走向大洋深處的中國探海利器

 原標(biāo)題：走向大洋深處的中國探海利器

“海斗”號ARV

“探索4500”自主水下機器人

“海翼7000”水下滑翔機

【科學(xué)向未來】

水下機器人作為海洋探索與開發(fā)的重要技術(shù)手段，是海洋技術(shù)裝備皇冠上的明珠，在我國海洋強國建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來，隨著海洋強國建設(shè)，“蛟龍”、“潛龍”、“海斗”、“海翼”等我國自主研發(fā)的探海利器，逐漸開始得到應(yīng)用并為社會公眾所熟知。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所是我國最早開展水下機器人研發(fā)的單位，諸多探海利器都是由該所主持研發(fā)的。本期，我們邀請所長于海斌研究員撰文講講中國的探海利器。

A 中國水下機器人家族不斷壯大

我國水下機器人研究始于20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時該項技術(shù)在國外正飛速發(fā)展，國內(nèi)卻仍是一片空白。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（簡稱“沈陽自動化所”）瞄準(zhǔn)了這項前沿技術(shù)，在國內(nèi)率先開展“智能機器在海洋中的應(yīng)用”的可行性研究。在國內(nèi)多家單位的協(xié)同下，我國第一臺水下機器人“海人一號”于1986年在南海試驗成功，從而揭開了我國水下機器人事業(yè)發(fā)展的序幕。

四十年來，中國水下機器人研發(fā)蓬勃發(fā)展，水下機器人家族不斷壯大。

面對陸地、近海資源的日益枯竭和新一輪激烈的科技和產(chǎn)業(yè)競爭，在中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會辦公室和國家“863”計劃的支持下，沈陽自動化所聯(lián)合國內(nèi)多家單位成功研制了“潛龍”系列三型自主水下機器人。“潛龍一號”工作水深為6000米，可進(jìn)行海底地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、海洋環(huán)境參數(shù)和光學(xué)等精細(xì)調(diào)查，主要應(yīng)用于大洋多金屬結(jié)核資源調(diào)查。“潛龍二號”和“潛龍三號”工作水深都為4500米，兩臺裝備集成了熱液異常探測、磁力探測、地形地貌探測和光學(xué)照相等，主要應(yīng)用于大洋熱液硫化物礦區(qū)調(diào)查。“潛龍”系列AUV的成功研制，填補了我國深海海底資源自主勘查實用技術(shù)的空白。

面向海洋科學(xué)研究的需求，在國家“863”計劃和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)A類專項等支持下，研發(fā)了“探索”系列自主水下機器人（以下簡稱AUV）“海翼”系列水下滑翔機（以下簡稱Glider）和“海星6000”遙控水下機器人（以下簡稱ROV）。“探索”系列AUV覆蓋了從100米到4500米海域，其中，“探索100”主要用于淺海水域的海洋環(huán)境和地質(zhì)調(diào)查，“探索1000”主要用于特定海區(qū)海洋要素的長期連續(xù)定點觀測，“探索4500”主要用于深海熱液區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查；“海翼300/1000”主要基于浮力驅(qū)動原理，充分利用海流，在海洋環(huán)境中開展長期大范圍多參數(shù)調(diào)查。“海星6000”是我國首臺6000米級ROV，主要用于深海海洋要素測量、原位觀察和采樣作業(yè)，創(chuàng)造了我國ROV下潛5611米的最深紀(jì)錄，填補了我國6000米級ROV裝備的空白。

面向深淵科考的需求，成功研制了“海斗”號全海深自主遙控水下機器人（以下簡稱ARV）和“海翼7000”Glider等深淵科考裝備。“海斗”號是我國首臺萬米水下機器人，目前最大下潛深度達(dá)到10888米，為我國成功利用水下機器人技術(shù)開展萬米深淵科考奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，躋身國際先進(jìn)國家行列；“海翼7000”在2017年3月創(chuàng)造了當(dāng)時6329米的最深下潛紀(jì)錄，打破了此前由美國保持的水下滑翔機最大下潛深度世界紀(jì)錄。“海斗”號和“海翼7000”還分別入選2016年和2017年兩院院士評選的中國十大科技進(jìn)展新聞。

經(jīng)過多年的技術(shù)積累，中國水下機器人的研發(fā)力量不斷增強，不同的研究機構(gòu)也發(fā)展出各自的特色。以沈陽自動化研究所為例，初步開發(fā)了以“潛龍”系列AUV為核心的我國深海資源自主勘探系列裝備、以“探索”AUV和“海翼”Glider為核心的我國海洋科學(xué)研究自主探測技術(shù)體系、以“海星”系列ROV為核心的我國海洋科學(xué)研究作業(yè)技術(shù)體系，以“北極/海斗”ARV為核心的我國極端環(huán)境科考技術(shù)體系等等，初步構(gòu)建了全系列水下機器人的裝備譜系。

B 保障工程與科研需求

在深海資源勘查領(lǐng)域，自2013年以來，“潛龍”系列AUV連續(xù)對東太平洋多金屬結(jié)核礦區(qū)和西南印度洋熱液硫化物礦區(qū)進(jìn)行了綜合精細(xì)調(diào)查，累計下潛近百次，探測海底面積近千平方公里，為我國履行與國際海底管理局簽訂的勘探合同提供了不可或缺的技術(shù)手段，對提升我國深遠(yuǎn)海資源開發(fā)的國際競爭能力，提高我國深遠(yuǎn)海資源開發(fā)利用規(guī)模與水平，具有重要的戰(zhàn)略意義。

