2017年9月，調(diào)峰調(diào)頻公司生產(chǎn)技術(shù)部副主任鞏宇和他的水下機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)在云南撫仙湖待了一周。他們與中國(guó)船舶重工集團(tuán)共同研發(fā)的水下機(jī)器人正在做出廠前的最后試驗(yàn)。

鞏宇記憶中的撫仙湖很大，到了湖中央什么都看不到，每次出行就像“出海”。湖上氣候也有些奇怪，100米長(zhǎng)的船，有時(shí)船尾暴雨，船頭卻艷陽(yáng)高照。就像他的心情，“既期待也擔(dān)心，科技創(chuàng)新沒(méi)有百分百成功的事情，好在那次出廠試驗(yàn)非常完美。”

緊接著，這款水下機(jī)器人通過(guò)了海蓄電廠、天生橋電廠、廣蓄電廠更復(fù)雜水文環(huán)境的檢驗(yàn)，有效驗(yàn)證了全系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、可靠性與實(shí)用性，鞏宇總算松了一大口氣。作為國(guó)內(nèi)首個(gè)能夠在水電站水下封閉隧洞遠(yuǎn)距離航行檢測(cè)的水下機(jī)器人，它不僅可以在1000米水深處遠(yuǎn)距離檢測(cè)，還具備自主返航等智能化功能。其中，遇險(xiǎn)自動(dòng)脫纜功能、封閉隧道自主返航功能為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的新技術(shù)，難度極大。

調(diào)峰調(diào)頻公司生產(chǎn)技術(shù)部主任曾廣移表示，“機(jī)器人解決了我們最想解決的抽水蓄能電站引水隧洞的巡檢問(wèn)題，它還能在水電站中的水壩等設(shè)施巡檢中發(fā)揮作用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)這方面的空白。今年9—10月，它就要到雅礱江水域的水電站檢測(cè)。這也是這款水下機(jī)器人成果轉(zhuǎn)化的一個(gè)方向，與合作單位一起提供對(duì)外服務(wù)。”

人：你能自己走嗎？

抽水蓄能電站的引水隧洞檢測(cè)很難，卻有必要。一般，抽水蓄能電站的上庫(kù)到下庫(kù)有幾百米的落差，引水隧洞并非垂直，往往是斜且有彎，隧洞壁多為水泥澆筑，平時(shí)上庫(kù)與下庫(kù)的水在隧洞中上下流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、抽水蓄能功能。

調(diào)峰調(diào)頻公司技術(shù)中心專責(zé)王文輝說(shuō)，“幾百米落差的彎道放在那里，不說(shuō)機(jī)組停運(yùn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，靠人員深入到這樣直徑9米且黑漆漆的隧洞檢查，存在非常大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。如果不排水，人類的潛水極限也就幾十米，檢測(cè)范圍更狹窄，何況在引水隧洞潛水作業(yè)，如同難度最高的洞穴潛水。關(guān)鍵肉眼很難無(wú)誤差的檢測(cè)所有細(xì)節(jié)。”

另一方面，隨著抽水蓄能電站年限的增加，定期巡檢變成了非常必要的事情，“包括隧洞壁是否有裂縫，是否大量滋生水生物，如果不巡檢，不掌握變化趨勢(shì)，很可能量變引起質(zhì)變，隧洞坍塌，后果不堪設(shè)想。”調(diào)峰調(diào)頻公司生技部檢修科副科長(zhǎng)黃小鳳介紹說(shuō)。在這種情況下，能否研發(fā)水下機(jī)器人來(lái)承擔(dān)這項(xiàng)工作?2013年年底調(diào)峰調(diào)頻公司著手準(zhǔn)備，2014年組建團(tuán)隊(duì)，并確定與中國(guó)船舶重工集團(tuán)合作，集結(jié)了控制、自動(dòng)化、材料等各方面的人才。剩下的便是攻克一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。

對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，水下機(jī)器人更多地意味著海洋機(jī)器人，事實(shí)上現(xiàn)在水下機(jī)器人應(yīng)用非常廣泛，除了海洋，水電廠的水壩、隧洞甚至水下養(yǎng)殖、下水管道都是它的應(yīng)用空間。調(diào)峰調(diào)頻公司要研究的則是針對(duì)包括抽水蓄能電站在內(nèi)的水電站引水隧洞巡檢的水下機(jī)器人。

不過(guò)海洋與引水隧洞里的機(jī)器人研發(fā)技術(shù)路線有很大的不同。首先便是抽水蓄能電站不允許機(jī)器人失蹤，它必須放進(jìn)去也能自己走得回來(lái)，即在任何情況下，機(jī)器人要能夠在復(fù)雜的封閉隧洞中自主返航。

