[摘要]海洋石油和天然气资源丰富、储量巨大，极具开采价值。在海洋油气资源开发中，特别是深水油气资源的开发，大量的水下作业需借助水下机器人来完成。水下机器人可潜深至潜水员难以下潜的深度进行作业，克服潜水员在深水工作中遇到的困难，且具备安全、高效的特点，已在海洋石油工程中广泛应用。

【关键词】水下机器人；水下机器人；海洋石油工程；app应用

世界海洋总面积约为3.6倍；108平方公里，占地球总面积的70.8%。在浩瀚的海洋中，蕴藏着丰富的生物资源、矿产资源和海洋能。其中海底的油气资源开采最为经济，海上石油储量占世界总储量的1/3。20世纪90年代以来，海洋油气资源开发发展迅速，我国海洋油气资源开发利用也在快速发展。随着陆上油田资源的逐渐枯竭，产量逐年减少，海上油气产量在全国油气产量中的比重越来越大。在海上油气开发过程中，使用水下机器人可以提高工作效率。水下机器人可以下潜到潜水员无法到达的水深，克服潜水员在深水作业时遇到的困难。人们研制的各种性能、不同结构的载人潜水器，都是基于潜水球和潜艇技术的小型化。

常规水下航行器简介

ROV(RemoteOperatedVehicle)是遥控水下机器人的全称，也称为遥控水下机器人，属于一种无人驾驶水下机器人(UUV)，主要用于水下观察、检查和水下施工。另一种水下无人航行器叫AUV(自主水下航行器)，也叫自主水下航行器。它的发展始于20世纪50年代，特点是不需要携带线缆，行动更加灵活。起初，水下机器人的发展是出于军事需要，由美国、俄罗斯、日本、法国等国率先研制。因为水下机器人的发展离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航技术等的发展。后来海洋石油工业的快速发展带动了工业ROV的发展。第一台商用ROV于1975年用于北海油田和墨西哥湾油田。到1981年，遥控潜水器的数量已经飙升到400多艘，现在各种类型和功能的遥控潜水器不计其数。本文主要讨论商用或工业用水下机器人。

1.1水下航行器的分类

工业水下机器人功能多样，水下作业也极其多样。根据不同的分类标准，现有的水下机器人一般分为:(1)根据用途分为观察型、观察型和操作型水下机器人。操作水下机器人一般配有机械手，用于水下作业，如救援、打捞、电缆铺设、海洋石油等生产系统的操作和维护。观测水下航行器与作业水下航行器基本相同，但主要用于测量被调查对象的参数。一般的观测水下机器人只有图像观测的功能。它使用照相机、摄像机、声纳等。观察海底地形或搜寻水下沉船。(2)根据水下机器人与施工母船之间是否有电缆，可分为有缆水下机器人(ROV)和无缆水下机器人(AUV)。有缆水下机器人通过电缆与施工母船连接，母船为水下机器人提供动力和遥控。无缆水下机器人和母船之间没有电缆连接。AUV有自己的动力，靠自己的动力航行。(3)根据运动方式，水下机器人可分为漂浮式、履带式和步行式。漂浮式水下机器人漂浮在水中，一般处于零浮力(或有点正浮力)状态，靠安装的螺旋桨在水下三维空运动。履带式水下机器人多用于海底施工，如挖沟机、挖沟机、犁等。

1.2水下机器人的主要功能

水下机器人本身只是一个运载工具。如果要进行水下作业，必须携带水下工具。可以说水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，根据不同的作业目的可以搭载不同的水下作业系统。它可以承载水下作业系统的功能特性，从而扩大了水下机器人的应用范围，增强了实用性。现有水下机器人的操作系统通常包括1-2个多功能遥控机械手和各种水下操作工具包。主要功能有:观测海底地形、地貌、作业状态等。；测量相关参数；水下作业时螺栓的拆装和阀门的启闭；水下施工用电缆的绑扎和切割；水下救援和打捞；水下抛光和切割设施；水下部件或船体表面的清洁；水下钻孔和焊接。

