Статья опубликована в рецензируемом журнале «Морские интеллектуальные технологии» № 2 часть 1, 2025, стр. 202.

Мы сократили статью, оставив материал, представляющий прикладную ценность. С полным текстом научной статьи вы можете ознакомиться по ссылке.

Введение

В связи с мировой тенденцией развития микроэлектроники и робототехники, а также в виду значительных достижений в разработках данной отрасли в настоящее время наблюдается возрастающий интерес к проведению различных опасных и технически сложных работ с применением роботизированных платформ, основанных на сложной электронике и высокоточных сенсорах, и управляющимися умными алгоритмами.

В свою очередь, высокий уровень развития техники, а также увеличение производственных мощностей привели одновременно к их удешевлению и соответственно доступности на рынке.

Исключением не стали и подводно-технические работы. Появление компактных переносимых одним человеком подводных аппаратов, а также большого количества полезного навесного оборудования, позволило начать эксперименты по внедрению таких роботов для проведения обследований акваторий и различных гидротехнических сооружений.

Цель данных экспериментов – заменить роботами там, где это возможно, тяжелый и опасный труд водолазов.

Данная работа содержит краткий обзор задач, которые выполняют водолазы, тенденции развития подводной робототехники для их решения, а также опыт применения телеуправляемого подводного аппарата для выполнения подводного обследования причального сооружения и прилегающей акватории.

Тенденции и перспективы применение подводных дронов для обследования различных подводных объектов

Подводная робототехника активно развивается для решения прикладных задач. Основные причины этого следующие:

• расширение применения подводных дронов в военной сфере и сфере безопасности;
• рост использования телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов для подводных научных исследований, поисково-спасательных и ремонтных работ.

Сдерживающими факторами являются цена таких роботов и высокий риск их утраты.

Основными типами подводных аппаратов являются:

1. Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА) – роботы, которыми в реальном времени управляет оператор. Для обеспечения связи между пультом управления и аппаратом применяется специальный кабель;
2. Автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) – роботы, которые имеют встроенную батарею и выполняют заданную строго определенную программу под водой. Например, обследование заданного квадрата акватории.

Наиболее используемыми подводными роботами являются ТНПА.

Основные задачи, которые могут быть решены с помощью ТНПА:

• создание подробных карт морского дна, до начала строительства подводной инфраструктуры;
• мониторинг морского дна в портах, выявления подводных объектов и определения их точного местоположения для обеспечения безопасного судоходства;
• мониторинг химического состава морской воды, оценка качества питьевой воды в водохранилищах;
• аварийно-спасательные и другие неотложные работы при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;
• научно-исследовательские задачи по изучению озер, морей и дна океана;
• метеорологические наблюдения.

Конструкция ТНПА позволяет установить разнообразные приборы, датчики и манипуляторы.

За многолетнюю историю развития подводных аппаратов сложились устоявшиеся принципы применения на них различных гидроакустических приборов. Так, на ТНПА чаще применяются гидролокатора кругового обзора, предназначенные для обследования подводных объектов в мутной воде и различные системы позиционирования, в основном, представляющие из себя системы с ультракороткой базой (УКБ), которые предназначены для определения координат подводного аппарата при выполнении работ. На АНПА применяются гидролокаторы бокового обзора (ГБО), которые позволяют сканировать дно водоема и благодаря устойчивому движению аппарата по курсу получать четкую понятную сонограмму – изображение дна без серьезных искажений. Для позиционирования аппарата чаще применяются инерциальные системы в комплекте с доплеровским лагом (работают в подводном положении) и GPS-датчик (работает в надводном положении при периодическом всплытии аппарата). Таким образом происходит счисление пути и построение относительного трека перемещения.

В данной работе представлен новый подход к обследованию акватории – применение ГБО на ТНПА совместно с установленной УКБ системой позиционирования. Работ по данной тематике не так много, что объясняется невозможностью обеспечения качественной стабилизации аппарата на курсе (обычно ТНПА представляют собой рамные конструкции не гидродинамической формы). Получение сонограммы высокого качества может быть обеспечено только на ТНПА с системой стабилизации, которая позволит аппарату идти по курсу с минимальными отклонениями. Применение ТНПА гидродинамической формы с невысоким сопротивлением движению в воде позволит решить данную задачу.

