海洋聲學(xué)信息感知實(shí)驗(yàn)室海洋聲學(xué)實(shí)驗(yàn)與人才培養(yǎng)

李 輝，楊坤德，段順利，楊秋龍

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

1996年，我國(guó)將海洋領(lǐng)域納入“863計(jì)劃”[1]。海洋是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局中的地位和作用日益突出。黨的十八大作出了建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重大戰(zhàn)略部署[2]。海洋科技在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的引領(lǐng)支撐作用日顯重要。在黨的十九大報(bào)告中，堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌、加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)成為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[3]。在新的歷史發(fā)展方位下，藍(lán)色海洋、綠色海洋以及智慧海洋是海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[4-6]。此外，海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，以國(guó)防領(lǐng)域?yàn)槔枰诤Ｑ蠊こ萄b備制造及高新技術(shù)發(fā)展等方面投入更多的精力和財(cái)力。

要早日實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵，高校又是培養(yǎng)人才的發(fā)源地和聚集地。為落實(shí)“優(yōu)先發(fā)展教育，建設(shè)人力資源強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略部署，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》（以下簡(jiǎn)稱《綱要》），明確提出要促進(jìn)教育事業(yè)科學(xué)發(fā)展，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。高校實(shí)驗(yàn)室集中了高校主要的技術(shù)設(shè)備和教學(xué)科研資源，是科技創(chuàng)新及人才培養(yǎng)的重要場(chǎng)所，也是服務(wù)社會(huì)的重要平臺(tái)和保障[7-10]。

在此背景下，我校航海學(xué)院依托船舶與海洋工程國(guó)家一級(jí)學(xué)科，通過(guò)“985工程”二期、三期建設(shè)和“211工程”三期建設(shè)，申報(bào)建立了海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)運(yùn)行為水下聲場(chǎng)聲信息感知相關(guān)的前沿基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究提供了必備的實(shí)驗(yàn)研究條件，成為我國(guó)水聲學(xué)、水聲信息處理和海洋技術(shù)人才培養(yǎng)的重要基地之一。本文以實(shí)驗(yàn)室管理為切入點(diǎn)，依托科研項(xiàng)目開展的多次海上實(shí)驗(yàn)，著重人才培養(yǎng)，探討實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和人才培養(yǎng)機(jī)制。

1 海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

我校船舶與海洋工程是一級(jí)學(xué)科，包含水聲工程和船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造兩個(gè)二級(jí)學(xué)科。2007年，水聲工程學(xué)科被批準(zhǔn)為國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，并依托水聲工程學(xué)科建立了船舶與海洋工程博士后流動(dòng)站。2010年，教育部設(shè)置“水聲工程”為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科新專業(yè)。2015年，海洋聲學(xué)信息感知首批獲得工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

目前，國(guó)內(nèi)外海洋聲學(xué)信息感知領(lǐng)域最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)可歸納為：將復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境與海洋聲學(xué)緊密結(jié)合，開展深遠(yuǎn)海研究；將海洋聲學(xué)物理特性與水聲信號(hào)處理緊密結(jié)合，提升水聲系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性信息處理能力；結(jié)合重大海洋工程與海洋開發(fā)項(xiàng)目，發(fā)展可靠的海洋信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

因此，海洋聲學(xué)信息感知實(shí)驗(yàn)室以國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)防建設(shè)需求為導(dǎo)向，面向“深化近淺海、開拓深遠(yuǎn)海”的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，緊緊圍繞海洋開發(fā)利用、海洋信息監(jiān)測(cè)、水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)等重大戰(zhàn)略需求和重大科技難題，開展海洋聲學(xué)、水聲信息處理、水聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成等方面的高水平科研工作。聚集和培養(yǎng)一批優(yōu)秀的科技人才，開展高層次國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，為海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)、海洋國(guó)防建設(shè)提供平臺(tái)支撐。

1.2 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理架構(gòu)

