海洋科考裝備體系構建及發展方向研究

趙羿羽，曾曉光，金偉晨

(中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

海洋是人類可持續發展的戰略資源寶庫。進入新世紀以來，國際海洋權益斗爭日益激烈。不管是開發海洋還是保護海洋，都必須先通過海洋科考來認識和了解海洋。而海洋科考裝備是完成海洋科考任務的重要載體，包括各類專門用于海洋資源、環境等科學調查和實驗活動的裝備，以及布置在岸邊、海面、水下、海底的各類觀測、檢測裝備[1-2]。

近年來，眾多海洋國家結合其需求和發展基礎，開展了海洋裝備發展方向相關的研究并提出發展規劃。我國也十分重視海洋裝備發展頂層研究，政府機關、行業機構以及相關重點企業提出了一系列發展規劃、重大科技計劃等。這些頂層研究為海洋科考裝備的發展提供了一定的戰略引領。但是，由于海洋科考裝備種類繁多、分類不一，目前尚未有機構公開提出統一的海洋科考裝備體系架構，難以從頂層和系統的角度摸清海洋科考裝備發展現狀；同時，海洋科考裝備技術發展更新換代速度變快，我國海洋科考裝備發展方向亟需更加綜合、深入的研究。本文以構建完善的海洋科考裝備體系為切入點，梳理我國海洋科考裝備現狀與趨勢，提出專業化的發展方向建議，為我國“耕海探洋、認識海洋” 提供參考。

1 海洋科考裝備體系的構建

從海洋科考的活動流程來看，海洋科考裝備涉及海洋進入和海洋探測相關裝備，包括海洋調查船、載人潛水器、無人潛水器、深海空間站、海洋觀測平臺和海洋感知儀器設備等。

1）海洋調查船

按照不同的分類方法，海洋調查船有不同的體系。本文按照調查任務進行分類，包括綜合調查船、專業調查船和特種海洋調查[3]。綜合調查船主要從事海洋基礎科學實驗的綜合調查；專業調查船的船體較綜合調查船小，任務單一，如海洋水文調查船、海洋地質調查船等；特種調查船是指按專門任務建造的結構特殊的調查船，如航天用遠洋測量船、極地考察船、深海鉆探船等。

2）載人潛水器

載人潛水器（HOV）從用途上看，主要包括科學研究、深海探險、觀光旅游和軍事應用等幾大類[4]。用于海洋科學研究的作業型載人潛水器按照不同作業水深，可分為淺水作業型載人潛水器（作業水深在1 000 m 以內）、深水作業型載人潛水器（作業水深在1 000 m 以深）及全海深作業型載人潛水器（最大工作深度超過萬米）等。

3）無人潛水器

無人潛水器主要包括纜遙控潛水器（ROV）、自治無人潛水器（AUV）、水下滑翔機（AUG）及遙控/自治復合型潛水器（ARV）等。按照作業能力，ROV可分為300 米級輕/中/重載型、1 000 米級輕/中/重載型、3 000 米級輕/中/重載型和6 000 米級輕/中/重載型；按照作業水深，AUV 可分為淺海AUV、深海AUV、萬米級AUV；水下滑翔機是基于AUV 發展的新型無人潛水器，遙控/自治復合型潛水器結合了ROV的動力充足和AUV 的行動自如、不受限制等優點，它們的作業水深也從淺海跨越至全海深。

4）深海空間站

深海空間站潛深數百至幾千米，可自主遠距離航行或駐留海底，攜帶若干深海探測裝置、ROV、AUV與水下吊車等作業設備，按其正常排水量大小可分為幾十噸級微型深海空間站、百噸級小型深海空間站、千噸級中型深海空間站等。

5）海洋觀測平臺

本文中海洋觀測平臺指海洋水面及水下用于安裝海洋感知儀器設備的移動及固定平臺。包括海洋浮標、潛標、無人水面艇、自治潛水器、水下滑翔機、波浪滑翔機、拖曳平臺、海上固定觀測平臺等。

