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水域救援用水下机器人的发展现状与趋势论文

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2024-05-22 13:52:03    来源:    作者:zhoudanni

摘要:随着国内各地城镇化进程大幅推进,各种不同规模的城市逐渐成为人们工作、居住、娱乐等活动的主要区域。目前城市设计中经常会安排水环境规划,各种形式的水域随即出现在城市的各个角落,既保护调节城市局部环境,又给人们提供休闲娱乐乃至工作。这些水域形态各异,有天然的,有人工的,带来便利也隐藏安全隐患。从近年的事故统计数据可知,水域淹溺事故经常发生且逐年增加,即便是专门从事潜水作业的人员,在其潜水作业中也存在淹溺和中毒等风险。随着对生命权的高度重视,人类对自身安全感的追求逐步凸显并被高度重视。

  摘要:首先从工作原理、常见类型等2个方面介绍了水域救援用水下机器人,然后从理论与技术研究、有关行业的实战应用、现行有关国家标准、主要生产厂家、近年来以往城市水域救援案例及水下机器人参与救援有关情况等5个方面对水域救援用水下机器人的发展现状进行分析、总结,接着从救援作业风险、机器人发挥的作用、国内水下机器人的发展趋势等3个方面对发展趋势进行预测,并提出今后研究的重点、难点。认为国内水域救援中采用水下机器人等先进的科技装备辅助开展救援作业活动正在逐步形成为水域救援队伍必需的一项基本技能,今后水下救援中采用水下机器人将成为水下救援装备发展的新趋势。

  关键词:水域救援,水下机器人,发展现状,趋势

  0引言

  随着国内各地城镇化进程大幅推进,各种不同规模的城市逐渐成为人们工作、居住、娱乐等活动的主要区域。目前城市设计中经常会安排水环境规划,各种形式的水域随即出现在城市的各个角落,既保护调节城市局部环境,又给人们提供休闲娱乐乃至工作。这些水域形态各异,有天然的,有人工的,带来便利也隐藏安全隐患。从近年的事故统计数据可知,水域淹溺事故经常发生且逐年增加,即便是专门从事潜水作业的人员,在其潜水作业中也存在淹溺和中毒等风险。随着对生命权的高度重视,人类对自身安全感的追求逐步凸显并被高度重视。可以预测,采用先进科技装备辅助开展水域救援,必然将成为水域救援装备发展的新趋势。

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  1工作原理及常见类型
       1.1工作原理

  水域救援用水下机器人的工作原理就是利用搭载有若干专门用于水下救援目标物有关信息的探测装置、用于水下事故救援环境有关参数的检测装置、用于将水下救援目标物救捞出水面直至陆地的救捞专用工器具等的多功能水下机器人,潜航到事故救援水域,探测、检测获取事故水下救援环境的有关信息和水下救援目标物的有关信息,并利用该水下机器人的专用工器具将救援目标物从水下运输到指定的水面区域,供救捞人员从水面打捞救援目标物。在一定程度上代替潜水救援工作人员进入水中开展大量人工作业活动,消除、降低、减轻了作业人员的有关风险和人员使用水下救援装备的整体开支,节省了整体救援工作的费用,提高了救援整体工作效率。

  1.2常见的水下救援用机器人

  (1)带缆遥控水下机器人

  该类机器人本体通过光电复合缆与地面工作基站相连接,操作终端装置通过电缆与地面工作基站相连接,采用复合缆实现本体与基站之间的通信联络和电力供应,操作人员在地面通过操作终端装置和基站对本体进行远程操控完成具体作业任务,运行状态和采集的现场信息均可在基站的终端上显示。主要由地面工作基站、电缆及绞车、吊放设备、供电系统设备、推进器、机器人本体框架、浮体材料、摄像系统、机械手、照明灯具、舱体等设备,声呐等其他的探测及检测设备,机械手、障碍物清除装置、其他专用工器具等组成。

  (2)无缆自主操控水下机器人

  该类机器人本体与地面工作基站无直接物理介质上的连接,通信联络采用无线通信或者专用水下通信网络,电力供应一般由自主携带的电池供应,操作人员在地面通过计算机基站可对本体进行远程操控开展具体作业任务,本体也可开启自主导航和自主作业等模式,其运行状态和采集的各种信息可在基站的终端上显示。主要由地面工作基站、吊放设备、推进器、自带的电源、机器人本体框架、浮体材料、摄像系统、照明灯具、舱体、通信系统等设备组成,声呐等其他的探测及检测设备,机械手、障碍物清除装置、其他专用工器具等组成。

