水下機(jī)器人在中國(guó)的早期發(fā)展

梁波 趙宏宇 王楠

地球總面積約5.1億千米2，其中海洋約3.61億千米2，占地球表面積的71%。人類每天獲取的蛋白質(zhì)中有20%來(lái)自海洋，她是人類的搖籃，也是地球上大部分生物的棲息地。今天，海洋是超過(guò)90%的商品、數(shù)據(jù)與信息交流的中轉(zhuǎn)站；明天，海洋對(duì)人類的生活將更加重要。2000多年前，古羅馬哲學(xué)家西塞羅（M. T. Cicero）就曾說(shuō)過(guò)，“誰(shuí)控制了海洋，誰(shuí)就控制了世界”。

那些極大改變?nèi)祟惿鐣?huì)面貌的技術(shù)革新，大多是在海上或是因航海而誕生的[1]，水下機(jī)器人也是如此。它是人類認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋和開(kāi)發(fā)海洋的利器，一直為世界海洋強(qiáng)國(guó)所關(guān)注和重視。它通過(guò)水下目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別、水下導(dǎo)航定位、水下通信等高技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)水下打撈救援、水下探測(cè)、資源開(kāi)采等多種任務(wù)。

人類抵近海內(nèi)部進(jìn)行探索已有一百多年的歷史，其間，各種潛水器應(yīng)運(yùn)而生。早在1884年，法國(guó)科學(xué)家第一次潛入西西里島附近的海域進(jìn)行水下考察。1927年，蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家科列諾夫（M. B. Korenov）乘坐鐘形潛水裝置潛入45米水深處，進(jìn)行觀察和搜集土壤樣品。1930年代，蘇聯(lián)生物學(xué)家采用潛水裝具對(duì)漁業(yè)區(qū)進(jìn)行了科學(xué)觀測(cè)。同一時(shí)期，意大利、法國(guó)和美國(guó)也都進(jìn)行了水下考察，美國(guó)的畢比（W. Beebe）還曾在百慕大群島乘潛水球深潛到960米深處[2]。

1953年，美國(guó)研制出第一艘作業(yè)型潛水器。20世紀(jì)五六十年代，由于水下機(jī)器人所涉及的新技術(shù)還不夠成熟，如電子設(shè)備故障率高、通信匹配差、臍帶電纜絞纏，以及吊放和回收等問(wèn)題沒(méi)有很好解決，因此難以被市場(chǎng)廣泛接受，發(fā)展緩慢。直至1966年，美國(guó)CURV水下機(jī)器人在西班牙沿海將失落在868米深處的氫彈打撈上來(lái)后，水下機(jī)器人才開(kāi)始受到廣泛重視[3]。1975年以后，由于海底石油和天然氣的開(kāi)發(fā)需求以及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上水下機(jī)器人研究才顯露出快速發(fā)展的苗頭。但直到此時(shí)，這項(xiàng)工程技術(shù)在中國(guó)幾乎還是一片空白。

現(xiàn)代意義上的水下機(jī)器人歷史不過(guò)七十年左右，經(jīng)歷了從載人到無(wú)人，從直接操作、遙控、自主到混合幾個(gè)階段。加拿大國(guó)際潛水器工程公司（ISE）總裁麥克法蘭（J. R. McFarlane）認(rèn)為，水下機(jī)器人經(jīng)歷了四次革命：第一次革命出現(xiàn)在1960年代，以潛水員潛水和載人潛水器的應(yīng)用為主要標(biāo)志；第二次革命出現(xiàn)在1970年代，以遙控水下機(jī)器人迅速發(fā)展成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)為標(biāo)志；第三次革命發(fā)生在1990年代，以自主水下機(jī)器人走向成熟為標(biāo)志；第四次革命發(fā)生在21世紀(jì)，水下機(jī)器人進(jìn)入了各種類型混合的發(fā)展階段[4]。中國(guó)的情況大致與國(guó)外類似，但所用時(shí)間更短。

中國(guó)水下機(jī)器人研究究竟始于何時(shí)，目前在業(yè)內(nèi)尚未達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)，普遍認(rèn)為“起步于1980年代或1970年代末期”。

