水下機器人發(fā)展趨勢及前景

韋榮偉

海洋是我國重要的國土資源，在軍事戰(zhàn)略上和社會經(jīng)濟方面的地位十分重要。在國外非法在我國南海開采石油及我國對南海資源愈加重視的背景下，NHSY981、奮進號、興旺號等自主研發(fā)的深海鉆井平臺制造成功，并到南海進行開采，對ROV的需求日漸擴大。在從淺海走向深海的海洋活動中，ROV占據(jù)了重要位置。2017年，中石油使用“藍鯨一號”鉆井平臺在南海的天然氣水合物試采成功，預(yù)示著國家油氣的開采中心逐漸轉(zhuǎn)向深海，隨之ROV產(chǎn)業(yè)也將快速發(fā)展?，F(xiàn)在，ROV在海洋活動中的運用日漸平凡及多樣化，繼小型個人無人機后，小型的觀察型ROV也逐漸成為人們追逐的產(chǎn)品[1]。在大型作業(yè)級ROV方面，除用于海洋石油工程外，在科學(xué)考察、海底光纜鋪設(shè)維修及深拖系統(tǒng)等深海設(shè)施安裝也占據(jù)重要位置。隨著國家愈發(fā)重視海洋資源，國內(nèi)ROV研發(fā)力度加大。南海天然氣水合物的試開采成功，也預(yù)示著深海油氣開采需要更多的ROV支持[2-3]。

本文充分分析國內(nèi)外水下機器人發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，展望未來水下機器人的發(fā)展方向，為我國水下機器人發(fā)展獻計獻策。

1 水下機器人國內(nèi)外發(fā)展趨勢

有纜水下機器人最早產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時主要用于魚雷和水下導(dǎo)彈回收任務(wù)而由軍方研制。美國海軍1956年研制出的“開爾夫”1號機器人在服役期間曾執(zhí)行數(shù)百次使命，其中包括從海底回收100多枚魚雷[4]。

在20世紀(jì)70年代，油價的飆升和海洋石油開采技術(shù)的發(fā)展，人們對ROV的需求加快了其的研制及生產(chǎn)。隨后ROV的功能不僅僅用于觀察，在科考、實驗、水下工程、打撈等水下作業(yè)方面，ROV逐步代替了潛水員。ROV的功能性更加豐富，性能越來越好，作業(yè)水深及環(huán)境的范圍也越來越廣。當(dāng)今，英國、美國、日本、俄羅斯等國在水下機器人方面都擁有較高的技術(shù)優(yōu)勢。水下機器人已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟及軍事等不同領(lǐng)域，成為水下觀察和水下作業(yè)方面最有效和最具潛力的水下開發(fā)工具[5]。

我國與其他國家類似，也是從軍事需求方面開始對ROV進行研究和開發(fā)。到目前已有成系列的軍用水下機器人在役。同時，還研發(fā)出水下機器人模擬器進行操作人才培養(yǎng)。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1974年，油價的上漲刺激了海洋石油工業(yè)的發(fā)展，ROV由軍事化向商業(yè)化迅速發(fā)展。目前，全世界有超過400家廠商提供ROV生產(chǎn)銷售及作業(yè)功能服務(wù)。全世界大約有1100多臺工作級ROV。美國Oceaneering作為最大的ROV制造及作業(yè)公司，擁有大約400臺ROV，占據(jù)世界鉆井支持業(yè)務(wù)的30%。英國的Saab Seaeye、Schilling及SMD均是世界上較大的ROV供應(yīng)商。

在軍事方面，自20世紀(jì)末，水下無人作戰(zhàn)裝備備受國外海軍青睞，得到了長足發(fā)展。無人潛航器正逐漸成為美國海軍的水面艦艇和潛艇的常規(guī)配置。2005年，無人潛航器經(jīng)由美、英等軍事大國的海軍軍備上的表現(xiàn)，在世界各國得到了快速發(fā)展。美國海軍調(diào)整了其無人潛航器的發(fā)展計劃；因潛航器在伊拉克作戰(zhàn)中的良好表現(xiàn)，英國海軍開始從美國引進這種裝備，德國也研制出了新型無人潛航器，并開始了演示試驗活動；澳大利亞、挪威等國也在積極研發(fā)無人潛航器的相關(guān)技術(shù)。無人潛航器具備的水下情報探取，水面與水下聯(lián)動偵查監(jiān)控、水下作戰(zhàn)、后勤支持等能力，已使其成為世界各國現(xiàn)代化海軍裝備的重要研究項目[6]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自1974年至1980年，日新月異的工業(yè)機器人技術(shù)進步，以及為豐富海上救助打撈手段和近海海底油氣田的勘探、開采，我國也跟進了水下機器人研究以及應(yīng)用的工作。

近些年，在水下機器人AUV（Autonomous Underwater Vehicle）方面2013年哈工大和沈自所研發(fā)的“潛龍一號”執(zhí)行下潛至5080m的深度，完成指定任務(wù)。2017年3月，“海翼”號深海滑翔機在馬里亞納海溝完成最深達6329m的下潛觀測任務(wù)，顯示出我國以沈陽自動化研究所為代表的自主式水下機器人AUV研究工作取得顯著進步。

在水下機器人ROV（Remote Operated Vehicle）方面，2009年上海交通大學(xué)研制出下潛深度3500m的“海龍”號，并多次完成科考任務(wù)。2017年8月，為中科院科考研制的下潛深度為7000m的遙控式水下機器人ROV正在深圳裝機，10月份的海上測試已完成了下潛深度6000m的挑戰(zhàn)。這些成果均是我國水下機器人技術(shù)發(fā)展的證明。

