羅高生（右）在進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)前準(zhǔn)備。資料圖片
茆忠俊（前）在遙控機(jī)器人作業(yè)。資料圖片
在海洋領(lǐng)域，“深海一號(hào)”深水油氣平臺(tái)、“海油觀瀾號(hào)”漂浮式風(fēng)電平臺(tái)以及“國信1號(hào)”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(jì)、開發(fā)和建造水平實(shí)現(xiàn)了走進(jìn)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(bào)告提出，大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，建設(shè)海洋強(qiáng)國。
進(jìn)入新時(shí)代，如何提升我國深水工程結(jié)構(gòu)物水下運(yùn)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(yùn)維機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，瞄準(zhǔn)目前潛水作業(yè)“高風(fēng)險(xiǎn)”和“低效率”以及大型作業(yè)級(jí)水下機(jī)器人“高成本”等痛點(diǎn)，開展無人化特種智能水下運(yùn)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(tái)和165平臺(tái)是我國自主設(shè)計(jì)建造的首座海上可移動(dòng)自升式井口平臺(tái)，因其具有可升降、可移動(dòng)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，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(tái)甲板距離海面18米以上，南海冬季季風(fēng)風(fēng)力等級(jí)都在7級(jí)以上，4級(jí)至5級(jí)浪是日常，每次機(jī)器人下放都是一次全新挑戰(zhàn)。為此，團(tuán)隊(duì)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(duì)平臺(tái)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(tái)等海洋工程結(jié)構(gòu)物在海上作業(yè)長達(dá)二三十年，不僅面臨臺(tái)風(fēng)、內(nèi)波、海冰等極端環(huán)境的考驗(yàn)，且長期處于鹽霧、潮氣和海水等環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)遭受損傷甚至破壞，需要定期進(jìn)行海生物清洗、結(jié)構(gòu)檢測、維修等運(yùn)維作業(yè)。
“長久以來，海洋工程結(jié)構(gòu)物水下設(shè)施的運(yùn)維主要靠潛水員作業(yè)，潛水作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高，工程事故時(shí)有發(fā)生。采用機(jī)器人代替人力開展復(fù)雜性的水下運(yùn)維作業(yè)，是國內(nèi)外海洋工程與水下機(jī)器人領(lǐng)域始終努力的方向。但國內(nèi)在海洋水下智能運(yùn)維裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別是中輕量級(jí)智能運(yùn)維作業(yè)水下機(jī)器人領(lǐng)域的研究與實(shí)踐尚十分有限。”姜哲說。
“堅(jiān)持以科技創(chuàng)新引領(lǐng)海洋強(qiáng)國建設(shè)，以國家海洋強(qiáng)國建設(shè)需求為己任！”為此，團(tuán)隊(duì)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(jì)與可靠性評(píng)估技術(shù)、水下密封技術(shù)、無動(dòng)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(tái)、海上風(fēng)電平臺(tái)、船舶等不同場景應(yīng)用特點(diǎn)，開展“標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)+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(tái)上具有機(jī)器人實(shí)測和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)。
向智能技術(shù)要效率
水下結(jié)構(gòu)物的運(yùn)維作業(yè)，例如，海生物清洗作業(yè)，在進(jìn)行高壓水噴沖時(shí)，會(huì)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(jí)水下機(jī)器人作業(yè)。但此類機(jī)器人體積較大，操作靈活度低，進(jìn)入復(fù)雜空間的安全風(fēng)險(xiǎn)高，且設(shè)備成本昂貴。
為此，上海海洋大學(xué)水下智能運(yùn)維機(jī)器人團(tuán)隊(duì)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(tuán)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(jī)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(yùn)維機(jī)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(jī)器人，以螺旋槳浮游驅(qū)動(dòng)保持機(jī)器人靈活性，通過磁吸附提供作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。該款機(jī)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(jī)器人在復(fù)雜海洋鋼結(jié)構(gòu)物間的吸附爬行運(yùn)動(dòng)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(jí)水下機(jī)器人，設(shè)備成本降低了50%以上。”團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、四代樣機(jī)迭代和兩輪中試試驗(yàn)，這一雙作業(yè)模式機(jī)器人已形成3個(gè)系列工程產(chǎn)品。
