水下机器人标准体系框架构建探索

郭小勇 汤海荣 徐春红

摘要：水下机器人作为一类特种机器人，日益成为探索海洋奥秘、开发海洋资源的重要工具，被称为海洋高技术的皇冠，正逐步成为国家间海洋技术竞争的制高点。水下机器人标准体系最直接的作用是指导、规范水下机器人标准制定工作，使人们清楚水下机器人标准化工作方向和重点，有助于推动水下机器人研发和产业化进程，促进快速、健康发展。文章在介绍国内外水下机器人标准制订的基础上，探讨水下机器人标准体系框架构建思路，提出标准体系建设路径，明确水下机器人标准化工作范围和领域，并构建了水下机器人标准体系序列结构、三维结构、层次结构3种框架模型，为构建我国水下機器人标准体系提供了有价值的参考。

关键词：水下机器人；标准体系；海洋技术；框架；人工智能

中图分类号： P 7 5 4 . 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 5 3-0 4

E x p l o r a t i o no nt h eC o n s t r u c t i o no fU n d e r w a t e rR o b o t S t a n d a r d sS y s t e mF r a m e w o r k

GUOX i a o y o n g， T ANG H a i r o n g， XUC h u n h o n g

（ N a t i o n a lC e n t e ro fO c e a nS t a n d a r d sa n dM e t r o l o g y， T i a n j i n g3 0 0 1 1 2， C h i n a）

A b s t r a c t： A sas p e c i a lt y p eo fr o b o t， u n d e r w a t e rr o b o t sa r ei n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga ni m p o r t a n t t o o l f o r e x p l o r i n go c e a nm y s t e r i e s a n dd e v e l o p i n go c e a nr e s o u r c e s . T h e ya r e c a l l e d t h e c r o w no f o -c e a nh i g h - t e c h， a n da r eg r a d u a l l yb e c o m i n g t h e c o mm a n d i n gh e i g h t so f o c e a n t e c h n o l o g yc o m p e t i -t i o na m o n gn a t i o n s . T h em o s td i r e c t r o l eo f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e mi s t og u i d ea n d r e g u l a t e t h es t a n d a r df o r m u l a t i o no fu n d e r w a t e r r o b o t s， s ot h a tp e o p l ea r ea w a r eo f t h ed i r e c t i o n a n d f o c u s o ft h e s t a n d a r d i z a t i o n o f u n d e r w a t e rr o b o t s，w h i c h w i l l h e l p t o p r o m o t et h e d e v e l o p m e n t a n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fu n d e r w a t e rr o b o t s， a n dp r o m o t er a p i da n dh e a l t h yd e v e l o p -m e n t . B a s e do n t h e i n t r o d u c t i o no f d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s f o ru n d e r w a t e r r o b o t s， t h e p a p e rd i s c u s s e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h es t a n d a r ds y s t e mf r a m e w o r kf o ru n d e r w a t e rr o b o t s，p r o -p o s e dap a t hf o rs t a n d a r ds y s t e mc o n s t r u c t i o n， c l a r i f i e dt h es c o p ea n df i e l do fs t a n d a r d i z a t i o no f u n d e r w a t e r r o b o t s， a n dc o n s t r u c t e d t h e t h r e em o d e l so f u n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r d s s y s t e m， i n c l u -d i n gs e q u e n c es t r u c t u r e， t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， a n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e， a n dp r o v i d e da v a l u a b l er e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e m.

K e y w o r d s： U n d e r w a t e rr o b o t， S t a n d a r d ss y s t e m，O c e a nt e c h n o l o g y， F r a m e w o r k，A r t i f i c i a l i n t e l l i -g e n c e

0 引言

《中国制造2 0 2 5》将机器人作为“大力推动重点领域突破发展”的技术之一，要求“促进机器人标准化、模块化发展”。水下机器人作为一类特种机器人，日益成为探索海洋奥秘、开发海洋资源的重要工具，被称为海洋高技术的皇冠，正逐步成为国家间海洋技术竞争的制高点。标准作为人类科学、技术、知识和经验的总结，得到我国高度重视。标准是经济活动和产业合作的最重要技术基础，谁把握了标准谁就把握了市场竞争主动权。标准体系是根据水下机器人产业化需求，应用系统论、模块化、流程化的思想，将水下机器人市场需求调研、研发设计与方案评审、样机试制与测试、小批量试生产与验证、正式批量生产与售后服务等过程中，重复性、共性的事物转化为标准，并按其内在联系形成的科学有机整体。标准体系最直接的作用是指导、规范水下机器人标准制定工作，使人们清楚水下机器人标准化工作方向和重点，有助于推动水下机器人研发和产业化进程，促进快速、健康发展。我国标准化主管部门和各行业部门都重视标准体系的建设，国家发布了《标准体系构建原则和要求》（ G B/ T1 3 0 1 6—2 0 1 8）进行规范和指导我国标准体系的建设。

