狹義上，無人遙控潛水器（ROV）是一類具有水下主動浮游運動能力的、通過臍帶纜連接水下本體和水面監(jiān)控動力站的無人遙控平臺。用于深海水下工程的ROV絕大部分是作業(yè)型ROV （WROV），其臍帶纜的動力傳輸能力一般在10—250hp之間。WROV不僅具有水下航行和探測設(shè)備搭載能力，而且搭載機械手和工具接口模塊，具備水下操作和動力輸出能力。根據(jù)傳輸功率的不同，作業(yè)型ROV又可分為輕作業(yè)型ROV （10—50hp），中等作業(yè)型ROV（50—100hp）和重作業(yè)型ROV（100—250hp）。
深海作業(yè)ROV是水下無人作業(yè)技術(shù)的典型代表，通過探討其自身技術(shù)的進(jìn)展及其在深海水下工程中承擔(dān)角色的變化，可以了解深海水下作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。本文嘗試從宏觀上探討深海作業(yè)ROV的深海應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)。
1.1 作業(yè)ROV的本質(zhì)特點
纜控是作業(yè)型ROV系統(tǒng)的本質(zhì)特點。完整的作業(yè)型ROV系統(tǒng)（圖1）一般包括：ROV本體、水面監(jiān)控動力站、中繼設(shè)備和系纜、鎧裝臍帶纜、深海布放系統(tǒng)、配套設(shè)備。因此，作業(yè)型ROV系統(tǒng)不僅僅是水下本體，而是橫跨水面和水下的空間大系統(tǒng)，具有與海洋環(huán)境交互的復(fù)雜動力學(xué)。這是作業(yè)型ROV的重要特點之一。
圖1 海龍II深海作業(yè)ROV系統(tǒng)
臍帶纜提供了作業(yè)型ROV強大且不間斷的動力、以及水面系統(tǒng)與水下本體之間實時和高速的信息交互通道。這些特點賦予作業(yè)型ROV兩個重要的能力優(yōu)勢：強作業(yè)能力和人工現(xiàn)場實時干預(yù)能力，使得母船操作人員可以通過作業(yè)型ROV本體實時感知現(xiàn)場環(huán)境和參與現(xiàn)場作業(yè)。這是作業(yè)型ROV的另一個重要特點。
作業(yè)型ROV的本體一般搭載光學(xué)聲學(xué)探測設(shè)備、作業(yè)型機械手、綜合的探測作業(yè)工具包，現(xiàn)代信息技術(shù)賦予了作業(yè)型ROV不斷提高的環(huán)境感知、高級自動控制和自主決策能力。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代作業(yè)型ROV越來越發(fā)展成為具有強大信息收集和水下干預(yù)的水下工程綜合支持裝備。這是現(xiàn)代作業(yè)型ROV第三個重要的特點。
1.2 技術(shù)體系
深海ROV系統(tǒng)涉及復(fù)雜的技術(shù)體系，這些技術(shù)總體上可以分為總體技術(shù)、支撐技術(shù)和配套技術(shù)三類（圖2）。支撐技術(shù)包括深水結(jié)構(gòu)與材料、液壓動力與控制、電子電氣、強電動力、深水推進(jìn)等，是在部件和子系統(tǒng)層面，支持ROV系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)。配套技術(shù)是基于ROV平臺的面向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括水下探測、定位、特種作業(yè)、信息綜合管理和工程輔助決策等。總體技術(shù)則在ROV本體和全系統(tǒng)的層面，支持ROV系統(tǒng)的深水探測作業(yè)能力的實現(xiàn)。與自治潛水器（AUV）和載人潛水器不同，作業(yè)型ROV的總體技術(shù)與臍帶纜密切相關(guān)，深海布放、運動控制和動力傳輸管理是其中最關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。
