深海潛水器國際標準的方向研究

岳宏 王立志 劉凱茜

摘 要：當前深海潛水器已是國際海洋科學研究的基礎，其主要分為載人潛水器、無人遙控潛水器和無人無纜潛水器。潛水器涉及的技術和學科廣泛，在產業化和市場化日益增長的趨勢下，不斷推進相關領域的國際標準化發展，既是推進技術發展的重要途徑，也是占領配套設備市場和相關技術話語權的關鍵舉措。而研判潛水器領域技術發展熱點與工程實際需求，是把握國際標準研制方向的重要方法。本文通過總結當前國際標準研制內容，梳理潛水器領域國際標準研制的四個階段，對標分析國際國內的標準覆蓋范圍差異，明確了深海潛水器國際標準研制的發展方向，并提出潛水器相關領域國際標準項目推進的總體思路。

關鍵詞：深海潛水器，國際標準，海洋技術，無人潛水器

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.015

基金項目：本文受“潛水器設計與試驗重點標準研究”（項目編號：CY04N20）資助。

Research on the Direction of International Standards for Deep-sea Submersibles

YUE Hong1，2 WANG Li-zhi1，2* LIU Kai-xi1，2

（1. China Institute of Marine Technology & Economy； 2. Standardization Research Center， CSSC）

Abstract： At present， deep-sea submersible is the basis of international marine scientifi c research， which is mainly divided into manned submersible， remote control submersible and automatic unmanned submersible. Submersibles involve a wide range of technologies. In the context of industrialization and marketization， promoting the development of international standardization in related fi elds is not only an important way to advance technology， but also improve supporting equipment and related technologies. It is an important method to grasp the development direction of international standards by judging the technical development hotspots and practical needs of the submersible field. By summarizing the content of current international standards， this paper sorts out the four stages of the development of international standards in the field of submersibles， analyzes the differences in the coverage of international and domestic standards， and puts forward the general idea of promoting the development of international standards in the fi eld of submersibles.

Keywords： deep-sea submersible， international standard， marine technology， unmanned submersible

先進的深海潛水器技術與裝備是海洋強國的基礎，由于潛水器具有技術內容廣泛、學科交叉多的特點，其不僅包括傳統的建造技術，還涉及材料科學、水聲通信、控制電子、成像技術和智能控制等重要技術領域，所以潛水器關鍵技術在基礎共性、信息及通信技術應用、設計與建造、試驗、系統及設備、作業支持、運營管理等領域均有所涉及，對配套支撐標準也提出了更高的發展需求。

國際海底管理局（ISA）在《2019-2023年戰略計劃》中鼓勵區域內的海洋科學研究，并為發展中國家海洋科學能力建設和綜合參與提供業績指標的規劃。美、英、德等海事領域先進國家也不斷推進載人和無人潛水的研究進度。面對當前國際海洋科學領域競爭日益激烈的形勢[1]，為進一步固化研究成果，促進海洋技術領域彎道超車，打開國際高端海工裝備市場，引領中國制造“走出去”，需要推動國內海洋科學優勢技術領域走出國門，形成高質量國際標準，占領技術標準高地。

1 國內國際現行潛水器標準

在中國標準分類中，潛水器涉及到船舶理論與船模試驗、甲板機械、船舶用材料及其檢驗方法、造船用其他設備、基礎標準與通用方法、小型船總體、海洋學、供應與使用關系、救生設備、醫療器械綜合、船體通用結構、救助與打撈、船舶電氣、觀通、導航設備綜合、消防救生、輔助工具、泵、海洋石油作業、海洋石油作業用設備、船用發電、變電與配電設備。當前我國主要的潛水器標準如表1[2]所示，國家、行業標準覆蓋了潛水器的試驗方法、材料、控制系統、制造工藝和人員培訓等多個技術領域。

