张仁诚

韩国海洋科学技术院海洋机器人实证中心

isjang@kiost.ac.kr

 

 

    在港湾等海洋构造物的建造中会进行各种水下工作。在过去，施工主要依靠潜水员在浅水区进行。但是，随着海洋成套设备、海上风电等海上构造物需求的增加，以及水深的不断加深，韩国对水下施工机器人的需求也大大增加。

 

    由于没有自主研发的设备或技术，目前韩国只能租用国外的高价设备或服务。海底电缆或管道的埋设、水下构造物的安装和拆卸、深海海底的地表测量等工作通常是租用海外设备或委托给海外服务公司。

 

    水下施工机器人能够执行水下施工、拆除等水下任务，根据用途可分为轻型作业级(Light work class)ROV、重型作业级(Heavy work class)ROV、挖沟/填埋(Trenching/Burial)ROV。虽然与海洋发达国家相比，韩国的水下施工机器人研发起步较晚，但依靠丰富的造船经验，水下机器人相关基础和核心技术的积累相对较快。

 

    海洋水产部和庆尚北道、浦项市的支持下，水下施工机器人项目组分两个阶段开展水下机器人的研发工作，目标分别为用于深度为500m至2,500m的海洋构造物的施工中，该项目在2012年通过了企划财政部的初步可行性调查。

 

    水下施工机器人项目的第一阶段始于2013年，为期6年，主要任务是开发三款机器人(图1)并对每款机器人进行性能验证，并以此为基础促进机器人的商业化应用，以及构建综合性水槽试验设备和研发支持设施。

 

<图1> 3款深海水下施工机器人

 

    三款水下施工机器人依据不同的工作环境和用途开发而成，轻型作业级ROV URI-L(图2)主要执行水下施工作业周边环境及其海底地形的调查，可负责水下构造物的切割、清理等比较轻松的水下工作，高效实用地完成水下施工现场最常见的轻型作业。具有新型远程操作和控制技术的智能ROV，可以大大提高水下施工工作的效率，它可以主动使用多种信息传递方式，并对其进行处理以适应水下环境并提供给操作员。海上和海底构造物需求增长迅猛，带来电缆和管道的填埋和维护工作量增加，URI-T(挖沟机，图 3)是一种重型 ROV，可以执行填埋和维护作业。它可以使用喷水推进装置在海底挖3m多的深度，并且可以进行海底电缆和小口径管道的埋设工作。

 

<图2> URI-L成品

 

<图3> URI-T成品

 

    基于轨道的ROV URI-R(摇杆，图4)形态类似于我们常见的叉车。不同于在相对松软的土地上工作的URI-T，URI-R从坚硬的沙土层到软岩层都可以填埋海底电缆和管道，还可以用于打地基。除了用于电缆铺设的旋转挖沟机外，多用途机械臂还可配备铲斗、碎石机等多种作业工具。

 

    研发的三款水下施工机器人于2017年2月在竣工的水槽试验设施中进行过初试，并成功进行了从浅水到100m和500m水深的性能验证实验。

 

<图4> 制作完工的URI-R

 

    后续将要开展的水下施工机器人二期项目是研发设备走向商业化应用的桥头堡工程。由于水下施工现场的特性，即使完成了性能验证，跟踪记录(业绩)对于投入实际施工也是必不可少的。为此，今后还需与项目业主单位进行协商，确保实际现场的测试台，投入水下施工机器人建立跟踪记录，并通过提高可靠性来获得市场竞争力。

 

    从2019年12月统营欲知岛上水管道工程开始，韩国水下施工机器人已经投入使用到太平洋深海海洋生物采集(URI-L. 图5)、越南天然气管道工程(URI-T、图6)、巨济岛上水管道工程(URI-R、图7)等各种项目现场，其业绩还在不断的积累。

 

<图5> URI-L投入太平洋勘探工作

 

<图6> URI-T投入实际海域现场

 

<图7> URI-R投入实际海域现场

 

    确认包括水下机器人在内的海洋设备的性能需要在实际海域进行测试和验证。但是，由于实际海域测试需要租船费(DP船每天约8亿韩元以上)，以及气象和海况影响、许可证能否办理等不确定性问题，所以海洋设备一般在能够模拟实际环境的单独设施中进行事前测试。

