我国海洋调查装备技术的发展

牟健

(1.国家海洋局南海分局 广州 510300；2.国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室 广州 510300)



我国海洋调查装备技术的发展

牟健1，2

(1.国家海洋局南海分局 广州 510300；2.国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室 广州 510300)

随着人类海洋调查活动的不断加强，国内外对海洋调查装备技术日益重视，已经把不断完善和改进海洋调查装备技术作为海洋科学技术发展的重大学科方向。文章介绍我国海洋调查装备技术的发展历程，对影响我国该项技术发展的主要因素进行分析，并对未来发展趋势进行预测。

海洋调查；装备制造；遥感技术；立体观测；网络智能

1 海洋调查装备技术概述

随着科学技术的进步，海洋已经成为人类活动的重要空间。海洋作为地球上最大的资源宝库，蕴藏着丰富的资源，其中油气资源、矿产资源、生物资源、化学资源、空间资源和可再生资源等为人类社会的发展提供无穷的动力。开发和利用海洋资源离不开对海洋的内在规律进行全面调查，然而由于海水的隔离，人类对海洋的调查、开发和利用均受到极大限制。为突破这种限制，各种海洋调查装备应运而生并迅速发展。

海洋调查是指用各种仪器装备直接或间接对海洋的物理学、化学、生物学、地质学、地形地貌学、气象学和其他海洋状况进行研究的手段，是针对海洋某一特定海区的水文、气象、物理、化学、生物、底质和地形地貌的分布情况和变化规律进行的科学调查。海洋调查装备一般包括水文气象设备、海洋化学与生物采样设备、导航定位设备、海洋地质采样设备、地形地貌地球物理调查设备以及浮标潜标、拖曳体、水下机器人(ROV)、有人/无人潜器(AUV)等设备，各种调查任务要按照调查项目的具体需求来配置相对应的调查装备[1]。

世界海洋调查装备技术随着现代化高新技术的发展而不断更新换代，大致可分为3个阶段：第一阶段为20世纪70年代以前，主要以机械式装备为主，这类装备普遍体积较大、操作使用比较复杂、作业时需要大量人力物力、测量精度和稳定性较差，如颠倒采水器、闭端颠倒温度表、手摇绞车等；第二阶段为20世纪70年代至今，随着电子计算机技术、声学技术和传感器技术的快速发展，逐渐形成以电子计算机和自动化为主的装备，此类装备已经实现小型化和模块化、外业操作使用较为简单、能够自动测量和采集数据、人工大为减少、精度和稳定性较高，目前已得到普及应用，如温盐深仪(CTD)、多普勒流速仪(ADCP)、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪等；第三阶段为从现在开始到未来，随着网络技术、通信技术和遥感技术的快速发展和广泛应用，今后海洋调查装备将主要在第二阶段的基础上，逐步发展成为以远程监控、实时传输为主的智能化网络化装备。

2 我国海洋调查装备技术的发展历程

在20世纪50年代初期，我国还没有专门从事海洋调查装备研制工作的人员和单位，当时只是根据海洋调查和观测的需要，由一些单位临时制造海洋装备供本单位使用，并无生产能力。这一时期国内所需要的海洋调查装备绝大部分依靠进口。

为满足我国第一次大规模海洋综合调查的急需，国家科委海洋综合调查办公室专门组织力量，开展一些基本海洋调查装备的研制生产工作。这一时期主要是仿制国外某些常规产品，研制生产的装备是纯机械式，如颠倒采水器、闭端颠倒温度表、厄克曼海流计、海水透明度盘、手摇绞车、生物网具、采泥器、重力垂直取样管、表面流浮筒、表面水银温度表和氯度滴定管等。

为落实海洋科学发展规划提出的任务，我国于1965—1966年和1971—1976年分别进行2次联合研制海洋装备的工作(当时称为全国海洋装备会战)，研制成功50多种产品，有些装备达到国外同期同类产品的水平，有些装备填补我国海洋装备的空白。这一时期结束我国海洋装备纯机械式的局面，为电子装备的研制开了好头，对改变我国海洋装备长期落后面貌和提高海洋调查水平，推动我国海洋电子温、盐、深综合测量仪和声学测流仪的发展，促进新技术在海洋装备中的应用都起到一定作用。到20世纪70年代末，我国研制生产的海洋装备项目已达百余种，不但有水文气象测量仪器、理化测量仪器、生物调查仪器，而且成功研制利用声学原理的地形地貌调查仪器，航空红外测温仪和航空照相机也已开始在海上实验；测量技术也取得明显进展，一些调查装备中已采用声学、电子、遥测和遥控技术。但是从总体情况看，当时我国海洋调查装备绝大多数仍是常规机械式的，且深海调查装备仍处于空白；此外受国内工业水平限制，装备所用元器件质量不过关、非商品化，导致新研制的装备无法生产和扩大应用。

