海洋工程發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)挑戰(zhàn)

李華軍，劉福順，杜君峰，常安騰，李 良，徐 琨，陳旭光，侯會(huì)敏，宋 虹

（中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東 青島 266100）

海洋是地球上遠(yuǎn)未充分開發(fā)的資源寶庫，對(duì)人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展有著重要的影響和作用。我國是海洋大國，擁有綿長的海岸線、廣闊的海洋國土以及上萬個(gè)島嶼，蘊(yùn)藏著豐富的海洋資源和廣泛的海洋戰(zhàn)略利益。正如2021年Sala等和Virdin等分別在《Nature》和《Science》刊文中提到的：全球海洋是生物多樣性的寶庫，可以為人類提供具有巨大價(jià)值的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1]；隨著海洋商業(yè)利用的加速，海洋經(jīng)濟(jì)正在快速增長，各國政府對(duì)其關(guān)注度也在增加[2]。重視海洋資源、加強(qiáng)對(duì)海洋的開發(fā)利用也是解決我國資源供需矛盾、推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要途徑，建設(shè)海洋強(qiáng)國是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大戰(zhàn)略任務(wù)。

傳統(tǒng)的海洋工程主要服務(wù)于海洋食物資源的獲取，來自海洋的食物至今依舊是人類重要的蛋白質(zhì)來源，占全球食用肉類產(chǎn)量的17%[3]。長期以來，隨著工程技術(shù)的發(fā)展和海洋資源需求的增長，海洋工程的內(nèi)涵也更加廣泛，涵蓋碼頭、人工島、海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)、島礁、海洋平臺(tái)、海上風(fēng)電、海洋牧場(chǎng)、跨海大橋、海底隧道等海上設(shè)施，正逐步發(fā)展為重要的現(xiàn)代綜合性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，成為人類開發(fā)利用海洋空間、油氣、能源、礦產(chǎn)以及漁業(yè)等資源的核心支撐，對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、海上國防安全等至關(guān)重要。與陸上結(jié)構(gòu)物不同，海洋工程構(gòu)筑物和裝備工作環(huán)境惡劣、規(guī)模龐大、投資費(fèi)用高昂，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效或破壞，極易造成重大人員傷亡、巨額財(cái)產(chǎn)損失以及難以修復(fù)的生態(tài)環(huán)境破壞。加強(qiáng)海洋強(qiáng)國建設(shè)，提高海洋資源開發(fā)利用能力，對(duì)海洋工程提出了新的緊迫需求，海洋工程的設(shè)計(jì)分析、建造施工和安全運(yùn)維均面臨著新的挑戰(zhàn)。

本文將首先圍繞現(xiàn)階段海洋工程總體發(fā)展質(zhì)量無法滿足海洋資源開發(fā)需求的問題，闡述我國對(duì)海洋資源開發(fā)的重大工程和科技需求。其次回顧國內(nèi)外海洋工程科技發(fā)展取得的顯著成效，并闡述海洋工程全球發(fā)展趨勢(shì)與我國發(fā)展現(xiàn)狀。繼而從海洋油氣、海上風(fēng)電、海上光伏、海底采礦及海洋養(yǎng)殖工程五大關(guān)鍵領(lǐng)域入手，深入分析我國海洋工程面臨的發(fā)展機(jī)遇及技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，總結(jié)本文工作，并指出未來服務(wù)海洋資源開發(fā)利用的工程科技創(chuàng)新發(fā)展方向。

1 我國海洋資源開發(fā)重大需求

中國是能源資源消耗大國，供給與消費(fèi)之間存在較大的矛盾。2021年，中國進(jìn)口原油5.13億t，對(duì)外依存度72%（見圖1），遠(yuǎn)超國際公認(rèn)警戒線[4]，天然氣的對(duì)外依存度高達(dá)45%，能源安全極為嚴(yán)峻。同時(shí)，中國更是礦產(chǎn)資源貧乏的國家，2021年，中國進(jìn)口銅2 339萬t，對(duì)外依存度69%（見圖2），鈷的對(duì)外依存度71%，鎳的對(duì)外依存度98%，嚴(yán)重影響航空航天、電子、動(dòng)力電池等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，易被卡脖子。海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣、可燃冰、風(fēng)能和波浪能等能源資源，并且擁有地球上絕大部分錳、鈷、銅、鎳等超高品位、極具戰(zhàn)略意義的金屬礦物，其分布之廣、品位之高、儲(chǔ)量之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸地[5]。除此之外，海洋中的食物資源構(gòu)成全球糧食系統(tǒng)的重要組成部分，海產(chǎn)品是全球超過30億人的重要蛋白質(zhì)來源。中國海洋面積相當(dāng)于陸地面積的三分之一，擁有豐富的空間、能源、礦產(chǎn)、食物等資源和廣泛的海洋戰(zhàn)略利益，是保障經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的新空間。黨的十九大報(bào)告提出加快建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，發(fā)達(dá)的海洋經(jīng)濟(jì)是建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要支撐，發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)則是推動(dòng)我國海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎。

圖1 2015年至2021年中國原油對(duì)外依存狀況Fig.1 China’scrudeoil foreign dependence from 2015 to 2021

圖2 2015年至2021年中國銅對(duì)外依存狀況Fig.2 China’scopper foreign dependence from 2015 to 2021

