ROV在海洋科學(xué)科考中的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、ROV在海洋科學(xué)科考中的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用(全文)Abstract : Remotely Operated Vehicle ( ROV) is widely used in marine scientific research in the word，the paper is divided into three parts， firstly ， it introduces the ROV application situation in marine scientific research at present and further discusses the ROV development

2、trend， then describes the system structure features of scientific ROV， and finally expatiates ROV practical application in scientific investigation.Key Word :ROV ；Present Situation ；System structure ； Application刖言海洋占地球總面積的70.8% ,蘊(yùn)藏著豐富的海洋資源，人 類為了開(kāi)發(fā)海洋，就應(yīng)該了解海洋、熟悉海洋，單純依靠人力來(lái) 完成工作量大和復(fù)雜的海洋開(kāi)發(fā)和調(diào)查作業(yè)非常困難，為此人類

3、 需要尋求開(kāi)發(fā)海洋的方法和技術(shù)手段，這其中要涉及許多學(xué)科和 技術(shù)領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，人類研究出各種各樣的探測(cè)設(shè)備和 技術(shù)方法，目前廣泛應(yīng)用于科學(xué)探測(cè)的設(shè)備有載人深潛器(HOV , Human operated vehicle )，有纜無(wú)人潛器(ROV , remotely operated vehicle ),無(wú)人自主潛器(AUV , Autonomous Underwater Vehicle)，深拖系統(tǒng)(TV , Towed Vehicle)和 水下滑翔機(jī)(UG,Underwater Glider)等深海探測(cè)探水器設(shè) 備。與其他深海潛水器相比，ROV由于具有水下工作時(shí)間長(zhǎng)、 作業(yè)能力強(qiáng)、負(fù)

4、載能力大，無(wú)作業(yè)人員人身危險(xiǎn)事故等優(yōu)勢(shì)，再 加上光纖技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)ROV臍帶纜內(nèi)的光纖實(shí)時(shí)海量 傳輸信息和控制指令，作業(yè)人員可以在母船甲板控制室實(shí)時(shí)輕巧 靈活的控制ROV本體在水下的運(yùn)動(dòng)，在深海作業(yè)中有著不可替 代的作用，并且在不同海域深度都有過(guò)ROV的足跡。隨著技術(shù) 的高速發(fā)展，有纜無(wú)人水下機(jī)器人(ROV，)先后被美國(guó)、法國(guó) 和日本等國(guó)開(kāi)發(fā)并研制成功，以克服潛水員在深水中工作所遇到 的困難和載人潛水器的潛水病和人身事故。目前已有日本的海 溝號(hào)ROV和美國(guó)的海神號(hào)混合ROV到達(dá)地球上最深的 地方馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，并獲取珍貴的樣品和資料。可 見(jiàn)ROV在人類了解和開(kāi)發(fā)海洋的過(guò)程中發(fā)揮出

5、越來(lái)越重要的作 用。1應(yīng)用現(xiàn)狀根據(jù)UNOLS的報(bào)告，目前國(guó)際上商用的ROV系統(tǒng)基本工 作在3000米以淺，而要完成海洋探測(cè)和科學(xué)研究，ROV需要 工作在3500米以上的更大深度，并且具有深海支持的專業(yè)化設(shè) 計(jì)，因而科考用ROV都是大深度ROV。目前，人類借助深海 ROV探測(cè)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)全海神海域的海洋科學(xué)考察，而且隨 著ROV在海洋科考中發(fā)揮的作用越來(lái)越顯著，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是 世界上的主要海洋研究機(jī)構(gòu)都配置有ROV系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)考察， ROV系統(tǒng)是目前技術(shù)最成熟、使用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一類 潛水器。表1所示列出了世界主要海洋研究機(jī)構(gòu)所擁有的ROV 系統(tǒng)。2發(fā)展趨勢(shì)ROV系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科綜合體，

6、因而ROV隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，自身也不斷向前發(fā)展，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)的突破， ROV的發(fā)展趨勢(shì)主要有3個(gè)方向發(fā)展：極強(qiáng)的作業(yè)功能，全海 深的作業(yè)能力和AUV與ROV結(jié)混合技術(shù)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，人類尋求開(kāi)發(fā)深海的方法和 技術(shù)手段越來(lái)越迫切，因而發(fā)展ROV系統(tǒng)在深海下的作業(yè)功能 非常必要，由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校和科研院所研制 的海馬號(hào)ROV系統(tǒng)結(jié)合海洋工程和科學(xué)考察任務(wù)的需要， 配置有配套水下作業(yè)工具，海底觀測(cè)XX用布纜底盤，取樣用工 具底盤和水下升降裝置等功能，同時(shí)提供豐富的液壓電氣擴(kuò)展 接口，可以極大的滿足4500米級(jí)深海作業(yè)能力的需求。征服世界最深淵一直是人類

