海洋調查船裝備建設發展趨勢研究

孫月明，李茂林，姚忠山

(海軍大連艦艇學院 軍事海洋與測繪系，遼寧 大連 116011)

0 引言

人們對海洋這種大尺度地球流體的研究，最早依靠船舶走航。從英國用軍艦改建成2 300 噸級的“挑戰者”號(H.M.S.Challenger)科考船始，海洋調查船至今有140 余年的歷史[1–3]，50 多個國家擁有近千艘規格不同的調查船。海洋調查船作為最基礎的調測平臺，裝建配套儀器設備和專用實驗室可為海洋資源開發、海洋工程技術、海洋環境保護等提供參數和環境預報，也可為海上軍事行動提供關鍵信息[4–7]。近幾十年，20 世紀建造調查船接連退役，新建調查船陸續入列，以美國、日本、歐洲各國為代表的海洋強國和我國調查船隊組成發展變化快，海洋調查裝備科技日新月異，有必要對各國海洋調查船概況和我國調查船裝建需求發展趨勢開展研究，并對發展重點方向進行展望。

1 國內外海洋調查船概況

1.1 美國海洋調查船概況

二戰后，美國作為具有代表性的海洋強國，為滿足在全球海域活動的需要，成系列建造海洋調查船，裝備建設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。現擁有的聯邦海洋學船隊，是世界上總體性能最強的調查船隊[8]。據不完全統計，目前聯邦海洋學船隊有70 余艘船長大于30 m的船舶，分別由大學－國立海洋學實驗室系統（UNOLS）、美國海洋與大氣局（NOAA）、美國海岸警備隊（USCG）、美國地質調查局（USGS）、國家科學基金會（NSF）和美國海軍（US NAVY）等機構船舶共同構成[5]。2011 年，為實現高效的船舶調度與管理，將船舶分為四級，全球級、大洋級、近岸級和沿岸級，承擔的特別任務包括為支撐海軍海戰場環境保障日常對氣象、水文等海洋學數據的測量，以及為軍事領域擴張而進行的水道測量、水聲環境監測、預警探測等[5]。

1.2 日本海洋調查船概況

2005 年，日本提出“海洋立國”戰略目標。一方面，作為資源匱乏的島國，海洋是其生存和發展的命脈；另一方面，近年來日本意圖謀求東亞海上主導權，配合美國亞太戰略調整。總之，日本特別注重中遠海和極地的海洋調查船的發展[9]，至今約有數十艘，排水量從幾十噸到數萬噸不等，主要分布在日本海上保安廳、日本海上自衛隊、日本海洋科學技術中心、日本氣象廳、各個海洋科研機構、各所大學等，日本21 世紀新建調查船噸位較大，性能先進，大部分調查船擔負軍民兩用多項任務，既能夠在大洋和深海進行水深和地形測量、地球物理勘探以及深海地質取樣等海洋基礎學科調查，又能夠收集海流、潮汐等水文資料，為繪制海圖、編撰航海資料和保障海軍艦船海上行動提供依據[11]。

1.3 歐洲海洋調查船概況

歐洲海洋戰略大多局限于某個區域，故其以發展近岸作業的小型調查船為主。截至2021 年，歐洲調查船主要分布在27 個國家，共計300 余艘，船長小于55m 的近岸調查船占比70%以上[11]。歐洲海洋調查船隊組織形式包括海洋船隊互換集團（OFEG）和歐洲海洋調查船運作組織（ERVO）以及歐洲海事局等[3]。歐洲海洋調查船及歐洲部分國家組建的船隊，總體規模大、區域分布廣，在功能定位、運行模式和技術發展上更具極為豐富的多樣性。

1.4 我國海洋調查船隊概況

國家海洋局2012 年4 月18 日正式成立國家海洋調查船隊，比美國UNOLS 海洋調查船隊的建立晚了41 年[11]，其調度、更新、運營、資源共享、發展路線等各方面管理機制尚不完善，在航率相對美國低[3–4]。船隊成員隸屬單位，包括國家海洋局、中科院、教育部、地質調查局、農業部、水科院、地方海洋研究所等，部分船舶參數及隸屬單位如表1 所示[9]。調查船數量和船齡已經不再制約我國當前海洋調查事業發展，這些漁業、極地、教學、地質、綜合調查船等承擔了近年來國家多項重大海洋調查專項任務[2]，在提高船舶使用率、海洋數據的積累、船隊管理評估等方面進行了實質性的探索工作。

表1 截至2022 年6 月中國現役部分調查船參數情況Tab.1 Partial list and performance parameters of active marine research vessels