然而，中國海洋產(chǎn)業(yè)的開發(fā)規(guī)模、質(zhì)量尚無法滿足日益增長的資源需求，并且隨著進(jìn)軍深海、大洋與兩極等前沿課題的提出，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)新問題和新挑戰(zhàn)：（1）各種海洋活動(dòng)需要大量的海洋空間，存在爭(zhēng)奪有限海洋空間資源的矛盾[20]。隨著海洋開發(fā)利用活動(dòng)的不斷擴(kuò)大，不同海洋活動(dòng)、不同利益相關(guān)方、開發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)等之間的沖突和矛盾不斷凸顯，亟需綜合規(guī)劃與管理，以實(shí)現(xiàn)海洋空間的綜合、有效與可持續(xù)開發(fā)利用[21-22]。（2）深海能源開發(fā)面臨著更加復(fù)雜嚴(yán)酷的作業(yè)環(huán)境，臺(tái)風(fēng)、巨浪、內(nèi)波等極端海況不確定性強(qiáng)，破壞力驚人；開發(fā)深水油氣資源的裝備系統(tǒng)更加復(fù)雜，其幾何特征、物理屬性和力學(xué)特性等差異顯著，動(dòng)力耦合分析、施工安裝和運(yùn)行維護(hù)等基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)重不足；我國目前尚不具備深海油氣資源開發(fā)高端裝備的自主設(shè)計(jì)研發(fā)能力。亟須針對(duì)大型海工結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開展深入研究，突破深遠(yuǎn)海工程設(shè)計(jì)分析和施工運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)，為我國深海能源開發(fā)提供核心技術(shù)與裝備支撐。（3）海上風(fēng)能、波浪能與海上光伏等開發(fā)成本高，并且隨著海上可再生能源的開發(fā)正從近淺海向深遠(yuǎn)海邁進(jìn)，漂浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜嚴(yán)酷，浮體運(yùn)動(dòng)、系泊變形、塔架彈性變形以及葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)海纜之間存在強(qiáng)烈的耦合作用。亟須發(fā)展多物理場(chǎng)、多浮體、多尺度的耦合分析與設(shè)計(jì)方法，并且在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，降低海上可再生能源的開發(fā)成本，促進(jìn)可再生能源向大型化、規(guī)?；⒅腔刍l(fā)展，提高新型能源核心競(jìng)爭(zhēng)力。（4）深海礦產(chǎn)開采裝備作為人類有史以來規(guī)模最大的工業(yè)系統(tǒng)，從海面的母船、穿越深達(dá)幾千米的軟管到海底持續(xù)活動(dòng)的采礦機(jī)器人，是一個(gè)從海面到海底的龐大復(fù)雜的多物體、多物理場(chǎng)、多尺度結(jié)構(gòu)的耦合作用系統(tǒng)，亟需開展深入系統(tǒng)的研究工作，闡明其中的多場(chǎng)多體多尺度耦合作用機(jī)制，為深海高端采礦裝備的研發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)與關(guān)鍵核心技術(shù)。（5）受過度捕撈、環(huán)境污染、漁業(yè)資源衰退等的影響，世界漁業(yè)正由以海洋捕撈為主體的發(fā)展模式向現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變[23]。但是，目前養(yǎng)殖裝備的抗風(fēng)浪性能與結(jié)構(gòu)安全理論研究仍存在不足，自動(dòng)投餌、排污、起捕等技術(shù)不夠完善，錨泊與定位控制技術(shù)、電力推進(jìn)與驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等亟待突破[24]。此外，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備離岸較遠(yuǎn)，能源供給難度較大，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的新能源供給支撐體系尚未完全建立[25]。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響以及對(duì)海洋和自然資源的競(jìng)爭(zhēng)性利用也有待深入研究[26]。

2 海洋工程全球發(fā)展趨勢(shì)與我國發(fā)展現(xiàn)狀

海洋工程是集浮體結(jié)構(gòu)、安裝建造、信息及新材料等于一體的多領(lǐng)域、多學(xué)科、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)、高投入的特點(diǎn)。國外海洋工程的起步較早，其發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)90年代。世界上第一口海上鉆井于1897年在美國加州Summerland灘的潮汐地帶誕生。為統(tǒng)籌利用優(yōu)質(zhì)海洋資源，助推海洋工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展，20世紀(jì)50年代起，美、英、日、韓等國根據(jù)本國產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和科技水平，制定了適合本國發(fā)展的海洋工程產(chǎn)業(yè)支持政策（見表1）。世界各海洋強(qiáng)國不斷加大海洋探測(cè)和開發(fā)領(lǐng)域的研發(fā)投入，相應(yīng)的海洋工程裝備技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的提升。20世紀(jì)90年代后，在高新技術(shù)牽引作用影響下，國外海洋工程產(chǎn)業(yè)已逐漸進(jìn)入成熟期，其產(chǎn)業(yè)鏈條完整、技術(shù)規(guī)范相對(duì)完善，多種裝備基本實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，呈現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)特色各異的特點(diǎn)（見表2）?？傮w而言，以美國和歐洲為代表的先進(jìn)海洋工程發(fā)展水平在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力、國際市場(chǎng)占有率、政策支撐等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在[27]：（1）規(guī)范體系具有話語權(quán)，從根本上引領(lǐng)了全球海洋工程裝備設(shè)計(jì)、建造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)核心；（2）設(shè)計(jì)分析理論體系相對(duì)完善，針對(duì)海洋工程基礎(chǔ)共性問題發(fā)展了科學(xué)可靠的工程分析理論和運(yùn)維保障技術(shù)；（3）具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)分析工具和分析理論，幾乎壟斷了高端海洋工程產(chǎn)品研發(fā)核心技術(shù)和主流的海洋工程分析軟件。

表1 國外各國的海洋工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與支持政策Table1 Development strategiesand supporting policiesof offshore engineering industry in foreign countries

表2 國外各國的優(yōu)勢(shì)海洋工程產(chǎn)業(yè)分布情況Table 2 Distribution of offshore engineering industry in foreign countries

與國外高精尖海洋工程裝備和成熟的技術(shù)體系相比，我國海洋工程從淺水開始起步，正逐步尋求深水海域的布局與突破。為實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備與技術(shù)的快速發(fā)展，“十一五”以來，我國出臺(tái)了一系列與海洋資源開發(fā)及其配套裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的國家戰(zhàn)略和政策，以國務(wù)院發(fā)布的《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012—2030年）》（國發(fā)〔2013〕8號(hào)）為核心，指出要大力發(fā)展海洋探測(cè)、資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障裝備及其關(guān)鍵系統(tǒng)和專用設(shè)備，為國家海洋安全、資源/能源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)等提供支撐。在第十二屆全國人大第四次會(huì)議審議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確提出“拓展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)空間，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，科學(xué)開發(fā)海洋資源”的總體規(guī)劃，國家發(fā)展改革委和原國家海洋局發(fā)布的《全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（發(fā)改地區(qū)〔2017〕861號(hào)）將“推進(jìn)海洋產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)”確立為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》（國發(fā)〔2015〕28號(hào)）更是將海洋工程裝備制造業(yè)確定為十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。在國家政策指引下，我國加大了海洋開發(fā)裝備的投入，緊緊圍繞制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸開展攻關(guān)，“海洋石油981”“海洋石油982”“藍(lán)鯨1號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)、“海斗一號(hào)”“奮斗者號(hào)”深潛器、“東方紅3號(hào)”科學(xué)考察船、“鯤龍500”海底集礦車、“天鯤號(hào)”自航絞吸船、“鐵建風(fēng)電01”重型風(fēng)電安裝船等“大國利器”成功研制，實(shí)現(xiàn)了我國深海、遠(yuǎn)海作業(yè)從零起步到跟跑、并跑，甚至在某些方面領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展，諸多主力裝備實(shí)現(xiàn)批量化建造，逐漸在全球海洋探測(cè)與開發(fā)方面具有競(jìng)爭(zhēng)力和話語權(quán)。

