海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展與應(yīng)用思考

唐慶輝，范開(kāi)國(guó)，徐東洋

（1. 國(guó)防科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410003；2. 中國(guó)人民解放軍32021部隊(duì)，北京 100094）

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，而海洋問(wèn)題歷來(lái)是國(guó)家的戰(zhàn)略問(wèn)題。維護(hù)海洋安全、控制海上交通線、爭(zhēng)奪海洋資源和海洋權(quán)益爭(zhēng)端等問(wèn)題已經(jīng)日趨復(fù)雜化，并呈現(xiàn)多元化發(fā)展。因此，在全球一體化的發(fā)展過(guò)程中，海洋作為綜合發(fā)展的空間，其戰(zhàn)略地位愈顯重要。

一直以來(lái)，與海洋相關(guān)的幾乎所有重大進(jìn)展都與觀探測(cè)密切相關(guān)，海洋科技發(fā)展依賴于觀測(cè)手段的不斷完善。對(duì)海洋科學(xué)而言，觀探測(cè)資料的不足，特別是大范圍、準(zhǔn)同步、深層次資料的空缺，一直是制約其發(fā)展的瓶頸?？茖W(xué)定量化認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)海深海，必須借助多種水下觀測(cè)平臺(tái)獲取完備的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。

當(dāng)前，隨著世界各國(guó)海洋事業(yè)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模的海洋綜合觀探測(cè)工作已全面深入開(kāi)展，傳統(tǒng)海洋觀探測(cè)不能常態(tài)化和全球化，促使海洋調(diào)查方法和裝備技術(shù)需求快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外各種高精尖觀探測(cè)裝備跟隨技術(shù)的潮流更新?lián)Q代、層出不窮。

海洋無(wú)人自主觀測(cè)裝備作為海洋觀探測(cè)中不可替代的高科技先進(jìn)裝備和新興裝備，是海洋觀探測(cè)裝備搖籃中的新生命、新領(lǐng)域的開(kāi)拓者，受到世界各海洋強(qiáng)國(guó)的廣泛重視?；诤Ｑ鬅o(wú)人觀測(cè)裝備提高海洋移動(dòng)觀測(cè)能力是未來(lái)構(gòu)建立體、連續(xù)、實(shí)時(shí)的水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)手段。海洋無(wú)人自主觀測(cè)裝備的發(fā)展和使用，將會(huì)深刻影響未來(lái)海洋觀、探測(cè)的方式[1]。

本文主要基于國(guó)內(nèi)外海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀分析，思考了我國(guó)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展的主要問(wèn)題和差距，并對(duì)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備未來(lái)的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 海洋無(wú)人觀測(cè)裝備國(guó)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋無(wú)人觀測(cè)裝備國(guó)外發(fā)展與應(yīng)用起步較早，美、日、歐等國(guó)和地區(qū)的海洋無(wú)人觀測(cè)裝備以及其應(yīng)用等一直走在世界各國(guó)的前列，引領(lǐng)世界海洋無(wú)人觀測(cè)裝備的發(fā)展。

1.1 美國(guó)在海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展與應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位

美國(guó)憑借其雄厚的海洋科技創(chuàng)新能力，創(chuàng)新性地提出并研發(fā)成功了波浪滑翔器（Wave Glider）[2]、水下滑翔機(jī)（Autonomous Underwater Glider，AUG）[3-6]、自主水下潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）[7-8]、遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）等海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)，以及聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、多波束測(cè)深儀、合成孔徑聲吶（SAS）無(wú)人平臺(tái)觀測(cè)載荷。其中，波浪滑翔器[9]最早在美國(guó)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。此外，美國(guó)Seabird公司溫鹽深（CTD）測(cè)量?jī)x、美國(guó)TRDI公司ADCP、美國(guó)Webb Research公司在全球幾千余個(gè)活躍的自沉浮式剖面浮標(biāo)（Array for Real-time Geostrophic Oceanography，Argo）等裝備在全世界市場(chǎng)具有較高占有率。