1.3水下机器人的主要部件

水下机器人一般由水下运载器本体、水下观测设备、探测设备、导航定位设备(深度传感器、罗盘、速度计等)组成。)、机械臂、脐带、控制台和下降装置。领航员通过控制台远程操作建造母船上的水下机器人，完成具体的水下作业。通常，电力、液压、视频、数据和控制信号通过脐带缆与ROV控制台连接。AUV也有控制台，但是没有脐带。

水下机器人2号在海洋石油工程中的应用

用于海洋工程的ROV在外观、结构、功能等方面与常规ROV大致相同。，只不过机械臂或者它携带的工具更具有石油工程的特点。用于海洋工程的ROV大多配备4-8个液压推进器，通常根据作业目标选择1-2个具有相关功能的机器人。它们的功能一般是摄像机、抓取物体、剪切电缆/钢丝绳、开/关阀门、拆卸螺栓/法兰/卡环、水下焊接、水下火焰切割等。此外，还配备了以下设备:定位系统、陀螺罗盘、测深传感器、左右舷悬臂相机、旋转/倾斜相机、扫描声纳等。用于海洋工程的遥控潜水器根据其观察和操作能力可分为三类。第一种是纯观察型，只能完成水下观察和录像作业，不携带任何水下作业工具和设备。一般用于海底管道泥浆着陆点监测、导管架下水观察、海底平面调查等作业。第二种是作业型，通过安装具有不同作业功能的机械手，可以完成复杂的水下工作。这种水下机器人是海洋石油工程中最常用的。第三类是爬行动物，主要包括挖沟机和挖沟机，用于挖沟和埋设海底管道和电缆。

2.1水下机器人在导管架安装中的作用

(1)地形测量。导管架安装前，应使用ROV检查导管架安装区域的海底地形，以确认是否存在天然坑、腿坑、海底异物等。如果海底泥面不平整，应根据情况进行进一步的填平处理。(2)导管架扶正过程中的支撑。导管架下水后，必须调平扶正导管架姿态，并用ROV测量导管架防沉板与海底表面的距离、角度和接触，施工人员根据以上信息控制导管架下放。根据导管架设计条件的不同，有时需要ROV在水下打开一些阀门，实现导管架下水后的姿态调平。(2)夹克定位。水下机器人移动到导管架的立管或其他标记处，标记深度、航向和坐标等信息。(4)导向桩插入。使用ROV协助观察，确保导管架钢桩顺利插入喇叭口。有时需要引导钢桩下入喇叭口插桩，并引导桩吊架卸压恢复。(5)监测打桩。打桩作业过程中，必须使用水下机器人引导打桩锤打桩。打桩成功后，应监测打桩情况，如钢桩角度、泥浆渗透和设备工作情况。(6)灌浆作业。钢桩打入到位后，钢桩与导管架桩腿之间的空间隙应灌浆固定。利用ROV监控用氮气和淡水清理桩脚内壁与桩外壁之间裂缝的过程，并对过程进行跟踪监控，将信息反馈给灌浆操作人员。根据导管架设计的不同，有些导管架还需要ROV开启或关闭一些阀门来完成灌浆。(7)在上述施工中，使用ROV切割一些辅助安装设施，如电缆/钢丝绳、浮球/浮标等。，并拆卸/安装卡环等。(8)导管架安装后的调查。导管架安装完成上述所有施工过程后，应使用ROV进行进一步的系统检查，检查灌浆后桩脚底部与海底表面的接触情况，导管架上各阀门的开闭状态是否正确，导管架上的所有设备是否完好等。，并保存相关的视频图像，以便在导管架安装后获得最终的调查报告。至此，整个导管架安装完成。

