2017年9月，調峰調頻公司生產技術部副主任鞏宇和他的水下機器人研發(fā)團隊在云南撫仙湖待了一周。他們與中國船舶重工集團共同研發(fā)的水下機器人正在做出廠前的最后試驗。

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米長的船，有時船尾暴雨，船頭卻艷陽高照。就像他的心情，“既期待也擔心，科技創(chuàng)新沒有百分百成功的事情，好在那次出廠試驗非常完美。”

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

調峰調頻公司生產技術部主任曾廣移表示，“機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題，它還能在水電站中的水壩等設施巡檢中發(fā)揮作用，填補了國內這方面的空白。今年9—10月，它就要到雅礱江水域的水電站檢測。這也是這款水下機器人成果轉化的一個方向，與合作單位一起提供對外服務。”

人：你能自己走嗎？

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

調峰調頻公司技術中心專責王文輝說，“幾百米落差的彎道放在那里，不說機組停運造成的經濟損失，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)風險。如果不排水，人類的潛水極限也就幾十米，檢測范圍更狹窄，何況在引水隧洞潛水作業(yè)，如同難度最高的洞穴潛水。關鍵肉眼很難無誤差的檢測所有細節(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，很可能量變引起質變，隧洞坍塌，后果不堪設想。”調峰調頻公司生技部檢修科副科長黃小鳳介紹說。在這種情況下，能否研發(fā)水下機器人來承擔這項工作?2013年年底調峰調頻公司著手準備，2014年組建團隊，并確定與中國船舶重工集團合作，集結了控制、自動化、材料等各方面的人才。剩下的便是攻克一個又一個難關。

對于普通人來說，水下機器人更多地意味著海洋機器人，事實上現(xiàn)在水下機器人應用非常廣泛，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用空間。調峰調頻公司要研究的則是針對包括抽水蓄能電站在內的水電站引水隧洞巡檢的水下機器人。

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

事實上由于引水隧洞水下環(huán)境復雜，進入水下的機器人很可能會遇到突出的鋼筋體或者其他無法想象的意外情況。一旦為水下機器人提供動力與光纖信號的臍帶纜纏繞到這些未知物上，沒有應急功能的機器人可能報廢在水中。這意味著抽水蓄能電站將要全部機組停運，由于隧洞內外的壓力，可能需要花費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，耗費的是巨大的人力物力。

為了實現(xiàn)封閉隧洞自主返航這個功能，原計劃兩年的項目，實際用了三年半才完成，專門用一年的時間來解決自主返航的算法問題。

其實可以想象一下，進入到水電站水下封閉隧洞的機器人就像一個黑夜里行走的盲人，充滿了未知，只能通過聲音判斷前面是懸崖還是坦途。或者旁邊一直有一個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，你在怎樣的方位。臍帶纜脫落的水下機器人更是如此，它無法再通過光纖信號與岸上的人進行溝通，光波和電磁波的穿透能力有限，只剩下了可靠的聲波。

上世紀初泰坦尼克號觸冰山沉沒，催生了聲波探測專利技術。在自然界，蝙蝠和海豚等動物也一直利用聲波來判斷距離和障礙物。但是封閉的水中隧洞與大海里定位又不同，一個有纜水下機器人下海后可以自動上浮，然后開始按照計劃游弋，根據(jù)自動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、封閉水道也導致聲音反射很多，收到的聲波信號也非常混亂，水下機器人很難解析出自己的方位。

調峰調頻公司水下機器人研發(fā)團隊最終找到了解決方法。思路仍然是通過導引聲吶與岸上的聲源信號建立可靠的聯(lián)系，接受岸上導引機的指引走出黑暗。“最后我們裝了兩套定位系統(tǒng)，一個用來測距離，比如說距離某個點100米。但光有距離還不夠，你還要知道它距離這個特定點是前面100米還是后面100米，于是我們又裝了一個指向性換能器的裝置，專門定方向，這樣機器人就明了在水里距離岸上聲源的方向和距離，也就可以自動返航。”鞏宇說道。同時，測距聲吶則讓水下機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?shù)挠^測距離，實現(xiàn)其六個自由度方向的測距避碰。最重要的是為了確保觀測精度，研發(fā)團隊還為水下機器人配備了可靠優(yōu)秀的濾波電路、發(fā)射機、接收機等，以及設計高精確度換能器基陣。

在海蓄電廠、天生橋電廠的現(xiàn)場巡檢試驗中，團隊均實施了水下機器人自動返航的實驗，其中海蓄電廠是在隧洞內距離洞口200米處，天生橋電廠則是1867米長距離輸水隧洞內自主返航。

這兩次現(xiàn)場巡檢試驗均非常成功，水下機器人在自動脫纜后，都自己找回了“家”，浮出水面，與岸上的工作人員成功會師。

機器人：我走的每一步你會知道嗎？

機器人在水中要“學習”的地方很多，它必須耐得住1000米水深的壓力。這對它的外殼、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器人搭載的設備壓扁。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，機器人就掛掉了。調峰調頻公司在研制過程中曾經出過這方面的問題。當時水下機器人的密封性沒有做好，機器人進入幾十米水深處時就開始滲水，線纜接頭全部燒掉。

除水壓問題外，水下機器人設計可以帶纜航行兩公里，它對動力有較高的要求，動力不夠，拖不動那么長的電纜，可能機器人走到某個地方就動不了了。但是電纜不能太粗，最后水下機器人研發(fā)團隊采用了高壓直流供電技術，選擇水面用380伏交流電，臍帶纜是3000伏的直流電，到機器人時再降到250伏。