7、的夢(mèng)想，目前人類使用深海潛器 對(duì)世界最深的地方進(jìn)行了 3次探測(cè)，其中2次分別是由日本的 海溝號(hào)ROV和美國(guó)的海神號(hào)混合ROV實(shí)現(xiàn)的，從表1 中可以看出用于科學(xué)考察的ROV目前最大深度普遍都是6000 米級(jí)深度的，因此要對(duì)海洋更大深度的地方進(jìn)行探測(cè)，必須發(fā)展 全海深作業(yè)能力的ROV技術(shù)。ROV和AUV技術(shù)是深海潛水器的兩個(gè)重要發(fā)展方向，它們 在深海海洋探測(cè)中都發(fā)揮著各自不可替代的作用，怎樣結(jié)合二者 之間的長(zhǎng)處成為深海潛器研究者思考的問(wèn)題，美國(guó)伍茲霍爾海洋 研究所在全海深混合ROV技術(shù)方面做出了成功的嘗試，他們于 2021年研制完成了 海神號(hào)混合ROV，并于2021年6月2 日在第12潛次潛至10

8、898米處進(jìn)行了沉積物取樣。海神號(hào) ROV可根據(jù)需要工作在有纜ROV模式和無(wú)纜AUV模式進(jìn)行科 學(xué)調(diào)查。表1世界主要海洋機(jī)構(gòu)ROV3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總的來(lái)說(shuō)，ROV的總體結(jié)構(gòu)一般由支持母船（甲板控制室）， 供配電系統(tǒng)，臍帶纜及收放系統(tǒng)，ROV本體等部分組成。ROV 往往根據(jù)海洋調(diào)查任務(wù)和目的不同而要滿足不同的功能需求，因 此保持彈性設(shè)計(jì)，特別需要保留未來(lái)升級(jí)能力，因而大多數(shù)ROV 系統(tǒng)都是海洋研究機(jī)構(gòu)根據(jù)自己的要求而自行開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)靈活 多變的功能需求，但也有部分海洋研究機(jī)構(gòu)向第三方廠家購(gòu)買商 用ROV，但此類ROV 一般都保留有豐富的機(jī)械、電氣和液壓動(dòng) 力等接口，以滿足用戶擴(kuò)展用能需求。因此每套R(shí)O

9、V系統(tǒng)在 ROV本體上根據(jù)功能需求會(huì)有所差異而具備自己的特點(diǎn)。3.1動(dòng)力系統(tǒng)用于海洋科學(xué)考察的ROV系統(tǒng)一般采用電驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器系 統(tǒng)，整個(gè)ROV本體較為輕便靈活，因而功率較小，但機(jī)械手和 作業(yè)工具的動(dòng)力一般為液壓驅(qū)動(dòng)，因而系統(tǒng)會(huì)配置一個(gè)小型的液 壓泵站。而作業(yè)型科考ROV 一般為全液壓系統(tǒng)，功率較大，可 以滿足推進(jìn)系統(tǒng)和作業(yè)工具的需求。3.2照明及視頻監(jiān)控系統(tǒng)ROV在海洋科學(xué)考察中的一個(gè)最最主要功能就是進(jìn)行近海 底觀察，因此，視頻和照明作為ROV的眼睛至關(guān)重要，ROV 一般要從多角度進(jìn)行配置，以滿足ROV進(jìn)行近海底觀察以及 ROV狀態(tài)監(jiān)控而且ROV基本都配置有一個(gè)或者多個(gè)清晰度非 常高的攝像機(jī)

10、，并安裝在云臺(tái)上。為了獲得海底清晰的照片， ROV配置有帶攝像功能的照相機(jī)和配合照相用的閃光燈。3.3 ROV傳感器及儀表根據(jù)ROV狀態(tài)監(jiān)控需要，ROV系統(tǒng)一般會(huì)配置深度計(jì)、高 度計(jì)，羅經(jīng)，陀螺儀等傳感器儀表，但部分ROV會(huì)針對(duì)特殊功 能而配置其他特殊的傳感器。3.4自動(dòng)功能為了便于海底作業(yè)和ROV操作員進(jìn)行駕駛，ROV基本都具 備自動(dòng)定深，定高，定向的功能，其他比如橫搖縱傾補(bǔ)償，定點(diǎn) 功能，自動(dòng)巡航一般根據(jù)特定需求開(kāi)發(fā)這些特殊功能。3.5作業(yè)布放方式作業(yè)布放方式主要有單纜吊放，壓載器和中繼器三種方式， 每種作業(yè)布放方式各有優(yōu)劣。單纜吊放的收放操作復(fù)雜，但主臍 帶纜受力情況較好作業(yè)范圍取決于臍

