无人遥控潜水器

无人遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）是一种无人、有缆的潜水器，通过脐带缆与水面母船连接，脐带缆负责传输能源和信息，母船上的操作人员可通过安装在ROV上的摄像机、声呐和传感器等设备实时观测海底环境，并通过脐带缆遥控操纵ROV、机械手和配套的作业工具开展水下作业。

ROV的优点在于动力充足，作业时间几乎不受能源限制，作业能力强，可支持复杂的探测作业设备和功率较大的机械作业用电，信息传输和交换快捷方便、数据量大，因此在海底探查与资源开发、深海救捞作业、水下施工作业、海底观测网建设与维护等方面发挥着重要作用。

在海底观测网建设、使用与维护中，目前ROV作业系统的主要应用有两大类：第一类是进行海缆埋设、海底主基站（即主接驳盒）等大型设备布放与安装，采用大型作业级ROV，如Sealion III海缆埋设机；第二类是承担观测平台和科学仪器等中小型设备及其扩展缆的布放、安装与维护等作业任务，多采用大中型作业级ROV，如美国MBARI海洋研究所负责维护MARS海底观测网的Ventana和非营利性的加拿大科学潜水器设施公司（Canadian Scientific Submersible Facility，CSSF）负责维护NEPTUNECanada和OOI的ROPOS（图10-8）。本节主要介绍第二类应用需求。

图10-8 大中型作业级ROV

（a）Ventana （http：//www.mbari.org/at-sea/vehicles/remotely-opera-ted-vehicles/rov-ven-tana/）；（b）ROPOS（ht-tp：//www.ropos.com/index.php/ropos-rov/meet-ropos）

10.3.1 国内外发展现状

ROV是国际潜水器中发展最早、应用最广泛的水下作业设备之一，欧美发达国家的ROV技术已完全实现产品化、产业化，且相应的配套设备齐全，形成了完整的产业链。全球超过400家厂商可提供ROV的整机、零部件和操作服务，大约有1100多台工作级ROV，其中约有40家左右厂商可提供深海大型作业级ROV。

在商用ROV方面，美国、欧洲占据了绝大部分市场。世界第一套商用ROV诞生于1974年，是Hydroproducts公司研制的RCV-225。尽管目前在通信缆维护和海洋油气领域有着大量商用的ROV系统，4500以浅（含4500m）的ROV已有货架产品，但大都应用于海洋石油开发。由于6000m以深ROV技术复杂，受现有配套技术限制，目前世界上6000m以深级的ROV系统数量非常少，且多用于科考，大多数由科研院所拥有，个别6000m级ROV活跃在深海沉船、飞机残骸及沉弹的搜索及打捞领域。

下潜最深的ROV是日本JAMSTEC（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）投资45亿日元研制的KAIKOROV，1994年曾到达11000m海底进行海底板块俯冲情况调查。美国伍兹霍尔海洋研究所2007年成功开发了混合式ROV（Hybrid ROV，HROV）“海神”号（Nereus），于2009年5月31日成功地下潜到马里亚纳海沟10902m水深。“海神”号有两种工作模式，即ROV和AUV模式，因此称为混合式ROV；ROV模式工作时连接ROV的微细光缆仅仅能传输信号，海底作业由其自带电池供给能源，因而作业能力非常有限。但遗憾的是，上述两套万米级系统均已在深海作业中丢失，因此，目前世界上无万米级ROV可投入应用。李一平等（2016）详细介绍了AUV和ROV混合型水下机器人的研究现状。

图10-9 海马4500

我国对于ROV的研究与开发起步较晚，从70年代末才开始研究，相比于欧美国家和日本，我国一直处于落后水平。从70年代末起，中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学开始从事ROV的研究与开发工作，合作研制了我国第一台ROV“海人一号”，这在我国是一项开拓性工作。但由于深海装备的研发有着投入大、风险高、周期长等特点，因此直到最近十年来，我国的潜水器技术才有了快速发展，与国际水平的差距在逐渐缩小。“海马”号4500m级ROV（海马4500；图10-9）是迄今为止我国自主研制的规模和下潜深度最大的无人遥控潜水器。海马4500具有实用化海洋设备应具备的可靠性、稳定性和适应性，除了具备强作业型ROV的常规功能和作业能力以外，还具有强大的扩展功能，如海底观测网扩展缆布放、与升降装置协同完成海洋仪器设备的布放以及支持水下液压和电气设备的能力，已达到国外同类ROV的技术水平。海马4500的研制成功标志着我国全面突破了深海无人遥控潜水器的相关核心技术，具备了自主开发和应用能力。

