像衛星探索宇宙空間一樣，水下機器人是人類的眼睛和手臂在海底的延伸。下面我們將帶你認識深水油氣開發的利器——水下機器人。
海洋是生命的搖籃、資源的寶庫、交通的要道甚至是兵戎相見的戰場，人類從未停止過對海洋的探索。但海洋環境複雜多變、海底壓力巨大，千百年來深海對於人類來說依然是神秘的。
△火星探測車“好奇號”
摩爾定律在科技領域是適用的，近年來水下機器人技術的快速發展，這使人類可以將視野深入海底、並實現測量資料、精細操作……
△1966年1月，全球第一個遙控水下機器人CURV1在西班牙海域856米水深處打撈起一顆失落的氫彈
△2014年8月，遙控水下機器人Victor 6000傳回了位於3820米海底的泰坦尼克號殘骸清晰照片
一、標準定義
△Magna水下機器人能夠檢測海底管道
像衛星探索宇宙空間一樣，水下機器人是人類的眼睛和手臂在海底的延伸。本期石油課堂將帶你認識深水油氣開發的利器——水下機器人。
一、標準定義
水下機器人是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統、透過遙控/自主操作方式、使用機械手完成水下任務的裝置。
△小型觀測水下機器人
△帶有機械手的水下作業機器人
△像魚雷一樣無纜自航的水下機器人
△像螃蟹一樣在海底行走的Crabster CR200水下機器人
△像坦克一樣有履帶的水下機器人
△普京大帝乘坐水下機器人
二、水下機器人的分類
目前全球有270多種、1000多臺水下機器人，按照使用方式可以分為載人潛水器HOV、自治水下機器人AUV、和有纜遙控機器人ROV三類。
△多種水下機器人協同作業
1.載人潛水器HUV載人潛水器相當於小型潛水艇，可運載工作人員進入深海，操作機械手開展各種複雜的水下考察、打撈、取樣等活動。
△“蛟龍”號最大下潛深度達7062米，它承受的水壓相當於一個小手指頭的面積上施加700公斤的壓力
除“蛟龍”號外，目前全球擁有6000米以上深潛能力的HUV還有：
△美國的“Alvin”號：1964年建成，至今仍在服役
△法國的“鸚鵡螺”號（Nautile）：最大下潛深度6000米
△俄羅斯的“和平一號”和“和平二號”
△日本的“深海 6500”號：最大下潛深度6527米
△詹姆斯·卡梅隆乘坐深海“挑戰者號”抵達11000米深處的馬裡亞納海溝
但載人潛水器體積龐大、造價高昂、危險係數較高，運動不靈活，在實際中較少使用，多數載人潛水器應用於科學研究。
2.自治水下機器人AUVAUV沒有纜繩，自身攜帶動力，依靠內建的控制系統來自我控制，可以靈活自主地完成一系列水下作業任務。
△為了降低水下潛航阻力，採用仿生流線封閉框架的結構
△搜尋不同目標的AUV
△可以自動繞開障礙物
AUV具有活動範圍廣、潛水深度大、可穿梭進入複雜結構、無需水面支援等優點，代表了水下機器人技術的發展方向。但目前的續航和負載能力有限，AUV只能完成一些短程和輕載的工作，如攝像、拍照、搜尋、測量等。
△用來尋找馬航MH370黑匣子的Remus-6000型AUV
△AUV作業流程
目前AUV水下大資料資訊的傳輸仍無法以無纜的形式徹底解決，有人問火星上的“好奇號”探測器都實現了無限傳輸訊號呀！這是因為海水會嚴重阻隔訊號，深海大資料無線傳輸的難度遠遠大於太空。因此，有纜遙控機器人（ROV）是目前應用最為廣泛的水下機器人。3.有纜遙控機器人ROV操作人員在船上遠端控制ROV進行水下觀察、檢查、施工等作業。
△透過臍帶纜傳遞動力、實時傳輸資料
△臍帶纜為動力和資料的傳輸提供了便捷，但也一定程度上限制了ROV的活動範圍，同時臍帶纜的斷裂也有會造成機器人的丟失