中國(guó)科學(xué)院有著集多科學(xué)、先進(jìn)技術(shù)知識(shí)、尖端科技人才、完善的科研中心與基地、廣泛的國(guó)際科技合作、活躍的學(xué)術(shù)環(huán)境為一體的優(yōu)勢(shì)，因勢(shì)利導(dǎo)，在國(guó)內(nèi)最先重視水下機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所（簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)自動(dòng)化所）則是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展機(jī)器人研究的單位。

1972年10月，在中國(guó)科學(xué)院于沈陽(yáng)召開(kāi)的“電子·自動(dòng)化科研工作座談會(huì)”上，確定“以控制機(jī)系統(tǒng)研究為主，同時(shí)開(kāi)展……人造智力系統(tǒng)的探索”[5]，這是沈陽(yáng)自動(dòng)化所最早給出的與機(jī)器人相關(guān)的表述。1973年12月，沈陽(yáng)自動(dòng)化所官方資料首次使用了“機(jī)器人”一詞，該所制訂的《1974—1980年科研規(guī)劃》提出，“人造智力的研究與應(yīng)用，是自動(dòng)化發(fā)展的趨向”“人造智力是近十幾年發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的新學(xué)科，它是人賦予機(jī)器有模擬人類某些智力行為的自動(dòng)化系統(tǒng)”[6]，將“智力機(jī)器人的研究”作為人造智力方向擬開(kāi)展的八項(xiàng)研究課題之一，并把“智力機(jī)應(yīng)用于海底開(kāi)采的探索研究”作為“待定”任務(wù)。該所還同時(shí)提出與“水下機(jī)器人”相關(guān)的研究課題。

1974年5月，在向中國(guó)科學(xué)院的匯報(bào)中，沈陽(yáng)自動(dòng)化所首次提交“開(kāi)展人工智能和機(jī)器人技術(shù)研究”的立項(xiàng)申請(qǐng)，正式提出將人工智能與機(jī)器人作為該所的學(xué)科發(fā)展方向，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展機(jī)器人理論與應(yīng)用研究。中國(guó)人工智能與機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的主要開(kāi)拓者和奠基人之一蔣新松院士認(rèn)為：“我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)專門學(xué)科介紹到國(guó)內(nèi)來(lái)并不晚。大致是在七十年代初，世界范圍內(nèi)第一次機(jī)器人高潮的末尾。”[7]

1977年10月，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)學(xué)科規(guī)劃會(huì)議將機(jī)器人項(xiàng)目列入學(xué)科規(guī)劃。同年8月，沈陽(yáng)自動(dòng)化所編制的《1978—1985年科研發(fā)展規(guī)劃》提出，“由于深海海底開(kāi)發(fā)是一個(gè)綜合性的技術(shù)，它涉及很多其他學(xué)科如海洋學(xué)、深海機(jī)械、海底測(cè)量、深海信息傳輸?shù)鹊膯?wèn)題，要多學(xué)科協(xié)同工作”。[8]該發(fā)展規(guī)劃列出的未來(lái)八年內(nèi)重點(diǎn)研究的八個(gè)項(xiàng)目中，“海底用自動(dòng)機(jī)械的研制”“海底定位與姿態(tài)控制”兩項(xiàng)直接與水下機(jī)器人相關(guān)。

