深海潛水器國際標(biāo)準(zhǔn)的方向研究

岳宏 王立志 劉凱茜

摘 要：當(dāng)前深海潛水器已是國際海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ)，其主要分為載人潛水器、無人遙控潛水器和無人無纜潛水器。潛水器涉及的技術(shù)和學(xué)科廣泛，在產(chǎn)業(yè)化和市場化日益增長的趨勢下，不斷推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，既是推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要途徑，也是占領(lǐng)配套設(shè)備市場和相關(guān)技術(shù)話語權(quán)的關(guān)鍵舉措。而研判潛水器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)與工程實(shí)際需求，是把握國際標(biāo)準(zhǔn)研制方向的重要方法。本文通過總結(jié)當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)研制內(nèi)容，梳理潛水器領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)研制的四個(gè)階段，對(duì)標(biāo)分析國際國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍差異，明確了深海潛水器國際標(biāo)準(zhǔn)研制的發(fā)展方向，并提出潛水器相關(guān)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目推進(jìn)的總體思路。

關(guān)鍵詞：深海潛水器，國際標(biāo)準(zhǔn)，海洋技術(shù)，無人潛水器

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.015

基金項(xiàng)目：本文受“潛水器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CY04N20）資助。

Research on the Direction of International Standards for Deep-sea Submersibles

YUE Hong1，2 WANG Li-zhi1，2* LIU Kai-xi1，2

（1. China Institute of Marine Technology & Economy； 2. Standardization Research Center， CSSC）

Abstract： At present， deep-sea submersible is the basis of international marine scientifi c research， which is mainly divided into manned submersible， remote control submersible and automatic unmanned submersible. Submersibles involve a wide range of technologies. In the context of industrialization and marketization， promoting the development of international standardization in related fi elds is not only an important way to advance technology， but also improve supporting equipment and related technologies. It is an important method to grasp the development direction of international standards by judging the technical development hotspots and practical needs of the submersible field. By summarizing the content of current international standards， this paper sorts out the four stages of the development of international standards in the field of submersibles， analyzes the differences in the coverage of international and domestic standards， and puts forward the general idea of promoting the development of international standards in the fi eld of submersibles.

Keywords： deep-sea submersible， international standard， marine technology， unmanned submersible

先進(jìn)的深海潛水器技術(shù)與裝備是海洋強(qiáng)國的基礎(chǔ)，由于潛水器具有技術(shù)內(nèi)容廣泛、學(xué)科交叉多的特點(diǎn)，其不僅包括傳統(tǒng)的建造技術(shù)，還涉及材料科學(xué)、水聲通信、控制電子、成像技術(shù)和智能控制等重要技術(shù)領(lǐng)域，所以潛水器關(guān)鍵技術(shù)在基礎(chǔ)共性、信息及通信技術(shù)應(yīng)用、設(shè)計(jì)與建造、試驗(yàn)、系統(tǒng)及設(shè)備、作業(yè)支持、運(yùn)營管理等領(lǐng)域均有所涉及，對(duì)配套支撐標(biāo)準(zhǔn)也提出了更高的發(fā)展需求。

國際海底管理局（ISA）在《2019-2023年戰(zhàn)略計(jì)劃》中鼓勵(lì)區(qū)域內(nèi)的海洋科學(xué)研究，并為發(fā)展中國家海洋科學(xué)能力建設(shè)和綜合參與提供業(yè)績指標(biāo)的規(guī)劃。美、英、德等海事領(lǐng)域先進(jìn)國家也不斷推進(jìn)載人和無人潛水的研究進(jìn)度。面對(duì)當(dāng)前國際海洋科學(xué)領(lǐng)域競爭日益激烈的形勢[1]，為進(jìn)一步固化研究成果，促進(jìn)海洋技術(shù)領(lǐng)域彎道超車，打開國際高端海工裝備市場，引領(lǐng)中國制造“走出去”，需要推動(dòng)國內(nèi)海洋科學(xué)優(yōu)勢技術(shù)領(lǐng)域走出國門，形成高質(zhì)量國際標(biāo)準(zhǔn)，占領(lǐng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高地。

1 國內(nèi)國際現(xiàn)行潛水器標(biāo)準(zhǔn)