△臍帶纜就像一條長長的尾巴最早ROV是用於打撈武器、清除水雷等任務，但隨著海洋經濟的興起，目前90%以上的ROV直接或間接服務於海洋石油工業。
隨著海洋石油開發逐漸向深水邁進，水下設施的安裝、海底管道的鋪設、海底裝置的檢修等作業，蛙人已經無法承擔。因此，擁有超強水下作業能力的ROV成為不貳的選擇。
一、鑽完井環節
ROV幫助尋找裸眼井口、安裝防噴器，更換防噴器墊圈、進行水下檢查等作業。
△安裝井口頭
△下放採油樹
△開啟防塵蓋
△剪斷鋼絲繩，開啟保護腿
△解鎖回收LTRT工具
二、導管架安裝環節
ROV可以進行地貌調查、輔助導管架就位、引導插樁、支援灌漿作業、完成水下切割、水下焊接等作業。導管架安裝過程詳見石油課堂001期文章：人類偉大工程 深海油氣開發。
△導管架就位、ROV入水引導插樁
△ROV輔助打樁作業
△檢查導管架
三、海底管道鋪設
ROV可以攜帶水下測量裝置調查海管鋪設的位置、測量膨脹彎、掩埋海管、對接海管、後期海管檢修等作業。海管鋪設具體過程參見石油課堂008期文章：“能源管道”大解密——海底油氣管道是怎樣建成的？
△管線運移
△海管掩埋
△檢查海管
△榮獲2015年OTC大獎的海底管道檢測裝置ROV出盡風頭，但實際上它背後還有一套完整的系統支撐著它。下面石油課堂帶你去認識一下ROV的作業系統。
總體來說，ROV可分為水面控制系統、臍帶電纜和水下系統三部分。
△遙控水下機器人結構示意圖
一、水面控制系統
ROV的水面控制系統位於船上，工作人員透過大螢幕可以看到ROV所處環境，操作機械手進行相應的作業。
△ROV控制室為了將水下機器人安全、迅速地下放和回收，在船體上還需要有吊放系統，主要是由A型吊和絞車組成。
△吊放系統
二、臍帶纜
透過臍帶纜，水面控制檯不但能將動力、控制訊號傳遞給ROV，也可以接收返回的影象資訊，所以說臍帶纜是水下通訊的橋樑。但由於海況、海底結構複雜，如果臍帶纜發生損壞、斷裂就會造成水下機器人的丟失，所以臍帶纜要選用強度大、防水、抗壓、絕緣的材質。
淺水區域，幾百米的臍帶纜可以直接由船體下放。
但深水區長距離臍帶纜下放，會增加水下ROV運動和作業的阻力。這時可以儲存、收放臍帶纜的水下裝置——中繼器（Tethe Management System, TMS）出現了。
中繼器
當ROV開始下潛準備作業時，中繼器可以和ROV一起吊放至作業深度，之後中繼器放出ROV，開始作業。藉助中繼器的重力下潛，既節省了能量，也提升了下潛的速度。
△頂置式中繼器
△車庫式中繼器
三、ROV水下系統
ROV本體包括密封且耐壓殼體、動力系統、觀測和照明系統以及感測器、通訊、控制系統。
△ROV各個系統
1.密封、耐壓殼體ROV工作在惡劣的海洋環境中，海水不僅會對電子系統造成腐蝕，而且深水水壓極大。而密封、耐壓殼體可以保證ROV穩定、持久的工作。
△流線型的殼體
△開架式殼體
2.動力系統水下推進器就是ROV的發動機。ROV可以在水下前進後退、上浮下潛、橫移、縱搖、橫搖、水平旋轉，實現6個維度的運動。
△推進器
3.觀測和照明系統水下機器人同時擁有拍照和攝影裝置，當海底光線不足時還可以開啟特製的照明燈。
△攝像系統的費用會隨著水深的增加而增加
4.水下作業功能機械手：ROV左手功能往往簡單，但力量較大，主要用於抓住物體；右手靈活、作業精度高，一般有5~7個“關節”。
△蛟龍號機械臂
附帶外接工具：為了實現更多功能，ROV的機械手還可以攜帶許多外接工具，例如剪下器、水下清洗刷、砂輪鋸、衝擊搬手、破碎錘等等。
5. 感測器、通訊、控制系統感測器系統包括深度感測器、電子羅盤和溫度感測器等；通訊系統是ROV與水面控制檯進行資訊互動的橋樑；控制系統是ROV的核心部分，由各項複雜精密的儀器構成。
△複雜精細的內部結構
