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水下機(jī)器人在水利工程管理中應(yīng)用

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水下機(jī)器人在水利工程管理中應(yīng)用

摘要:本文梳理了高港樞紐以往水下檢查存在的難點,介紹了新型水下機(jī)器人系統(tǒng)組成單元,結(jié)合在高港樞紐檢查水下建筑物和設(shè)備的應(yīng)用實例,歸納和分析了其功能特點,對水下機(jī)器人在水利工程管理中的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞:水下機(jī)器人;水下檢查;水利工程管理

1研究背景

江蘇省泰州引江河高港樞紐是國家南水北調(diào)東線源頭之一,由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110kV專用變電所等組成,年均向江蘇沿海調(diào)引長江水50多億立方米。泵站安裝立式開敞式軸流泵9臺套,采用雙層X型流道。節(jié)制閘設(shè)計流量440m3/s,調(diào)度閘和送水閘設(shè)計流量各100m3/s。高港樞紐以往對工程設(shè)施進(jìn)行水下例行檢查時,主要依靠潛水員在水下用手進(jìn)行探摸,因環(huán)境和工具等條件限制,只能對重點部位實施檢查,無法對工程全面檢查。而且工程有無異常情況或安全隱患全憑潛水員個人經(jīng)驗進(jìn)行判斷,缺乏準(zhǔn)確可靠的材料支撐。當(dāng)水下設(shè)施出現(xiàn)異常情況需要緊急排查時,潛水員下水存在準(zhǔn)備周期長、所需專業(yè)設(shè)備多、連續(xù)工作時間短、檢查成本高等缺陷。有時還會面臨水下環(huán)境復(fù)雜多變,長江水質(zhì)渾濁,能見度低等安全問題。在處理故障時,技術(shù)人員只能依靠潛水員的描述或攜帶水下照相機(jī)(攝像機(jī))拍攝的畫面進(jìn)行大致判斷,有時需要多次操作才能解決故障。另外,高港泵站結(jié)構(gòu)為X型雙層流道,水泵主體均在水下,需要定期對各部件進(jìn)行檢查。每次均需先組織人員安裝3~4臺潛井泵,打開檢修孔放泵排水,等流道排水結(jié)束后,再由技術(shù)人員進(jìn)入流道檢查,工作量大、周期長、效率低。針對水下檢查存在的這些難點,高港樞紐根據(jù)工程特點,引進(jìn)了一款水下機(jī)器人,用來檢查水下建筑物和設(shè)備情況。高港泵站流道如圖1所示。

2水下機(jī)器人組成

該水下機(jī)器人由四部分組成:岸上遠(yuǎn)程遙控裝置單元、凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)、水下機(jī)器人單元和軟件應(yīng)用程序。

2.1岸上遠(yuǎn)程遙控裝置單元

遠(yuǎn)程遙控裝置使用PLC信號傳輸,通過線纜實現(xiàn)與水下機(jī)器人之間的通信控制。該遙控裝置集成WiFi模組,可與手機(jī)平板等終端設(shè)備無線連接,把接收到的水下視頻、溫度和深度等資料傳輸?shù)浇K端設(shè)備,實時呈現(xiàn)水下場景,實現(xiàn)可視化控制。

2.2凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)

此線纜用于岸上遙控器與水下機(jī)器人之間的通信連接,保證視頻回傳信號和機(jī)器人控制信號傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。

2.3水下機(jī)器人單元

針對長江水流湍急,普通機(jī)器人水下難以持續(xù)定點作業(yè)的缺點,該水下機(jī)器人專門配置了9軸姿態(tài)傳感器,可以偵測到機(jī)器人X\Y\Z三個維度的位置信息,MCU控制芯片接收到信息后配合軟件算法,可實現(xiàn)多維度運行姿態(tài)的實時偵測與調(diào)整,能解決擾流帶來的運行不穩(wěn)問題,確保機(jī)器人在水深30米范圍內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定的工作。控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.4軟件應(yīng)用單元

在各個終端設(shè)備上的UI交互界面簡易方便,可實現(xiàn)零門檻操控水下機(jī)器人。

2.5針對高港樞紐下游長江水體渾濁,能見度低的特點,水下機(jī)器人加裝了4000流明LED補(bǔ)光燈,提供8檔可調(diào)補(bǔ)光,保證水下觀測畫面明亮清晰。水下機(jī)器人主體如圖3所示。

3應(yīng)用實例

3.1利用水下機(jī)器人檢查水泵水下部件

高港樞紐安裝葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9臺(設(shè)計流量35m3/s,設(shè)計揚(yáng)程4m),流道結(jié)構(gòu)為雙向X型,底層為進(jìn)水流道,上層為出水流道,通過閘門控制可雙向運行,向外排澇,向內(nèi)灌溉。9臺水泵機(jī)組主要受力轉(zhuǎn)動部件位于水下且水泵運行載體為流體,機(jī)組運行時不但存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)振動,還會受到水流脈動和氣蝕振動等影響,為確保機(jī)組運行的安全性和穩(wěn)定性,水下部件的定期檢查尤為重要。2018年,高港樞紐首次利用水下機(jī)器人進(jìn)入流道檢查水泵水下部件。技術(shù)人員結(jié)合X形流道結(jié)構(gòu)圖,事先規(guī)劃好最佳行走路線,確定檢查方案。根據(jù)超短基線定位系統(tǒng),分塊分段全面細(xì)致地檢查了水泵水下部件。畫面清晰顯示所有部件螺栓緊固完好,金屬部件表面少許銹蝕在允許范圍內(nèi)。整個檢查過程僅需2人操作,用時45分鐘。與此前檢查需要近10人放泵排水,耗時2天相比,節(jié)省了大量人力、物力和時間。

