海洋科考装备体系构建及发展方向研究

赵羿羽，曾晓光，金伟晨

(中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

海洋是人类可持续发展的战略资源宝库。进入新世纪以来，国际海洋权益斗争日益激烈。不管是开发海洋还是保护海洋，都必须先通过海洋科考来认识和了解海洋。而海洋科考装备是完成海洋科考任务的重要载体，包括各类专门用于海洋资源、环境等科学调查和实验活动的装备，以及布置在岸边、海面、水下、海底的各类观测、检测装备[1-2]。

近年来，众多海洋国家结合其需求和发展基础，开展了海洋装备发展方向相关的研究并提出发展规划。我国也十分重视海洋装备发展顶层研究，政府机关、行业机构以及相关重点企业提出了一系列发展规划、重大科技计划等。这些顶层研究为海洋科考装备的发展提供了一定的战略引领。但是，由于海洋科考装备种类繁多、分类不一，目前尚未有机构公开提出统一的海洋科考装备体系架构，难以从顶层和系统的角度摸清海洋科考装备发展现状；同时，海洋科考装备技术发展更新换代速度变快，我国海洋科考装备发展方向亟需更加综合、深入的研究。本文以构建完善的海洋科考装备体系为切入点，梳理我国海洋科考装备现状与趋势，提出专业化的发展方向建议，为我国“耕海探洋、认识海洋” 提供参考。

1 海洋科考装备体系的构建

从海洋科考的活动流程来看，海洋科考装备涉及海洋进入和海洋探测相关装备，包括海洋调查船、载人潜水器、无人潜水器、深海空间站、海洋观测平台和海洋感知仪器设备等。

1）海洋调查船

按照不同的分类方法，海洋调查船有不同的体系。本文按照调查任务进行分类，包括综合调查船、专业调查船和特种海洋调查[3]。综合调查船主要从事海洋基础科学实验的综合调查；专业调查船的船体较综合调查船小，任务单一，如海洋水文调查船、海洋地质调查船等；特种调查船是指按专门任务建造的结构特殊的调查船，如航天用远洋测量船、极地考察船、深海钻探船等。

2）载人潜水器

载人潜水器（HOV）从用途上看，主要包括科学研究、深海探险、观光旅游和军事应用等几大类[4]。用于海洋科学研究的作业型载人潜水器按照不同作业水深，可分为浅水作业型载人潜水器（作业水深在1 000 m 以内）、深水作业型载人潜水器（作业水深在1 000 m 以深）及全海深作业型载人潜水器（最大工作深度超过万米）等。

3）无人潜水器

无人潜水器主要包括缆遥控潜水器（ROV）、自治无人潜水器（AUV）、水下滑翔机（AUG）及遥控/自治复合型潜水器（ARV）等。按照作业能力，ROV可分为300 米级轻/中/重载型、1 000 米级轻/中/重载型、3 000 米级轻/中/重载型和6 000 米级轻/中/重载型；按照作业水深，AUV 可分为浅海AUV、深海AUV、万米级AUV；水下滑翔机是基于AUV 发展的新型无人潜水器，遥控/自治复合型潜水器结合了ROV的动力充足和AUV 的行动自如、不受限制等优点，它们的作业水深也从浅海跨越至全海深。

4）深海空间站

深海空间站潜深数百至几千米，可自主远距离航行或驻留海底，携带若干深海探测装置、ROV、AUV与水下吊车等作业设备，按其正常排水量大小可分为几十吨级微型深海空间站、百吨级小型深海空间站、千吨级中型深海空间站等。

5）海洋观测平台

本文中海洋观测平台指海洋水面及水下用于安装海洋感知仪器设备的移动及固定平台。包括海洋浮标、潜标、无人水面艇、自治潜水器、水下滑翔机、波浪滑翔机、拖曳平台、海上固定观测平台等。

6）海洋感知仪器设备

海洋感知仪器设备主要包括海洋环境测量仪器设备、海洋物探仪器设备和海洋测绘仪器设备等。

2 国外发展现状及趋势

2.1 发展现状

国外海洋科考装备发展现状包括6 个方面：

1）美国海洋调查船实力最强，调查船总体性能不断优化

目前全球共有40 多个国家拥有海洋调查船，主要海洋调查船建造国家包括美国、俄罗斯、日本、挪威、德国、中国、英国、西班牙和荷兰等[5]。近年来，以美国为代表的海洋强国统筹规划，成体系发展海洋调查船，其新型科考船设计重点突出综合调查能力的整体优化，设计趋向安静化、模块化和信息化[6]。当前，国外先进调查船包括美国Sikuliaq 号极地科考船、英国RRS Sir David Attenborough 号极地科考船、德国Atair II 号LNG 燃料科考船、瑞典Svea 号科考调查船和日本Kaimei 号海洋调查船等。

