基于ROV 平台的水下精细探测技术在水下隐蔽构筑物安全检测应用

刘振国 ，徐帷巍，郑泽豪，魏荣灏

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2. 浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310017；3. 衢州市农业水利管理中心，浙江 衢州 324000；4.衢州市信安湖管理中心，浙江 衢州 324000）

0 引 言

水下机器人（UUV）因能够在极端海洋环境下工作并达到人类难以到达的海区，在探索未知世界中发挥越来越重要的作用[1]。一般将水下机器人分为自主水下机器人（AUV）和有缆遥控水下机器人（ROV，Remote Operated Vehicle）[1]，其中ROV依靠脐带缆提供动力和通信，可长时间进行水下作业并实时传输数据，具备较强的观测和作业能力，其工作范围仅受脐带缆长度的限制。ROV 作为一种成熟的大型海洋观测平台，可搭载声呐和光学等多种传感器，用于水下定位、探测等工作，已在相关领域得到广泛的应用[2-4]，通过定制化和小型化实现在水库、堤防工程等多种水利工程的水下隐蔽构筑物检测中发挥重要作用[5-7]。本文主要讨论一种基于ROV 平台的水下精细探测技术：ROV 作为观测平台搭载三维图像声呐和光学成像系统，移动至预定观测位置后，ROV 静态坐底使用三维图像声呐进行扫描，获取观测物体的三维点云数据；同时使用光学成像系统进行近距离观测，详细勘察是否存在明显破损等问题。对某水库拦污栅的检测结果表明该技术可获取水下隐蔽构筑物的精细三维可量测点云信息和光学成像信息，为拦污栅的安全评估工作提供重要的基础数据支撑，具有广阔的应用前景。

1 基于ROV 平台的水下精细探测技术

1.1 ROV 观测平台

国外开展ROV 研究已经有70 多年的历史，当前全球已经有上百家ROV 制造商，其中处于领先地位的主要是美国、加拿大、英国、法国和日本等国家，占据绝大部分的商用市场份额，拥有从水面支持母船到潜深3 000～11 000 m 的系列深海装备，能完成多种水下任务。我国于20 世纪70 年代末期开始研制ROV，现在已经形成“海星/海龙/海马”系列型号用于科考。“海星6000”作为我国首台自主研发面向科研科考应用的ROV，最大工作深度6 001 m，创造了我国ROV 最大潜深的记录。此外已有深之蓝海洋科技股份有限公司、杭州鳌海海洋工程技术有限公司、山东未来机器人有限公司和博雅工道（北京）机器人科技有限公司等多家企业提供民用商业化产品，部分厂家更可根据用户需求灵活定制生产，克服了国外产品型号固定无法根据实际应用调整的问题。

ROV 观测平台主要由ROV 本体、脐带缆、供电单元和控制系统组成。ROV 本体主要功能是搭载各类传感器和设备，根据用户指令在水下执行各种作业；脐带缆一般采用零浮力脐带缆，主要用于通信和电力传输；供电单元主要为整个ROV 观测平台供电；控制系统主要用于遥控ROV 本体在水中运动并控制其执行各种指令。其中，ROV 本体搭载的传感器和设备决定了其作业能力，一般分为观察级和作业级2 种，检测水下隐蔽构筑物一般采用观察级ROV 进行。脐带缆长度决定了ROV 的作业范围，其需要在作业范围和动力之间取得平衡，脐带缆越长作业范围越大，这对ROV 本体的动力系统提出了更高的要求。供电单元的主要要求是能稳定持续输出电力，特别是要应对ROV 作业时对动力要求徒增的情况。控制单元需要满足实时传输各类数据用于操手控制ROV 本体。

1.2 水下精细探测技术

自20 世纪20 年代回声测深仪出现以来，海洋探测和资源勘察等水下检测技术主要基于海洋声学技术进行，特别是20 世纪60 年代美国开发的条带测深仪极大提高了海洋地形数据的获取效率。同期研制成果的侧扫声呐和浅地层剖面仪则广泛应用于海洋地质调查、港口建设、航道疏浚、海底管线布设、以及海上石油平台建设等多个领域。

21 世纪以来，水下探测在现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等方面取得突破，出现了以低功耗、高分辨率、高带宽、可变声学探测频率和可变发生角度的第五代多波束测声系统为代表，且具有多频段多脉冲或多个波束的侧扫声呐系统和参量阵浅剖等多种水下探测设备，解决了传统海洋测绘技术“看得见但看不清”的技术问题，与其他探测手段融合后形成了水下精细探测技术。

水下精细探测技术使用最新的海洋探测设备，基于高时间、空间分辨率对水下进行全方位探测，其主要使用的技术手段包括有声学、光学和重磁学。其中，声学观测方法主要使用多波束测深系统获取水下全覆盖地形数据：使用侧扫声呐获取水下地貌数据；使用浅地层剖面仪、单道地震仪或多道地震仪获取河/海底的地层数据；使用三维图像声呐获取三维点云数据；使用多普勒流速仪获取水体的流速流向数据。光学观测方法主要使用光学成像相机或摄像头获取水下/水体的光学照片或视频，使用水下激光扫描仪获取超高分辨率的可量测三维激光点云数据。重磁观测方法主要使用重力仪观测相对重力变化，使用磁力仪或磁力梯度仪获取海洋磁力数据。同时由GNSS 定位系统、惯性导航系统、声学多普勒速度仪（DVL）短基线（SBL）和超短基线（USBL）等多种导航定位设备融合的组合导航技术提供覆盖水面和水下的高精度的三维位置和姿态信息，从而实现对水体和水下全范围的几何、物理数据的探测。

