抽水蓄能电站引水隧洞如何巡检？水下机器人显身手

2017年9月，调峰调频公司生产技术部副主任巩宇和他的水下机器人研发团队在云南抚仙湖待了一周。他们与中国船舶重工集团共同研发的水下机器人正在做出厂前的最后试验。

（来源：南方电网报 作者：记者 刘杰 通讯员 丁卯）

巩宇记忆中的抚仙湖很大，到了湖中央什么都看不到，每次出行就像“出海”。湖上气候也有些奇怪，100米长的船，有时船尾暴雨，船头却艳阳高照。就像他的心情，“既期待也担心，科技创新没有百分百成功的事情，好在那次出厂试验非常完美。”

紧接着，这款水下机器人通过了海蓄电厂、天生桥电厂、广蓄电厂更复杂水文环境的检验，有效验证了全系统的各项功能、可靠性与实用性，巩宇总算松了一大口气。作为国内首个能够在水电站水下封闭隧洞远距离航行检测的水下机器人，它不仅可以在1000米水深处远距离检测，还具备自主返航等智能化功能。其中，遇险自动脱缆功能、封闭隧道自主返航功能为国内首创的新技术，难度极大。

调峰调频公司生产技术部主任曾广移表示，“机器人解决了我们最想解决的抽水蓄能电站引水隧洞的巡检问题，它还能在水电站中的水坝等设施巡检中发挥作用，填补了国内这方面的空白。今年9—10月，它就要到雅砻江水域的水电站检测。这也是这款水下机器人成果转化的一个方向，与合作单位一起提供对外服务。”

人：你能自己走吗？

抽水蓄能电站的引水隧洞检测很难，却有必要。一般，抽水蓄能电站的上库到下库有几百米的落差，引水隧洞并非垂直，往往是斜且有弯，隧洞壁多为水泥浇筑，平时上库与下库的水在隧洞中上下流动，实现发电、抽水蓄能功能。

调峰调频公司技术中心专责王文辉说，“几百米落差的弯道放在那里，不说机组停运造成的经济损失，靠人员深入到这样直径9米且黑漆漆的隧洞检查，存在非常大的作业风险。如果不排水，人类的潜水极限也就几十米，检测范围更狭窄，何况在引水隧洞潜水作业，如同难度最高的洞穴潜水。关键肉眼很难无误差的检测所有细节。”

另一方面，随着抽水蓄能电站年限的增加，定期巡检变成了非常必要的事情，“包括隧洞壁是否有裂缝，是否大量滋生水生物，如果不巡检，不掌握变化趋势，很可能量变引起质变，隧洞坍塌，后果不堪设想。”调峰调频公司生技部检修科副科长黄小凤介绍说。在这种情况下，能否研发水下机器人来承担这项工作？2013年年底调峰调频公司着手准备，2014年组建团队，并确定与中国船舶重工集团合作，集结了控制、自动化、材料等各方面的人才。剩下的便是攻克一个又一个难关。

对于普通人来说，水下机器人更多地意味着海洋机器人，事实上现在水下机器人应用非常广泛，除了海洋，水电厂的水坝、隧洞甚至水下养殖、下水管道都是它的应用空间。调峰调频公司要研究的则是针对包括抽水蓄能电站在内的水电站引水隧洞巡检的水下机器人。

不过海洋与引水隧洞里的机器人研发技术路线有很大的不同。首先便是抽水蓄能电站不允许机器人失踪，它必须放进去也能自己走得回来，即在任何情况下，机器人要能够在复杂的封闭隧洞中自主返航。

事实上由于引水隧洞水下环境复杂，进入水下的机器人很可能会遇到突出的钢筋体或者其他无法想象的意外情况。一旦为水下机器人提供动力与光纤信号的脐带缆缠绕到这些未知物上，没有应急功能的机器人可能报废在水中。这意味着抽水蓄能电站将要全部机组停运，由于隧洞内外的压力，可能需要花费8—10天将引水隧洞的水全部排出，“水落石出”后，再用8—10天充水，如此一番折腾，耗费的是巨大的人力物力。

为了实现封闭隧洞自主返航这个功能，原计划两年的项目，实际用了三年半才完成，专门用一年的时间来解决自主返航的算法问题。

其实可以想象一下，进入到水电站水下封闭隧洞的机器人就像一个黑夜里行走的盲人，充满了未知，只能通过声音判断前面是悬崖还是坦途。或者旁边一直有一个耳聪目明的人给你提示：上下前后左右有什么障碍物，障碍物距离你多远，你在怎样的方位。脐带缆脱落的水下机器人更是如此，它无法再通过光纤信号与岸上的人进行沟通，光波和电磁波的穿透能力有限，只剩下了可靠的声波。

