三峡库区ADS应用问题研究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：了解常压潜水装具的系统组成、操作方式，分析了每一部分的功能配置。针对三峡库区水深过大、水底浑浊和河床形态多样化等深潜水作业难点，分析了ADS装具在三峡库区深水救助中的适应性问题及设备需求，进而提出改进常压潜水装具的措施，包括水下作业工具、中继器形状以及潜水装具的搭载平台。
　　关键词：ADS;深度潜水;三峡库区
　　三峡库区目前使用的潜水救助装具是内河救助常使用的普通潜水装具。装具组成有面罩、头盔、潜水服、气瓶组件、减压和呼吸系统等。其中呼吸系统的供气设备有储气罐、空气压缩机等。这些潜水设备在内河潜水打捞时，效果好、成本小。但是，三峡库区成库后：水深达到175m，部分水深更是超过200m。面对这种情况，传统的潜水救助潜水装具明显达不到这个深度要求。如果强行作业，对潜水人员会有巨大的健康隐患，并且很难完成水下的作业要求;三峡成库后，河底淤泥化严重，这也给水下搜寻、救助带来了很大困难;库区水下能见度差，目前使用潜水头灯的情况下能见度不足一米。那么，面对复杂的潜水环境，以三峡为代表的内河深潜水救助问题急需引入合适的深潜水救助设备。三峡库区河段船舶遇险沉没的话，普通潜水无法到达水下救援。氦氧饱和潜水又需要庞大的水面支持系统，包括有生活舱、加压舱、潜水钟等。并且，每次救援都需要有多名潜水员轮换作业。整个的投资成本比常压潜水系统高很多，并且，专业的潜水人才需求量过大。
　　相比之下，常压潜水装具的水面控制平台较为简单，只有一个控制室和船上水面吊放系统;水面只需要一个监控台、一个操作人员;水下也只需要一个娴熟的装具潜水员即可完成整个救援任务。
　　1 国内外装备现状
　　1715年，世界上产生了第一台潜水装具，直到1882年Carmagnolle装具的出现，可以认为是常压潜水装具发展的初期阶段。在这一阶段，此时的装具发展是由于人类对于海底财宝的打捞需求，此时常压潜水装具的技术水平还处在非常低的水平，下潜深度较小，装具没有配备辅助的生命支持设备并且此时的供气方式只是通过气管由水面供气，没有通讯和推进系统，装具的头盔视窗以平板玻璃为主，不仅尺寸小视野有限而且转向不易，无法观察到侧向的信息。但是从这一时期开始，潜水行业中才出现了常压潜水这一概念，并一步步的从最初的桶型结构到现在的仿人型结构，材料方面从木质材料发展到金属材料。从20 世纪60 年代初，英国MikeHumphrey和Mike Borrow及Tritonia 装具的发明者Joseph Peress合作设计了JIM 装具。
　　我国在20世纪90年代成功研制出QSZ-Ⅱ型常压潜水系统。该装具采用铸铝躯体， 锻铝四肢关节， 最大工作深度达到300m， 水下最大巡航半径50m。 QSZ-Ⅱ型装具相比以前装具的进步之处不仅在于材料的改变、工作范围的增加，而且还另外增加了4个动力推进器，可以实现定深、定高、定航。还改善了控制系统， 使潜水员在水下的活动更加方便、快捷。其最大特点是水下的运动方式可以有两种选择：既能使用仿生腿关节进行贴底行走，又能依靠螺旋槳进行自主的水中移动。并且这种动力方式既可通过装具内部人员操作，也可通过水面船舶控制室内操作人员进行遥控。
　　2 常压潜水系统（ADS）
　　常压潜水系统（ADS）是一种深水载人作业工具系统，包含有潜水员穿着的潜水装具、中继器、水面起吊装置及水面船舶搭载的控制指挥系统组成。该系统一般都搭载在船舶上，在需要下潜水域附近进行现场的布放，实现单人的水下作业。ADS相比于传统的潜水救援作业，其最大优势在于它可以保持装具内部一个标准大气压，在下潜上浮的过程中无需考虑 增减压的问题，可以实现潜水人员快速、大强度作业的要求;装具通过综合铠装缆里面的氧气通道给潜水人员供氧、配备生命体征检测设备、检测数据实时显示在水面检测指挥人员操作屏幕，以保护潜水员的生命需求;水面指挥系统主要负责整个救援活动的指挥和参与决策、水上水下即时的通讯保障以及潜水人员的安全保障活动。整个ADS系统如图1：