  2发展现状

  2.1理论和技术研究

  前期有研究人员已经对类似的水域救援用水下机器人已经开展过较多研究。较早期间,国内已研制出应急抢险救援车,可探知没入水下的被淹车辆数量、位置及水下水流状况等,救援者必须进入水中才能救出被困人员[1]。控制算法方面,文献[2]研究小型水下救援机器人艏向控制和深度控制的控制算法并进行了仿真和试验研究,提出了基于声学,视觉,可移动参照物的组合定位和搜寻方法完成搜救系统平台的搭建和解救。

  文献[3]提出将声呐与潜水打捞头盔结合使用,从光学和声学方向完成水下低能见度的可视化头盔的人机工程机理研究,完成了声呐与潜水打捞头盔的集成。文献[4]提出一种无人无缆水下救援机器人。文献[5]提出磨料射流的水下破拆救援机器人拟解决的关键性问题。文献[6]设计出一种具有自动巡航检测、快速遥控并弹射救生圈的水上救援机器人。文献[7]研制一款探伤用水下样机,开展水下机器人定位及路径规划方法研究。文献[8]以生物仿生技术为依托,以海蛇为建模原型,做仿生机器人的整体性规划。文献[9]设计了一款应用于水下救援和打捞的小型水下机器人的控制系统实现了水下机器人的运动控制、各类传感器的数据采集、视频的拍摄和录像以及故障报警提示等。

  针对隧道多发事故而人工救援能力有限的情况,文献[10]设计一种地面适应能力强的隧道救援用履带式机器人。针对水中倒车文献[11]研制出一款新型的充气式高效救援设备,可在波浪中稳定转弯,抗风浪行进,急速倒车,最大载质量为160 kg,可同时救起7名落水者。针对车辆落水事故,文献[12]设计了一种基于水下机器人控制的车辆落水事故应急穿缆救援装置,开展其关键部件及装置的研制,完成了实验室条件下的功能验证。针对小吨位物体应急救援快速打捞的需求,文献[13]研究水下螺柱焊接相关技术,拟在水下待打捞物体上快速焊接着力抓手并安装吊环,便于尽快起吊快速应急救援。针对水上救援设备操作复杂、体积大、不易收纳、对操作人员专业要求高等问题,文献[14]设计了一款适用城市环境、能实现快速救援的小型水上救援机器人。文献[15]针对地下管道清理设计并制作一款用于城市中地下道的勘测和垃圾清理的机器人,能完成勘测和清理地下道的任务。文献[16]在机器人测试方面研究水下机器人的静水压力试验方法和测试标准并设计了一套应用于水下机器人静水压力测试试验平台。

  国内对水域救援用水下机器人的整体结构设计理论及新技术、整机动态性能控制新理论及技术、水下通信理论及技术、水下三维成像新原理及技术等方面的研究相对较少,对于利用合成孔径声呐、双目相机及多目相机开展救援目标物的探测、水环境有关参数及水中危险目标的检测类专用装置的有关理论和技术研究也相对较少。
       2.2有关行业的实战应用

  消防部门早期已经总结了消防水下救援队的装备配备等,已经提出将水下机器人纳入其中[17]。臻迪小海豚亮相CES并预测以后将用机器人进行水上救援[18]。国内多家公司研制的水下机器人在水下搜救打捞作业中能够快速准确地发现目标,为搜救打捞作业节约时间[19]。在昆山市公安局青阳派出所的每辆警车上配有1台水上救援机器人,救生范围可以达到1 500 m以上,响应速度大大提高[20]。随着技术的不断研发,水上救援机器人将得到全面升级,可通过“空海一体”系统给救援带来更多便利,挽救更多的生命[21]。

  国内在水下事故救援中使用水下机器人的实战经验还相对非常分散,没有形成统一的搜救理论和方法,主要受到价格等因素的影响尚未将此类设备大量应用于救援作业中。对各种水下救援类应用场景尚未全面整理分析并总结出对水下机器人参与救援作业的各种实战需求,包括相应的功能和性能参数等。

  2.3国家标准

  国内,国家标准《轻型有缆遥控水下机器人》(GB/T 36896—2018)颁布实施以来,对国内外有缆遥控水下机器人的整体产业和市场的发展和壮大起到了较大的规范约束、指导均衡发展等作用。