在中國標(biāo)準(zhǔn)分類中，潛水器涉及到船舶理論與船模試驗(yàn)、甲板機(jī)械、船舶用材料及其檢驗(yàn)方法、造船用其他設(shè)備、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與通用方法、小型船總體、海洋學(xué)、供應(yīng)與使用關(guān)系、救生設(shè)備、醫(yī)療器械綜合、船體通用結(jié)構(gòu)、救助與打撈、船舶電氣、觀通、導(dǎo)航設(shè)備綜合、消防救生、輔助工具、泵、海洋石油作業(yè)、海洋石油作業(yè)用設(shè)備、船用發(fā)電、變電與配電設(shè)備。當(dāng)前我國主要的潛水器標(biāo)準(zhǔn)如表1[2]所示，國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了潛水器的試驗(yàn)方法、材料、控制系統(tǒng)、制造工藝和人員培訓(xùn)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

當(dāng)前國際上潛水器海洋技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織船舶與海洋技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 8）下屬的海洋技術(shù)分委會(huì)（ISO/TC 8/ SC 13）[3]，其研制范圍為“用于海洋和海域觀測、開發(fā)和保護(hù)的設(shè)備、系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)的測試方法、操作、設(shè)計(jì)、建造和物流的標(biāo)準(zhǔn)化”，下設(shè)包括“潛水器”在內(nèi)的四個(gè)工作組。表2[4，5]總結(jié)了包括傳感器相關(guān)設(shè)備在內(nèi)的潛水器國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，ISO/TC 8/SC 13技術(shù)委員會(huì)中潛水器相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)如表2中1～5項(xiàng)所示。聲學(xué)委員會(huì)水下聲學(xué)分委員會(huì)（ISO/ TC 43/SC 3）負(fù)責(zé)水下聲學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化，包括測量水下聲學(xué)現(xiàn)象的方法、水下聲波產(chǎn)生、傳輸和接收，以及其對(duì)人和環(huán)境的影響，其與TC 8/SC 13互為聯(lián)絡(luò)組織，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)如表2中6和7項(xiàng)。結(jié)合潛水器的實(shí)際用途，在包括海上石油開采、海底勘探等領(lǐng)域還有部分潛水器相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，例如石油和天然氣工業(yè)技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 67）完成的ISO 13628- 8：2002為石油和天然氣行業(yè)海底生產(chǎn)系統(tǒng)的遙控潛水器（ROV）接口提供了功能要求和指南。同時(shí)，IEC的物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)和水聲等技術(shù)委員會(huì)也圍繞潛水器水聽器、磁場區(qū)域網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)制定了12項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)。

2 深海潛水器主要技術(shù)元素和發(fā)展方向

潛水器領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向與前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢聯(lián)系緊密，分別辨析載人潛水器、無人遙控潛水器和無人無纜潛水器三個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)內(nèi)容和發(fā)展方向是掌握國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向的基礎(chǔ)。圖1展示了三種不同潛水技術(shù)領(lǐng)域的差異化技術(shù)內(nèi)容，其中載人潛水器的技術(shù)內(nèi)容包括水下導(dǎo)航定位技術(shù)、總體設(shè)計(jì)規(guī)劃、生命支持系統(tǒng)、復(fù)合新材料、水面支持技術(shù)和大容量電池技術(shù)等。無人遙控潛水器的技術(shù)內(nèi)容包括總體設(shè)計(jì)、吊放回收、信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操縱控制系統(tǒng)和傳感器與作業(yè)系統(tǒng)等。無人無纜潛水器包括的技術(shù)內(nèi)容包括承壓結(jié)構(gòu)與密封技術(shù)、推進(jìn)與操縱、水下導(dǎo)航定位、水下通信技術(shù)、安全自救技術(shù)、能源技術(shù)、浮力調(diào)節(jié)、布放回收技術(shù)、智能規(guī)劃與控制技術(shù)、系統(tǒng)控制、水下探測作業(yè)技術(shù)和總體方案設(shè)計(jì)。

在當(dāng)前潛水器向著深?；⒍喙δ芑?、智能化、無人化發(fā)展的趨勢下[6]，ROV和無人無纜潛水器（AUV）長航程無人作業(yè)成為技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，載人潛水器（HOV）則對(duì)浮潛速度、電池能源性能提出更高的要求?；谝陨霞夹g(shù)發(fā)展目標(biāo)，可以分析得出具體的熱點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