2.2 ROV在海底管道铺设中的作用

(1)ROV携带水下测量设备，完成海底管道的定位、损伤、埋深、异物等工作。(2)切断一些辅助安装电缆/钢丝绳，如启动电缆、浮球/浮标等设施，拆除/安装卡环。(3)水下观测:巡航观测管道损坏情况、泥浆着陆点监测、废物堆积、管道悬跨、牺牲阳极和管道支架、膨胀弯头、注水装置和软管连接装置等。(4)电位测量:测量各管道的阴极保护电位。(5)管道悬跨的测量:用声纳测量管道悬跨的长度。(6)水下摄影:记录整个海底管道的状态，特别是管道的缺陷、异常和重要部位。(7)水下作业:深海海底管道铺设中安装膨胀弯头时，需要ROV完成法兰和螺栓的拆装。

3水下机器人的发展趋势

3.1新型AUV是未来发展趋势

虽然有缆水下机器人可以通过电缆更好地实现供电和远程控制，但它限制了水下机器人的灵活性、活动范围和作业类型。随着作业水深的增加，电缆长度和电缆电阻会增加，导致水下机器人功耗增加，作业受到限制空。由于水对电磁波的干扰，无线遥控长期以来一直面临着一个难题。如何移除ROV携带的电缆长期以来一直困扰着科学家。随着科学技术的进步，特别是硬件技术和控制技术的发展，一种新型的水下机器人应运而生。它是无缆的，自带电源模块，大大增加了活动范围，可以依靠自身的自动控制能力完成指定的工作。它具有机动性好、智能化、安全性高等优点，在海洋油气资源开发中发挥着越来越重要的作用。

3.2水下机器人需要解决的关键技术问题

水下机器人是高科技的集成。虽然水下机器人的各种材料和相关技术已基本成熟，但随着水下机器人向大范围、大深度、长航时和多功能方向发展，一些关键技术需要研究和解决，如:(1)水下通信。带缆水下机器人可以很好地实现带缆信息传输，但缆限制了水下机器人的功能。目前，无缆水下机器人的控制信号是通过水声通信实现的，存在传输延迟现象。由于声音在水中的传播速度远低于光速，因此很难对水下机器人进行实时控制。此外，传输距离受到载波频率和传输功率的限制。目前通信距离只有10公里左右。此外，声通信容易受到多径效应的干扰。虽然可以使用窄波速，但是存在一些问题，例如光束对准和跟踪。美国的蓝绿激光器已经在空中实现了100米深度的潜艇通信。激光通信的研究和发展为大规模水下通信开辟了新的途径。但目前蓝绿激光器体积太大，效率太低，耗能太大，无法用于无缆水下机器人。(2)能源问题。一般有线缆的水下机器人没有能量问题，但是如果在深海工作，传输损耗会随着线缆的增长而增加。虽然可以提高电压和频率，但是会造成绝缘和安全问题。对于无缆水下机器人而言，其自身供能模块中储存的能量是限制其工作范围的主要因素。可以考虑燃料电池，但目前还没有在水下航行器上应用，需要进一步研发。(3)控制问题。有缆水下机器人的控制相对简单，操作者可以通过控制台实现人机交互控制。然而，水下机器人有六个自由度，是一个强耦合的非线性系统。另外，当地水流方向和流速变化不规则，动力定位控制系统的刚度很难满足定点运行的要求，有待进一步研究。由于信息传输的问题，无缆水下机器人很难实现实时控制，因此往往需要自主控制或智能控制。但由于控制对象是6个自由度，交叉耦合、非线性、时变性非常严重，其控制技术非常复杂，需要进一步的研究和发展。

参考

[1]刘晓阳，杨润先，高宁。水下机器人发展现状及趋势研究[J].科技创新与生产力，2022，(6): 19-20。

贾森，纪梁文。ROV的原理及其在我国海洋石油工程中的应用[J].中国造船，2007，48(增刊):132-136。

[3]刘峰。深海载人潜水器的现状与展望[J].工程研究:跨学科视角下的工程，2016，8 (2): 172-178。

魏·。水下机器人的发展趋势与展望[J].现代制造技术与装备，2022，(2): 175-176。

作者:彭牵头单位:海洋石油工程有限公司

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