Применение таких ТНПА при выполнении водолазного обследования гидротехнических сооружений может качественно повысить результаты обследования и свести к минимуму риски при выполнении опасных работ.

Опыт применения подводных дронов на объектах нефтегазовой отрасли

Одним из ярких примеров успешного применения подводного дрона стало обследование дна акватории и подводной части причальных сооружений объекта нефтяной отрасли, проведённое ООО «Прикладная геодезия и метрологический контроль» совместно с АО «Росгазификация» с использованием телеуправляемого подводного аппарата (ТНПА) «Трионикс-6М», оснащенного ультракороткобазисной гидроакустической навигационной системой (ГАНС УКБ/USBL) Zima2.

Работы проводились в конце декабря 2024 года. Погодные условия:

• Температура воздуха (среднесуточная): -8 °С
• Температура воды: +2 °С
• Скорость течения: до 0,5 м/с
• Видимость под водой: до 2 м
• Грунт: песчаный
• Ледовый покров с учетом наростов: до 10 мм

В процессе обследования причального сооружения необходимо было решить следующие задачи:

1. Обследование прилегающей к причальному сооружению акваторию с помощью гидролокатора бокового обзора (далее ГБО), установленного на ТНПА;
2. Обследование подводной части конструкции причального сооружения с помощью ГБО, установленного на ТНПА;
3. Обследование подводной части конструкции причального сооружения с помощью видеокамеры ТНПА;
4. Анализ данных, полученных с помощью ГБО и определение GPS-координат потенциально опасных объектов;
5. Выход ТНПА в координаты, где по данным ГБО были опознаны потенциально опасные объекты. Обследование объектов с помощью видеокамеры ТНПА.

Перед выполнения работами был составлен план обследования, которому команда ТНПА строго придерживалась. Работы проводились в течение двух рабочих дней. Продолжительность рабочей смены в среднем не более 8 ч.

Члены команды, непосредственно занятые работой с ТНПА:

1. Руководитель команды;
2. Главный оператор ТНПА;
3. Резервный оператор ТНПА;

Руководитель команды следит за выполнением плана работ. Главный оператор осуществляет управление дроном, одновременно следя за его параметрами, отслеживает показания с ГБО. Резервный оператор выполняет функции обеспечения работы ТНПА: следит за правильным поведением кабеля связи, осуществляет спуск и подъем ТНПА. В случае необходимости резервный оператор может взять на себя управление ТНПА. Функции резервного оператора в этом случае берет на себя руководитель работ. Таким образом команда из трех человек является полностью самодостаточной и эффективной.

Для работ применялся малогабаритный ТНПА «Трионикс-6М». Это отечественный аппарат, который имеет собственную линейку вспомогательных устройств для проведения подводных работ: двухстепенной манипулятор, гидроакустическая система позиционирования и гидролокатор бокового обзора.

Интегрированный гидроакустический комплекс Zima2 позволяет определять GPS координаты ТНПА, когда он находится в подводном положении. Система имеет гидроакустический канал связи и является по своему типу системой с ультракороткой базой (УКБ/USBL). Система имеет следующий принцип работы: на берегу в месте запуска ТНПА или на судне обеспечения устанавливается пеленгационная антенна, на ТНПА устанавливается гидроакустический маяк. С помощью сложного акустического сигнала осуществляется измерение расстояния между антенной и маяком, а также азимут ТНПА. Система измеряет относительное местоположение аппарата. Рядом с антенной устанавливается GNSS приемник, который получает ее GPS-координаты и азимут. Таким образом имеется возможность получить и GPS-координаты ТНПА.

На промышленных объектах с высокими требованиями к их безопасности часто заглушают спутниковый сигнал. В этом случае система может работать и без GNSS-приемника: координаты и угол антенны задаются вручную, используя карту и различные ориентиры. Например, угол причала.

Рабочий комплект системы Zima2 состоит из следующих элементов:

1. Пеленгационная антенна;
2. Маяк для установки на ТНПА;
3. Береговой модуль управления с батареей.

