海洋技术▏水下机器人，未来海洋开发的利器
水下机器人也称作潜水器(UnderwaterVehicles)，准确地说，它不是人们通常想象的具有人形的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，其外形更像一艘潜艇。无人潜水器可以分为有缆水下机器人（ROV）和无缆水下机器人（AUV）两种。根据运动方式不同可分为拖曳式、移动式和浮游式三种。主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。
一、水下机器人的发展历程回顾
回顾水下机器人的发展历史，我们从中可以看到人类征服海洋的进程。最早出现的潜水器是载人潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。
世界上第一台载人潜器叫ArgonauttheFirst，是由西蒙·莱克于1890年制造的。从20世纪60年代中期到70年代中期是载人潜器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为成熟，此后逐渐进入低谷。随着计算机技术的发展，美国、俄罗斯、日本等国先后研制出无人潜器，即水下机器人，它比载人潜器要小，也更灵活。
后来按照水下机器人与母船间有无电缆连接将其分为有缆遥控水下机器人(ROV)和自治水下机器人(AUV)。ROV通过电缆由母船向其提供动力，人在母船上通过电缆对ROV进行遥控。而AUV自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命。
早在20世纪50年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界，他们把摄像机密封起来送到了海底，这就是ROV的雏形。1960年美国研制成功了世界上第一台ROV─“CURV1”，如图1所示，它与载人潜器配合，在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，由此引起了极大的轰动，ROV技术开始引起人们的重视。
图1 早期的ROV─CURV1
另外，当时发生的石油短缺使得油价提高，刺激着近海石油开发业的发展，同时也促进了ROV的迅猛发展。到了70年代，ROV产业已开始形成，ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用，是目前使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。ROV的最大下潜深度可达一万米。图2和图3为美国CURV2和CURV3型ROV，这是在CURV1的基础上不断改进而产生的功能更完善的ROV。
图2 CURV2型ROV
图3 CURV3型ROV
20世纪50年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人——“SPURV”，这艘AUV主要用于水文调查。从60年代中期起，人们开始对无缆水下机器人产生兴趣。但是，由于技术上的原因，致使AUV的发展徘徊多年。随着电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要，AUV再次引起国外产业界和军方的关注。进入90年代，AUV技术开始逐步走向成熟。
中国水下机器人的发展起步较晚，1980年蒋新松院士提出“结合中国国情，把特殊环境下工作的机器人作为中国机器人技术发展的突破口”的设想，并提出把“智能机器人在海洋中的应用”作为研究重点，选择“海人1号”作为发展水下机器人的具体目标。1986年，中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学合作研制了我国第一个有缆水下机器人（ROV）“海人一号”，先后于1985及1986年获得首航及深潜试验的成功，技术上达到80年代世界同类产品的水平。
在863计划的支持下，沈阳自动化研究所开始研制了“探索者”号无缆水下机器人（AUV）。1994年“探索者”号研制成功，它工作深度达到1000米，甩掉了与母船间联系的电缆，实现了从有缆向无缆的飞跃。从1992年6月起，与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，以我方为主，开始研制6000米无缆自治水下机器人。1995年8月，CR-016000米AUV的研制成功，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。
二、水下机器人的应用领域
⒈军事领域