3.2利用水下機(jī)器人檢查閘門止水

閘門是水工建筑物的重要組成部分,閘門止水也是不可缺少的裝置,安裝設(shè)計不合理,可能會造成閘門損壞、閘門漏水、振動、銹蝕和冬季結(jié)冰卡阻等,由此可見閘門止水是保證閘門能否有效地?fù)鹾?、引水,充分發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵。閘門運行工需定期檢查閘門止水的整體性,檢查止水是否有斷裂或撕損、材料老化現(xiàn)象,檢查閘門止水與止水座板是否緊密,止水座板有無變形,固定螺栓有無銹蝕松動。2019年,值班人員在巡視過程中發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘閘門水下存在水泡和異響,懷疑閘門底部止水或門槽可能存在破損。技術(shù)人員操控水下機(jī)器人潛入水底檢查,發(fā)現(xiàn)止水與門槽結(jié)合部位有大量水泡翻騰,靠近觀察確定止水已局部破損。單位立即安排人員對閘門止水進(jìn)行及時維修,確保了工程安全。相比以往需要等待潛水員下水摸查,水下機(jī)器人確定故障位置快速準(zhǔn)確,傳送實時畫面清晰。

3.3利用水下機(jī)器人檢查水下水工建筑物

水工建筑物經(jīng)常承受著水的作用。擋水建筑物承受著一定的水平靜水壓力、風(fēng)浪壓力、浮力、地震動水壓力以及滲流產(chǎn)生的滲透壓力,對建筑物的穩(wěn)定性影響極大,水流滲入建筑物內(nèi)部及地基中,還可能產(chǎn)生侵蝕和滲透破壞;泄水建筑物的過水部分,還承受著水流的動水壓力,高速水流還可能對建筑物產(chǎn)生空蝕、振動以及對河床產(chǎn)生沖刷,存在安全隱患。故應(yīng)定期對水下水工建筑物進(jìn)行檢查。2020年,汛前定期水下檢查時,潛水員經(jīng)探摸發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘長江側(cè)翼墻與岸墻伸縮縫的填料疑似部分缺損,混凝土表面可能存在剝落,但因長江水質(zhì)渾濁,難以判斷具體情況。為查清有無上述問題,技術(shù)人員利用水下機(jī)器人對疑似區(qū)域進(jìn)行了檢查。在水流較快、干擾較大的情況下,技術(shù)人員短短幾分鐘就成功操控水下機(jī)器人到達(dá)指定位置,利用LED補(bǔ)光燈和高清攝像頭,經(jīng)查看確認(rèn)填料無缺損,混凝土表面完整,工程完好。

4功能特點

4.1提供實時畫面,實現(xiàn)技術(shù)支持

水下機(jī)器人可對水下建筑物和設(shè)備等進(jìn)行長時間全面拍攝,提供高清視頻,如圖4所示可供多人同時在線分析,使技術(shù)人員對水下工程的狀況、發(fā)現(xiàn)的病險隱患及其嚴(yán)重程度有直觀的了解,從而能快速做出準(zhǔn)確判斷。

4.2操作快速便捷,安全經(jīng)濟(jì)高效

水下機(jī)器人在水面或水體中行進(jìn)速度快,能快速下潛或上浮,能實現(xiàn)定速巡航,作業(yè)時間長,操作方便。相比之前潛水員工作準(zhǔn)備時間長,所需專業(yè)設(shè)備多的缺點,水下機(jī)器人的引入,大大減少了工作量和成本,提高了工作效率和安全性。

4.3方便資料收集,提升管理水平

水下機(jī)器人檢查畫面自動存儲,結(jié)果同步保存,能夠獲得水下工程設(shè)施直觀具體的影像資料,方便各類檢查資料的收集,利于技術(shù)人員進(jìn)行分析研究,提升了工程管理科技水平。

5結(jié)論

水下機(jī)器人在高港樞紐水利工程管理中的應(yīng)用,較之前潛水員作業(yè)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。其直觀、高效、靈活、安全、可靠,減少了水下檢查的工作量,提高了工作效率,能獲得準(zhǔn)確可靠的檢查結(jié)果。使技術(shù)人員對水下工程的狀況有了直觀了解,為工程管理提供了技術(shù)支撐,進(jìn)一步保障了水利工程的安全運行,未來水下機(jī)器人在水利工程中的應(yīng)用會更加智能化。

參考文獻(xiàn)

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作者:干佳馨 陳擎環(huán) 單位:江蘇省泰州引江河管理處

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