1.3 應(yīng)用領(lǐng)域和地位
作業(yè)型ROV的本質(zhì)特點決定了其成為海洋水下工程的核心裝備，廣泛支持各類典型深海水下應(yīng)用，主要包括：
（1）海洋油氣勘探開發(fā)；
（2）深海礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)；
（3）深海調(diào)查研究和生物利用；
（4）深海打撈和應(yīng)急處置。
在這些應(yīng)用中，作業(yè)型ROV不僅表現(xiàn)出優(yōu)良的深海精細(xì)調(diào)查探測能力以及通用的深海復(fù)雜精細(xì)作業(yè)支持能力，而且隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，作業(yè)型ROV也越來越承擔(dān)起水下工程組織者的角色（圖2）。
圖2 作業(yè)型ROV的應(yīng)用和技術(shù)輪廓
2.1 深海精細(xì)調(diào)查探測
作業(yè)型ROV可以代替深海拖體和AUV完成海底精細(xì)調(diào)查和目標(biāo)搜索任務(wù)。與深拖相比，ROV調(diào)查尺度小，精度更高。與AUV相比，其優(yōu)點在于實時性好，調(diào)查信息可以實時上傳進(jìn)行處理。作業(yè)型ROV另一個重要的優(yōu)勢在于在進(jìn)行預(yù)定的調(diào)查搜索任務(wù)時，可以實現(xiàn)隨時的人工干預(yù)、開展預(yù)定任務(wù)以外的、和實施作業(yè)前難以預(yù)計的水下交互式任務(wù)，如目標(biāo)確認(rèn)、加密調(diào)查、取樣和取證作業(yè)等。
2.1.1 海底管線檢測
海底管線面臨復(fù)雜和多變的水下外部環(huán)境，包括海床地質(zhì)、水流沖刷、海水電化學(xué)環(huán)境等自然因素，以及錨害等人為因素。海管外檢測是海底管線維護的重要工作，一般包括常規(guī)檢測和精細(xì)檢測兩個階段［1］。
（1）常規(guī)檢測：管線外部狀態(tài)的快速評估。
（2）精細(xì)檢測：在常規(guī)檢測的基礎(chǔ)上，對可疑區(qū)域或預(yù)定義點進(jìn)行近距離的高分辨率成像檢測和特征參數(shù)測量，檢測的內(nèi)容主要包括：
a）外部狀態(tài)精細(xì)檢測：光學(xué)成像、聲學(xué)測量；
b）損傷腐蝕檢測：無損探傷和陰極保護（CP）檢測等。
海管檢測中使用的支持裝備如表1所示。常規(guī)檢測一般采用拖曳式設(shè)備（ROTV）或AUV，搭載高頻側(cè)掃聲納執(zhí)行，這種技術(shù)不支持精細(xì)檢測。由ROV搭載檢測設(shè)備進(jìn)行管線巡檢，其基本方式是ROV巡線航行，進(jìn)行常規(guī)檢測，在可疑點或預(yù)定義點懸停機動，采用靈活的方式實現(xiàn)精細(xì)檢測（圖3），因此，ROV巡檢可以同時執(zhí)行精細(xì)檢測和常規(guī)檢測，甚至可同時完成水下干預(yù)。目前，ROV管線巡檢已經(jīng)成為國際通行的海底管線檢測之必要環(huán)節(jié)，ROV管線巡檢技術(shù)則是海底管道安全保障所必需的核心技術(shù)之一。
表1 海管檢測的需求與一般方法
檢測環(huán)節(jié) 檢測內(nèi)容 基本平臺常規(guī)檢測 快速聲學(xué)評估（SSS） ROTV、WROV、AUV WROV，AUV精細(xì)檢測光學(xué)成像（光學(xué)系統(tǒng)）聲學(xué)測量（MBE）埋深測量（磁探，SBP）無損探傷CP測試 WROV
圖3 ROV CP檢測［2］
2.1.2 區(qū)域精細(xì)調(diào)查和成圖
