7月，在黃海岸邊，水面波濤洶涌，一排排100米高的白色風(fēng)扇在風(fēng)中搖曳。水下暗流洶涌，巨大的風(fēng)扇樁直接插入海底。一個黃色的方形機器人正在吸附在風(fēng)扇樁上，完成另一次水下檢查。
7月初，記者從南通大學(xué)獲悉，集目標(biāo)識別、表面清潔、無損探傷、濕焊接為一體的智能水下維修機器人在電氣工程學(xué)院成功研發(fā)，為海洋工程企業(yè)未來的維修工作提供了新的方向。
沒人關(guān)心月薪20萬的工作。
在茫茫大海中，每天都有許多船只穿梭。在水面以上，這些船只乘風(fēng)破浪，威風(fēng)凜凜；在水面以下，各種隱患潛伏在黑暗中：船體焊接裂縫和海水侵蝕損壞……這些小問題往往意味著無盡的麻煩。
如果出現(xiàn)這些問題怎么辦？最直接的方法是把船拉進碼頭進行維修。然而，這種方法顯然不適用于船舶在航行過程中遇到的急需修復(fù)的問題。因此，人們想在水下修理船只。1802年，一位名叫漢弗萊的學(xué)者發(fā)現(xiàn)電弧可以在水下連續(xù)燃燒，這為水下焊接創(chuàng)造了可能性。
經(jīng)過多年的發(fā)展，水下焊接形成了三種主要方法：干法、濕法和局部干法。其中，濕焊接是三種應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，但其缺點是水具有導(dǎo)電性和安全性差。
目前，水下焊接的實現(xiàn)仍然依賴于現(xiàn)階段的人力。焊接工作本身就是一項艱苦的工作，更不用說在水下焊接了，其難度是不言而喻的。工人們通常需要經(jīng)過專業(yè)的潛水培訓(xùn)。下水前，焊條焊機、潛水頭盔、潛水服、鉛帶、空氣壓縮機、氧氣瓶、對講機等都應(yīng)配備齊全。在水下，他們不僅要面臨高水壓和溫度的挑戰(zhàn)，如果水質(zhì)很臟，而且會變得盲目。
2019年12月，作為南通大學(xué)的一名學(xué)生，燕春凱跟隨導(dǎo)師了解了南通開沙島船舶海洋工程企業(yè)水下人工焊接的不便。行業(yè)內(nèi)很少有專業(yè)人員可以進行水下維護。根據(jù)中國船級協(xié)會今年發(fā)布的數(shù)據(jù)，中國不超過150人持有無損探傷水下焊接證書，導(dǎo)致船舶維修行業(yè)人力資源差距巨大。即使月薪20萬，也很少有人能做到，也很愿意做到。燕春凱嘆了口氣。
面對行業(yè)的嚴峻現(xiàn)實和企業(yè)的需求，燕春凱在教師的指導(dǎo)下組建了學(xué)生科研團隊，提出了解決方案，設(shè)計和開發(fā)了一種機器人，可以取代人類的水維護。
許多創(chuàng)新幫助水下自主維修
帶著這個想法，團隊成員首先對市場上的水下維修機器人進行了調(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)z測和焊接技術(shù)融入中國的水下維修設(shè)備是該行業(yè)的一個重要研究方向難度大，市場前景廣闊。
自2020年2月起，團隊一頭扎進水下自主維修機器人的研發(fā)。
機器人水下作業(yè)的第一步是識別目標(biāo)。根據(jù)圖片原理和先驗機制，系統(tǒng)將海底線和目標(biāo)結(jié)構(gòu)部件依次劃分，實現(xiàn)粗定位。
“我們曾經(jīng)去江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司（以下簡稱龍源）進行實地考察，發(fā)現(xiàn)海底的水比較渾濁，直接影響到水下能見度?！毖源緪鹫f。為了解決這個問題，團隊在原有的視覺識別基礎(chǔ)上，運用聲吶增強聲信號，并且在機器上添加輔助光源和偏振片，在后期圖像上也做了增強處理。
由于長期浸泡，海洋生物附著在風(fēng)電樁基礎(chǔ)和船舶底板表面，目標(biāo)識別后需要用高壓水射流清洗表面，然后進行無損檢測。起初，該團隊試圖使用單一的超聲波技術(shù)進行檢測，但效果并不好。后來，他們將超聲波與視覺探測相結(jié)合，有效地提高了探測精度。
維修后，需要焊接。在實際操作中，水下能見度很低，所以水下焊接往往非常依賴經(jīng)驗。工人一只手拿著焊條和焊機，獨立控制焊接的角度和強度。如果他們不小心，手套就會被燙傷。
在智能水下維修機器人的研發(fā)過程中，團隊利用結(jié)構(gòu)光來增強焊縫特性，使攝像頭能夠快速找到缺陷，并在離線焊縫跟蹤后進行焊接操作。
由于操作相對繁瑣，我們花了將近一年的時間進行濕焊接。燕春凱說。通過不斷的試錯演繹，團隊終于克服了水下焊接修復(fù)的困難，實現(xiàn)了水深小于5米的穩(wěn)定焊接作業(yè)。
有望在更多的場景中應(yīng)用
在今年5月的挑戰(zhàn)杯全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽中，智能水下維修機器人在706個項目中脫穎而出，獲得江蘇省特別獎，入圍全國比賽。由于一代設(shè)備運行穩(wěn)定性差，團隊成員聽從專家的建議，改進升級了一代設(shè)備，主要為海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的維護設(shè)計吸附固定裝置。
當(dāng)機器人在水下工作時，水流有很大的影響。起初，我們設(shè)計了兩個臂，通過磁吸附將機器人固定在風(fēng)電樁上。通過實驗，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性有待提高。因此，在機器人下方增加了一個臂，并將三個臂設(shè)計為前后伸縮。三角形結(jié)構(gòu)使機器人更加穩(wěn)定。南通大學(xué)教師楊輝說。
與第一代機器人相比，改進后的第二代機器人有了很大的改進走出實驗室，在實際的維護工作中，它能給海工企業(yè)帶來驚喜嗎？
楊輝告訴記者，智能水下維修機器人研發(fā)成功后，他們立即與企業(yè)合作，測試機器人的性能。
在龍源調(diào)查中，楊輝了解到公司維修人員沒有水下維修資質(zhì)，無法定期維修水下部分，只能被動等待風(fēng)電樁問題，關(guān)閉風(fēng)電機組進行維修。與龍源合作后，團隊的智能水下維修機器人幫助龍源進行海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的水下檢查，發(fā)現(xiàn)了許多輕度腐蝕。
今年上半年，團隊與大連中遠航運海事工程技術(shù)有限公司南通分公司合作，對1萬噸船舶進行維修，大大提高了維修效率，在船舶側(cè)板的維修中發(fā)揮了重要作用。
海洋工程產(chǎn)業(yè)涉及石油、天然氣、風(fēng)電等領(lǐng)域，對人類社會經(jīng)濟生活的影響越來越廣泛和深入。成功地將人工智能應(yīng)用于船舶工業(yè)，可以有效地促進海洋工程設(shè)備工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。目前，設(shè)備服務(wù)對象主要針對船體和海上風(fēng)電樁，預(yù)計未來將擴展到核電站塔等場景。楊輝說。
