羅高生（右）在進行機器人作業前準備。資料圖片
茆忠俊（前）在遙控機器人作業。資料圖片
在海洋領域，“深海一號”深水油氣平臺、“海油觀瀾號”漂浮式風電平臺以及“國信1號”漁業大型養殖工船等一系列標志性裝備的建造完成和投入使用，標志著我國海洋工程裝備設計、開發和建造水平實現了走進深水的重大跨越。黨的十八大以來，我國海洋科研水平穩步提升。今年的政府工作報告提出，大力發展海洋經濟，建設海洋強國。
進入新時代，如何提升我國深水工程結構物水下運維技術和裝備水平，成為擺在涉海人才面前的新挑戰。2017年起，由上海海洋大學工程學院研究員姜哲領銜的水下智能運維機器人團隊，瞄準目前潛水作業“高風險”和“低效率”以及大型作業級水下機器人“高成本”等痛點，開展無人化特種智能水下運維關鍵技術攻關與裝備開發，解決了海洋工程的系列技術難題。
以國家需求為己任
海洋石油163平臺和165平臺是我國自主設計建造的首座海上可移動自升式井口平臺，因其具有可升降、可移動、可重復利用等特點，被業內形象地稱為“小蜜蜂”。
如何為忙碌的“小蜜蜂”做檢測？要知道，平臺甲板距離海面18米以上，南海冬季季風風力等級都在7級以上，4級至5級浪是日常，每次機器人下放都是一次全新挑戰。為此，團隊經過現場多次演練、水面安全監控布置等措施，完成了對平臺各樁腿從水面至入泥處的全面無損檢測，獲得了高清的樁腿結構和表面附著海生物畫面，圓滿完成作業任務。
姜哲告訴記者，船舶、海洋平臺等海洋工程結構物在海上作業長達二三十年，不僅面臨臺風、內波、海冰等極端環境的考驗，且長期處于鹽霧、潮氣和海水等環境中，鋼結構會遭受損傷甚至破壞，需要定期進行海生物清洗、結構檢測、維修等運維作業。
“長久以來，海洋工程結構物水下設施的運維主要靠潛水員作業，潛水作業安全風險高，工程事故時有發生。采用機器人代替人力開展復雜性的水下運維作業，是國內外海洋工程與水下機器人領域始終努力的方向。但國內在海洋水下智能運維裝備技術領域，特別是中輕量級智能運維作業水下機器人領域的研究與實踐尚十分有限。”姜哲說。
“堅持以科技創新引領海洋強國建設，以國家海洋強國建設需求為己任！”為此，團隊依托上海深淵科學工程技術研究中心，發揮長期從事深海載人/無人潛水器關鍵技術研發和裝備研發優勢，將深海潛水器所涉及的水下耐壓結構設計與可靠性評估技術、水下密封技術、無動力上浮下潛技術、復合型潛水器水下控制技術等，結合海洋油氣平臺、海上風電平臺、船舶等不同場景應用特點，開展“標準化平臺+定制化工具”開發，成為國內少數在多種類型船舶與海洋平臺上具有機器人實測和應用經驗的團隊。
向智能技術要效率
水下結構物的運維作業，例如，海生物清洗作業，在進行高壓水噴沖時，會產生巨大的反作用力，因此，傳統上需要采用重型作業級水下機器人作業。但此類機器人體積較大，操作靈活度低，進入復雜空間的安全風險高，且設備成本昂貴。
為此，上海海洋大學水下智能運維機器人團隊聯合中海油能源發展裝備技術有限公司、中集海洋工程有限公司、中國船舶集團有限公司第七一〇研究所、中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所等企事業單位，開展海洋工程結構物水下智能運維機器人研發。
“我們提出了一種浮游與爬壁相結合的雙作業模式機器人，以螺旋槳浮游驅動保持機器人靈活性，通過磁吸附提供作業時的穩定性。該款機器人突破了自適應外圓管磁性吸附底盤、抗磁干擾電子元件等關鍵技術，解決了機器人在復雜海洋鋼結構物間的吸附爬行運動以及浮游與爬壁雙作業模態并存控制問題，相比常規作業級水下機器人，設備成本降低了50%以上。”團隊成員、上海海洋大學工程學院教師羅高生介紹，歷經逾500次實驗室試驗、四代樣機迭代和兩輪中試試驗，這一雙作業模式機器人已形成3個系列工程產品。