6）海洋感知儀器設備

海洋感知儀器設備主要包括海洋環境測量儀器設備、海洋物探儀器設備和海洋測繪儀器設備等。

2 國外發展現狀及趨勢

2.1 發展現狀

國外海洋科考裝備發展現狀包括6 個方面：

1）美國海洋調查船實力最強，調查船總體性能不斷優化

目前全球共有40 多個國家擁有海洋調查船，主要海洋調查船建造國家包括美國、俄羅斯、日本、挪威、德國、中國、英國、西班牙和荷蘭等[5]。近年來，以美國為代表的海洋強國統籌規劃，成體系發展海洋調查船，其新型科考船設計重點突出綜合調查能力的整體優化，設計趨向安靜化、模塊化和信息化[6]。當前，國外先進調查船包括美國Sikuliaq 號極地科考船、英國RRS Sir David Attenborough 號極地科考船、德國Atair II 號LNG 燃料科考船、瑞典Svea 號科考調查船和日本Kaimei 號海洋調查船等。

圖 1 海洋科考裝備體系圖Fig.1 Marine scientific research equipment system diagram

2）深海載人潛水器作業能力不斷增強，作業海深向萬米邁進

深海載人潛水器的研制從20 世紀60 年代開始，發展至今，美國、法國、俄羅斯、日本、中國已具備深海載人潛水器自主研發的能力。具有代表性的深海載人潛水器包括美國6 500 米級 “阿爾文” 號、法國6 000 米級 “鸚鵡螺” 號、俄羅斯6 000 米級 “和平一號” 和 “和平二號”（MIRⅠ& MIRⅡ）、日本 “深海6500”（SHINKAI 6500）號和我國7 000 米級 “蛟龍” 號及4 500 米級 “深海勇士” 號。萬米級載人潛水器[7] 是深海載人潛水器的一大熱點，目前正在開展設計或研制的萬米載人潛水器包括美國DOER 公司的Deepsearch 號、美國Triton 公司的Triton 36000/3、日本的 “深海12000” 號、中國船舶科學研究中心的全海深載人潛水器及上海海洋大學深淵科學與技術研究中心的 “彩 虹 魚” 號。

表 1 世界作業能力4 500 m 以深的載人潛水器Tab.1 Deep-sea manned submersibles with operating capacity over 4 500 meters

3）大深度無人潛水器已成為深海科考的重要工具，新型無人潛水器發展迅速

要完成海洋探測和科學研究，無人潛水器需要工作在3 500 m 以上的更大深度。ROV 系統是目前技術最成熟使用最廣泛、 最經濟實用的一類潛水器[9]。歐、美和日本等發達國家開展了大量的自治潛水器AUV 研究工作，AUV 依靠自身決策和控制能力可高效完成以探測為主的許多任務，是當前無人潛水器的發展重點。同時，多臺協同控制也是智能無人潛水器的重要發展方向。新型的無人潛水器如水下滑翔機、遙控/自治復合型潛水器發展迅速，美國、瑞典、韓國、中國等都在開展遙控/自治復合型航行器的研制，較著名的遙控/自治復合型水下潛水器是美國“海神” 號。

4）世界海洋強國紛紛提出深海空間站構想，正處于技術研發階段

為了解決深海長時間停留、大功率作業等問題，世界海洋強國紛紛提出了深海空間站構想。美國在2007 年和2008 年先后提出了1 000～2 000 噸級的大型深海空間站和海底鉆探能源供應型深海空間站的方案，俄羅斯在1994-2006 年期間提出了新一代的海洋油氣開發深海空間站裝備體系。

5）各類海洋觀測平臺逐步成熟，廣泛應用于科學研究

20 世紀40 年代末至50 年代初，美國、英國、德國、法國和蘇聯等相繼開展了浮標的研制工作。隨著人類大幅開發海洋資源，海洋浮標的研制速度加快，發展至今海洋浮標已進入商品化和實用化階段。20 世紀50 年代初美國最新開展潛標研究，隨后，蘇聯、法國、澳大利亞、日本、德國等國也相繼開展研究和應用，成果已廣泛應用于全球海洋觀測網等計劃。美國和以色列在水面無人艇研發和使用領域處于領先地位，在氣象探測、水文探測等民用領域應用廣泛[11]。