图 1 海洋科考装备体系图Fig.1 Marine scientific research equipment system diagram

2）深海载人潜水器作业能力不断增强，作业海深向万米迈进

深海载人潜水器的研制从20 世纪60 年代开始，发展至今，美国、法国、俄罗斯、日本、中国已具备深海载人潜水器自主研发的能力。具有代表性的深海载人潜水器包括美国6 500 米级 “阿尔文” 号、法国6 000 米级 “鹦鹉螺” 号、俄罗斯6 000 米级 “和平一号” 和 “和平二号”（MIRⅠ& MIRⅡ）、日本 “深海6500”（SHINKAI 6500）号和我国7 000 米级 “蛟龙” 号及4 500 米级 “深海勇士” 号。万米级载人潜水器[7] 是深海载人潜水器的一大热点，目前正在开展设计或研制的万米载人潜水器包括美国DOER 公司的Deepsearch 号、美国Triton 公司的Triton 36000/3、日本的 “深海12000” 号、中国船舶科学研究中心的全海深载人潜水器及上海海洋大学深渊科学与技术研究中心的 “彩 虹 鱼” 号。

表 1 世界作业能力4 500 m 以深的载人潜水器Tab.1 Deep-sea manned submersibles with operating capacity over 4 500 meters

3）大深度无人潜水器已成为深海科考的重要工具，新型无人潜水器发展迅速

要完成海洋探测和科学研究，无人潜水器需要工作在3 500 m 以上的更大深度。ROV 系统是目前技术最成熟使用最广泛、 最经济实用的一类潜水器[9]。欧、美和日本等发达国家开展了大量的自治潜水器AUV 研究工作，AUV 依靠自身决策和控制能力可高效完成以探测为主的许多任务，是当前无人潜水器的发展重点。同时，多台协同控制也是智能无人潜水器的重要发展方向。新型的无人潜水器如水下滑翔机、遥控/自治复合型潜水器发展迅速，美国、瑞典、韩国、中国等都在开展遥控/自治复合型航行器的研制，较著名的遥控/自治复合型水下潜水器是美国“海神” 号。

4）世界海洋强国纷纷提出深海空间站构想，正处于技术研发阶段

为了解决深海长时间停留、大功率作业等问题，世界海洋强国纷纷提出了深海空间站构想。美国在2007 年和2008 年先后提出了1 000～2 000 吨级的大型深海空间站和海底钻探能源供应型深海空间站的方案，俄罗斯在1994-2006 年期间提出了新一代的海洋油气开发深海空间站装备体系。

5）各类海洋观测平台逐步成熟，广泛应用于科学研究

20 世纪40 年代末至50 年代初，美国、英国、德国、法国和苏联等相继开展了浮标的研制工作。随着人类大幅开发海洋资源，海洋浮标的研制速度加快，发展至今海洋浮标已进入商品化和实用化阶段。20 世纪50 年代初美国最新开展潜标研究，随后，苏联、法国、澳大利亚、日本、德国等国也相继开展研究和应用，成果已广泛应用于全球海洋观测网等计划。美国和以色列在水面无人艇研发和使用领域处于领先地位，在气象探测、水文探测等民用领域应用广泛[11]。

6）新型海洋感知仪器设备层出不穷，很多产品已实现产品化与商业化

在深海环境长期连续观测的需求下，美国、日本、加拿大和德国等国家已研制出全海深绝对流速剖面仪及深海高精度海流计等深海感知仪器设备，并已形成商品。同时随着海洋观测平台技术的发展，平台搭载的各类环境监测仪器设备也取得较大进展，例如美国等国家已研制适应于AUV、ROV 和水下滑翔机等观测平台的环境要素监测仪器设备[12]。

2.2 发展趋势

通过资料调研、文献计量、专利分析、情景分析和专家研讨等方法，开展海洋科考装备发展趋势研究，主要研究结论包括：

1）海洋调查船向船型多样化、环境友好化、船舶自动化、设备模块化、调查多功能化发展

由于海洋调查船上需要布置大量海洋调查仪器设备，小水线面双体船等船型将得到更多的应用，同时随着极地运输与开发的兴起，具有极地航行能力的调查船船型也将受到更多关注。海洋调查船将采用绿色能源，减小对环境的影响，同时将逐步实现高度自动化，船员人数不断减少，生活和工作条件不断改善。为提高海洋调查船的综合作业效率，模块化将成为调查船设计重点，针对不同航段可搭载不同的模块，从而有效节省船上空间。国外全球级调查船均配备完善的调查装备系统，可进行海洋物理、物理海洋、海洋生物、海洋化学、海洋气象等综合调查作业，因而调查多功能化是海洋调查船的发展方向。