2 我國調查船裝建發展趨勢

1）柴電混合動力與推進系統

20 世紀末，基本上都是柴油機-調距漿直接推進，經濟實惠，維修方便[4]。但隨著長時間低速走航的調測任務日益增多，柴油機很難維持長期低負荷運轉，以及出于對振動、噪聲和污染等因素，21 世紀之后新建船舶的推進形式演進到柴油加多種電力混合推進形式，如軸槳電力推進、吊艙、舵槳、可伸縮全回轉槳、長軸可調螺距導管槳、直翼推進電力推進等。此外，燃料電池、核動力等多樣化動力推進形式也是發展趨勢。“向陽紅10”采用2 套全回轉舵槳電力推進系統和動力定位系統及綜合導航定位系統，續航力為12 000 nmile，達到遠洋調查船續航力標準。“向陽紅21”船配備了ABB 吊艙式電力推進系統，能量轉化效率更高、更省油、駕駛更靈活。“向陽紅22”遠洋調查船裝備有2 套全回轉吊艙式電力推進系統，在0 至最高航速范圍內可實現無極調速和DP-2 動力定位，續航力10 000 nmile，達到遠洋調查船續航標準[15]）

2）高度自動化、無人化

20 世紀末，我國少數新建科考船裝備了綜合導航、電子海圖系統、局域網海洋學數據自動采集處理系統，初步實現了機艙和航海自動化[4,16]。進入21 世紀，自動化程度提高，通過計算機聯網，實現各部分互聯的全船自動化，并通過船與船和船與陸基互聯網，實現了系統軟硬資源共享，數據庫資料共享和調查數據交換，以及指揮調度管理的中心化。自動化使得船員人數減少和重勞動減輕，以及船位和航線精確性的提高，生活和工作條件改善，運行更經濟。21 世紀以來，伴隨著通信組網、智能算法、新型能源系統的研發及應用需求，軍民領域掀起了船載無人機、無人潛航器等的研究熱潮。水下無人裝備可輔助或替代人類在復雜、高危的水下特殊環境中進行無人作業[17]。（如中國“海洋六號”搭載的4 000 米級“海獅”號水下機器人、美國海軍Roger Revelle 調査船搭載“掃描鷹”無人機等）。

3）船型多樣化、大型化

海洋調查船的設計船型包含單體、雙體、小水線面雙體（SWATH）和三體船型等。常規單體船型構造簡單，造價經濟且便于保養和維護；推進功率小；有效載重量大；超載能力強；空船重量占設計排水量的比重較小且吃水較淺等，故被廣泛應用于調查船設計。常規雙體船型甲板作業面積寬敞，便于布置調查設備。但橫搖周期短，耐波性和舒適性略差，我國設計案例很少。小水線面雙體（SWATH）船型兼具雙體船的寬闊甲板和優良耐波性，高海況時橫搖角度小、失速小、抗傾覆。但超載能力差、吃水量大，造價較貴。但這種船型能夠使聲學設備在水面以上工作，受水下噪聲影響小，故適宜于聲學調查船、監聽船。三體船型兼具單體船超載性能和SWATH船型的耐波性、甲板面積大的優勢，是發展中的船型。此外調查船作業海域與船舶噸位存在明顯數量關系，美國全球級調查船噸位約12 000～18 000 GT，我國此噸位調查船大多是由海外購買貨輪改裝，中國近十多年向深遠海與兩極發展，自建科考船有大型化的趨勢[17]。

4）安靜化、綠色化

一方面，國際規范即 ICESCRR209 和 DNV Silent Class Notation 對調查船的水下輻射噪聲測量和限制值提出了明確的要求[12,18]。對安裝拖曳線列陣聲吶系統等的軍用水聲監聽船以及安裝側掃聲納系統、聲學多普勒流速剖面儀、魚探儀系統等的民用調查船來說，減振降噪非常重要。另一方面，國際船級社組織對環保及大氣排放控制的要求同樣適用于科考船。所以我國調查船在保證安全性的前提下，急需促進電動機提高單位發電量，減小尺寸、重量和價格，以及使用更清潔的NOx，SOx 等處理技術。我國“東方紅3”船在船舶水下輻射噪聲控制方面已達到國際最高標準，是未來一段時期世界上船載科考儀器設備受船舶振動與噪聲影響最小、獲取科考數據最真實可靠的海洋綜合調查船之一[19]。

5）模塊化

模塊化主要體現在調查船集裝箱化的船載調查系統、專業的實驗室和區域化的生活艙室等。尤其對于各類潛水器、拖曳式探測設備、大型潛標浮標、鉆機等大型設備可采用可移動、模塊化方式搭載，根據任務換裝不同集裝箱模塊[20]。美國 UNOLS 于2014 年發布了《UNOLS 調查船科學專用便攜式集裝箱手冊》。我國“大洋一號”、“科學”號、“海洋六號”、“向陽紅10”等調查船也設置了集裝箱模塊[19]。模塊化的發展必將向裝備收放更自如，作業安全便利，船員生活質量提高等方向延伸。

6）信息化

船舶計算機網絡化，既實現了互聯的全船自動化，便于操縱和站位保持，又使得樣品和數據采集數量質量和速度明顯提升[17,19]。一方面，隨著衛星數據鏈、水聲通信和數字互聯網等技術的發展，實現了國家層面上的船-船、船-水下傳感器、船-岸、船-衛星數據信息雙向互通。另一方面，國際間海洋觀測網系統（GOOS、AGRO、NEPTUNE 等）的緊密合作，能指揮統一行動和即時快速匯總觀測資料的陸上科研指揮中心形成也是大勢所趨。“向陽紅08”集成平臺是船載海洋生態環境監測系統的重要組成部分,是國家“863”專項重要成果，實現了自動取樣、水樣自動分配、自動分析、數據自動傳輸等功能。

7）船載調查設備多樣化

調查船調查能力主要體現在船載調查設備。我國調查船配套常用甲板作業輔助設備(絞車、門吊、折臂吊等)、聲學設備(側掃聲吶、多波束、水聲定位、聲學通信機、聲學釋放器、淺地層剖面儀、高度計等)、深水通用設備(深水攝像頭、深水照明燈、深水照相機、深水水密纜、深水接插件等)、海洋科考設備(CTD、MVP300、XBT、ADCP、重力儀、磁力儀、震源、地震數據采集系統、鉆機、載人潛水器等)以及新型無人調查設備（無人遙控潛水器（ROV）、自主式水下潛器（AUV）、水下滑翔機（AUG）等）[16,20,22]。

3 問題與展望

1）海洋調查儀器設備國產化

調查船設備類型樣多復雜，我國目前只能生產部分設備，更多的只能依賴進口。20 世紀后期，大量設備的裝配需求促使國內配套產業壯大，然而近幾十年，需求大幅萎縮，再加上國內自研配套設備質量、精度等相比國外先進生產廠家存在很大差距，價格昂貴、質量差、可靠性差且配件維修體系跟不上等問題頻發，只能浪費更多經費頻繁更換或依賴進口，從而陷入惡性循環。因此一方面要鼓勵具備條件的軍民企業，以海洋調查設備關鍵共性技術攻關和重大裝備研發為紐帶，進行合作研制與生產，逐步提高設備自主設計和生產能力[21]。另一方面建立國產儀器設備質量用戶評價體系和使用反饋信息網站，在裝建調查船時就避免使用質量不合格國產設備以及使用配件需要頻繁更換的國外設備，用市場去倒逼質量差的儀器設備轉改，設備選型應按其性質、作用、壽命和運轉時間進行分類分層次系統化設計。打破國外公司產業壟斷，掌握科考設備的核心傳感器技術并實現科考設備的產品化和系列化，任重道遠[3,17]。

2）海洋調查船科考功能與調查項目配套

中國近幾十年來將部署范圍面向遠海與兩極海域，多家大學和科研單位自行建造多艘大型綜合調查船，科考功能和可進行的調查項目非常全面，涵蓋多學科領域。雖然多學科同時調查問題得以解決，但是在具體單位執行獨立出海調查任務中存在專用實驗室和甲板使用率不高等問題。因此新建調查船的科考功能與調查項目配套要有所取舍、避免資源浪費，并在研制初期要具備不斷充實完善和定期進行現代化改裝的條件，形成新舊交替的良性循環[22]。

3）做好國家層面宏觀的船隊組織管理

除裝備技術問題外，做好國家層面的宏觀管理同樣重要[23]。國家海洋調查船隊應以海軍和國家海洋局牽頭領導工作任務，做好頂層設計，落實國家海洋科技和戰略發展需求；合理規劃新建調查船數量和技術要求并進行分級；打破船舶所有者、投資方、運行單位和用戶的分割局面，實現各類資源和調查數據庫的共建共享；建立專門的調查船隊后勤保障基地；制定長期船舶更新換代計劃，統一船舶技術標準、制定行業扶持政策；通過所屬科研院所和大學船舶的項目實踐培養海調人才；定期組織專家和用戶進行調查船隊使用服務質量評估等。