水下機器人標準體系框架構建探索

郭小勇 湯海榮 徐春紅

摘要：水下機器人作為一類特種機器人，日益成為探索海洋奧秘、開發海洋資源的重要工具，被稱為海洋高技術的皇冠，正逐步成為國家間海洋技術競爭的制高點。水下機器人標準體系最直接的作用是指導、規范水下機器人標準制定工作，使人們清楚水下機器人標準化工作方向和重點，有助于推動水下機器人研發和產業化進程，促進快速、健康發展。文章在介紹國內外水下機器人標準制訂的基礎上，探討水下機器人標準體系框架構建思路，提出標準體系建設路徑，明確水下機器人標準化工作范圍和領域，并構建了水下機器人標準體系序列結構、三維結構、層次結構3種框架模型，為構建我國水下機器人標準體系提供了有價值的參考。

關鍵詞：水下機器人；標準體系；海洋技術；框架；人工智能

中圖分類號： P 7 5 4 . 4 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 5 3-0 4

E x p l o r a t i o no nt h eC o n s t r u c t i o no fU n d e r w a t e rR o b o t S t a n d a r d sS y s t e mF r a m e w o r k

GUOX i a o y o n g， T ANG H a i r o n g， XUC h u n h o n g

（ N a t i o n a lC e n t e ro fO c e a nS t a n d a r d sa n dM e t r o l o g y， T i a n j i n g3 0 0 1 1 2， C h i n a）

A b s t r a c t： A sas p e c i a lt y p eo fr o b o t， u n d e r w a t e rr o b o t sa r ei n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga ni m p o r t a n t t o o l f o r e x p l o r i n go c e a nm y s t e r i e s a n dd e v e l o p i n go c e a nr e s o u r c e s . T h e ya r e c a l l e d t h e c r o w no f o -c e a nh i g h - t e c h， a n da r eg r a d u a l l yb e c o m i n g t h e c o mm a n d i n gh e i g h t so f o c e a n t e c h n o l o g yc o m p e t i -t i o na m o n gn a t i o n s . T h em o s td i r e c t r o l eo f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e mi s t og u i d ea n d r e g u l a t e t h es t a n d a r df o r m u l a t i o no fu n d e r w a t e r r o b o t s， s ot h a tp e o p l ea r ea w a r eo f t h ed i r e c t i o n a n d f o c u s o ft h e s t a n d a r d i z a t i o n o f u n d e r w a t e rr o b o t s，w h i c h w i l l h e l p t o p r o m o t et h e d e v e l o p m e n t a n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fu n d e r w a t e rr o b o t s， a n dp r o m o t er a p i da n dh e a l t h yd e v e l o p -m e n t . B a s e do n t h e i n t r o d u c t i o no f d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s f o ru n d e r w a t e r r o b o t s， t h e p a p e rd i s c u s s e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h es t a n d a r ds y s t e mf r a m e w o r kf o ru n d e r w a t e rr o b o t s，p r o -p o s e dap a t hf o rs t a n d a r ds y s t e mc o n s t r u c t i o n， c l a r i f i e dt h es c o p ea n df i e l do fs t a n d a r d i z a t i o no f u n d e r w a t e r r o b o t s， a n dc o n s t r u c t e d t h e t h r e em o d e l so f u n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r d s s y s t e m， i n c l u -d i n gs e q u e n c es t r u c t u r e， t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， a n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e， a n dp r o v i d e da v a l u a b l er e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e m.

K e y w o r d s： U n d e r w a t e rr o b o t， S t a n d a r d ss y s t e m，O c e a nt e c h n o l o g y， F r a m e w o r k，A r t i f i c i a l i n t e l l i -g e n c e

0 引言

《中國制造2 0 2 5》將機器人作為“大力推動重點領域突破發展”的技術之一，要求“促進機器人標準化、模塊化發展”。水下機器人作為一類特種機器人，日益成為探索海洋奧秘、開發海洋資源的重要工具，被稱為海洋高技術的皇冠，正逐步成為國家間海洋技術競爭的制高點。標準作為人類科學、技術、知識和經驗的總結，得到我國高度重視。標準是經濟活動和產業合作的最重要技術基礎，誰把握了標準誰就把握了市場競爭主動權。標準體系是根據水下機器人產業化需求，應用系統論、模塊化、流程化的思想，將水下機器人市場需求調研、研發設計與方案評審、樣機試制與測試、小批量試生產與驗證、正式批量生產與售后服務等過程中，重復性、共性的事物轉化為標準，并按其內在聯系形成的科學有機整體。標準體系最直接的作用是指導、規范水下機器人標準制定工作，使人們清楚水下機器人標準化工作方向和重點，有助于推動水下機器人研發和產業化進程，促進快速、健康發展。我國標準化主管部門和各行業部門都重視標準體系的建設，國家發布了《標準體系構建原則和要求》（ G B/ T1 3 0 1 6—2 0 1 8）進行規范和指導我國標準體系的建設。

