無人船在海洋調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用探討

滕壽仁 吳文彬 李海洋 韓曉濤 王曉亮

（遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110032）

一、引言

無人船是一種可執(zhí)行某項(xiàng)或某類任務(wù)，并基于任務(wù)目的進(jìn)行功能設(shè)計的水面機(jī)器人，最初主要用于軍事領(lǐng)域，如協(xié)助完成警戒巡邏、情報收集、監(jiān)視偵察、掃獵雷、探潛、火力打擊和充當(dāng)通信中繼等戰(zhàn)術(shù)支持任務(wù)。近年來，無人船在民用領(lǐng)域廣泛投入使用，執(zhí)行水體探測、海上搜救和海底打撈等任務(wù)。

無人船最早在二戰(zhàn)時期作為一次性的制導(dǎo)武器投入使用。進(jìn)入21 世紀(jì)之后，隨著通信和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，制約無人船發(fā)展的技術(shù)瓶頸得到解決，無人船高速發(fā)展，在軍用和民用領(lǐng)域不斷有新產(chǎn)品問世。美國和以色列的無人船項(xiàng)目研究較早，技術(shù)領(lǐng)先，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。目前全球約有50 種無人船平臺，其中軍用占70%,美國占50%.2008 年，通用動力公司為美國海軍交付2 艘“港灣”級反潛無人船，主要用執(zhí)行反潛任務(wù)；2012 年，美國展示新型無人船“食人魚”，該船具有掃雷、探測和攻擊等功能。

二、無人船在海洋調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前在海洋調(diào)查領(lǐng)域，調(diào)查設(shè)備和作業(yè)手段方面已有很大進(jìn)步，但受調(diào)查平臺自身局限性的制約，在一些特殊的、危險的水域內(nèi)，調(diào)查工作仍難以開展或采集到的數(shù)據(jù)較差。在淺灘、水庫和近岸水域等調(diào)查區(qū)，常規(guī)海洋調(diào)查船的體積較大，吃水較深，一般無法到達(dá)，有發(fā)生傾覆、翻船等危險事故的可能性，會造成人員傷亡和設(shè)備損失；在測量水下地形時，仍以人員操控為主，受其理論水平和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的影響，外業(yè)采集數(shù)據(jù)會存在一定的誤差。根據(jù)調(diào)查現(xiàn)狀，結(jié)合無人船機(jī)動靈活、安全、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，可將無人船引入海洋調(diào)查領(lǐng)域，作為一種新型調(diào)查平臺使用。根據(jù)海上作業(yè)的任務(wù)，將其分為海洋環(huán)境觀測和海底探測2 類。

（一）海洋環(huán)境觀測

目前海洋環(huán)境觀測技術(shù)主要可歸納為浮標(biāo)和潛標(biāo)技術(shù)、岸基臺站觀測技術(shù)、船基海洋觀測技術(shù)、海洋遙感技術(shù)、海床基觀測技術(shù)和水下自航式海洋觀測平臺技術(shù)。以船舶為活動平臺進(jìn)行海洋溫鹽深測量，海流觀測是主要方向。在用無人船觀測海洋環(huán)境時，可搭載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS)、以CTD 為代表的多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)、氣象觀測系統(tǒng)、ADCP 和高光譜水質(zhì)儀等模塊，進(jìn)行風(fēng)暴潮、赤潮等災(zāi)害的監(jiān)測，海洋動力環(huán)境的調(diào)查，深海浮標(biāo)、潛標(biāo)等的在線檢定、標(biāo)定。在進(jìn)行海上工作時，無人船同時搭載多種任務(wù)設(shè)備，可進(jìn)行綜合調(diào)查；內(nèi)置GNSS 定位，相比有人船循線更加精確；部分?jǐn)?shù)據(jù)可實(shí)時回傳，使用者可第一時間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。目前無人船很少應(yīng)用于海洋環(huán)境觀測領(lǐng)域，主要是因?yàn)椋?/p>

