潛水器標準體系構建研究

朱佳帥 劉偉 王璇 馮書桓 張馨予

摘 要：潛水器是深海資源開發、科考探測、旅游觀光、救援保障的重要裝備，經過幾十年的發展進步，我國潛水器技術發展已邁向國際領先水平，但與之配套的標準尚不完善，標準體系仍需進一步優化更新。本文以潛水器標準體系構建為主題，介紹了國內外潛水器標準現狀，闡述了潛水器體系構建原則，對潛水器標準體系框架開展研究，并為該領域后續工作提出了建議。

關鍵詞：潛水器，標準體系，構建思路

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.012

“建設海洋強國”是我國的重要戰略之一，黨的二十大報告指出要發展海洋經濟，保護海洋生態環境，加快建設海洋強國。《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出，船舶工業應超前布局新一代深海遠海極地技術裝備及系統的建設，發展無人和載人深潛等關鍵技術和設備[1]。2020年11月10日，我國“奮斗者”號載人潛水器在“地球最深處”太平洋馬里亞納海溝成功坐底，創造了10，909米的中國載人深潛新紀錄。2021年10月，“海斗一號”無人潛水器同樣在馬里亞納海溝最深處“挑戰者深淵”西部凹陷區實現了國際首次大范圍全覆蓋聲學巡航探測。

以上深潛試驗的成果代表著我國潛水器水平已經達到了世界先進，而實現這些任務的核心設備就是潛水器。潛水器是一種具有水下觀察和作業能力的活動深潛裝置，主要用來執行水下考察、海底勘探、海底開發和打撈、救生等任務，并可以作為潛水員活動的水下作業基地。按照作業方式，潛水器一般分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV），其中無人潛水器又分為有纜遙控潛水器（ROV）、無纜自治潛水器（AUV）和混合遙控潛水器（ARV/HROV）等，以及無動力潛水器等多種類型[2，3]。其技術發展方向為全海深（最大工作深度11，000米）潛水器的研制、高能量密度電池、機械手及作業工具、水面支持系統及保障裝備、用于全海深技術裝備的關鍵材料、耐壓結構的設計與建造技術等。

1 潛水器標準現狀

1.1 中國潛水器標準

我國的潛水器相關標準由SAC/TC 306全國潛水器標準化技術委員會進行歸口管理。截至目前，潛水器相關標準共18項，其中國家標準15項、行業標準3項，主要涉及潛水器耐壓結構、試驗、載人潛水器呼吸系統等領域（見表1）。

1.2 國際潛水器標準

國際潛水器標準化工作主要由國際標準化組織（ISO）[4]下設的船舶與海上技術標準化技術委員會（TC 8）海洋技術分委會（SC 13）潛水器工作組（WG 1）負責，該工作組正式成立于2015年2月，工作組召集人由中國專家擔任，目前已發布國際標準2項，在研1項（見表2）。根據ISO/TC 8/SC 13/WG 1的文件解釋，其標準化對象是進行水下作業（科研、工程、運輸、載客）的運載工具，標準適用于潛水器的管理、設計、建造、試驗、運營、維護和水面支持。共有來自中國、美國、英國、俄羅斯、德國、日本、韓國和伊朗等8個國家的20名專家。

從以上標準可以發現，雖然國內外在基礎、設計、建造、試驗等方面已經發布了部分標準，但目前潛水器領域的標準數量較少，與其技術發展的水平不匹配，仍然有大量的標準缺口，無法滿足潛水器領域的設計、建造與使用需求。因此需要通過對相關標準體系進行構建，進而指導開展潛水器標準化建設，支撐潛水器技術發展。

2 標準體系構建原則

2.1 落實國家海洋強國戰略

根據《戰略性新興產業標準化發展規劃》和《國家標準化發展綱要》要求，需要在潛水器標準體系構建時貫徹落實國家科技強國和海洋強國戰略，堅持問題導向和前瞻引領，面向行業發展需求不斷奪實基礎，立足國民經濟發展和國防安全需求，聚焦海洋深潛裝備等重大產業領域，開展潛水器及相關部件等關鍵裝備技術標準研究，支撐海洋調查與科技研究、海洋資源開發、深海探測等任務。

2.2 覆蓋潛水器全生命周期

作為深海探測的關鍵裝備，潛水器結構和系統復雜，涉及技術和產品范圍廣，因此潛水器體系應框架全面完整，需考慮并納入與潛水器設計、建造和使用相關的技術，使體系能夠充分覆蓋潛水器研制全過程，同時確保界面清晰，易于與船舶、海洋等相關行業標準體系實現有機銜接，充分反映造船、海洋等多方標準建設需求。

2.3 支撐前沿技術發展

體系應能夠發揮標準的引領作用，在構建體系時充分體現目前潛水器技術發展現狀，補充完善各專業技術領域的標準缺口，還應根據裝備發展趨勢和任務需要，重點針對深海化、重載化、智能化、集群協同等功能實現要求進行構建，著重反映信息感知、網絡與通信、數據、系統集成、分析決策與控制、數字孿生、軟件等技術在潛水器設計、試驗、作業及運營管理等環節中的應用需求，精準定位、特點鮮明，為潛水器專用標準的建設與發展提供指導依據。