  国内在水下机器人方面极度缺乏大量国家标准的整体指导、支撑,缺乏以政府有关主管部门、行业牵头的场景适用性标准研发推广机制,有些疑问正在逐步快速凸显暴露,甚至越演越烈。由此,造成的局面是,不同厂家的优秀典型设计方案不能公开,也无法用以引导支撑生产厂家之间互相促进共同成长,现状基本属于各自依据自己的长期经验积累逐步缓慢改进,相互之间无法开放更加无法借鉴,大量典型适用场景的需求被少数厂商占领,无法让更多先进实用的技术快速进入该领域,造成资源浪费和局部拥堵甚至恶性竞争,对各种需求方造成巨大的困惑甚至巨大的资源浪费。其中最明显的是,关键部件及其选材、典型设计方案、典型应用场景的设计方法、基础理论、方法和常规技术等。

  该标准涉及非常宽泛的范围,无法满足不同水域的复杂实战应用场景的具体需求,如无法据此专门将水下救援用机器人的有关水下复杂环境下救援用的具体要求全面开展应用研究和制造满足类似场景真实需求的产品;未持续开发形成包括水域救援专用水下机器人等特种机器人系列国家标准;未能将可以测量获取更广范围内的更多信息的水浊度仪、多普勒计程仪、多波束声呐、侧扫声呐、合成孔径声呐、测量水面的气体环境成分检测装置及事故水域的本身含有物质毒性分析检测的装置等市场上已经大量成功使用的装置等都纳入进来;未能开发水下机器人灵活搭载载荷的指导性技术方法及典型设计方案等行业标准。总之,依此制作的水下机器人在诸多功能、性能方面对实际救援工作的指导意义不大,尤其是使用在流速变化很大、深度较大、水体混浊度很大、水下环境中分布的危险物体异常多且分布复杂等情况下,将会严重制约类似产品的实际应用。

  2.4主要生产厂家

  国内水下机器人的有关生产厂家中,从事过救援活动的水下机器人生产厂家主要包括博雅工道(北京)机器人科技有限公司、青岛罗博飞海洋技术有限公司等。此类公司参与水域搜救工作,主要接受事故发生当地的公安、海警、海事、水务、应急等部门的调遣。

  国内尚无成熟的专门针对水下救援用机器人开展深入、全面、完整研究、生产、应用的厂家。

  2.5救援案例及应用分析

  2018年10月3日,日照岚山区日照钢铁精品基地配套矿石码头工程发生沉箱倾斜,造成9人死亡。用水下机器人观察寻找发现2名人员。

  2017年9月6日下午,河北唐山潘家口水下长城探索项目中有两名潜水员失联。9月18日下午,用水下遥控机器人于水下60余米处发现2人的图像。

  2020年11月15日,广西南宁某潜水俱乐部1名女潜水员到广西桃花水母天窗潜水时失联,用水下机器人发现遗体的位置。

  2021年7月15日凌晨3:30左右,珠海市兴业快线(南段)项目石景山隧道施工段1.16 km位置发生透水事故,多人遇难,用水下机器人发现多具遗体的位置。

  其他突发事件的救援。近年来国内多起突发水域事件水下机器人都能参与并进行辅助救援作业,如重庆万州公交车坠江事件、长江河道和南海的部分沉船事件、四川广元沉船事故等。

  可见,前期诸多水域突发事件的救援工作已经逐步引入水下机器人设备协助开展作业,如侦测遇险人员的图像和确认位置等。但这些水深都在200 m以内,采用的水下机器人装备都是临时组建或者调运,没有专门用于救援作业的设备投入救援作业全过程,缺乏快速三位成像和精准定位系统等。

  目前,整体上尚未形成多种功能系统性集成、可搭载不同设备开展多参数(包括救援目标及其周边的图像、视频、水体参数等)测量、对远程采集到的多种信息可实时集中显示并能开展自动综合分析(如救援目标物的三维成像、关键数据的自动标识等)、研判的水域救助平台类综合性救援设备。

  3展望

  3.1水域救援作业风险

  类比以上的近年来的和以往开展的水下救援作业,可以明确,水域救援作业的风险与多种因素有关,简述如下。

  (1)水域本身。事故水域水面以下水体环境本身相对复杂,主要的危险有害因素是光线不足(光通量明显减小、人眼接收通道限制等)、水体本身参数变化无法精确测量和快速捕捉(水流速度和方向不稳定无法明确预测和感知)、水体各处温度、有毒物含量、浑浊度变化、突出物体等无法明快准确测量和确认,生物袭击和坍塌滑坡等突发事件不能准确预测、感知。同时,目前为止,国内尚未见文献对水体内以上危险有害因素危害的发生概率、危害后果及其影响区域等方面开展过专门的研究和实验,属于空白。但是可以预测,相对地面发生的同类型突发事件,人在水下的整体风险数值要大很多、后果影响更严重。

