無人船在海洋調查領域的應用探討

滕壽仁 吳文彬 李海洋 韓曉濤 王曉亮

（遼寧省地質礦產研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110032）

一、引言

無人船是一種可執(zhí)行某項或某類任務，并基于任務目的進行功能設計的水面機器人，最初主要用于軍事領域，如協助完成警戒巡邏、情報收集、監(jiān)視偵察、掃獵雷、探潛、火力打擊和充當通信中繼等戰(zhàn)術支持任務。近年來，無人船在民用領域廣泛投入使用，執(zhí)行水體探測、海上搜救和海底打撈等任務。

無人船最早在二戰(zhàn)時期作為一次性的制導武器投入使用。進入21 世紀之后，隨著通信和人工智能等技術的發(fā)展，制約無人船發(fā)展的技術瓶頸得到解決，無人船高速發(fā)展，在軍用和民用領域不斷有新產品問世。美國和以色列的無人船項目研究較早，技術領先，其產品主要應用于軍事領域。目前全球約有50 種無人船平臺，其中軍用占70%,美國占50%.2008 年，通用動力公司為美國海軍交付2 艘“港灣”級反潛無人船，主要用執(zhí)行反潛任務；2012 年，美國展示新型無人船“食人魚”，該船具有掃雷、探測和攻擊等功能。

二、無人船在海洋調查領域的應用

當前在海洋調查領域，調查設備和作業(yè)手段方面已有很大進步，但受調查平臺自身局限性的制約，在一些特殊的、危險的水域內，調查工作仍難以開展或采集到的數據較差。在淺灘、水庫和近岸水域等調查區(qū)，常規(guī)海洋調查船的體積較大，吃水較深，一般無法到達，有發(fā)生傾覆、翻船等危險事故的可能性，會造成人員傷亡和設備損失；在測量水下地形時，仍以人員操控為主，受其理論水平和實際工作經驗的影響，外業(yè)采集數據會存在一定的誤差。根據調查現狀，結合無人船機動靈活、安全、隱蔽性強等特點，可將無人船引入海洋調查領域，作為一種新型調查平臺使用。根據海上作業(yè)的任務，將其分為海洋環(huán)境觀測和海底探測2 類。

（一）海洋環(huán)境觀測

目前海洋環(huán)境觀測技術主要可歸納為浮標和潛標技術、岸基臺站觀測技術、船基海洋觀測技術、海洋遙感技術、海床基觀測技術和水下自航式海洋觀測平臺技術。以船舶為活動平臺進行海洋溫鹽深測量，海流觀測是主要方向。在用無人船觀測海洋環(huán)境時，可搭載全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS)、以CTD 為代表的多參數剖面測量系統(tǒng)、氣象觀測系統(tǒng)、ADCP 和高光譜水質儀等模塊，進行風暴潮、赤潮等災害的監(jiān)測，海洋動力環(huán)境的調查，深海浮標、潛標等的在線檢定、標定。在進行海上工作時，無人船同時搭載多種任務設備，可進行綜合調查；內置GNSS 定位，相比有人船循線更加精確；部分數據可實時回傳，使用者可第一時間進行數據分析。目前無人船很少應用于海洋環(huán)境觀測領域，主要是因為：

1.海洋環(huán)境觀測用到的溫度和鹽度等數據，與水體深度有關，需對不同層次的水體進行取樣或測量，而無人船平臺體量小，搭載的空間有限，觀測設備多為固定安裝，因此在測量深度、取樣數量等方面都受到限制，傳統(tǒng)調查船平臺反而更有優(yōu)勢。

2.有人船在進行海洋環(huán)境觀測時受到海流、波浪和生物等因素的影響，經常要手動操控觀測設備，以達到修正數據或規(guī)避風險的目的。而當前應用于無人船的控制技術還不夠發(fā)達，在突發(fā)海況下，無人船的應變、自我調控能力不足，目前只能作為常規(guī)環(huán)境觀測的補充手段，如要大量投入到環(huán)境觀測中，還需要進行技術革新。

（二）海底地形地貌探測

水聲探測技術是海底探測的主要手段，其基本內容包括聲層析技術、聲成像技術、高分辨率聲學多波束測深技術、多功能海底地層剖面聲探測技術和多媒體聲通信技術等。用于海底探測的無人船搭載GNSS、單波束測深儀、側掃聲吶，合成孔徑聲吶、條帶測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和投放式聲納等模塊，可執(zhí)行水深地形測量、海底目標物檢測和沉積環(huán)境調查等任務。無人船平臺具有遠程遙控、全球定位系統(tǒng)（GPS)自動導航、自主航行和自動避障等功能，可在視距外作業(yè)。工作時，先在基站上下載作業(yè)水域的地圖，輸入坐標，規(guī)劃測線，然后將任務下達給無人船，即可開始工作。作業(yè)過程中，可通過遠程控制等方式調整側掃聲吶等測量儀器的參數。在淺水區(qū)、島礁區(qū)和危化品區(qū)等常規(guī)測量船難以進入的區(qū)域可采用母船與無人船聯合作業(yè)的模式來提升作業(yè)效率。2016 年6 月至8 月，TerraSond 使用C-Worker5 無人船結合32m 長的調查船Q105 在阿拉斯加白領海域進行海道測量。無人船作為力量倍增器，在大船旁邊采集多波束和拖曳式側掃數據，協同作業(yè)。5.5m 的無人船采集了4213km 的測線數據，完成了44%的工程量實現了業(yè)內第一生產效率。

三、結論

無人船具有機動、靈活、安全性高的特點，可彌補常規(guī)調查平臺在環(huán)境復雜、工況惡劣的水域作業(yè)的局限性，故將其引入海洋調查領域，作為一種新的調查平臺使用。目前無人船主要用于海底探測和海洋環(huán)境觀測，受導航精度、控制技術、動力續(xù)航及船體材料等條件制約，多在內陸河流、湖泊及淺海區(qū)域作常規(guī)調查使用，如何在強風浪條件下保持船體的穩(wěn)定性和安全性，降低平臺對任務載荷的擾動，是目前各研究組織急需攻克的難題。可以根據水深、水動力和水底地形地貌等條件，將無人船的工作環(huán)境分為島礁區(qū)、濱海區(qū)、淺海區(qū)、半深海區(qū)和深海區(qū)5 類。結合作業(yè)環(huán)境，以無人船的體量、吃水深度為依據，建議將其分為微型平臺、小型平臺、中型平臺、大型平臺、超大型平臺。可以預測隨著平臺技術的不斷進步，無人船最終可在搭載常規(guī)探測設備實現傳統(tǒng)調查手段的基礎上，實現搭載無人機、無人潛器和自升降浮標等，成為一種安全可靠的常規(guī)調查平臺。