近几年，ROV的开发研究逐渐朝着综合技术体系化方向发展，其任务功能日益完善，使得深海潜水器在深海科学考察、深海油气和水合物等资源的探查和开发以及深海装备布放、深海网络建设等方面的作用日益突出。

10.3.2 ROV的系统组成、吊放和运动

按规模，ROV可分为小型、中型、大型、超大型；按功能，可分为观察型、作业型，按作业能力强弱又可分为作业级、重载作业级；按动力，可分为液压驱动和电动两种。小型ROV体积小，重量轻，操纵系统简单，主要用于水下观察，因此多为观察型ROV。中型ROV空气中重量在几百千克左右，除具有小型ROV的观察功能外，还配有机械手和声呐系统，有简单的作业和定位能力。大型ROV体积大，重量大，空气中重量可达几吨，具有较强的推进动力，配有多种水下作业工具和传感定位系统，如水下电视、声呐、工具包及多功能机械手，具有水下观察、定位和重负荷水下作业能力，是目前水下作业，尤其是海上油气田开发中应用最多的一类。超大型ROV空气中重量可达到十几吨乃至数十吨，专业用于水下的特殊作业，如管道埋设等。

ROV的技术密集度高，结构紧凑复杂。它通过脐带缆与水面母船连接，脐带缆担负着传输能源和信息使命，母船上的操作人员可通过安装在ROV上的摄像机和声呐等专用设备实时观察到海底状况，并通过脐带缆遥控操纵ROV、机械手和配套的作业工具进行水下作业。对于不同用途的ROV作业系统，其组成也有不同，系统的复杂程度与其功能、作业水深密切相关。通常，ROV系统不外乎以下8个组成部分：ROV本体、中继器（TMS或Depressor）、脐带缆、吊放回收系统、甲板操纵控制系统、电力传输系统、机械手、作业工具包等，其中ROV本体、脐带缆、甲板操作控制系统、电力传输系统为基本配置，其余部分可根据系统规模、作业需求等进行配置。除上述配置以外，还可根据作业任务需求扩展配置其他工具。目前应用最广泛的大型作业级ROV系统的组成如图10-10所示。

图10-10 ROV系统组成（葛彤，2016）

1.ROV本体

ROV本体结构形式一般为主框架上置浮力材料块，顶部起吊，框架底部可安装作业底盘。ROV框架内部为本体设备，主要包括液压动力源、推进系统、控制阀箱、机械手系统、云台系统、视频与照明系统、声搜索定位系统、供配电系统、监控系统等。图10-11为海马4500结构与系统组成图（连琏，2015）。

图10-11 ROV本体典型结构组成

2.主脐带缆

ROV系统的主脐带缆主要用于水下液压动力单元、水下电气供电和水面水下通信。典型脐带缆的截面如图10-12所示。

3.吊放回收系统

吊放回收系统位于水面母船上，是ROV作业的保障。整个系统由主脐带绞车、升沉补偿器、吊放门架和止荡器等组成。其中主脐带绞车、吊放门架和止荡器均采用液压驱动。国内外吊放回收系统已发展得很成熟，近些年被动升沉补偿技术和吊架刚性止荡技术又使ROV的吊放回收技术更加地完善，为作业前的吊放和作业后的回收提供更加安全的保障。

图10-12 脐带缆截面

图10-13 典型甲板控制室

4.甲板操纵控制室

甲板操作控制室是操作手进行系统操作的场所（图10-13），主要包含以下几种水面操作设备：①ROV的水面监控计算机和操纵面板；②水下搭载设备的水面控制器（视频、声呐、7功能机械手及其他作业工具等）；③水面吊放回收系统设备的控制器；④ROV和中继器的水面配电设备（PDP）；⑤运动预测辅助吊放系统：实时预测未来短期内的船尾升沉和重缆张力，辅助操作手进行吊放回收作业。

5.电力传输与分配系统

电力传输与分配系统用于向潜水器（包括ROV本体和ROV携带的作业工具）和水面操控系统供电。为了供配电系统的安全可靠，除了采取常规的安全措施外，还需要在供电的同时进行在线绝缘检测。

系统由水上部分和水下部分组成，通过脐带电缆相连。水上部分包括配电柜（PDP）和变压器，分别安装在甲板操纵集装箱的操控室和变压器室内。水下部分设有脐带电缆的终端接线盒，为螺旋桨和机械手提供液压动力，以及为水下探灯和其他仪器设备供电。