1.3 设备选型

浙江省各类大中小型水库众多，部分位置比较偏远，交通不便，且一般水库的最大水深不超过100 m，海洋型ROV 难以开展工作。因此本研究根据浙江省实际情况定制了一套耐压深度300 m 的轻便型观测级ROV 用于水下隐蔽构筑物安全检测，其搭载三维图像声呐用于水下构筑物点云获取，光学摄像系统用于实时查看，超短基线系统用于ROV 水下定位，并预留水下激光扫描仪的接口用于升级，设备组成见图 1，ROV 水下部分主要基本参数见表 1，设计指标见表 2。

表1 ROV 水下部分基本参数表

表2 ROV 水下部分设计指标表

图1 设备组成图

2 检测案例

2.1 工程需求

水库的陆域部分可采用人工巡视的方法进行定期检查，但发电涵洞等水下隐蔽构筑物所处水深较大，受水下作业专业性较高、潜水员下水作业危险性较大等因素影响，安全检测实施难度较大。以水电站使用的拦污栅为例，其在发挥功效时会拦截污物，导致拦污栅负荷增大，严重时甚至可能导致拦污栅破损。由于拦污栅所处位置水深较大，一般超过20 m，人工检测实施难度较大，因此需要研究新的检测技术提供安全保障。

2.2 检测方法

拦污栅由边框、横隔板和栅条构成，一般水电站用的栅条间距取决于水轮机型号及尺寸，以保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中为准。因此检测的主要内容有3 项：一是拦污栅附近的水底标高与设计值的比较，主要使用多波束测深系统进行；二是拦污栅是否存在破损等情况，主要使用高清摄像设备进行；三是拦污栅底部现状及附近的污物分布情况，主要使用三维图像声呐和高清摄像设备进行。

多波束测深系统进行水下地形测量较为常规，一般在开展ROV 水下检测前进行。而水下检测主要使用ROV 平台搭载的三维图像声呐和高清摄像设备进行。ROV 平台进行涉水观测时电力由脐带缆提供，可长时间进行连续观测。同时ROV 本体具有多个推进器，能在水下灵活上下左右移动，可到达各个检测位置。三维图像声呐可获取水下各种构筑物、障碍物的三维点云数据，得到观测物体的详细几何信息，但难以确定探测物体的具体性质；高清摄像设备可获取观测物体的图像、纹理特征，判别观测物体的类别，但无法确定观测物体的具体尺寸。水下检测使用ROV 平台搭载三维图像声呐和高清摄像设备同时进行检测，可对观测物体实现定性和定量的描述，为后续的拦污栅养护工作提供重要的支撑。

基于ROV 平台的检测方法和流程见图2：首先搜集检测区域的基础资料，如拦污栅的设计、施工、交工及历次检测成果，明确检测工作的重点和要求。根据前期搜集的相关信息，对现场进行踏勘，了解作业区域条件，如是否具备交流电供电、ROV设备的入水及回收位置、是否具有作业船舶等。准备工作完成后ROV 可进场作业。ROV 入水前先进行自检，入水后测试其各个推进器及传感器是否工作正常，待系统全部就绪后，由操作手控制其前往指定区域进行探测。检测时按照从上到下，从光学检测到三维图像声呐检测的顺序进行。进行三维图像声呐检测工作时，将ROV 由人工操作模式切换至坐底模式，使其在观测位置保证相对静止状态，先使用声速计读取该位置的声速用于改正，再由三维图像声呐对观测部位进行数据采集工作。如果存在多个观测点位，则重复进行观测。观测完成后对数据进行处理和分析，编制技术报告，同时针对检测工作中发现的问题提交典型图像和点云资料，用于后续修复工作。

图2 ROV 检测流程图

2.3 检测结果

本次检测的是一座以城市供水为主，集防洪、灌溉、发电等综合利用为一体的大型水库，自20 世纪60 年代建成至今已经安全运行多年。水库管理单位投入大量的人力物力进行水库、大坝等陆域部分的巡视和维护，但水下部分受技术限制开展频次较少，因此本次重点使用多波束测深系统和ROV 平台检测拦污栅现状。

通过比较原河床标高与多波束测深数据，拦污栅前方未存在明显的淤积情况。其底部的典型声学点云数据和光学影像数据见图 3。图 3 左侧为声学点云数据，白框中存在1 个明显的圆环状物体，经量取其尺寸大致为75 cm×75 cm，根据点云特征判别该物体可能为救生圈或轮胎；同时其前方存在1 个疑似锚状物体。图3 右侧为光学影像，可以直接判别物体1 为轮胎，同时排除物体2 为锚的可能。此外，发现1 处破损修复区域受闸门开启影响需要再次进行整治（见图 4）。

图3 三维点云与光学影像图

图4 破损区域示意图

3 结 语

本文讨论了基于ROV 平台的水下精细探测技术，采用ROV 平台搭载的三维图像声呐和光学成像系统对水下隐蔽构筑物进行观测，可获取检测物体的外观及三维几何数据，为其安全运营提供技术支撑。某水库拦污栅检测结果表明，该技术无需潜水员进行水下作业，安全系数较高；三维图像声呐获取的点与数据结合光学成像设备采集影像可对观测对象进行定性定量描述，能准确判别其属性，为后续的清障排污工作提供基础数据支撑。同时随着数字孪生工作的不断推进，基于ROV 平台的水下精细探测技术不但可用于水下隐蔽构筑物的安全检测，也可用于获取具有现势性的多源水下信息，进一步完善数字孪生流域的数据底板建设。