原標(biāo)題：智能機(jī)器人“下海”，水下檢修不再難
南通大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能水下檢修機(jī)器人受訪者供圖
南通大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能水下檢修機(jī)器人受訪者供圖
在智能水下檢修機(jī)器人的研發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)光來增強(qiáng)焊縫特征，以便攝像頭快速找到缺陷處，離線焊縫跟蹤后進(jìn)行焊接作業(yè)。
因?yàn)椴僮飨鄬Ψ爆崳瑘F(tuán)隊(duì)在濕法焊接方面耗費(fèi)了將近一年的時間。通過不斷試錯推演，團(tuán)隊(duì)終于克服了水下焊接修復(fù)的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水深小于5米的穩(wěn)定焊接作業(yè)。
◎本報記者 張 曄
通 訊 員 李淑媛 詹梓榆 季天宇
7月的黃海之濱，水面波濤萬頃，一排排百米高的白色風(fēng)機(jī)迎風(fēng)搖曳。水下暗流涌動，碩大的風(fēng)機(jī)樁直插海底，一個黃色的方形機(jī)器人正吸附在風(fēng)機(jī)樁上，完成它的又一次水下巡檢作業(yè)。
記者7月初從南通大學(xué)獲悉，一款集目標(biāo)識別、表面清理、無損探傷和濕法焊接多功能于一體的智能水下檢修機(jī)器人，在該校電氣工程學(xué)院研發(fā)成功，為海工企業(yè)未來的檢修工作提供了新的方向。
月薪20萬的工作無人問津
茫茫無際的大海上，每天都有許多的船只穿梭航行。水面以上，這些船只乘風(fēng)破浪，威風(fēng)凜凜；而水面以下，各種隱患暗處潛伏：船體焊接裂縫、海水侵蝕受損……這些細(xì)小問題往往意味著后患無窮。
出現(xiàn)了這些問題怎么辦？最直接的方式，就是把船拉進(jìn)船塢進(jìn)行維修。但對于船只在航行過程中遇到的急需修復(fù)的問題，這種方法顯然是不適合的。因此，人們想到在水下修復(fù)船只。1802年，一位名叫漢弗萊的學(xué)者發(fā)現(xiàn)電弧能在水下連續(xù)燃燒，這為水下焊接創(chuàng)造了可能。
經(jīng)過多年發(fā)展，水下焊接形成干法、濕法和局部干法三種主要方式。其中，濕法焊接是三者中應(yīng)用最多的技術(shù)，但其缺陷在于水具有導(dǎo)電性，安全性較差。
目前，水下焊接的實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)階段還是依靠人力。焊接工作本身就是一個辛苦的職業(yè)，更何況是在水下進(jìn)行焊接，其難度不言而喻。工人們往往需要經(jīng)過專業(yè)的潛水培訓(xùn)，下水前，焊條焊機(jī)、潛水頭盔、潛水服、鉛塊腰帶、空壓機(jī)、氧氣瓶、對講機(jī)等全部都要配備齊全。在水下，他們不僅要面臨高水壓和溫度的挑戰(zhàn)，如果水質(zhì)污濁，還會成為“睜眼瞎”。
2019年12月，作為南通大學(xué)的一名學(xué)生，言淳愷跟隨指導(dǎo)老師在南通開沙島船舶海工企業(yè)考察時，了解到水下人工焊接的種種不便。“行業(yè)內(nèi)能夠下水檢修的專業(yè)人員非常少。中國船級社今年公布的數(shù)據(jù)，國內(nèi)持有無損探傷水下焊接證書的人不超過150個，這導(dǎo)致船舶檢修行業(yè)存在巨大的人力資源缺口。即使開出20萬的月薪，能做、愿意做的人也很少。”言淳愷感慨道。
面對行業(yè)嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)以及企業(yè)的需求，言淳愷在老師的指導(dǎo)下組建學(xué)生科研團(tuán)隊(duì)，提出解決設(shè)想，設(shè)計研發(fā)出一款能代替人類下水檢修的機(jī)器人。
多項(xiàng)創(chuàng)新助力水下自主檢修
帶著這樣的想法，團(tuán)隊(duì)成員首先對市面上的水下檢修機(jī)器人做了調(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)能夠?qū)z測和焊接技術(shù)融于一體的水下檢修設(shè)備是業(yè)內(nèi)的一個重要研究方向，存在一定技術(shù)難度的同時，市場前景廣闊。
從2020年2月開始，團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了水下自主檢修機(jī)器人的研究開發(fā)中。
機(jī)器人進(jìn)行水下作業(yè)的首要步驟是進(jìn)行目標(biāo)識別。系統(tǒng)會根據(jù)圖片原理，基于先驗(yàn)機(jī)制，依次劃分海底線和目標(biāo)結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)粗定位。