在20世纪70年代末到80年代中期，随着我国工业水平的迅速提高，海洋装备技术发展步伐加快。这一时期研制生产的海洋调查装备品种明显增加，测量精度、灵敏度、稳定性和可靠性也有较大提高；装备所采用的技术取得很大进展，不再立足于分离元件，而是越来越多采用集成电路，装备结构日益标准化，并且计算机的使用大大提高装备自动化水平。

从20世纪80年代中期到90年代，科技攻关使海洋调查装备的研制生产迈上新的台阶。这一时期研制生产的海洋调查装备普遍采用微机或单板机进行数据采集、运算、记录和传输，采用可靠性高的电子元器件以及适用于海洋环境的新材料和新三防工艺；海洋调查装备从单要素专项测量向多要素综合测量系统发展，并开始向深海发展[2]。

在进入21世纪的10余年里，我国不但研制出一批技术先进的传感器、仪器和测量系统，而且有些装备已形成系列产品，有些装备技术指标达到国外同期同类产品水平，有些地质仪器和水文仪器被用于大洋考察和其他国际联合调查。近年来，在国家“863”计划、海洋公益性行业科研专项等的支持下，我国已经成功研制多款海洋调查和取样装备，包括自动气象站、高精度温盐深仪(CTD)、海流剖面仪(ADCP)、磁力仪等；深海取样装备包括深海电视抓斗、多管取样器等；海洋观测平台也呈现多样化，包括被动观测平台如浮标、潜标等，自主观测平台如6 000米级“潜龙一号”AUV(无缆水下机器人)、4 500米级“海马号”ROV(有缆水下机器人)、水下滑翔机等，拖曳观测平台如6 000米级深海声学拖体、超宽频海底剖面仪、拖曳式多参数剖面测量系统等；在载人潜水器方面，“蛟龙”号深潜器实现我国载人潜水器零的突破，于2012年7月圆满完成7 000米级海试，目前已处于实际应用阶段；300吨级深海空间站“龙宫”也已进行水下试验。这些装备的研制和应用使我国海洋调查观测和环境监测传感器技术得到很大发展。

虽然我国已研制出一批技术水平接近或具有国际先进水平的海洋调查装备，但从总体来看我国海洋调查观测高新技术开发起步晚、进展比较慢，国外已经开发应用的某些高新技术在我国尚处于空白状态，尤其是水声技术和传感器技术等核心技术。目前我国海洋调查中使用的大多数声学装备仍以进口仪器为主，常用的重、磁、电、震、声等核心传感器仪器装备几乎全部依赖进口，这不仅是制约我国海洋调查观测技术发展的瓶颈，也是提高海洋调查成本使其难以产业化的重要障碍[3]。

3 影响我国海洋调查装备技术发展的主要因素

3.1 资金因素

资金投入是直接影响海洋调查装备技术发展的重要因素。凡是海洋经济发达的国家在加快海洋经济发展的同时都加大海洋开发与科研经费的投入，凡是对海洋开发与科研经费投入强度大、增长幅度快的国家也都是海洋科技水平高、实力强的国家。现阶段我国海洋调查装备市场几乎全部依靠政府财政投入培育，政府投入颇多也取得一些成绩，相关产业已经跨越从无到有的阶段，但仍处于萌芽之中。由于国产装备多数是高校、研究院所的科研样机，还没有到量产阶段，加上市场具有不确定性，国内很少有大型企业或实力较强的民营企业投入资金，造成我国海洋调查装备自主创新进展缓慢。应着力吸引更多民营企业参与，有助于我国海洋调查装备形成完整的产业体系；确定企业在海洋调查装备产业中的主体作用，鼓励国产装备的优先使用，预留国产装备较长的研发周期并给予优惠税收政策；开展国家层面的产业发展顶层设计，制定长期、稳定、适当的产业倾斜政策，积极应用财政、金融、税收手段对企业加以扶持引导，鼓励社会多种融资渠道筹措资金。

