可长期海底工作的水下智能机器人

张国光

上海交通大学海洋水下工程科学研究院

副研究员

张延猛

上海交通大学海洋水下工程科学研究院

高级工程师

薛利群

上海交通大学海洋水下工程科学研究院

研究员

1　工作原理与性能

1.1　长期海底工作智能机器人工作原理

20世纪末以来，海洋油气开发的工作水深已从400 ～ 500 m迅速向1 000 m、2 000 m的大深度，以及2 500 ～ 3 500 m的超深水发展。为降低海洋油气开发的生产成本，该领域出现了各种置于海底的水下油气生产处理设施，如全电动海底采油树、海底管汇、增压及注水系统、海底油气分离生产设施，以及油气增压泵站系统等。对于这些设施的水下安装、维护和修理作业，主要通过由大型水面工作母船支持的无人遥控潜水器（remotely operated vehicle, ROV）技术来完成。

未来长期海底作业智能机器人将承担起这一工作。这种海底作业智能机器人具备人类工作的基本能力，预设专家系统及遥控程序，可以通过海底可再生能源充电站进行自身动力补充，长期（比如一年或更长）驻扎、徜徉于大洋海底，从事各种水下生产设备维护、海底监控，以及应急事件的处置等值班工作（见图1）。如同人类工程师在生产现场轮值工作。一般情况下，这种海底机器人通过水面工作船，投放到预定的工作海域，直接下潜到海底就位。工作期间，从一个水下工作站游弋到另一个水下工作站，进行海底生产设施的保养维护或应急事件的处置，转储运作数据或从海底站点充电再充电。待工作任务期满后，海底机器人上浮到水面，由水面工作船回收上岸。长期海底工作机器人的动力供应，将通过利用海洋清洁能源，包括潮汐能、波浪能、海水温差能、海流能或盐度差能，所产生的能量（电能），为海底机器人的水下活动提供所需的电力供应，并且不会产生任何废物污染大海。

图1　长期海底工作智能机器人的技术要素

1.2　长期海底工作智能机器人性能描述

（1）作业水深：对长期海底工作的智能机器人而言，水深已不是制约要素，主要视其工作海域的实际需要来确定。一般可在3 000 ～ 5 000 m水深的海域。

（2）推进方式：电力驱动推进。通过动力定位（dynamic positioning, DP）技术，可实现海底机器人的水下自由悬移和定位。

（3）动力配备：水下可充电系统。定期或随机到海底站点（由海洋清洁能源供电的海底充电桩）通过对接或无线系统进行充电。

（4）基本配置：除满足一般工作任务需要的水下作业机械手、照明及视频或声学设备外，还携带专项操作工具包、维修检测器械包以及预设专家系统等。

（5）主要功能：海底机器人采用模块化设计，可根据预定海域水下任务选择自身配置的不同功能模块进行海底工作。

（6）长期海底工作智能机器人需要兼顾与海底任务对象设施的界面对接问题，这与一般水下作业机器人的要求相似。其最大性能特征在于适应长期海底工作所需要的动力供应问题，亦即在海底的电能储存与充电的技术解决。

2　应用领域与前景

长期海底工作智能机器人的应用领域包括商业以及国防军事等领域。在商业应用领域，用于海底油气资源开发生产，对海底油气开采、生产、加工设施的日常监测保养及应急处置维修，以大大提高海底油气（或其他矿产）资源生产的自动化及智能化，加强水下生产作业安全并降低运营成本。在海洋水下搜救领域，作为大面积快速海底沉船沉物搜寻，挽救生命和加快搜救（search and rescue, SAR）过程的有效工具。在国防军事领域，可长期进行水下巡航或静默于海底，执行领海线或战略性水域水下航道的监听、探测、安全预警等任务，保卫国家海洋安全。

从最初在北美墨西哥湾和欧洲北海油气资源开发中出现无人遥控潜水器（ROV）应用，到如今在水深2 000 ～ 3 000 m多的海底油气田中商业规模的各种采用无人遥控潜水技术的海底水下油气处理生产设施（包括油气增压泵送、海底气液分离、油井增压注水以及气体压缩系统等），前后不过30余年时间。

长期海底工作的智能机器人，不同于传统意义上的系缆无人遥控潜水器（remotely operated vehicle, ROV）或自主水下运载器（autonomous underwater vehicles, AUV），涉及海洋防腐蚀、防海生物附着新材料及其新技术开发应用，以及海洋水下可再生能源发电，电能存储转化、无线充电及水下工程应用，机器人水下作业等技术领域，其自身应用及所带动相关产业开发的经济价值及未来影响力的前景显然易见。