嘉陵江亭子口水电公司林向阳：5G智能水下巡检机器人的研究、项目成果与效益

“水下巡检的总体方案，一个是水下地形测量，第二是水下机器人智能巡检。地形测量主要是通过水面的无人船，通过GPS和BTS进行定位，通过单波束、多波束、3D声钠进行水下地形检测。水下机器人智能巡检，主要是我们研发了机器人双模态水下机器人运动结构设计、高可靠远程遥操作控制系统设计，还有排淤置换可视化主动检测技术，水下点云量化感知技术，多传感融合水下定位关键技术，基于注意力机制深度学习的露骨料分割技术，基于5G远程指导活动。”

——嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司技术主管林向阳

4月27日，华北电力大学技术转移转化中心与中关村华电能源电力产业联盟联合主办的2021年智慧电厂论坛（第一期）在广东深圳成功举办。嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司技术主管林向阳发表了以《5G智能水下巡检机器人》为主题的演讲。

直播专题:2021年智慧电厂论坛（第一期）

文字实录如下：

先生，为我们带来精彩报告。

林向阳：尊敬的各位领导，各位嘉宾，上午好！我是来自嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司的林向阳，我今天分享的是5G智能水下巡检机器人，介绍之前我先讲述一下嘉陵江亭子口水利枢纽的情况，它是长江六大防控体系重点工程之一，是以防洪灌溉城乡供水发电为主，是一个一等大工程，我们这个项目是跟清华大学一起合作，针对亭子口水利枢纽水下部分的巡检。

我的报告分三个部分，一是项目背景，二是5G智能水下机器人研究，三是项目成果与效益。

我们这个项目有别于其他前面两位分享的机器人，我们重点应用对象是侧重于水工建筑水下部分检测，应用场景主要着重于水下，所以跟陆上有很大区别。

项目背景，在高坝枢纽是支撑水能高效开发和水资源综合利用的重大基础设施，我国的高坝数量与规模均居世界首位，其中四川250米以上世界级高坝占全国三分之二，大流量泄洪，高随水流消能成为常态，对枢纽建筑物的安全性、稳定性、耐久性要求十分高。目前世界上200米以上的大坝有77座，中国200米已建的大坝有20座，100米以上的有114座，四川已建的200米以上的有6座，100米以上的有14座，大坝规模非常大，泄洪流量大，加上汛期泥沙量高，因此泄洪消能期间，运行受到破坏。

泄洪消能建筑物长年运行就会出现磨蚀等损伤，箫红效能建筑破坏根据2007年到2010年的统计数据，显示大概有800多座，占总数的74.6%，目前巡检主要是以人工目视巡查和辨别为主，人工目视巡查存在低效、高危、弱定量化等缺陷，机器替人开展精准及时的结构损伤智能巡检与安全评价，成为运行期高坝枢纽安全管控的必然要求。这使我们用水下机器人通过结构损伤、缺陷识别、理论与方法解决泄洪消能建筑物巡检评价难题势在必行。我们的亭子口水利枢纽，从左岸到右岸，正常发电的情况下是不具备检修条件的，传统的也有一些手段，水下电视录像还有潜水员，存在效率低，风险高。

这个视频是亭子口水利枢纽在2013年投产之后，2018年7月11日的大洪水，是超50年一遇的大洪水，下游的几个地势，水已经接近警戒值位，这个水基本上已经满起来了。

这是2020年8月16日，也是接近50年的大洪峰，这个是泄洪消能情况，从上游俯视角度看到，水已经是基本满起来了，到了顶部，泄洪能量是非常大的，对泄洪期间水下的运行情况是非常的，排水道也不知了相应检测、仪器和设备，但是检测手段毕竟有限，在泄洪间隙期间或者汛期结束之后，对水下的运行情况是非常迫切需要掌握和了解的。

针对我们的需求，我们进行了水下机器人的研发，我们的技术路线总共是五个方面，一个是现场分析，第二是方案制定，从技术上进行突破，还有系统集成，最后一个环节是分析与评估。现场分析主要是以坝面资料、环境条件、作业流程、行业规范、国内外案例、巡检内容、巡检精度、巡检范围、巡检成本等方面进行现场分析。方案制定主要是以巡检解决方案，通过专家指导、风险评估、沟通交流、技术论证等方式进行制定。技术突破主要是巡检线路规划、水下运动控制、精准导航定位、缺陷检测与识别。系统集成主要是模拟环境测试、现场实验、可靠性测试、权限测试、优化。最后是分析与评估，主要是缺陷量化、缺陷分类、因果分析、趋势分析、健康评估、运维指导，总思路是围绕着巡路线、检、诊、维四个方面制定了技术路线。

第二是关于5G智能水下机器人研究，前面介绍了技术路线和思路，围绕思路我们进行了相应的攻关。水下巡检的总体方案，一个是水下地形测量，第二是水下机器人智能巡检。地形测量主要是通过水面的无人船，通过GPS和BTS进行定位，通过单波束、多波束、3D声钠进行水下地形检测。水下机器人智能巡检，主要是我们研发了机器人双模态水下机器人运动结构设计、高可靠远程遥操作控制系统设计，还有排淤置换可视化主动检测技术，水下点云量化感知技术，多传感融合水下定位关键技术，基于注意力机制深度学习的露骨料分割技术，基于5G远程指导活动。

这是我们的关键技术之一，就是水下多维多频巡检数据采集方法与技术，主要是结合声学、图像、点云设备的优缺点，进行水下混凝土多维度量化信息数据采集。第一是通过声学设备进行大范围的轮廓巡检，第二是图像设备适合可视化观测与分类，第三是点云设备进行小范围的精准测量，研究水下混凝土图像和点运输局获取的方法与实现技术，及图像和点运输局域处理和校准。