當(dāng)前，我國海洋工程裝備與技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)著良好的勢(shì)頭，深海開發(fā)能力初步形成，已經(jīng)具備全鏈條海上作業(yè)能力，一定程度上縮小了我國與發(fā)達(dá)海洋國家在裝備技術(shù)上的差距。盡管如此，在推動(dòng)海洋工程向高端、高質(zhì)量發(fā)展的進(jìn)程中，我國目前還處于“萌芽”狀態(tài)、基本停留在“空白”階段，與國際先進(jìn)水平相比尚存在較大差距，主要體現(xiàn)在：（1）海洋工程產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)作用薄弱。我國歷年海洋生產(chǎn)總值占全國GDP比重不足10%（見圖3），以海洋化工業(yè)、海洋新能源、海洋船舶工業(yè)、海洋工程建筑等為代表的海洋工程產(chǎn)業(yè)體量依然很?。ㄒ妶D4），產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和區(qū)域布局均處于優(yōu)化調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)階段[28]。（2）海洋工程科技自主創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化能力不足。我國海洋工程科技創(chuàng)新鏈、技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈不完整，對(duì)海洋工程中的核心耦合機(jī)制、力學(xué)行為的理論描述、數(shù)值預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的探索和分析依然有限，關(guān)鍵技術(shù)難題的把握和認(rèn)識(shí)嚴(yán)重不足，制約著新型高端海洋工程裝備研發(fā)與應(yīng)用。根據(jù)2020年發(fā)布的全球海洋科技創(chuàng)新指數(shù)報(bào)告（2020）顯示，我國海洋科技創(chuàng)新指數(shù)位于全球第二梯隊(duì)，與世界領(lǐng)先水平仍有較大差距。同時(shí)，我國海洋工程科技創(chuàng)新缺乏有效的成果轉(zhuǎn)化機(jī)制，成果應(yīng)用機(jī)構(gòu)與研究機(jī)構(gòu)結(jié)合不緊密，人才比例、創(chuàng)新體系均有待進(jìn)一步完善[29]。（3）海洋調(diào)控管理體制機(jī)制不完善。在海洋管理方面，仍存在“政出多門、多頭指揮”的現(xiàn)象，海洋、漁業(yè)、環(huán)保海事等多個(gè)部門對(duì)海洋產(chǎn)業(yè)內(nèi)事務(wù)重復(fù)交叉管理。加之政策措施協(xié)調(diào)不足，現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)扶持政策實(shí)施中缺乏部門協(xié)調(diào)，使得政策效應(yīng)難以充分發(fā)揮，海洋工程相關(guān)企業(yè)缺乏基本的制度保障，在培育和管理模式方面都落后于國外[30-31]?；趪鴥?nèi)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀，我國應(yīng)在把握發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，正視海洋工程發(fā)展與國際先進(jìn)水平的差距，進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，確定重點(diǎn)發(fā)展方向，做好戰(zhàn)略布局，才能取得更加長遠(yuǎn)的發(fā)展和進(jìn)步，成為實(shí)現(xiàn)海洋可持續(xù)發(fā)展和推動(dòng)我國海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎[32]。

圖3 2015年至2021年中國海洋產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例Fig.3 Proportion of output value of China’s marine industry from 2015 to 2021

圖4 2021年主要海洋產(chǎn)業(yè)增加值構(gòu)成Fig.4 Composition of value-added of major marine industries in 2021

3 我國海洋工程面臨的發(fā)展機(jī)遇及技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 海洋油氣工程

從1956年鶯歌海油氣田調(diào)查算起，我國海洋油氣資源開發(fā)至今已經(jīng)走過了60多年的發(fā)展歷程。我國海洋油氣工程經(jīng)歷了二十世紀(jì)六七十年代的開發(fā)能力、裝備設(shè)計(jì)制造落后階段，八九十年代的引入國際標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破階段，以及進(jìn)入21世紀(jì)后的開發(fā)能力迅速提升、邁向國際市場(chǎng)階段。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國油氣資源對(duì)外依存度持續(xù)攀升，2021年石油對(duì)外依存度超過70%，天然氣對(duì)外依存度高達(dá)45%。而我國南海深水區(qū)油氣資源豐富[40]，因此，聚焦深水油氣田勘探與開發(fā)，是保障國家能源安全的戰(zhàn)略需求，也是我國石油工業(yè)自身發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要[41]。隨著“海洋石油981”（見圖5）、“藍(lán)鯨1號(hào)”深水半潛式鉆井平臺(tái)、“海洋石油201”深水鋪管起重船、“海洋石油701”大型深水綜合勘察船、“海洋石油751”震源船、“深海一號(hào)”深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)等深水裝備的相繼投入使用，我國深海油氣勘探開發(fā)能力得到了大幅提升，海洋油氣行業(yè)隨之得到長足發(fā)展（見圖6）?！?021年中國海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[39]顯示，2021年海洋油、氣產(chǎn)量分別比上年增長6.2%和6.9%，海洋原油增量占全國原油增量的78.2%，有效保障了我國能源穩(wěn)定供給和安全。

圖5 海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)Fig.5 HAI YANG SHI YOU 981 deepwater semi-submersible drilling platform

圖6 2015年至2021年中國海洋油氣業(yè)生產(chǎn)總值Fig.6 GDPof China’s offshore oil and gasindustry from 2015 to 2021