水下机器人可以携带多种传感器、专用设备或武器，执行特定的使命和任务，可用于通信、导航、监测、反水雷、反潜和海洋作战等。ROV用于打捞沉没于水中的武器、鱼雷及其他装置。另一个作用是协助潜水员执行打捞作业。ROV还可检查核潜艇，并辅助核潜艇的维修与保养，去除附着在核潜艇上的杂物等。ROV的另一个重要作用是检测与观察海军的水下工程。AUV可用来辅助军用潜艇，作为它的体外传感器，为它护航和警戒，以及为它引开敌方攻击充当假目标。在反潜方面，AUV可担任海上反潜警戒，也可当作反潜舰艇进行训练的靶艇。在水雷战和反水雷方面，以及其他许多特种作业中，AUV都可以大显身手。
⒉科考领域
由“蛟龙”号载人潜水器（HOV）、“潜龙二号”无人无缆潜水器（AUV）和“海龙二号”无人有缆潜水器（ROV）组成的“三龙”潜水器系列，是我国自行设计、自主集成、具有自主知识产权、在深海勘察领域应用最广泛的深海运载器，体现了我国深海技术装备发展的总体水平。其中，“潜龙二号”是一套集成热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术的实用化深海探测系统，主要用于多金属硫化物等深海矿产资源的勘探作业。在“潜龙一号”的基础上针对多金属硫化物矿区需求研制，在机动性、避碰能力、快速三维地形地貌成图、浮力材料国产化方面均有较大提高。而“海龙二号”是一套能在3500米水深、海底高温和复杂地形的特殊环境下开展海洋调查和作业的高精技术装备。如图4所示。
图4 “海龙二号”潜水器
⒊安全搜救领域
水下机器人携带的水下照明灯、水下摄像机、声纳、水下机械手、海洋取样器等设备，具有水下摄像照相、水文参数测量、设备安装、设备维修等功能，广泛应用于水下搜索、检测及打捞救助等行业。2017年4月，由交通運输部烟台打捞局承担的3000米级水下机器人海试任务成功结束，标志着我国已具备3000米级深水救捞能力。
⒋海洋石油开发领域
随着逐渐向深水迈进，水下设施的安装、海底管道的铺设、海底装置的检修等作业，蛙人已经无法承担。因此，拥有超强水下作业能力的水下机器人有了用武之地。
⒌检测修理领域
水下机器人的技术已相当成熟，在船舶修理方面已能解决船舶水线以下部位的清洗、除锈、涂装，故障部位钢板的焊接、切割或更换，水下装置的修理或更换等多方面的故障。此外，水下机器人还被广泛应用在考古、水下娱乐等领域。
三、水下机器人的关键技术
从1953年问世开始，特别是1974年以后，伴随着海洋油气业的迅速发展，AUV也得到了飞速发展。相比于ROV， AUV由于不受电缆限制，具有活动范围大、机动性好的特点，因此适用于更广泛的领域。
水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通信、能源系统等六大关键技术，见图5。无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。
图5 水下机器人六大关键技术
一方面，智能化水平的高低成为AUV技术发展的关键因素。智能控制技术旨在提高水下机器人的自主性，其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人的总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通信接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。
另一方面，AUV对能源系统的要求是体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。目前，正在研究的各种可利用的能源系统包括一次电池、二次电池、燃料电池、热机及核能源。近期，麻省理工学院的衍生企业Open Water Power（OWP）對外宣称已成功开发出一种更安全、更耐用的新型铝-水电池系统，与传统锂离子电池相比，新系统使水下机器人的续航能力提高了十倍。
四、水下机器人的未来发展
在工业和信息化部制定的《机器人产业发展规划（2016-2020年）》中，已经将技术水平显著提升、关键零部件取得重大突破、集成应用取得显著成效列为发展目标，并将加强共性关键技术研究、建立健全机器人创新平台、加强机器人标准体系建设，以及建立机器人检测认证体系，作为强化产业创新能力的具体措施来落实。与发达国家相比，我国的水下机器人在一些关键部件和关键材料的研究方面还有很大差距，要实现产业化，重点在于基础材料、重要组部件、各种高精度探测设备和传感器的研究开发，因此，技术创新将是一项长期的工作。未来一旦在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航有所突破，拓展应用新领域，进口替代空间广阔。