上世纪初泰坦尼克号触冰山沉没，催生了声波探测专利技术。在自然界，蝙蝠和海豚等动物也一直利用声波来判断距离和障碍物。但是封闭的水中隧洞与大海里定位又不同，一个有缆水下机器人下海后可以自动上浮，然后开始按照计划游弋，根据自动记录的轨迹就可以换算出它的位置。这在水中隧洞行不通，弯道太多、封闭水道也导致声音反射很多，收到的声波信号也非常混乱，水下机器人很难解析出自己的方位。

调峰调频公司水下机器人研发团队最终找到了解决方法。思路仍然是通过导引声呐与岸上的声源信号建立可靠的联系，接受岸上导引机的指引走出黑暗。“最后我们装了两套定位系统，一个用来测距离，比如说距离某个点100米。但光有距离还不够，你还要知道它距离这个特定点是前面100米还是后面100米，于是我们又装了一个指向性换能器的装置，专门定方向，这样机器人就明了在水里距离岸上声源的方向和距离，也就可以自动返航。”巩宇说道。同时，测距声呐则让水下机器人知道自身与管道壁间的距离，以控制其在不与管道壁发生碰撞的情况下，保持适当的观测距离，实现其六个自由度方向的测距避碰。最重要的是为了确保观测精度，研发团队还为水下机器人配备了可靠优秀的滤波电路、发射机、接收机等，以及设计高精确度换能器基阵。

在海蓄电厂、天生桥电厂的现场巡检试验中，团队均实施了水下机器人自动返航的实验，其中海蓄电厂是在隧洞内距离洞口200米处，天生桥电厂则是1867米长距离输水隧洞内自主返航。

这两次现场巡检试验均非常成功，水下机器人在自动脱缆后，都自己找回了“家”，浮出水面，与岸上的工作人员成功会师。

机器人：我走的每一步你会知道吗？

机器人在水中要“学习”的地方很多，它必须耐得住1000米水深的压力。这对它的外壳、材料密封性有非常高的要求，否则1000米水深处的水压可能将机器人搭载的设备压扁。尤其是里面的控制系统，如果密封性不好，水压将其打穿，电路板全部短路，机器人就挂掉了。调峰调频公司在研制过程中曾经出过这方面的问题。当时水下机器人的密封性没有做好，机器人进入几十米水深处时就开始渗水，线缆接头全部烧掉。

除水压问题外，水下机器人设计可以带缆航行两公里，它对动力有较高的要求，动力不够，拖不动那么长的电缆，可能机器人走到某个地方就动不了了。但是电缆不能太粗，最后水下机器人研发团队采用了高压直流供电技术，选择水面用380伏交流电，脐带缆是3000伏的直流电，到机器人时再降到250伏。

这都让水下机器人必须拥有钢铁侠一样坚固的盔甲，容不得一丝闪失。但水下机器人又并非仅仅只是一个巨大版的“瓦力”，它在工作时，必须与岸上的人类大脑通力合作。如果去到水下机器人作业现场，首先看到的是岸上的供电机器——负责为水下的机器人提供动能；其次是脐带缆绞车——负责将水下机器人送入水下；还有三台显示屏代表的控制系统——水下机器人的大脑，这都得由专业工作人员操作，因为未经训练，你可能读不懂水下机器人的信息，无法与它“对话”。

“水下机器人搭载了水下摄像机，但是在封闭水道中这远远不够，无论是观测距离还是水质能见度都可能影响它。所以图像声呐就显得尤其重要。”王文辉举了一个形象的例子，“比如眼前的房屋，摄像头一扫，你可能看到一些具象的桌子凳子，但是整座房子的形状你可能没有感觉。就像拿着手电筒在海底观察泰坦尼克号的残骸，只能是盲人摸象。图像声呐却能让你从整体上把握整个房子是什么感觉的。通过更尖端的声呐探测技术，你也能建立精确的泰坦尼克号残骸的数字模型。”