然而，我國的海洋油氣工程技術(shù)與裝備“大而不強(qiáng)”的問題依舊突出[43]，具有起步晚、起點(diǎn)低、規(guī)模小、競(jìng)爭(zhēng)力不夠強(qiáng)等問題。目前我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工程裝備基本局限于淺海海域，深水工程技術(shù)和高端裝備技術(shù)對(duì)國外依賴性強(qiáng)，核心技術(shù)研發(fā)能力不足，嚴(yán)重制約了我國海洋油氣資源的規(guī)模性開發(fā)。我國目前在深水鉆完井、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動(dòng)安全等深水油氣田開發(fā)技術(shù)相較國外落后7年左右；深水海管和立管、深水浮式平臺(tái)等技術(shù)與國外相比落后12年左右；深水油氣田開發(fā)工程裝備與國外先進(jìn)水平相比，仍存在著5～10年的差距。

我國海洋石油工程裝備領(lǐng)域仍存在諸多“卡脖子”的技術(shù)裝備，如高效高精度海上多纜采集裝備、半潛式鉆井平臺(tái)配套關(guān)鍵設(shè)備、深水鉆井船研發(fā)和建造技術(shù)、深水浮式設(shè)施建造應(yīng)用及配套關(guān)鍵設(shè)備、水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵裝置等，均亟待創(chuàng)新與突破。未來我國在海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域?qū)⒚媾R的主要技術(shù)挑戰(zhàn)及相關(guān)戰(zhàn)略發(fā)展重心包括：（1）關(guān)鍵裝備產(chǎn)業(yè)化和核心技術(shù)國產(chǎn)化。促進(jìn)新型深水鉆完井技術(shù)裝置研發(fā)，推動(dòng)模塊鉆機(jī)智能化、多樣化發(fā)展。掌握深水生產(chǎn)平臺(tái)上鉆井系統(tǒng)的成套技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)、建造深水生產(chǎn)平臺(tái)用鉆修井設(shè)備，推進(jìn)我國深水油氣田開發(fā)的進(jìn)程。建設(shè)深水浮式生產(chǎn)設(shè)施，重點(diǎn)攻關(guān)深水浮式平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油外輸裝置、浮式液化天然氣儲(chǔ)存裝置（Floating Liquefied Natural Gas，F(xiàn)LNG）新型深水浮式生產(chǎn)裝置、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件中的卡脖子問題，形成獨(dú)立自主的核心技術(shù)體系。（2）研發(fā)大型海上施工作業(yè)裝備，開展深遠(yuǎn)海補(bǔ)給和運(yùn)維保障技術(shù)研發(fā)與體系建設(shè)。建成強(qiáng)大的綜合海上作業(yè)與保障團(tuán)隊(duì)，為海上大型油氣田的開發(fā)和大型平臺(tái)的潛在需求提供支撐，避免現(xiàn)有的作業(yè)船隊(duì)無法滿足需求而必須借助國外昂貴的大型作業(yè)裝備，也為我國油田服務(wù)行業(yè)占領(lǐng)國際市場(chǎng)提供保障。（3）借鑒智能化的理念、技術(shù)，開展深遠(yuǎn)海油氣井工程智能風(fēng)險(xiǎn)管控和智能應(yīng)急技術(shù)研究，解決深遠(yuǎn)海油氣井工程動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急救援中面臨的數(shù)據(jù)數(shù)量大、種類多，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律變化快等問題。推進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和深海資源開發(fā)裝備和技術(shù)的深度融合，研發(fā)新一代深海智能裝備，建設(shè)新時(shí)代數(shù)字化的智慧油田，助力“建設(shè)海洋強(qiáng)國”“中國制造2025”和“中國人工智能2.0”國家戰(zhàn)略。

3.2 海上風(fēng)電工程

相較于海洋油氣資源，海上風(fēng)力資源的開發(fā)利用在我國起步較晚。我國首座規(guī)模型海上風(fēng)電場(chǎng)東海大橋100 MW項(xiàng)目直至2010年才正式運(yùn)行。由于起步較晚，海上風(fēng)電在我國仍是一種區(qū)域性的補(bǔ)充能源，僅占全國裝機(jī)總量的1.2%[44]。而海上風(fēng)電在英國等風(fēng)電強(qiáng)國已經(jīng)成為了一種重要的替代能源[45]，一些國家甚至開始嘗試海上風(fēng)電制氫，將過剩的風(fēng)電能源轉(zhuǎn)化成清潔化學(xué)能源進(jìn)行儲(chǔ)存。雖然海上風(fēng)力發(fā)電在我國總體能源結(jié)構(gòu)中份額很低，但其增長率與體量均居世界前列。受益于國家能源局《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（國能新能〔2016〕314號(hào)）、國家發(fā)改委《關(guān)于海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》（發(fā)改價(jià)格〔2021〕833號(hào)）等一系列支持政策，我國海上風(fēng)電裝機(jī)同比增長率在“十三五”期間始終保持在15%以上（見圖7）。2021年，我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)更是達(dá)到1 690萬kW，累計(jì)裝機(jī)突破2 639萬kW[44]，躍居世界首位。隨著我國2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和歷史性目標(biāo)的確立，可以預(yù)見海上風(fēng)力發(fā)電將進(jìn)入新一輪高速增長期，對(duì)我國能源體系的貢獻(xiàn)度將進(jìn)一步增大。

圖7 2016年至2021年我國海上風(fēng)電增長Fig.7 Development of offshore wind energy sector from 2016 to 2021

