張洪欣，馬 龍，張麗婷，尹 聰，路曉磊

(國家海洋局北海海洋技術保障中心)

引 言

海洋是人類生命支持系統(tǒng)的重要組成部分，是可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。目前，無論從全球氣候變化和海洋資源的可持續(xù)開發(fā)利用角度，還是從環(huán)境保護和國防安全的角度來看，近海和沿岸區(qū)以及深遠海區(qū)域?qū)ρ睾疑鐣?jīng)濟發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略地位日益提高，國防建設、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、減災防災等都迫切需要對海洋環(huán)境及其變化特征和規(guī)律作深人認識和了解。

海洋觀測技術是認識海洋的基本途徑，離開對海洋環(huán)境的觀測和數(shù)據(jù)獲取，就不可能認識海洋，因此需要現(xiàn)代海洋環(huán)境觀測技術的不斷進步和創(chuàng)新。海洋觀測技術和儀器設備的發(fā)展，一直是海洋科學家和海軍重點關注的內(nèi)容。海洋環(huán)境觀測是通過多種海洋觀測平臺及布設在平臺上的各種儀器、傳感器及通信設備來實現(xiàn)的。在眾多的海洋觀測平臺及儀器設備中，水下機器人作為新興的輔助觀測工具，正在發(fā)揮越來越大的作用。

1 水下機器人概述

簡單來講，水下機器人是一種具有智能功能的水下潛器，國內(nèi)外專家學者根據(jù)其智能化程度和使用需求，將水下機器人分為四類,即 ：拖曳式水下機器人TUV (Towing Underwater Vehicle)、遙控式水下機器人 ROV (Remotely Operated Vehicle)、智能水下機器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)和載人水下機器人HOV (HumanOccupied Vehicle)。TUV和 ROV均帶纜，由母船上人工控制；AUV被稱為無纜水下機器人或自治水下機器人，智能式控制自主航行；H 0V 也稱為載人潛水器，由操作手在水下進行控制。這些是現(xiàn)代海洋觀測的標志性技術裝備，它們與衛(wèi)星觀測、錨系浮標和潛標定點觀測相結(jié)合，成為了海洋立體觀測體系不可缺少的一部分。

隨著水下機器人行業(yè)的迅猛發(fā)展，目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了適用于不同用途的水下機器人。但是,無論是小型觀察型水下機器人還是大型工作級水下機器人，從結(jié)構(gòu)上都可以簡單地將其組成劃分為水面控制系統(tǒng)和水下潛航體兩大部分。水面控制系統(tǒng)包括主控計算機、操控系統(tǒng)、跟蹤定位系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、與水下的通信接口和胳帶纜（電纜或光纜）等；而水下潛航體則包括水密耐壓殼體、動力推進系統(tǒng)、探測識別系統(tǒng)、導航與通訊系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)及水下執(zhí)行系統(tǒng)等若干分系統(tǒng)。

目前，針對水下機器人關鍵技術方面的研究已開展很多。但是，總的來說，主要圍繞以下幾個方面展開研究應用，水下機器人的綜合控制技術、動力推進技術、水下導航與定位技術、水下目標物探測與識別技術、水下通訊技術及能源供給技術等。

2 在海洋觀測領域的應用

當前，海洋觀測已經(jīng)進入空、天、海立體式的自動觀測時代，為了獲取實時、長效、連續(xù)的海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)，海洋科學研究正一步步向縱深發(fā)展。海洋觀測領域的不斷拓展，越來越依賴于海洋高新技術的發(fā)展，高新技術的每一次創(chuàng)新都會給海洋觀測領域帶來一場革命。水下機器人技術的發(fā)展就是一個非常明顯的例子。隨著水下機器人技術的不斷創(chuàng)新和完善，其在海洋觀測領域得到了充分應用。下面，主要從海洋科學研究、海洋災害預報、海洋資源開發(fā)和維護國家權(quán)益等方面進行詳細闡述。