6.作业工具包

根据ROV的作业需求，选择配套的水下作业工具包。几种常见的作业工具有扭力工具、对接锁、提升工具、电缆夹具、测厚仪、阴极保护探针、清洁刷、吸附器、液体注射器、沉淀物提取器等，如图10-14所示。

图10-14 几种常见作业工具

7.机械手系统

机械手主要用于海底取样、配合水下作业工具进行水下作业等，位于ROV本体的前端，一般有2个。

右舷机械手为作业型机械手，较为灵活，作业精度高，自由度相对较多，一般5～7个，控制系统多采用主从式电液伺服控制。左舷机械手主要作为定位型机械手，较为简单，但臂力强大，能可靠实施ROV悬浮作业的定位功能，并可兼顾部分作业任务，其自由度一般较少，为3～5个即可。目前应用最广泛的是5功能机械手和7功能机械手。

8.其他可选配作业系统

除了上述系统配置以外，科考作业型ROV系统还常在ROV本体底部配置一个可拆装的、由液压驱动的作业工具筷，而用于辅助海底观测网布放的ROV系统常配置一个可拆装的、用于海底光缆布放的作业底盘，有些作业系统还配备一个独立于ROV的升降装置以辅助ROV携带作业工具或其他水下设备以及所采集的样品到水面/海底。

目前国内外ROV作业系统的吊放作业模式主要有单缆吊放（LIVEBOAT）模式、中继器（TMS）吊放模式和压重块（Depressor）吊放模式。

(1）单缆吊放模式

单缆吊放模式只使用一根脐带缆进行ROV的吊放回收，脐带缆直接连接到潜水器本体（图10-15（a）），不通过中继器或压重块。脐带缆水中重量和刚性较大，在水下会受到水流阻力作用，还会与ROV本体之间发生缠绕或刮蹭，这些都对ROV本体的运动产生一定影响。为此，需要在近ROV本体50～100m范围的主脐带缆上加装浮子，使该段主缆有一定正浮力。日本JAMSTEC的Hyper-Dolphin、我国的海马4500采用这种模式。

(2）中继器吊放模式

中继器吊放模式是采用主缆连接到中继器，再通过中继器内的零浮力缆连接到ROV本体（图10-15（b））。吊放时中继器和ROV本体连接为一体，到预定深度后，ROV本体脱离中继器出游作业。回收时，ROV本体先回挂到中继器，然后一起回收到甲板。

(3）压重块吊放模式

压重块吊放模式下主缆连接到压重块，再通过浮力缆连接到潜水器本体，压重块与潜水器本体没有对接和释放功能。压重块和潜水器分别吊放和回收（图10-15（c））。美国WOODSHOLE海洋研究所的JASONII号采用该模式。

图10-15 ROV吊放作业模式

（a）LIVEBOAT模式；

（b）TMS吊放模式；

（c）双缆压重块模式

目前国内外ROV作业系统水下运动主要有浮游运动和着底爬行运动两种运动模式，具体采用何种运动模式由ROV系统所承担的任务类型决定。

(1）浮游运动模式

ROV作业系统通过本体的推进系统提供动力，悬浮或浮游运动来完成观测、维修、协作等任务，是ROV系统中最常见的一种运动模式（图10-16（a））。

(2）着底爬行运动模式

在ROV本体扩充可脱卸式液压驱动的履带机构后，采用单缆吊放方式着底后可进行爬行运动（图10-16（b））。通常用于海底挖沟、管线埋设的ROV系统采用着底爬行运动模式。

图10-16 ROV水下运行模式

（a）浮游运动模式；（b）着底爬行模式

10.3.3 ROV在海底观测网中的应用

根据作业对象、作业要求和作业环境的不同，ROV的功能、性能及技术指标也各不同。因此，ROV不是批量制造和生产的产品，而是根据客户需求专门设计制造的。此外，由于ROV离不开水面支持母船以及水面系统的支持，通常情况下，ROV与其专用的水面母船和水面系统共同组成一套完整的ROV作业系统。上述因素就决定了ROV的专用性。因此，针对海底观测网构建这一目标，需要进行适用于不同海域海底观测网组网布放、安装和作业需求的专用作业工具。此外，由于ROV的有效负载有限，每下潜一次能搭载带到海底的仪器设备和作业工具也就有限，因此需要一套与之配套使用的水下升降装置，为小型水下设备、水下装置、水下工具等在海面和海底之间的升降运输提供手段。

