我国水下滑翔机技术发展建议与思考

钱洪宝, 卢晓亭

我国水下滑翔机技术发展建议与思考

钱洪宝1, 卢晓亭2

(1. 中国电子科技集团公司 电子科学研究院, 北京, 100041; 2. 中国人民解放军31010部队, 北京, 100000)

文中简要综述了国内外水下滑翔机(UG)技术发展现状, 回顾了我国UG发展的历程。重点介绍了国家科技计划对以UG为代表的海洋仪器装备的安排部署和支持情况、取得的技术进展和主要经验做法。最后, 从单体技术、协同组网和应用研究等3个方面对UG技术下一步的发展提出了意见和建议, 具体包括: 应进一步加强低功耗设计、最优路径规划与控制策略算法、多参数获取及搭载能力、数据质量标准和信息安全传输等核心关键技术的攻关, 加快UG单体技术的改进和优化升级; 可同步加强多UG编队协同组网观测技术研究, 提升其整体作业效率和观、探测效果; 应继续加强UG观测的功能拓展和海洋科学应用研究。文中的工作可为未来实现“透明海洋”目标提供数据支撑。

水下滑翔机; 技术进展; 单体技术; 协同组网; 应用研究

0 引言

水下滑翔机(underwater glider, UG)是一种能够通过调节自身浮力实现升沉, 利用净浮力和两翼姿态角调整获得推进力, 实现在水中滑翔并对水体信息进行采集的水下机器人, 其能源利用效率高、噪音低, 具有大范围、长时间连续海洋环境观测与探测的优势[1], 适用于开展“中尺度”及以上尺度[2-3], 甚至部分“亚中尺度”[4-7]物理海洋现象观测、生态环境调查及海洋安全保障等工作, 同时也为海洋大数据分析、数值预报等UG重要应用领域提供原位准实时测量数据。

国外早在20世纪90年代初就开展了UG的研究工作, 其中, 美国一直是该技术的先驱者和领导者。1989年, 美国的Henry Stommel首次提出“水下滑翔机”的概念。1991年, 美国Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首台Slocum UG, 目前已成为应用最为广泛的UG产品之一[8]。国外UG最大设计巡航里程已达10 000 km, 美国Slocum UG早在2009年就已实现横渡大西洋的任务(连续221天不间断航行, 航程达7 409.6 km)[9]。随着UG单体技术的成熟, UG多机协同观测和组网观测技术也快速发展, 美国于20世纪90年代开始组建自主海洋观测网(autonomous ocean sampling network, AOSN), 并开展了一系列技术升级和应用实验, UG组网观测已纳入综合海洋观测系统(integrated ocean observing system, IOOS)网络计划。2018年4月, 美国海军海洋局(naval oceanographic office, NAVOCEANO)实现同时协同控制50台UG实施水下环境预测, 正计划同时部署100台海洋滑翔机集群作业(目前可能已经完成, 但未见可信报道); 欧洲水下滑翔机观测网(European gliding observatories, EGO)已陆续布放了超过300台UG执行各种海洋观测任务, 实时采集大西洋海域内海洋剖面数据信息等。UG协作与编队观测技术已广泛应用于国际上几乎所有重要的海洋观测系统和海洋观测计划中[1-8]。

1 我国UG技术发展

1.1 发展历程

UG在我国的发展始于21世纪初。天津大学研究团队最早于2002年开始第一代UG样机的探索, 而国家主体科技计划是随着“十一五”海洋领域“开拓深远海”战略的实施安排部署的。2006年, 国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域作为目标导向在“海洋环境监测技术”专题里支持启动了国内第一个UG海上试验样机的研制(设计巡航里程为500 km、最大下潜深度500 m), 由中国科学院沈阳自动化研究所牵头组织研发, 并于国家“十一五”末在我国南海开展了海上试验验证工作。