海上風(fēng)電在高速增長過程中，也逐漸呈現(xiàn)出一些發(fā)展趨勢(shì)：（1）機(jī)組大型化。機(jī)組大型化是海上風(fēng)電進(jìn)一步提高單機(jī)功率、降低發(fā)電成本的必由之路，這一點(diǎn)已在業(yè)界取得共識(shí)。中國可再生能源學(xué)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，我國海上風(fēng)電平均單機(jī)容量在“十三五”期間由3.8 MW增至4.9 MW①中國可再生能源學(xué)會(huì).2020年中國風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)報(bào).2020.。一些風(fēng)電廠商已經(jīng)開始研制超大容量海上風(fēng)電機(jī)組，例如東方電氣在2021年底公布了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海上13 MW級(jí)機(jī)型。（2）深遠(yuǎn)海布局。深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能密度高、選址限制因素少，在近海風(fēng)力資源開發(fā)日趨飽和的背景下將成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)下一階段的發(fā)力點(diǎn)，加大漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)研究勢(shì)在必行，我國首個(gè)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組“三峽引領(lǐng)號(hào)”于2021年成功并網(wǎng)發(fā)電[46]（見圖8）。國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（發(fā)改能源〔2022〕210號(hào)）中明確指出要推進(jìn)海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)岸區(qū)域布局。（3）海洋資源一體化開發(fā)。對(duì)海上風(fēng)電、海洋牧場(chǎng)、綠色制氫等海洋資源進(jìn)行綜合開發(fā)利用有助于平攤成本，甚至可以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)。一些沿海省份已經(jīng)出臺(tái)政策鼓勵(lì)對(duì)海洋資源一體化利用的探索。廣東省人民政府辦公廳印發(fā)的《廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》（粵府辦〔2021〕33號(hào)）提出，支持海洋資源綜合開發(fā)利用，推動(dòng)海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)與海洋牧場(chǎng)、海上制氫、觀光旅游等相結(jié)合。

圖8 漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組三峽引領(lǐng)號(hào)Fig.8 Sanxia Yinling Hao floating offshore wind turbine

雖然海上風(fēng)電發(fā)展前景廣闊，但需審視當(dāng)前所面臨的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)：（1）跨尺度基礎(chǔ)空氣力學(xué)[53]。風(fēng)電場(chǎng)性能全面評(píng)估涉及跨尺度空氣動(dòng)力學(xué)，也是海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的共性問題。在宏觀尺度，風(fēng)電場(chǎng)上方氣象條件決定了區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力資源總量，是風(fēng)電場(chǎng)勘測(cè)的核心依據(jù)；在微觀尺度，氣流與葉片的相互作用決定了發(fā)電機(jī)組的實(shí)際工作性能。因此，需完善跨尺度氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論框架。（2）大尺度、輕質(zhì)化葉片的氣彈性。機(jī)組大型化的直接體現(xiàn)是葉片長度大幅增加，令葉片的氣彈性凸顯成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題。類似于超大浮體的水彈性[54]，大尺度葉片在風(fēng)物理場(chǎng)中會(huì)發(fā)生十分顯著的彈性變形。葉片的質(zhì)心、剪切中心、扭轉(zhuǎn)中心都會(huì)在氣彈變形過程中發(fā)生偏移，使得葉片實(shí)際載荷承載情況與設(shè)計(jì)要求存在較大差異，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不利影響。科技部發(fā)布的《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)2019年度項(xiàng)目申報(bào)指南》中就提出開展新型輕量超長柔性葉片技術(shù)、超長葉片一體化設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究。（3）深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電耦合分析。浮式風(fēng)電系統(tǒng)采用浮式平臺(tái)作為機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)，其力學(xué)問題涉及氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、伺服控制、結(jié)構(gòu)力學(xué)，并且在耦合作用下變得更為復(fù)雜[55]，如何進(jìn)行一體化分析是需要解決的重要技術(shù)問題[53]。2021年12月，湯廣福院士曾在中國工程院重大咨詢研究項(xiàng)目“海上風(fēng)電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”結(jié)題評(píng)審會(huì)上指出我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)存在嚴(yán)重不足。（4）海洋風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)。海上風(fēng)電場(chǎng)選址距陸地較遠(yuǎn)，環(huán)境條件較陸地風(fēng)場(chǎng)更為惡劣，加之海上交通與人力的限制，海上風(fēng)電場(chǎng)的有效維護(hù)時(shí)間被大大壓縮。海上風(fēng)電維護(hù)由于需租賃專業(yè)工程船，其維護(hù)成本遠(yuǎn)高于陸地風(fēng)機(jī)維護(hù)成本。

3.3 海上光伏工程

太陽能作為優(yōu)質(zhì)的清潔能源，是我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。從陸地延伸到水面，再向空間更廣闊、資源更豐富的海洋發(fā)展，光伏下海是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。海上光伏可利用海洋空間廣闊，不占用土地資源，不受地形、建筑遮擋；海水對(duì)光伏板具有冷卻效果，結(jié)合水面對(duì)陽光的反射，可提高光伏發(fā)電效率；海上光伏距離電力需求較高的東部沿海地區(qū)更近，輸電損耗更低；光伏平臺(tái)的平面特征和發(fā)電特點(diǎn)，使其既可獨(dú)立發(fā)電也能夠與海上風(fēng)電、波浪能、潮流能等其他海洋能源融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效互補(bǔ)的綜合利用[56]。鑒于光伏面板的生產(chǎn)已經(jīng)擁有一個(gè)高度發(fā)達(dá)的生產(chǎn)鏈，業(yè)界預(yù)計(jì)海上光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度將比海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)更快。國際可再生能源署預(yù)測(cè)海上光伏將在2025年后進(jìn)入生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的階段，現(xiàn)有示范項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2025年達(dá)到50 MW左右的規(guī)模，海上光伏產(chǎn)業(yè)有潛力在2030年形成年度新增安裝產(chǎn)能達(dá)1 GW的新興產(chǎn)業(yè)。目前，國內(nèi)海洋光伏的項(xiàng)目?jī)?chǔ)備已經(jīng)超過500萬kW[57]，例如安徽淮南漂浮式光伏項(xiàng)目[58]（見圖9）。天津、廣西、江蘇、河北、山東、浙江、福建等省份的重點(diǎn)區(qū)域都有相應(yīng)的項(xiàng)目規(guī)劃。其中《關(guān)于促進(jìn)浙江省新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見（修改稿）》特別提到，鼓勵(lì)光伏風(fēng)電用海立體分層設(shè)權(quán)，拓展海域立體利用空間，鼓勵(lì)利用圍海養(yǎng)殖區(qū)、近海灘涂區(qū)、圍而未填海域等海域空間建設(shè)灘涂光伏項(xiàng)目?！渡綎|省海上光伏建設(shè)工程行動(dòng)方案》意見建議明確了海上光伏的建設(shè)方案，布局“環(huán)渤?！薄把攸S?！眱纱笄f千瓦級(jí)海上光伏基地，總規(guī)模4 200 萬kW以上，加快樁基固定式海上光伏開發(fā)，積極穩(wěn)妥推動(dòng)漂浮式海上光伏發(fā)展，打造“風(fēng)光同場(chǎng)”一體化開發(fā)模式。

