羅高生（右）在進行機器人作業(yè)前準(zhǔn)備。資料圖片
茆忠俊（前）在遙控機器人作業(yè)。資料圖片
在海洋領(lǐng)域，“深海一號”深水油氣平臺、“海油觀瀾號”漂浮式風(fēng)電平臺以及“國信1號”漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船等一系列標(biāo)志性裝備的建造完成和投入使用，標(biāo)志著我國海洋工程裝備設(shè)計、開發(fā)和建造水平實現(xiàn)了走進深水的重大跨越。黨的十八大以來，我國海洋科研水平穩(wěn)步提升。今年的政府工作報告提出，大力發(fā)展海洋經(jīng)濟，建設(shè)海洋強國。
進入新時代，如何提升我國深水工程結(jié)構(gòu)物水下運維技術(shù)和裝備水平，成為擺在涉海人才面前的新挑戰(zhàn)。2017年起，由上海海洋大學(xué)工程學(xué)院研究員姜哲領(lǐng)銜的水下智能運維機器人團隊，瞄準(zhǔn)目前潛水作業(yè)“高風(fēng)險”和“低效率”以及大型作業(yè)級水下機器人“高成本”等痛點，開展無人化特種智能水下運維關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與裝備開發(fā)，解決了海洋工程的系列技術(shù)難題。
以國家需求為己任
海洋石油163平臺和165平臺是我國自主設(shè)計建造的首座海上可移動自升式井口平臺，因其具有可升降、可移動、可重復(fù)利用等特點，被業(yè)內(nèi)形象地稱為“小蜜蜂”。
如何為忙碌的“小蜜蜂”做檢測？要知道，平臺甲板距離海面18米以上，南海冬季季風(fēng)風(fēng)力等級都在7級以上，4級至5級浪是日常，每次機器人下放都是一次全新挑戰(zhàn)。為此，團隊經(jīng)過現(xiàn)場多次演練、水面安全監(jiān)控布置等措施，完成了對平臺各樁腿從水面至入泥處的全面無損檢測，獲得了高清的樁腿結(jié)構(gòu)和表面附著海生物畫面，圓滿完成作業(yè)任務(wù)。
姜哲告訴記者，船舶、海洋平臺等海洋工程結(jié)構(gòu)物在海上作業(yè)長達二三十年，不僅面臨臺風(fēng)、內(nèi)波、海冰等極端環(huán)境的考驗，且長期處于鹽霧、潮氣和海水等環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)會遭受損傷甚至破壞，需要定期進行海生物清洗、結(jié)構(gòu)檢測、維修等運維作業(yè)。
“長久以來，海洋工程結(jié)構(gòu)物水下設(shè)施的運維主要靠潛水員作業(yè)，潛水作業(yè)安全風(fēng)險高，工程事故時有發(fā)生。采用機器人代替人力開展復(fù)雜性的水下運維作業(yè)，是國內(nèi)外海洋工程與水下機器人領(lǐng)域始終努力的方向。但國內(nèi)在海洋水下智能運維裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別是中輕量級智能運維作業(yè)水下機器人領(lǐng)域的研究與實踐尚十分有限。”姜哲說。
“堅持以科技創(chuàng)新引領(lǐng)海洋強國建設(shè)，以國家海洋強國建設(shè)需求為己任！”為此，團隊依托上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，發(fā)揮長期從事深海載人/無人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和裝備研發(fā)優(yōu)勢，將深海潛水器所涉及的水下耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計與可靠性評估技術(shù)、水下密封技術(shù)、無動力上浮下潛技術(shù)、復(fù)合型潛水器水下控制技術(shù)等，結(jié)合海洋油氣平臺、海上風(fēng)電平臺、船舶等不同場景應(yīng)用特點，開展“標(biāo)準(zhǔn)化平臺+定制化工具”開發(fā)，成為國內(nèi)少數(shù)在多種類型船舶與海洋平臺上具有機器人實測和應(yīng)用經(jīng)驗的團隊。
向智能技術(shù)要效率
水下結(jié)構(gòu)物的運維作業(yè)，例如，海生物清洗作業(yè)，在進行高壓水噴沖時，會產(chǎn)生巨大的反作用力，因此，傳統(tǒng)上需要采用重型作業(yè)級水下機器人作業(yè)。但此類機器人體積較大，操作靈活度低，進入復(fù)雜空間的安全風(fēng)險高，且設(shè)備成本昂貴。
為此，上海海洋大學(xué)水下智能運維機器人團隊聯(lián)合中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司、中集海洋工程有限公司、中國船舶集團有限公司第七一〇研究所、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所等企事業(yè)單位，開展海洋工程結(jié)構(gòu)物水下智能運維機器人研發(fā)。
