如何突破水下焊接作业的风险，使船舶得到及时检修？如何有效解决海工行业检修人员缺乏问题？
近日，我校电气工程学院学生言淳恺团队研发了一款集水下目标识别、表面清理、无损探伤和湿法焊接多功能于一体的水下自主检修机器人，为海工企业未来的检修工作提供了新的方向。他们的作品“智能水下自主检修机器人”将人工智能成功运用于船舶行业中，有力推动了海工装备产业的高质量发展，为中国制造增添了一份青年力量。
立足现状创新设想
在人口增长、经济繁荣、科技发展的21世纪，如何最大程度地开发、利用能源，成了人类发展中的重大难题。相对日益减少的陆地资源，占据地球表面积百分之七十一的海洋显然是最大的“潜力股”。如今，海洋工程产业已涉及油气、风电等多个领域，对人类社会经济生活的影响日益广泛和深入。但随着海工产业的发展，相关问题也暴露了出来。
“我们在南通当地进行实地考察的时候发现，能够进行船舶检修的工人非常紧缺，这一领域存在巨大缺口，” 团队负责人言淳恺说。南通滨江临海，具有得天独厚的船舶工业发展条件，其船舶和检修行业可以在全国排到前四，是我国重要的船舶制造基地之一。“南通优越的地理条件为我们项目的进行提供了很大的便利，也让我们对于这一行业的问题有了更加深入的了解。”在开沙岛考察时，成员们了解到水下检修作业对于工人的要求非常之高，且水下焊接的危险系数较大，作业效率低，行业内能够下水检修的专业人员非常少。就船级社今年公布的数据，持有无损探伤水下焊接证书的人全国不超过150个，这导致在现如今船舶检修行业存在巨大的缺口。“即使开出20万的月薪，能做、愿意做的人也很少。”言淳恺感叹道。
面对这项难题，团队成员提出了解决设想——或许可以设计研发出一款机器代替人类下水作业。“目前市面上已有相关的机器人，美国oceaneering公司为协助人工建造海上风电研发过一款机器人，天津的深之蓝公司面向管道泄漏问题也研发过相关的机器人，但都无法进行真正的检修。”成员施可昕说。带着这样的想法，团队成员开始了实地考察，从开沙岛到长江，每一寸土地都留下了他们的足迹。
“我们想要做的是打造一款真正能够进行水下检修的机器。”对于团队来说，填补相关企业的用人缺口、降低工作危险性、提高水下检修作业的效率是整个项目建立的初衷。
分组攻克创新实践
从2019年9月立项开始，团队的每一位成员就将自己所有的可用时间投入研究。团队由八人组成，分工明确。周亮亮负责焊接、采集数据，施可昕专攻无损探伤，郭九榕负责整个系统的搭建，四个大二的成员则主要负责搜索资料，研究别人搭建的模型并复现。“这套机器实现了水下目标识别、表面清理、无损探伤和湿法焊接等功能的一体化，是我们最大的创新点。”言淳恺笑着说。
机器人进行水下作业的首要步骤就是进行目标识别。系统会根据图片原理，基于先验机制，依次划分海底线和目标结构件，实现粗定位。“我们曾经去如东的龙源发电厂进行实地考察，发现江海里的水非常浑浊，水质问题对水下能见度产生的影响是很大的。”为了解决这个问题，团队在原有的基础上运用声呐增强声信号，并且在机器上添加辅助光源和片镜片，在后期图像上也做了增强处理。
由于长时间的浸泡，桩基础和船底板的表面会有海洋生物附着，因此目标识别结束后需要用高压水射流清理表面后再进行无损探伤。“无损探伤涉及到的专业知识都是我们没有接触过的，所以很多时候需要自学。”施可昕说。为了攻克这一难题，她翻阅相关资料，必要时向指导老师和技术员求教。“一开始我们尝试用单一的超声波技术进行探伤，在指导老师杨慧的提点下，我们选择将超声波和视觉探视相结合。” 最终，设备达到了误差小于1.8mm的精准搜查
如果说之前的步骤为船舶的检修做好了充分准备的话，那么接下来的湿法焊接就对于船舶的维修至关重要。在检修的过程中，机器人不一定能精准地找到损伤的裂纹，因此团队需要利用结构光来增强焊缝特征，以便摄像头快速找到缺陷处，跟踪路径，进行焊接。“因为操作相对繁琐，我们在湿法焊接方面耗费了将近一年的时间。”言淳恺说道。通过不断试错推演，团队终于克服了水下焊接修复的难点，实现了水深小于5m的稳定焊接作业。
此外，团队还自主设计了直角坐标机械臂和辅助环保装置，这些装置提升了机器人不同水域的作业能力，使得产品不仅适用于船舶维修，还面向海上风电。最终，团队的辛苦没有白费，他们的产品突破了水下复杂环境中全自主测控技术瓶颈，拥有三项软件著作，四项发明专利。
团队协作勇攀高峰
“这是一支非常有纪律的团队。” 团队的指导老师杨慧这样评价道。作为团队的负责人，言淳恺把准备项目的过程称为“上班”。他们日常研究的作息是“九、十二、七”，即每天早上九点工作到晚上十二点，一个星期工作七天。任务繁重时忙到凌晨也是常有的事。团队每一位成员都把这份工作融入了生活，他们牺牲了所有节假日，把每天都当作工作日，全年无休。“我们已经很久没有放过假了。”施可昕笑道。
作为项目的负责人，言淳恺每周都会组织团员开例会，明确每一个人一周的工作进程。“我们开会的时候还是很严肃的，这是做科研必须的一个态度。”言淳恺说。团队在实验室外建了一个专门用于模拟实验的水池。无论寒冬酷暑，只要需要实验，成员们都必须身着厚厚的潜水服下水，一工作就至少是半天。对于下水实验，郭九榕早已习以为常：“夏天最热的时候下水长时间作业，身体会产生不适，头晕目眩、呕吐、脱水都是常有的事，咬咬牙就忍过去了。”因为经常下水做实验，团队的成员们都戏称他为“下水达人”。
而在今年的“挑战杯”比赛中，这个团队更是用行动证明了自己。省赛结束后，由于设备作业时缺乏稳定性，专家建议团队研发一款环抱装置，此时距离国赛网报材料提交只剩十六天的时间。“当时感觉这是不可能完成的任务。”言淳恺回忆道。在这有限的时间里，成员们从环抱装置的设计开始，一起谈论、实验，日日加班到凌晨两三点。最终，团队在硬件选择和物理选择方面实现突破，完成了这项“不可能”完成的任务。
如今，团队研发的“智能水下检修机器人”已与多家企业进行了合作。设备帮助江苏海上龙源风电法力有限公司巡检96台风力发电机组，发现轻度腐蚀共18处。今年上半年，团队又与大连中远海运海事工程技术有限公司南通分公司合作，对万吨级船舶检修，提高了检修作业效率，在船侧板的检修中也发挥了重要作用，未来也有望投入生产使用。
“既然决定要做一件事，就必须完完全全投入它，把它做到极致。”言淳恺说，他希望未来智能检修机器人会探索在祖国的每一片江海，他们也能开拓出一片属于自己的天地，让自己的青春不留遗“焊”。
（校报学生记者 李淑媛 詹梓榆）
团队成员现场调试机器人。
