水下机器人发展趋势及前景

韦荣伟

海洋是我国重要的国土资源，在军事战略上和社会经济方面的地位十分重要。在国外非法在我国南海开采石油及我国对南海资源愈加重视的背景下，NHSY981、奋进号、兴旺号等自主研发的深海钻井平台制造成功，并到南海进行开采，对ROV的需求日渐扩大。在从浅海走向深海的海洋活动中，ROV占据了重要位置。2017年，中石油使用“蓝鲸一号”钻井平台在南海的天然气水合物试采成功，预示着国家油气的开采中心逐渐转向深海，随之ROV产业也将快速发展。现在，ROV在海洋活动中的运用日渐平凡及多样化，继小型个人无人机后，小型的观察型ROV也逐渐成为人们追逐的产品[1]。在大型作业级ROV方面，除用于海洋石油工程外，在科学考察、海底光缆铺设维修及深拖系统等深海设施安装也占据重要位置。随着国家愈发重视海洋资源，国内ROV研发力度加大。南海天然气水合物的试开采成功，也预示着深海油气开采需要更多的ROV支持[2-3]。

本文充分分析国内外水下机器人发展历程和现状，展望未来水下机器人的发展方向，为我国水下机器人发展献计献策。

1 水下机器人国内外发展趋势

有缆水下机器人最早产生于20世纪50年代，当时主要用于鱼雷和水下导弹回收任务而由军方研制。美国海军1956年研制出的“开尔夫”1号机器人在服役期间曾执行数百次使命，其中包括从海底回收100多枚鱼雷[4]。

在20世纪70年代，油价的飙升和海洋石油开采技术的发展，人们对ROV的需求加快了其的研制及生产。随后ROV的功能不仅仅用于观察，在科考、实验、水下工程、打捞等水下作业方面，ROV逐步代替了潜水员。ROV的功能性更加丰富，性能越来越好，作业水深及环境的范围也越来越广。当今，英国、美国、日本、俄罗斯等国在水下机器人方面都拥有较高的技术优势。水下机器人已广泛应用于经济及军事等不同领域，成为水下观察和水下作业方面最有效和最具潜力的水下开发工具[5]。

我国与其他国家类似，也是从军事需求方面开始对ROV进行研究和开发。到目前已有成系列的军用水下机器人在役。同时，还研发出水下机器人模拟器进行操作人才培养。

1.1 国外发展现状

1974年，油价的上涨刺激了海洋石油工业的发展，ROV由军事化向商业化迅速发展。目前，全世界有超过400家厂商提供ROV生产销售及作业功能服务。全世界大约有1100多台工作级ROV。美国Oceaneering作为最大的ROV制造及作业公司，拥有大约400台ROV，占据世界钻井支持业务的30%。英国的Saab Seaeye、Schilling及SMD均是世界上较大的ROV供应商。

在军事方面，自20世纪末，水下无人作战装备备受国外海军青睐，得到了长足发展。无人潜航器正逐渐成为美国海军的水面舰艇和潜艇的常规配置。2005年，无人潜航器经由美、英等军事大国的海军军备上的表现，在世界各国得到了快速发展。美国海军调整了其无人潜航器的发展计划；因潜航器在伊拉克作战中的良好表现，英国海军开始从美国引进这种装备，德国也研制出了新型无人潜航器，并开始了演示试验活动；澳大利亚、挪威等国也在积极研发无人潜航器的相关技术。无人潜航器具备的水下情报探取，水面与水下联动侦查监控、水下作战、后勤支持等能力，已使其成为世界各国现代化海军装备的重要研究项目[6]。

1.2 国内发展现状

自1974年至1980年，日新月异的工业机器人技术进步，以及为丰富海上救助打捞手段和近海海底油气田的勘探、开采，我国也跟进了水下机器人研究以及应用的工作。

近些年，在水下机器人AUV（Autonomous Underwater Vehicle）方面2013年哈工大和沈自所研发的“潜龙一号”执行下潜至5080m的深度，完成指定任务。2017年3月，“海翼”号深海滑翔机在马里亚纳海沟完成最深达6329m的下潜观测任务，显示出我国以沈阳自动化研究所为代表的自主式水下机器人AUV研究工作取得显著进步。

在水下机器人ROV（Remote Operated Vehicle）方面，2009年上海交通大学研制出下潜深度3500m的“海龙”号，并多次完成科考任务。2017年8月，为中科院科考研制的下潜深度为7000m的遥控式水下机器人ROV正在深圳装机，10月份的海上测试已完成了下潜深度6000m的挑战。这些成果均是我国水下机器人技术发展的证明。