1 現狀

1 . 1 我國水下機器人標準情況

1 . 1 . 1 我國發布了5項水下機器人國家標準

我國發布的7 5項機器人國家標準里，有5項是水下機器人標準，分別是《輕型有纜遙控水下機器人第1部分：總則》《輕型有纜遙控水下機器人第2部分：機械手與液壓系統》《輕型有纜遙控水下機器人第3部分：導管螺旋槳推進器》《輕型有纜遙控水下機器人第4部分：攝像、照明與云臺》《石油天然氣工業水下生產系統的設計和操作第8部分：水下生產系統的水下機器人（ R OV）接口》。通過制定這5項國家標準，為我國加快水下機器人標準制定工作探索了道路。

1 . 1 . 2 正在組織制定一項水下機器人行業標準

目前，自然資源部北海局海洋技術保障中心和計量中心正在聯合制定《小型有纜水下機器人精細探測系統操作技術規程》行業標準。

1 . 1 . 3 《國家機器人標準體系建設指南》

國家標準化管理委員會聯合國家發展和改革委員會、科技部、工業和信息化部于2 0 1 7年印發了《國家機器人標準體系建設指南》，規定了指導思想、基本原則、建設目標、建設內容、組織實施，明確從基礎標準、檢測評定方法標準、零部件標準、整機標準、系統集成標準等5個方面構建機器人標準體系。《國家機器人標準體系建設指南》將“水下機器人”作為1 4類特種機器人之一，并將水下機器人術語標準，自主和遙控式水下機器人的載體機構和導航定位系統研發設計標準，水下機器人及行業亟須的自主水下機器人功能和性能標準，水下機器人電磁兼容測試標準，水下機器人壽命評估可靠性試驗標準等[ 1]，納入“近期擬研制重點標準領域”。水下機器人標準體系建設應遵循《國家機器人標準體系建設指南》規定的指導思想和有關要求。

1 . 2 國際標準情況

國際標準化組織機器人技術委員會出臺了2 3項國際標準，正在制定8項國際標準，但沒有水下機器人方面的標準。

國際電工委員會制定出臺了6項機器人方面的標準，但沒有水下機器人方面的標準。

1 . 3 發達國家情況

美國有關組織出臺了4 1項機器人標準，日本出臺了2 6項，德國出臺了3 9項，英國出臺了1 2項，但都沒有水下機器人方面的標準。

2 水下機器人標準體系框架構建思路

2 . 1 遵循國家標準《標準體系構建原則和要求》

《標準體系構建原則和要求》明確標準體系構建應遵循目標明確、全面成套、層次適當、劃分清楚等4項基本原則[ 2]。水下機器人標準體系構建必須始終堅持這4項基本原則：明確支撐、服務、規范、促進水下機器人商品化和產業化發展的建設目標；全面成套要求構建的標準體系要涵蓋水下機器人全生產過程、產品的全生命周期，既包括現行標準，又包括正在制修訂的標準和未來需要制修訂的標準；層次適當指標準體系結構層次不宜過多或過少，過多容易碎片化，過少容易導致一個領域標準數量過多而管理、維護困難；劃分清楚指標準化工作領域劃分要避免交叉重疊，不能一項標準放哪個領域都可以，或者找不到歸口領域。

2 . 2 水下機器人標準體系建設路徑

廣泛收集國內外水下機器人研制、生產和應用情況，以及標準制定情況，搞清楚有哪些科研團隊和生產企業，水下機器人技術進展情況和發展方向，國內外差異，對標準的需求等。信息收集盡量全面、準確，掌握現狀和問題、未來發展方向和趨勢。

（ 1）積極爭取各個方面的支持，將“水下機器人標準體系建設”納入國家或行業科研范圍，獲得支持，得到國家和行業的重視，為建設“水下機器人標準體系”提供保障，使工作能夠順利啟動和完成。