6）新型海洋感知儀器設備層出不窮，很多產品已實現產品化與商業化

在深海環境長期連續觀測的需求下，美國、日本、加拿大和德國等國家已研制出全海深絕對流速剖面儀及深海高精度海流計等深海感知儀器設備，并已形成商品。同時隨著海洋觀測平臺技術的發展，平臺搭載的各類環境監測儀器設備也取得較大進展，例如美國等國家已研制適應于AUV、ROV 和水下滑翔機等觀測平臺的環境要素監測儀器設備[12]。

2.2 發展趨勢

通過資料調研、文獻計量、專利分析、情景分析和專家研討等方法，開展海洋科考裝備發展趨勢研究，主要研究結論包括：

1）海洋調查船向船型多樣化、環境友好化、船舶自動化、設備模塊化、調查多功能化發展

由于海洋調查船上需要布置大量海洋調查儀器設備，小水線面雙體船等船型將得到更多的應用，同時隨著極地運輸與開發的興起，具有極地航行能力的調查船船型也將受到更多關注。海洋調查船將采用綠色能源，減小對環境的影響，同時將逐步實現高度自動化，船員人數不斷減少，生活和工作條件不斷改善。為提高海洋調查船的綜合作業效率，模塊化將成為調查船設計重點，針對不同航段可搭載不同的模塊，從而有效節省船上空間。國外全球級調查船均配備完善的調查裝備系統，可進行海洋物理、物理海洋、海洋生物、海洋化學、海洋氣象等綜合調查作業，因而調查多功能化是海洋調查船的發展方向。

2）載人潛水器向材料和能源新型化、作業工具模塊化、觀測設備高清化、作業協同化發展

對于深海潛水器，耐壓殼體的選擇對控制潛水器的重量至關重要，一些新型耐壓材料如陶瓷，越來越受到重視。蓄電池容量、放電能力及安全性等是制約深海潛水器航行作業時間的瓶頸，新型電池將逐步在深海潛水器中應用。不同的作業工具使用統一的動力接口、安裝接口，便于潛水器根據不同的作業攜帶不同的專用作業工具。隨著人類對深海科考需求的不斷提高，高清的觀察設備越來越成為各個國家深海潛水器設計的重點。各國十分重視載人潛水器與其他深海裝備相互配合、協同作業，通過突破各裝備自身的限制，提高作業的效率、保障作業的安全。

3）無人潛水器向作業遠程化、深海化、智能化、協同化發展

隨著各類體積小、能量密度高的新型能源系統的研發，無人潛水器續航力極大提高。適用于水下應用的非傳統導航方式正不斷推出，將支撐無人潛水器到遠海作業。而材料技術和密封技術的不斷發展，使發展優化6 000 m 水深無人潛水器技術甚至全海深無人潛水器技術，成為許多國家的目標。基于聯合應用多種探測與識別技術，無人潛水器來感知環境和識別目標的能力不斷增強，其自主系統也將具有更高的學習能力。隨著無人潛水器應用的增多，除了單一無人潛水器執行任務外，會需要多個無人潛水器協同作業，共同完成更加復雜的任務，多潛水器協作技術是潛水器重要研發方向之一。

4）居住型深海移動空間站成為國際深海裝備技術發展的前沿

與載人潛水器相比，深海空間站的作業系統更為復雜，具有長時間、全天候、大范圍、大功率、載員多、不受洋面風浪條件影響等優勢。發展能在深海長時間駐留、開展各類水下作業的居住型深海移動空間站及其配套的各類探測與作業輔助裝備，將成為人類進入深海、認識深海與開發深海的重要裝備。

