水下機器人發展趨勢及前景

韋榮偉

海洋是我國重要的國土資源，在軍事戰略上和社會經濟方面的地位十分重要。在國外非法在我國南海開采石油及我國對南海資源愈加重視的背景下，NHSY981、奮進號、興旺號等自主研發的深海鉆井平臺制造成功，并到南海進行開采，對ROV的需求日漸擴大。在從淺海走向深海的海洋活動中，ROV占據了重要位置。2017年，中石油使用“藍鯨一號”鉆井平臺在南海的天然氣水合物試采成功，預示著國家油氣的開采中心逐漸轉向深海，隨之ROV產業也將快速發展。現在，ROV在海洋活動中的運用日漸平凡及多樣化，繼小型個人無人機后，小型的觀察型ROV也逐漸成為人們追逐的產品[1]。在大型作業級ROV方面，除用于海洋石油工程外，在科學考察、海底光纜鋪設維修及深拖系統等深海設施安裝也占據重要位置。隨著國家愈發重視海洋資源，國內ROV研發力度加大。南海天然氣水合物的試開采成功，也預示著深海油氣開采需要更多的ROV支持[2-3]。

本文充分分析國內外水下機器人發展歷程和現狀，展望未來水下機器人的發展方向，為我國水下機器人發展獻計獻策。

1 水下機器人國內外發展趨勢

有纜水下機器人最早產生于20世紀50年代，當時主要用于魚雷和水下導彈回收任務而由軍方研制。美國海軍1956年研制出的“開爾夫”1號機器人在服役期間曾執行數百次使命，其中包括從海底回收100多枚魚雷[4]。

在20世紀70年代，油價的飆升和海洋石油開采技術的發展，人們對ROV的需求加快了其的研制及生產。隨后ROV的功能不僅僅用于觀察，在科考、實驗、水下工程、打撈等水下作業方面，ROV逐步代替了潛水員。ROV的功能性更加豐富，性能越來越好，作業水深及環境的范圍也越來越廣。當今，英國、美國、日本、俄羅斯等國在水下機器人方面都擁有較高的技術優勢。水下機器人已廣泛應用于經濟及軍事等不同領域，成為水下觀察和水下作業方面最有效和最具潛力的水下開發工具[5]。

我國與其他國家類似，也是從軍事需求方面開始對ROV進行研究和開發。到目前已有成系列的軍用水下機器人在役。同時，還研發出水下機器人模擬器進行操作人才培養。

1.1 國外發展現狀

1974年，油價的上漲刺激了海洋石油工業的發展，ROV由軍事化向商業化迅速發展。目前，全世界有超過400家廠商提供ROV生產銷售及作業功能服務。全世界大約有1100多臺工作級ROV。美國Oceaneering作為最大的ROV制造及作業公司，擁有大約400臺ROV，占據世界鉆井支持業務的30%。英國的Saab Seaeye、Schilling及SMD均是世界上較大的ROV供應商。

在軍事方面，自20世紀末，水下無人作戰裝備備受國外海軍青睞，得到了長足發展。無人潛航器正逐漸成為美國海軍的水面艦艇和潛艇的常規配置。2005年，無人潛航器經由美、英等軍事大國的海軍軍備上的表現，在世界各國得到了快速發展。美國海軍調整了其無人潛航器的發展計劃；因潛航器在伊拉克作戰中的良好表現，英國海軍開始從美國引進這種裝備，德國也研制出了新型無人潛航器，并開始了演示試驗活動；澳大利亞、挪威等國也在積極研發無人潛航器的相關技術。無人潛航器具備的水下情報探取，水面與水下聯動偵查監控、水下作戰、后勤支持等能力，已使其成為世界各國現代化海軍裝備的重要研究項目[6]。

1.2 國內發展現狀

自1974年至1980年，日新月異的工業機器人技術進步，以及為豐富海上救助打撈手段和近海海底油氣田的勘探、開采，我國也跟進了水下機器人研究以及應用的工作。

近些年，在水下機器人AUV（Autonomous Underwater Vehicle）方面2013年哈工大和沈自所研發的“潛龍一號”執行下潛至5080m的深度，完成指定任務。2017年3月，“海翼”號深海滑翔機在馬里亞納海溝完成最深達6329m的下潛觀測任務，顯示出我國以沈陽自動化研究所為代表的自主式水下機器人AUV研究工作取得顯著進步。

在水下機器人ROV（Remote Operated Vehicle）方面，2009年上海交通大學研制出下潛深度3500m的“海龍”號，并多次完成科考任務。2017年8月，為中科院科考研制的下潛深度為7000m的遙控式水下機器人ROV正在深圳裝機，10月份的海上測試已完成了下潛深度6000m的挑戰。這些成果均是我國水下機器人技術發展的證明。