但由于在探測技術(shù)、工藝水平、綜合顯控、綜合導(dǎo)航與定位等技術(shù)上存在的差距較大，致使國產(chǎn)水下機器人的大多屬于實驗階段，沒有成型的商業(yè)化產(chǎn)品。目前，國內(nèi)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用客戶許多是購買或租借國外現(xiàn)有產(chǎn)品，不僅價格高、配套服務(wù)難，而且有些產(chǎn)品并不適合中國海區(qū)的使用特點，機動性、抗流能力及作業(yè)能力都顯不足[5]。

2015年，中國南車時代電氣收購英國SMD公司，運用國外技術(shù)，開始進行國產(chǎn)ROV的商業(yè)化。隨著國內(nèi)技術(shù)的成熟，更多的生產(chǎn)商從觀察型ROV生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向工作型ROV的生產(chǎn)，以滿足國內(nèi)需求。

在國內(nèi)無人機市場蓬勃發(fā)展后，國內(nèi)眾多廠商把目光意向了人類好奇的海洋。目前小型ROV用于娛樂、科教紀(jì)錄片拍攝和水底世界簡單探索三方面。受限于技術(shù)、材料、通信等，大多小型ROV下潛深度大約在100m。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢

ROV系統(tǒng)是一個多學(xué)科綜合體，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ROV自身也不斷向前發(fā)展[7]。

2.1 ROV性能提高

根據(jù)實際應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)的突破，ROV在性能方面主要有兩個發(fā)展趨勢：擁有極強的作業(yè)功能和全海深的作業(yè)能力[6]。

隨著海洋活動更為頻繁和重要，深海作業(yè)的內(nèi)容變得更為復(fù)雜，因而，拓展ROV系統(tǒng)在海中的更多功能性是重要的發(fā)展方向。通用化與模塊化是提高功能性的發(fā)展方向，讓水下機器人能夠使用不同的工具完成水下復(fù)雜的取樣，拆裝設(shè)備及提供液壓電氣給水下設(shè)備等作業(yè)。

隨著人類向海洋開發(fā)的推進，海底的深度越來越深，相應(yīng)的水下機器人作業(yè)的下潛深度也隨之增加，ROV將向全海深作業(yè)方向發(fā)展。

2.2 小型化和個人化

ROV從貴重的水下作業(yè)機器轉(zhuǎn)向小型化和個人化的商業(yè)產(chǎn)品。與小型無人機一樣，人們的視線會逐漸從天空轉(zhuǎn)向海洋。小型的ROV可以滿足人們對海洋的好奇心?，F(xiàn)在，國內(nèi)有眾多的小型ROV生產(chǎn)商，但其潛深能力及遠航能力受限于臍帶纜、密封性、動力性及浮體材料等因素，均表現(xiàn)不太好。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，安全性和小型ROV性能將是生產(chǎn)商的研發(fā)方向，水下定位技術(shù)也是小型ROV發(fā)展要克服的技術(shù)難題。

2.3 VR技術(shù)

ROV在水下有目標(biāo)作業(yè)時，主要靠攝像頭來觀察然后進行后續(xù)作業(yè)。360°環(huán)視VR技術(shù)的發(fā)展，可以讓ROV可以輕松進入導(dǎo)管架等復(fù)雜的環(huán)境，降低其中的風(fēng)險，同時，ROV使用機械手和扭力工具時能更精準(zhǔn)細膩的操作，可以保護水下設(shè)備不被誤傷。對于個人化的小型ROV，VR技術(shù)能給人帶來更好的海底體驗。

2.4 AUV與ROV技術(shù)混合發(fā)展

水下機器人技術(shù)在ROV和AUV兩個方向都有良好的發(fā)展。AUV活動范圍不受臍帶纜限制，但受到續(xù)航能力和數(shù)據(jù)傳輸能力制約，而ROV受到臍帶纜限制，活動范圍小，但數(shù)據(jù)采集量大，人機互動高，不受續(xù)航能力制約。美國伍茲霍爾海洋研究所在全海深混合ROV技術(shù)方面做出了成功嘗試，他們于2007年研制完成了“海神”號混合ROV，并于2009年6月2日在第12潛次下潛至10898m處進行了沉積物取樣[4]。結(jié)合二者的長處便是未來水下機器人的發(fā)展方向。

3 結(jié)語

近年來，水下機器人技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)大連海事大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽自動化研究所等機構(gòu)都在大力研究和開發(fā)，并取得了一定成果，但在軍事方面和商業(yè)化方面還落后于英美日等國家。現(xiàn)在國家海軍的飛速發(fā)展，研究機構(gòu)與企業(yè)的更為重視，水下機器人技術(shù)將會在未來快速向國外靠近乃至趕超，前景可期。

[1]黃明泉.水下機器人ROV在海底管線檢測中的應(yīng)用[J].海洋地質(zhì)前沿，2012，28（2）：52-57.

[2]晏勇，馬培蓀，王道炎，高雪官.深海ROV及其作業(yè)系統(tǒng)綜述[J].機器人，2005，（1）：82-89.

[3]許競克，王佑君，侯寶科，楊立浩.ROV的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].四川兵工學(xué)報，2011，32（4）：71-74.

[4]彭學(xué)倫.水下機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2004，（4）：43-47.

[5]徐建寧.水下航行器內(nèi)部信息傳輸方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007：12.

[6]吳吉偉，徐先勇，陸文俊.淺談無人潛航器在反潛作戰(zhàn)中的應(yīng)用[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2014，（7）：58-59.

[7]陳宗恒，盛堰，胡波.ROV在海洋科學(xué)科考中的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（21）：9-10.