在礦區(qū)勘探、水下救援等大量應(yīng)用中，區(qū)域精細(xì)調(diào)查和成圖是開展后續(xù)作業(yè)的基本準(zhǔn)備。以多金屬硫化物礦區(qū)調(diào)查為例，表2給出了鸚鵡螺公司在Solwara 1礦區(qū)開展調(diào)查的統(tǒng)計情況，從中可以看出ROV被大量使用，在深拖和AUV調(diào)查完成后，ROV精細(xì)調(diào)查和成圖成為礦區(qū)調(diào)查的主要任務(wù)。
ROV主要搭載聲學(xué)、光學(xué)、電磁設(shè)備，通過密集的梳形巡航，對選定礦區(qū)進(jìn)行精細(xì)地形地貌探測，并在此過程中同步開展地質(zhì)、生物、典型標(biāo)志物觀測、識別，甚至定點取樣。繪制的礦區(qū)圖［3］如圖4所示，包括了地形地質(zhì)、典型標(biāo)志物如熱液煙囪、火山巖、以及典型生物等，并與取樣結(jié)果相對比和匹配。在成圖過程中，需要水下和水面實時數(shù)據(jù)交換、測量和取樣作業(yè)的相互配合、以及地質(zhì)生物學(xué)家的現(xiàn)場參與，這是AUV和深拖都不具備的。
2.2 深海精細(xì)和復(fù)雜作業(yè)
作業(yè)型ROV是完成深海精細(xì)和復(fù)雜作業(yè)的基本手段，用于水下作業(yè)時主要有3種形式，即基于機械手和小型工具的直接作業(yè)、搭載專用工具裝備的特種作業(yè)、以及與大型作業(yè)裝備的協(xié)同作業(yè)。在這些作業(yè)中，作業(yè)型ROV通過3種方式提供作業(yè)支持，分別是水下裝備和工具的操作者、動力源、信號中繼。
2.2.1 深海熱液硫化物礦區(qū)勘查取樣
對于深海熱液硫化物礦區(qū)，勘查取樣主要包括表面取樣和鉆孔取樣，主要用于對選定的礦區(qū)進(jìn)行確認(rèn)和資源評價。勘查取樣要求具有較好的礦區(qū)覆蓋性、一定的取樣密度和精確的定點控制。傳統(tǒng)的海底硫化物礦區(qū)確認(rèn)過程主要采用3種勘查取樣方式：拖網(wǎng)取樣、ROV表面取樣和鉆機取樣。拖網(wǎng)取樣定位能力差，現(xiàn)在已經(jīng)很少應(yīng)用。鉆機取樣能力強，但是時間長，費用高，并且定位難度較高，因此大量用于礦區(qū)圈定后的資源詳查中。ROV勘查取樣由于其高效和高精度特點，已成為礦區(qū)確認(rèn)中使用最廣泛的取樣方式。
表2 鸚鵡螺公司Solwara 1礦區(qū)調(diào)查的統(tǒng)計情況［3］
Year Year and Vessel Geophysical Method Equipment Survey Extent （Within ML 154）* 2007 2007 MV Aquila Sidescan Sonar （Deep Tow） AMS60 22.9 sq km Multibeam Bathymetry （Vessel） Reson 8160 24.1 sq km 2007 2007 MV Wave Mercury Magnetics （Deep Tow） Seaspy Magnetometer 21.9 line km Multibeam Bathymetry（ROV） Imagenex 837-A Delta-T 0.32 sq km Electromagnitics（ROV） OFEM Mk1 37.7 line km Electromagnitics（ROV） OFEM Mk1 18.6 line km CHIRP Edgetech Chirp SBP 12.5 line km 2008 CHIRP Edgetech Chirp SBP 18.6 line km 2008 MV Sepura** Multibeam Bathymetry （Vessel） Reson 8160 54.0 sq km 2009 2009 MV Fugro Solstice 2008 MV Norsky Electromagnetics & Self Potencial（ROV） OFEM Mk2 155 line km Multibeam Bathymetry （Vessel） Reson 8160 40 sq km Multibeam Bathymetry（ROV） Imagenex 837-A Delta-T 0.17 sq km Electromagnetics & Self Potencial（ROV） OFEM Mk3 61.6 line km Magnetics （ROV） OFG Magenetometer 76.7 line km Sidescan Sonar （ROV） Edgetech 2200 34.0 line km
圖4 Solwara 1礦區(qū)測量成圖
鸚鵡螺礦業(yè)公司在2006年、2007年對Solwora 1硫化物礦區(qū)開展了大規(guī)模的勘查活動，使用的是Perry公司的Triton200 ROV，該ROV屬于200hp的重作業(yè)型ROV。ROV表面取樣目前最主要的方式是機械手取樣，采用機械手（圖5a）和必要的工具（圖5b），大量地精確定點采集礦區(qū)的硫化物、巖石和沉積物樣品［3］。
基于ROV的深海鉆孔取樣設(shè)備也獲得有效的應(yīng)用。圖5c［3，4］為基于ROV的海底鉆機，具有靈活性高、定位精確的特點，已經(jīng)在硫化物礦區(qū)勘查中獲得成功應(yīng)用。
2.2.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接（Tie-in）
海底復(fù)雜精細(xì)作業(yè)一般需要通過ROV和無人遙控作業(yè)工具（ROT，Remotely Operated Tools）組成的裝備體系協(xié)同作業(yè)。前者是水下作業(yè)的平臺和操作者，后者是水下作業(yè)的專用工具裝備。
水下回接是水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝的典型工序，其目的是實現(xiàn)流線和臍帶纜與水下管匯的連接。深水回接需要使用作業(yè)型ROV配合專用作業(yè)裝置共同實現(xiàn)。圖6中示出的是FMC公司開發(fā)的ROVCON工具系統(tǒng)［5］，搭載在作業(yè)型ROV下方，使用2個水下絞車和一組油缸機構(gòu)，通過一系列操作，實現(xiàn)各類預(yù)鋪設(shè)流線的回接和與管匯的連接。
圖5 （a）機械手取樣；（b）機械手抓持鏟形工具取樣；（c）ROV Drill
圖6 ROVCON工具系統(tǒng)水下回接
2.2.3 海底管線的維修搶修
深水管線維修搶修作業(yè)是另一類海底復(fù)雜精細(xì)作業(yè)的典型代表。圖7是深水管線維修搶修中快速打卡作業(yè)［6］的示意圖。專用維修工具攜帶維修卡具吊放至海管上方，在作業(yè)型ROV的輔助下實現(xiàn)對管和抱管。此后，ROV通過機械手將其液壓接頭和電氣連接器與專用維修工具的控制面板連接，向?qū)Ｓ镁S修工具提供動力源、信息傳輸通道，操作專用維修工具安裝管線維修卡具。
顯然，這種作業(yè)需要雙纜布放，維修工具和ROV協(xié)同作業(yè)。對于更復(fù)雜的深水管線維修搶修則可能需要多ROV和多種工具協(xié)同作業(yè)。
圖7 快速打卡維修搶修作業(yè)
3.1 深海布放技術(shù)
如前所述，深海ROV系統(tǒng)是橫跨水面和水下的復(fù)雜的大系統(tǒng)，具有與海洋環(huán)境交互的復(fù)雜動力學(xué)。深海布放不僅關(guān)系到ROV水下作業(yè)的安全性，而且直接影響其水下作業(yè)的性能。
根據(jù)具體的應(yīng)用需求，作業(yè)型ROV通常具有3種典型的深海布放形式（圖8）。
圖8 海龍II布放形式：（a）中繼布放；（b）直接布放；（c）直接布放時加裝浮球
（1）直接布放
