赢得海底太空竞赛

机器人技术和自动化技术可能是未来海底油气生产作业的关键。它们将在降低与石油和天然气生产相关的成本和碳排放方面发挥重要作用，并减少不得不在海上、船上或平台上工作的人数。

这是一个独特的挑战。除了处理在海洋环境中操作机器人系统的明显物理限制外，还有两个主要挑战:导航和通信。海底没有GPS或4G网络，系统可以通过这些网络导航和通信。但许多人认为，克服这些问题是值得努力的。

挪威能源公司Equinor的副总裁Rune Aase推广水下无人机的使用，他说:“这项技术是一个推动者。它能够开启新的工作方式，改变我们的工作方式，尤其是减少二氧化碳足迹，提高挪威大陆架和国际上的竞争力。有了无人机，我们可以把更多的任务转移到岸上，把人们转移到离家更近的岸上。”

虽然海上油气生产通常与海上石油平台有关，但海底也有数千个井口和管汇，上面覆盖着执行器，控制海底油藏的生产。这些管道由成千上万的管道和脐带连接起来，所有这些都需要检查，有时还需要干预——其中大部分都是潜水员无法触及的。

如今，船只连同船员被派往近海。他们部署了远程操作工具(ROV)， ROV通过脐带连接到船舶，为复杂的机械手和其他工具提供动力、通信和控制。这是一个笨重的包。

他们的想法是用一种所谓的常驻ROV或自主水下航行器(AUV)来取代这个包，它至少是部分自主的，部分从岸上遥控，并且生活在海底自己的车库中，不需要支持船只。雪佛龙(Chevron)的约翰•布莱恩(John Brian)去年在阿伯丁(Aberdeen)的一次行业活动上建议说:“在整个盆地，公司(可以)投资于常驻机器人，每个人都可以在应用程序上打开机器人，看看哪些机器人是可用的。”

虽然优步AUV服务还有一段路要走，但已经迈出了重要的一步。自2018年初以来，在挪威海上Equinor公司的Snorre平台下，一种更传统的ROV被用于为期三个月的支持任务。当需要时，海上和岸上控制室的飞行员可以远程控制它。它仍然与脐带连接，但不再从船上部署，而是连接到海底车库，而海底车库又连接到平台，提供动力、通信和控制。IKM Subsea的工程经理Ments Tore Møller表示，这意味着要让挪威公司IKM Subsea操作的Merlin UCV R- rov(“R”代表常驻人员)尽可能可靠，并实现远程控制。这些车辆通常每周检修一次，现在改为每三个月检修一次。

如果附近没有站台怎么办?美国公司Oceaneering一直在覆盖这一基地。2019年，该公司部署了另一种电缆电动ROV系统E-ROV，该系统也在水下车库中工作，用于临时任务。车库配有电池，可以在需要的地方停放，然后一次停放数周。在通信和控制方面，它配备了一个水面浮标，通过4G网络提供与岸上的通信连接，4G网络目前在北海和美国墨西哥湾等最繁忙的海上油田地区很常见，或者在没有4G网络的地区提供铱星通信。

下一步是在去年，无绳车辆控制和对接被展示。由瑞典萨博集团旗下Saab Seaeye制造的Sabertooth AUV，在瑞典的一个湖泊进行演示时，具有远程部分自动化控制和实时视觉控制，可无线连接、充电和下载数据。今年晚些时候，Oceaneering公司在挪威的一次演示活动中，用其新型混合动力汽车“自由”(Freedom)的原型车也做了类似的事情。

这些成就部分是由挪威能源公司Equinor推动的，该公司一直在推动所谓的水下干预无人机(uid)。Equinor希望在海底看到许多这样的交通工具，以便在需要时随时可用，就像Uber的AUV愿景一样。这个想法是，一个油田可以覆盖多个油田，每个油田都可以由不同的公司或业务部门运营(Equinor的油田由不同的业务部门运营)。

Aase说:“今天，我们正在用一艘配有rov的IMR船，船上有70-80人，对海底油井进行IMR(检查、维护和维修)。”“无人机的好处是，我们可以把更多的技术转移到陆地上，把人们转移到离家近的更安全的工作场所。”但是，他说:“我们没有选择，只是等待行业的发展，看看会出现什么情况。我们一直在与业界进行讨论和校准，试图成为这一领域的领跑者。我们认为这很重要，不仅要使用市场上的东西，还要在各种资产之间建立一个可以标准化、具有规模经济和技能的运营模式，因此需要制定一些标准和要求。”

为此，Equinor委托设计和建造一个“开放标准”标准化对接站(SDS)。这被Saab Seaeye和Oceaneering用于他们的演示。SDS的关键要素是一些其他技术，其中一些技术比其他技术更成熟。为了进行远距离定位，车辆可以使用声波信号，这些信号可以传播数公里。更近的地方，他们可以使用机器视觉技术来检测所谓的AruCo和ChaRuCo标记(类似于QR码)。他们还使用了BlueComm，一种通过水的调制解调器，它利用光线无线传输实时高清视频，这样飞行员就可以驾驶车辆驶向目标或由英国公司Sonardyne提供的高带宽数据。停靠后，他们将使用挪威WiSub公司和Blue Logic公司生产的感应电源和通信连接器为这些车辆充电。

“这项技术是一个推动者。它有助于开启新的工作方式，改变我们的工作方式，更重要的是，减少二氧化碳排放，提高竞争力。”