與此同時(shí)，美國(guó)積極開(kāi)展海洋無(wú)人觀測(cè)裝備應(yīng)用探索。早在20世紀(jì)80年代，就牽頭開(kāi)展了熱帶海洋與全球大氣計(jì)劃、世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)、國(guó)際Argo計(jì)劃等系列國(guó)際海洋研究計(jì)劃。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國(guó)更為積極地探索新型海洋無(wú)人觀測(cè)裝備的應(yīng)用。例如，2000年7月，美國(guó)在LEO-15海洋生態(tài)環(huán)境觀測(cè)站通過(guò)布放一個(gè)搭載CTD載荷的水下滑翔機(jī)，進(jìn)行了10天的觀探測(cè)；2003年，美國(guó)海軍在軍事演習(xí)過(guò)程中，使用水下滑翔機(jī)收集演習(xí)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)、探測(cè)水雷和監(jiān)視敵方艦艇活動(dòng)等；2016年，美國(guó)在完成建設(shè)的OOI-RSN海底觀測(cè)網(wǎng)中，部署了多臺(tái)水下滑翔機(jī)和 AUV，作為固定水下觀測(cè)陣列的擴(kuò)展。

1.2 歐洲在海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展與應(yīng)用方面特點(diǎn)鮮明

瑞典、挪威[10]在 AUV、ROV、ADCP、多波束測(cè)深儀等方面較為突出，成功研發(fā)出AUV 62等多款著名海洋無(wú)人觀測(cè)裝備。英國(guó)則在多波束測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀等裝備方面技術(shù)領(lǐng)先，實(shí)力雄厚。法國(guó)主要在水下滑翔機(jī)、Argo浮標(biāo)、自主遙控潛水器（Autonomous Remotely Vehicle，ARV）等裝備方面技術(shù)突出。加拿大在合成孔徑聲吶、海洋磁力儀等裝備方面表現(xiàn)突出。

在海洋無(wú)人觀測(cè)裝備應(yīng)用方面，法國(guó)、德國(guó)等走在了前列。法國(guó)作為國(guó)際 Argo浮標(biāo)的數(shù)據(jù)中心，開(kāi)展了大量Argo浮標(biāo)的應(yīng)用工作。英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙等國(guó)，在2005-2014年，陸續(xù)組織大約300臺(tái)次水下滑翔機(jī)形成歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)，執(zhí)行各種海洋觀探測(cè)任務(wù)，啟動(dòng)水下滑翔機(jī)海洋觀測(cè)與管理研究，并開(kāi)發(fā)完成水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)處理方法。

1.3 以色列和日本分別在部分裝備技術(shù)方面世界領(lǐng)先

以色列是水面無(wú)人艇（Unmanned Surface Vessel，USV）研發(fā)大國(guó)和強(qiáng)國(guó)，該國(guó)的拉斐爾、航空反骨、埃爾比特公司都推出了世界先進(jìn)水平的USV，如著名的“Protector”號(hào)USV[11]。日本則是水下深潛器研發(fā)強(qiáng)國(guó)，“海溝”號(hào)目前仍是世界上唯一能下潛到11 000 m的深海無(wú)人裝備，代表了世界深水潛器的先進(jìn)水平。

2 海洋無(wú)人觀測(cè)裝備國(guó)內(nèi)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)獲得快速發(fā)展，海洋無(wú)人觀測(cè)技術(shù)同步飛速發(fā)展，取得了較大成績(jī)。

在海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)研制方面，已基本掌握主要海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)研制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 USV、波浪滑翔器[12-14]、水下滑翔機(jī)、AUV[15-18]、表面漂流浮標(biāo)[19]、剖面漂流浮標(biāo)、ROV的商業(yè)化生產(chǎn)，其中 USV[20]、AUV[21]等個(gè)別海洋無(wú)人觀測(cè)裝備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此外，ARV工程樣機(jī)、深海剖面漂流浮標(biāo)和基于北斗系統(tǒng)的表面漂流浮標(biāo)等也相繼研制成功。