圖9 安徽淮南漂浮式光伏項(xiàng)目Fig.9 Floating photovoltaic project in Huainan,Anhui Province

海上光伏將經(jīng)歷一個(gè)由近及遠(yuǎn)的發(fā)展過程，從最適合起步的避風(fēng)海域開始發(fā)展，然后隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，逐漸擴(kuò)展到更深更遠(yuǎn)的海域，進(jìn)入更惡劣的環(huán)境。目前，海上光伏的技術(shù)仍處于起步階段，如何從技術(shù)層面控制風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化投資，還需要更基礎(chǔ)的研究探索[59]?，F(xiàn)階段海上光伏平臺(tái)主要采用固定式和漂浮式兩種基礎(chǔ)形式：固定式基礎(chǔ)在淺水區(qū)和潮間帶具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但向深水發(fā)展面臨巨大的安全性和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，漂浮式基礎(chǔ)則因具備出色的海域適應(yīng)性而成為必然選擇。近年來我國近海新能源開發(fā)空間日漸緊張，漂浮式光伏平臺(tái)是未來海上光伏產(chǎn)業(yè)向深遠(yuǎn)海規(guī)模化發(fā)展的重點(diǎn)發(fā)展方向[60]。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了近十個(gè)海上漂浮式光伏平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)，大多源自歐洲的創(chuàng)新企業(yè)，例如德國Sinn Power海上風(fēng)電光伏融合發(fā)展概念設(shè)計(jì)（見圖10）。有幾個(gè)概念已進(jìn)入海洋環(huán)境的示范階段，但規(guī)模均沒有超過0.5 MW。對(duì)于未來的示范，有多家公司宣布了明確的兆瓦級(jí)示范項(xiàng)目，規(guī)模在2～4 MW之間，預(yù)計(jì)在2～3年內(nèi)對(duì)技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性做出驗(yàn)證，并在隨后進(jìn)入規(guī)模化項(xiàng)目示范階段[61]。

圖10 德國Sinn Power海上風(fēng)電光伏融合發(fā)展概念圖Fig.10 Concept map of offshore wind power photovoltaic integration development of Sinn Power in Germany

為推進(jìn)海上光伏的應(yīng)用發(fā)展，亟需突破以下技術(shù)瓶頸：（1）海上光伏擁有空間、效率及融合發(fā)展等多重優(yōu)勢(shì)，但是由于海洋環(huán)境的特殊性，傳統(tǒng)海工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)昂貴，而湖泊、內(nèi)河所應(yīng)用的漂浮式光伏結(jié)構(gòu)則無法在海上正常運(yùn)行，甚至不同海域的技術(shù)方案都需要定制式設(shè)計(jì)。（2）海洋環(huán)境中的光伏應(yīng)用將面臨更嚴(yán)峻的環(huán)境負(fù)荷，來自波浪、風(fēng)和水流的循環(huán)載荷可能會(huì)導(dǎo)致光伏組件發(fā)生偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力，導(dǎo)致模塊出現(xiàn)微裂紋，從而導(dǎo)致產(chǎn)能和耐用性下降，所以要針對(duì)海洋環(huán)境對(duì)光伏面板做加固處理[62]。風(fēng)浪流等海洋環(huán)境載荷的存在可能導(dǎo)致作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的過大載荷，因此意味著平臺(tái)材料、金屬框架需要更具安全性的設(shè)計(jì)。（3）因?yàn)槿菀锥逊e生物污垢，海上光伏可能需要更頻繁地進(jìn)行運(yùn)維活動(dòng)，以保持電力生產(chǎn)不受影響，同時(shí)確保水質(zhì)不受影響。所以，平臺(tái)設(shè)計(jì)要在減少生物污垢和提升運(yùn)維的方便程度上有系統(tǒng)性的思考。（4）如果單模塊光伏結(jié)構(gòu)發(fā)生事故，系統(tǒng)之間發(fā)生碰撞的可能性和嚴(yán)重性會(huì)增加，所以需要提前制定、設(shè)計(jì)和考慮適當(dāng)?shù)膽?yīng)急計(jì)劃，以最大限度減少碰撞風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，包括建設(shè)安裝和運(yùn)營維護(hù)在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性因素也是制約海上光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸問題[63]。

3.4 海底采礦工程

深海海底有豐富的多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼以及多金屬硫化物等固體礦石資源[64-65]（見圖11），多金屬結(jié)核礦石儲(chǔ)量就達(dá)數(shù)百億噸[66]，其中的鈷錳鎳是新能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原料，需求極為龐大并具有重要戰(zhàn)略意義[67]，也是我國嚴(yán)重依靠外國進(jìn)口的礦產(chǎn)[68]，2021年我國對(duì)這些戰(zhàn)略資源類金屬等礦產(chǎn)需求的對(duì)外依存度最高超過90%?！吨泄仓醒腙P(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中，多次提到深海資源開采相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)。2021年9月，中國工程院院士金東寒在中國工程科技發(fā)展戰(zhàn)略天津研究院重大咨詢研究項(xiàng)目“新形勢(shì)下深海采礦戰(zhàn)略研究”啟動(dòng)會(huì)致辭中表示：深海采礦是我國深海戰(zhàn)略的重要組成部分，深入研究我國深海采礦戰(zhàn)略，對(duì)于我國加快建設(shè)海洋強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)具有重要意義。至今，我國在國際海底共申請(qǐng)了五塊礦區(qū)勘探權(quán)[69]（見表3）。根據(jù)聯(lián)合國海洋法公約及其相關(guān)文件，享有優(yōu)先開采權(quán)[70]。然而，我國在深海資源開發(fā)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域起步較晚[71]，作業(yè)水深達(dá)6 000 m的礦產(chǎn)資源開發(fā)更需要大力創(chuàng)新和技術(shù)跨越式升級(jí)。