1979年8月，為了落實(shí)學(xué)科規(guī)劃，中國(guó)科學(xué)院成立了以蔣新松為組長(zhǎng)的人工智能與機(jī)器人赴日考察組。考察組考察后認(rèn)為，“我國(guó)需要研究機(jī)器人，在我國(guó)當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力豐富的情況下，搞特種機(jī)器人容易得到用戶和領(lǐng)導(dǎo)支持，特種機(jī)器人的應(yīng)用將是我國(guó)機(jī)器人研發(fā)的突破口”。[9]考察組隨即就如何立題進(jìn)行了討論，最后集中到兩種可能的情況，“一類是核輻射下應(yīng)用的機(jī)器人，另一大類就是海洋機(jī)器人”。后來(lái)就提出以第二個(gè)課題作為研究的目標(biāo)，[10]水下機(jī)器人自此成為中國(guó)機(jī)器人研究的“突破口”。同年10月26日，沈陽(yáng)自動(dòng)化所與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春光機(jī)所）聯(lián)合調(diào)查組提交了《我國(guó)需要研制海洋機(jī)器人》的初步調(diào)查情況匯報(bào)[11]，匯報(bào)中首次明確提出“海洋機(jī)器人”一詞，而“水下機(jī)器人”一詞大致是在1980年代后期開(kāi)始使用并沿用至今，二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。不久后的12月7日至10日，中國(guó)科學(xué)院又在沈陽(yáng)組織召開(kāi)了“海洋機(jī)器人”計(jì)劃座談會(huì)，共有10家單位30名代表參加了會(huì)議。會(huì)議議題包括：對(duì)海洋機(jī)器人研究進(jìn)行課題論證；討論研究工作計(jì)劃和分工協(xié)作方案；組織總體組；草擬開(kāi)展海洋機(jī)器人研究工作報(bào)告。沈陽(yáng)自動(dòng)化所在會(huì)上作了“關(guān)于開(kāi)展海洋智能機(jī)器人研究的設(shè)想”的報(bào)告[12]，與會(huì)代表一致支持開(kāi)展這一課題研究。會(huì)議做出的一項(xiàng)重要決定就是在1980年組織開(kāi)展全國(guó)性的課題調(diào)研工作，從對(duì)水下機(jī)器人概念的理論探討轉(zhuǎn)到課題預(yù)先研究的實(shí)際行動(dòng)，中國(guó)水下機(jī)器人事業(yè)的大幕由此拉開(kāi)。

1980年2月，中國(guó)科學(xué)院下發(fā)《關(guān)于開(kāi)展海洋機(jī)器人總體調(diào)研和預(yù)先研究工作的通知》，由沈陽(yáng)自動(dòng)化所和長(zhǎng)春光機(jī)所牽頭總體調(diào)研和預(yù)先研究，明確指出“海洋機(jī)器人研究課題已列入一九八〇—八一年重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃?！谌骈_(kāi)展研究工作之前，應(yīng)著重抓好總體調(diào)研、方案論證和預(yù)研工作”。[13] 4月初至5月中旬，由蔣新松帶隊(duì)，中國(guó)科學(xué)院所屬的沈陽(yáng)自動(dòng)化所、長(zhǎng)春光機(jī)所、海洋研究所、南海海洋研究所組成的聯(lián)合調(diào)研組一行11人，對(duì)二十多家單位開(kāi)展大規(guī)模調(diào)研，召開(kāi)各類座談會(huì)十余次，并召集海洋科學(xué)家、海軍指戰(zhàn)員、打撈人員、潛水員等參與，大家共同呼吁亟需開(kāi)發(fā)新的水下探測(cè)及作業(yè)裝置——水下機(jī)器人，最終形成調(diào)研報(bào)告并報(bào)送中國(guó)科學(xué)院。6月12日至14日，在沈陽(yáng)自動(dòng)化所召開(kāi)“海洋機(jī)器人調(diào)研總結(jié)和工作討論會(huì)”，著手考慮總體方案；16日，以密件形式向中國(guó)科學(xué)院報(bào)送了《海洋機(jī)器人調(diào)研匯報(bào)和工作討論會(huì)簡(jiǎn)報(bào)》。與會(huì)者認(rèn)為，“在我國(guó)進(jìn)行海洋機(jī)器人研究，一是需要，二是可能”，會(huì)議預(yù)定“年底拿出初步方案，擬在年底召開(kāi)審議會(huì)”。[14]

1980年9月28日，沈陽(yáng)自動(dòng)化所在報(bào)送給中國(guó)科學(xué)院的《1981—1990十年科研發(fā)展規(guī)劃》中提出：“五年內(nèi)完成第一代能在大陸架海底進(jìn)行觀察和簡(jiǎn)單操作的有纜游式海洋機(jī)器人；逐步開(kāi)展第二代監(jiān)控式海洋機(jī)器人單項(xiàng)技術(shù)的預(yù)研工作。十年內(nèi)完成能自行回避障礙的監(jiān)控式第二代機(jī)器人，并投入使用。為此，……開(kāi)展和完成海洋機(jī)器人水下觀測(cè)電視系統(tǒng)，水下圖像處理和物景分析，機(jī)器人感覺(jué)、滑覺(jué)、接近感覺(jué)等方面的研制工作?！盵15]這些研制任務(wù)是沈陽(yáng)自動(dòng)化所水下機(jī)器人事業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)。