當前國際上潛水器海洋技術領域的標準化工作主要集中于國際標準化組織船舶與海洋技術委員會（ISO/TC 8）下屬的海洋技術分委會（ISO/TC 8/ SC 13）[3]，其研制范圍為“用于海洋和海域觀測、開發和保護的設備、系統、基礎設施和技術的測試方法、操作、設計、建造和物流的標準化”，下設包括“潛水器”在內的四個工作組。表2[4，5]總結了包括傳感器相關設備在內的潛水器國際標準項目，ISO/TC 8/SC 13技術委員會中潛水器相關國際標準如表2中1～5項所示。聲學委員會水下聲學分委員會（ISO/ TC 43/SC 3）負責水下聲學領域的標準化，包括測量水下聲學現象的方法、水下聲波產生、傳輸和接收，以及其對人和環境的影響，其與TC 8/SC 13互為聯絡組織，相關國際標準如表2中6和7項。結合潛水器的實際用途，在包括海上石油開采、海底勘探等領域還有部分潛水器相關國際標準，例如石油和天然氣工業技術委員會（ISO/TC 67）完成的ISO 13628- 8：2002為石油和天然氣行業海底生產系統的遙控潛水器（ROV）接口提供了功能要求和指南。同時，IEC的物聯網、信息技術和水聲等技術委員會也圍繞潛水器水聽器、磁場區域網和通信網絡建設制定了12項國際標準。

2 深海潛水器主要技術元素和發展方向

潛水器領域標準化的發展方向與前沿技術的發展趨勢聯系緊密，分別辨析載人潛水器、無人遙控潛水器和無人無纜潛水器三個主要技術領域的技術內容和發展方向是掌握國際標準發展方向的基礎。圖1展示了三種不同潛水技術領域的差異化技術內容，其中載人潛水器的技術內容包括水下導航定位技術、總體設計規劃、生命支持系統、復合新材料、水面支持技術和大容量電池技術等。無人遙控潛水器的技術內容包括總體設計、吊放回收、信息傳輸系統設計、操縱控制系統和傳感器與作業系統等。無人無纜潛水器包括的技術內容包括承壓結構與密封技術、推進與操縱、水下導航定位、水下通信技術、安全自救技術、能源技術、浮力調節、布放回收技術、智能規劃與控制技術、系統控制、水下探測作業技術和總體方案設計。

在當前潛水器向著深海化、多功能化、智能化、無人化發展的趨勢下[6]，ROV和無人無纜潛水器（AUV）長航程無人作業成為技術發展的目標，載人潛水器（HOV）則對浮潛速度、電池能源性能提出更高的要求。基于以上技術發展目標，可以分析得出具體的熱點發展領域。

2.1 新型高性能電池

潛水器適用的耐壓電池模塊包括銀鋅電池、鋰電池和燃料電池等[7]，電池的綜合性能對于潛水器的人員安全、水下作業效率和行進速度意義重大。可以預見，面對潛水器長航程的需求，未來長續航、高比能量、高安全可靠性的電池技術將會是研究的熱點領域，相關的國際標準預計將會與IEC/TC 21（蓄電池和電池組）、IEC/TC 35（原電池）、IEC/TC 108（電子產品安全）、ISO/TC 301（能源管理和節能）和ISO/ TC 197（氫技術）等技術委員會深度融合，并結合潛水器的高壓環境和特殊安全要求開發。

2.2 復合導航定位技術

作為保證潛水器精準開展水下作業和實現安全返航的技術基礎，采用多種方式進行的復合水下導航定位是極具前景的關鍵領域。當前主要采用的傳統導航定位方式包括慣性導航系統和超短基線定位，由于深海環境缺少參考物，使用單一的導航定位方式具有局限性[8]，未來潛水器的導航定位技術將會是傳統與新型導航方式的結合，其中新型導航方式包括地形輪廓跟隨導航、重力磁力匹配導航、海底地形匹配導航和其他地球物理學導航技術等[9]。

2.3 水下通信技術

由于水下特別是深海環境，具有傳輸帶寬窄、噪聲干擾嚴重、多徑效應復雜等信號傳輸的不利因素，高效的水下通信技術對于潛水器領域的未來發展至關重要。為平衡通信效率與成本，當前水聲通信技術占據著主流，具體包括典型的水聲擴頻通信、水聲多進制頻移鍵控（MFSK）通信、水聲正交頻分復用（OFDM）通信技術等[10]。未來預計隨著各單項技術不斷發展成熟，水聲通信組網技術將會是發展熱點，具體在深潛領域，發展方向包括遠程和超遠程低速通信技術、協同觀測技術以及遠海網絡觀測通信耦合技術。