　　在使用ADS进行水下救援时，首先需要把整个系统搭载到救援船舶上，通过船舶水面吊装系统把水下装具和机器人下放到救援附近水底，然后潜水员自行走出开展水下救援任务。整个中继器有铠装缆绳与水面吊装系统连接，方便系统的回收，而潜水员装具也是通过综合钢缆和中继器连接。待完成水下救援任务之后，潜水员乘坐中继器返回船上，完成整个救援活动。
　　3 ADS系统的控制操作方式
　　整个控制系统按照空间划分为水面控制、中继器控制和潜水装具控制三部分。
　　水面控制是整个潜水系统的控制台，负责接收机器人采集到的水下信息，并且实现水下、水面的信息交换（包括水上水下人员交流、水下视频信息的传输和水面操作指令的下达。水面控制部分与中继器之间通过水中钢缆进行连接。
　　水下中继器是整个潜水装具的重要组成部分，它实现了水面设备与水下装具之间的通讯中转，水下装具的布放和回收，同时，隔离了水面船舶以及水下作业时缆绳随意摆动而缠绕潜水员等存在安全隐患。中继器的存在保证了水下作业的安全性，并且提高了装具在水下的机动性。装具内部通过各种生命信息监控设备和安全监控设备反映潜水人员的生命体征，装具外部加载水下信息采集设备，包括采集视频信息的水下高清摄像机、三维成像设备等。
　　潜水装具的控制主要是水下的走行活动、信息的采集和传输控制以及各种特殊作业工具的具体使用。
　　4 ADS系统在三峡库区的适用性分析
　　这个系统的核心之处在于中继器。它是连接水面控制室和潜水装具的中枢。
　　4.1中继器的功能需求分析
　　（1）首先，中继器作为装具下潜上浮的载具，必须有良好的稳定性，可以抵抗各种不同流速的水域环境。用来保证潜水作业人员下潜、上浮的安全。
　　（2）中继器作为信息传输的枢纽，必须保证信号传输良好、实现上下水面的实时沟通。 　　（3）中继器上应该有必要的生命救助保障，如少量氧气的储备等。
　　4.2 中继器的改进意见
　　（1）三峡库区不同水层水流速度差别很大，分层流速明显，并且很多部分还有旋涡、泡水等。这些因素都给中继器的安全释放回收带来了挑战。传统的矩形中继器不适合实际救援过程，当中继器着陆水地面不平时，这样的结构可能发生侧翻等。为了尽可能的减少侧翻的意外，中继器外观结构应该设置成为椭球状。
　　（2）作为信息传输的枢纽，同时也是氧气等生命保障措施的枢纽，我们必须使用足够坚固的钢缆包裹通讯、呼吸等传输通道。
　　（3）万一发生意外，中性缆的断裂或者钢装缆的破损，我们必须能够保证潜水人员安全回到水面。
　　4.3 装具加载成像技术
　　应该给常压潜水装具装备更多的水下成像观测技术。水下综合成像技术包含了普通成像技术和三维成像技术。我们认为应该在装具上搭载普通高清水下摄像探测，另外再配合以多波束测深系统为主的水下三维成像技术，结合起来，更好确定探测水域的地貌。多波束测深系统具有高精度、高效率的优点。它的探测结果是条带状的水深图以及条带状水下地貌图，该结果可以全面了解探测区水底地形，但无法直观地判读水底情况;普通高清成像技术，其成像结果是水下小范围的直观成像，无法全面、高效地了解整个探测区的水底环境。当发生事故时，我们面对出事水域，可以先采用三维多波束测深系统进行目标水域的水下地形描绘，结合当地海事部门的地下水文资料，分析出几个可能的目标点。再结合普通高清成像技术进行定点的小范围清晰成像。
　　4.4 创新水下作业工具
　　三峡库区深水救助主要是为了沉船搜索、人命救助和沉船、沉物等的打捞。
　　在使用这类潜水装具时，潜水人员在进行水下作业时，由于装具的限制，只可以采用水下机械手进行作业，而不是人的手。常压潜水发展至今，已经形成了较为成熟的水下作业工具，比如：爪式夹持器 、水下灵巧手等。
　　机械手的灵活性和功能性需要进一步提升。包括应对特殊的作业需求，比如说船舶打捞时为了固定钢缆需要打孔，这个时候便需要携带钻头工具等。还有目前的人形机械手关节的设计更为精密，便可以使得水下操作更加灵活，完成难度更大的救援工作。
　　除了使用机械手、液压切割机之外，还可能需要针对沉船进行固定，以方便起吊。另外，集装箱等则是通过机械手进行钢缆的固定，然后才用水面起重船舶进行打捞作业。
　　另外，倾覆的散货船等（砂石、煤炭）如果不处理，则会淤积航道，因此，可以在救助装具上加装散货抽取管道，水下机器人手持管道抽取水下散货，管道动力泵设在海巡救助艇上，通过管道即可清理水下的沉物。机械手加持管道，通过中性缆、钢缆和水面连接。面对特殊沉船，比如化学品倾覆、石油等通过此种救援方式可以减少二次污染，回收资源。