“十二五”期间, “挺进深远海”战略重点围绕强化深远海环境监测、深海探测与作业能力和支撑沿海蓝色经济、战略性新兴产业发展2条主线不断深入, 突出解决我国深远海环境监测及资源开发面临的技术装备手段缺乏的问题, 而UG以其能够实现大尺度范围、长时间连续观测等突出优势, 再次成为海洋领域发展的重点方向。与此同时, 国家“十二五”863计划大幅增加了UG的研发投入, 通过主题项目启动了4型(包括电能、混合推进型、喷水推进型和声学探测)UG的研制,设计巡航里程为1 000 km, 工作水深范围1 000~ 1500 m, 其中多型样机在海上试验中表现优异, 达到考核指标的要求[1]。

进入“十三五”以后, 瞄准国家目标和加快建设海洋强国战略的需求, 科技部通过国家重点研发计划继续对长航程UG的研发进行重点支持和部署, 在“深海关键技术与装备”重点专项中针对不同技术路线长航程UG研制启动2个重点项目(设计巡航里程突破3 000 km), 同时对水下多节点UG协同及组网观测进行了同步支持。此外, 青岛海洋科学与技术试点国家实验室通过“问海计划”项目、中国科学院通过“先导专项”也对大深度UG研发予以了重点支持。

1.2 研究成果

我国在UG单机技术方面研发成果显著。2014年海上测试时, 天津大学研发的“海燕”号UG测试水深为1500 m, 中国科学院沈阳自动化研究所研发的“海翼”号UG设计深度为1000 m, 测试水深为1 000 m; 2017年3月, 由中国科学院“先导专项”支持的7 000米级“海翼”号深海UG, 在马里亚纳海沟挑战者深渊上完成了12个潜次, 总航程超过130 km, 最大下潜深度达6 329 m[10], 入选2017年中国十大科技进展新闻; 2018年4月, 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室(天津大学部分)的“海燕-X”万米级深海UG在马里亚纳海沟下潜至8 213 m[11-12]; 2018年11月, 由国家重点研发计划支持, 天津大学组织研制的“海燕”号长航程UG在南海北部实现了连续航行141天, 共完成了734个剖面的水文环境参数观测, 率先实现了单次巡航里程突破3 619.6 km[13]。

总体而言, 经过国内UG团队十余年自主研发, 我国多型UG海上试验样机已经达到工程化和实用化要求, 相关团队自发组织开展了小规模多机UG海上协同及组网观测实验的探索, 主要包括: 天津大学、青岛海洋科学与技术试点国家实验室等多家单位在2017年开展的, 包括各型海洋滑翔机在内共计30余台套国产观测装备的协作组网观测海上试验; 中国科学院“先导专项”支持布放的12台UG实现的我国较大规模的UG集群观测等。总之, 我国UG在科学研究、生态调查、军民融合等领域开展了一定规模的应用[3, 10-20], 部分型号具备了产品化批产能力, 形成了“海燕”、“海翼”等国内自主品牌。国内外成熟UG产品主要技术指标对比情况见表1[11-13, 21-25]。

目前, 国内牵头开展UG研发的单位主要有中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学、华中科技大学、国家海洋技术中心、中国船舶重工集团有限公司第710所和第702所、上海交通大学、浙江大学、中国海洋大学、大连海事大学和西北工业大学等[1, 8]; 参与UG产业化的企业包括北京蔚海明祥科技有限公司、深圳市投资控股有限公司和天津深之蓝海洋设备科技有限公司等。其中,参与研发的单位超过30家, 涉及研发人员突破500人; 近3个五年计划国家财政研发投入、产出及与国外对比情况如表2所示。

表1 国内外成熟水下滑翔机产品主要技术指标对比情况(数据截止2019年5月)

表2 UG国内研发投入、产出与全球产出对照表(数据截止2018年9月)