這都讓水下機器人必須擁有鋼鐵俠一樣堅固的盔甲，容不得一絲閃失。但水下機器人又并非僅僅只是一個巨大版的“瓦力”，它在工作時，必須與岸上的人類大腦通力合作。如果去到水下機器人作業(yè)現(xiàn)場，首先看到的是岸上的供電機器——負責為水下的機器人提供動能;其次是臍帶纜絞車——負責將水下機器人送入水下;還有三臺顯示屏代表的控制系統(tǒng)——水下機器人的大腦，這都得由專業(yè)工作人員操作，因為未經訓練，你可能讀不懂水下機器人的信息，無法與它“對話”。

“水下機器人搭載了水下攝像機，但是在封閉水道中這遠遠不夠，無論是觀測距離還是水質能見度都可能影響它。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有感覺。就像拿著手電筒在海底觀察泰坦尼克號的殘骸，只能是盲人摸象。圖像聲吶卻能讓你從整體上把握整個房子是什么感覺的。通過更尖端的聲吶探測技術，你也能建立精確的泰坦尼克號殘骸的數(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)出來的物體形狀。“圖像聲吶返回來的東西就是一堆圖標，如果沒有經過培訓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。”這些可以通過培訓解決，鞏宇說，“合格的操作員通過肉眼觀測五顏六色的信息，就能分析出水下機器人前面有一個什么形狀的東西，要么避開，要么讓機器人走過，用水下攝像機仔細加以確認。”

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

這種情況下，一個只會巡檢的水下機器人好像有些有心無力。“僅從使用的角度，巡檢中發(fā)現(xiàn)了目標水域中的問題后，如果能夠直接通過作業(yè)解決問題是最棒的。但是水中作業(yè)的水下機器人更加復雜，在水中使用機械手與大氣中完全不一樣，它需要的精細度以及克服的困難更多。”黃小鳳接著說道，“但是正像這次研發(fā)的水下機器人，遇險自動脫纜功能、封閉隧道自主返航功能均為國內首創(chuàng)的新技術，難度極大，我們都能克服，所以還是應該對未來抱有信心。”

事實上，目前工業(yè)領域，水下復雜的環(huán)境以及大規(guī)模水下工程建設項目正在孕育一個巨大且剛需的作業(yè)級水下裝備市場。有媒體預測，工業(yè)級別水下裝備采用聲吶、空話射流等高技術傳感器與執(zhí)行器后，可以應用于港口泊位、水庫、堤壩、電站、橋梁隧道等，預期市場規(guī)模可達百億元。

目前，調峰調頻水下機器人團隊已經開始為作業(yè)級別的水下機器人做準備。

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提到機器人，大家都會兩眼放光，有人甚至已經開始思考機器人的“人權”，當然更多的人還是從實際出發(fā)，思考這款水下機器人能否量產，實現(xiàn)科技成果轉化?關于這些問題，我們列了相對的答案。

Q：人還是機器?

A：機器人正代替人類做非常多危險的工作。有人恐慌于機器最終代替人，導致更多的人失業(yè)。但是長期和機器人打交道的中船重工集團750試驗場研究室主任楊帆認為“人才是最寶貴的財產。”目前這款水下機器人代替人類從事危險工作，楊帆覺得心意上還是過得去也是比較合適的，從事非常危險的工作并不會對人類的工作崗位造成威脅。同時，在一些具體的作業(yè)中，仍然需要人操作，機器人并不能完全取代人。

Q：水下機器人有怎樣的未來?

A：國內目前可知的研究產品主要集中在水下攝影攝像、海洋環(huán)境監(jiān)測、中型工業(yè)級水下機器人本體等。技術方面，雖然與國外在規(guī)模運用上仍然有一定的差距，但是在一些單項技術、整體技術上并不差。對于這次調峰調頻公司與中國船舶重工集團研發(fā)的這款水下機器人所采用的多項技術均為國內首創(chuàng)。從長遠來說，未來水下機器人可能主要有兩個發(fā)展方向，一個是特種水文環(huán)境下的作業(yè)機器人，主要從事高風險的作業(yè)，比如水流大的管道等。另一種則是無人巡視機器人，用于遠航程、長時效、大深度的探測，要求自動化程度更高，搭載更多的探測設備。

Q：能否量產?

A：從世界范圍來看，水下機器人已經在漁業(yè)環(huán)境檢測、潛水娛樂等消費級市場興起，雖然目前在消費級市場里，接受度仍然無法與無人機產品相比，這卻也意味著水下機器人市場充滿了機遇。

不過楊帆認為，目前這款水下機器人量產的可能性不大，“雖然南水北調工程人員、三峽集團都來咨詢過，但是它仍然是一種特殊的東西，有點兒像超級計算機，它當然有存在的必要，卻不是每個人都必須擁有的東西。”

Q：我們科技成果怎么轉化?

A：2018年南方電網公司科技創(chuàng)新半年工作座談會上，公司黨組成員、副總經理畢亞雄表示，在研發(fā)上，公司一直投入很大的人力與財力，未來在把握核心技術的同時，還應該更加重視科技成果的轉化。各單位應該深入挖掘業(yè)務需求，制定成果產品化清單，加大新技術應用力度。公司也將努力打通科技成果向競爭性業(yè)務公司轉化的路徑。

目前，調峰調頻公司也在思考這個問題。曾廣移認為，“一個重要的方向就是用于內部，同時與合作單位一起提供對外服務;另一個便是產品級，但是這個方向比較復雜，情況有很多，仍然在考慮。”