深海作业型ROV系统概述及展望

作者：刘芳平、黄煜宗、叶俊聪、黄元铿，中国地质调查局广州海洋地质调查局

地球上海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的70.8%，且大部分区域都属于深海，使用ROV进行深海探索具有重要意义。ROV根据配置方式的不同，可分为有中继器、压载器与装浮球3种模式；根据作业能力，可分为观测型和作业型。其中，作业型ROV主要用于近海底观察、资源开发、深海科考等。

本文对作业型ROV的国内外发展现状、系统组成和应用进行了详细梳理，并对ROV通信技术、电力传输技术、探测和识别技术、标准化和模块化设计、可靠性设计和工作模式创新进行展望。

一、作业型ROV国内外发展现状

1、国外发展现状

国外对ROV的研究起步早且技术成熟，国外发展现状如表1所示。

表1 国外主要海洋调查机构拥有的ROV及其基本配置情况

机构名称

日本JAMSTEC

法国Ifrener

美国WHOI

加拿大ISE

ROV名称

Kaibo

Victor6000

Jason2/Medea

ROPOS

深度级/m

11000

6000

6000

5000

机械手

2只七功能主从式机械手

1只主从式七功能机械手：Maestro；1只开关式五功能机械手：Sherpa

2只七功能机械手：SchilingOrion，KraftPredatorⅡ

1只七功能机械手：Kodiak；1只五功能机械手：Magnum

主要作业工具

5个摄像机，1个照相机；海水温度盐分测定器等

3个摄像机，5个照相机；可移动采样篮，岩心钻取器等

9个摄像机，3个照相机；升降式取样器等

3个摄像机；采样盘，生物容器，采样器等

2、国内发展现状

国内ROV的研究工作起步较晚且技术相对落后，国内发展现状如表2所示。

表2 国内主要海洋调查机构拥有的ROV及其基本配置情况

机构名称

日本JAMSTEC

法国Ifrener

美国WHOI

加拿大ISE

ROV名称

Kaibo

Victor6000

Jason2/Medea

ROPOS

深度级/m

11000

6000

6000

5000

机械手

2只七功能主从式机械手

1只主从式七功能机械手：Maestro；1只开关式五功能机械手：Sherpa

2只七功能机械手：SchilingOrion，KraftPredatorⅡ

1只七功能机械手：Kodiak；1只五功能机械手：Magnum

主要作业工具

5个摄像机，1个照相机；海水温度盐分测定器等

3个摄像机，5个照相机；可移动采样篮，岩心钻取器等

9个摄像机，3个照相机；升降式取样器等

3个摄像机；采样盘，生物容器，采样器等

总体上，国内具有ROV总体制造和集成能力，下潜深度可达到国际同等水平，与国外的主要差距在于一些关键零部件和关键技术被垄断，不能实现技术的产业化。

二、作业型ROV系统组成

目前，几乎所有水下检测和维护作业都需要通过水面支持船（作业母船）、ROV系统和经验丰富的ROV领航员来完成。水面支持船是水面支撑系统，承担ROV的长途运输、动力支持、布放回收及水面控制等任务，且必须具备动力定位功能，保持在水面的位置。

ROV系统包括水上、水下2个部分：水上部分由控制单元和布放回收系统（LARS）组成；水下部分由中继器（TMS）和ROV本体组成，作业型ROV系统组成如图1所示。

图1 ROV系统组成

1、水面控制单元

水面控制单元包括配电柜、控制系统、操控台、显示器等。水面控制单元进行电力和通讯的控制和分配，通过脐带缆与ROV进行电力输送和通信连接。

由于无线技术的限制，通信一般通过脐带缆进行，使用脐带缆供电/通讯可以不受电量和数据处理能力的限制。ROV光纤通信示意图如图2所示。

图2 ROV光纤通信示意图

2、布放回收系统

LARS由脐带缆、绞车、排缆器、A型架、HPU等组成。LARS可布置在母船舷侧或船尾。ROV标准作业流程：①准备，②布放，③下潜，④作业，⑤上浮，⑥回收，⑦维护。ROV布放、作业、回收示意图如图3所示。