“我們提出了一種浮游與爬壁相結(jié)合的雙作業(yè)模式機器人，以螺旋槳浮游驅(qū)動保持機器人靈活性，通過磁吸附提供作業(yè)時的穩(wěn)定性。該款機器人突破了自適應(yīng)外圓管磁性吸附底盤、抗磁干擾電子元件等關(guān)鍵技術(shù)，解決了機器人在復(fù)雜海洋鋼結(jié)構(gòu)物間的吸附爬行運動以及浮游與爬壁雙作業(yè)模態(tài)并存控制問題，相比常規(guī)作業(yè)級水下機器人，設(shè)備成本降低了50%以上。”團隊成員、上海海洋大學(xué)工程學(xué)院教師羅高生介紹，歷經(jīng)逾500次實驗室試驗、四代樣機迭代和兩輪中試試驗，這一雙作業(yè)模式機器人已形成3個系列工程產(chǎn)品。
2021年11月，團隊與合作單位在渤海綏中36-1導(dǎo)管架平臺首次應(yīng)用磁吸附式水下機器人，進行導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)表面海生物清洗作業(yè)。機器人利用高壓水裝置通過吸附爬行方式，對導(dǎo)管架平臺主樁腿進行海生物清洗。由于機器人設(shè)備重量不到50公斤，兩名操作人員就可以完成設(shè)備布放與回收，省去了動用作業(yè)支持船舶的大量費用，既保障了人員安全，又實現(xiàn)了降本增效。
經(jīng)過一年的技術(shù)優(yōu)化和設(shè)備改造升級，2022年10月，團隊與合作單位研發(fā)的水下設(shè)施巡檢裝置成功應(yīng)用在渤海西部海域NB35-2CEP至世紀(jì)號海底管纜治理作業(yè)中，邁出了水下管纜隱患治理輔助作業(yè)裝置從理論研究到生產(chǎn)應(yīng)用的“關(guān)鍵一步”，實現(xiàn)了從常規(guī)潛水作業(yè)向智能無人化輔助作業(yè)的根本性轉(zhuǎn)變。
短暫休整后，2022年12月、2023年4月和9月，團隊又到北部灣海域，針對海洋石油163平臺和165平臺開展完成了自升式平臺樁腿以及膨脹彎等水下重要設(shè)施的探查作業(yè)。團隊成員、上海海洋大學(xué)工程師茆忠俊信心滿滿：“我們將繼續(xù)圍繞機器人操作便捷性、工藝流程科學(xué)性、作業(yè)配套機具可靠性等方面下功夫，進一步提升海上作業(yè)效率。”
在海上實踐育新人
水下工程裝備開發(fā)的前提是對基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)問題的攻關(guān)和突破，需要眾多涉海人才團結(jié)奮斗、堅持創(chuàng)新。對此，姜哲表示，“精、特、優(yōu)、強”是上海海洋大學(xué)水下智能運維機器人團隊始終秉持的宗旨，而將前沿科學(xué)和工程技術(shù)與教書育人相結(jié)合，培養(yǎng)出一批高水平涉海人才，則是團隊的初心使命。
為此，團隊先后開設(shè)《走進深淵》《機器人前沿技術(shù)》《無人水面航行器技術(shù)概論》等海洋特色課程，吸引更多團隊成員關(guān)注深藍，創(chuàng)新筑夢。結(jié)合科研工作實踐，團隊主動設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的工程案例，如在《自動控制原理》課程中設(shè)計與水下機器人技術(shù)相關(guān)的課程案例。“我們希望通過案例式教學(xué)來強調(diào)理論與實踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生對知識的實際運用能力、創(chuàng)新和工程思維，從而提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。”團隊成員、上海海洋大學(xué)工程學(xué)院教授周悅介紹。
同時，利用海試航次機會，團隊始終堅持在海上實踐中育人，增強團隊成員的海洋工程意識和海洋權(quán)益意識。2015年起，團隊陸續(xù)組織實施了七次大洋科考航次以及十余次近海測試。從祖國西沙、中沙，到西北太平洋馬里亞納海溝、西南太平洋新不列顛海溝，都活躍著團隊成員奮斗的身影。
團隊成員、上海海洋大學(xué)2022級研究生羅傳坤、高世民，入校后就參與了海底管道巡檢機器人與船舶鋼結(jié)構(gòu)清洗機器人研發(fā)工作。2022年9月，羅傳坤在參與渤海海底管道機器人巡檢試驗中，努力克服對海上工作條件的不適，承擔(dān)起機械工程師工作，圓滿完成任務(wù)。2023年4月，新的海上試驗任務(wù)到來時，高世民第一個報名參加，通過出海體檢后，作為電氣工程師和團隊一起完成了海試任務(wù)。結(jié)合海上試驗的實測數(shù)據(jù)，兩位學(xué)生撰寫了高水平的科技論文，并向國際期刊投稿。經(jīng)歷幾次海試的磨煉，他們感慨：“在項目和實踐中學(xué)習(xí)，是應(yīng)用知識最快的方法！”
姜哲表示，團隊已建立了一支由老師、工程師、實驗員和研究生組成的技術(shù)攻關(guān)隊伍，目前，團隊中40歲以下的青年人員占比在80%以上，“青年人的活力容易碰撞出新的思維火花，‘水下全景攝像’‘水下人形機器人’等種種新奇的想法，也一次次打破了我們這些‘老隊員’的固有思維，成為團隊科研和教學(xué)的‘助推器’。今后，我們也將繼續(xù)保持旺盛的創(chuàng)新力，向著深藍一步步挺進”。（記者 顏維琦）