上海海洋大学水下智能运维机器人团队:到深海探秘 以创新筑梦
罗高生(右)在进行机器人作业前准备。资料图片
茆忠俊(前)在遥控机器人作业。资料图片
在海洋领域,"深海一号"深水油气平台、"海油观澜号"漂浮式风电平台以及"国信1号"渔业大型养殖工船等一系列标志性装备的建造完成和投入使用,标志着我国海洋工程装备设计、开发和建造水平实现了走进深水的重大跨越。党的十八大以来,我国海洋科研水平稳步提升。今年的政府工作报告提出,大力发展海洋经济,建设海洋强国。
进入新时代,如何提升我国深水工程结构物水下运维技术和装备水平,成为摆在涉海人才面前的新挑战。2017年起,由上海海洋大学工程学院研究员姜哲领衔的水下智能运维机器人团队,瞄准目前潜水作业"高风险"和"低效率"以及大型作业级水下机器人"高成本"等痛点,开展无人化特种智能水下运维关键技术攻关与装备开发,解决了海洋工程的系列技术难题。
以国家需求为己任
海洋石油163平台和165平台是我国自主设计建造的首座海上可移动自升式井口平台,因其具有可升降、可移动、可重复利用等特点,被业内形象地称为"小蜜蜂"。
如何为忙碌的"小蜜蜂"做检测?要知道,平台甲板距离海面18米以上,南海冬季季风风力等级都在7级以上,4级至5级浪是日常,每次机器人下放都是一次全新挑战。为此,团队经过现场多次演练、水面安全监控布置等措施,完成了对平台各桩腿从水面至入泥处的全面无损检测,获得了高清的桩腿结构和表面附着海生物画面,圆满完成作业任务。
姜哲告诉记者,船舶、海洋平台等海洋工程结构物在海上作业长达二三十年,不仅面临台风、内波、海冰等极端环境的考验,且长期处于盐雾、潮气和海水等环境中,钢结构会遭受损伤甚至破坏,需要定期进行海生物清洗、结构检测、维修等运维作业。
"长久以来,海洋工程结构物水下设施的运维主要靠潜水员作业,潜水作业安全风险高,工程事故时有发生。采用机器人代替人力开展复杂性的水下运维作业,是国内外海洋工程与水下机器人领域始终努力的方向。但国内在海洋水下智能运维装备技术领域,特别是中轻量级智能运维作业水下机器人领域的研究与实践尚十分有限。"姜哲说。
"坚持以科技创新引领海洋强国建设,以国家海洋强国建设需求为己任!"为此,团队依托上海深渊科学工程技术研究中心,发挥长期从事深海载人/无人潜水器关键技术研发和装备研发优势,将深海潜水器所涉及的水下耐压结构设计与可靠性评估技术、水下密封技术、无动力上浮下潜技术、复合型潜水器水下控制技术等,结合海洋油气平台、海上风电平台、船舶等不同场景应用特点,开展"标准化平台+定制化工具"开发,成为国内少数在多种类型船舶与海洋平台上具有机器人实测和应用经验的团队。
向智能技术要效率
水下结构物的运维作业,例如,海生物清洗作业,在进行高压水喷冲时,会产生巨大的反作用力,因此,传统上需要采用重型作业级水下机器人作业。但此类机器人体积较大,操作灵活度低,进入复杂空间的安全风险高,且设备成本昂贵。
为此,上海海洋大学水下智能运维机器人团队联合中海油能源发展装备技术有限公司、中集海洋工程有限公司、中国船舶集团有限公司第七一〇研究所、中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所等企事业单位,开展海洋工程结构物水下智能运维机器人研发。
"我们提出了一种浮游与爬壁相结合的双作业模式机器人,以螺旋桨浮游驱动保持机器人灵活性,通过磁吸附提供作业时的稳定性。该款机器人突破了自适应外圆管磁性吸附底盘、抗磁干扰电子元件等关键技术,解决了机器人在复杂海洋钢结构物间的吸附爬行运动以及浮游与爬壁双作业模态并存控制问题,相比常规作业级水下机器人,设备成本降低了50%以上。"团队成员、上海海洋大学工程学院教师罗高生介绍,历经逾500次实验室试验、四代样机迭代和两轮中试试验,这一双作业模式机器人已形成3个系列工程产品。