11、帶纜掛載浮球數(shù)；壓載器 方式重量較輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、作業(yè)范圍小，壓載器與ROV 本體分別布放與回收，無(wú)對(duì)接問(wèn)題；中繼器方式在小范圍精確作 業(yè)操縱性好，但是中繼器與ROV本體水下分離和對(duì)接時(shí)具有一 定難度。3.6功能擴(kuò)展ROV作為科學(xué)研究和探測(cè)工具搭載平臺(tái)，具備豐富的液壓 電氣擴(kuò)展接口以便在海洋科考中進(jìn)行設(shè)備和儀器的搭載，例如 ROSUB 6000 ROV系統(tǒng)配置有RESON 7125多波束系統(tǒng)，CTD 傳感器，溶解氧傳感器3180，取水器，甲烷傳感器等；victor 6000 ROV系統(tǒng)也配置有RESON 7125多波束系統(tǒng)，同時(shí)還具 備OTUS廣角攝像機(jī)，Sea bird SBE 25

12、CTD傳感器及取水器， 磁力計(jì)，SIMRAD EK60回聲探測(cè)儀和淺層剖面儀等擴(kuò)展和搭載 設(shè)備。4海洋科考應(yīng)用ROV已經(jīng)作為探索海洋奧秘的一個(gè)重要的工具和海洋研究 平臺(tái)，可以在海底進(jìn)行觀測(cè)，檢測(cè)，采樣，科學(xué)儀器測(cè)試、布 放和回收，以及海底布纜等各種海底調(diào)查任務(wù)下的作業(yè)，為海洋 科學(xué)中的海洋生物，海洋地質(zhì)，海洋物理和海洋化學(xué)以及資源勘 查等方面的科學(xué)研究發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。4.1近海底觀察，獲取高清視頻和圖片ROV在海洋科學(xué)考察中的一個(gè)最主要功能就是能夠?qū)５?目標(biāo)物進(jìn)行近距離觀察，一般ROV 上配置的視頻靈活多樣，比 載人潛器的觀察窗口相比可以獲得更大的視野，并提供高清視頻 和圖像，以便科研

13、人員對(duì)海底的的底質(zhì)，環(huán)境特征，生物狀況等 有了更直觀的印象，便于對(duì)海域開(kāi)展相關(guān)研究。4.2獲取海底樣品ROV的取樣能力使得研究人員不僅可以獲取海底的直觀印 象，還可以所見(jiàn)即所得，獲得更直接的海底研究證據(jù)，通過(guò)機(jī)械 手和根據(jù)需要設(shè)計(jì)的取樣工具可以獲取海底樣品，例如可通過(guò)插 管取樣器可以獲取海底沉積物樣品，通過(guò)取水瓶可以獲取海底水 樣，通過(guò)生物捕獲器獲取生物樣品等等。4.3探測(cè)儀器布放ROV作為科研搭載平臺(tái)，在海洋地質(zhì)調(diào)查中，可以攜帶海 洋探測(cè)設(shè)備在海底針對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)探測(cè)或者在目標(biāo)點(diǎn)布放 探測(cè)設(shè)備，比如海獅號(hào)ROV在南海某海域進(jìn)行熱流探針布放， 進(jìn)行地?zé)崃鳒y(cè)量，MBARI在胡安德富卡板塊通過(guò)R

14、OV布放 巖心鉆孔地震儀，鈦合金耐壓殼體插入到玄武巖水平巖心鉆孔中， 并通過(guò)水密纜連接到數(shù)據(jù)記錄儀里對(duì)巖心鉆孔進(jìn)行檢測(cè)。4.4海底搜尋和打撈ROV在日本1999年的H-II系列8號(hào)火箭飛行器搜尋中發(fā) 揮出重要的作用，此次搜尋和打撈綜合采用側(cè)掃聲納，視頻攝像 機(jī)，靜態(tài)照相機(jī)等多種調(diào)查手段，首先在可疑區(qū)域用海溝號(hào) ROV進(jìn)行側(cè)掃聲納和可視調(diào)查進(jìn)行搜尋，接著采用聲納拖體和 攝像拖體擴(kuò)大搜尋范圍，找到目標(biāo)后海豚號(hào)ROV進(jìn)行細(xì)致搜尋 和部分零件打撈，最后通過(guò)專用打撈公司采用 ROV Remora 6000進(jìn)行打撈。4.5工程地質(zhì)調(diào)查利用ROV提供的動(dòng)力源和控制接口可擴(kuò)展搭載海底錐探和 巖心取樣設(shè)備進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，加拿大ROPOS號(hào)ROV和美 國(guó)Tiburon號(hào)ROV都成功攜帶ROV水平多管巖心取樣獲取海 底巖心樣品。4.6海底觀測(cè)XX布放海底觀測(cè)系統(tǒng)成為人