2.4 智能規劃與控制技術

為滿足潛水器在水下未知環境中自主完成一定的作業任務，需要潛水器具備自主決策和控制的能力，據此可以將潛水器分為四種[11]：時空分解結構、情景評價體系結構、智能遞降結構和行為響應結構。大部分的潛水器是基于時空分解結構或行為響應或兩者結合，基于潛水器自主控制一般邏輯（如圖2所示），設計不同的任務規劃、路徑規劃、局部路徑規劃、運動控制方法和跟蹤控制方法等技術內容，實現潛水器的自主控制。相關領域的算法和技術發展近年來迭代迅速，隨著復合高精度、快收斂控制技術的進一步成熟，智能規劃與控制技術實用性將進一步提高，以此為基礎的各類型水下機器人的組網編隊對海底觀測、軍事目標探測的應用，將是未來的一個重大發展方向[12]。

3 深海潛水器國際標準發展方向

結合深海潛水器的技術發展方向，以及國際標準發展的一般規律，可以預測潛水器領域國際標準的發展階段：第一階段在潛水器安全結構方面形成標準，包括潛水器壓力測試方法（如ISO 21173：2019）；第二階段在潛水器性能、操作、測試方法方面形成標準（如ISO 22252：2020）；第三階段在重要部件制造技術方面形成標準，包括潛水器的觀測、導航、聲學部件（如ISO 22013：2021等）；第四階段在不同部件的軟硬件接口方面形成標準（如ISO/IEC 30140-4：2018）。對標國際國內標準的覆蓋范圍如表3所示，國內標準覆蓋的潛水器相關領域范圍更廣，這符合國際標準需要凝聚大部分共識、研制難度大的特點，同時關于核心部件之間軟硬接口和水下通信網絡等領域，國內相關標準較少，此領域同樣是國際標準第四階段發展的方向。

國際標準的研制過程中，除了與研制熱點契合的技術領域外，當前亟待研究解決的工程技術問題也是國際標準研制的重要方向。隨著各國在潛水器領域的不斷探索，對快速潛浮技術標準、人機環境設計技術相關標準和浮力材料技術相關標準的需求逐漸提升。其中快速潛浮技術要求潛水器在無動力下潛上浮的基礎上，開發推進器協助潛浮或基于水下滑翔原理的快速潛浮技術，目前該領域標準數量較少，僅2022年10月12日發布GB/T 42059-2022《水下滑翔器系統試驗方法》為水下滑翔技術試驗方法提供指南；人機環境設計技術涉及人機工程學、工業設計、測量學、心理學、行為學、材料學、噪聲學和色彩學等多種學科[13]，可以為潛航員或乘客營造舒適的工作、生活環境，以改善深海惡劣外部環境對人員的心理負面影響，但是當前的國際標準更多聚焦于人身與設備安全，對此領域關注仍然不足；耐高壓、低密度、低吸水率、高安全性的浮力材料是潛水器安全、機動性能的保障，但是目前尚無相關國際標準研制，國內浙江制造團體標準于2021年開發T/ZZB 2439-2021《深海用固體浮力材料》填補了該標準發展領域的空白。

4 結 語

潛水器技術是未來海洋資源開發和競爭的關鍵技術，當前潛水器設備的產業化和市場化趨勢日益明顯，不斷推進相關領域的國際標準化發展，既是推進潛水器技術發展的重要途徑，也是占領配套設備市場或相關技術話語權的關鍵舉措。結合技術發展熱點與工程實際需求，可以初步判定潛水器領域國際標準的發展方向包括：新型高性能電池、復合導航定位技術、水下通信技術、智能規劃與控制技術、快速潛浮技術、人機環境設計技術和浮力材料技術。以上領域主要涉及潛水器的性能要求、核心部件要求和多平臺接口規范，而國內潛水器國家標準、行業標準和團體標準已經在相關前沿領域有一定的技術積累，為進一步推進技術內容達成國際共識，加快國際標準研制奠定了基礎。在國際標準項目推進過程中，需要充分研判可行性，了解不同的技術委員會的工作特點，分析ISO路徑、IEC路徑或IOGP路徑（部分海上石油相關國際標準路徑）的適用性，著力在潛水器性能和核心部件性能領域，加快國際標準研制速度，不斷接近世界標準舞臺的中央，日益煥發出國際化、引領性和創新發展的勢頭[14]。

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作者簡介

岳宏，碩士研究生，工程師，研究方向為船舶與海洋工程標準化。

王立志，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向為船舶與海洋工程標準化。

（責任編輯：張佩玉）