2）载人潜水器向材料和能源新型化、作业工具模块化、观测设备高清化、作业协同化发展

对于深海潜水器，耐压壳体的选择对控制潜水器的重量至关重要，一些新型耐压材料如陶瓷，越来越受到重视。蓄电池容量、放电能力及安全性等是制约深海潜水器航行作业时间的瓶颈，新型电池将逐步在深海潜水器中应用。不同的作业工具使用统一的动力接口、安装接口，便于潜水器根据不同的作业携带不同的专用作业工具。随着人类对深海科考需求的不断提高，高清的观察设备越来越成为各个国家深海潜水器设计的重点。各国十分重视载人潜水器与其他深海装备相互配合、协同作业，通过突破各装备自身的限制，提高作业的效率、保障作业的安全。

3）无人潜水器向作业远程化、深海化、智能化、协同化发展

随着各类体积小、能量密度高的新型能源系统的研发，无人潜水器续航力极大提高。适用于水下应用的非传统导航方式正不断推出，将支撑无人潜水器到远海作业。而材料技术和密封技术的不断发展，使发展优化6 000 m 水深无人潜水器技术甚至全海深无人潜水器技术，成为许多国家的目标。基于联合应用多种探测与识别技术，无人潜水器来感知环境和识别目标的能力不断增强，其自主系统也将具有更高的学习能力。随着无人潜水器应用的增多，除了单一无人潜水器执行任务外，会需要多个无人潜水器协同作业，共同完成更加复杂的任务，多潜水器协作技术是潜水器重要研发方向之一。

4）居住型深海移动空间站成为国际深海装备技术发展的前沿

与载人潜水器相比，深海空间站的作业系统更为复杂，具有长时间、全天候、大范围、大功率、载员多、不受洋面风浪条件影响等优势。发展能在深海长时间驻留、开展各类水下作业的居住型深海移动空间站及其配套的各类探测与作业辅助装备，将成为人类进入深海、认识深海与开发深海的重要装备。

5）海洋观测平台向作业多功能化发展，推动观测系统网络化、立体观测常态化

海洋观测平台作为海洋科考仪器设备的载体，将实现更多仪器设备的集成，朝着多功能化发展。传统的点式海底观测装备向网络式海底观测系统发展，海底观测系统建设的地点也将逐步实现对重要海域的覆盖，形成网络化的海底观测系统。此外，海洋立体观测将成为常态，遥感卫星、岸基雷达、潜标、浮标和无人潜水器等观测平台与海底观测网相互连接，形成立体、实时的海洋环境观测及监测系统[12]。

6）海洋感知仪器设备向微型化、谱系化、智能化发展

随着先进制造技术、信息技术等快速发展，大型仪器设备朝着体积小、功能齐全的方向发展。各国通过开发不同使用海域、不同海况、不同功能的系列化仪器设备，将形成谱系化海洋感知仪器设备。海洋感知仪器设备也将逐渐向着智能化的方向发展，自主跟踪、协调和控制系统内设备并进行诊断故障。

3 国内发展现状及存在的问题

3.1 发展现状

当前我国在海洋科考装备发展方面取得了可观的进展，部分海洋科考装备已进入国际领先行列，具体包括如下几个方面：

1） 海洋调查船建造经历了高潮和低谷，目前正迎来发展高峰期

我国海洋调查船经历了20 世纪60-70 年代末的建造高峰期和80-90 年代的平稳期后，我国海洋调查船的规划建造基本停滞不前。进入21 世纪后，相关单位根据需求逐步开始建造新的海洋调查船，以便承担各大洋区深海海洋科学综合考察等任务[10]。

表 2 在建的世界先进海洋调查船的主要特点Tab.2 Main features of world advanced marine survey vessels under construction

图 2 基于文献计量的无人潜水器研究热点Fig.2 Research hotspots of unmanned submersible based on bibliometrics

2）深海潜水器技术取得突破，深海空间站项目全力推进

我国深海潜水器技术不断取得突破，已成为继美、法、俄、日之后世界上第5 个掌握大深度载人深潜技术的国家，以及日、美两国之后第3 个拥有研制万米级无人潜水器能力的国家。深海空间站已列入面向2030 年的国家重大科技项目正按步推进。

3） 海洋观测平台发展迅猛，海洋感知仪器设备技术不断突破

浮标、潜标、无人潜水器等观测平台发展迅速，大幅缩小了与发达国家的差距，我国掌握一批达到国际前沿水平的海洋感知仪器设备技术，海洋传感技术研发能力得到显著提高，部分仪器设备与国际先进水平的差距正在缩小，有的已达到国际先进水平。