ROV本體直接連接鎧裝臍帶纜布放至深海作業(yè)深度。由于鎧裝臍帶纜具有較大的水中重量，為了保證ROV具有一定的水下航行能力，必須在臍帶纜根部加裝浮力球。這種布放方式的優(yōu)點是系統(tǒng)環(huán)節(jié)少，不需要水下對接，在海況惡劣時系統(tǒng)具有較高的安全性，缺點是臍帶纜對ROV的水中航行的靈活性和穩(wěn)定性造成一定的影響，并且ROV圍繞母船的活動半徑較小。因此，這種布放模式主要用于深遠(yuǎn)海科學(xué)研究、資源勘查和水下救援等領(lǐng)域。
（2）中繼器布放
中繼器上安裝有系纜絞車和ROV對接裝置，通過鎧裝臍帶纜連接母船，ROV則通過輕質(zhì)系纜連接中繼器。由于系纜是輕質(zhì)復(fù)合纜，ROV運動受系纜影響小，操縱靈活，并具有較大的活動半徑。目前，商業(yè)級作業(yè)ROV的系纜長度可以超過500米，因此可以有效支持管線鋪設(shè)、鉆井支持等需要大的ROV活動半徑的應(yīng)用領(lǐng)域。
（3）中繼重塊布放
這種布放方式是前兩種方式的折中，中繼重塊通過鎧裝臍帶纜連接母船，ROV則通過輕質(zhì)系纜連接中繼重塊。由于中繼重塊上沒有絞車，ROV的活動半徑較小，但靈活性得以保證。
中繼器布放的缺點是存在ROV和中繼器水下對接和分離的過程，在海況惡劣時，水面升沉?xí)绊憣影踩浴榱颂岣咦鳂I(yè)安全性，在深海中繼布放方案中，一般需要應(yīng)用升沉補償技術(shù)。典型的主動升沉補償采用高速大功率絞車，通過反饋母船升沉穩(wěn)定中繼器垂向，其控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。主動升沉補償技術(shù)使得中繼器布放模式越來越多地應(yīng)用于深海勘探和救援領(lǐng)域。
圖9 海龍II主動升沉補償控制原理
3.2 運動控制
早期的ROV通常只有自動定向定深等簡單的自動控制功能。在深水應(yīng)用中，臍帶纜的干擾是ROV本體實現(xiàn)水下航行的主要干擾力，海流的干擾又會被臍帶纜進(jìn)一步放大，嚴(yán)重影響水下操縱效果。對于精細(xì)調(diào)查任務(wù)或是精細(xì)作業(yè)任務(wù)而言，深水ROV的精細(xì)控位和循線能力都是必要的。海龍II ROV是較早配置ROV控位系統(tǒng)的ROV（圖10），通過對臍帶纜干擾力以及海流干擾力的估計和預(yù)測，補償水下推力分配，可以實現(xiàn)較好的循線效果。目前ROV自動循線控制系統(tǒng)已成為國際高端ROV的標(biāo)準(zhǔn)配置。
圖10 海龍II ROV精細(xì)循線控制策略
3.3 動力傳輸與管理
對于深海作業(yè)型ROV，臍帶纜所能傳輸?shù)膭恿κ怯绊慠OV性能的主要瓶頸因素，如何高效使用和分配動力是深海ROV特有的問題。
（1）電動vs液壓
從動力的使用形式上，目前深海作業(yè)型ROV主要有電動和液壓兩類方式。液壓ROV首先將來自臍帶纜的強電動力轉(zhuǎn)換為液壓動力，再分別驅(qū)動推進(jìn)和作業(yè)系統(tǒng)。電動型ROV則直接采用強電動力實現(xiàn)推進(jìn)驅(qū)動，另配專用的作業(yè)液壓泵站驅(qū)動作業(yè)工具。
一般地，增加電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)會使動力使用效率損失近20％，而直接采用強電動力實現(xiàn)推進(jìn)驅(qū)動可以提高動力使用效率，這是電動ROV的重要優(yōu)勢。但另一方面，電動ROV的推進(jìn)和作業(yè)采用不同的動力形式，使其在推進(jìn)和作業(yè)兩套系統(tǒng)中難以根據(jù)需求實時分配動力，因此電動ROV更適合在輕作業(yè)級ROV中使用，而中等作業(yè)和重作業(yè)級ROV目前仍普遍使用液壓動力。
（2）推進(jìn)vs作業(yè)