2.1 海洋科學研究方面

人類對海洋的科學認知借助于各種觀測和探測手段。現(xiàn)代海洋科學發(fā)展的歷程，是海洋觀測技術不斷發(fā)展的縮影—借助海洋考察船及船載設備，實現(xiàn)對海洋有限時空的覆蓋度調(diào)查；為獲取大范圍、長期、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，不斷建立和完善由各類浮標、潛標和衛(wèi)星、航空遙感及水下觀測單元構(gòu)成的空、天、海一體化立體自動觀測與監(jiān)測系統(tǒng)。海洋科學研究需要連續(xù)、長時序的立體觀測資料，當前,對于水面以上的全面觀測已經(jīng)基本實現(xiàn)。但是，對水下環(huán)境的觀測以及認知卻還存在很大的不足。因此，利用水下移動觀測平臺，開展對水體及海底環(huán)境的觀測和研究必不可少。鑒于水下機器人的技術特點，可以進行定點和區(qū)域性走航式觀測，能夠?qū)λw進行剖面或斷面的連續(xù)觀測，突破水體對遙感觀測手段的限制，獲得高分辨率的海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)。

通過在水下機器人上搭載各種傳感器，可以吸收當前各種不同觀測手段的長處，既可以像調(diào)查船那樣巡航觀測，又可進入到調(diào)查船以及潛水員無法進入的海域，它的作業(yè)成本和效率又遠優(yōu)于拖曳體,因此，它是海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)有益的補充和完善。例如，日本海洋科學與技術中心（JAMSTEC)研制并擁有的‘海狗號（Kaiko) ’，是全世界下潛深度最大的ROV, 可達 11000 m，它為日本在深海領域的發(fā)展做出了突出貢獻。此外，我國在進行大洋海底熱液的探測過程中，通過海龍Ⅱ號水下機器人的水下攝像功能實現(xiàn)了對海底熱液區(qū)的實時觀測和拍攝，并搭載相應理化要素傳感器，對熱液噴發(fā)過程中，周圍海水環(huán)境的變化進行了研究。這些都極大地推動了人類對深海環(huán)境的認知。在近海應用方面，我中心主持的2014年海洋公益性科研專項— 《海底管道探測技術集成及風險評估技術研究與示范應用》項目中，以水下機器人作為觀測平臺，集成前視聲吶探測技術、超短基線定位技術以及溢油檢測傳感器技術對海底管道溢油事故進行了精細化探測，與合成孔徑聲吶探測技術形成了有效地補充，為海底溢油事故探測奠定了良好的工作基礎。另外，由于國內(nèi)外尚缺乏準確的水母定量監(jiān)測方法,我們利用水下機器人結(jié)合聲吶探測技術對水母的泳動姿態(tài)和速率進行了探測，以此來計算水母在剖面水體的通量，為水母監(jiān)測提供了技術支撐，為水母分布數(shù)量監(jiān)測方法研究提供了重要的技術手段。

2.2 海洋災害預報方面

海洋觀測作為掌握海洋環(huán)境變化、預報海洋災害的重要手段，發(fā)揮著重要的作用。海洋災害預報的基礎就是及時獲取海洋觀測資料。

為了應對區(qū)域性海洋災害的發(fā)生，世界各國都建設了各自的區(qū)域海洋觀測系統(tǒng)，表 1 中列舉了國外比較有代表性的海底觀測系統(tǒng)。在上述計劃的實施過程中，水下機器人技術，均發(fā)揮了非常重要的作用。它既可作觀測儀器平臺，又可作為海床基觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，從而有效地建立水下與岸上的聯(lián)系。

表 1 國外海底觀測系統(tǒng)概述

2.3 海洋資源開發(fā)方面

進人21世紀，國際間以開發(fā)和占有深海資源為核心的海洋維權(quán)斗爭愈演愈烈。發(fā)展深海事業(yè)，開拓深海領域，探查與開發(fā)海洋戰(zhàn)略資源，是維護我國海洋主權(quán)和權(quán)益、彌補陸地資源不足、保證能源安全以及實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和戰(zhàn)略需求。因此，開展深遠海海洋安全和海洋權(quán)益研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