這裡我們重點學習水下機器人中應用最為廣泛的ROV。
一、ROV的發展
20世紀50年代，幾位美國學者為了探索海底世界的奧秘而把密封的攝像機送到了海底。十年之後，世界上第一臺ROV在美國問世。
△CURV-1-3水下ROV1974年後，油價上漲刺激了近海石油工業的發展，同時也帶動了ROV產業。1975年，世界上第一臺商業化ROV“RCV-125”問世。它首先被應用於北海油田和墨西哥灣。
△RCV-150：由RCV-125改造而成直到1981年，ROV增加到400餘臺。1980年末，其數量猛增到800多臺。最著名的是日本的KAIKO“海溝”號，它創造了當時的潛水記錄——10911.4米。
△於2003年一次下潛工作中因電纜斷裂而丟失如今ROV產業蓬勃發展，全球超過400家廠商可以提供ROV的整機、零部件和作業服務。目前全世界大約有1102臺工作級ROV。
△全球ROV市場份額分配圖（資料來源：Infield Systems第三方調查機構釋出）
美國Oceaneering
全球最大的ROV製造企業、作業公司，擁有300多臺ROV，佔據了世界鑽井支援業務的30%。預計到2017年，公司將會陸續增加90-95臺ROV。
英國Saab Seaeye
英國Saab Seaeye是Saab水下潛航公司的全資子公司。Seaeye生產的ROV重量從幾百千克到上噸重，大部分同時具有觀測和作業的功能，佔據了全球中小型ROV市場份額的57%。
加拿大Seamor
加拿大Seamor Marine公司偏重於開發、製造和銷售觀察級ROV。
荷蘭Fugro
中海油田服務公司（COSL）與FUGRO組建的合營公司——中海油輝固，擁有有兩臺Sealion（MK1和MK2）、兩臺Seal ROV。
二、中國ROV的發展情況
中國從七十年代末開始研究ROV，1985年12月，我國第一臺水下機器人“海人一號”樣機首航成功。
△海人一號：潛深200米，能夠在水下連續地進行切割、焊接、觀察、取樣作業
△1994年我國第一艘無纜水下機器人“探索者”號，下潛深度達到1000米
△1995年，我國第一臺6000米級的AUV“CR-01”研製成功
近二十年來，我國的水下機器人研究有了飛速發展，能夠製造大中小型各種ROVs。“海龍號”深海機器人是目前我國下潛深度最大、功能最強的ROV。
△“海龍號”深海機器人
在不久前“大洋一號”的深海熱液科考任務中，“海龍號”首次觀察到了太平洋底罕見的巨大“黑煙囪”，並用機械手獲取了熱液樣品，還蒐集了附近的微生物樣本。
△抓取樣品
2014年由中科院瀋陽自動化所研製的“北極ARV”水下機器人完成了海冰厚度、冰底形態、海洋環境等引數的測量工作。
△北極ARV
過去40年間海洋油氣勘探開發事業的飛速發展帶動了水下機器人產業，但2014年底開始蔓延的石油“寒冬”直到2015年底不僅沒有褪去的跡象、反而愈加嚴酷——低油價將是新常態！這就意味著以高技術為依託的深海油氣開發將受到巨大沖擊，因為高技術往往需要高投入來承載。
水下機器人產業90%的市場來自於海洋油氣產業，在低迷的氛圍中水下機器人事業如何保持強勢發展？這是所有人需要思考的話題。民族工業是國家的脊背，我國水下機器人事業用30年的時間走過了發達國家50年才邁過的路，付出了巨大的努力才換來今天的成就。
面對當下的產業和市場變革，站長認為一方面我國的水下機器人廠商應該努力控制成本，與海洋石油企業“抱團取暖”，另一方面應該探索海洋經濟開發中的新價值、培育新的利潤增長點，謀求新發展！祝民族工業迎難而上，百折不回！有志者事竟成，破釜沉舟，百二秦關終屬楚；苦心人天不負，臥薪嚐膽，三千越甲可吞吳！
人天不負，臥薪嚐膽，三千越甲可吞吳！