3.2 存在的问题

我国海洋科考装备存在的问题主要集中在缺乏顶层管理，基础研究薄弱，自主创新能力差，关键配套/设备/零部件等严重依赖进口等方面，具体如下：

1）海洋调查船缺乏顶层管理，配套设备依赖国外

我国海洋调查船缺乏顶层管理，装备建设不成体系。现有海洋调查船多为近海调查船，具有远洋科考能力的船不多，船型单一、船龄较老，且配套设备基本依赖国外[10]。

2） 潜水器关键设备依赖进口， 作业配套能力不足

我国载人/无人潜水器涉及的大深度水下观察设备、大深度水声设备等一些关键设备还需要依靠进口，深海作业配套能力不足，对传感器等关键专用设备缺乏专门研究，专用设备的发展远滞后于潜水器总体集成技术的发展，且潜水器尚未形成谱系化。

3）海洋观测平台及仪器设备市场占有率低，缺乏自主创新技术

我国海洋观测平台及感知仪器设备关键技术和产品性能与世界先进国家相比仍有一定差距，缺少具有一定知名度和市场占有率的支柱产品。重视型号集成、轻视基础元器件和基础制造工艺，造成关键、共性基础工艺薄弱。

4 我国海洋科考装备发展建议

我国海洋科考装备的发展思路是：以我国海洋发展战略为牵引，以满足我国海洋科学研究的需求为导向，以构造我国海洋科学研究运载装备的完整体系为目标，推进我国海洋科考装备与科技的发展。到2035年形成完整的海洋科考装备及配套设备的自主设计、建造、试验及运维产业链，满足我国深海和极地科考需求。结合国内外发展现状，提出如下几点发展建议。

表 3 全球主要的海洋观测网Tab.3 Major ocean observing networks around the world

1）以市场需求为牵引制定顶层发展规划

持续开展海洋科考装备市场需求跟踪研究，以市场需求为牵引，以国家战略为导向，制定海洋科考装备体系发展的近期和中长期发展规划，对标国外海洋发展战略，明确我国海洋科考装备发展路径，分步实施，通过支持重点企业和重点技术发展，推动我国海洋科考装备健康发展。同时，建议加大对我国海洋科考装备配套产业发展的政策支持力度，争取做到 “国船国配”。

2）加大海洋科考装备研发

开发新型海洋科考船，贯彻安静化、模块化和信息化理念，实现海洋科考船调查功能综合化、环境友好化、综合作业高效化以及科考数据信息化[6]；加快研发新型、高性能的极地科考装备，加强对海冰力学特性、冰水动力学、冰载荷等关键技术的理论和实验研究，突破极地可靠装备设计建造核心关键基础问题[14]，形成近海、远海、远洋和全球级的综合调查船、专业调查船和特种调查船组成的完备海洋科考船体系。此外，目前我国调查船的配套设备严重依赖国外，技术与工业能力相对落后，应引起重视，加强我国海洋科考船配套设备技术研发和相关能力建设。

突破深海有/无人装备共性技术，以及大型超大潜深结构、高密度能源动力、深海原位探测取样与实时研究、深海设施水下布放/安装/维修/回收作业、深海逃逸等核心关键技术，开展深海载人潜水器关键材料和设备的自主化研发，加快研制全海深载人/无人潜水器，推动我国载人潜水器谱系化发展，提升深海载人潜水器作业性能。

突破超大潜深作业与居住型深海空间站关键技术，具备载人自主航行、长周期自给及水下能源中继等基础功能，可携带各类水下作业装备，实现海洋资源的探测、水下钻井、平台水下安装、水下检测/维护/维修等[15]。

开展海洋浮标、潜标及各类海洋感知仪器设备等关键装备及系统的开发和研制，提升海洋感知精度，推进国产海洋仪器设备的工程化应用。

3）推进海洋科考装备军民融合发展

海洋调查船、潜水器、深海空间站、各类观测平台等是典型的军民融合装备。加大海洋科考装备军民融合发展科研资金支持力度，推动建立政府引导、企业主导、产学研军紧密结合的军民融合创新体系。鼓励具备条件的民用企业和军工企业，以海洋科考装备关键共性技术攻关和重大装备研发为纽带，开展海洋科考装备的合作研制与生产。

5 结 语

习近平总书记提出，开展海洋和极地考察、探索地球科学奥秘具有重大现实意义。海洋科考，装备先行。本文以海洋科考需求为导向，开展海洋科考装备顶层研究；构建了包括海洋调查船、载人潜水器、无人潜水器、深海空间站和海洋观测平台等在内的多层级海洋科考装备体系；提出了各类海洋科考装备的发展趋势，包括海洋调查船向船型多样化、多功能化发展，载人潜水器向材料和能源新型化、作业协同化发展，无人潜水器向作业远程化、智能化发展，海洋观测平台向作业多功能化发展，海洋感知仪器设备向谱系化、智能化发展等。针对我国海洋科考装备存在的问题，提出了顶层发展规划、加大海洋科考装备研发、军民融合发展等方面的建议，为我国深海和极地科考装备技术发展提供参考。