3 潛水器標準體系框架

結合潛水器的技術特點，以體現技術現狀與發展需求為目的，構建并完善潛水器標準體系。體系可包括“基礎通用”“關鍵共性技術應用”“載人潛水器”“無人潛水器”“作業支持”和“運營管理”6個大類。具體如圖1所示。

3.1 基礎通用

基礎通用標準用于明確潛水器相關概念、界面及相互間關系，規定潛水器材料、可靠性、人機交互、生態保護等基礎共性要求，包括術語和定義、材料與檢驗、產品保證、人因工程、安全運行與風險評估、生態保護等標準，如圖2所示。

（1）術語和定義標準主要對相關術語、定義（或解釋性說明）及所對應的英文名稱等進行規定，主要用于統一潛水器設計、建造、運營涉及的相關概念，說明其內涵或外延。

（2）材料與檢驗方法主要對用于潛水器耐壓結構等關鍵部位的金屬材料（鋼、鋁合金、鈦合金）、非金屬材料（結構陶瓷、復合材料、有機玻璃）的性能、檢驗方法等進行規定。

（3）產品保證標準為使組織與用戶確信產品達到規定的質量要求，對潛水器設計、生產、試驗、交付使用等全過程所進行的一系列有計劃、有組織的技術和管理活動進行規定，用于保證潛水器及相關設備可靠性具有高置信度水平和產品質量具有穩定質量一致性，滿足用戶要求。

（4）人因工程標準主要對人員在深海工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素，人和機器及環境的相互作用，以及在工作、生活和休息時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全與舒適等進行規定。

（5）安全與風險評估標準主要對潛水器總體、系統、設備、軟件安全運行與應急處置需滿足的技術要求及所采取技術措施進行規定。

（6）生態保護標準主要用于規范潛水器研制與作業時對生態環境的保護要求，以避免因裝備自身或操作不當而破壞海洋環境。

3.2 關鍵共性技術應用

關鍵共性技術應用標準用于明確潛水器作業所需的基礎及通用技術，規定了水下探測、操控、智能化技術的基本要求，包括水下信息獲取與環境感知技術應用、水下通信與導航技術應用、數據管理與應用、分析決策與運動控制技術應用等標準，如圖3所示。

（1）水下信息獲取與環境感知技術應用標準主要涉及水下信息測量、信息采集與處理、水下觀察與探測、水下聲學環境感知、水下視覺環境感知等，對相關的技術與系統進行規定。

（2）水下通信與導航技術應用標準主要對水下電磁波通信、可見光通信、水聲通信、慣性導航、聲學導航、地球物理導航等技術進行規定。

（3）數據管理與應用標準主要對潛水器水下獲取的復雜數據相關技術進行規定，明確數據的管理結構模型設計，提高數據精確性，通過結構化建設降低復雜性。

（4）分析決策與運動控制技術應用標準主要包括人工智能與先進控制兩部分，對潛水器的航行控制和智能決策技術領域進行規定，增強潛水器操控能力。

3.3 載人潛水器

載人潛水器標準用于明確載人潛水器的整體性能、關鍵指標、型式與試驗方法，以及涉及潛水器作業和載人相關的設備與系統。包括載人潛水器設計、載人潛水器試驗、載人潛水系統及設備等標準，如圖4所示。

（1）載人潛水器設計標準主要對載人特點的潛水器總布置、總體性能等總體設計，耐壓結構、觀察窗、主框架等結構設計，舾裝、機電系統等軟硬件配置設計進行規定，明確潛水器整體性能和功能。

（2）載人潛水器試驗標準主要對載人艙、阻力分析、操縱性分析、外形優化等工作的仿真試驗、模型試驗和實船試驗等進行規定，同時對試驗的條件提出要求，保障試驗基礎。

（3）載人潛水器系統及設備主要對載人潛水器除船體外其他為滿足潛水器航行、作業功能所安裝的設備及組成的系統進行規定，尤其是救生系統和生命支持系統與相關設備。

3.4 無人潛水器

無人潛水器標準用于明確無人潛水器的整體性能、關鍵指標、型式與試驗方法，以及涉及潛水器作業、遠程控制、自主識別相關的設備與系統。包括無人潛水器設計、無人潛水器試驗、無人潛水系統及設備等標準，如圖5所示。

（1）無人潛水器設計標準主要對無人特點的潛水器總布置、總體性能等總體設計，耐壓結構、主框架等結構設計，舾裝、機電系統等軟硬件配置設計進行規定，明確潛水器整體性能和功能。

（2）無人潛水器試驗標準主要對無載人艙情況下的阻力分析、操縱性分析、智能化試驗、遙控操作試驗、外形優化等工作的仿真試驗、模型試驗和實船試驗等進行規定，同時對試驗的條件提出要求，保障試驗基礎。