高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的工程，實(shí)驗(yàn)室日常管理、隊(duì)伍建設(shè)等依然是高校理工科實(shí)驗(yàn)室比較薄弱的環(huán)節(jié)[11-13]。良好的管理體系是實(shí)驗(yàn)室良性發(fā)展的必備條件。

海洋聲學(xué)信息感知實(shí)驗(yàn)室屬于工業(yè)和信息化部歸口管理，我校是該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行管理的具體負(fù)責(zé)單位，學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究院作為學(xué)校各級(jí)各類實(shí)驗(yàn)室的管理部門，具體負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的日常管理并進(jìn)行督促檢查。海洋聲學(xué)信息感知實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行管理架構(gòu)如圖1所示。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室下設(shè)辦公室和3個(gè)研究室，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)主要研究方向（海洋聲學(xué)、水聲信息處理和水聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成），并設(shè)有研究方向負(fù)責(zé)人和學(xué)術(shù)帶頭人，共同支撐重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究、學(xué)術(shù)交流和成果轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)室辦公室設(shè)3個(gè)崗位，配合實(shí)驗(yàn)室主任、副主任做好管理與服務(wù)工作。此外，2016年實(shí)驗(yàn)室成立了首屆學(xué)術(shù)委員會(huì)，聘請(qǐng)30多位行業(yè)內(nèi)知名學(xué)者作為實(shí)驗(yàn)室的客座教授，此外實(shí)驗(yàn)室已建立并完善了實(shí)驗(yàn)室管理制度。

圖1 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理架構(gòu)

1.3 實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y隊(duì)伍

雄厚的師資力量是實(shí)驗(yàn)室人才培養(yǎng)的重要支撐。海洋聲學(xué)信息感知實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有專任教師 70余人，其中，中國(guó)工程院院士3人，國(guó)家杰出青年基金獲得者1人，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授1人，“萬(wàn)人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才2人等。2019年，實(shí)驗(yàn)室新增國(guó)家級(jí)和省部級(jí)人才稱號(hào)4人次，青年人才托舉計(jì)劃入選者5人。良好的師資隊(duì)伍確保了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作的順利開展。

1.4 實(shí)驗(yàn)室設(shè)施設(shè)備

一流的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目建設(shè)的基石。在已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)施中，消聲水池是典型代表，如圖2所示。1988年，我校建成了當(dāng)時(shí)全國(guó)最大的多用途消聲水池，可模擬聲學(xué)海洋環(huán)境，進(jìn)行多類型水下聲學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。消聲水池長(zhǎng)20 m × 寬8 m × 深 7 m，消聲單元體采用楔形橡膠尖霹板，單元體等間隔排列在水池6個(gè)面上，形成低頻寬帶平行通道消聲結(jié)構(gòu)，以達(dá)到模擬海洋環(huán)境的效果。消聲水池主要用于聲納等國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)的科研研制，以及水聲工程學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。目前，我校歸屬實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備有100余臺(tái)套，為優(yōu)化科技資源配置，提高大型儀器設(shè)備使用效率，將50萬(wàn)元以上的儀器設(shè)備逐步納入學(xué)校和學(xué)院的開放共享管理體系。

圖2 消聲水池

2 海上實(shí)驗(yàn)

2.1 項(xiàng)目支撐

依托海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我校航海學(xué)院承擔(dān)了一系列科研項(xiàng)目。其中 2019年實(shí)驗(yàn)室新增國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家海洋重大專項(xiàng)和國(guó)家自然基金等40余項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)總額超1億元，保障了實(shí)驗(yàn)室三大方向的科學(xué)研究。在10余年研究基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室突破了水聲數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程高速傳輸技術(shù)，并于2019年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。此外，我校航海學(xué)院已成為能夠獨(dú)立承擔(dān)海洋聲學(xué)綜合考察任務(wù)的國(guó)內(nèi)少數(shù)幾個(gè)單位之一。高水平科研項(xiàng)目有力地支撐了實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行與發(fā)展。