近十年來，我國開展了太平洋海底資源調(diào)查并劃得了開辟區(qū)，參加了國際大洋鉆探并在南海取得成功。這些工作的有效開展，都離不開水下機器人技術的基本保障。最有代表意義的就是我國自主研發(fā)的7 000 m ‘蛟龍?zhí)枴d人潛水器。通過搭載水下高清攝像系統(tǒng)和保真取樣系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對洋底多金屬結(jié)殼區(qū)及熱液多金屬硫化物區(qū)的拍攝、采集以及深海生物資源的近距離觀察、取樣等科學研究，為我國大洋礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)及深海生物資源開發(fā)利用奠定了堅實的工作基礎。然而，我國在深遠海事業(yè)的技術水平和發(fā)展較發(fā)達國家，還有很大差距，這就需要我們高度重視海洋高新技術的引進與研發(fā)，大力開展深遠海海洋觀測能力建設，為深海海底資源的探測提供有力的技術保障。

2.4 維護國家權(quán)益方面

海洋權(quán)益是國家在海洋上的合法權(quán)利和利益，涉及政治、經(jīng)濟、軍事、科技、環(huán)保各個領域，屬于國家主權(quán)和管轄權(quán)性質(zhì)的根本權(quán)利和利益。合理劃分管轄海域，維護海洋權(quán)益，是當代所有沿海國家的一項歷史任務。我國在管轄海域劃界和維護海洋權(quán)益方面面臨的形勢十分嚴峻，與相鄰或相向的周邊國家的重疊管轄海域約有120萬 km², 要科學和合理地劃分管轄海域的界線，維護海洋權(quán)益，需要海洋高技術的支撐，要用高科技手段查清海洋國土、資源和環(huán)境。因此，從這個角度上講，海洋主權(quán)的紛爭和疆界的劃分也是刺激水下機器人技術發(fā)展的動力之一。

目前，困擾我們專屬經(jīng)濟區(qū)劃界的諸多因素中，水下情況，尤其是陸架延伸情況不明是一個重要原因。而水下機器人技術將為探查陸架地質(zhì)構(gòu)造、陸架水域的水團分布、漁場分布、現(xiàn)場采樣等提供有力的技術支持，使觀測數(shù)據(jù)更準確和更具說服力，在國際談判中占主動。在此方面，日本為了第八次專屬經(jīng)濟區(qū)（EEZ) 劃界，利用自持式7JC下觀測平臺、ROV和載人潛器對東海陸架、沖繩海溝、硫球群島基巖的自然延伸反復進行多學科觀測、調(diào)查，這是極應引起我國關注的動態(tài)。此外，利用水下機器人技術搭載水下觀測儀器設備，能夠進行方便靈活的隱蔽觀測，可以利用它對敏感海域的海底地形、噪聲場、內(nèi)波、聲道、溫躍層、密度場等與潛艇作戰(zhàn)關系密切的環(huán)境參數(shù)進行觀測，為未來戰(zhàn)場準確提供技術支撐。而在這方面，我國還尚未利用水下機器人技術開展相關應用。因此，今后，應進一步加大在該領域的研發(fā)與應用力度。

3 展望

水下機器人技術的研究，已經(jīng)取得了較大進步，正在逐步形成產(chǎn)業(yè)，應用范圍已日趨廣泛，在總體控制、智能化傳感器、綜合定位與導航以及水下通信等關鍵技術進一步成熟與發(fā)展后，水下機器人將更加的智能、可靠與實用。在海洋觀測領域，將有更加廣闊的應用前景。

張洪欣,馬龍,張麗婷,等. 水下機器人在海洋觀測領域的應用進展[J]. 遙測遙控,2015,05:23-27.