5）海洋觀測平臺向作業多功能化發展，推動觀測系統網絡化、立體觀測常態化

海洋觀測平臺作為海洋科考儀器設備的載體，將實現更多儀器設備的集成，朝著多功能化發展。傳統的點式海底觀測裝備向網絡式海底觀測系統發展，海底觀測系統建設的地點也將逐步實現對重要海域的覆蓋，形成網絡化的海底觀測系統。此外，海洋立體觀測將成為常態，遙感衛星、岸基雷達、潛標、浮標和無人潛水器等觀測平臺與海底觀測網相互連接，形成立體、實時的海洋環境觀測及監測系統[12]。

6）海洋感知儀器設備向微型化、譜系化、智能化發展

隨著先進制造技術、信息技術等快速發展，大型儀器設備朝著體積小、功能齊全的方向發展。各國通過開發不同使用海域、不同海況、不同功能的系列化儀器設備，將形成譜系化海洋感知儀器設備。海洋感知儀器設備也將逐漸向著智能化的方向發展，自主跟蹤、協調和控制系統內設備并進行診斷故障。

3 國內發展現狀及存在的問題

3.1 發展現狀

當前我國在海洋科考裝備發展方面取得了可觀的進展，部分海洋科考裝備已進入國際領先行列，具體包括如下幾個方面：

1） 海洋調查船建造經歷了高潮和低谷，目前正迎來發展高峰期

我國海洋調查船經歷了20 世紀60-70 年代末的建造高峰期和80-90 年代的平穩期后，我國海洋調查船的規劃建造基本停滯不前。進入21 世紀后，相關單位根據需求逐步開始建造新的海洋調查船，以便承擔各大洋區深海海洋科學綜合考察等任務[10]。

表 2 在建的世界先進海洋調查船的主要特點Tab.2 Main features of world advanced marine survey vessels under construction

圖 2 基于文獻計量的無人潛水器研究熱點Fig.2 Research hotspots of unmanned submersible based on bibliometrics

2）深海潛水器技術取得突破，深海空間站項目全力推進

我國深海潛水器技術不斷取得突破，已成為繼美、法、俄、日之后世界上第5 個掌握大深度載人深潛技術的國家，以及日、美兩國之后第3 個擁有研制萬米級無人潛水器能力的國家。深海空間站已列入面向2030 年的國家重大科技項目正按步推進。

3） 海洋觀測平臺發展迅猛，海洋感知儀器設備技術不斷突破

浮標、潛標、無人潛水器等觀測平臺發展迅速，大幅縮小了與發達國家的差距，我國掌握一批達到國際前沿水平的海洋感知儀器設備技術，海洋傳感技術研發能力得到顯著提高，部分儀器設備與國際先進水平的差距正在縮小，有的已達到國際先進水平。

3.2 存在的問題

我國海洋科考裝備存在的問題主要集中在缺乏頂層管理，基礎研究薄弱，自主創新能力差，關鍵配套/設備/零部件等嚴重依賴進口等方面，具體如下：

1）海洋調查船缺乏頂層管理，配套設備依賴國外

我國海洋調查船缺乏頂層管理，裝備建設不成體系。現有海洋調查船多為近海調查船，具有遠洋科考能力的船不多，船型單一、船齡較老，且配套設備基本依賴國外[10]。

2） 潛水器關鍵設備依賴進口， 作業配套能力不足

我國載人/無人潛水器涉及的大深度水下觀察設備、大深度水聲設備等一些關鍵設備還需要依靠進口，深海作業配套能力不足，對傳感器等關鍵專用設備缺乏專門研究，專用設備的發展遠滯后于潛水器總體集成技術的發展，且潛水器尚未形成譜系化。

3）海洋觀測平臺及儀器設備市場占有率低，缺乏自主創新技術

我國海洋觀測平臺及感知儀器設備關鍵技術和產品性能與世界先進國家相比仍有一定差距，缺少具有一定知名度和市場占有率的支柱產品。重視型號集成、輕視基礎元器件和基礎制造工藝，造成關鍵、共性基礎工藝薄弱。