在海洋科學(xué)研究領(lǐng)域，自2014年起，已研制的30多臺套“海翼”系列Glider，覆蓋不同深度，在東海、南海和西太平洋等海域開展了大量航次應(yīng)用，累計工作900多天，累計觀測兩萬多公里，是我國累計工作天數(shù)最多、航行距離最長的水下滑翔機。其中，2017年7月，利用12臺水下滑翔機開展了我國最大規(guī)模的組網(wǎng)觀測，揭示了中尺度渦旋在地形作用下，激發(fā)次中尺度渦旋的空間分布特征，揭示了渦旋的三維結(jié)構(gòu)特征及其在地形作用下產(chǎn)生形變的過程。之后，水下滑翔機又創(chuàng)造了連續(xù)航行91天，航行距離1870公里，獲得了488個剖面觀測數(shù)據(jù)，刷新了當(dāng)時我國水下滑翔機航程、工作時間和觀測剖面數(shù)的紀(jì)錄。自2016年起，“探索1000”先后在南海、東海和黃海連續(xù)開展航次應(yīng)用，不斷探索探測工作模式，航行能力從300公里突破到800公里，獲取了大量的海洋要素觀測數(shù)據(jù)。“探索4500”也先后在南海、西太平洋等海域開展科學(xué)調(diào)查應(yīng)用，獲取了大量精細(xì)地形地貌和海底影像等探測數(shù)據(jù)。“海星6000”ROV于2017年完成深海試驗，開展了大量采水、底棲生物觀察、生物和巖石采集等作業(yè)，圓滿完成深海試驗任務(wù)。

在深淵科考領(lǐng)域，2016年和2017年，“海斗”號和“海翼7000”在我國兩次萬米深淵科考中為科學(xué)家提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料。“海斗”號獲得了我國第一批萬米溫鹽深剖面數(shù)據(jù)，并首次實現(xiàn)萬米海底視頻實時回傳至水面，填補了我國萬米海底實時傳輸視頻數(shù)據(jù)的空白；“海翼7000”不僅突破下潛深度，還收集到了大量高分辨率深淵海域水體參數(shù)數(shù)據(jù)。我國自主研發(fā)的深淵裝備使萬米深海已不再是我國海洋科技界的禁區(qū)。

C 自主研發(fā)，把核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里

一個國家的科技進(jìn)步始終以關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新為基礎(chǔ)，特別是對于深海裝備研制這樣一個關(guān)系到國家安全的領(lǐng)域，核心、關(guān)鍵技術(shù)買不來、要不到，必須靠我們自主創(chuàng)新，把核心、關(guān)鍵技術(shù)牢牢掌握在自己手里。

創(chuàng)新是科技進(jìn)步的靈魂。沈陽自動化研究所在國內(nèi)率先提出了自主遙控水下機器人（ARV）的概念，充分發(fā)揮了AUV和ROV兩型機器人的技術(shù)特點，在突破了冰下高緯度自主導(dǎo)航與定位、萬米油壓密封、大深度長距離微細(xì)光纖綜合管理等一批核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，連續(xù)參加北極科考和馬里亞納深淵科考，獲取了傳統(tǒng)技術(shù)手段無法獲取的科考數(shù)據(jù)。

創(chuàng)新是科技價值的體現(xiàn)。歷經(jīng)五年不懈努力，在“潛龍一號”AUV的基礎(chǔ)上，“潛龍二號”AUV在外形優(yōu)化設(shè)計、操縱性研究、智能控制以及深海自主勘查技術(shù)等方面不斷創(chuàng)新，連續(xù)三年在大洋科考調(diào)查中成功應(yīng)用，獲得成果表明我國自主潛水器在深海資源勘探領(lǐng)域進(jìn)入國際先進(jìn)行列。“潛龍三號”在“潛龍二號”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了深海導(dǎo)航和定位技術(shù)以及光學(xué)調(diào)查技術(shù)的國產(chǎn)化，充分提高了可靠性、實用性、安全性和探測效率。

深海技術(shù)裝備要與實踐緊密結(jié)合。重點加強應(yīng)用需求與工程技術(shù)的緊密結(jié)合，在深海環(huán)境中不斷提升裝備的可靠性和實用性，始終致力于將總體集成、載體優(yōu)化設(shè)計、智能控制、自主導(dǎo)航、大深度作業(yè)等核心技術(shù)牢牢掌握在自己手中。

隨著海洋探索和開發(fā)對于裝備性能需求的日益增長，沿著技術(shù)與需求深度融合的思路，我們認(rèn)為，下一代智能水下機器人應(yīng)更加注重群體的感知能力、決策能力、作業(yè)能力以及跨域協(xié)同能力，向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和體系化的方向發(fā)展。這樣將有助于加速推動水下機器人行業(yè)的發(fā)展，在海洋科技創(chuàng)新的新時代里作出更大的貢獻(xiàn)。（于海斌，系中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所長，圖片均由沈陽自動化所提供）