2021年11月,团队与合作单位在渤海绥中36-1导管架平台首次应用磁吸附式水下机器人,进行导管架钢结构表面海生物清洗作业。机器人利用高压水装置通过吸附爬行方式,对导管架平台主桩腿进行海生物清洗。由于机器人设备重量不到50公斤,两名操作人员就可以完成设备布放与回收,省去了动用作业支持船舶的大量费用,既保障了人员安全,又实现了降本增效。
经过一年的技术优化和设备改造升级,2022年10月,团队与合作单位研发的水下设施巡检装置成功应用在渤海西部海域NB35-2CEP至世纪号海底管缆治理作业中,迈出了水下管缆隐患治理辅助作业装置从理论研究到生产应用的"关键一步",实现了从常规潜水作业向智能无人化辅助作业的根本性转变。
短暂休整后,2022年12月、2023年4月和9月,团队又到北部湾海域,针对海洋石油163平台和165平台开展完成了自升式平台桩腿以及膨胀弯等水下重要设施的探查作业。团队成员、上海海洋大学工程师茆忠俊信心满满:"我们将继续围绕机器人操作便捷性、工艺流程科学性、作业配套机具可靠性等方面下功夫,进一步提升海上作业效率。"
在海上实践育新人
水下工程装备开发的前提是对基础科学与技术问题的攻关和突破,需要众多涉海人才团结奋斗、坚持创新。对此,姜哲表示,"精、特、优、强"是上海海洋大学水下智能运维机器人团队始终秉持的宗旨,而将前沿科学和工程技术与教书育人相结合,培养出一批高水平涉海人才,则是团队的初心使命。
为此,团队先后开设《走进深渊》《机器人前沿技术》《无人水面航行器技术概论》等海洋特色课程,吸引更多团队成员关注深蓝,创新筑梦。结合科研工作实践,团队主动设计与教学内容相关的工程案例,如在《自动控制原理》课程中设计与水下机器人技术相关的课程案例。"我们希望通过案例式教学来强调理论与实践结合,培养学生对知识的实际运用能力、创新和工程思维,从而提高学生解决复杂问题的能力。"团队成员、上海海洋大学工程学院教授周悦介绍。
同时,利用海试航次机会,团队始终坚持在海上实践中育人,增强团队成员的海洋工程意识和海洋权益意识。2015年起,团队陆续组织实施了七次大洋科考航次以及十余次近海测试。从祖国西沙、中沙,到西北太平洋马里亚纳海沟、西南太平洋新不列颠海沟,都活跃着团队成员奋斗的身影。
团队成员、上海海洋大学2022级研究生罗传坤、高世民,入校后就参与了海底管道巡检机器人与船舶钢结构清洗机器人研发工作。2022年9月,罗传坤在参与渤海海底管道机器人巡检试验中,努力克服对海上工作条件的不适,承担起机械工程师工作,圆满完成任务。2023年4月,新的海上试验任务到来时,高世民第一个报名参加,通过出海体检后,作为电气工程师和团队一起完成了海试任务。结合海上试验的实测数据,两位学生撰写了高水平的科技论文,并向国际期刊投稿。经历几次海试的磨炼,他们感慨:"在项目和实践中学习,是应用知识最快的方法!"
姜哲表示,团队已建立了一支由老师、工程师、实验员和研究生组成的技术攻关队伍,目前,团队中40岁以下的青年人员占比在80%以上,"青年人的活力容易碰撞出新的思维火花,'水下全景摄像''水下人形机器人'等种种新奇的想法,也一次次打破了我们这些'老队员'的固有思维,成为团队科研和教学的'助推器'。今后,我们也将继续保持旺盛的创新力,向着深蓝一步步挺进"。(记者 颜维琦)
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