对于Jan Siesjö， Saab Seaeye的首席工程师来说，一个关键的促成因素是地面通信- 4G网络。然后，将对接、充电和数据下载结合在一起是将这一功能引入该领域的最后一块拼图。“有了它，突然之间你就可以有一个带有通信浮标的对接站，或者一个USV支持带有通信的AUV。所有的碎片都在那里。”

在幕后也有很多工作。Siesjö网站表示:“远距离遥控似乎很简单，但要让它可靠，你需要很多准备。”“这不仅仅是通过互联网发送命令，而是拥有能够保证自身安全的系统，可以进行维护，这样它们就不会出问题，如果出现问题，它也不太复杂，不需要一个大学级别的工程师来解决。”这包括保持站位，航路点导航和避障。

在通信方面，Saab Seaeye与波音公司合作，证明了通过卫星链路安全运行ROV及其操纵器的能力。“我们有一些非常严格的限制，只有1.6MB/s，延迟被我们提高到3秒。我们还故意打乱了数据质量，”Siesjö补充道。“尽管如此，我们仍然能够匹配飞行铅连接器，并做很多其他事情。”

另一个挑战是导航。水下航行器使用惯性导航系统(INS)，该系统包含惯性测量单元，包括陀螺仪、加速度计、压力传感器等，计算机使用这些和多普勒速度日志来计算航行器的运动。但是，这些传感器确实会漂移，而且车辆在动态环境中运行，因此也可以使用超短基线(USBL)定位系统的外部辅助，但这通常意味着使用船只。

因此，实时构建ROV所处环境的3D地图的系统，即3D同步定位和测绘(SLAM)也正在开发中。这将使车辆导航并测量它所看到的相对于自身的东西，以及它可能已经得到的地图或结构计划。水下承包商Subsea 7通过其i-Tech 7业务一直在开发该领域的技术。该公司一直在为其自动检测工具(AIV)构建重新定位能力，该工具从水下吊篮部署，因此不需要USBL系统定期更新位置。i-Tech 7战略与技术开发经理Jim Jamieson表示:“该公司决定转向自动盘旋车辆，重点关注内场海底基础设施检查能力。“设备本身可以被跟踪，以提供导航所需的位置，而不需要水面船只的更新。”

赫里奥特-瓦特大学(Herriot-Watt University)的技术衍生公司SeeByte一直在与Subsea 7等公司合作。该公司的商务经理Chris Haworth表示，由于水下导航和通信方面的挑战，这些系统需要自适应自主，即AUV通过一系列传感器(视频、声纳、导航、激光等)监测周围环境，解释输入的信息，将其与任务目标相匹配，并就最佳路线做出实时决策。

人工智能(AI)的进步正在帮助改进机器学习算法。霍沃斯说，深度学习就是一个例子，它使用大量的数据集，标记上特征，然后输入多层(深度)神经网络。这种方法的一个挑战是为算法提供所需的数据量;海底作业的数据集并不一定那么容易获得。为了解决这个问题，SeeByte正在使用更少量的数据来训练深度伪造系统。SeeByte的高级项目主管加文·欧文(Gavin Irvine)说:“然后，Deep Fake技术被用于生成更大的数据集，允许深度学习目标系统在真实和虚假数据的混合上进行训练。”

这不仅仅是车辆及其行为的问题。基础设施需要到位。这包括海底电力分配，其中可能包括英国一些公司正在研究的可再生能源，甚至是美国技术公司Teledyne提出的海底可更换燃料电池，这样就有电力可以充电。海底基础设施也需要设计为车辆友好型。

Blue Logic业务经理海尔格•斯维尔•艾德(Helge Sverre Eide)表示:“要想经济可行，你需要扩大无人机的工作范围。”“你需要改变等式的两边。”这也意味着新的工具-今天大多数工具是液压的;电力系统是需要的，目前正在开发中。海底维护还需要更换更小的部件，就像现代汽车一样。“这是一种不同的心态——一种新的哲学，”他补充道。

然后，考虑到不同厂商的车辆何时可以停靠在不同的停靠站，如何管理它们连接到不同的数据和控制网络的方式?来自Equinor的Jan Christian Torvestad问道。“如果我的手机订阅了挪威的服务，我仍然可以去美国旅行并使用它，即使服务提供商不在那里——我们有协议。有了标准化的对接站，我可以获得电力和通信，然后服务提供商确保在Equinor对接站对接的无人机连接到正确的控制室，”他说。“需要考虑后台的服务IT和体系结构。这是谜题的一部分。”

然后，如何优先分配带宽并确保数据安全?这在商业上如何运作?托维斯塔德表示，回答这些问题后，“你就可以拥有优步自动水下机器人，而且利用率很高，因为你可以从一个任务切换到另一个任务，也可以在不同公司之间切换。”

今年，首个使用常驻海底机器人的商业合同将投入运营。意大利Saipem公司已与Equinor签订合同，将在挪威近海的Njord油田的海床上部署一种工具，供陆上运营商使用。

如果在这方面取得成功，海底作业方式将发生重大变化。英国ROV服务公司ROVOP首席执行官Stephen Gray在阿伯丁举行的Subsea UK水下机器人会议上表示:“我们正处于行业发生重大变化的边缘。格雷认为，这种变化将反映出其他行业已经发生的变化，比如电信业(想想移动电话和苹果突然出现时诺基亚发生的事情)。

“不是技术发展滞后，而是利用它的商业开发滞后。难点在于寻找商业价值，”Oceaneering欧洲新兴技术总监斯蒂芬•林德斯•索(Steffan lindsay ø)表示。今年很可能是这项技术的决定性一年。