 

    目前，韩国根据不同用途建造和运营着大约30多个水槽，但主要是用于船舶和港口的模型实验。目前，没有一家可以做10吨位以上大型水下设备的实验。在庆尚北道和浦项市的支持下，迎日湾第三综合工业园区内建设的水下机器人测试与评估中心(UTEC)拥有一个三维水槽和一个大型回流系统，可以模拟与实际海洋环境最相近的环境(图8)。通过该系统可以排除海洋现场的不确定性因素，进行事前验证，有助于开展有效的测试并得出结论。水下机器人测试与评估中心内的三维水槽长35m、宽20m、深9m，水深5m处设有观测窗，可通过5个水下摄像机从多角度观察实验对象在水中的状态。

 

<图8> 水下机器人测试与评估中心鸟瞰图

 

<图9> 水下机器人测试和评估中心内的水槽设施

 

    该地还有用于确认水下移动路线和速度的水下超声波定位系统和屏幕型室内定位跟踪系统，可实时识别和跟踪水面上(浮动)运动物体的位置。这两个系统相互联动，除了水下机器人实验，还可以进行与各种海洋机器人相关的实验，例如水下滑翔机和无人水面航行器(USV)。此外，这里还建造了30吨级起重机，可用于重型作业水下施工机器人等大型设备的稳定进出水。

 

    同时，水下机器人测试和评估中心拥有的循环水槽长20m、宽5m、深5m，属韩国规模最大。循环水槽以水平循环方式循环水槽内的水，产生与真实环境相似的流体流动，最大流速为3.4节（≈1.7 m/s），可进行水下机器人的推进、自航实验、浮体稳定性等综合实验。

 

    除上述水下机器人之外，中心还可用于潮汐能、潮流能发电等海洋可再生能源的研究，中心拥有的粒子图像测速(PIV)系统(图12)，可定量测量流体流量、压力梯度和涡流。PIV系统可以响应二维和三维(立体PIV)方式，并有潜入水下、独立控制横移的功能，可以扩大整个循环槽的成像范围，今后有望应用于更广泛的领域。

 

    同时，中心已经建造了在真实海域验证水下施工机器人等海洋设备性能的3000吨级试验评估船-蒋英实号(装有DP2、60吨A-Frame等，图10)，支持更高效、更准确的性能评估和现场应用，拥有更强的竞争力。

 

<图10> 海洋设备测试评估专用船-蒋英实号

 

    尽管全球油气市场低迷导致海洋成套设备市场踌躇不前，但未来海上构造物市场前景依然光明，水下施工机器人的国产化势在必行。在这样的环境下，自主研发水下施工机器人，通过技术转让实现商业化，从这一点来看我们的努力可以说是成功的。但是，对于水下施工机器人的全面商业化和克服市场壁垒的角度来看，确保开发设备的耐用性和可靠性数据，解决运维专家短缺的问题以及确保现场应用记录也是必不可少的。

 

    此外，要对海洋无人机系统进行客观的测试和评估，有必要建立测试和评估项目的体系，打造室内、内海和外海的权威测试场地，并针对各区域的特点开发对应的技术。这些内容是2023年海洋水产部推动的新的研发项目。如果可以建立并运行针对海洋机器人的客观测试和评估体系，我们就能建立海洋机器人的良性循环体系，由此催生与海洋机器人相关的新业务，确保优质的就业岗位，研发结果可以实实在在为人民服务。在建立海上机器人的测试和评估系统以及实际海域试验场时，可以将其打造成民间、海军和海警等多个部门都可以使用的多用途系统，这样就可以以国家技术攻关的形态推动项目，对以安全和国防为目的开发而成的海洋机器人进行性能评估，开展有关的教育和培训。进而，我们不仅可以促进全球标准化，还可以在基础薄弱的海洋装备领域抢先推广技术认证体系，进一步发展成国际认证系统。当然，想要通过上述活动确保国家对海洋机器人的竞争力，需要循序渐进的研发、政府的预算支持以及专家们的努力作为后盾。