“我們曾經(jīng)去江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司（以下簡稱龍源）進(jìn)行實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)海底的水比較渾濁，直接影響到水下能見度。”言淳愷說。為了解決這個問題，團(tuán)隊(duì)在原有的視覺識別基礎(chǔ)上，運(yùn)用聲吶增強(qiáng)聲信號，并且在機(jī)器上添加輔助光源和偏振片，在后期圖像上也做了增強(qiáng)處理。
由于長時間的浸泡，風(fēng)電樁基礎(chǔ)和船只底板的表面會有海洋生物附著，因此目標(biāo)識別結(jié)束后需要用高壓水射流清理表面后再進(jìn)行無損探傷。一開始，團(tuán)隊(duì)嘗試用單一的超聲波技術(shù)進(jìn)行探傷，但效果不佳。后來，他們將超聲波和視覺探視相結(jié)合，有效提高了探傷精度。
檢修完畢后，就需要進(jìn)行焊接。實(shí)際作業(yè)時，水下能見度很低，因此水下焊接往往十分依賴經(jīng)驗(yàn)。工人一手拿著焊條一手拿著焊機(jī)，自主把控焊接的角度和力度，如果稍不留神，手套就會被燙壞。
在智能水下檢修機(jī)器人的研發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)光來增強(qiáng)焊縫特征，以便攝像頭快速找到缺陷處，離線焊縫跟蹤后進(jìn)行焊接作業(yè)。
“因?yàn)椴僮飨鄬Ψ爆崳覀冊跐穹ê附臃矫婧馁M(fèi)了將近一年的時間。”言淳愷說道。通過不斷試錯推演，團(tuán)隊(duì)終于克服了水下焊接修復(fù)的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水深小于5米的穩(wěn)定焊接作業(yè)。
有望運(yùn)用于更多場景中
在今年5月份的“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽江蘇省賽中，“智能水下檢修機(jī)器人”從706個項(xiàng)目中脫穎而出，榮獲江蘇省特等獎并且入圍國賽。由于一代設(shè)備作業(yè)時穩(wěn)定性欠佳，團(tuán)隊(duì)成員聽從專家建議，對一代設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)升級，主要針對面向海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的檢修設(shè)計吸附固定裝置。
“機(jī)器人水下作業(yè)時，水流影響較大，最初，我們設(shè)計了2個臂，通過磁吸附的方式將機(jī)器人固定于風(fēng)電樁。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性還有待提高。于是在機(jī)器人下方位置增加了1個臂，并將3個臂設(shè)計為可前后伸縮，三角形的構(gòu)造讓機(jī)器人更穩(wěn)定。”指導(dǎo)老師、南通大學(xué)教師楊慧說。
改進(jìn)后的第二代機(jī)器人，相較于一代有了不少改進(jìn)，那么走出實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)際檢修工作中，它能不能為海工企業(yè)帶來驚喜？
楊慧告訴記者，智能水下檢修機(jī)器人研發(fā)成功后，他們立即與企業(yè)進(jìn)行了合作，檢驗(yàn)機(jī)器人的性能。
在龍源考察時，楊慧了解到，該公司的維修人員并不具備水下維修資質(zhì)，因此無法對水下部分進(jìn)行定期檢修，只能被動地等風(fēng)電樁出現(xiàn)問題后，把風(fēng)電機(jī)組關(guān)停再進(jìn)行維修。與龍源攜手后，團(tuán)隊(duì)的智能水下檢修機(jī)器人幫助龍源進(jìn)行海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的水下巡檢，發(fā)現(xiàn)了多處輕度腐蝕。
今年上半年，團(tuán)隊(duì)又與大連中遠(yuǎn)海運(yùn)海事工程技術(shù)有限公司南通分公司合作，對萬噸級船舶進(jìn)行檢修，大大提高了檢修作業(yè)效率，在船側(cè)板的檢修中發(fā)揮了重要作用。
“海洋工程產(chǎn)業(yè)已涉及油氣、風(fēng)電等多個領(lǐng)域，對人類社會經(jīng)濟(jì)生活的影響日益廣泛和深入，將人工智能成功運(yùn)用于船舶行業(yè)能夠有力推動海工裝備產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。目前設(shè)備服務(wù)對象主要針對船體和海上風(fēng)電樁，未來有望延伸至核電站塔架等多種場景中。”楊慧說。（張 曄 通 訊 員 李淑媛）
