無人潛水器技術(shù)在南海的應(yīng)用

無人潛水器技術(shù)在南海的應(yīng)用

無人潛水器分為兩種類型：電纜水下機(jī)器人（rov）和無電纜水下機(jī)器人（auv）。近幾年,我國水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。就水下機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢(shì)而言,技術(shù)創(chuàng)新是永恒的主題,AUV的智能化和續(xù)航能力是關(guān)鍵,海洋漁業(yè)領(lǐng)域是未來的藍(lán)海,消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域前景可期。7月26日,搭乘“科學(xué)”號(hào)遠(yuǎn)洋綜合科考船的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)遙控?zé)o人潛水器與“探索”號(hào)自治水下機(jī)器人同時(shí)在南海北部下潛作業(yè),這也是我國首次實(shí)現(xiàn)兩類無人潛水器同時(shí)海底作業(yè),再一次引發(fā)了人們對(duì)于水下機(jī)器人的關(guān)注。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展和開放型經(jīng)濟(jì)的形成與深化,海洋作為國際貿(mào)易與合作交流的紐帶作用日益顯現(xiàn),在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出。作為發(fā)展中的海洋大國,我國在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益,在此背景下水下機(jī)器人大有可為。水下機(jī)器人的發(fā)展歷程水下機(jī)器人是一種潛水器,用來代替人在海洋環(huán)境中完成任務(wù)。對(duì)于潛水器來說,可以分為載人潛水器(HOV)和無人潛水器(UUV)兩類。狹義上的水下機(jī)器人僅指無人潛水器,是用來代替潛水員或載人小型潛艇進(jìn)行深海探測(cè)、救生、排除水雷等高危險(xiǎn)性水下作業(yè)的智能化系統(tǒng)。按照與水面支持系統(tǒng)間聯(lián)系方式的不同,無人潛水器可以分為有纜水下機(jī)器人(ROV)和無纜水下機(jī)器人(AUV)兩種。有纜水下機(jī)器人(ROV)需要由電纜從母船接受動(dòng)力,根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同可分為拖曳式、移動(dòng)式和浮游式三種。主要由水面設(shè)備(包括操縱控制臺(tái)、電纜絞車、吊放設(shè)備、供電系統(tǒng)等)和水下設(shè)備(包括中繼器和潛水器本體)組成。潛水器本體在水下靠推進(jìn)器運(yùn)動(dòng),本體上裝有觀測(cè)設(shè)備(攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機(jī)械手、切割器、清洗器等)。潛水器的水下運(yùn)動(dòng)和作業(yè),是由操作員在水面母艦上控制和監(jiān)視,電纜向本體提供動(dòng)力和交換信息,中繼器可減少電纜對(duì)本體運(yùn)動(dòng)的干擾。由于細(xì)長的電纜懸在海中較為脆弱,極大地限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍和工作效率。無纜水下機(jī)器人(AUV)又稱自治水下機(jī)器人,是將人工智能、探測(cè)識(shí)別、信息融合、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術(shù)集中應(yīng)用于同一水下載體上,自主決策、控制完成復(fù)雜海洋環(huán)境中的預(yù)定任務(wù)使命的機(jī)器人。是從簡單的遙控式向監(jiān)控式發(fā)展,即由母艦計(jì)算機(jī)和潛水器本體計(jì)算機(jī)實(shí)行遞階控制,它能對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行加工,建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過人機(jī)交互系統(tǒng)以面向過程的抽象符號(hào)或語言下達(dá)命令,并接受經(jīng)計(jì)算機(jī)加工處理的信息,對(duì)潛水器的運(yùn)行和動(dòng)作過程進(jìn)行監(jiān)視并排除故障。操作人員僅下達(dá)總?cè)蝿?wù),機(jī)器人就能根據(jù)識(shí)別和分析環(huán)境,自動(dòng)規(guī)劃行動(dòng)、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。在我國,水下機(jī)器人研究工作從20世紀(jì)70年代末起步,至今已經(jīng)走過了接近40年的歷程。1979年,以蔣新松為首的團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)最早提出“智能機(jī)器人在海洋中應(yīng)用”。1986年,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和上海交通大學(xué)合作研制了我國第一個(gè)有纜水下機(jī)器人(ROV)“海人一號(hào)”。