1.3 我国计划组织UG研发的经验做法

长期以来, 以美国为首的西方发达国家在UG研发方面对我国施行严格的技术封锁、禁运禁售, 甚至在学术交流以及国际合作等方面都加以严格限制。针对此, 只有立足自主研发, 解决核心关键技术, 才能真正掌握竞争和发展的主动权, 这在很大程度上坚定了国家支持开展UG研制的决心, 同时也大大激发了国内研发团队自主创新的热情。

在此背景下, 依靠国家层面并行支持, 国内多个UG团队同步研发, 带动了国内UG技术水平的整体快速发展。仅“十二五”期间, 通过国家863计划组织国内优势力量, 在同一主题项目中针对不同技术路线同时设立4个课题, 采取多家单位共同发展的竞争性科技研发创新模式。

研发过程中, 首先, 通过同步进行方案设计和论证、定期开展技术学术交流和研讨、集中组织规范化海上试验、统一组织第三方检验和评价等措施, 研发团队之间互相借鉴经验、取长补短, 大大加快了技术攻关步伐, 促进了国内UG技术的整体快速发展。

其次, 规范研发过程, 严格质量控制与管理, 大大加快了UG的工程化研制进程。复杂的海洋环境(包括恶劣的海况、水下交变压力载荷、海水腐蚀、复杂水下地形和强流场等)对UG质量提出了近乎苛刻的要求, 特别是对UG技术设计、部件选择、加工精度、材料工艺、控制算法和能源管理等重点环节, 除了提高技术的先进性, 更要保障工程化应用的高稳定性和可靠性。国家863计划、国家重点研发计划针对海洋领域通过发布实施《海洋仪器设备研制质量管理规范》, 从项目总体方案、详细设计、加工制造、集成联调及测试环节规范研发过程, 严格质量控制管理, 也在UG海上试验样机研制及快速工程化过程中发挥了重要作用[26]。

最后, 创新技术评价方式, 开展规范化海上试验, 严格按照《海洋仪器设备海上试验管理规范》, 实施海上试验考核, 大大加快UG的实用化进程。国内UG技术的发展遵循了“边研发、边海试、边应用”原则, 研发以最终的应用为导向, 在真实海洋环境条件下严格考核, 检验UG样机的各项指标, 海试及评价环节引入第三方和质量监理, 通过海上试验发现问题并反馈研发, 有针对性地加以改进, 反复试验验证, 使得UG快速达到实用化要求, 结束了过去多数海洋仪器设备研发最终仍停留在试验室检验、水池试验或者湖试阶段的历史。总之, 从实战出发, 坚持“研以致用, 用以促研”的良性互动格局, 是国产UG技术快速发展进步的主要经验, 值得组织其他海洋装备研发时借鉴推广。

2 建议与思考

目前, 从UG整体发展来看, 其已在国内外得到较好应用, 并在诸多方面显示出重要的应用价值; 特别地, 在海洋观测方面, 国产UG已经成功应用于我国南海、西北太平洋、东太平洋、印度洋和北极白令海等海域科考调查中, 观测数据已经逐渐应用于大洋湍流(微结构)观测[27]、台风、(亚)中尺度涡[14, 16-20]、海洋内波[15, 28]和海-气相互作用等研究中。在海洋探测方面, 我国重点开展了基于UG的声学探测技术攻关[29-30]。相关研制单位也初步实现了单台或多台UG协同组网, 在一定范围内对部分声学目标的探测和警戒能力。因此, 未来无论是在海洋科学研究、海洋资源开发与利用、海洋搜救打捞、海底设备布放检测维修回收等领域, 还是在海洋安全保障方面都具有迫切的应用需求和广阔的应用前景。

不过, 尽管近年来我国UG技术取得了较快发展, 并在部分功能性能指标(如大深度等)上不断追赶甚至超越国外先进水平。但总体而言, 我国UG技术因为发展起步较晚, 研究基础薄弱, 在平台单体技术、协同组网观测及应用研究等方面与国外先进技术技术水平仍存在较大差距(如最为重要的长航程续航能力, 距离国际平均水平差距明显, 参见表1), 还需要加快创新发展步伐, 具体建议如下。