但由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的差距较大，致使国产水下机器人的大多属于实验阶段，没有成型的商业化产品。目前，国内在不同领域的应用客户许多是购买或租借国外现有产品，不仅价格高、配套服务难，而且有些产品并不适合中国海区的使用特点，机动性、抗流能力及作业能力都显不足[5]。

2015年，中国南车时代电气收购英国SMD公司，运用国外技术，开始进行国产ROV的商业化。随着国内技术的成熟，更多的生产商从观察型ROV生产逐步转向工作型ROV的生产，以满足国内需求。

在国内无人机市场蓬勃发展后，国内众多厂商把目光意向了人类好奇的海洋。目前小型ROV用于娱乐、科教纪录片拍摄和水底世界简单探索三方面。受限于技术、材料、通信等，大多小型ROV下潜深度大约在100m。

2 技术发展趋势

ROV系统是一个多学科综合体，随着科学技术的发展，ROV自身也不断向前发展[7]。

2.1 ROV性能提高

根据实际应用和关键技术的突破，ROV在性能方面主要有两个发展趋势：拥有极强的作业功能和全海深的作业能力[6]。

随着海洋活动更为频繁和重要，深海作业的内容变得更为复杂，因而，拓展ROV系统在海中的更多功能性是重要的发展方向。通用化与模块化是提高功能性的发展方向，让水下机器人能够使用不同的工具完成水下复杂的取样，拆装设备及提供液压电气给水下设备等作业。

随着人类向海洋开发的推进，海底的深度越来越深，相应的水下机器人作业的下潜深度也随之增加，ROV将向全海深作业方向发展。

2.2 小型化和个人化

ROV从贵重的水下作业机器转向小型化和个人化的商业产品。与小型无人机一样，人们的视线会逐渐从天空转向海洋。小型的ROV可以满足人们对海洋的好奇心。现在，国内有众多的小型ROV生产商，但其潜深能力及远航能力受限于脐带缆、密封性、动力性及浮体材料等因素，均表现不太好。随着技术不断发展，安全性和小型ROV性能将是生产商的研发方向，水下定位技术也是小型ROV发展要克服的技术难题。

2.3 VR技术

ROV在水下有目标作业时，主要靠摄像头来观察然后进行后续作业。360°环视VR技术的发展，可以让ROV可以轻松进入导管架等复杂的环境，降低其中的风险，同时，ROV使用机械手和扭力工具时能更精准细腻的操作，可以保护水下设备不被误伤。对于个人化的小型ROV，VR技术能给人带来更好的海底体验。

2.4 AUV与ROV技术混合发展

水下机器人技术在ROV和AUV两个方向都有良好的发展。AUV活动范围不受脐带缆限制，但受到续航能力和数据传输能力制约，而ROV受到脐带缆限制，活动范围小，但数据采集量大，人机互动高，不受续航能力制约。美国伍兹霍尔海洋研究所在全海深混合ROV技术方面做出了成功尝试，他们于2007年研制完成了“海神”号混合ROV，并于2009年6月2日在第12潜次下潜至10898m处进行了沉积物取样[4]。结合二者的长处便是未来水下机器人的发展方向。

3 结语

近年来，水下机器人技术发展迅速，国内大连海事大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所等机构都在大力研究和开发，并取得了一定成果，但在军事方面和商业化方面还落后于英美日等国家。现在国家海军的飞速发展，研究机构与企业的更为重视，水下机器人技术将会在未来快速向国外靠近乃至赶超，前景可期。

[1]黄明泉.水下机器人ROV在海底管线检测中的应用[J].海洋地质前沿，2012，28（2）：52-57.

[2]晏勇，马培荪，王道炎，高雪官.深海ROV及其作业系统综述[J].机器人，2005，（1）：82-89.

[3]许竞克，王佑君，侯宝科，杨立浩.ROV的研发现状及发展趋势[J].四川兵工学报，2011，32（4）：71-74.

[4]彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势[J].机器人技术与应用，2004，（4）：43-47.

[5]徐建宁.水下航行器内部信息传输方法研究[D].西安：西北工业大学，2007：12.

[6]吴吉伟，徐先勇，陆文俊.浅谈无人潜航器在反潜作战中的应用[J].军民两用技术与产品，2014，（7）：58-59.

[7]陈宗恒，盛堰，胡波.ROV在海洋科学科考中的发展现状及应用[J].科技创新与应用，2014，（21）：9-10.