1994年,在863計(jì)劃的支持下,沈陽自動(dòng)化研究所成功研制了“探索者”號(hào)無纜水下機(jī)器人(AUV)?，F(xiàn)在,我國已經(jīng)有多個(gè)單位從事自主水下機(jī)器人的研究開發(fā),并且不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域,產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展的局面。在軍事領(lǐng)域,水下機(jī)器人可以攜帶多種傳感器、專用設(shè)備或武器,執(zhí)行特定的使命和任務(wù),可用于通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)、反水雷、反潛和海洋作戰(zhàn)等。ROV用于打撈沉沒于水中的武器、魚雷及其他裝置。另一個(gè)作用是協(xié)助潛水員執(zhí)行打撈作業(yè)。ROV還可檢查核潛艇,并輔助核潛艇的維修與保養(yǎng),去除附著在核潛艇上的雜物等。ROV的另一個(gè)重要作用是檢測(cè)與觀察海軍的水下工程。AUV可用來輔助軍用潛艇,作為它的體外傳感器,為它護(hù)航和警戒,以及為它引開敵方攻擊充當(dāng)假目標(biāo)。在反潛方面,AUV可擔(dān)任海上反潛警戒,也可當(dāng)作反潛艦艇進(jìn)行訓(xùn)練的靶艇。在水雷戰(zhàn)和反水雷方面,以及其他許多特種作業(yè)中,AUV都可以大顯身手。在科考領(lǐng)域,由“蛟龍”號(hào)載人潛水器(HOV)、“潛龍二號(hào)”無人無纜潛水器(AUV)和“海龍二號(hào)”無人有纜潛水器(ROV)組成的“三龍”潛水器系列,是我國自行設(shè)計(jì)、自主集成、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、在深?？辈祛I(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的深海運(yùn)載器,體現(xiàn)了我國深海技術(shù)裝備發(fā)展的總體水平。其中,“潛龍二號(hào)”是一套集成熱液異常探測(cè)、微地形地貌探測(cè)、海底照相和磁力探測(cè)等技術(shù)的實(shí)用化深海探測(cè)系統(tǒng),主要用于多金屬硫化物等深海礦產(chǎn)資源的勘探作業(yè)。在“潛龍一號(hào)”的基礎(chǔ)上針對(duì)多金屬硫化物礦區(qū)需求研制,在機(jī)動(dòng)性、避碰能力、快速三維地形地貌成圖、浮力材料國產(chǎn)化方面均有較大提高。而“海龍二號(hào)”是一套能在3500米水深、海底高溫和復(fù)雜地形的特殊環(huán)境下開展海洋調(diào)查和作業(yè)的高精技術(shù)裝備。在安全搜救領(lǐng)域,水下機(jī)器人攜帶的水下照明燈、水下攝像機(jī)、聲納、水下機(jī)械手、海洋取樣器等設(shè)備,具有水下攝像照相、水文參數(shù)測(cè)量、設(shè)備安裝、設(shè)備維修等功能,廣泛應(yīng)用于水下搜索、檢測(cè)及打撈救助等行業(yè)。2017年4月,由交通運(yùn)輸部煙臺(tái)打撈局承擔(dān)的3000米級(jí)水下機(jī)器人海試任務(wù)成功結(jié)束,標(biāo)志著我國已具備3000米級(jí)深水救撈能力。在海洋石油開發(fā)領(lǐng)域,隨著逐漸向深水邁進(jìn),水下設(shè)施的安裝、海底管道的鋪設(shè)、海底裝置的檢修等作業(yè),蛙人已經(jīng)無法承擔(dān)。因此,擁有超強(qiáng)水下作業(yè)能力的水下機(jī)器人有了用武之地。在檢測(cè)修理領(lǐng)域,水下機(jī)器人的技術(shù)已相當(dāng)成熟,在船舶修理方面已能解決船舶水線以下部位的清洗、除銹、涂裝,故障部位鋼板的焊接、切割或更換,水下裝置的修理或更換等多方面的故障。此外,水下機(jī)器人還被廣泛應(yīng)用在考古、水下娛樂等領(lǐng)域。創(chuàng)新合作模式2016年2月,工業(yè)和信息化部與國家海洋局簽署合作協(xié)議,致力于打造“互聯(lián)網(wǎng)+海洋”、“海洋+智能工業(yè)裝備”等創(chuàng)新合作的模式,從合作領(lǐng)域出發(fā),從基礎(chǔ)業(yè)務(wù)著手,共同推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。從長期來看,水下機(jī)器人作為智能化、自動(dòng)化作業(yè)的典型應(yīng)用,擁有廣闊的發(fā)展前景。技術(shù)創(chuàng)新將是國內(nèi)的一個(gè)發(fā)展方向作為一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程,水下機(jī)器人主要包括仿真、智能控制、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水下導(dǎo)航(定位)、通信、能源系統(tǒng)六大技術(shù)。與發(fā)達(dá)國家相比,我國的水下機(jī)器人在一些關(guān)鍵部件和關(guān)鍵材料的研究方面還有很大差距,要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,重點(diǎn)在于基礎(chǔ)材料、重要組部件、各種高精度探測(cè)設(shè)備和傳感器的研究開發(fā),因此,技術(shù)創(chuàng)新將是一項(xiàng)長期的工作。