⒈海洋渔业领域将是未来的蓝海
首先是市场空间巨大。在渔业养殖方面，我国水产养殖面积8465千公顷，其中海水养殖面积占27.38%，淡水养殖面积占72.62%。全国有水产养殖场32000个，面积1000万公顷，需要经常检查水质的温度、盐度、PH值、溶解氧等，以及鱼类、贝类、海参等的观察，网箱检查、人工鱼礁等，都为水下机器人提供了巨大的市场需求。其次，在技术上具有可行性。相比海洋油气业，水下机器人在海洋渔业上的应用有两大优势：一是渔业的海水深度浅，因此技术难度大大减少，操作也简单；二是渔业对海底的地形作业要求难度较低，因此，一般的小型水下机器人就能满足作业要求。
在实现途径上，水下机器人将视频和水质数据通过智能终端，传递到陆地中控室，再由陆地中控室发送到用户的终端。用户通过终端观看视频及水质参数，根据养殖需要发送增氧、投饵等指令，实现对养殖水域的远程全方面监控及全程自动化。
⒉消费级领域前景可期
从市场规模来看，全球体验式潜水服务市场规模近五年平均增速约15%，2015年接近250亿美元。目前，全球潜水爱好者的规模达到2亿，消费级的水下影像市场规模达到百亿美元，一些成熟的企业已经涌现。以OpenROV为例，于2012年推出，主要用途为拍摄水下影像，其配备了三个推进器、LED前灯、塑形橡胶以及绳缆。消费者可以用计算设备上的开源软件对OpenROV进行控制，最高时速能够达到2m/s，续航时长3个小时。
我国体验式潜水服务市场规模近五年平均增速达到约36.5%，明显高于全球增长率，2015年超过21亿美元。目前，国内已经有一批企业开始抢先布局消费级市场，如深之蓝、鳍源科技、博雅工道、潜行科技、微孚科技等。
⒊将向远程、智能化、深海方向发展
智能水下机器人向远程发展的技术障碍有三个：能源、远程导航和实时通信。目前正在研究的各种可利用的能源系统，包括一次电池、二次电池、燃料电池、热机及核能源。太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统充电，而这种可利用的能源又是无限的。
增加水下机器人行为的智能水平，一直是各国科学家的努力目标。但由于目前的人工智能技术还不能满足水下机器人智能水平增长的需要。因此，一方面，不能完全依赖于机器的智能，还需更多依赖传感器和人的智能，打造监控型水下机器人。另一方面，发展多机器人协同控制技术，也是未来自主水下机器人的重要发展方向。
发展优化6000m水深技术，成为许多国家的目标。海洋资源大多存储于深海，6000m以上水深的海洋面积，占海洋总面积的97%。因此，许多国家把发展6000m水深技术作为目标，美国、日本、俄罗斯等国，都先后研制了6000m级的无人潜航器。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的深海探测器“ABE”，可在水深6000m的海底停留一年；日本1993年研制了工作水深为11000m的深海无人潜水器“海沟号”；中国的“潜龙一号”也具备了6000m深度的作业能力。2016年12月2日，由上海交大船建学院水下工程研究所牵头负责的国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“全海深无人潜水器（ARV）研制”项目正式启动，是深渊科学研究的需求，突破万米ARV（自治缆控水下机器人）总体设计、系统集成、收放系统及取样装备、水面监控动力站和支持系统等技术研究，研制出全海深ARV成套系统并通过万米级海试，为我国深海大洋科学调查和深渊科学研究提供可靠的装备。
上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司与上海海洋大学深渊科学技术研究中心共同携手，“蛟龙”号前第一副总设计师的崔维成教授领衔的“彩虹鱼”号全海深载人深潜器也在有序推进，目标是在2020年前，借助民间资本完成海底11000米深潜纪录的宏愿。
图6 彩虹鱼无人深潜器
随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。2016年2月，工业和信息化部与国家海洋局签署合作协议，致力于打造“互联网＋海洋”、“海洋＋智能工业装备”等创新合作的模式，从合作领域出发，从基础业务着手，共同推动海洋经济健康发展。将在海洋环境监测、海洋资源开发、防灾减灾，以及保障海洋环境安全方面等领域发挥越来越大的作用。从长期来看，水下机器人作为智能化、自动化作业的典型应用，必将拥有广阔的发展前景。
■本文依据豆瓣、赛迪智库、中国报告大厅、南海网、新浪网、中国海洋报等相关内容综合
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com