2.2 實(shí)驗(yàn)組織

海洋聲學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其創(chuàng)新發(fā)展離不開海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取與分析。區(qū)別于水池實(shí)驗(yàn)和湖上實(shí)驗(yàn)，海上實(shí)驗(yàn)需要隨時(shí)應(yīng)對(duì)惡劣海況、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備故障或?qū)嶒?yàn)人員暈船等不利因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室多年海上實(shí)驗(yàn)組織經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析全過(guò)程需要“分工明確，責(zé)任到人”。

2.2.1 方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織海上實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案的編寫和論證。實(shí)施方案主要包括技術(shù)方案、設(shè)備方案、任務(wù)分工、應(yīng)急方案和數(shù)據(jù)收集分析等。技術(shù)方案是否合理關(guān)系到項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)的考核，在技術(shù)方案論證過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)海域地形和歷史水文數(shù)據(jù)資料開展充分的數(shù)值模擬。技術(shù)方案是實(shí)施方案的核心，除非遇到不可抗力，臨時(shí)調(diào)整技術(shù)方案容易造成后續(xù)工作準(zhǔn)備不充分，進(jìn)而可能帶來(lái)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備是完成實(shí)驗(yàn)的手段，任務(wù)分工則圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以小組形式配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)人員。應(yīng)急預(yù)案主要從安全角度考慮各種應(yīng)對(duì)策略。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)組織

實(shí)驗(yàn)設(shè)備收放過(guò)程是海上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)組織的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備收放需要在有限的時(shí)間內(nèi)完成所有規(guī)定動(dòng)作，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的體力、注意力以及應(yīng)變能力都是很大的考驗(yàn)。準(zhǔn)備充分、檢查仔細(xì)是設(shè)備成功布放和回收的前提，布放回收過(guò)程中配合是關(guān)鍵。圖3是海上實(shí)驗(yàn)聲源設(shè)備吊放過(guò)程。聲源設(shè)備主要由絞車的鋼纜承重，為了設(shè)備安全，另有凱夫拉繩連接聲源設(shè)備的承重部分，并且為了利于布放回收，設(shè)備電纜和凱夫拉繩通過(guò)白布條捆綁在一起。圖4是布放過(guò)程中的自容式采集系統(tǒng)。為了采集高質(zhì)量水聲信號(hào)，設(shè)備與凱夫拉繩之間需要足夠“牢靠”，不能出現(xiàn)松動(dòng)或滑動(dòng)。

圖3 海上實(shí)驗(yàn)聲源設(shè)備吊放

圖4 海上實(shí)驗(yàn)自容式采集系統(tǒng)

2.2.3 數(shù)據(jù)記錄

海上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，多種儀器設(shè)備協(xié)同工作的一個(gè)重要細(xì)節(jié)是設(shè)備時(shí)間同步。海上實(shí)驗(yàn)是綜合實(shí)驗(yàn)，除了常規(guī)的水聲信號(hào)發(fā)射和接收外，船舶位置、水深、流速、流向、海況，以及周邊航船情況等是由不同的設(shè)備測(cè)量完成，并且每個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘都有可能出現(xiàn)偏移。因此，如果忽視了設(shè)備之間的時(shí)間校準(zhǔn)，在后期數(shù)據(jù)處理中，尤其是過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間或者沒(méi)有參加海上實(shí)驗(yàn)的人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，將難以利用某些特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行同步比對(duì)、分析或佐證。

2.3 海試經(jīng)驗(yàn)

近5年來(lái)，海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了10余次海上實(shí)驗(yàn)，每次海上實(shí)驗(yàn)都會(huì)面臨不同的考驗(yàn)，如惡劣海況、高溫炙烤、外部干擾等。通過(guò)已經(jīng)開展的多次海上實(shí)驗(yàn)，需要注意“三個(gè)安全”，即人員安全、設(shè)備安全和數(shù)據(jù)安全。

（1）人員安全。保障人員安全是海上實(shí)驗(yàn)的首要任務(wù)。安全培訓(xùn)包括航前教育、海上逃生演練、設(shè)備操作培訓(xùn)以及定期的安全會(huì)議等。此外，除了保障實(shí)驗(yàn)人員的生命安全外，還需要關(guān)注每位實(shí)驗(yàn)人員的飲食習(xí)慣、睡眠質(zhì)量和心理情緒，并定期組織活動(dòng)，活躍氣氛、增強(qiáng)凝聚力。