Система интегрирована в программное обеспечение ТНПА «Трионикс-6М». Для оператора доступно отображение микрокарты с положением ТНПА и треком пройденного пути. Микрокарта располагается в пользовательском интерфейсе аппарата. Также имеется возможность открыть большую карту:

Ввиду широкой полосы обзора поисковые работы с помощью ГБО являются одними из самых эффективных, так как с их помощью можно быстро и качественно исследовать большие площади акватории.

В результате съемки акватории с помощью ГБО были выявлены три группы потенциально опасных объектов. Изображение с ГБО позволяет идентифицировать объекты по сонограмме, однако полное понимание дает только детальная видеосъемка.

Навигационная система Zima2 позволяет отслеживать местоположение ТНПА в процессе обследования. Трек перемещения ТНПА во время выполнения работ регистрируется. После съемки акватории оператор проводит дополнительное обследование найденных объектов по зафиксированным координатам. Результат работы команды ТНПА является отчет с фотографиями, акустическими изображениями и координатами объектов с их описанием. По полученным в результате обследования данным возможно провести анализ и сделать выводы о наличии препятствующих стоянке судна предметов.

Трек перемещения ТНПА во время выполнения работ:

(разными цветами помечены три разных погружения)

Далее был проведен полный осмотр конструкции с помощью видеокамеры ТНПА. Так как в этом случае даже в мутной воде всегда есть внешний ориентир для навигации, то сам процесс осмотра это в основном кропотливая работа, где постепенно визуально осматривается каждая свая. В результате осмотра было обнаружено разрушение облицовочного слоя бетона с оголением арматурной сетки в подводной части причального сооружения. Большая часть свай покрыта ракушечником, что осложняет оценку состояния конструкций.

В процессе съемки координаты ТНПА фиксируются и регистрируются, что позволяет в дальнейшем легко вернуться к обнаруженным дефектам вне зависимости от видимости в воде.

В результате работ была также составлена карта с расположением опасных объектов:

Выполнение такой сложной работы по предложенной схеме позволяет разделить весь процесс на те задачи, которые может выполнить компактный подводный аппарат и ту часть, которая может быть выполнена только с помощью промышленных водолазов или специальной сложной техники. Это экономит время и ресурсы, позволяет более рационально и безопасно для персонала провести действия согласно техническим регламентам.

Применение ТНПА с интегрированной системой позиционирования позволяет грамотно осуществлять маневрирование и выполнять поставленные задачи всегда понимая свое истинное местоположение на карте [11]. Важным преимуществом является сохранение всех данных и возможность в дальнейшем выйти повторно в необходимые координаты, чтобы произвести необходимые манипуляции с найденным объектом.

Применение ТНПА с установленным ГБО позволяет в течение одной рабочей смены фактически обследовать до 500 квадратных метров акватории, сохраняя при этом координаты наиболее важных точек.

Перспективы применения подводных дронов в нефтегазовой промышленности

Предложенная схема проведения работ основана на использовании ТНПА, которым всегда в реальном времени управляет оператор, анализирует информацию о ходе обследования и принимает решения о дальнейших действиях. В перспективе ожидается перенос функций оператора на искусственный интеллект, а подводные аппараты будут преимущественно автономные.

Создание программного обеспечения, которое будет не просто помогать оператору управлять аппаратом, но и после завершения работ автоматически создавать необходимые отчеты о результатах, также будет способствовать повсеместному внедрению роботизированных технологий в нефтегазовой промышленности.

Возможность установки на ТНПА различных приборов для анализа состояния дна акватории, а также водных объектов, позволит получать более достоверную информацию. Современные подходы к проведению подводных обследований предполагают использование широкого спектра технических средств и приборов, таких как ГБО, многолучевые эхолоты, гидролокаторы кругового обзора, донные профилографы, магнитометры и другие сенсоры. Уже сейчас такая концепция работы позволяет получить практически трехмерную модель затопленного объекта.

При наличии результатов геодезической съемки достаточно легко привязать их к координатной сетке ТНПА и тем самым увеличить точность регистрации дефектов и провести измерения отклонений несущих конструкций сооружения от проектного положения.