2.1 新型高性能電池

潛水器適用的耐壓電池模塊包括銀鋅電池、鋰電池和燃料電池等[7]，電池的綜合性能對(duì)于潛水器的人員安全、水下作業(yè)效率和行進(jìn)速度意義重大?？梢灶A(yù)見，面對(duì)潛水器長航程的需求，未來長續(xù)航、高比能量、高安全可靠性的電池技術(shù)將會(huì)是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將會(huì)與IEC/TC 21（蓄電池和電池組）、IEC/TC 35（原電池）、IEC/TC 108（電子產(chǎn)品安全）、ISO/TC 301（能源管理和節(jié)能）和ISO/ TC 197（氫技術(shù)）等技術(shù)委員會(huì)深度融合，并結(jié)合潛水器的高壓環(huán)境和特殊安全要求開發(fā)。

2.2 復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)

作為保證潛水器精準(zhǔn)開展水下作業(yè)和實(shí)現(xiàn)安全返航的技術(shù)基礎(chǔ)，采用多種方式進(jìn)行的復(fù)合水下導(dǎo)航定位是極具前景的關(guān)鍵領(lǐng)域。當(dāng)前主要采用的傳統(tǒng)導(dǎo)航定位方式包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和超短基線定位，由于深海環(huán)境缺少參考物，使用單一的導(dǎo)航定位方式具有局限性[8]，未來潛水器的導(dǎo)航定位技術(shù)將會(huì)是傳統(tǒng)與新型導(dǎo)航方式的結(jié)合，其中新型導(dǎo)航方式包括地形輪廓跟隨導(dǎo)航、重力磁力匹配導(dǎo)航、海底地形匹配導(dǎo)航和其他地球物理學(xué)導(dǎo)航技術(shù)等[9]。

2.3 水下通信技術(shù)

由于水下特別是深海環(huán)境，具有傳輸帶寬窄、噪聲干擾嚴(yán)重、多徑效應(yīng)復(fù)雜等信號(hào)傳輸?shù)牟焕蛩兀咝У乃峦ㄐ偶夹g(shù)對(duì)于潛水器領(lǐng)域的未來發(fā)展至關(guān)重要。為平衡通信效率與成本，當(dāng)前水聲通信技術(shù)占據(jù)著主流，具體包括典型的水聲擴(kuò)頻通信、水聲多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）通信、水聲正交頻分復(fù)用（OFDM）通信技術(shù)等[10]。未來預(yù)計(jì)隨著各單項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展成熟，水聲通信組網(wǎng)技術(shù)將會(huì)是發(fā)展熱點(diǎn)，具體在深潛領(lǐng)域，發(fā)展方向包括遠(yuǎn)程和超遠(yuǎn)程低速通信技術(shù)、協(xié)同觀測技術(shù)以及遠(yuǎn)海網(wǎng)絡(luò)觀測通信耦合技術(shù)。

2.4 智能規(guī)劃與控制技術(shù)

為滿足潛水器在水下未知環(huán)境中自主完成一定的作業(yè)任務(wù)，需要潛水器具備自主決策和控制的能力，據(jù)此可以將潛水器分為四種[11]：時(shí)空分解結(jié)構(gòu)、情景評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)、智能遞降結(jié)構(gòu)和行為響應(yīng)結(jié)構(gòu)。大部分的潛水器是基于時(shí)空分解結(jié)構(gòu)或行為響應(yīng)或兩者結(jié)合，基于潛水器自主控制一般邏輯（如圖2所示），設(shè)計(jì)不同的任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制方法和跟蹤控制方法等技術(shù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)潛水器的自主控制。相關(guān)領(lǐng)域的算法和技術(shù)發(fā)展近年來迭代迅速，隨著復(fù)合高精度、快收斂控制技術(shù)的進(jìn)一步成熟，智能規(guī)劃與控制技術(shù)實(shí)用性將進(jìn)一步提高，以此為基礎(chǔ)的各類型水下機(jī)器人的組網(wǎng)編隊(duì)對(duì)海底觀測、軍事目標(biāo)探測的應(yīng)用，將是未來的一個(gè)重大發(fā)展方向[12]。

