水下機器人對工潛行業的影響

本文刊載于《中國科學院院刊》2022年第7期“專題:海洋觀測探測與安全保障技術”，原文標題《水下機器人應用及展望》

李 碩?1,2吳園濤?3李 琛?3趙宏宇?1*李一平?1,2

1 中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室

2 中國科學院大學

3 中國科學院 重大科技任務局

水下機器人是人類探索海洋、認識海洋的先進技術手段之一，是我國建設海洋強國的重要裝備支撐。文章介紹了國內外水下機器人的發展現狀，重點闡述以中國科學院沈陽自動化研究所為代表研制的我國譜系化水下機器人在深海資源勘查和科學研究、深淵科考、南極和北極調查中的最新應用成果。結合當前水下機器人研究基礎，展望未來水下機器人的發展和應用方向。通過研發適應極端海洋環境的深遠?？瓶佳b備，實現從航次型科考模式向深海長期駐留型科考模式的技術跨越，實現從有人科考向無人化科考模式的革命性轉變。

黨的十八大報告明確提出，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。黨的十九大報告要求加快建設海洋強國。探索和認識海洋需要包括水下機器人在內的多種海洋技術裝備，“十二五”“十三五”期間，國家重點部署了?4500m?級和?11000m?級深海技術裝備的研制；“十四五”規劃進一步提出，要在深海、極地等前沿領域實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。深海探測、海洋資源開發利用等已成為新興戰略性領域，關注深海、聚焦深海資源的開發已上升為國家戰略。

近年來，水下機器人?（UUV）在海洋科學研究、海洋工程及戰略高技術等領域得到了廣泛應用。通常，水下機器人可分為自主水下機器人?（AUV）和有纜遙控水下機器人?（ROV）。AUV自帶能源自主航行，可執行大范圍探測任務，但作業時間、數據實時性、作業能力有限。ROV?依靠臍帶電纜提供動力，水下作業時間長、數據實時，作業能力較強，但作業范圍有限；近年來發展的混合式水下機器人—自主/遙控水下機器人?（ARV）結合了?AUV?和?ROV?的優點，自帶能源，通過光纖微纜實現數據實時傳輸，既可實現較大范圍探測，又可實現水下定點精細觀測及輕作業。ARV?是信息型?AUV?向作業型?AUV?發展過程中出現的新型水下機器人。此外，水下滑翔機?（glider）作為一種新技術平臺，適用于長時間、大范圍海洋環境觀測，近年來逐漸成熟。

1

國外水下機器人發展現狀

國外水下機器人研究已有近?70?年的歷史。以美國為代表的西方發達國家，先后研發了?ROV、AUV、ARV，以及水下滑翔機等多種不同類型的水下機器人，成功用于深海資源調查、海洋科學考察、水下搜索救撈等領域。國外ROV?已產業化并被廣泛使用，其發展更強調作業能力，以及提高其作業的自主性；AUV?依然是當前研究的熱點并且正在經歷產品化的過程，系列化的產品不斷涌現；ARV?技術在極地和深淵科考中的應用，有效拓展了?AUV?的應用領域；水下滑翔機作為低成本大范圍海洋觀測設備，通過獲取海量數據，改變了人類對海洋的認識。水下機器人技術的發展，離不開需求牽引的廣泛應用，正是不斷地應用，推動了水下機器人的技術進步。本文重點介紹我國水下機器人應用現狀。

2

我國水下機器人應用現狀

我國的水下機器人研究工作始于?20?世紀?70?年代末期。40?多年來，我國水下機器人技術得到了快速發展。進入?21?世紀，在科學技術部、中國科學院、中國大洋礦產資源研究開發協會?（以下簡稱“中國大洋協會”）等部門和組織的支持下，以“潛龍/探索”系列AUV、“海星/海龍/海馬”ROV、“海斗”系列ARV、“海翼/海燕”系列水下滑翔機等為代表的深海技術裝備成功研制與應用，帶動了深海技術的進展，極大地提高了我國深?？茖W研究與深海資源勘探水平。中國科學院沈陽自動化研究所?（以下簡稱“沈陽自動化研究所”）是我國最早開展水下機器人研究的單位，其研制的海洋技術裝備在一定程度上反映了中國水下機器人的研究進展。下面，以沈陽自動化研究所為例，介紹我國水下機器人應用現狀。

積極推動我國水下機器人在深海領域的持續應用

1

初步構建我國深海資源自主勘查的技術裝備體系

深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏，是人類社會謀求未來生存與發展的重要戰略新疆域。深海礦產資源被認為是?21?世紀最重要的陸地礦產接替資源。

“十三五”期間，為滿足現有國際海底礦區勘查和新礦區圈定的迫切需要，在國家重點研發計劃、中國大洋協會、國際海域資源調查與開發等項目的支持下，沈陽自動化研究所聯合國內多家機構，成功研制了深海資源自主勘查系統——“潛龍”系列深海?AUV，用于多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等多種深海資源的精細勘查，?先后參加了?10?余次大洋科考航次，在太平洋、大西洋、印度洋等海域開展航次應用，填補了我國深海資源自主勘查的空白。根據“潛龍”系列深海?AUV?獲取的海底多元數據，科學家對深海礦產資源的分布和成礦機理有了重要發現，為礦區區域放棄和后續資源開發提供了精準數據和模型。

2

初步構建我國海洋科學研究的自主觀測與作業技術體系

海洋學的創新源自海洋調查觀測的結果，海洋科學的創新研究與海洋觀測和探測技術密不可分。在國家“863”計劃、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，沈陽自動化研究所成功研制出多型水下機器人，初步構建了面向海洋科學研究的自主觀測與作業技術體系實現多水下機器人集群組網探測，開啟了我國海洋科考新模式。

在國家重點研發計劃的支持下，沈陽自動化研究所研制的“探索?100”模塊化便攜式?AUV，在突破無人潛水器協同控制組網觀測等關鍵技術的基礎上，實現了基于聲通信的多?AUV?組網觀測應用。2019—2020?年，由多臺“探索?100”組成的水下機器人組網觀測系統開展了多項海洋特征觀測海上試驗及示范應用。利用多臺?AUV?對大亞灣冷水團入侵和岬角渦旋現象進行觀測，首次獲得了大亞灣海域高分辨率的冷水團入侵和岬角渦旋精細結構特征，為研究上升流冷水對大亞灣底層生態系統的影響提供依據。

“探索?4500”是一套可在深海熱液活動區和冷泉區開展精細觀測的?4500?m?級?AUV。自?2017?年起，“探索?4500”多次參加海上應用，其在冷泉區水體觀測和光學調查任務中，拍攝到具有“冷泉”特征的海底生物，為發現新的海底大型活動性“冷泉”，查明其分布范圍、生物群落及流體活動等奠定堅實基礎。

“海星6000”是我國首臺自主研發面向科考應用的6000?m?級?ROV?裝備，采用全電動推進，搭載有七功能機械手可進行近海底采樣作業。?2018?年，“海星?6000”完成了生物調查、海底表層沉積聚成物獲取、泥樣和水樣采集等任務，最大工作深度?6001?m，創造我國?ROV?最大潛深的紀錄。

2009?年，沈陽自動化所研制的“海翼?1000”水下滑翔機在國內率先突破海上航行距離?1000?km?。在國家重點研發計劃的支持下，2021?年，“海翼?1000”單次連續航行距離再次創造我國水下機器人續航力新紀錄?！昂Ｒ怼彼禄铏C多次開展海洋科考航次集群應用。2017?年?7?月，首次開展多水下滑翔機協同觀測任務，為開展深海海洋環境精細探測提供了系統解決方案。2019?年至2021年，多臺“海翼”水下滑翔機分別完成西北太平洋中尺度渦旋綜合觀測、印度洋調查任務和西太平洋集群觀測任務?！昂Ｒ怼彼禄铏C的規?；瘧?，標志著我國水下滑翔機達到實用化應用水平。

全面引領我國水下機器人在深淵領域的創新應用

近年來，深淵科學正成為國際地球科學尤其是海洋科學的最新前沿領域。在中國科學院戰略性先導科技專項支持下，沈陽自動化研究所自主研制的全海深無人潛水器關鍵技術驗證平臺——“海斗”號，成為我國首臺下潛深度超過萬米的水下機器人。2016—2018?年，“海斗”號連續?3?年參加我國馬里亞納海溝深淵科考航次總計?11?次到達萬米以下深度，最大下潛深度?10905?m，創造我國水下機器人最大下潛及作業深度記錄，實現我國首次全海深高清視頻直播。

2020?年?5?月，在國家重點研發計劃支持下，沈陽自動化研究所牽頭研制的“海斗一號”ARV在馬里亞納海溝成功完成首次萬米海試與試驗性應用，最大下潛深度?10907?m，為我國開展深淵科考獲取了首批重要數據和樣品。

2021?年?10?月，“海斗一號”再次開展馬里亞納海溝萬米科考應用，總計完成?8?次萬米深潛與作業，最大深度?10908?m，獲取到典型深淵水文、生物、地質等數據或樣品。在國際上首次實現了對“挑戰者深淵”西部凹陷區的大范圍全覆蓋聲學巡航探測?！昂６芬惶枴钡某晒?，表明了我國全海深無人潛水器正式跨入萬米科考應用的新階段，填補了當前國際上全海深無人潛水器萬米科考應用的空白。

持續探索我國水下機器人在極地的科考應用

南、北極對全球系統影響非常關鍵，其變化將直接影響到全球的氣候和海洋環境的變化。水下機器人作為一種先進的運動平臺，搭載有關的觀測設備，可為極地海洋環境研究提供一種大范圍、連續的觀測手段，推動南、北極科學研究的不斷發展。沈陽自動化研究所從?2003?年參加我國第二次北極科學考察以來，一直致力于推動水下機器人在極地科考中的探索應用，實現了從冰底精細觀測、海洋環境大范圍觀測到近海底高精度探測的技術跨越。

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實現海冰底局部觀測到海底大范圍探測的技術跨越

在國家“863”計劃支持下，沈陽自動化研究所先后研制了兩型北極自主/遙控水下機器人，分別于?2008?年、2010?年和?2014?年參加了我國北極科學考察，獲取了北極海冰底部物理特征和海洋環境等重要參數，實現了海冰厚度的區域高精度測量。

2021年，在中國第12次北極科考中，升級改造后的“探索?4500”在北緯?85°?海域成功完成下潛探測，這是我國首次使用自主水下機器人完成北極高緯度海冰區近海底科考任務,其連續成功下潛為我國不斷深化對北極洋中脊多圈層物質能量交換及地質過程的探索和認知提供了重要數據資料。

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實現我國水下機器人南極科考中首次示范應用

面向南大洋海洋環境調查任務，沈陽自動化研究所對“探索?1000”AUV?進行了適應性改造，于?2019?年和?2020?年先后兩次參加中國南極科考，為考察隊執行羅斯海多環境要素綜合調查提供了重要技術支撐。

在第?35?次南極科考中，“探索?1000”以南極極區海洋觀測應用為目的，獲得南極南緯?75°?海域海洋要素數據。在第?36?次南極科考中，“探索?1000”水下連續工作?35?h，獲得了海流、溫度等大量水文探測數據，為我國水下機器人南極科學考察業務化運行奠定技術基礎。

近年來，在國家有關部門的大力支持下，我國水下機器人技術研發與科考應用能力有了長足的進步，多項技術裝備填補了國內空白，部分技術達到國際先進水平。面向深海資源勘查、海洋科學研究等國家重大需求，構建了譜系化技術裝備體系，引領了我國水下機器人裝備發展。水下機器人應用的成功經驗表明，堅持走深海技術國產化道路是我國的正確選擇。我國具有全面自主掌握深海核心關鍵技術的能力和潛力。堅持“戰略先導先行—重大研發任務攻關—示范應用”的路線，加強原創性、前瞻性、引領性科技攻關，把裝備制造牢牢抓在自己手里，從而為海洋強國建設發揮更大作用。

3

水下機器人應用展望與建議

面向未來更復雜、更極端的應用場景，需要提高單體水下機器人的智能化水平。通過開展新型能源材料、流體力學、控制導航等傳統學科與新興學科的跨學科交叉融合與技術創新，推動人工智能、大數據等信息技術與水下機器人技術的深度融合。研發新一代智能水下機器人，進一步完善水下機器人譜系化裝備體系，實現水下機器人向智能水下機器人的技術跨越，已成為水下機器人未來的發展趨勢。

面向我國深海技術裝備的未來應用，從研發極端環境裝備、長期駐留科考、無人化科考、科學問題認知等方面，提出?4?點發展建議。

1

研發適應極端海洋環境的深遠?？瓶佳b備

面向南極、北極、深淵海溝等“三極”極端海洋環境應用的需求，提高自主環境感知、復雜環境適應、智能決策與自主生存等技術。研發超長航時海洋中小尺度觀測系統、穿越北極自主水下機器人、環南大洋跨年連續觀測水下機器人、南極冰腔探測作業機器人等。通過水下機器人的技術進步，提高人類對海洋的認知水平，深刻理解海洋對全球氣候變化的影響。

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實現從航次型科考模式向深海長期駐留型科考模式的轉變

突破海洋裝備駐留海底所需解決的長期防腐蝕、高速信息交互、高效能源補給、模塊化換裝、區域全場景監控及自主作業等關鍵技術。構建海底基站原位觀測與智能水下機器人大范圍觀測探測相結合的近海底科考體系，實現我國深海海底開展長期駐留連續科考與作業，深刻理解全球氣候變化對海洋海底環境的影響。

3

實現從有人科考向無人化科考模式的轉變

構建高海況適應的少人化或無人智能船與水下機器人深入融合的綜合科考體系。突破水下機器人高效布放回收、遠程虛擬的水下科考作業操作、自動化實驗室樣品處理與分析等技術，提升海上無人裝備應用水平，減少惡劣海況對科考作業的影響。

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不斷提高海洋重大基礎性科學問題認識水平

依托智能船和海洋機器人觀測探測技術，深化海洋生態環境極端動態過程認識，構建海洋生態環境“跨學科”四維立體長時續觀測系統；突破全方位高效動態協同觀測瓶頸，揭示生態環境耦合機理，助力實現“雙碳”目標。

經過多年的技術攻關和示范應用，中國構建了譜系化的水下機器人的裝備體系，具備了開展不同類型水下機器人的正向設計能力。站在新的歷史發展階段，推動產業化進程，加快構建水下機器人工業化體系，加強行業應用，努力提升水下機器人對我國海洋經濟的貢獻度，為我國加快海洋強國建設作出更重要的科技貢獻。

趙宏宇?中國科學院沈陽自動化研究所研究員。主要研究領域：水下機器人技術與應用。

文章源自：

李碩, 吳園濤, 李琛, 等. 水下機器人應用及展望. 中國科學院院刊, 2022, 37(7): 910-920.

總監制：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：立夏

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  信息來源：中國科學院院刊。

  轉載請注明信息來源及海洋知圈編排

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