未來一旦在探測(cè)技術(shù)、工藝水平、綜合顯控、綜合導(dǎo)航有所突破,拓展應(yīng)用新領(lǐng)域,進(jìn)口替代空間廣闊。在工業(yè)和信息化部制定的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》中,已經(jīng)將技術(shù)水平顯著提升、關(guān)鍵零部件取得重大突破、集成應(yīng)用取得顯著成效列為發(fā)展目標(biāo),并將加強(qiáng)共性關(guān)鍵技術(shù)研究、建立健全機(jī)器人創(chuàng)新平臺(tái)、加強(qiáng)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),以及建立機(jī)器人檢測(cè)認(rèn)證體系,作為強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的具體措施來落實(shí)。雙性質(zhì)與能源系統(tǒng)從1953年問世開始,特別是1974年以后,伴隨著海洋油氣業(yè)的迅速發(fā)展,AUV也得到了飛速發(fā)展。相比于ROV,AUV由于不受電纜限制,具有活動(dòng)范圍大、機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn),因此適用于更廣泛的領(lǐng)域。一方面,智能化水平的高低成為AUV技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。智能控制技術(shù)旨在提高水下機(jī)器人的自主性,其體系結(jié)構(gòu)是人工智能技術(shù)、各種控制技術(shù)在內(nèi)的集成,相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。軟件體系是水下機(jī)器人的總體集成和系統(tǒng)調(diào)度,直接影響智能水平,它涉及到基礎(chǔ)模塊的選取、模塊之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)(信息)與控制流、通信接口協(xié)議、全局性信息資源的管理及總體調(diào)度機(jī)構(gòu)。另一方面,AUV對(duì)能源系統(tǒng)的要求是體積小、重量輕、能量密度高、多次反復(fù)使用、安全和低成本。目前,正在研究的各種可利用的能源系統(tǒng)包括一次電池、二次電池、燃料電池、熱機(jī)及核能源。近期,麻省理工學(xué)院的衍生企業(yè)OpenWaterPower(OWP)對(duì)外宣稱已成功開發(fā)出一種更安全、更耐用的新型鋁-水電池系統(tǒng),與傳統(tǒng)鋰離子電池相比,新系統(tǒng)使水下機(jī)器人的續(xù)航能力提高了十倍。水下機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用首先是市場(chǎng)空間巨大。在漁業(yè)養(yǎng)殖方面,我國水產(chǎn)養(yǎng)殖面積8465千公頃,其中海水養(yǎng)殖面積占27.38%,淡水養(yǎng)殖面積占72.62%。全國有水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)32000個(gè),面積1000萬公頃,需要經(jīng)常檢查水質(zhì)的溫度、鹽度、PH值、溶解氧等,以及魚類、貝類、海參等的觀察,網(wǎng)箱檢查、人工魚礁等,都為水下機(jī)器人提供了巨大的市場(chǎng)需求。其次,在技術(shù)上具有可行性。相比海洋油氣業(yè),水下機(jī)器人在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用有兩大優(yōu)勢(shì):一是漁業(yè)的海水深度淺,因此技術(shù)難度大大減少,操作也簡單;二是漁業(yè)對(duì)海底的地形作業(yè)要求難度較低,因此,一般的小型水下機(jī)器人就能滿足作業(yè)要求。在實(shí)現(xiàn)途徑上,水下機(jī)器人將視頻和水質(zhì)數(shù)據(jù)通過智能終端,傳遞到陸地中控室,再由陸地中控室發(fā)送到用戶的終端。用戶通過終端觀看視頻及水質(zhì)參數(shù),根據(jù)養(yǎng)殖需要發(fā)送增氧、投餌等指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水域的遠(yuǎn)程全方面監(jiān)控及全程自動(dòng)化。水下機(jī)器人的市場(chǎng)從市場(chǎng)規(guī)模來看,全球體驗(yàn)式潛水服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模近五年平均增速約15%,2015年接近250億美元。目前,全球潛水愛好者的規(guī)模達(dá)到2億,消費(fèi)級(jí)的水下影像市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到百億美元,一些成熟的企業(yè)已經(jīng)涌現(xiàn)。以O(shè)penROV為例,于2012年推出,主要用途為拍攝水下影像,其配備了三個(gè)推進(jìn)器、LED前燈、塑形橡膠以及繩纜。消費(fèi)者可以用計(jì)算設(shè)備上的開源軟件對(duì)OpenROV進(jìn)行控制,最高時(shí)速能夠達(dá)到2m/s,續(xù)航時(shí)長3個(gè)小時(shí)。我國體驗(yàn)式潛水服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模近五年平均增速達(dá)