事實(shí)上由于引水隧洞水下環(huán)境復(fù)雜，進(jìn)入水下的機(jī)器人很可能會(huì)遇到突出的鋼筋體或者其他無(wú)法想象的意外情況。一旦為水下機(jī)器人提供動(dòng)力與光纖信號(hào)的臍帶纜纏繞到這些未知物上，沒(méi)有應(yīng)急功能的機(jī)器人可能報(bào)廢在水中。這意味著抽水蓄能電站將要全部機(jī)組停運(yùn)，由于隧洞內(nèi)外的壓力，可能需要花費(fèi)8—10天將引水隧洞的水全部排出，“水落石出”后，再用8—10天充水，如此一番折騰，耗費(fèi)的是巨大的人力物力。

為了實(shí)現(xiàn)封閉隧洞自主返航這個(gè)功能，原計(jì)劃兩年的項(xiàng)目，實(shí)際用了三年半才完成，專門(mén)用一年的時(shí)間來(lái)解決自主返航的算法問(wèn)題。

其實(shí)可以想象一下，進(jìn)入到水電站水下封閉隧洞的機(jī)器人就像一個(gè)黑夜里行走的盲人，充滿了未知，只能通過(guò)聲音判斷前面是懸崖還是坦途。或者旁邊一直有一個(gè)耳聰目明的人給你提示：上下前后左右有什么障礙物，障礙物距離你多遠(yuǎn)，你在怎樣的方位。臍帶纜脫落的水下機(jī)器人更是如此，它無(wú)法再通過(guò)光纖信號(hào)與岸上的人進(jìn)行溝通，光波和電磁波的穿透能力有限，只剩下了可靠的聲波。

上世紀(jì)初泰坦尼克號(hào)觸冰山沉沒(méi)，催生了聲波探測(cè)專利技術(shù)。在自然界，蝙蝠和海豚等動(dòng)物也一直利用聲波來(lái)判斷距離和障礙物。但是封閉的水中隧洞與大海里定位又不同，一個(gè)有纜水下機(jī)器人下海后可以自動(dòng)上浮，然后開(kāi)始按照計(jì)劃游弋，根據(jù)自動(dòng)記錄的軌跡就可以換算出它的位置。這在水中隧洞行不通，彎道太多、封閉水道也導(dǎo)致聲音反射很多，收到的聲波信號(hào)也非常混亂，水下機(jī)器人很難解析出自己的方位。

調(diào)峰調(diào)頻公司水下機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終找到了解決方法。思路仍然是通過(guò)導(dǎo)引聲吶與岸上的聲源信號(hào)建立可靠的聯(lián)系，接受岸上導(dǎo)引機(jī)的指引走出黑暗。“最后我們裝了兩套定位系統(tǒng)，一個(gè)用來(lái)測(cè)距離，比如說(shuō)距離某個(gè)點(diǎn)100米。但光有距離還不夠，你還要知道它距離這個(gè)特定點(diǎn)是前面100米還是后面100米，于是我們又裝了一個(gè)指向性換能器的裝置，專門(mén)定方向，這樣機(jī)器人就明了在水里距離岸上聲源的方向和距離，也就可以自動(dòng)返航。”鞏宇說(shuō)道。同時(shí)，測(cè)距聲吶則讓水下機(jī)器人知道自身與管道壁間的距離，以控制其在不與管道壁發(fā)生碰撞的情況下，保持適當(dāng)?shù)挠^測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)其六個(gè)自由度方向的測(cè)距避碰。最重要的是為了確保觀測(cè)精度，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為水下機(jī)器人配備了可靠?jī)?yōu)秀的濾波電路、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等，以及設(shè)計(jì)高精確度換能器基陣。

在海蓄電廠、天生橋電廠的現(xiàn)場(chǎng)巡檢試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)均實(shí)施了水下機(jī)器人自動(dòng)返航的實(shí)驗(yàn)，其中海蓄電廠是在隧洞內(nèi)距離洞口200米處，天生橋電廠則是1867米長(zhǎng)距離輸水隧洞內(nèi)自主返航。

這兩次現(xiàn)場(chǎng)巡檢試驗(yàn)均非常成功，水下機(jī)器人在自動(dòng)脫纜后，都自己找回了“家”，浮出水面，與岸上的工作人員成功會(huì)師。

機(jī)器人：我走的每一步你會(huì)知道嗎？

機(jī)器人在水中要“學(xué)習(xí)”的地方很多，它必須耐得住1000米水深的壓力。這對(duì)它的外殼、材料密封性有非常高的要求，否則1000米水深處的水壓可能將機(jī)器人搭載的設(shè)備壓扁。尤其是里面的控制系統(tǒng)，如果密封性不好，水壓將其打穿，電路板全部短路，機(jī)器人就掛掉了。調(diào)峰調(diào)頻公司在研制過(guò)程中曾經(jīng)出過(guò)這方面的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)水下機(jī)器人的密封性沒(méi)有做好，機(jī)器人進(jìn)入幾十米水深處時(shí)就開(kāi)始滲水，線纜接頭全部燒掉。