关键技术之二是双模态水下机器人运动结构设计关键技术，这是针对已有消力池水下机器人单一运动模式的问题，采用框架式结构，首创了双模态消力池水下检测机器人，该水下机器人既能在水中浮游，同时也能在水底下爬行，可在水系作业时，自由切换点线的作业模式，实现高效率全覆盖的消力池护坦混凝土图象数据采集。

这个动画主要是结合刚才所说的水下机器人的运动结构关键技术。水下定位无法跟陆地上一样，通过现有的卫星和扫地机器人，因为水下通讯的无线信号是经常穿透不了水的，机器人设计的工作水深是不下于100米，所以水太深信号穿透不了。

这两个视频是水下巡检的基本环境情况，可以看到左边的视频，水下基本上是无光的，而且机器人一走动之后，水下漂浮物全部起来了，也就是通过常规的检测手段，视频拍摄首先要解决补光，其次是浑浊，摄像头拍摄距离远了也拍不到了，还有就是防水问题，所以环境条件非常恶劣。右边是水下作业我们是用另外一个机器人拍摄的，在水下运动的基本情况。

关键技术之三是排淤置换可视化主动检测关键技术，突破了青鱼置换可视化主动检测技术，通过清淤模块、置换模块、采集模块的一体化设计，克服了淤积覆盖、浑浊环境对数据采集的干扰，实现了水下混凝土表面高清晰度的数据采取。我们有四个网状的东西就是清淤管道，通过冲水，把淤积物冲走，左边箱子装的是清水，四周有导向轴，先把机器人检测表面，所以沉到底部，四个管子对淤积物用水冲，冲了之后再把箱子里的清水通过升降结构，把它贴到表面，箱子里就装着防水摄像头和补光灯光，最后进行拍摄。左边图是无清水置换装置时混凝土底板拍摄，拍摄的时候不可能冲干净，中间还是有隔着泥沙，我们增加了清水置换装置，排淤和升降装置，冲干净之后，箱子就落在表面，就能拍到清晰的表面情况。这里有清淤的视频效果，左边的是底孔，右边是表孔，沉淀瘀泥多的就比较厚，需要经过多次冲瘀，再经过清水置换装置。下面的视频还有几个小白点，其实就是补光情况，这两个视频是水下20多米，是护坦之间的收缩缝的运营情况，表面的混凝土有局部被冲掉部分。

关键技术之四是多传感器融合水下定位关键技术。研究了多传感器数据瑞和的水下定位技术，作业船采用双RTK系统定位技术，获得大地坐标系下的船只位置，同时水下机器人采用水声定位，获得船只坐标系下的机器人位置，数据融合，获得大地坐标系下的船只坐标，实现机器人水下作业位置和轨迹的实时感知。水声定位是利用潜艇作业定位技术，是目前来说水下定位用得比较好的或者比较先进的，精度比较高的定位方式。

关键技术之五是基于注意力机制深度学习的露骨料分割关键技术。针对露骨料自动识别的问题，研究了注意力作用机制，设计了注意力计算模块，提出Attention-U-Net的卷积神经网络。如果表面有冲刷磨损，针对露骨料识别研究，克服了传统神经网络在复杂缺陷特征识别的不足，可实现像素级的露骨料图像分割。通过检测之后进行比对，确定缺陷的情况。

前面着重讲机器人本身，最后是通讯这一块，因为无线通讯通过水的介质传递不下去，机器人跟水面之间是通过以太网，到了水面之上，因为在水上作业，水电厂受风和水浪等等，还有很多闸门，安全风险很高，为了实现在水面作业无人化，针对检测过程中缺陷的鉴定，专家也不可能每次检测的时候都到现场，所以针对这些具体情况，通过5G技术，因为水域面积比较宽广，假设了5G基站，还有远程专家进行评估，借助5G技术两高两低，相关专业人员可以直接坐在办公室，集控在成都，在成都可以通过专家支持，在巡检的同时，可以遥控指挥水下机器人检测位置，哪个地方有可疑的情况，进一步核实等等。

掌握基于5G技术和人工智能技术的能源风险防控关键技术，重点突破5G与机器人融合关键技术，实现更加智能高效安全的巡检作业，充分利用边缘计算数据存储与处理能力，深入探索边缘计算在水电安全方面垂直应用场景，有效发挥机器人终端侧与边缘计算评估单元节点协同能力。

这就是5G架构的图，主要是三平台一组网，终端的操控平台，远程的评估平台，这三个平台之间通过5G网络。这里是一些远程的视频图像。

这是水下机器人的技术指标，是一个框架式的，作业水深不小于一白米，消力池全覆盖，我们两个消力池加起来有两百多米长，有将近三百米宽，消力池水下机器人最大前进速度是不小于三节，也就是1.5米每秒，工作温度是0到40度，抗流能力是3-4节，照明是3个LED灯，亮度可调节，影像传感精度有效像素不低于1240万像素，传感及采样速度不低于3000。

消力池检测之后缺陷分布的标识。

消力池结构安全评估体系架构，主要分为四大块，巡检，数值模拟，测量，监测。

最后是进行建模。

这个是整个系统的主要功能。

最后一个模块是项目成果与效益，通过水下机器人应用，也产生了很多发明专利和标准以及论文。根据我们在建设之初做了经济性分析，我们在2013年投产，14年做了抽干排水，单次需要检测需要五个月，需要590万元，通过机器人单次检查时间是20天，检查费用是76.26万，这个项目总共是两年，每次检查节约费用514.32万元。

综合效益就是科技创新、安全保障、学科发展，感谢大家的聆听！

（来源：北极星电力网，发言为北极星电力网根据速记整理，未经本人审核，如需转载请完整转载全文不允许删减）