表3 中國向國際海底局申請(qǐng)的礦區(qū)Table 3 Mining area applied by China to the International Seabed Authority

圖11 海底礦產(chǎn)與分布Fig.11 Seabed mineralsand distribution

深海采礦系統(tǒng)大體可分為海面支持系統(tǒng)，海洋立管運(yùn)輸系統(tǒng)與海底采礦系統(tǒng)三大部分[72]（見圖12）。深海采礦系統(tǒng)與深海石油開采系統(tǒng)既有諸多相通之處，如涉及超大水面平臺(tái)-超長立管-單點(diǎn)海底裝備的多體多尺度系統(tǒng)之間的相互影響，及多體結(jié)構(gòu)與多場(chǎng)環(huán)境之間強(qiáng)非線性流固耦合作用[73]。同時(shí)，海底礦面式賦存形態(tài)又導(dǎo)致與固定靜止的深水石油開采平臺(tái)不同而獨(dú)具特色：如采礦系統(tǒng)呈現(xiàn)水面平臺(tái)巡弋、立管受迫振動(dòng)和海底采礦車主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的多模態(tài)交互式干涉[74]。我國自20世紀(jì)80年代末開始深海礦產(chǎn)資源勘探、開采及加工利用技術(shù)研究[75]，已完成230 m水深礦井提升試驗(yàn)、結(jié)核和富鈷結(jié)殼采輸關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)、500 m級(jí)礦石輸送系統(tǒng)海試[76]。2021年6月27日，李家彪院士在中國工程院主辦的“第331場(chǎng)中國工程科技論壇—海洋裝備發(fā)展戰(zhàn)略論壇”《深海采礦技術(shù)智能綠色發(fā)展的前景和挑戰(zhàn)》報(bào)告中認(rèn)為“深海采礦是復(fù)雜的工程技術(shù)難題與嚴(yán)苛的海洋環(huán)保需求高度融合的技術(shù)集合體”。

圖12 深海采礦系統(tǒng)Fig.12 Deep ocean mining system

深海采礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)涉及眾多領(lǐng)域，存在多項(xiàng)理論和技術(shù)瓶頸亟需突破：（1）深海采礦超大尺度系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)理論與方法。深海采礦系統(tǒng)需要從海底穿越數(shù)千米海水到達(dá)海面，海底復(fù)雜地形、水體海流以及海面波浪流形成復(fù)雜環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)[77]。因此需要構(gòu)建超大系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)模型與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和方法[78]。（2）適應(yīng)海底稀軟土作業(yè)的深海裝備設(shè)計(jì)理論與方法。深海多金屬結(jié)核礦區(qū)底質(zhì)是與陸地及近海黏土完全不同的稀軟沉積物[79]，采礦車在行走過程中極易出現(xiàn)履帶打滑、沉陷等嚴(yán)重限制深海采礦效率的技術(shù)問題。深海采礦作業(yè)裝備必需適應(yīng)底質(zhì)土工力學(xué)特性，才能穩(wěn)定高效作業(yè)。（3）海底礦產(chǎn)資源綠色高效采集技術(shù)。深海多金屬結(jié)核賦存在海底沉積物表面[80]，對(duì)其開采的過程本質(zhì)上就是利用水射流形成的流場(chǎng)將結(jié)核從沉積物中剝離并輸送到集礦車中[79]。目前對(duì)水射流采集方法中各項(xiàng)射流參數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)采集頭需要滿足根據(jù)海底地形變化自適應(yīng)的要求。（4）長距離粗顆粒固液混輸與輸送泵設(shè)計(jì)技術(shù)。目前深海采礦揚(yáng)礦泵的典型泵流道冗余復(fù)雜，顆粒通過路徑長，轉(zhuǎn)子工作條件惡劣，同時(shí)電機(jī)輸送通道內(nèi)極易發(fā)生堵塞[81]。需研發(fā)長距離粗顆粒高濃度固液混輸模型，研究粗顆粒固液多相流輸送泵設(shè)計(jì)理論和方法。（5）深海復(fù)雜環(huán)境下超大系統(tǒng)智能控制技術(shù)。深海采礦系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境條件存在不確定性，系統(tǒng)組成裝備多，采礦環(huán)節(jié)多，均需要系統(tǒng)具備智能化[82]。需建立超大系統(tǒng)多工況復(fù)雜環(huán)境條件的仿真模型，預(yù)測(cè)典型工況和極端工作條件，建立基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)警方法，構(gòu)建系統(tǒng)智能控制方法。（6）深海礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維持機(jī)制與環(huán)境修復(fù)方法[83]。按照開發(fā)規(guī)章要求，海底采礦作業(yè)不應(yīng)造成永久不可恢復(fù)的破壞[84]。為此，需開展海底環(huán)境基線研究，掌握深海礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維持機(jī)制[85]；針對(duì)深海采礦對(duì)海洋環(huán)境的影響，開展環(huán)境修復(fù)方法研究，提出有效的應(yīng)對(duì)策略。

3.5 海洋養(yǎng)殖工程

為減輕近海養(yǎng)殖壓力，拓寬海洋養(yǎng)殖空間，發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖是海洋漁業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)方向?！笆濉币詠?，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部、自然資源部等十部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見》，明確提出支持發(fā)展深遠(yuǎn)海綠色養(yǎng)殖，鼓勵(lì)深遠(yuǎn)海大型智能化養(yǎng)殖漁場(chǎng)建設(shè)，提高養(yǎng)殖設(shè)施和裝備水平。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程設(shè)施是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。近些年，我國建造、生產(chǎn)、研發(fā)了一批開放式和封閉式深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖設(shè)施。其中，典型的開放式深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖設(shè)施包括國內(nèi)首座深遠(yuǎn)海智能化坐底式網(wǎng)箱“長鯨1號(hào)”、全球第一座全潛式深海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備“深藍(lán)1號(hào)”、全球首個(gè)單柱式半潛深海漁場(chǎng)“海峽1號(hào)”、國內(nèi)首座船型半潛桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱“德海1號(hào)”等（見圖13）；作為典型的封閉式海洋養(yǎng)殖設(shè)施，全球首艘十萬噸級(jí)智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船“國信1號(hào)”已于2022年3月正式交付運(yùn)營。海洋養(yǎng)殖平臺(tái)裝備正向深遠(yuǎn)海發(fā)展，并呈現(xiàn)大型化、智能化趨勢(shì)。