1 现状

1 . 1 我国水下机器人标准情况

1 . 1 . 1 我国发布了5项水下机器人国家标准

我国发布的7 5项机器人国家标准里，有5项是水下机器人标准，分别是《轻型有缆遥控水下机器人第1部分：总则》《轻型有缆遥控水下机器人第2部分：机械手与液压系统》《轻型有缆遥控水下机器人第3部分：导管螺旋桨推进器》《轻型有缆遥控水下机器人第4部分：摄像、照明与云台》《石油天然气工业水下生产系统的设计和操作第8部分：水下生产系统的水下机器人（ R OV）接口》。通过制定这5项国家标准，为我国加快水下机器人标准制定工作探索了道路。

1 . 1 . 2 正在组织制定一项水下机器人行业标准

目前，自然资源部北海局海洋技术保障中心和计量中心正在联合制定《小型有缆水下机器人精细探测系统操作技术规程》行业标准。

1 . 1 . 3 《国家机器人标准体系建设指南》

国家标准化管理委员会联合国家发展和改革委员会、科技部、工業和信息化部于2 0 1 7年印发了《国家机器人标准体系建设指南》，规定了指导思想、基本原则、建设目标、建设内容、组织实施，明确从基础标准、检测评定方法标准、零部件标准、整机标准、系统集成标准等5个方面构建机器人标准体系。《国家机器人标准体系建设指南》将“水下机器人”作为1 4类特种机器人之一，并将水下机器人术语标准，自主和遥控式水下机器人的载体机构和导航定位系统研发设计标准，水下机器人及行业亟须的自主水下机器人功能和性能标准，水下机器人电磁兼容测试标准，水下机器人寿命评估可靠性试验标准等[ 1]，纳入“近期拟研制重点标准领域”。水下机器人标准体系建设应遵循《国家机器人标准体系建设指南》规定的指导思想和有关要求。

1 . 2 国际标准情况

国际标准化组织机器人技术委员会出台了2 3项国际标准，正在制定8项国际标准，但没有水下机器人方面的标准。

国际电工委员会制定出台了6项机器人方面的标准，但没有水下机器人方面的标准。

1 . 3 发达国家情况

美国有关组织出台了4 1项机器人标准，日本出台了2 6项，德国出台了3 9项，英国出台了1 2项，但都没有水下机器人方面的标准。

2 水下机器人标准体系框架构建思路

2 . 1 遵循国家标准《标准体系构建原则和要求》

《标准体系构建原则和要求》明确标准体系构建应遵循目标明确、全面成套、层次适当、划分清楚等4项基本原则[ 2]。水下机器人标准体系构建必须始终坚持这4项基本原则：明确支撑、服务、规范、促进水下机器人商品化和产业化发展的建设目标；全面成套要求构建的标准体系要涵盖水下机器人全生产过程、产品的全生命周期，既包括现行标准，又包括正在制修订的标准和未来需要制修订的标准；层次适当指标准体系结构层次不宜过多或过少，过多容易碎片化，过少容易导致一个领域标准数量过多而管理、维护困难；划分清楚指标准化工作领域划分要避免交叉重叠，不能一项标准放哪个领域都可以，或者找不到归口领域。

2 . 2 水下机器人标准体系建设路径

广泛收集国内外水下机器人研制、生产和应用情况，以及标准制定情况，搞清楚有哪些科研团队和生产企业，水下机器人技术进展情况和发展方向，国内外差异，对标准的需求等。信息收集尽量全面、准确，掌握现状和问题、未来发展方向和趋势。

（ 1）积极争取各个方面的支持，将“水下机器人标准体系建设”纳入国家或行业科研范围，获得支持，得到国家和行业的重视，为建设“水下机器人标准体系”提供保障，使工作能够顺利启动和完成。