4 我國海洋科考裝備發展建議

我國海洋科考裝備的發展思路是：以我國海洋發展戰略為牽引，以滿足我國海洋科學研究的需求為導向，以構造我國海洋科學研究運載裝備的完整體系為目標，推進我國海洋科考裝備與科技的發展。到2035年形成完整的海洋科考裝備及配套設備的自主設計、建造、試驗及運維產業鏈，滿足我國深海和極地科考需求。結合國內外發展現狀，提出如下幾點發展建議。

表 3 全球主要的海洋觀測網Tab.3 Major ocean observing networks around the world

1）以市場需求為牽引制定頂層發展規劃

持續開展海洋科考裝備市場需求跟蹤研究，以市場需求為牽引，以國家戰略為導向，制定海洋科考裝備體系發展的近期和中長期發展規劃，對標國外海洋發展戰略，明確我國海洋科考裝備發展路徑，分步實施，通過支持重點企業和重點技術發展，推動我國海洋科考裝備健康發展。同時，建議加大對我國海洋科考裝備配套產業發展的政策支持力度，爭取做到 “國船國配”。

2）加大海洋科考裝備研發

開發新型海洋科考船，貫徹安靜化、模塊化和信息化理念，實現海洋科考船調查功能綜合化、環境友好化、綜合作業高效化以及科考數據信息化[6]；加快研發新型、高性能的極地科考裝備，加強對海冰力學特性、冰水動力學、冰載荷等關鍵技術的理論和實驗研究，突破極地可靠裝備設計建造核心關鍵基礎問題[14]，形成近海、遠海、遠洋和全球級的綜合調查船、專業調查船和特種調查船組成的完備海洋科考船體系。此外，目前我國調查船的配套設備嚴重依賴國外，技術與工業能力相對落后，應引起重視，加強我國海洋科考船配套設備技術研發和相關能力建設。

突破深海有/無人裝備共性技術，以及大型超大潛深結構、高密度能源動力、深海原位探測取樣與實時研究、深海設施水下布放/安裝/維修/回收作業、深海逃逸等核心關鍵技術，開展深海載人潛水器關鍵材料和設備的自主化研發，加快研制全海深載人/無人潛水器，推動我國載人潛水器譜系化發展，提升深海載人潛水器作業性能。

突破超大潛深作業與居住型深海空間站關鍵技術，具備載人自主航行、長周期自給及水下能源中繼等基礎功能，可攜帶各類水下作業裝備，實現海洋資源的探測、水下鉆井、平臺水下安裝、水下檢測/維護/維修等[15]。

開展海洋浮標、潛標及各類海洋感知儀器設備等關鍵裝備及系統的開發和研制，提升海洋感知精度，推進國產海洋儀器設備的工程化應用。

3）推進海洋科考裝備軍民融合發展

海洋調查船、潛水器、深海空間站、各類觀測平臺等是典型的軍民融合裝備。加大海洋科考裝備軍民融合發展科研資金支持力度，推動建立政府引導、企業主導、產學研軍緊密結合的軍民融合創新體系。鼓勵具備條件的民用企業和軍工企業，以海洋科考裝備關鍵共性技術攻關和重大裝備研發為紐帶，開展海洋科考裝備的合作研制與生產。

5 結 語

習近平總書記提出，開展海洋和極地考察、探索地球科學奧秘具有重大現實意義。海洋科考，裝備先行。本文以海洋科考需求為導向，開展海洋科考裝備頂層研究；構建了包括海洋調查船、載人潛水器、無人潛水器、深海空間站和海洋觀測平臺等在內的多層級海洋科考裝備體系；提出了各類海洋科考裝備的發展趨勢，包括海洋調查船向船型多樣化、多功能化發展，載人潛水器向材料和能源新型化、作業協同化發展，無人潛水器向作業遠程化、智能化發展，海洋觀測平臺向作業多功能化發展，海洋感知儀器設備向譜系化、智能化發展等。針對我國海洋科考裝備存在的問題，提出了頂層發展規劃、加大海洋科考裝備研發、軍民融合發展等方面的建議，為我國深海和極地科考裝備技術發展提供參考。