1.海洋環(huán)境觀測用到的溫度和鹽度等數(shù)據(jù)，與水體深度有關(guān)，需對不同層次的水體進(jìn)行取樣或測量，而無人船平臺體量小，搭載的空間有限，觀測設(shè)備多為固定安裝，因此在測量深度、取樣數(shù)量等方面都受到限制，傳統(tǒng)調(diào)查船平臺反而更有優(yōu)勢。

2.有人船在進(jìn)行海洋環(huán)境觀測時受到海流、波浪和生物等因素的影響，經(jīng)常要手動操控觀測設(shè)備，以達(dá)到修正數(shù)據(jù)或規(guī)避風(fēng)險的目的。而當(dāng)前應(yīng)用于無人船的控制技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，在突發(fā)海況下，無人船的應(yīng)變、自我調(diào)控能力不足，目前只能作為常規(guī)環(huán)境觀測的補(bǔ)充手段，如要大量投入到環(huán)境觀測中，還需要進(jìn)行技術(shù)革新。

（二）海底地形地貌探測

水聲探測技術(shù)是海底探測的主要手段，其基本內(nèi)容包括聲層析技術(shù)、聲成像技術(shù)、高分辨率聲學(xué)多波束測深技術(shù)、多功能海底地層剖面聲探測技術(shù)和多媒體聲通信技術(shù)等。用于海底探測的無人船搭載GNSS、單波束測深儀、側(cè)掃聲吶，合成孔徑聲吶、條帶測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和投放式聲納等模塊，可執(zhí)行水深地形測量、海底目標(biāo)物檢測和沉積環(huán)境調(diào)查等任務(wù)。無人船平臺具有遠(yuǎn)程遙控、全球定位系統(tǒng)（GPS)自動導(dǎo)航、自主航行和自動避障等功能，可在視距外作業(yè)。工作時，先在基站上下載作業(yè)水域的地圖，輸入坐標(biāo)，規(guī)劃測線，然后將任務(wù)下達(dá)給無人船，即可開始工作。作業(yè)過程中，可通過遠(yuǎn)程控制等方式調(diào)整側(cè)掃聲吶等測量儀器的參數(shù)。在淺水區(qū)、島礁區(qū)和?；穮^(qū)等常規(guī)測量船難以進(jìn)入的區(qū)域可采用母船與無人船聯(lián)合作業(yè)的模式來提升作業(yè)效率。2016 年6 月至8 月，TerraSond 使用C-Worker5 無人船結(jié)合32m 長的調(diào)查船Q105 在阿拉斯加白領(lǐng)海域進(jìn)行海道測量。無人船作為力量倍增器，在大船旁邊采集多波束和拖曳式側(cè)掃數(shù)據(jù)，協(xié)同作業(yè)。5.5m 的無人船采集了4213km 的測線數(shù)據(jù)，完成了44%的工程量實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)第一生產(chǎn)效率。

三、結(jié)論

無人船具有機(jī)動、靈活、安全性高的特點(diǎn)，可彌補(bǔ)常規(guī)調(diào)查平臺在環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣的水域作業(yè)的局限性，故將其引入海洋調(diào)查領(lǐng)域，作為一種新的調(diào)查平臺使用。目前無人船主要用于海底探測和海洋環(huán)境觀測，受導(dǎo)航精度、控制技術(shù)、動力續(xù)航及船體材料等條件制約，多在內(nèi)陸河流、湖泊及淺海區(qū)域作常規(guī)調(diào)查使用，如何在強(qiáng)風(fēng)浪條件下保持船體的穩(wěn)定性和安全性，降低平臺對任務(wù)載荷的擾動，是目前各研究組織急需攻克的難題?？梢愿鶕?jù)水深、水動力和水底地形地貌等條件，將無人船的工作環(huán)境分為島礁區(qū)、濱海區(qū)、淺海區(qū)、半深海區(qū)和深海區(qū)5 類。結(jié)合作業(yè)環(huán)境，以無人船的體量、吃水深度為依據(jù)，建議將其分為微型平臺、小型平臺、中型平臺、大型平臺、超大型平臺?？梢灶A(yù)測隨著平臺技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人船最終可在搭載常規(guī)探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)查手段的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)搭載無人機(jī)、無人潛器和自升降浮標(biāo)等，成為一種安全可靠的常規(guī)調(diào)查平臺。