1) 在已有技术基础上[31-33], 进一步加强核心关键技术攻关, 加快单体UG的技术改进和优化升级。重点在低功耗设计、最优路径规划与控制策略算法、多参数获取及搭载能力、数据质量标准和信息安全传输等方面加强研究攻关, 增强UG应对强背景流场等复杂海况、复杂海底地形环境下的长航程实海探测与操控能力; 此外, 在人机协同控制、任务重建等方面提高人机交互水平, 真正实现为各类用户提供大范围、长期连续、稳定可靠、低成本的数据流和数据链路。

2) 在前期技术经验积累基础上[14, 16, 34], 加强多UG编队协同组网观测技术研究, 提升UG整体作业效率和观测与探测效果。结合科学研究、资源环境调查及目标探测等国家战略需求, 开展多UG移动分布式节点的多机协调编队、水下互联互通、自适应采样及快速机动组网等技术攻关, 增强UG大规模集群观测与探测能力, 特别是加强与水下异构节点(如波浪滑翔机、自主水下航行器等移动节点及浮标、潜标、海床基等固定观测节点)的组网观测, 并逐步从水面水下拓展到空、天、陆、海组建一体化观测信息网络, 在UG及其他异构节点种类及数量规模、组网观测覆盖范围、多机任务规划、系统稳健性、观测效率及业务化等方面不断提升UG综合协同组网观测能力和水平。

3) 加强UG观测的功能拓展和海洋科学应用研究。重点解决目前UG机构类型、作业模式、观测功能单一, 载荷搭载能力弱, 与实际应用结合不够紧密的问题。如结合仿生原理积极探索异构新概念UG[35]及混合能源(如温差能[36-37]、盐差能等)推进型UG, 提高复杂海洋环境下的适应能力; 研究大型高速UG(如大翼展UG等[38-39]), 提高多参数传感器快速观测能力[40-41]; 积极引入互联网、人工智能和大数据分析等技术, 提升UG智能信息感知、自主判别决策、人机快速协同和处理突发紧急情况的应对能力; 此外, 在物理海洋、生物地球化学等领域积极开展科学研究, 加强与相关行业部门及地方的结合, 拓展应用业务领域。

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Technical Development of Underwater Glider in China: Suggestions and Thoughts

QIAN Hong-bao1, LU Xiao-ting2

(1. China Academy of Electronic Science, China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100041, China; 2. 31010thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100000, China)

This paper briefly summarises the development status of underwater glider technology at home and abroad, and reviews the development process of the underwater glider(UG) in China. The arrangement and deployment of the National Science and Technology Plan for the marine instruments and equipment represented by underwater gliders, the technological progress achieved, and the primary experience and practices of them are also introduced. Finally, comments and suggestions for the next development of underwater glider technology are put forward from three aspects: single platform technology, collaborative networking and application research. They mainly include: firstly, some key technologies such as low power design, optimal path planning and control strategy algorithm, multi-parameter acquisition and carrying capacity, data quality standards and information security transmission should be further strengthened to speed up the upgrade, improvement and optimization of UG monomer technology; then the synchronised observation technology based on the multi-underwater gliders formation cooperative networking should be strengthened to improve their overall operation efficiency, observation and detection effect; and lastly, the observation function expansion of UG and their application of marine science should be strengthened to make the ocean more transparent.

underwater glider; history; technological progress; development trend

U674.941; TP242

R

2096-3920(2019)05-0474-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.001

钱洪宝, 卢晓亭. 我国水下滑翔机技术发展建议与思考[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(5):474-479.

2019-03-30;

2019-09-20.

钱洪宝(1977-), 男, 副研究员, 主要研究方向为海洋科技管理及海洋信息技术.

(责任编辑: 杨力军)