在海洋無(wú)人觀測(cè)載荷研制方面，開(kāi)發(fā)了多波束測(cè)深儀、海洋磁力儀、多譜勒測(cè)流儀等產(chǎn)品，但沒(méi)得到普遍應(yīng)用。國(guó)內(nèi)海洋無(wú)人觀測(cè)載荷大多依靠進(jìn)口，并通過(guò)集成搭載于海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)上。

在海洋無(wú)人觀測(cè)裝備業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面，表面漂流浮標(biāo)和剖面漂流浮標(biāo)應(yīng)用比較成熟，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)作。2002年我國(guó)正式加入國(guó)際Argo計(jì)劃，已累計(jì)布放了400余Argo浮標(biāo)，目前80個(gè)處于活躍狀態(tài)。此外，表面漂流浮標(biāo)常年在中遠(yuǎn)海和大洋保持?jǐn)?shù)十個(gè)。其他無(wú)人觀測(cè)裝備的應(yīng)用尚處于探索階段，例如2016年，國(guó)家海洋局南海調(diào)查中心使用USV獲取了南海島礁周邊4個(gè)區(qū)塊、合計(jì)70 km的水深數(shù)據(jù)；2019年，青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織50多套水下、水面海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)，包括USV、波浪滑翔器、水下滑翔機(jī)、AUV、Argo浮標(biāo)等，組成了面向海洋中尺度渦的立體綜合觀探測(cè)網(wǎng)，覆蓋了大氣-海水界面至4 200 m水深范圍的400 000 km2海區(qū)，首次為海洋中尺度渦研究提供了海洋動(dòng)力、生物、化學(xué)、聲學(xué)、氣象等多學(xué)科綜合數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)人平臺(tái)多機(jī)協(xié)作、多型無(wú)人平臺(tái)立體組網(wǎng)觀測(cè)。

3 我國(guó)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展主要差距思考

經(jīng)過(guò)近十年的大力發(fā)展下，我國(guó)海洋無(wú)人觀測(cè)能力取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，大幅縮小了與國(guó)外的差距。但是，還存在原創(chuàng)性不足、低端重復(fù)建設(shè)、高端無(wú)人問(wèn)津、可靠性不高、產(chǎn)業(yè)化不足、市場(chǎng)占有率低等問(wèn)題。

在海洋無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)研制方面，我國(guó)的平臺(tái)種類(lèi)、基本性能與國(guó)外總體水平差距不大。在海洋無(wú)人觀測(cè)載荷方面，受我國(guó)海洋傳感器整體水平落后的制約，與國(guó)外仍有一定差距。在海洋無(wú)人觀測(cè)裝備業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面，個(gè)別裝備實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，大部分還處在探索應(yīng)用階段。這些差距具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）缺乏原創(chuàng)性的海洋無(wú)人觀測(cè)裝備。由于我國(guó)海洋儀器設(shè)備研發(fā)起步晚，發(fā)展落后，并采用跟隨、仿制的發(fā)展模式，形成了依賴性，難以提出原創(chuàng)性、顛覆性的海洋無(wú)人觀探測(cè)概念和觀探測(cè)方法，缺乏原創(chuàng)性的海洋無(wú)人觀測(cè)裝備。

2）國(guó)產(chǎn)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)化不足。國(guó)內(nèi)的海洋無(wú)人觀測(cè)裝備大多是在國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)支持下研制出工程樣機(jī)，未經(jīng)過(guò)充分試驗(yàn)以及市場(chǎng)檢驗(yàn)，加之國(guó)內(nèi)市場(chǎng)又長(zhǎng)期被進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)，關(guān)鍵還是在成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品應(yīng)用嚴(yán)重不足，使得國(guó)產(chǎn)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備試驗(yàn)應(yīng)用不夠，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。