1981年11月上旬，在沈陽(yáng)友誼賓館召開(kāi)了“海洋機(jī)器人研究課題評(píng)議會(huì)”，李薰、陶亨咸、張作梅、張鐘俊、楊嘉墀、常迥六位學(xué)部委員（院士）與會(huì)，一致同意立項(xiàng)，并根據(jù)李薰建議將課題名稱定為“智能機(jī)器在海洋中的應(yīng)用”。11月20日，沈陽(yáng)自動(dòng)化所向中國(guó)科學(xué)院提交《關(guān)于“智能機(jī)器在海洋中的應(yīng)用研究”列為我院重點(diǎn)課題的申請(qǐng)報(bào)告》。

1982年8月，在杭州莫干山召開(kāi)的“無(wú)人有纜可潛器方案評(píng)議會(huì)”上，代表們一致認(rèn)為，近年來(lái)隨著我國(guó)海上石油開(kāi)發(fā)、海洋調(diào)查、海洋工程和救撈事業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前研制的無(wú)人有纜可潛器是我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展迫切需要的工具，對(duì)“四化”和國(guó)防建設(shè)都有重要的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)予積極支持。沈陽(yáng)自動(dòng)化所及時(shí)預(yù)見(jiàn)發(fā)展趨勢(shì)，提出了相關(guān)研究課題，并主動(dòng)與上海交通大學(xué)等單位合作，適應(yīng)了國(guó)家的需要，與會(huì)代表對(duì)此一致給予充分的肯定。當(dāng)月，“智能機(jī)器在海洋中的應(yīng)用（‘HR-01’試驗(yàn)樣機(jī)）”被列為中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)課題，獲經(jīng)費(fèi)支持并全面開(kāi)展研制。

“海人一號(hào)”（HR-01）水下機(jī)器人由水面支持和機(jī)器人本體兩大部分構(gòu)成，主要性能指標(biāo)達(dá)22項(xiàng)之多。水面支持部分包括供電系統(tǒng)、控制室、電纜絞車、聲納定位系統(tǒng)；機(jī)器人本體為框架式結(jié)構(gòu)，便于安裝其他海洋儀表，本體運(yùn)動(dòng)為浮游方式。經(jīng)過(guò)兩年多的不懈努力，“海人一號(hào)”在沈陽(yáng)自動(dòng)化所完成總裝調(diào)試后，于1985年底至1986年初，在大連海域進(jìn)行了整機(jī)功能試驗(yàn)。1986年底至1987年初，它又在海南島海域進(jìn)行了測(cè)試。1987年8月，舉辦了“海人一號(hào)”鑒定會(huì)。會(huì)議認(rèn)為，“海人一號(hào)”達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在技術(shù)上居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；控制系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)外1980年代初期產(chǎn)品相應(yīng)系統(tǒng)的水平?！昂Ｈ艘惶?hào)”順利通過(guò)鑒定，標(biāo)志著中國(guó)自主研制的中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人正式誕生。

“海人一號(hào)”的研制工作是中國(guó)科研人員完全依靠自主技術(shù)和立足于國(guó)內(nèi)配套條件開(kāi)展的，是中國(guó)水下機(jī)器人發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。以蔣新松、封錫盛等為代表的中國(guó)第一代水下機(jī)器人專家為此做出了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，中國(guó)水下機(jī)器人由此掀開(kāi)了波瀾壯闊的宏偉篇章，沈陽(yáng)自動(dòng)化所也因此奠定了國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人研發(fā)的領(lǐng)先地位。

