)針對(duì)檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提交典型圖像和點(diǎn)云資料，用于后續(xù)修復(fù)工作。

圖2 ROV 檢測(cè)流程圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果

本次檢測(cè)的是一座以城市供水為主，集防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用為一體的大型水庫(kù)，自20 世紀(jì)60 年代建成至今已經(jīng)安全運(yùn)行多年。水庫(kù)管理單位投入大量的人力物力進(jìn)行水庫(kù)、大壩等陸域部分的巡視和維護(hù)，但水下部分受技術(shù)限制開(kāi)展頻次較少，因此本次重點(diǎn)使用多波束測(cè)深系統(tǒng)和ROV 平臺(tái)檢測(cè)攔污柵現(xiàn)狀。

通過(guò)比較原河床標(biāo)高與多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，攔污柵前方未存在明顯的淤積情況。其底部的典型聲學(xué)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和光學(xué)影像數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 3。圖 3 左側(cè)為聲學(xué)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，白框中存在1 個(gè)明顯的圓環(huán)狀物體，經(jīng)量取其尺寸大致為75 cm×75 cm，根據(jù)點(diǎn)云特征判別該物體可能為救生圈或輪胎；同時(shí)其前方存在1 個(gè)疑似錨狀物體。圖3 右側(cè)為光學(xué)影像，可以直接判別物體1 為輪胎，同時(shí)排除物體2 為錨的可能。此外，發(fā)現(xiàn)1 處破損修復(fù)區(qū)域受閘門開(kāi)啟影響需要再次進(jìn)行整治（見(jiàn)圖 4）。

圖3 三維點(diǎn)云與光學(xué)影像圖

圖4 破損區(qū)域示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文討論了基于ROV 平臺(tái)的水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)，采用ROV 平臺(tái)搭載的三維圖像聲吶和光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)水下隱蔽構(gòu)筑物進(jìn)行觀測(cè)，可獲取檢測(cè)物體的外觀及三維幾何數(shù)據(jù)，為其安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐。某水庫(kù)攔污柵檢測(cè)結(jié)果表明，該技術(shù)無(wú)需潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，安全系數(shù)較高；三維圖像聲吶獲取的點(diǎn)與數(shù)據(jù)結(jié)合光學(xué)成像設(shè)備采集影像可對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性定量描述，能準(zhǔn)確判別其屬性，為后續(xù)的清障排污工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)隨著數(shù)字孿生工作的不斷推進(jìn)，基于ROV 平臺(tái)的水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)不但可用于水下隱蔽構(gòu)筑物的安全檢測(cè)，也可用于獲取具有現(xiàn)勢(shì)性的多源水下信息，進(jìn)一步完善數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)底板建設(shè)。