3.2 技术因素

由于我国科学技术和工业现代化起步较晚、基础较弱，我国海洋调查装备技术总体落后于国际先进水平，大部分装备停留在工程样机阶段，没有实现产品化产业化，而欧美、日本等发达海洋强国的这一产业已经相当成熟。相关技术未能有效转化为生产力的原因，一方面是研发力量大多集中在高校及科研院所，相对封闭，不利于技术研发与市场机制的有效结合；另一方面由于海洋调查装备的研发生产具有投资周期长、风险高、需求量小的特点，在国家未明确相关产业激励政策前，企业参与动力不足。对于具有较强公益属性、技术创新难度较大、具有前瞻性和探索性特点以及对国家安全具有重大影响的技术和装备，国家应加大投入力度，组织相关科研力量专门进行技术研发和攻关；对于市场潜力较大、产业化前景较好的技术和装备，应积极引导企业进行技术承接和成果转化，让企业成为产业化的主体。

3.3 政策和规划管理因素

国家海洋科技政策和实施政策的规划管理是发展海洋科技的重要准则和保证。从20世纪50年代以来，我国海洋调查观测技术的发展过程就是实施国家海洋科技政策和发展规划的过程。1956年国家制定“十二年科学技术远景规划”，其中包括“十二年海洋科学发展规划”，促成第一次全国海洋普查工作，揭开我国海洋科学技术大发展的序幕，从而启动我国海洋调查观测仪器装备的研制生产工作，填补国内海洋调查观测技术研究的空白；“1963—1972年我国海洋科学发展规划”推动开展2次全国海洋装备会战；为加快海洋仪器装备发展步伐，国家海洋局于1979年制定“海洋仪器装备十年发展规划”，使我国海洋仪器装备的研制生产作为专项正式纳入国家规划，并向规范化、标准化和系列化工作方向发展，在管理方面逐步建立健全有关规章制度。

改革开放以来，在每一个五年计划中，国家科技攻关计划都依据有关政策列入海洋科学技术发展的内容项目，科技攻关使我国海洋仪器装备的研制生产迈上新的台阶。尤其是《全国海洋经济发展“十二五”规划》指出未来海洋经济发展目标，在大力培育壮大的海洋新兴产业中，海洋装备制造业被放在首位；在我国政府实施制造强国战略第一个十年行动纲领《中国制造2025》中提出着力扶持海洋装备制造业并力推关键设备国产化，这对国内相关装备制造商来说是一大利好。在保障措施方面，加强海洋经济规划指导和政策扶持；在财政政策方面，探索通过相关措施加大支持力度；在投融资政策方面，鼓励和引导民间资本参与海洋产业发展，尽快形成多元化投融资机制，扩大直接融资比重；鼓励金融机构加大信贷支持力度，发挥信贷资源优化配置对海洋产业投资结构的引导和调整作用，支持有实力、有潜力且符合条件的涉海企业上市融资。

4 海洋调查装备技术的发展趋势

海洋调查事业的发展依赖于海洋调查装备技术的发展，高新技术的不断出现使海洋调查装备向无人遥感化、立体观测化和网络智能化方向高速发展。

4.1 无人遥感化

随着无人遥感技术取得较大进展，其在海洋调查中的应用前景日趋广阔。卫星、无人机、无人船艇、无人潜器等装备的应用会越来越多。

卫星可以经济、方便地对大面积海域实现实时、同步、连续监测，可全天时、全天候收集海况资料，同时还可以提供海上目标、海岸带调查、海洋污染的实时同步海洋要素，为海洋环境监测、海洋权益维护以及海岸带资源调查、综合利用和管理提供服务。

无人机是利用无线电遥控设备和自备程序控制和操纵的不载人飞机，分为无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器等，可实现高分辨率数据的采集，在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到数据的弊端的同时，解决卫星遥感重访周期过长、应急不及时等问题。无人机用途广泛、成本低、效率高、生存能力强、机动性能好、使用方便，在海洋调查监测领域有极其重要的作用和广阔的应用前景。

无人船艇是一种无人操作的水面船艇，主要用于执行不适合有人船只执行的任务，可以配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和导航定位系统，可以执行多种任务，如对岛礁和近岸浅水域水下地形地貌进行测量、水文探测和自主航道测量、导航和工程勘察等。

无人潜器是新一代无人无缆水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，逐渐成为完成各种水下任务的重要工具。由于无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制、隐蔽性好等优点，适用于复杂多变和恶劣的水下环境作业，在民用领域可用于水下考察与勘探、铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工、水下设备维护与维修等，在军用领域可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等，应用前景广阔。