除水壓?jiǎn)栴}外，水下機(jī)器人設(shè)計(jì)可以帶纜航行兩公里，它對(duì)動(dòng)力有較高的要求，動(dòng)力不夠，拖不動(dòng)那么長(zhǎng)的電纜，可能機(jī)器人走到某個(gè)地方就動(dòng)不了了。但是電纜不能太粗，最后水下機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了高壓直流供電技術(shù)，選擇水面用380伏交流電，臍帶纜是3000伏的直流電，到機(jī)器人時(shí)再降到250伏。

這都讓水下機(jī)器人必須擁有鋼鐵俠一樣堅(jiān)固的盔甲，容不得一絲閃失。但水下機(jī)器人又并非僅僅只是一個(gè)巨大版的“瓦力”，它在工作時(shí)，必須與岸上的人類大腦通力合作。如果去到水下機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，首先看到的是岸上的供電機(jī)器——負(fù)責(zé)為水下的機(jī)器人提供動(dòng)能;其次是臍帶纜絞車——負(fù)責(zé)將水下機(jī)器人送入水下;還有三臺(tái)顯示屏代表的控制系統(tǒng)——水下機(jī)器人的大腦，這都得由專業(yè)工作人員操作，因?yàn)槲唇?jīng)訓(xùn)練，你可能讀不懂水下機(jī)器人的信息，無(wú)法與它“對(duì)話”。

“水下機(jī)器人搭載了水下攝像機(jī)，但是在封閉水道中這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無(wú)論是觀測(cè)距離還是水質(zhì)能見(jiàn)度都可能影響它。所以圖像聲吶就顯得尤其重要。”王文輝舉了一個(gè)形象的例子，“比如眼前的房屋，攝像頭一掃，你可能看到一些具象的桌子凳子，但是整座房子的形狀你可能沒(méi)有感覺(jué)。就像拿著手電筒在海底觀察泰坦尼克號(hào)的殘骸，只能是盲人摸象。圖像聲吶卻能讓你從整體上把握整個(gè)房子是什么感覺(jué)的。通過(guò)更尖端的聲吶探測(cè)技術(shù)，你也能建立精確的泰坦尼克號(hào)殘骸的數(shù)字模型。”

但是圖像聲吶傳遞給人類的可不是攝像頭呈現(xiàn)出來(lái)的物體形狀。“圖像聲吶返回來(lái)的東西就是一堆圖標(biāo)，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)可能只看出一堆五顏六色的東西，它不像攝像頭拍出一瓶水就是一瓶水。這些五顏六色東西里，你還得去除噪聲分辨出形狀。”這些可以通過(guò)培訓(xùn)解決，鞏宇說(shuō)，“合格的操作員通過(guò)肉眼觀測(cè)五顏六色的信息，就能分析出水下機(jī)器人前面有一個(gè)什么形狀的東西，要么避開(kāi)，要么讓機(jī)器人走過(guò)，用水下攝像機(jī)仔細(xì)加以確認(rèn)。”

廣蓄電廠拍回來(lái)的畫(huà)面中就有不少附著的水生物，由于沒(méi)有天敵，這些水生物往往迅速繁生，很可能不久的將來(lái)隧道壁上密密麻麻全是。之前曾經(jīng)用涂抹環(huán)保涂層的方式來(lái)解決，但是巡檢的結(jié)果顯示有些環(huán)保涂層脫落的地方，水生物又長(zhǎng)了回來(lái)。

這種情況下，一個(gè)只會(huì)巡檢的水下機(jī)器人好像有些有心無(wú)力。“僅從使用的角度，巡檢中發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)水域中的問(wèn)題后，如果能夠直接通過(guò)作業(yè)解決問(wèn)題是最棒的。但是水中作業(yè)的水下機(jī)器人更加復(fù)雜，在水中使用機(jī)械手與大氣中完全不一樣，它需要的精細(xì)度以及克服的困難更多。”黃小鳳接著說(shuō)道，“但是正像這次研發(fā)的水下機(jī)器人，遇險(xiǎn)自動(dòng)脫纜功能、封閉隧道自主返航功能均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的新技術(shù)，難度極大，我們都能克服，所以還是應(yīng)該對(duì)未來(lái)抱有信心。”