2021年11月，團(tuán)隊(duì)與合作單位在渤海綏中36-1導(dǎo)管架平臺(tái)首次應(yīng)用磁吸附式水下機(jī)器人，進(jìn)行導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)表面海生物清洗作業(yè)。機(jī)器人利用高壓水裝置通過吸附爬行方式，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)主樁腿進(jìn)行海生物清洗。由于機(jī)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(dòng)用作業(yè)支持船舶的大量費(fèi)用，既保障了人員安全，又實(shí)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(jí)，2022年10月，團(tuán)隊(duì)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(hào)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(shí)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(tuán)隊(duì)又到北部灣海域，針對(duì)海洋石油163平臺(tái)和165平臺(tái)開展完成了自升式平臺(tái)樁腿以及膨脹彎等水下重要設(shè)施的探查作業(yè)。團(tuán)隊(duì)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(jī)器人操作便捷性、工藝流程科學(xué)性、作業(yè)配套機(jī)具可靠性等方面下功夫，進(jìn)一步提升海上作業(yè)效率。”
在海上實(shí)踐育新人
水下工程裝備開發(fā)的前提是對(duì)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(tuán)結(jié)奮斗、堅(jiān)持創(chuàng)新。對(duì)此，姜哲表示，“精、特、優(yōu)、強(qiáng)”是上海海洋大學(xué)水下智能運(yùn)維機(jī)器人團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的初心使命。
為此，團(tuán)隊(duì)先后開設(shè)《走進(jìn)深淵》《機(jī)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(tuán)隊(duì)成員關(guān)注深藍(lán)，創(chuàng)新筑夢。結(jié)合科研工作實(shí)踐，團(tuán)隊(duì)主動(dòng)設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的工程案例，如在《自動(dòng)控制原理》課程中設(shè)計(jì)與水下機(jī)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(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)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(tuán)隊(duì)成員、上海海洋大學(xué)工程學(xué)院教授周悅介紹。
同時(shí)，利用海試航次機(jī)會(huì)，團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持在海上實(shí)踐中育人，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員的海洋工程意識(shí)和海洋權(quán)益意識(shí)。2015年起，團(tuán)隊(duì)陸續(xù)組織實(shí)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(tuán)隊(duì)成員奮斗的身影。
團(tuán)隊(duì)成員、上海海洋大學(xué)2022級(jí)研究生羅傳坤、高世民，入校后就參與了海底管道巡檢機(jī)器人與船舶鋼結(jié)構(gòu)清洗機(jī)器人研發(fā)工作。2022年9月，羅傳坤在參與渤海海底管道機(jī)器人巡檢試驗(yàn)中，努力克服對(duì)海上工作條件的不適，承擔(dān)起機(jī)械工程師工作，圓滿完成任務(wù)。2023年4月，新的海上試驗(yàn)任務(wù)到來時(shí)，高世民第一個(gè)報(bào)名參加，通過出海體檢后，作為電氣工程師和團(tuán)隊(duì)一起完成了海試任務(wù)。結(jié)合海上試驗(yàn)的實(shí)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(xiàng)目和實(shí)踐中學(xué)習(xí)，是應(yīng)用知識(shí)最快的方法！”
姜哲表示，團(tuán)隊(duì)已建立了一支由老師、工程師、實(shí)驗(yàn)員和研究生組成的技術(shù)攻關(guān)隊(duì)伍，目前，團(tuán)隊(duì)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(jī)器人’等種種新奇的想法，也一次次打破了我們這些‘老隊(duì)員’的固有思維，成為團(tuán)隊(duì)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(lán)一步步挺進(jìn)”。（記者 顏維琦）