水下升降装置的工作原理是，在工作海区，从水面母船上将该装置（包括其携带的物品）吊放入水后使其靠重力自由下潜至海底，根据定位信息确定其着底位置，操作ROV从升降装置中取出作业工具并进行水下作业。水下作业完成后，通过ROV或声学释放器触发该装置将压载抛掉，装置上浮至海面，水面母船对其进行回收。

总体上，海底观测网构建对ROV系统的作业需求如下：①观测网节点布设位置局部观测；②仪器设备运载、投放和回收；③节点布放、安装或回收作业；④扩展缆布放作业；⑤组网系统检测维护作业。针对上述需求，ROV系统的总体技术要求为：①大中型作业级（Work class）ROV系统；②系统最大工作深度根据作业海域要求确定；③具有足够的抗流能力；④具有自动定高、定深和定向航行控制功能；⑤ROV本体具有一定有效负载能力；⑥配置专用作业工具；⑦配置专用扩展缆布放作业底盘；⑧配置水下升降装置。

我国海马4500立项时的应用目标为：深海科学考察、深海资源探查、海底观测网布放、安装与维护（连琏，2015）。海马4500（图10-17）是国家863计划重点项目“4500m级深海无人遥控潜水器作业系统”的主要成果，是我国迄今为止自主研发的下潜深度最大、国产化率最高的ROV。该项目以国土资源部为组织实施部门、广州海洋地质调查局为业主单位、“海洋六号”综合科学考察船为作业母船、上海交通大学为技术总师单位，经过6年协同攻关，突破了核心技术受控于国外且国内产业配套能力弱的瓶颈，全面掌握了本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等关键技术，实现了90%的技术与装备国产化。它的研制成功，标志着我国掌握了大深度ROV的关键技术，并在关键技术国产化方面取得实质性进展，为我国无人遥控潜水器的国产化和产业化奠定了坚实的基础。海马4500的研制为我国深海资源探查与开发、深海科学研究提供了高技术探查手段。

图10-17 海马 4500 ROV系统构成图（陶军，2016）

（a）海洋六号船作业母船；（b）水面控制室；（c）甲板吊放回收系统（绞车和升沉补偿系统）；（d）6000m脐带缆；（e）推进、照明、视频系统；（f）水下观测搜寻系统；（g）机械手和作业工具

根据应用需求，海马4500装备有水下摄像/照相系统、声呐、作业工具、多功能机械手，并有可更换的、不同功能的水下作业底盘，除具备水下摄像/照相、定位和取样等功能外，还能辅助海底观测网的布放维护。2014年，海马4500搭乘“海洋六号”完成南海海试，共下潜17次，3次到达南海中央海盆底部作业试验，最大下潜深度4502m，完成了所有91个海试考核项目的海上试验和验证，其中包括搭载扩展览布放底盘进行的海底扩展缆布放试验。2015年3月，“海马”号在南海水合物资源探查地勘应用中首战告捷，在南海北部陆坡西部海域首次发现了双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳和气体渗漏等活动性“冷泉”标志（被命名为海马冷泉），这是在我国海域第一次用我国自主研制的深海高科技探查装备发现的海底活动性“冷泉”。2015年6月，海马4500在大洋第36航次中投入应用，在东太平洋采薇海山复杂陡坡的地形环境中圆满完成了6个站位富钴结壳资源探查作业任务，拍摄和记录了近百分钟的海底高清视频，抓取了数十千克结壳样品和钙质沉积物样品，获取了全程物理海洋测量数据和海底原位水样，首次对自主研制的小型钻机和切割机进行了实际应用试验，达到了预期的科学目标。2016年2—3月，海马4500及其作业母船“海洋六号”再次开赴“海马冷泉”执行以水合物资源详查和冷泉生态环境调查研究为目的的海底作业任务。为了达到“冷泉”区资源和环境的调查研究要求，海马号团队对海马4500进行了多项适应性改造，提高了精细观测和样品获取能力。同时，开展了与国内“冷泉”研究科学家之间的合作，加强了对海马4500的现场作业指导，使本次海马4500的调查作业工作取得了丰硕的成果。本航次海马4500共计下潜作业十次，其中冷泉调查8次，海底观测设备回收2次。获得了大量高清摄像记录、地质和生物样品以及近海底水体甲烷测量等数据。