通過(guò)對(duì)早期水下機(jī)器人領(lǐng)域重要事件的梳理，從概念提出、規(guī)劃編制、初步調(diào)查、需求調(diào)研、預(yù)先研究、方案論證、課題申報(bào)，直到項(xiàng)目審批和“海人一號(hào)”研制完成，重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)主要集中在1979年至1982年期間，尤以1980年開(kāi)展的全國(guó)性調(diào)研及此后形成技術(shù)方案、確定任務(wù)目標(biāo)和建立全國(guó)性協(xié)作網(wǎng)絡(luò)等工作為最重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，故認(rèn)定1980年為中國(guó)水下機(jī)器人研究的起始年——元年，較為符合歷史客觀情況。

水下機(jī)器人是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，是多學(xué)科、高技術(shù)的系統(tǒng)集成，知識(shí)和技術(shù)密集，涉及光、機(jī)、電、聲學(xué)以及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、材料、腐蝕、密封、數(shù)據(jù)和圖像處理、水下作業(yè)等多種技術(shù)的綜合運(yùn)用。因此，每種型號(hào)的水下機(jī)器人研制都需要多家單位和多領(lǐng)域的專家學(xué)者協(xié)作配合。水下機(jī)器人研究是一項(xiàng)集體性的事業(yè)，團(tuán)隊(duì)精神和大協(xié)作是成功的保證，在“海人一號(hào)”研究試制過(guò)程中，除牽頭的沈陽(yáng)自動(dòng)化所外，參與研發(fā)的還有上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所等多家單位，這些協(xié)作單位及其科研人員所做的工作也不應(yīng)被忘記。

[1]雅克阿塔利. 海洋文明小史. 王存苗， 譯. 北京：中信出版社， 2020： ⅹ.

[2]亞斯特列鮑夫. 水下機(jī)器人. 關(guān)佶，等，譯. 北京：海洋出版社， 1984： 1.

[3]蔣新松， 封錫盛， 王棣棠. 水下機(jī)器人. 沈陽(yáng)： 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 2000： 17.

[4]McFarlane J R. Tethered and untethered vehicles： the future is in the past. Mar Technol Soc J， 2009， 43： 9-12.

[5]沈陽(yáng)自動(dòng)化所. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所志·第一卷（1958—1985）. 沈陽(yáng)： 沈陽(yáng)自動(dòng)化所， 2004： 12.

[6]沈陽(yáng)自動(dòng)化所. 科研規(guī)劃草案第四次討論稿. 中國(guó)科學(xué)院檔案館B105-79號(hào)檔案， 1973-12-1： 4-8.

[7]蔣新松. 國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展及我們的對(duì)策研究. 機(jī)器人， 1987（1）： 58-65.

[8]沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所科研發(fā)展規(guī)劃（研究方向部分）. 中國(guó)科學(xué)院檔案館B105-00151-001號(hào)檔案， 1977-8-16： 10.

[9]劉海波. 二十世紀(jì)七十年代的學(xué)科發(fā)展及歷史意義//中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所50周年紀(jì)念冊(cè).沈陽(yáng)： 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所， 2008： 102.

[10]蔣新松. 關(guān)于“海人一號(hào)”研制過(guò)程的總結(jié). 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-KY-00030-006號(hào)檔案， 1987-8-12： 1-2.

[11]沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所， 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所聯(lián)合調(diào)查組.我國(guó)需要研制海洋機(jī)器人. 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-KY-00044-002號(hào)檔案， 1979-10-26： 1-5.

[12]沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所. 關(guān)于開(kāi)展海洋智能機(jī)器人研究的設(shè)想. 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-KY-00044-003-001號(hào)檔案， 1979-12-8： 1-6.

[13]中國(guó)科學(xué)院. 關(guān)于開(kāi)展海洋機(jī)器人總體調(diào)研和預(yù)先研究工作的通知. 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-KY-00046-022號(hào)檔案， 1980-2-25： 1-2.

[14]海洋機(jī)器人調(diào)研匯報(bào)和工作討論會(huì)簡(jiǎn)報(bào). 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-KY-00045-014號(hào)檔案， 1980-6-16： 5-6.

[15]沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所1981-1990十年科研發(fā)展規(guī)劃. 沈陽(yáng)自動(dòng)化所綜合檔案室B105-WS-00008-001號(hào)檔案， 1980-9-28： 16.

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 海人一號(hào) ■