（ 2）成立由標準化專家、水下機器人科研人員、生產人員、檢驗人員和用戶等有關方面組成的“水下機器人標準體系”編制組，制訂工作方案，明確分工，確定編制原則和思路，開展“水下機器人標準體系”編制工作。

（ 3）“水下機器人標準體系”在編制組內部協商一致后，廣泛征求生產、科研、檢驗、用戶和管理部門等各個方面的意見，充分吸納行業內外專家的意見和建議，修改后組織專家審議；完善后，發布實施；指導、促進水下機器人標準制定工作。

2 . 3 明確水下機器人標準化工作范圍和領域

國家標準《特種機器人分類、符號、標志》（ G B/ T3 6 3 2 1—2 0 1 8）界定“水下機器人主要包括潛水機器人、水下滑翔機器人、水底作業機器人等”。國家標準《輕型有纜遙控水下機器人第1部分：總則》（ G B/T3 6 8 9 6 . 1—2 0 1 8）界定了“有纜遙控水下機器人”，定義為“通過臍帶纜進行信號和電力傳輸，在水下可自動定向、定深、懸浮或航行，通過水面控制單元被遙控進退、橫移、轉向或升沉，進行水下觀察、檢查和/或作業的遙控無人潛水器”。

由于水下視線不好、通信難度大、水中阻力大耗電快、海水腐蝕性強，所以水下機器人研發難度大大高于空中機器人和陸地機器人，需要有的部件能防水，攜帶照明設備或者邏輯路徑導航，電力供應充足，材料要抗壓、耐腐蝕等。水下機器人技術包括仿真技術、智能控制技術、水下目標探測和識別技術、水下導航（定位）技術、通信技術、能源系統技術等。

水下機器人標準化對象首先是術語與定義等基礎標準；其次是總體設計，航行性能優化，載體模塊化，材料評估應用，仿生技術評估應用等設計制造標準；然后是水聲通信和光纖通信等水下通信技術標準，能源供電技術和運動推進技術標準；最后是水下導航（定位）技術，目標探測與識別技術，智能控制技術標準，以及檢測檢驗標準等。

3 水下機器人標準體系框架模型

《標準體系構建原則和要求》規定了層次結構、序列結構、三維結構、矩陣結構和功能歸口結構等標準體系框架模型。結合水下機器人標準化特點，本研究構建了水下機器人標準體系序列結構、三維結構、層次結構等3種框架模型。

3 . 1 序列結構

序列結構是按照水下機器人全壽命周期順序排列的標準群，相互之間具有邏輯序列關系，產品生產前的標準需要先行出臺；隨著水下機器人產品研發的推進，其標準緊跟著出臺。序列結構見圖1。

3 . 2 三維結構

三維結構如圖2所示。X軸按標準化對象分為材料與采購標準、設備與檢驗標準、工藝與試驗標準、包裝與儲運標準、安裝調試與售后服務維修標準； Y軸按標準級別分為國家標準、行業標準和團體標準； Z軸按標準類型分為基礎標準、工作標準和管理標準；以立體的形式顯示了水下機器人標準化工作。

3 . 3 層次結構

層次結構表達水下機器人標準橫向分類、縱向隸屬分層的關系。這種結構不僅表達標準體系的層次關系，更多的是表達標準體系的分類關系。頂層是基礎通用標準，適用于水下機器人各個領域的工作。層次結構見圖3。

4 結果分析

本研究首先介紹了國內外水下機器人標準化情況。然后明確了水下機器人標準體系框架構建思路，即遵循國家標準《標準體系構建原則和要求》的規定、水下機器人標準體系建設路徑探討、水下機器人標準化工作范圍和領域。最后構建了3種水下機器人標準體系框架模型，即序列結構、三維結構、層次結構。序列結構，更適用于單個企業建立內部水下機器人標準體系；三維結構從多個視角展示了水下機器人標準化工作，易于理解；層次結構能將水下機器人標準化工作統分結合，細化工作領域和對象，易于對標準項目實施信息系統管理，適用廣泛。

參考文獻

[ 1] 國家標準化管理委員會，國家發展和改革委員會，科技部等.國家機器人標準體系建設指南[ R].2 0 1 7.

[ 2] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會. G B/T 1 3 0 1 6—2 0 1 8標準體系構建原則和要求[ S].2 0 1 8.