但是图像声呐传递给人类的可不是摄像头呈现出来的物体形状。“图像声呐返回来的东西就是一堆图标，如果没有经过培训可能只看出一堆五颜六色的东西，它不像摄像头拍出一瓶水就是一瓶水。这些五颜六色东西里，你还得去除噪声分辨出形状。”这些可以通过培训解决，巩宇说，“合格的操作员通过肉眼观测五颜六色的信息，就能分析出水下机器人前面有一个什么形状的东西，要么避开，要么让机器人走过，用水下摄像机仔细加以确认。”

广蓄电厂拍回来的画面中就有不少附着的水生物，由于没有天敌，这些水生物往往迅速繁生，很可能不久的将来隧道壁上密密麻麻全是。之前曾经用涂抹环保涂层的方式来解决，但是巡检的结果显示有些环保涂层脱落的地方，水生物又长了回来。

这种情况下，一个只会巡检的水下机器人好像有些有心无力。“仅从使用的角度，巡检中发现了目标水域中的问题后，如果能够直接通过作业解决问题是最棒的。但是水中作业的水下机器人更加复杂，在水中使用机械手与大气中完全不一样，它需要的精细度以及克服的困难更多。”黄小凤接着说道，“但是正像这次研发的水下机器人，遇险自动脱缆功能、封闭隧道自主返航功能均为国内首创的新技术，难度极大，我们都能克服，所以还是应该对未来抱有信心。”

事实上，目前工业领域，水下复杂的环境以及大规模水下工程建设项目正在孕育一个巨大且刚需的作业级水下装备市场。有媒体预测，工业级别水下装备采用声呐、空话射流等高技术传感器与执行器后，可以应用于港口泊位、水库、堤坝、电站、桥梁隧道等，预期市场规模可达百亿元。

目前，调峰调频水下机器人团队已经开始为作业级别的水下机器人做准备。

>>快问快答

人与机器人谁也离不开谁

提到机器人，大家都会两眼放光，有人甚至已经开始思考机器人的“人权”，当然更多的人还是从实际出发，思考这款水下机器人能否量产，实现科技成果转化？关于这些问题，我们列了相对的答案。

Q：人还是机器？

A：机器人正代替人类做非常多危险的工作。有人恐慌于机器最终代替人，导致更多的人失业。但是长期和机器人打交道的中船重工集团750试验场研究室主任杨帆认为“人才是最宝贵的财产。”目前这款水下机器人代替人类从事危险工作，杨帆觉得心意上还是过得去也是比较合适的，从事非常危险的工作并不会对人类的工作岗位造成威胁。同时，在一些具体的作业中，仍然需要人操作，机器人并不能完全取代人。

Q：水下机器人有怎样的未来？

A：国内目前可知的研究产品主要集中在水下摄影摄像、海洋环境监测、中型工业级水下机器人本体等。技术方面，虽然与国外在规模运用上仍然有一定的差距，但是在一些单项技术、整体技术上并不差。对于这次调峰调频公司与中国船舶重工集团研发的这款水下机器人所采用的多项技术均为国内首创。从长远来说，未来水下机器人可能主要有两个发展方向，一个是特种水文环境下的作业机器人，主要从事高风险的作业，比如水流大的管道等。另一种则是无人巡视机器人，用于远航程、长时效、大深度的探测，要求自动化程度更高，搭载更多的探测设备。

Q：能否量产？

A：从世界范围来看，水下机器人已经在渔业环境检测、潜水娱乐等消费级市场兴起，虽然目前在消费级市场里，接受度仍然无法与无人机产品相比，这却也意味着水下机器人市场充满了机遇。

不过杨帆认为，目前这款水下机器人量产的可能性不大，“虽然南水北调工程人员、三峡集团都来咨询过，但是它仍然是一种特殊的东西，有点儿像超级计算机，它当然有存在的必要，却不是每个人都必须拥有的东西。”

Q：我们科技成果怎么转化？

A：2018年南方电网公司科技创新半年工作座谈会上，公司党组成员、副总经理毕亚雄表示，在研发上，公司一直投入很大的人力与财力，未来在把握核心技术的同时，还应该更加重视科技成果的转化。各单位应该深入挖掘业务需求，制定成果产品化清单，加大新技术应用力度。公司也将努力打通科技成果向竞争性业务公司转化的路径。

目前，调峰调频公司也在思考这个问题。曾广移认为，“一个重要的方向就是用于内部，同时与合作单位一起提供对外服务；另一个便是产品级，但是这个方向比较复杂，情况有很多，仍然在考虑。”