2021年11月，團隊與合作單位在渤海綏中36-1導管架平臺首次應用磁吸附式水下機器人，進行導管架鋼結構表面海生物清洗作業。機器人利用高壓水裝置通過吸附爬行方式，對導管架平臺主樁腿進行海生物清洗。由于機器人設備重量不到50公斤，兩名操作人員就可以完成設備布放與回收，省去了動用作業支持船舶的大量費用，既保障了人員安全，又實現了降本增效。
經過一年的技術優化和設備改造升級，2022年10月，團隊與合作單位研發的水下設施巡檢裝置成功應用在渤海西部海域NB35-2CEP至世紀號海底管纜治理作業中，邁出了水下管纜隱患治理輔助作業裝置從理論研究到生產應用的“關鍵一步”，實現了從常規潛水作業向智能無人化輔助作業的根本性轉變。
短暫休整后，2022年12月、2023年4月和9月，團隊又到北部灣海域，針對海洋石油163平臺和165平臺開展完成了自升式平臺樁腿以及膨脹彎等水下重要設施的探查作業。團隊成員、上海海洋大學工程師茆忠俊信心滿滿：“我們將繼續圍繞機器人操作便捷性、工藝流程科學性、作業配套機具可靠性等方面下功夫，進一步提升海上作業效率。”
在海上實踐育新人
水下工程裝備開發的前提是對基礎科學與技術問題的攻關和突破，需要眾多涉海人才團結奮斗、堅持創新。對此，姜哲表示，“精、特、優、強”是上海海洋大學水下智能運維機器人團隊始終秉持的宗旨，而將前沿科學和工程技術與教書育人相結合，培養出一批高水平涉海人才，則是團隊的初心使命。
為此，團隊先后開設《走進深淵》《機器人前沿技術》《無人水面航行器技術概論》等海洋特色課程，吸引更多團隊成員關注深藍，創新筑夢。結合科研工作實踐，團隊主動設計與教學內容相關的工程案例，如在《自動控制原理》課程中設計與水下機器人技術相關的課程案例。“我們希望通過案例式教學來強調理論與實踐結合，培養學生對知識的實際運用能力、創新和工程思維，從而提高學生解決復雜問題的能力。”團隊成員、上海海洋大學工程學院教授周悅介紹。
同時，利用海試航次機會，團隊始終堅持在海上實踐中育人，增強團隊成員的海洋工程意識和海洋權益意識。2015年起，團隊陸續組織實施了七次大洋科考航次以及十余次近海測試。從祖國西沙、中沙，到西北太平洋馬里亞納海溝、西南太平洋新不列顛海溝，都活躍著團隊成員奮斗的身影。
團隊成員、上海海洋大學2022級研究生羅傳坤、高世民，入校后就參與了海底管道巡檢機器人與船舶鋼結構清洗機器人研發工作。2022年9月，羅傳坤在參與渤海海底管道機器人巡檢試驗中，努力克服對海上工作條件的不適，承擔起機械工程師工作，圓滿完成任務。2023年4月，新的海上試驗任務到來時，高世民第一個報名參加，通過出海體檢后，作為電氣工程師和團隊一起完成了海試任務。結合海上試驗的實測數據，兩位學生撰寫了高水平的科技論文，并向國際期刊投稿。經歷幾次海試的磨煉，他們感慨：“在項目和實踐中學習，是應用知識最快的方法！”
姜哲表示，團隊已建立了一支由老師、工程師、實驗員和研究生組成的技術攻關隊伍，目前，團隊中40歲以下的青年人員占比在80%以上，“青年人的活力容易碰撞出新的思維火花，‘水下全景攝像’‘水下人形機器人’等種種新奇的想法，也一次次打破了我們這些‘老隊員’的固有思維，成為團隊科研和教學的‘助推器’。今后，我們也將繼續保持旺盛的創新力，向著深藍一步步挺進”。（記者 顏維琦）