（2）設(shè)備安全。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的安全是順利完成海上實(shí)驗(yàn)的基本保障。區(qū)別于陸上實(shí)驗(yàn)，在海上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備故障將帶來(lái)致命性的打擊，很可能導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容甚至全部實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的終止。保障儀器設(shè)備安全的關(guān)鍵在于規(guī)范操作和精心保養(yǎng)，如儀器設(shè)備出水后一般需要淡水沖刷，擦拭干凈后按使用說(shuō)明保管等。

（3）數(shù)據(jù)安全。真實(shí)的海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理在一定程度上能驅(qū)動(dòng)科技創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和分析是海上實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)的安全性至關(guān)重要。在海上實(shí)驗(yàn)中，一般需要做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類、說(shuō)明、備份。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)由專人保管、傳送和再分配。

3 人才培養(yǎng)

3.1 實(shí)踐教學(xué)

由于西安地處內(nèi)陸，在水聲工程學(xué)科學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，通常以計(jì)算機(jī)仿真、水池實(shí)驗(yàn)或湖上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理為主，難以取得高水平基礎(chǔ)研究成果。《綱要》指出，牢固確立人才培養(yǎng)在高校工作中的中心地位，著力培養(yǎng)本領(lǐng)過(guò)硬的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才，支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，近5年來(lái)，海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以海洋聲學(xué)調(diào)查航次為契機(jī)，著力培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。海上實(shí)驗(yàn)始終貫穿科研思政育人的理念，引導(dǎo)學(xué)生明確人生目標(biāo)，提高自身修養(yǎng)，構(gòu)筑新時(shí)代海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。同時(shí)，結(jié)合海上實(shí)驗(yàn)，通過(guò)親身實(shí)踐向?qū)W生宣講和強(qiáng)調(diào)團(tuán)結(jié)協(xié)作、大膽創(chuàng)新的重要性。這些寶貴的海上實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷，將是學(xué)生畢業(yè)時(shí)最為重要的收獲之一。

3.2 科研育人

近5年來(lái)，結(jié)合海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一批這一領(lǐng)域的論文。2019年，實(shí)驗(yàn)室新增SCI論文60余篇，在全校評(píng)選出的10篇高水平論文中，有4篇論文直接得益于海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取與分析處理。特別是針對(duì)深海可靠聲路徑、聲傳播規(guī)律和目標(biāo)定位方法研究，實(shí)驗(yàn)室近幾年已發(fā)表了多篇高水平論文[14]，研究成果得到國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可。

直接參與科研項(xiàng)目是人才培養(yǎng)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。近5年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室結(jié)合所承擔(dān)的多項(xiàng)重大科研項(xiàng)目，通過(guò)海上實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)了一大批海試能力強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富的碩博研究生，為百余人次研究生綜合能力的提高創(chuàng)造了海上實(shí)驗(yàn)條件。自2016年來(lái)，已有10余位博士畢業(yè)生的論文課題與深遠(yuǎn)海聲學(xué)研究有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

科技進(jìn)步和人才培養(yǎng)均離不開高水平實(shí)驗(yàn)室。海洋聲學(xué)信息感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自建設(shè)以來(lái)，緊緊圍繞國(guó)家在開拓深遠(yuǎn)海方面的戰(zhàn)略需求，研制出系列化深海環(huán)境調(diào)查裝備和探測(cè)系統(tǒng)，取得了階段性進(jìn)展。今后，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)以國(guó)家重大海洋戰(zhàn)略和海洋工程建設(shè)需求為牽引，組建研究隊(duì)伍，融合各相關(guān)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)一批優(yōu)秀人才，為提升我國(guó)海洋工程、海洋開發(fā)、海洋保護(hù)等領(lǐng)域的工業(yè)化和信息化水平，提供有力支撐。