智能機器人「下海」，水下檢修不再難

　　7月的黃海之濱，水面波濤萬頃，一排排百米高的白色風機迎風搖曳。水下暗流涌動，碩大的風機樁直插海底，一個黃色的方形機器人正吸附在風機樁上，完成它的又一次水下巡檢作業。
　　記者7月初從南通大學獲悉，一款集目標識別、表面清理、無損探傷和濕法焊接多功能於一體的智能水下檢修機器人，在該校電氣工程學院研發成功，為海工企業未來的檢修工作提供了新的方向。
　　月薪20萬的工作無人問津
　　茫茫無際的大海上，每天都有許多的船隻穿梭航行。水面以上，這些船隻乘風破浪，威風凜凜；而水面以下，各種隱患暗處潛伏：船體焊接裂縫、海水侵蝕受損……這些細小問題往往意味著後患無窮。
　　出現了這些問題怎麼辦？最直接的方式，就是把船拉進船塢進行維修。但對於船隻在航行過程中遇到的急需修復的問題，這種方法顯然是不適合的。因此，人們想到在水下修復船隻。1802年，一位名叫漢弗萊的學者發現電弧能在水下連續燃燒，這為水下焊接創造了可能。
　　經過多年發展，水下焊接形成幹法、濕法和局部幹法三種主要方式。其中，濕法焊接是三者中應用最多的技術，但其缺陷在於水具有導電性，安全性較差。
　　目前，水下焊接的實現在現階段還是依靠人力。焊接工作本身就是一個辛苦的職業，更何況是在水下進行焊接，其難度不言而喻。工人們往往需要經過專業的潛水培訓，下水前，焊條焊機、潛水頭盔、潛水服、鉛塊腰帶、空壓機、氧氣瓶、對講機等全部都要配備齊全。在水下，他們不僅要面臨高水壓和溫度的挑戰，如果水質汙濁，還會成為「睜眼瞎」。
　　2019年12月，作為南通大學的一名學生，言淳愷跟隨指導老師在南通開沙島船舶海工企業考察時，瞭解到水下人工焊接的種種不便。「行業內能夠下水檢修的專業人員非常少。中國船級社今年公佈的數據，國內持有無損探傷水下焊接證書的人不超過150個，這導致船舶檢修行業存在巨大的人力資源缺口。即使開出20萬的月薪，能做、願意做的人也很少。」言淳愷感慨道。
　　面對行業嚴峻的現實以及企業的需求，言淳愷在老師的指導下組建學生科研團隊，提出解決設想，設計研發出一款能代替人類下水檢修的機器人。
　　多項創新助力水下自主檢修
　　帶著這樣的想法，團隊成員首先對市面上的水下檢修機器人做了調查。他們發現，在國內能夠將檢測和焊接技術融於一體的水下檢修設備是業內的一個重要研究方向，存在一定技術難度的同時，市場前景廣闊。
　　從2020年2月開始，團隊一頭扎進了水下自主檢修機器人的研究開發中。
　　機器人進行水下作業的首要步驟是進行目標識別。系統會根據圖片原理，基於先驗機制，依次劃分海底線和目標結構件，實現粗定位。
　　「我們曾經去江蘇海上龍源風力發電有限公司（以下簡稱龍源）進行實地考察，發現海底的水比較渾濁，直接影響到水下能見度。」言淳愷說。為瞭解決這個問題，團隊在原有的視覺識別基礎上，運用聲吶增強聲信號，並且在機器上添加輔助光源和偏振片，在後期圖像上也做了增強處理。
　　由於長時間的浸泡，風電樁基礎和船隻底板的表面會有海洋生物附著，因此目標識別結束後需要用高壓水射流清理表面後再進行無損探傷。一開始，團隊嘗試用單一的超音波技術進行探傷，但效果不佳。後來，他們將超音波和視覺探視相結合，有效提高了探傷精度。
　　檢修完畢後，就需要進行焊接。實際作業時，水下能見度很低，因此水下焊接往往十分依賴經驗。工人一手拿著焊條一手拿著焊機，自主把控焊接的角度和力度，如果稍不留神，手套就會被燙壞。
　　在智能水下檢修機器人的研發過程中，團隊利用結構光來增強焊縫特徵，以便攝像頭快速找到缺陷處，離線焊縫跟蹤後進行焊接作業。
　　「因為操作相對繁瑣，我們在濕法焊接方面耗費了將近一年的時間。」言淳愷說道。通過不斷試錯推演，團隊終於克服了水下焊接修復的難點，實現了水深小於5米的穩定焊接作業。
　　有望運用於更多場景中
　　在今年5月份的「挑戰杯」全國大學生系列科技學術競賽江蘇省賽中，「智能水下檢修機器人」從706個項目中脫穎而出，榮獲江蘇省特等獎並且入圍國賽。由於一代設備作業時穩定性欠佳，團隊成員聽從專家建議，對一代設備進行了改進升級，主要針對面向海上風電樁基礎的檢修設計吸附固定裝置。
　　「機器人水下作業時，水流影響較大，最初，我們設計了2個臂，通過磁吸附的方式將機器人固定於風電樁。通過實驗，發現穩定性還有待提高。於是在機器人下方位置增加了1個臂，並將3個臂設計為可前後伸縮，三角形的構造讓機器人更穩定。」指導老師、南通大學教師楊慧說。
　　改進後的第二代機器人，相較於一代有了不少改進，那麼走出實驗室，在實際檢修工作中，它能不能為海工企業帶來驚喜？
　　楊慧告訴記者，智能水下檢修機器人研發成功後，他們立即與企業進行了合作，檢驗機器人的性能。
　　在龍源考察時，楊慧瞭解到，該公司的維修人員並不具備水下維修資質，因此無法對水下部分進行定期檢修，只能被動地等風電樁出現問題後，把風電機組關停再進行維修。與龍源攜手後，團隊的智能水下檢修機器人幫助龍源進行海上風電樁基礎的水下巡檢，發現了多處輕度腐蝕。
　　今年上半年，團隊又與大連中遠海運海事工程技術有限公司南通分公司合作，對萬噸級船舶進行檢修，大大提高了檢修作業效率，在船側板的檢修中發揮了重要作用。
　　「海洋工程產業已涉及油氣、風電等多個領域，對人類社會經濟生活的影響日益廣泛和深入，將人工智慧成功運用於船舶行業能夠有力推動海工裝備產業的高質量發展。目前設備服務對象主要針對船體和海上風電樁，未來有望延伸至核電站塔架等多種場景中。」楊慧說。