3 深海潛水器國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向

結(jié)合深海潛水器的技術(shù)發(fā)展方向，以及國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的一般規(guī)律，可以預(yù)測潛水器領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展階段：第一階段在潛水器安全結(jié)構(gòu)方面形成標(biāo)準(zhǔn)，包括潛水器壓力測試方法（如ISO 21173：2019）；第二階段在潛水器性能、操作、測試方法方面形成標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 22252：2020）；第三階段在重要部件制造技術(shù)方面形成標(biāo)準(zhǔn)，包括潛水器的觀測、導(dǎo)航、聲學(xué)部件（如ISO 22013：2021等）；第四階段在不同部件的軟硬件接口方面形成標(biāo)準(zhǔn)（如ISO/IEC 30140-4：2018）。對(duì)標(biāo)國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍如表3所示，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的潛水器相關(guān)領(lǐng)域范圍更廣，這符合國際標(biāo)準(zhǔn)需要凝聚大部分共識(shí)、研制難度大的特點(diǎn)，同時(shí)關(guān)于核心部件之間軟硬接口和水下通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，此領(lǐng)域同樣是國際標(biāo)準(zhǔn)第四階段發(fā)展的方向。

國際標(biāo)準(zhǔn)的研制過程中，除了與研制熱點(diǎn)契合的技術(shù)領(lǐng)域外，當(dāng)前亟待研究解決的工程技術(shù)問題也是國際標(biāo)準(zhǔn)研制的重要方向。隨著各國在潛水器領(lǐng)域的不斷探索，對(duì)快速潛浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和浮力材料技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的需求逐漸提升。其中快速潛浮技術(shù)要求潛水器在無動(dòng)力下潛上浮的基礎(chǔ)上，開發(fā)推進(jìn)器協(xié)助潛浮或基于水下滑翔原理的快速潛浮技術(shù)，目前該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，僅2022年10月12日發(fā)布GB/T 42059-2022《水下滑翔器系統(tǒng)試驗(yàn)方法》為水下滑翔技術(shù)試驗(yàn)方法提供指南；人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)涉及人機(jī)工程學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、測量學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、材料學(xué)、噪聲學(xué)和色彩學(xué)等多種學(xué)科[13]，可以為潛航員或乘客營造舒適的工作、生活環(huán)境，以改善深海惡劣外部環(huán)境對(duì)人員的心理負(fù)面影響，但是當(dāng)前的國際標(biāo)準(zhǔn)更多聚焦于人身與設(shè)備安全，對(duì)此領(lǐng)域關(guān)注仍然不足；耐高壓、低密度、低吸水率、高安全性的浮力材料是潛水器安全、機(jī)動(dòng)性能的保障，但是目前尚無相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)研制，國內(nèi)浙江制造團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)于2021年開發(fā)T/ZZB 2439-2021《深海用固體浮力材料》填補(bǔ)了該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展領(lǐng)域的空白。

4 結(jié) 語

潛水器技術(shù)是未來海洋資源開發(fā)和競爭的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前潛水器設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化和市場化趨勢日益明顯，不斷推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，既是推進(jìn)潛水器技術(shù)發(fā)展的重要途徑，也是占領(lǐng)配套設(shè)備市場或相關(guān)技術(shù)話語權(quán)的關(guān)鍵舉措。結(jié)合技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)與工程實(shí)際需求，可以初步判定潛水器領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向包括：新型高性能電池、復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)、水下通信技術(shù)、智能規(guī)劃與控制技術(shù)、快速潛浮技術(shù)、人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)和浮力材料技術(shù)。以上領(lǐng)域主要涉及潛水器的性能要求、核心部件要求和多平臺(tái)接口規(guī)范，而國內(nèi)潛水器國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在相關(guān)前沿領(lǐng)域有一定的技術(shù)積累，為進(jìn)一步推進(jìn)技術(shù)內(nèi)容達(dá)成國際共識(shí)，加快國際標(biāo)準(zhǔn)研制奠定了基礎(chǔ)。在國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目推進(jìn)過程中，需要充分研判可行性，了解不同的技術(shù)委員會(huì)的工作特點(diǎn)，分析ISO路徑、IEC路徑或IOGP路徑（部分海上石油相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)路徑）的適用性，著力在潛水器性能和核心部件性能領(lǐng)域，加快國際標(biāo)準(zhǔn)研制速度，不斷接近世界標(biāo)準(zhǔn)舞臺(tái)的中央，日益煥發(fā)出國際化、引領(lǐng)性和創(chuàng)新發(fā)展的勢頭[14]。

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作者簡介

岳宏，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程標(biāo)準(zhǔn)化。

王立志，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：張佩玉）