  (2)作业。作业人员无法准确快速测量获取水下有关信息并反馈给地面指挥人员和准备入水作业的人员,获取信息受限是最大的风险。人员潜水作业必须遵守相关的安全操作规程,作业人员的“三违”是最常见的风险,人员作业出现失误的概率比机器要大,在水下作业中发生“三违”后,整体风险非常大。

  (3)装备。水中作业的安全主要依靠装备技术水平的高低,呼吸器具及其辅助器具的质量是最主要的影响因素,也离不开日常对装备的维护维修和更换零部件等。风险主要来源于装备本身的质量、维护维修和更换零部件的质量、操作中对安全操作规程有关要求的遵守程度等。装备出现故障引起的风险相对都很大。

  (4)人员。入水作业人员作业时的身体和心理状态、所掌握的技能及其熟练程度、从业经验、处理作业中突发事件的能力、作业持续时间、与装备和他人之间相互的配合能力等是影响本身风险大小的主要因素。

  (5)作业方法。风险主要集中在采用的作业方法针对性不足难以适应具体救援目标和现场作业实际需求,制定作业方法所依据的信息不全面有缺漏不可靠等导致不能完全适应实际救援任务的具体需求,选用的作业方法本身存在较多实质性影响救援工作实施的缺陷等。也有部分是由于作业人员没有采取足够的防护措施。作业方法失效或者缺陷的风险相对较大,主要受发生概率的影响。

  (6)决策依据的信息。决策所依据信息的风险主要来源于对救援目标、周边环境及其变化情况不能准确、及时、快速、全面地传递给决策人员,信息采集存在较大误差,采集的内容不全面,采集和传递信息的时间延迟太大,信息不方便决策人员使用,对信息的后期处理所需的操作手段过于复杂且保密性不够,采用可靠性低、程序过于复杂、不便于救援中操作、针对性弱的决策方法。此类风险相对较大。

  3.2应用水下机器人的作用

  通过对以上的类比分析可以发现,水域救援中水下机器人的主要作用可分为:水中交通工具的作用、水下检测工具的作用、水下作业工具的作业。

  辅助救援作用如下。

  (1)对救援作业人员本身所起的作用:节省水下救援作业人员的精力;降低水下作业给救援人员带来的风险;提高水下作业的效率;协作以节省财力;创造岗位,提高社会文明程度。

  (2)对决策人员所起的作用:能尽早获取决策人员所需要的信息;能精准获知决策人员所需的内容;能全面获取需要的信息。决策需要的信息越全面越有利于决策人员制定救援方案。救援目标本身有关的信息、救援目标所在环境有关信息、救援目标和环境的实时变化信息、救援作业中各种风险的分布及其变化信息等都需要持续全面获取;在动态循环中持续不断辅助改进决策。

  (3)对整体高效协同优化各种装备使用方面所起的作用:降低不必要的设备使用消耗,节省整体开支;提高特定作业的精确度;促进水下机器人设备性能的持续改进。

  (4)对决策和施救的作用:提前快速、高效、获取实时、可靠、全面的信息用于决策;施救人员对水下作业环境中的各种危险有害因素需要准确获取和及时分析,并正确运用在具体施救作业中;提前获取的信息对施救措施的制定具有指导作用,参照制定的施救措施将更有针对性、更可靠,作业人员开展作业将更加安全,实际动态信息更加全面,能降低整体作业的危险。

  (5)其他作用:有些任务比较特殊,只能由机器人去完成,或者必须借助机器人去完成,可有效降低人员作业风险。如爆炸物、枪支、遗留的高危核物质、含有国家重要机密的载体(如笔记本电脑、硬盘存储介质等)、特殊犯罪证据等落入水中,沉积在水底淤泥中或者沙土石块上面,人员入水作业的风险无法明确可靠地排除或者人员作业会带来更大风险,机器人即可代替进入水域高效、快速代替人类完成此类特殊任务。

