石油圈
由人工智能（AI）方法操控的水下自主机器人（AUVs），可用于检查、保养、维修水下设施。
编译 | 流沙
为了确保海上基础设施，如风力发电机或油气生产设施的安全，定期检查与维护是必不可少的。然而，在水下进行的工作不仅复杂、昂贵，而且对从事这项工作的潜水员来说也存在相当大的风险。水下遥控机器人（ROV）已经被用于监测海上资产的状况。但如今的发展趋势是这些水下机器人将需要长期停留在海中，成为所谓的水下常驻AUV，还可在水中自主作业，同时在必要时可进行远程控制。
由德国人工智能研究中心(DFKI)领导的联盟在Mare-IT项目中开发出一套整体解决方案，来实现这一愿景：一种创新型双臂AUV，可用于复杂的检查与维修工作，并配备强大的IT基础设施，能够直观地控制与监测该系统，还可与操作员进行有效的信息流交互。“石油圈原创，石油圈公众号：oilsns”
一名研究员在泳池边缘检测AUV在双臂模式下的防撞情况。(图片来源：DFKI的Thomas Frank)
01.自主远程检查与维护的创新型双臂AUV
DFKI机器人技术创新中心在Mare-IT项目中成功设计并制造了Cuttlefish水下自主机器人，这是一种可在水中自由定位的干预型AUV。这款创新型AUV在其腹侧安装了两个深海抓取系统，使其能够操纵水下物体。利用这种特殊设计和基于人工智能的控制，可在下潜过程中改变重心与浮力，并以稳定的方式调整和保持任何方向。除了完全自主运行之外，该机器人还可利用光纤电缆，以混合模式（所谓的监督自主）运行。这种混合模式使人们可在水下结构的关键作业期间，干预与远程控制AUV。
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除了机械臂之外，该系统还配备了许多用于环境感知的传感器，例如声纳传感器、照相机、激光扫描仪与磁力计。为了有效处理大量的传感器数据，研究人员开发出一种特殊的架构概念，可直接在机器人上对数据流进行分散分析。此外，还可配备了一个标准接口，可实现AUV、控制站与内部业务基础设施之间的双向数据交换。
AUV直立于水中，伸出机械臂。(图片来源：DFKI的Thomas Frank)
02.直观遥控AUV与人造磁场定位的虚拟副驾驶
DFKI认知辅助系统研究部门开发的虚拟副驾驶，可在遥控任务期间为控制站人员提供支持。它配备了微软HoloLens头显，可与控制站结合使用，也可以作为单独的轻型交互媒介，例如在船上使用。借助显示器上的全息三维显示，操作人员可随时了解AUV与水下结构的状态。利用语音交互功能，能够显示出传感器信息、测量值，以及所设置的警报。可通过语音命令控制AUV的摄像头，结合眼球跟踪技术，检索出人们当前正在观察的基础设施组件的信息。此外，还可以在任务期间，设定自己的语音术语，并将其作为别名使用，例如，用于摄像机或位置对接。“石油圈原创，石油圈公众号：oilsns”
为了扩展创新型交互技术，DFKI嵌入式智能研究部门在Mare-IT项目中开发了一个网络应用程序，可以通过智能手机或平板电脑等移动设备控制AUV并改变其参数设置。此外，研究人员还研究了使用人造振荡磁场来定位水下机器人的可能性。
AUV以直立姿势在水下执行操纵任务。(图片来源：DFKI的Thomas Frank)
03.强大推进器与智能控制实现高效运动
WITTENSTEIN网络电机公司开发、生产了用于驱动AUV的高强度推进器。这种推进器的推力高达500牛顿，具有防海水侵蚀的功能，适用于高达6000米的水深。在制造过程中没有使用液体填料，采用了特殊的灌封技术，以避免对环境造成化学危害。推进器配套的伺服变频器，拥有专门与推进器电机相匹配的无传感器控制，可在整个速度范围内提供准确、高度动态的速度控制，直至旋转的两个方向都处于静止状态。该AUV配备了八个这样的推进器，在网络覆盖范围内，这些推进器能够实现AUV与水下结构对接所需的高精度运动。
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04.塑造整合管理框架增强互通性
在Mare-IT项目中，SAP公司研究了如何以及在何种条件下将自主系统（例如AUV）整合到云系统等IT基础设施中。为此，该公司开发出工业4.0参考架构的核心组成部分–管理框架，实现了数字孪生与商业应用的整合。该管理框架可在任何制造商的解决方案之间搭建互通性。它降低了整合成本与工作量，尤其是当多家公司都要访问数字孪生的数据时。SAP公司为计划内、计划外的维护流程都设计了管理框架原型，例如海底结构的隔离阀。如今，SAP资产管理智能云应用可通过隔离阀的管理框架启动此类维护作业，并可从水下机器人那里接收到执行状态的反馈。得益于管理框架，其他各方的任何系统都可被添加或被其他系统取代，且无需太多整合工作。
该AUV正处于驾驶状态，其机械臂已被折叠收回。(图片来源：DFKI的Thomas Frank)
05.水下结构无损检测技术
ROSEN公司是全球领先的能源行业大型结构完整性管理解决方案供应商，在该项目中为AUV开发出四种不同的测量技术，用于检查各种海底结构的状况。这些技术分别是：检测铁磁结构的磁场传感器、测量阴极保护系统电场的传感器，以及利用AUV机械臂来测量局部壁厚的超声波与涡流传感器。此外，还开发出一种通信浮标，以确保机器人可通过水柱将数据传输至中央控制站。”石油圈原创，石油公众号：oilsns
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