3）缺少世界領(lǐng)先的海洋儀器設(shè)備制造企業(yè)。我國(guó)海洋儀器設(shè)備發(fā)展起步晚，海洋儀器設(shè)備制造企業(yè)技術(shù)、工藝等落后，國(guó)產(chǎn)海洋儀器設(shè)備粗大笨重、可靠性不高，無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)海洋儀器設(shè)備小型化、低功耗、質(zhì)量輕、耐高壓、全水深的需求，加之進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)我國(guó)主要市場(chǎng)，嚴(yán)重制約國(guó)產(chǎn)海洋儀器市場(chǎng)化發(fā)展。

4 我國(guó)海洋無(wú)人觀測(cè)裝備發(fā)展與應(yīng)用展望

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)海洋觀測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，海洋無(wú)人觀測(cè)裝備研制取得飛速發(fā)展，已經(jīng)具備主流海洋無(wú)人觀測(cè)裝備的研制能力，應(yīng)充分發(fā)揮海洋無(wú)人觀測(cè)裝備的機(jī)動(dòng)、靈活的特點(diǎn)，開(kāi)展大尺度、中尺度觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)海域突發(fā)事件的迅速響應(yīng)和精細(xì)化高密度觀測(cè)，為迎接即將到來(lái)的海洋無(wú)人觀測(cè)時(shí)代打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無(wú)人觀測(cè)技術(shù)和新能源、新材料的快速發(fā)展，海洋無(wú)人自主觀測(cè)裝備正朝著綜合技術(shù)、體系化方向發(fā)展，呈現(xiàn)出以下5個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：

1）向智能化方向發(fā)展。在控制與信息處理系統(tǒng)中，將逐漸提高圖像識(shí)別、人工智能、信息處理、精密導(dǎo)航定位等技術(shù)，向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

2）向混合式方向發(fā)展。未來(lái)出現(xiàn)的不單純是標(biāo)準(zhǔn)的AUV、ROV和搭載CTD、ADCP等單一載荷，將會(huì)是于一身的混合的等合體無(wú)人自主觀測(cè)裝備。

3）向低功耗方向發(fā)展。水下無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)體積有限，限制了所能攜帶的電池，加之水下環(huán)境復(fù)雜，難以更換電池，因此降低功耗、載荷小型化將對(duì)水下無(wú)人觀測(cè)裝備具有重要意義。

4）向多海洋無(wú)人觀測(cè)裝備系統(tǒng)發(fā)展。隨著海洋無(wú)人自主觀測(cè)裝備應(yīng)用的增多和科考任務(wù)的細(xì)化和深入，將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)或多類(lèi)裝備的系統(tǒng)作業(yè)，共同完成復(fù)雜的觀探測(cè)任務(wù)。

5）向遠(yuǎn)航程、深海型方向發(fā)展。隨著探查范圍的逐漸擴(kuò)大，要求海洋無(wú)人自主觀測(cè)裝備可進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

海洋科學(xué)是以實(shí)踐作為第一性的科學(xué)，海洋觀探測(cè)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)海洋的第一步，也是海洋科學(xué)理論發(fā)展的源泉和檢驗(yàn)其真?zhèn)蔚臉?biāo)準(zhǔn)。海洋無(wú)人觀測(cè)是海洋技術(shù)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的必然趨勢(shì)，是我海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要內(nèi)容，是未來(lái)海洋科技競(jìng)爭(zhēng)的核心內(nèi)容。

未來(lái)，海洋無(wú)人觀測(cè)裝備將依托海洋立體觀測(cè)網(wǎng)中的固定觀測(cè)裝備進(jìn)行充電和信息交互，實(shí)現(xiàn)海洋立體觀測(cè)范圍拓展，并利用固定觀測(cè)裝備或水面無(wú)人觀測(cè)進(jìn)行導(dǎo)航和定位。加之人工智能在海底觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理等方面的深入應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)不同海洋無(wú)人觀測(cè)裝備間的自動(dòng)組網(wǎng)與自主觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)海量觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)處理、分發(fā)與展示，實(shí)現(xiàn)重要海洋現(xiàn)象的持續(xù)自主跟蹤觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)海洋要素的智能化預(yù)報(bào)。