對于中等作業(yè)和重作業(yè)級ROV，其動力的主體并不是用于抗流，而是用于產(chǎn)生足夠的牽引力和用于作業(yè)工具驅(qū)動。根據(jù)作業(yè)需求不同，動力在推進(jìn)和作業(yè)系統(tǒng)中的分配比例可大范圍調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的作業(yè)型ROV有三種液壓動力配置，分別是單機單泵、雙機雙泵和單機雙泵。單機單泵系統(tǒng)采用一臺電機帶動主泵站，同時提供推進(jìn)和作業(yè)動力，其缺點是對于重載作業(yè)而言，由于推進(jìn)系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)的液壓油潔凈度要求不同，需要串聯(lián)隔離泵站，造成作業(yè)動力的效率損失。雙機雙泵系統(tǒng)采用完全獨立的推進(jìn)泵站和作業(yè)泵站，較好地解決了串聯(lián)隔離泵站的問題，但雙電機構(gòu)形使系統(tǒng)重量增大。單機雙泵構(gòu)形是一種效率最高的動力構(gòu)形，由雙出軸電機同時驅(qū)動推進(jìn)泵和作業(yè)泵。一般地，電機功率與臍帶纜動力傳輸能力相匹配，推進(jìn)泵和作業(yè)泵的單臺功率都可接近電機輸出功率，通過對推進(jìn)泵和作業(yè)泵輸出功率的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對臍帶纜傳來的強電動力的合理分配。
（3）動力傳輸
臍帶纜發(fā)熱和壓降是制約強電動力輸送能力的主要因素。提高電壓可以有效提高動力輸送能力。對于4000米以淺的作業(yè)型ROV，目前廣泛采用3300V送電電壓，而對于更大深度的作業(yè)型ROV，一般必須采用4000V送電。
現(xiàn)代水下工程越來越體現(xiàn)出多工序、多裝備系統(tǒng)作業(yè)的特點，作業(yè)型ROV由于其固有的技術(shù)特點，也將越來越多地承擔(dān)起水下作業(yè)綜合指揮和協(xié)同的角色，其主要的作用為：
（1）作業(yè)現(xiàn)場信息的綜合采集；
（2）信息實時處理和輔助決策；
（3）水下作業(yè)探測裝備的輔助操作；
（4）多工序的輔助連接。
2002年，攜帶77000噸燃油的威望號油輪在西班牙西北方海區(qū)沉沒，遇難區(qū)域水深4000米。在威望號油輪的應(yīng)急搶險工程（圖11）中，最多時同時使用了4臺作業(yè)型ROV［7，8］，負(fù)責(zé)工程中各工序的銜接、裝備的輔助。主要的任務(wù)包括：沉船調(diào)查、泄漏封堵、油位測量、間隙測量、熱開孔、閥門安裝與操作、布放監(jiān)測、作業(yè)監(jiān)測。所有的信息被統(tǒng)一存儲和處理，并通過多ROV實現(xiàn)各工序的綜合管理。該工程獲得了2004年P(guān)latts Global Energy Award著名能源工程獎，集中體現(xiàn)了作業(yè)型ROV在深海水下工程中的核心作用。
圖11 威望號燃油回收工程
在深海水下工程中，作業(yè)型ROV承擔(dān)著多種角色。它不僅僅是精細(xì)作業(yè)平臺、精細(xì)調(diào)查平臺，更是大型水下工程綜合協(xié)調(diào)指揮平臺的一部分。隨著水下作業(yè)越來越復(fù)雜，使用的水下裝備越來越多，作業(yè)型ROV也越來越多地承擔(dān)起現(xiàn)場協(xié)調(diào)指揮者的角色，其主要職責(zé)包括現(xiàn)場信息獲取、水下裝備操控以及將復(fù)雜的裝備體系和作業(yè)工序有效地銜接。
隨著作業(yè)型ROV系統(tǒng)的總體技術(shù)和支撐技術(shù)日趨成熟，作業(yè)型ROV未來的技術(shù)發(fā)展重點也將向信息技術(shù)和特種作業(yè)裝置的協(xié)同技術(shù)轉(zhuǎn)移，以適應(yīng)其自身角色的轉(zhuǎn)變。