图3 ROV示意图

脐带缆用于ROV的电力传送和信息通信，通常由数根电缆、光纤、聚合物保护套、填充物在成缆机上螺旋成形。根据作业海深和工况的不同，有时需对脐带缆进行铠装，以提高其抗拉强度，防止其在恶劣工况下被拉断。同时，脐带缆绞车需具备升沉补偿功能，以保证脐带缆处于恒张力状态。脐带缆参数和结构示意图如表3和图4所示。

表3 4500mROV脐带缆（Nexans）参数

名称

参数

空气中的质量/（kg/km）

3400

海水中的质量 /（kg/km）

2600

比重

4.4

破断力/kN

450

工作负载/kN

150

推荐弯曲半径/cm

69

额定电压/V

3300

电源单向

4mm2铜

图4 脐带缆结构示意图

3、中继器管理系统

TMS主要由中性缆绞车、对接机构以及框架等组成。TMS通过脐带缆与A型架、绞车相连，直接由主缆收放，与ROV本体之间通过中性浮力系缆连接。TMS隔离了作业母船升沉、纵倾、横摇的影响，同时也消除了系缆对ROV的拖曳影响，保证了ROV运动的平稳性、灵活性。常见的TMS有机库式和顶帽式2种，顶帽式承载能力和储缆能力更强，储缆长度可达数千米，ROV作业半径更大，通常被用于深海作业型ROV。

4、ROV本体

ROV本体包括框架、浮力材料、控制系统、动力与推进系统、导航定位系统、通信系统、摄像及照明系统、载荷系统等。“海马”号的基本构成如图5所示。

图5 “海马”号的基本构成

（1）ROV框架和浮力材料

ROV大多采用开架式结构，可提高整机稳定性，同时便于安装和携带各类传感器和设备。浮力材料是使用密度低于水的材料制成的浮力块，同时能够承受深海作业时的水压。ROV下潜时，采用浮力块加压载块结合的方式，提高整机的有效载荷，为ROV节省动力。

（2）水下控制系统

水下耐压电子舱是ROV的核心部件，内置水下光端机，为其他部件进行电力分配和数据通信，并与水面控制单元保持实时的信号传输。

（3）动力与推进系统

推进器的配置决定着运动控制，影响推进器配置选型的主要因素包括机器人的主尺度、推进分配功率、推力需求、自由度和有效荷载等。为了实现更精准高效的六自由度控制，可以按照一定的角度安装推进器，实现矢量推进。

作业型ROV一般为液压系统，ROV下潜深度越大，所承受的海水压力就越大，高压易导致阀箱、灯箱等箱体被压坏，因此需要液压补偿以平衡外部海水压力。

（4）导航定位系统

水下机器人在水下实现精准定位、自主导航，需要位置、速度和姿态3种测量单元。位置测量单元可以由GPS、超短基线定位（USBL）系统等设备构成；速度测量单元目前最有效的手段就是声学多普勒速度仪（DVL）；姿态测量单元通常是通过惯性导航系统（INS）测量计算得到的。

ROV的导航定位系统通常由GPS，USBL，DVL，INS，罗盘（舰首、倾角传感器）、深度计和高度计等传感器组成，可实现定高、定深、定向，拥有良好的原位保持能力。

（5）通信系统

ROV通信一般使用脐带缆，传输介质是金属导体或光纤。光纤传输不受交流电感应噪声的影响，传输距离远、带宽大，光纤技术已经成为作业型ROV领域的行业标准配置。

网络和通信离不开通信协议，每个协议都为系统间的数据交换提供了一套规则。ROV行业使用的3种常见通信协议的比较如表4所示。

表4 ROV行业使用的3种常见通信协议的比较

通信协议

RS-232

RS-485

千兆以太网

网络拓扑

单端

多点

多点

通信模式

全双工

半双工或全双工

半双工或全双工

最大通信距离/m

15

1200

100

最大传输速率

20kbps

10Mbps（15m）

1Gbps

可知，每种通信方式都有其优缺点，在实际选择过程中，需充分利用不同通信方式的特点以满足实际需求，同时也要考虑匹配设备和传感器通信接口。

（6）摄像及照明系统

摄像及照明系统包括声呐、水下灯（HIM灯、LED灯等）、高清摄像机及高清照相机等。声呐用来对海底地形地貌和ROV周边环境进行成像和勘测，并防止ROV与水下障碍物发生碰撞。高清摄像机及高清照相机用于近海底观察，获取高清视频和图片，由于自然光无法到达深海，水下黑暗和高压环境对水下灯、高清摄像机及高清照相机提出较高要求。