　　5 救援平台的搭建
　　为了实现常压潜水装具在三峡库区应急救援工作中的使用，我们需要在救援海巡艇上选择搭载吊放系统和设置水面控制室。
　　5.1 水面吊放系统
　　水面吊放系统是安装在水面指挥船舶侧面，用来进行水下中继器的吊放和回收活动。根据三峡库区现有海巡艇的结构特点，船舶前方甲板部分有足够的空间可以装载ADS水面吊装系统，此吊放系统可以考虑安装在前方甲板侧面，折叠放置，需要使用ADS进行水下活动的时候才展开吊装系统。
　　5.2 水面控制室
　　水面控制室主要就是水面的终端操作和水下操作设备的监控等。具体来说控制室操作员需要完成水面水下的信息交流和任务下达;通过显示器监控水下操作人员的生理指数、氧气含量等;配合救援指揮人员结合水下信息采集设备得到的水下情况完成救援的决策;监控中继器、水下装具、各种工具的安全监控。水面控制室可以设在船舱内靠前任意一块区域，需要面积约三平方米。
　　6 总结
　　常压潜水装具非常适合三峡库区河段的深水救助任务。ADS结构相对简单，成本较低，面对各种复杂条件下的水底长时间救助任务都可以满足。但是，由于该装备还没有广泛应用于内河打捞，所以，相应的辅助设施设备还不够全面，需要进一步优化和装配。我相信ADS常压潜水系统将成为内河深潜水的发展和应用的方向。
　　参考文献：
　　[1]姜旭胤， 刘涛， 王璇. 常压潜水装具现状及关键技术综述%Current status of atmospheric diving suit and its key techniques[J]. 舰船科学技术， 2013， 035（009）：1-8.
　　[2]沈丹， 王磊， 刘涛. 常压潜水系统国内外应用浅析[J]. 信息系统工程， 2013（07）：106+116-117.
　　[3]杨青松， 胡勇， 侯德永， et al. Creep analysis for the hemispheric window of atmospheric diving suit%常压潜水装具半球形观察窗蠕变特性分析[J]. 船舶力学， 019（10）：1261-1266.
　　[4]周延东， 姜瑛， 王磊. ADS驾驶员考核评价体系研究[J]. 信息系统工程， 2015（10）：39-40.
　　[5]汤国伟， 邱中梁， 杨申申， et al. 常压潜水装具水下作业工具研究[J]. 液压与气动， 2009（06）：8-10.
　　[6]姜旭胤， 刘涛， 王璇. 常压潜水装具现状及关键技术综述%Current status of atmospheric diving suit and its key techniques[J]. 舰船科学技术， 2013， 035（009）：1-8.
　　[7]严似松， 黄根余. 单人常压潜水服运动阻力试验研究[J]. 海洋工程， 1990（02）：46-51.
　　[8]沈丹， 赵俊海， 王磊， et al. 单人常压潜水系统（ADS）控制技术应用研究%Application of Control Technology in Atmospheric Diving System （ADS）[J]. 中国造船， 000（4）：78-89.
　　[9]古浪， 马岭， 王璇， et al. 单人常压潜水装具水下作业工具系统研究[J]. 机械工程师， 2015， No.294（12）：81-83.
　　[10]周华林. 单人常压潜水装具运动特性计算[J]. 中国造船， 1992（02）：43-54.
　　[11]王去伪. 潜水器在海洋水下作业中的应用[J]. 海洋科学， 1989， 000（004）：71-72.
　　[12]施东春， 李丽娜， 王帅， et al. Experimental Research on Tether Management System for Atmospheric Diving System%作业型单人常压潜水装具（ADS）中继器的试验研究[J]. 中国造船， 000（4）：90-100.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-15219513.htm