事實(shí)上，目前工業(yè)領(lǐng)域，水下復(fù)雜的環(huán)境以及大規(guī)模水下工程建設(shè)項(xiàng)目正在孕育一個(gè)巨大且剛需的作業(yè)級(jí)水下裝備市場(chǎng)。有媒體預(yù)測(cè)，工業(yè)級(jí)別水下裝備采用聲吶、空話射流等高技術(shù)傳感器與執(zhí)行器后，可以應(yīng)用于港口泊位、水庫(kù)、堤壩、電站、橋梁隧道等，預(yù)期市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)百億元。

目前，調(diào)峰調(diào)頻水下機(jī)器人團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始為作業(yè)級(jí)別的水下機(jī)器人做準(zhǔn)備。

>>快問(wèn)快答　　人與機(jī)器人誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)

提到機(jī)器人，大家都會(huì)兩眼放光，有人甚至已經(jīng)開(kāi)始思考機(jī)器人的“人權(quán)”，當(dāng)然更多的人還是從實(shí)際出發(fā)，思考這款水下機(jī)器人能否量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化?關(guān)于這些問(wèn)題，我們列了相對(duì)的答案。

Q：人還是機(jī)器?

A：機(jī)器人正代替人類做非常多危險(xiǎn)的工作。有人恐慌于機(jī)器最終代替人，導(dǎo)致更多的人失業(yè)。但是長(zhǎng)期和機(jī)器人打交道的中船重工集團(tuán)750試驗(yàn)場(chǎng)研究室主任楊帆認(rèn)為“人才是最寶貴的財(cái)產(chǎn)。”目前這款水下機(jī)器人代替人類從事危險(xiǎn)工作，楊帆覺(jué)得心意上還是過(guò)得去也是比較合適的，從事非常危險(xiǎn)的工作并不會(huì)對(duì)人類的工作崗位造成威脅。同時(shí)，在一些具體的作業(yè)中，仍然需要人操作，機(jī)器人并不能完全取代人。

Q：水下機(jī)器人有怎樣的未來(lái)?

A：國(guó)內(nèi)目前可知的研究產(chǎn)品主要集中在水下攝影攝像、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、中型工業(yè)級(jí)水下機(jī)器人本體等。技術(shù)方面，雖然與國(guó)外在規(guī)模運(yùn)用上仍然有一定的差距，但是在一些單項(xiàng)技術(shù)、整體技術(shù)上并不差。對(duì)于這次調(diào)峰調(diào)頻公司與中國(guó)船舶重工集團(tuán)研發(fā)的這款水下機(jī)器人所采用的多項(xiàng)技術(shù)均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，未來(lái)水下機(jī)器人可能主要有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是特種水文環(huán)境下的作業(yè)機(jī)器人，主要從事高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，比如水流大的管道等。另一種則是無(wú)人巡視機(jī)器人，用于遠(yuǎn)航程、長(zhǎng)時(shí)效、大深度的探測(cè)，要求自動(dòng)化程度更高，搭載更多的探測(cè)設(shè)備。

Q：能否量產(chǎn)?

A：從世界范圍來(lái)看，水下機(jī)器人已經(jīng)在漁業(yè)環(huán)境檢測(cè)、潛水娛樂(lè)等消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)興起，雖然目前在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)里，接受度仍然無(wú)法與無(wú)人機(jī)產(chǎn)品相比，這卻也意味著水下機(jī)器人市場(chǎng)充滿了機(jī)遇。

不過(guò)楊帆認(rèn)為，目前這款水下機(jī)器人量產(chǎn)的可能性不大，“雖然南水北調(diào)工程人員、三峽集團(tuán)都來(lái)咨詢過(guò)，但是它仍然是一種特殊的東西，有點(diǎn)兒像超級(jí)計(jì)算機(jī)，它當(dāng)然有存在的必要，卻不是每個(gè)人都必須擁有的東西。”

Q：我們科技成果怎么轉(zhuǎn)化?

A：2018年南方電網(wǎng)公司科技創(chuàng)新半年工作座談會(huì)上，公司黨組成員、副總經(jīng)理畢亞雄表示，在研發(fā)上，公司一直投入很大的人力與財(cái)力，未來(lái)在把握核心技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)該更加重視科技成果的轉(zhuǎn)化。各單位應(yīng)該深入挖掘業(yè)務(wù)需求，制定成果產(chǎn)品化清單，加大新技術(shù)應(yīng)用力度。公司也將努力打通科技成果向競(jìng)爭(zhēng)性業(yè)務(wù)公司轉(zhuǎn)化的路徑。

目前，調(diào)峰調(diào)頻公司也在思考這個(gè)問(wèn)題。曾廣移認(rèn)為，“一個(gè)重要的方向就是用于內(nèi)部，同時(shí)與合作單位一起提供對(duì)外服務(wù);另一個(gè)便是產(chǎn)品級(jí)，但是這個(gè)方向比較復(fù)雜，情況有很多，仍然在考慮。”