海洋声学信息感知实验室海洋声学实验与人才培养

李 辉，杨坤德，段顺利，杨秋龙

（1.西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西 西安 710072）

1996年，我国将海洋领域纳入“863计划”[1]。海洋是我国经济社会发展的重要战略空间，在国家经济社会发展全局中的地位和作用日益突出。党的十八大作出了建设海洋强国的重大战略部署[2]。海洋科技在经济社会发展中的引领支撑作用日显重要。在党的十九大报告中，坚持陆海统筹、加快建设海洋强国成为区域协调发展战略的重要组成部分[3]。在新的历史发展方位下，蓝色海洋、绿色海洋以及智慧海洋是海洋强国建设长远可持续发展的重要途径[4-6]。此外，海洋强国建设是一个长期的系统工程，以国防领域为例，需要在海洋工程装备制造及高新技术发展等方面投入更多的精力和财力。

要早日实现海洋强国梦，人才培养是关键，高校又是培养人才的发源地和聚集地。为落实“优先发展教育，建设人力资源强国”的战略部署，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》（以下简称《纲要》），明确提出要促进教育事业科学发展，提高人才培养质量。高校实验室集中了高校主要的技术设备和教学科研资源，是科技创新及人才培养的重要场所，也是服务社会的重要平台和保障[7-10]。

在此背景下，我校航海学院依托船舶与海洋工程国家一级学科，通过“985工程”二期、三期建设和“211工程”三期建设，申报建立了海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室。该实验室的建设运行为水下声场声信息感知相关的前沿基础研究和工程应用研究提供了必备的实验研究条件，成为我国水声学、水声信息处理和海洋技术人才培养的重要基地之一。本文以实验室管理为切入点，依托科研项目开展的多次海上实验，着重人才培养，探讨实验室发展和人才培养机制。

1 海洋声学信息感知重点实验室

1.1 实验室建设目标

我校船舶与海洋工程是一级学科，包含水声工程和船舶与海洋结构物设计制造两个二级学科。2007年，水声工程学科被批准为国家重点学科，并依托水声工程学科建立了船舶与海洋工程博士后流动站。2010年，教育部设置“水声工程”为战略性新兴产业相关本科新专业。2015年，海洋声学信息感知首批获得工业和信息化部重点实验室。

目前，国内外海洋声学信息感知领域最新进展和发展趋势可归纳为：将复杂、动态的海洋环境与海洋声学紧密结合，开展深远海研究；将海洋声学物理特性与水声信号处理紧密结合，提升水声系统的环境适应性信息处理能力；结合重大海洋工程与海洋开发项目，发展可靠的海洋信息监测系统。

因此，海洋声学信息感知实验室以国家海洋强国战略和国防建设需求为导向，面向“深化近浅海、开拓深远海”的国家发展战略，紧紧围绕海洋开发利用、海洋信息监测、水下目标远程探测等重大战略需求和重大科技难题，开展海洋声学、水声信息处理、水声系统设计与集成等方面的高水平科研工作。聚集和培养一批优秀的科技人才，开展高层次国内外学术交流，促进科技成果转化，为海洋经济建设、海洋国防建设提供平台支撑。

1.2 实验室运行管理架构

高校实验室建设与管理是一项长期而复杂的工程，实验室日常管理、队伍建设等依然是高校理工科实验室比较薄弱的环节[11-13]。良好的管理体系是实验室良性发展的必备条件。

海洋声学信息感知实验室属于工业和信息化部归口管理，我校是该实验室建设和运行管理的具体负责单位，学校科学技术研究院作为学校各级各类实验室的管理部门，具体负责对实验室的日常管理并进行督促检查。海洋声学信息感知实验室的运行管理架构如图1所示。重点实验室下设办公室和3个研究室，分别对应3个主要研究方向（海洋声学、水声信息处理和水声系统设计与集成），并设有研究方向负责人和学术带头人，共同支撑重点实验室的科学研究、学术交流和成果转化。实验室办公室设3个岗位，配合实验室主任、副主任做好管理与服务工作。此外，2016年实验室成立了首届学术委员会，聘请30多位行业内知名学者作为实验室的客座教授，此外实验室已建立并完善了实验室管理制度。