圖13 典型的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)Fig.13 Typical deep-sea aquaculture platforms

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖環(huán)境下，存在大水深、強(qiáng)流、巨浪以及風(fēng)暴潮等惡劣海況[90-91]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大型養(yǎng)殖平臺(tái)[92-95]和養(yǎng)殖工船[96-97]的水動(dòng)力特性研究取得了一定的進(jìn)展；但是，養(yǎng)殖裝備的抗風(fēng)浪性能與結(jié)構(gòu)安全理論研究仍存在不足，自動(dòng)投餌、排污、起捕等技術(shù)不夠完善，錨泊與定位控制技術(shù)、電力推進(jìn)與驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等亟待突破，信息化、數(shù)字化、智能化等現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用率較低。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備離岸較遠(yuǎn)，能源供給難度較大，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的新能源供給支撐體系尚未完全建立[25]。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響以及對(duì)海洋和自然資源的競(jìng)爭(zhēng)性利用也有待深入研究[26]。近年來，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)與海洋新興產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展迅速，比如深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程和海上清潔能源相結(jié)合，共享海上空間資源，共同建設(shè)和運(yùn)維，并且海上清潔能源可以為海洋養(yǎng)殖工程設(shè)施就近供電，降低兩者的開發(fā)和運(yùn)維成本，推動(dòng)海上清潔能源和海洋養(yǎng)殖的智能化發(fā)展②陳鵬.海洋融合發(fā)展深度之路探討.北京，中國海上風(fēng)電工程技術(shù)大會(huì).2020.。

為保障深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖有序發(fā)展，亟需突破以下技術(shù)瓶頸：（1）深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備安全保障技術(shù)。不同海域海況環(huán)境復(fù)雜多變，為抵抗強(qiáng)風(fēng)、巨浪、強(qiáng)流的沖擊，亟需開展安全保障技術(shù)研究，包括水動(dòng)力分析、主體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法、錨泊敷設(shè)以及網(wǎng)具裝配工藝等[98]。（2）深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備基礎(chǔ)研發(fā)技術(shù)。雖然我國已經(jīng)能夠建造多個(gè)大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備，但我國深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)水平相對(duì)落后，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)仍處于起步發(fā)展階段，一些關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性研究亟待開展，包括游弋式、浮式、半潛式等適用于不同養(yǎng)殖海域和條件的大型專業(yè)化多功能養(yǎng)殖船型和平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)研究[99]。（3）精準(zhǔn)控制配套設(shè)施與智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。養(yǎng)殖裝備向精準(zhǔn)控制方向發(fā)展是必然趨勢(shì)，如投餌的精準(zhǔn)決策、環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、魚群的精準(zhǔn)評(píng)估、死魚的精準(zhǔn)判別、作業(yè)流程的精準(zhǔn)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖智能化管理必須解決的技術(shù)難題。智能化養(yǎng)殖需要對(duì)養(yǎng)殖過程所有生產(chǎn)要素包括養(yǎng)殖生物、養(yǎng)殖環(huán)境、養(yǎng)殖設(shè)施和配套裝備進(jìn)行科學(xué)管控，利用智能感知技術(shù)獲取信息，5G通信技術(shù)傳遞信息，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)挖掘信息，人工智能技術(shù)決策信息，并程序化指導(dǎo)深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖生產(chǎn)全過程，以實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海無人駐守養(yǎng)殖[100]。（4）海洋多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。海上清潔能源與深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程的相互作用過程和機(jī)制亟須研究，比如深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖設(shè)施與海上風(fēng)機(jī)、光伏等清潔能源設(shè)施融合布局設(shè)計(jì)、環(huán)境友好型海上清潔能源設(shè)施研發(fā)與應(yīng)用、增殖型清潔能源設(shè)施基礎(chǔ)研發(fā)與應(yīng)用、環(huán)保型施工和智能運(yùn)維技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖設(shè)施與海上風(fēng)機(jī)、光伏等清潔能源設(shè)施配套設(shè)施研發(fā)及應(yīng)用，以及海上清潔能源設(shè)施對(duì)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程設(shè)施資源環(huán)境影響觀測(cè)與綜合評(píng)價(jià)等[101]。

4 結(jié)語與展望

本文聚焦海洋工程科技前沿，對(duì)海洋工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，圍繞海洋油氣工程、海上風(fēng)電工程、海上光伏工程、海底采礦工程和海洋養(yǎng)殖工程五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，梳理了我國海洋工程領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵科技問題，闡述了我國海洋工程面臨的發(fā)展機(jī)遇及技術(shù)挑戰(zhàn)，希望對(duì)今后的海洋資源的開發(fā)利用以及海洋工程的發(fā)展提供借鑒意義。

隨著資源供應(yīng)緊張與人口迅速增長的矛盾日益突出，擴(kuò)大海洋資源的開發(fā)利用規(guī)模勢(shì)在必行。海洋工程作為重要的現(xiàn)代綜合性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是人類開發(fā)利用海洋空間、資源、能源的核心支撐，也是國家實(shí)施海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的基礎(chǔ)和重要支撐，對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、海上國防安全等至關(guān)重要。當(dāng)前，我國海洋工程裝備與技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭良好，重大海工裝備的研發(fā)建造能力顯著提高，海上作業(yè)體系日趨完備，然而對(duì)其多場(chǎng)多體多尺度耦合機(jī)制、力學(xué)行為的理論描述、數(shù)值預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的探索和分析依然有限，在深海、大洋與兩極等前沿領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平尚存在差距。因此，應(yīng)系統(tǒng)梳理和總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)難題，著力推動(dòng)海洋工程科技革命，突破海洋高端裝備關(guān)鍵設(shè)備、核心技術(shù)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和海洋工程裝備及技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)海洋工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維的信息化和智能化，引導(dǎo)海洋工程向高端、智能、綠色發(fā)展，促進(jìn)其真正成為實(shí)現(xiàn)海洋可持續(xù)發(fā)展和推動(dòng)我國海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎。