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李硕:中国深海机器人研究进展与发展建议

作者:KOK安卓版下载来源:kok手机版app下载 时间:2022-08-24 04:51:36
产品简介

  水下机器人是人类探索海洋、认识海洋和开发海洋的重要技术装备,其研发能力在一定程度上标志着国家深海资源调查、海洋科学研究的技术水平。文章简要介绍了国外深海机器人发展现状,重点介绍了中国深海4500米级、6000米级和11000米级(全海深)水下机器人的研究进展,阐述了中国深海机器人在深海矿产资源勘查和深海科学研究中发挥的重要作用以及构建的全海深探测与作业技术装备体系。在分析中国深海机器人面临挑战的基础上,提出未来发展的建议。

  海洋孕育了生命、联通了世界、促进了发展,对人类社会生存和发展具有重要意义。地球上海洋接近90%的面积是超过1000 m的深海。深海蕴藏着丰富的油气、矿产、生物等战略资源。深海更是认识海洋,解决生命起源、地球演化、气候变化等重大科学问题的前沿领域。地球上深度超过6500 m的区域是深渊区域,最深的马里亚纳海沟“挑战者”深渊深度接近11000 m。

  深渊被认为是驱动地球系统地质、生命、环境演化的关键一环,而由于研究技术手段的限制,人类对深渊的了解还十分有限。随着计算机、通信、能源技术的不断发展,水下机器人(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)正在成为人类探索海洋、认识海洋和开发海洋最重要的技术装备之一。

  近年来,水下机器人在海洋科学研究、深海资源勘查、海洋工程及战略高技术等领域得到了广泛应用。通常,水下机器人可分为自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)和遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)。

  AUV自带能源,可以自主航行,能够执行大范围探测任务,但作业时间、数据实时性、作业能力有限。ROV依靠脐带电缆提供动力,水下作业时间长,能够实现数据实时传输,作业能力较强,但作业范围有限。

  近年来发展的混合式水下机器人——自主遥控水下机器人(Autonomous & Remotely Operated Vehicle, ARV)结合了AUV和ROV的优点,自带能源,通过光纤微缆实现数据实时传输,既可实现较大范围探测,又可实现水下定点精细观测及轻作业,是信息型AUV向作业型AUV发展过程中出现的新型水下机器人。

  此外,水下滑翔机作为一种靠浮力驱动的新技术平台,适用于长时间、大范围海洋环境观测,技术逐渐成熟。

  “十一五”以来,中国重点部署了4500米级、6000米级和11000米级深海技术装备的研制,并积极开展应用,取得了一批有影响的成果。在“十四五”规划中,中国要在深海、极地等前沿领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。其中,深海探测、海洋资源开发利用等已成为新兴战略性领域。

  国外水下机器人研究已有近70年的历史。以美国为代表的西方发达国家,先后研发了ROV、AUV、ARV以及水下滑翔机等多种不同类型的水下机器人,主要用于深海资源勘查、海洋科学考察和军事应用等领域。

  目前全球有上百家ROV制造商,正在使用的ROV数以千计,而且还在继续增长。其中,美国、加拿大、英国、法国和日本等发达国家在ROV领域处于领先地位,占据了绝大部分的商用市场份额。

  自1991年建造出世界上首台全深海无人遥控潜水器KAIKO以来,日本将ROV作为深潜装备研究重点,先后研制了ABISMO、UROV11K等多型万米级ROV产品。同一时期,法国的“Victor 6000”号、英国与美国合作研制的ISIS ROV、德国的“KIEL 6000”号ROV作业深度均达到6000米级,通过装备之间的相互支持、联合作业和安全救助等,能够顺利完成深海调查、搜索、采样、维修、施工和救捞等任务。

  自20世纪50年代美国华盛顿大学研制出世界上首台AUV以来,其发展已历时60余年。20世纪90年代后期,随着计算机技术的发展和电子技术的日益成熟,AUV进入快速发展阶段,一批有影响的AUV相继研制成功并得到应用,包括美国的ABE、英国的Autosub、加拿大的Theseus。

  进入21世纪,AUV技术得到了进一步的发展,在自持力方面,Hugin Superior AUV在3节航速下运行时间可达70 h以上;在潜深方面,俄罗斯的Vityaz-D AUV于2020年成功下潜到10028 m的深度。

  美国、日本等国家先后研制成功用于不同工作目标的ARV,其研究成果得到国际社会的一致认可。最具代表性的是美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)研制的全海深混合式遥控水下机器人(HROV)“海神”号(Nereus),其具有AUV和ROV两种作业模式,但需要在机器人下水前现场进行作业工作的换装。

  自2011年起,在“海神”号基础上,针对极地海冰调查,美国伍兹霍尔海洋研究所开始研制新的混合式水下机器人“Nereid UI”,携带长距离光纤微缆,并搭载多种生物、化学传感器,可进行大范围的冰下观测和取样等作业。

  国外水下滑翔机技术的发展及应用主要集中于美国、法国、英国和澳大利亚等国家。20世纪90年代,美国相继开发成功Slocum、Seaglider和Spray三型水下滑翔机,并持续进行技术攻关和应用。此外,欧洲和澳大利亚从21世纪开始专注于水下滑翔机的应用和协作技术的研究,并组建了各自的水下滑翔机观测网络。

  总结国外水下机器人发展现状可知,美国从顶层设计和研发推进两个方面持续推动水下机器人发展升级,俄罗斯重点部署促进深潜相关基础使能技术的发展和应用,美国、挪威等国的海洋科技企业积极投入研发力量,开发升级系列化水下机器人产品,并有着良好的供需对接机制。

  目前,ROV已实现产业化,部分达到了商业化水平并被广泛使用,其未来发展更关注作业能力,目标在于提高其作业的自主性和临场感。由于水下能源、通信和导航技术的限制,AUV还是当前研究的热点,正在经历产品化的过程,系列化的产品不断涌现。ARV技术在极地和深渊科考中的应用,有效拓展了水下机器人的应用领域。水下滑翔机作为低成本、大范围海洋观测设备,通过获取海量数据,正在改变人类对海洋的认识。

  不同类型的水下机器人发挥着不同探测与作业功能,ROV、AUV、ARV主要用于海底的探测与作业,水下滑翔机则更聚焦大范围海洋水体观测。

  中国水下机器人研究工作始于20世纪70年代末期。40多年来,中国水下机器人技术得到了快速发展。进入21世纪,在科技部、中国科学院、中国大洋矿产资源研究开发协会(简称中国大洋协会)等机构的支持下,中国深海装备实现了跨越式发展,其中最具影响力和代表性的是4500米级“深海勇士”号、7000米级“蛟龙”号和11000米级“奋斗者”号载人潜水器,这些潜水器引领了中国深海装备的系列化发展。

  在载人潜水器发展的同时,无人潜水器(水下机器人)也在同步发展,形成了有人和无人装备协同发展的态势。以“潜龙”“探索”“悟空”系列自主水下机器人、“海星”“海龙”“海马”系列遥控水下机器人、“海斗”“思源”系列自主遥控水下机器人、“海翼”“海燕”系列水下滑翔机等为代表的深海无人装备得以成功研制与应用,培养了一批水下机器人研发团队,极大地推动了中国深海科学研究与深海资源勘查水平。

  本文以4500米级、6000米级和11000米级的无人技术装备为例,重点介绍中国深海机器人的研究进展。

  2009年,科技部、国家海洋局联合印发《国家深海高技术发展专项规划(2009—2020年)》,该规划提出进一步强化对深海高新技术领域发展的指导和部署,将深海潜水器技术与装备作为重大项目列入其中。

  “十二五”时期,在成功研制“蛟龙”号取得重大应用突破后,中国重点研制4500米级载人潜水器、深海作业系统、自主潜水器(自主水下机器人)和水下滑翔机,提高自主研发能力,提高装备的国产化率,构建了中国4500米级的深海装备体系,使中国具备了4500米级深海综合探查和作业能力。

  深海资源是人类可持续发展的重要保障,世界海洋强国纷纷加强深海装备的研发力度,以提高资源的勘查能力。“十一五”时期,中国缺乏复杂海底地形下深海资源的自主勘查装备,这严重影响了其对深海多金属硫化物等资源的勘查以及国际海底矿区圈定的进程和效率。

  为满足现有国际海底矿区详查和新矿区圈定的迫切需要,“十二五”时期在国家“863”计划的支持下,中国大洋协会组织实施,中国科学院沈阳自动化研究所作为技术总体单位,并与国家海洋局第二海洋研究所等单位合作,于2015年成功研制出了一套具有水体异常探测、微地形地貌测量、海底照相、磁力探测等能力,可实现复杂海底地形下多种资源大范围、全覆盖的“潜龙二号”自主水下机器人(图1),填补了中国在多金属硫化物等资源自主勘查领域的空白。

  2016年3月,“潜龙二号”圆满完成中国大洋40航次应用任务,取得了多项历史性的突破。首次使用中国自主知识产权的AUV开展洋中脊热液区大洋探测任务,获得了断桥、龙旂热液区的近海底精细三维地形地貌数据和磁力数据,同时发现断桥、龙旂热液区多处热液异常点,获得洋中脊近海底高分辨率照片(图2),取得中国大洋热液探测的重大突破。

  “潜龙二号”随后又连续3年参加中国印度洋多金属硫化物资源调查任务,为热液硫化物成因机理及热液羽状流三维空间分布等热点科学问题研究提供关键数据,为中国西南印度洋多金属硫化物合同区的矿化区异常圈定以及资源评估等作出了重大贡献。

  “潜龙二号”已成为中国多金属硫化物资源调查最重要的高新技术装备之一,并可为富钴结壳、天然气水合物等深海资源调查提供重要技术支撑,极大提升了中国深海资源勘查的技术水平和国际影响力。

  为满足中国大洋海底多金属硫化物资源的调查评估和探测的需求,中国科学院沈阳自动化研究所在“潜龙二号”的基础上,于2018年成功研制出“潜龙三号”自主水下机器人(图3),进一步提升了自主水下机器人的可靠性、实用性、安全性和国产化率。

  在2018年南海试验性应用任务中,“潜龙三号”完成了对南海结核试采区的声学、光学以及相关水体参数的探测,获得了微地形地貌和结核区海底高清照片(图4)。

  2019年,“潜龙三号”完成大洋第52航次科考任务,在大西洋和印度洋开展资源勘探和环境调查。这是中国深海AUV首次在南大西洋中脊开展航次应用,同时开启了AUV与母船深海装备的“点、线、面”协同作业新模式,极大提高了母船作业效率。

  在大洋第57航次应用中,“潜龙三号”在西北印度洋获得高分辨率地形地貌,水体和磁力探测数据,为多金属硫化物资源勘查和海底热液成矿理论研究提供重要支撑。

  2021年,“潜龙三号”在完成验收后,已经正式向国家深海基地管理中心移交。

  2018年,在中国科学院战略性先导科技专项的支持下,面向海底“冷泉”科学探测的需求,中国科学院沈阳自动化研究所联合中国科学院海洋研究所等成功研制“探索4500”AUV。经过两年的适应性改造,“探索4500”于2021年参加了中国第12次北极科考(图5),在北纬85°完成北极高纬度海冰覆盖区科学考察任务。

  这是中国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用。“探索4500”在海底连续工作,成功获取了近底高分辨多波束、水文及磁力数据,为超慢速扩张的加克洋中脊地形地貌、岩浆与热液活动等北极深海前沿科学研究提供了一种先进的探测技术手段。

  图5 “探索4500”北极高纬度海冰覆盖区布放(来源:自然资源部第二海洋研究所)

  为提升中国深海潜水技术与装备水平,摆脱深海装备技术受制于人的被动局面,2008年底国家“863”计划启动“4500米级深海作业系统”重点项目。

  该项目由国土资源部组织实施,中国地质调查局广州海洋地质调查局作为业主单位牵头,上海交通大学作为项目的技术负责单位,联合国内业界多家优势力量协同攻关,于2014年成功研发出实用化的“海马”号遥控水下机器人(图6)。

  2015年3月,“海马”号在地勘应用中首战告捷,在中国南海北部陆坡西部海底首次发现双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志(该“冷泉”被命名为“海马冷泉”),并获取高清视频记录和实物样品,同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常,这些成果都显示出该海域具有良好的天然气水合物赋存前景。

  在“海马”号探查成果的指引下,广州海洋地质调查局随后在“海马冷泉”区开展了多次地质取样工作(图7)。在“海马冷泉”区获取了海底表层高纯度的水合物实物样品,取得了中国在南海新海域采获水合物实物样品的又一次重大突破性进展。“海马冷泉”成为中国海洋资源与生态环境前沿科学研究的重要海域。

  面向多金属硫化物矿区热液异常普查的需求,在中国大洋协会的支持下,中国科学院沈阳自动化研究所研制出“翼龙4500”水下滑翔机(图8),成功应用于中国大洋第58航次调查任务。

  “翼龙4500”在国内首次突破了水下滑翔机深海环境密度变化自适应补偿技术,在国际上首次实现小锯齿波浪式近底加密剖面观测技术,使中国水下滑翔机研制水平得到了提升,成为又一类深海调查高技术无人装备。

  在构建中国4500米级的深海装备体系的同时,面向深海多金属结核矿产资源和深海地质调查等需求,中国自主研发了6000米级系列深海机器人。

  其中,最具有代表性的深海探测和作业装备主要包括:“潜龙一号”和“潜龙四号”AUV、“海星6000”深海科考型ROV、“问海一号”ARV等,初步构建了中国6000米级深海技术装备体系。

  面向多金属结核资源调查等需求,在中国大洋协会的支持下,中国科学院沈阳自动化研究所先后研制6000米级“潜龙一号”和“潜龙四号”自主水下机器人,执行海底地形地貌、地质结构和海洋环境参数等精细调查任务,为海洋科学研究及资源勘探开发提供必要的科学数据。

  “潜龙一号”是中国具有自主知识产权的首台实用型6000 m自主水下机器人,多次执行大洋科考应用航次。

  2020年,“潜龙一号”和“潜龙四号”联合完成太平洋科考航次任务(图9),两型装备的成功研制,使中国具备了对占世界海洋面积97%的海域进行大范围精细探测的能力,标志着中国深海资源勘查自主装备已达到实用化水平。

  在中国科学院战略性先导科技专项的支持下,中国科学院沈阳自动化研究所主持研发了“海星6000”ROV,这是中国首台自主研制的6000米级遥控水下机器人(图10)。

  2018年“海星6000”完成了深海生物、沉积物、水样、岩石等系列化取样及激光拉曼的原位测量等作业(图11),最大下潜深度6001 m,创造了中国深海ROV最大深潜纪录,填补了中国深海ROV 6000米级深度科考的空白。

  面向深海地质调查任务,中国科学院沈阳自动化研究所与中国地质调查局青岛海洋地质研究所联合研制了6000米级“问海1号”自主遥控水下机器人,其具备自主、遥控、混合3种工作模式,可搭载高分辨率测深侧扫、浅剖、高清摄像机及机械手等探测载荷和作业工作,开展大范围近海底自主航行探测和坐底定点精细取样作业。

  “问海1号”在完成海上验收和试验性应用后(图12),已列装“海洋地质九号”船,将服务于海洋环境调查、生物多样性调查、海底特定目标物探查、深海极端环境原位探测和深海矿产资源调查等深海科考工作。

  图12 “问海1号”海上准备布放场景(来源:中国地质调查局青岛海洋地质研究所)

  针对中国在深渊科学研究和深渊地质调查等方面的重大需求,围绕深海进入和深渊跨越这一主线,在基本掌握了具有全部自主知识产权的深海4500米级和6000米级水下机器人研发的基础上,瞄准世界科技前沿,在“十三五”期间,中国布局开展了11000米级全海深载人潜水器项目群、多型全海深无人潜水器装备研制,以及深渊前沿关键技术研究。

  通过中国科技工作者的不懈努力,圆满完成了研制任务,并积极开展海上试验和试验性应用,取得了一批令人振奋的科研成果,部分成果达到了国际先进水平。

  海斗深渊已逐渐成为国际地球科学,尤其是海洋科学的前沿阵地和研究热点。面向深渊探测,在中国科学院战略性先导科技专项支持下,由中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的“海斗”号全海深自主遥控水下机器人(图13)于2016年研制成功。

  “海斗”号是一种新型的混合式水下机器人,用于开展全海深无人潜水器关键技术研究及验证。2016—2018年,“海斗”号连续3年参加马里亚纳海沟深渊科考航次,11次到达万米以下深度,最大下潜深度10905 m,获得中国首批全海深温盐数据和视频直播影像,实现中国首次全海深高清视频现场直播。

  在科技部国家重点研发计划支持下,中国科学院沈阳自动化研究所牵头,联合国内10余家科研单位共同攻关,研制出全海深自主遥控水下机器人——“海斗一号”,其具有独特的“三合一”多模式操控(AUV、ROV、ARV)和作业模式,既能大范围自主巡航探测,又能实现实时定点精细观测,还能够通过所携带的机械手采集样品。

  2020年,“海斗一号”(图14)在马里亚纳海沟实现4次万米下潜,最大下潜深度10907 m,刷新了当时中国潜水器最大下潜深度纪录。2021年,“海斗一号”在马里亚纳海沟10800 m以深深渊海区成功实现多次万米下潜及科考应用,完成了深渊海底样品抓取、沉积物取样(图15)、水样采集等科考作业。

  在无缆自主(AUV)模式下,最大下潜深度达到10908 m,海底连续作业时间超过8 h,填补了中国全海深AUV技术与装备空白。在国际上首次对“挑战者”深渊西部凹陷区进行大范围的全覆盖声学巡航探测。

  在自主遥控混合(ARV)模式下,“海斗一号”在万米海底连续工作超过10 h,创造了中国潜水器万米海底最长工作时间的纪录,实现了万米海底定点实时高清精细观测。

  在科技部国家重点研发计划项目支持下,上海交通大学成功研制“思源”号自主遥控水下机器人(图16)。

  2021年,“思源”号在西太平洋公海海域完成深海试验,最大下潜深度8072 m,最长海底工作时间超过8 h,完成海底探测和取样等多种测试,验证了装备的稳定性和强大的海底作业能力。

  在科技部国家重点研发计划项目支持下,哈尔滨工程大学成功研制“悟空”号全海深自主水下机器人(图17)。

  继2021年初“悟空”号创造了7709 m的亚洲深潜纪录后,2021年10月在马里亚纳海沟完成了4次超万米深度下潜——10009、10888、10872和10896 m,超过国外AUV于2020年5月创造的10028 m的AUV潜深世界纪录,并顺利完成海试验收。

  2020年7月,由青岛海洋科学与技术试点国家实验室与天津大学共同研发的“海燕-X”水下滑翔机,在万米深渊观测科学考察航次中,最大下潜深度达到10619 m,获得大量深渊的温盐、声学,以及影像等同步调查资料。

  2台万米级“海燕-X”水下滑翔机(图18)开展了连续6 d的综合调查,共获得观测剖面45个,其中万米级剖面3个,充分验证了“海燕-X”水下滑翔机在深渊环境下的工作可靠性,标志着中国在万米级水下滑翔机关键技术方面取得重大突破。

  历经“十二五”和“十三五”的发展,中国深海机器人技术研发能力有了长足的进步,形成了4500、6000和11000 m3个系列深海装备体系,多型装备填补了国内的空白,潜深、航程和作业能力等多项技术指标达到国际先进水平。

  通过连续的海上试验与应用,无人装备的可靠性和实用化程度不断提高,面向深海矿产资源勘查、海洋科学研究等领域,初步构建了中国深海谱系化技术装备体系,形成了全海深探测与作业能力,使中国具备了深海、深渊、大洋和极地的探测与作业能力。

  从1994年中国首台1000 m“探索者”号AUV研制成功,拉开中国深海机器人研制的序幕,到2022年4月“问海1号”ARV完成海上试验与应用,中国深海机器人研发将近30年,经过几代人的不懈努力,中国水下机器人具备了正向的设计、研制、试验能力。

  经过不断应用迭代,水下机器人的研制和应用与科学问题和实际需求的结合更加紧密,在超大潜深密封、自主航行控制、高精度导航定位、高密度能源应用和高效推进等关键技术上不断取得突破,不断刷新深海装备研制和应用的一项项纪录。

  (1)中国深海机器人或多或少都能看到国外水下机器人的技术痕迹。如何结合科学需求,研制出具有中国特色的水下机器人,用中国原创的水下机器人技术解决科学问题,为人类认知海洋作出更大的贡献。

  (2)中国深海机器人通常都是单台套作业,发挥作用有限。如何建立深海装备协同管控平台,加强深海机器人的任务协调和调度,加强数据共享,提高深海机器人体系贡献率。

  (3)中国深海机器人谱系相对分散,缺乏顶层设计和规划。国外已经或正在形成水下机器人产业。如何破解中国水下机器人产业化的瓶颈,推动深海传感器和载荷的系列化和国产化等,建立与中国深海机器人发展相配套的工业化体系。

  (1)全面提升水下机器人的智能化、实用化和业务化应用水平。持续改进、不断创新,提高水下机器人自主感知、自主作业,以及极端复杂环境下的自适应能力。围绕重大科学问题,提出中国原创水下机器人的新概念、新原理,突破高效应用的高海况布放回收、自动化运维保障等瓶颈技术,进一步提高可靠性和操作便捷性,推动规模化、集群化组网应用。

  (2)加快建立中国大型深潜装备共享机制和运维管理平台。基于此类平台,实现需求协同、任务协同、装备协同和大数据时代成果分级、分类共享,形成规范化运维保障能力和业务化科考能力,为提升海洋强国建设核心竞争力作出新贡献。

  (3)加快培育中国深海机器人产业,逐步建立中国水下机器人的工业体系,研制系列化、标准化、规范化、高可靠性的产品,全面带动材料、能源、传感器等领域的发展,为推动中国海洋经济的可持续发展作出重要贡献。

  中国深海机器人研发的成功经验表明,坚持走深海技术国产化道路是中国的正确选择。全面自主掌握深海核心关键技术是建设海洋强国的必经之路。要坚持“战略先导先行—重大研发任务攻关—示范应用”的路线,加强原创性、前瞻性、引领性科技攻关,把装备研制牢牢抓在自己手里,为海洋强国建设发挥更大作用。

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