图1 实验室运行管理架构

1.3 实验室师资队伍

雄厚的师资力量是实验室人才培养的重要支撑。海洋声学信息感知实验室现有专任教师 70余人，其中，中国工程院院士3人，国家杰出青年基金获得者1人，教育部长江学者特聘教授1人，“万人计划”领军人才2人等。2019年，实验室新增国家级和省部级人才称号4人次，青年人才托举计划入选者5人。良好的师资队伍确保了实验教学与科研工作的顺利开展。

1.4 实验室设施设备

一流的实验设施和仪器设备是实验室项目建设的基石。在已有的实验设施中，消声水池是典型代表，如图2所示。1988年，我校建成了当时全国最大的多用途消声水池，可模拟声学海洋环境，进行多类型水下声学科学实验。消声水池长20 m × 宽8 m × 深 7 m，消声单元体采用楔形橡胶尖霹板，单元体等间隔排列在水池6个面上，形成低频宽带平行通道消声结构，以达到模拟海洋环境的效果。消声水池主要用于声纳等国家重点型号的科研研制，以及水声工程学科的基础科学实验研究。目前，我校归属实验室的仪器设备有100余台套，为优化科技资源配置，提高大型仪器设备使用效率，将50万元以上的仪器设备逐步纳入学校和学院的开放共享管理体系。

图2 消声水池

2 海上实验

2.1 项目支撑

依托海洋声学信息感知重点实验室，我校航海学院承担了一系列科研项目。其中 2019年实验室新增国家重点研发计划、国家海洋重大专项和国家自然基金等40余项、省部级项目10余项，经费总额超1亿元，保障了实验室三大方向的科学研究。在10余年研究基础上，实验室突破了水声数据远程高速传输技术，并于2019年获国家技术发明二等奖1项。此外，我校航海学院已成为能够独立承担海洋声学综合考察任务的国内少数几个单位之一。高水平科研项目有力地支撑了实验室的运行与发展。

2.2 实验组织

海洋声学是一门实验科学，其创新发展离不开海上实验数据的获取与分析。区别于水池实验和湖上实验，海上实验需要随时应对恶劣海况、实验仪器设备故障或实验人员晕船等不利因素。根据实验室多年海上实验组织经验，从实验准备到实验数据分析全过程需要“分工明确，责任到人”。

2.2.1 方案设计

项目负责人组织海上实验实施方案的编写和论证。实施方案主要包括技术方案、设备方案、任务分工、应急方案和数据收集分析等。技术方案是否合理关系到项目技术指标的考核，在技术方案论证过程中需要结合实验海域地形和历史水文数据资料开展充分的数值模拟。技术方案是实施方案的核心，除非遇到不可抗力，临时调整技术方案容易造成后续工作准备不充分，进而可能带来实验风险。实验设备是完成实验的手段，任务分工则围绕实验设备，以小组形式配备相应的实验人员。应急预案主要从安全角度考虑各种应对策略。

2.2.2 现场组织

实验设备收放过程是海上实验现场组织的重点环节。实验设备收放需要在有限的时间内完成所有规定动作，对实验人员的体力、注意力以及应变能力都是很大的考验。准备充分、检查仔细是设备成功布放和回收的前提，布放回收过程中配合是关键。图3是海上实验声源设备吊放过程。声源设备主要由绞车的钢缆承重，为了设备安全，另有凯夫拉绳连接声源设备的承重部分，并且为了利于布放回收，设备电缆和凯夫拉绳通过白布条捆绑在一起。图4是布放过程中的自容式采集系统。为了采集高质量水声信号，设备与凯夫拉绳之间需要足够“牢靠”，不能出现松动或滑动。

图3 海上实验声源设备吊放

图4 海上实验自容式采集系统

2.2.3 数据记录

海上实验过程中，多种仪器设备协同工作的一个重要细节是设备时间同步。海上实验是综合实验，除了常规的水声信号发射和接收外，船舶位置、水深、流速、流向、海况，以及周边航船情况等是由不同的设备测量完成，并且每个设备的时钟都有可能出现偏移。因此，如果忽视了设备之间的时间校准，在后期数据处理中，尤其是过了很长时间或者没有参加海上实验的人员进行数据分析时，将难以利用某些特殊的实验现象与其他数据进行同步比对、分析或佐证。

2.3 海试经验

近5年来，海洋声学信息感知重点实验室开展了10余次海上实验，每次海上实验都会面临不同的考验，如恶劣海况、高温炙烤、外部干扰等。通过已经开展的多次海上实验，需要注意“三个安全”，即人员安全、设备安全和数据安全。

（1）人员安全。保障人员安全是海上实验的首要任务。安全培训包括航前教育、海上逃生演练、设备操作培训以及定期的安全会议等。此外，除了保障实验人员的生命安全外，还需要关注每位实验人员的饮食习惯、睡眠质量和心理情绪，并定期组织活动，活跃气氛、增强凝聚力。

（2）设备安全。实验仪器设备的安全是顺利完成海上实验的基本保障。区别于陆上实验，在海上实验过程中设备故障将带来致命性的打击，很可能导致某些实验内容甚至全部实验计划的终止。保障仪器设备安全的关键在于规范操作和精心保养，如仪器设备出水后一般需要淡水冲刷，擦拭干净后按使用说明保管等。

（3）数据安全。真实的海上实验数据分析处理在一定程度上能驱动科技创新。实验数据的获取和分析是海上实验的重要环节，数据的安全性至关重要。在海上实验中，一般需要做好实验数据的分类、说明、备份。实验结束后，数据由专人保管、传送和再分配。

3 人才培养

3.1 实践教学

由于西安地处内陆，在水声工程学科学生培养过程中，通常以计算机仿真、水池实验或湖上实验数据分析处理为主，难以取得高水平基础研究成果。《纲要》指出，牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，着力培养本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才，支持学生参与科学研究，强化实践教学环节。因此，近5年来，海洋声学信息感知重点实验室以海洋声学调查航次为契机，着力培养学生的科研创新能力。海上实验始终贯穿科研思政育人的理念，引导学生明确人生目标，提高自身修养，构筑新时代海洋强国梦。同时，结合海上实验，通过亲身实践向学生宣讲和强调团结协作、大胆创新的重要性。这些宝贵的海上实验经历，将是学生毕业时最为重要的收获之一。

3.2 科研育人

近5年来，结合海上实验数据，海洋声学信息感知重点实验室发表了一批这一领域的论文。2019年，实验室新增SCI论文60余篇，在全校评选出的10篇高水平论文中，有4篇论文直接得益于海上实验数据的获取与分析处理。特别是针对深海可靠声路径、声传播规律和目标定位方法研究，实验室近几年已发表了多篇高水平论文[14]，研究成果得到国内外同行的认可。

直接参与科研项目是人才培养的重要实践环节。近5年来，实验室结合所承担的多项重大科研项目，通过海上实验实践教学，培养了一大批海试能力强、经验丰富的硕博研究生，为百余人次研究生综合能力的提高创造了海上实验条件。自2016年来，已有10余位博士毕业生的论文课题与深远海声学研究有关。

4 结语

科技进步和人才培养均离不开高水平实验室。海洋声学信息感知重点实验室自建设以来，紧紧围绕国家在开拓深远海方面的战略需求，研制出系列化深海环境调查装备和探测系统，取得了阶段性进展。今后，实验室将继续以国家重大海洋战略和海洋工程建设需求为牵引，组建研究队伍，融合各相关学科的优势，培养一批优秀人才，为提升我国海洋工程、海洋开发、海洋保护等领域的工业化和信息化水平，提供有力支撑。