4.2 立体观测化

从海洋调查观测的发展趋势看，国际大型海洋科学研究都是跨学科的综合海洋学计划，观测研究采用由多种平台组成的立体观测系统，力求采集海洋资料更加全面，因此未来世界海洋调查工作势必经常利用立体观测系统。我国是海洋大国，必须利用现代化的立体观测系统，提高海洋环境资源调查水平和应用效益，加快我国海洋科技现代化步伐。目前我国已初步形成涵盖岸基海洋观测系统、离岸海洋观测系统以及大洋和极地观测系统的海洋观测网基本框架，在海洋防灾减灾、科学研究等领域发挥重要作用。但由于起步较晚、投入不足，在海洋调查观测网的空间布局、观测手段、基础设施、技术保障、运行机制等方面，目前我国与发达国家相比尚存较大差距，还不能完全满足海洋事业快速发展的需求。

海洋调查观测技术目前已进入从海底到外太空的全方位立体综合观测系统时期，进行全天候同步观测，这种技术将是今后获取海洋与大气信息的基本常规技术。海洋立体观测系统由多种平台组成，包括卫星、飞机(含有人机、无人机)、调查观测船、浮标潜标、水下潜器(含水下机器人、有人/无人潜器等)和海床基观测站等。多平台协同立体化作业将是今后海洋调查的趋势，覆盖范围由近岸向近海和中远海拓展、由水面向水下和海底延伸，实现岸基观测、离岸观测、大洋和极地观测的有机结合，形成海洋环境立体调查观测能力。应加快建立与完善海洋立体调查观测综合保障体系和数据资源共享机制，进一步提升海洋立体观测系统运行管理与服务水平，以满足海洋调查、海洋防灾减灾、海洋经济发展、海洋权益维护等方面的需求[4]。

4.3 网络智能化

随着传感器技术、通信技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，网络智能化、物联网、云计算和大数据等高新技术将在海洋调查中发挥越来越重要的作用。这些网络智能化技术可以将调查船上各种调查装备采集到的数据集成在一个平台并处理，可以将这些数据通过无线通信技术高速实时传输到飞机、其他船舶和地面接收站从而实现数据实时共享，还可以与浮标、卫星、飞机和水下装备实时互动、完成数据交换、进行远程监控，将立体调查观测系统整合成一个整体。我国海洋调查网络智能化的关键技术是远程无线监控技术，尤其是发展具有中国自主知识产权的移动卫星通信系统和水声通信系统。

另外，随着海洋立体调查观测系统的不断发展，各种装备和传感器获取的数据将会快速增长，传统的处理手段难以满足大数据处理的功能和性能要求，不具备进一步挖掘利用大数据的能力。因此，需要通过建设海洋系统的云计算大数据平台，将海量数据变成可实时分析应用的“活数据”，使之服务于国民经济和社会民生。云计算是大数据时代的基础，可使大数据处理更方便、更快速、更省时省力，不仅提高资源利用率，还使很多科研单位不需要购买昂贵的超级计算机，大大降低使用成本、建设周期，也可避免重复的高投入和后期的维护成本。

[1] 艾万铸，李桂香.海洋科学与技术[M].北京：海洋出版社，2000.

[2] 陈伯镛.21世纪的中国海洋经济与技术研究报告[R].天津：国家海洋信息中心，1996.

[3] 许文明，李璞.走向海洋世纪：海洋科学技术[M].珠海：珠海出版社，2002.

[4] 吴克勤，林法宝，译.2020年的海洋科学、发展趋势和可持续发展面临的挑战[R].2003.

The Development of China’s Marine Survey Equipment Technology

MOU Jian1，2

(1.South China Sea Branch,State Oceanic Administration，Guangzhou 510300，China；2.Key Laboratory of Technology for Sateguarding of Marine Rights and Interests and Application，SOA，Guangzhou 510300，China)

This paper introduced the development of China’s marine survey equipment technology.The main factors that affect the development of the technology were analyzed，and the future development trend was also predicted.

Marine survey，Equipment manufacturing，Remote sensing technique，Stereoscopic observation，Network intelligence

2016-05-13；

2016-08-28

国家“863”计划项目(2014AA093410).

牟健，高级工程师，硕士研究生，研究方向为海洋装备的集成、应用和管理，电子信箱：moujianxiaoshe@qq.com

P74

A

1005-9857(2016)10-0078-05