（ 2）成立由标准化专家、水下机器人科研人员、生产人员、检验人员和用户等有关方面组成的“水下机器人标准体系”编制组，制订工作方案，明确分工，确定编制原则和思路，开展“水下机器人标准体系”编制工作。

（ 3）“水下机器人标准体系”在编制组内部协商一致后，广泛征求生产、科研、检验、用户和管理部门等各个方面的意见，充分吸纳行业内外专家的意见和建议，修改后组织专家审议；完善后，发布实施；指导、促进水下机器人标准制定工作。

2 . 3 明确水下机器人标准化工作范围和领域

国家标准《特种机器人分类、符号、标志》（ G B/ T3 6 3 2 1—2 0 1 8）界定“水下机器人主要包括潜水机器人、水下滑翔机器人、水底作业机器人等”。国家标准《轻型有缆遥控水下机器人第1部分：总则》（ G B/T3 6 8 9 6 . 1—2 0 1 8）界定了“有缆遥控水下机器人”，定义为“通过脐带缆进行信号和电力传输，在水下可自动定向、定深、悬浮或航行，通过水面控制单元被遥控进退、横移、转向或升沉，进行水下观察、检查和/或作业的遥控无人潜水器”。

由于水下视线不好、通信难度大、水中阻力大耗电快、海水腐蚀性强，所以水下机器人研发难度大大高于空中机器人和陆地机器人，需要有的部件能防水，携带照明设备或者逻辑路径导航，电力供应充足，材料要抗压、耐腐蚀等。水下机器人技术包括仿真技术、智能控制技术、水下目标探测和识别技术、水下导航（定位）技术、通信技术、能源系统技术等。

水下机器人标准化对象首先是术语与定义等基础标准；其次是总体设计，航行性能优化，载体模块化，材料评估应用，仿生技术评估应用等设计制造标准；然后是水声通信和光纤通信等水下通信技术标准，能源供电技术和运动推进技术标准；最后是水下导航（定位）技术，目标探测与识别技术，智能控制技术标准，以及检测检验标准等。

3 水下机器人标准体系框架模型

《标准体系构建原则和要求》规定了层次结构、序列结构、三维结构、矩阵结构和功能归口结构等标准体系框架模型。结合水下机器人标准化特点，本研究构建了水下机器人标准体系序列结构、三维结构、层次结构等3种框架模型。

3 . 1 序列结构

序列结构是按照水下机器人全寿命周期顺序排列的标准群，相互之间具有逻辑序列关系，产品生产前的標准需要先行出台；随着水下机器人产品研发的推进，其标准紧跟着出台。序列结构见图1。

3 . 2 三维结构

三维结构如图2所示。X轴按标准化对象分为材料与采购标准、设备与检验标准、工艺与试验标准、包装与储运标准、安装调试与售后服务维修标准； Y轴按标准级别分为国家标准、行业标准和团体标准； Z轴按标准类型分为基础标准、工作标准和管理标准；以立体的形式显示了水下机器人标准化工作。

3 . 3 层次结构

层次结构表达水下机器人标准横向分类、纵向隶属分层的关系。这种结构不仅表达标准体系的层次关系，更多的是表达标准体系的分类关系。顶层是基础通用标准，适用于水下机器人各个领域的工作。层次结构见图3。

4 结果分析

本研究首先介绍了国内外水下机器人标准化情况。然后明确了水下机器人标准体系框架构建思路，即遵循国家标准《标准体系构建原则和要求》的规定、水下机器人标准体系建设路径探讨、水下机器人标准化工作范围和领域。最后构建了3种水下机器人标准体系框架模型，即序列结构、三维结构、层次结构。序列结构，更适用于单个企业建立内部水下机器人标准体系；三维结构从多个视角展示了水下机器人标准化工作，易于理解；层次结构能将水下机器人标准化工作统分结合，细化工作领域和对象，易于对标准项目实施信息系统管理，适用广泛。

参考文献

[ 1] 国家标准化管理委员会，国家发展和改革委员会，科技部等.国家机器人标准体系建设指南[ R].2 0 1 7.

[ 2] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会. G B/T 1 3 0 1 6—2 0 1 8标准体系构建原则和要求[ S].2 0 1 8.