（3）無人潛水器系統及設備主要對除船體外其他為滿足潛水器航行、作業功能所安裝的設備及組成的系統進行規定，尤其是自動識別與探測系統、遠程控制系統與相關設備。

3.5 作業支持

作業支持標準用于明確潛水器在水下作業時，水面所能提供支持的裝備與相關技術，以及維持潛水器作業功能的相關技術，保障潛水器任務完成。包括水面支持與監控、水下作業與交互、協同作業與保障等標準，如圖6所示。

（1）水面支持與監控標準主要對潛水器水面支持系統進行規定，為潛水器提供能源動力、潛水器搭載、維護和保養、布放與回收、水面指揮、通信支持和水面警戒等。

（2）水下作業與交互標準主要對潛水器在水下進行作業的技術以及人機交互進行規定，涉及水下作業設備、人機信息交互設備以及相關軟硬件。

（3）協同作業與保障標準主要對多設備情況下的協同作業及相關保障技術提出要求，實現無人和有人的有機結合，多維度多目標完成水下作業，并對相關設備提供必要保障。

3.6 運營管理

運營管理標準用于明確潛水器作業前的作業任務合規性，作業人員能力培養與管理，以及作業后裝備的維護與保養。包括海事監管、維護保養、教育與培訓、人員管理等標準，如圖7所示。

（1）海事監管標準主要涉及潛水器及母船是否適航、船員是否適任，船上設備是否符合港口及作業海域的環保要求，是否制定相應安全應急預案等內容，規范潛水器作業，充分滿足海事行政許可要求和監督檢查。

（2）維護保養標準主要涉及潛水器全系統檢查和維護保養、備品備件的購置與測試、水池調試等內容，是為了使潛水器保持良好的狀態，為后續作業做好基礎和準備，延長潛水器使用壽命。

（3）教育與培訓標準用于保障潛水器正常工作、完成乘員科學家要求的水下科學作業任務，讓潛航員對潛水器性能、操控和水下環境有相當程度的了解，提高潛水器作業的效率及安全。

（4）人員管理標準涉及潛水器作業及配套的人員管理要求，用于確認人員職責、個人風險評估、臨時調用、工作負荷平衡、應急狀態人員集合撤離搜救、人員信息統計等。

4 潛水器標準化發展建議

4.1 加強國際標準化工作

在國際標準化工作中，與船舶行業其他專業的各國積極參與標準制定情況不同，潛水器領域工作開展時間較短，標準數量較少，ISO/TC 8/SC 13/WG 1在2015年成立時只有3個國家派出了專家。但其他國家逐漸開始重視起該領域，目前已有8個國家參與WG 1工作。而我國在潛水器裝備的設計、建造、試驗等方面技術已達到了國際先進水平，應該借機發力積極開展國際標準活動，通過標準體現技術水平，獲取世界范圍的地位與聲望，支撐商用市場開發。

4.2 裝備研發與標準協調發展

標準是對技術與經驗的總結固化，但目前潛水器標準體系建設與標準制定已經明顯落后于潛水器技術發展，很多技術并未轉化為正式標準，研究成果沒有形成正式的文件以指導潛水器設計、建造、試驗和使用，不利于整個行業的發展進步。隨著管理水平的提升，近年來標準的重要性不斷被重視，在技術研發過程中也越發強調標準化工作的同步開展，因此在潛水器新技術的開發時應注重標準化技術積累，二者互相協調支撐形成良性關系。

4.3 標準體系動態更新

潛水器產業鏈條長、應用領域廣、分級分類復雜。從裝備設備層面包括了載人用的生命維持系統、無人用的遙控系統，從用途層面包含了科學研究、深海探險、觀光旅游、資源開發、水下救援等任務，涉及的技術領域較多。尤其近年來智能化、深海化、材料和能源新型化、作業工具模塊化等新的發展方向給潛水器標準化工作帶來了新的需求和挑戰。潛水器標準體系應為開放式體系，標準體系框架和項目將根據國際市場需求、裝備技術發展、國家產業政策調整等進行動態調整和補充完善[5-6]。

參考文獻

[1]國務院.“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃[Z].

[2]趙羿羽，曾曉光，金偉晨.海洋科考裝備體系構建及發展方向研究[J].艦船科學技術，2019，41（19）：1-6.

[3]曹俊，胡震，劉濤，等.深海潛水器裝備體系現狀及發展分析[J].中國造船，2020，61（1）：204-218.

[4]許冬彥，周玉霞.國家航天標準體系建設研究[J].南京航空航天大學學報，2021，53（S1）：135-142.

[5]國務院辦公廳.國家標準化體系建設發展規劃（2016—2020年）[Z].

[6]國家標準化管理委員會，中央網信辦，科技部，等“. 十四五”推動高質量發展的國家標準體系建設規劃[Z].

作者簡介

朱佳帥，碩士，高工，主要從事高技術船舶標準研究。

劉偉，碩士，高工，主要從事高技術船舶與先進制造標準研究。

王璇，碩士，高工，主要從事潛水器標準研究。

（責任編輯：袁文靜）