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  3.3国内水下机器人发展趋势

  文献[26]指出该类设备的实际应用情况并不乐观,当前的技术还无法完全满足复杂灾难现场救援任务的实际要求,其移动能力、感知能力、通信能力、续航能力以及特殊环境下特定要求等均制约了其应用。救援功能集成化、救援行为自主化、救援任务协同化、救援装备轻量化等4个救援机器人技术发展方向。文献[27]指出,以上这种技术发展趋势有利于统一现有救援机器人的功能,在危险环境下开展综合性的救援活动,提高救援水平,并形成良好的救援效果。在救援机器人的技术研发上,需要更加深入,以多种技术优势推动救援技术的科学发展,提高危险环境下救援机器人技术的科学性。文献[28]提出强化防护能力、提高通信能力、提升续航能力、强化导航能力、把握控制能力等5项发展建议。未来将会向着优质化、智能化以及稳定化的方向发展。

  文献[29]提出结构发展向通用/专用复杂需求的环境、结构、材料、驱动一体化设计;性能发展向高可靠性、低能耗以及较好的环境适应性;装备发展智能化向极端环境精准感知、多维信息自主决策、智能容错、多机动态协同;通信技术发展向设备的极速组网、复杂空间环境多元信息远距离高穿透性精准通信;救援装备发展向着操作便捷、人机友好等趋势,建立一套完整的性能评价体系、一系列标准体系。建议建立应急救援装备产学研用体系,关键时刻用得上。加强智能化应急救援装备的技术突破及产业化推广。实现应急救援装备的高质量发展。将先进的智能控制技术、多感知融合技术、无线通信技术等逐渐应用于救援装备,使应急救援装备具有智能的控制策略、精确的环境感知、突发情况下的自主学习与自适应等能力,为实现应急救援装备的高质量发展创造条件。文献[30]提出将向着先进的结构设计、可靠的运动性能、高智能化、快速精准的通信及良好的人机交互的方向发展。文献[31]指出水下机器人的配备使用将进一步增强,应用场景更加普及。水下机器人从目前使用较多的搜救复合型设备向作业专长型发展,将突出声呐的搜索范围、搜索精度、成像技术,也将成为救援队伍的主流配置。轻作业型设备将突出水下控制能力及作业臂多维度关节轴能力等。

  到目前为止,应急救援行业内,无论是对水下机器人在水下救援中所起作用的分析和论证、水下救援用机器人功能的设置及相应零部件的配备和选用,还是对水下机器人成型产品的功能认证、产品制造检测检验等有关的标准、大规模试用案例等方面,尚未对“水下救援用机器人”形成统一的定论和正式颁布相应标准、规程等。

  目前,水下应急救援有关水下机器人装备的发展仍然存在较大的盲区,如搜救深度已经达到甚至远远超过100 m而国内对此类水下救援作业的诸多特殊要求无法通过合适的方式全面约定,导致市场上的现有设备仍需继续结合使用特点进行专门改进。救援作业大多涉及特殊作业,类比类似装备的研制和推广使用形成规模发展的经验,只有通过制定国家标准等方式给出明确的约束和指导,才可较快集中起来在短时间内形成财力、人力、智力、物力、政策力量等优势,集中力量对难点问题形成突破,如对救援目标物及其周边的特定物体等进行快速三维成像等。

  从上述论述可以预测,采用水下机器人等更先进的科技装备辅助开展水域救援,必然将成为水域救援装备发展的新趋势,而且用其代替危险作业,模块化、智能化、功能集成化将可能会成为今后设计开发的主流越来越多地应用于水域救援有关作业。

  4结束语

  水下机器人开展侦测等有关作业获取的各种信息和执行的任务行为相比人员作业获取的信息和执行的任务行为等更加全面、更加准确、更加可靠、受控精确度更高,相比人员作业能降低作业的整体风险,提高整体作业的效率,明显减少整体作业开支,有效降低作业人员牺牲和受伤等突发情况,为决策人员和施救人员提供更高质量、更高可靠性、针对性强、“立竿见影”式的科技支撑,利用水下机器人开展水下救援是今后应急救援工作发展的必然方向之一,符合科技促进救援事业发展的自然规律。利用该设备可极大促进救援工作、提升救援能力和人员技能水平。

  今后研究的方向和难点重点包括:逐步实现水下救援用机器人搭载核心测量设备的全部国产化,并重点提高核心测量设备的精度;逐步降低设备的整体成本,规范引导有关作业市场的规范有序健康发展;根据各地区水域救援任务分布的实际特点,重点布局和建设覆盖全部陆地救援水域和海洋水域救援的水下机器人深度介入水域救援作业的综合性救援作业平台。对不同的水下作业开展实时信息监测,辅助大数据分析,并实时监测入水救援人员的运动状态、能量消耗以及即时状态的变化,据此进行自主决策与规划,精确执行反馈,深度规划应急救援整体作业。

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