但由于在探測技術、工藝水平、綜合顯控、綜合導航與定位等技術上存在的差距較大，致使國產水下機器人的大多屬于實驗階段，沒有成型的商業化產品。目前，國內在不同領域的應用客戶許多是購買或租借國外現有產品，不僅價格高、配套服務難，而且有些產品并不適合中國海區的使用特點，機動性、抗流能力及作業能力都顯不足[5]。

2015年，中國南車時代電氣收購英國SMD公司，運用國外技術，開始進行國產ROV的商業化。隨著國內技術的成熟，更多的生產商從觀察型ROV生產逐步轉向工作型ROV的生產，以滿足國內需求。

在國內無人機市場蓬勃發展后，國內眾多廠商把目光意向了人類好奇的海洋。目前小型ROV用于娛樂、科教紀錄片拍攝和水底世界簡單探索三方面。受限于技術、材料、通信等，大多小型ROV下潛深度大約在100m。

2 技術發展趨勢

ROV系統是一個多學科綜合體，隨著科學技術的發展，ROV自身也不斷向前發展[7]。

2.1 ROV性能提高

根據實際應用和關鍵技術的突破，ROV在性能方面主要有兩個發展趨勢：擁有極強的作業功能和全海深的作業能力[6]。

隨著海洋活動更為頻繁和重要，深海作業的內容變得更為復雜，因而，拓展ROV系統在海中的更多功能性是重要的發展方向。通用化與模塊化是提高功能性的發展方向，讓水下機器人能夠使用不同的工具完成水下復雜的取樣，拆裝設備及提供液壓電氣給水下設備等作業。

隨著人類向海洋開發的推進，海底的深度越來越深，相應的水下機器人作業的下潛深度也隨之增加，ROV將向全海深作業方向發展。

2.2 小型化和個人化

ROV從貴重的水下作業機器轉向小型化和個人化的商業產品。與小型無人機一樣，人們的視線會逐漸從天空轉向海洋。小型的ROV可以滿足人們對海洋的好奇心。現在，國內有眾多的小型ROV生產商，但其潛深能力及遠航能力受限于臍帶纜、密封性、動力性及浮體材料等因素，均表現不太好。隨著技術不斷發展，安全性和小型ROV性能將是生產商的研發方向，水下定位技術也是小型ROV發展要克服的技術難題。

2.3 VR技術

ROV在水下有目標作業時，主要靠攝像頭來觀察然后進行后續作業。360°環視VR技術的發展，可以讓ROV可以輕松進入導管架等復雜的環境，降低其中的風險，同時，ROV使用機械手和扭力工具時能更精準細膩的操作，可以保護水下設備不被誤傷。對于個人化的小型ROV，VR技術能給人帶來更好的海底體驗。

2.4 AUV與ROV技術混合發展

水下機器人技術在ROV和AUV兩個方向都有良好的發展。AUV活動范圍不受臍帶纜限制，但受到續航能力和數據傳輸能力制約，而ROV受到臍帶纜限制，活動范圍小，但數據采集量大，人機互動高，不受續航能力制約。美國伍茲霍爾海洋研究所在全海深混合ROV技術方面做出了成功嘗試，他們于2007年研制完成了“海神”號混合ROV，并于2009年6月2日在第12潛次下潛至10898m處進行了沉積物取樣[4]。結合二者的長處便是未來水下機器人的發展方向。

3 結語

近年來，水下機器人技術發展迅速，國內大連海事大學、上海交通大學、沈陽自動化研究所等機構都在大力研究和開發，并取得了一定成果，但在軍事方面和商業化方面還落后于英美日等國家。現在國家海軍的飛速發展，研究機構與企業的更為重視，水下機器人技術將會在未來快速向國外靠近乃至趕超，前景可期。

[1]黃明泉.水下機器人ROV在海底管線檢測中的應用[J].海洋地質前沿，2012，28（2）：52-57.

[2]晏勇，馬培蓀，王道炎，高雪官.深海ROV及其作業系統綜述[J].機器人，2005，（1）：82-89.

[3]許競克，王佑君，侯寶科，楊立浩.ROV的研發現狀及發展趨勢[J].四川兵工學報，2011，32（4）：71-74.

[4]彭學倫.水下機器人的研究現狀與發展趨勢[J].機器人技術與應用，2004，（4）：43-47.

[5]徐建寧.水下航行器內部信息傳輸方法研究[D].西安：西北工業大學，2007：12.

[6]吳吉偉，徐先勇，陸文俊.淺談無人潛航器在反潛作戰中的應用[J].軍民兩用技術與產品，2014，（7）：58-59.

[7]陳宗恒，盛堰，胡波.ROV在海洋科學科考中的發展現狀及應用[J].科技創新與應用，2014，（21）：9-10.