（7）载荷系统

载荷系统包括作业工具和搭载设备。根据不同的作业任务，可选配不同的作业工具，如多功能机械手、取样器及割缆器等。ROV作为科研搭载平台，可搭载多波束系统，浅层剖面仪、CTD传感器，海流计等设备和传感器用于水下观测。

三、作业型ROV的应用

ROV的应用实质是进行水下探测和作业的载体平台。如图6所示，ROV可深入海底观测生物的多样性和分布，也可使用机械手及挂载工具进行作业和取样等。

图6 作业型ROV观测生物的多样性和分布、作业和取样

四、作业型ROV发展展望

1、通信技术

ROV使用多个高清摄像机和高清照相机，搭载和控制各类传感器设备以及进行远程操作时，数据吞吐量和带宽对于ROV是很重要的。

通信网络和卫星技术的发展，使得无人船和远程陆基操作成为可能，如图7所示。在陆地上对水下设备建立远程控制中心，可以实时对全球范围内、数千米海深的ROV进行远程控制，数据获取和后处理。同时可以让海上施工更加高效安全，而且能第一时间进行海底干预。

图7 远程陆基操作

未来将通过多种通信方式相结合，提高通信能力，大力发展能够摆脱水面支持的自主或半自主工作级水下机器人技术，创新工作模式，降低运营成本和安全风险，减少用工量是未来的发展方向之一。

2、电力传输技术

随着电气系统和电池技术的不断进步，电动ROV（E-ROV）应运而生。E-ROV可以进行更复杂、更精确的自主操作，甚至常驻海底。ROV是液压和电力推进系统之间的平衡，未来将继续减少对液压系统的依赖。ROV目前是脐带缆供电的，但也可以连接到海底电源（海底电缆），理论上可以无限续航。

全海深、长距离动力（电力）传输，海底高效能源动力供应，铺设海底电缆和基站，建设海底城市是未来的发展愿景。通信网络、无线技术和电力传输技术的发展将为ROV常驻、自主和远程操作开辟一条全新的道路。

3、探测和识别技术

目前水下目标探测与识别主要分为声学、光学2种方式。发展机器视觉识别技术，如基于机器视觉识别原理的水下对接技术，实时数据处理和海底成像（仿真模拟器，3D成像，VR，AR技术等）是一个重要领域。另外，丰富海底地形地貌图库和海洋生物资源库也是亟需和必要的。

4、标准化和模块化设计

目前，ROV各子系统定制化程度明显，不具备通用性和互换性，这就要求ROV在设计之初就需充分考虑模块化、扩展性和挂载能力。标准化可从机械、液压、电气、软件等方面着手，提倡标准接口和标准数据格式。在设计和制造过程中分模块进行总体布局和优化设计。为提高深海作业型ROV的作业性能、通用性以及协作能力，水下机器人标准化和模块化设计是未来的发展方向之一。

5、可靠性设计

可靠性设计是深海作业型ROV安全作业和顺利回收的重要保障，包括机械结构、水下耐压密封等硬件方面，也涉及故障检测、容错控制等系统控制方面。基于解析模型、信号处理的故障检测方法，异步信息融合技术和容错滤波技术仍是深海作业型ROV可靠性设计方向之一。

五、结语

深海作业型ROV是人类探索和开发海洋的重要载体，安全、稳定、高效和可靠的作业性能始终是深海作业型ROV的研究方向。随着ROV通信技术、电力传输技术、探测和识别技术、标准化和模块化设计、可靠性设计的发展，摆脱水面支持，创新工作模式，降低生产和运营维护成本，增加水下作业窗口期，减少用工量，ROV在未来进行自主、远程操作和海底常驻完全必要和可行。

来源：《船舶物资与市场》（2021年第10期）、溪流之海洋人生