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专家视点 | 海洋技术定义及其发展研究
作者：陈鹰
海洋占有地球2/3之多的面积。如何去探测这平均深度达数千米的海底，如何去开发遍布从海面到水体到海底的丰富海洋资源，在全球变暖过程中，海洋又是扮演了怎样的角色，这些问题的研究，是海洋领域的前沿工作。在目前的科技发展水平下面，人类对海洋，特别是对海底的认知尚在探索中，认识海洋仍然是人类面临的重要研究课题。显而易见，在这些工作中，海洋技术扮演着重要的角色。
机械工程这个传统学科，是研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。海洋作为一个应用领域，有许多海洋技术装备和海洋工程系统需要研究与开发，但由于水压、深度、盐度、生物腐蚀等诸多复杂因素的影响，海洋装备和工程系统的相关技术具有较多的特殊性。因此，海洋技术是机械工程领域的重要研究发展方向。
“海洋技术”这个词汇已经存在，并一直被广泛使用。然而，对这个词汇的具体内涵、定义与范畴，是不够清晰的。海洋技术应该有哪些重要的理论基础，也不是十分明确。一些相关书籍对海洋技术的定义也是众说纷纭。总之，海洋技术作为机械工程学科的一个重要研究方向，是前人没有提及过的。十多年来，浙江大学机械工程学科的一批学者，在深海资源勘探、海洋科学考察、海洋可再生能源开发利用等方面，开展了海洋技术研究及海洋装备和工程系统的研究与开发，甚至成立了“海洋技术”的专门研究机构。笔者与一些同仁一道，就海洋技术的定义、范畴与分类，开展了认真的研究。并在海洋技术方向上的学科建设与人才培养，进行了一些实践。笔者就这几年浙江大学对这个问题开展的研究工作的结果形成论文，供业界同行讨论批评，从而完善对海洋技术的认识。
海洋技术英译很多，相关的英语词汇如marine technology， sea technology，ocean technology，underwater technology，subsea technology 等。有时，还与ocean (oceanic) engineering 等词混淆。从网上英文维基百科，可以查到以下信息。
Marine technology is defined by WEGEMT (a European association of 40 universities in 17 countries)as“technologies for the safe use, exploitation,protection of,and intervention in,the marine environment.”In this regard, according to WEGEMT,the technologies involved in marine technology are the following: naval architecture,marine engineering,shipdesign,ship building and ship operations；oil and gas exploration, exploitation, and production；hydrodynamics, navigation,sea surface and sub-surface support, underwater technology and engineering；marine resources (including both renewable and non-renewable marine resources)；transport logistics and economics; inland, coastal,short sea and deep sea shipping；protection of the marine environment；leisure and safety.
这个Marine technology的定义，是来自由17个欧洲国家的40 所大学组成的WEGEMT联盟，显然是不够明确的。它把“海洋技术”定义为一种用于海洋安全、探索海洋、保护海洋和开发海洋的技术，同时包罗万象地指出它的涉及范围，涉及船舶与海洋装备结构、海洋工程、船舶设计与制造、油气勘探与开发、水动力学、航海、海面和水下支持、水下技术与工程、海洋资源(包括再生和不可再生资源)、交通物流与经济、港航、海岸与近远海船运、海洋环境保护、海洋旅游、海洋安全等等领域。这是我们看到的最为详细的关于“海洋技术”的定义。维基百科的定义说了许多又等于没有说，海洋技术是什么内涵没有说清楚，而且“技术”与“工程”之间的区别也模糊不清。
从百度网站上，我们查到“海洋技术”的定义如下：研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源和保护海洋环境所使用的各种方法、技能和设备的总称。这个定义说了内涵，但混淆了“海洋技术”与“海洋工程”的区别，把“海洋工程”的内容包含在了“海洋技术”范畴里面。
如何理清“海洋技术”与“海洋工程”的关系？2011年5月作者曾与美国蒙特律尔湾海洋研究所(MBARI)的首席技术官BELLINGHAM博士讨论过这个问题。曾为麻省理工学院教授的BELLINGHAM 博士给出了“Technology is an application of scientific understanding. Engineering is an application of technology for building things”的清晰回答。也就是说，“技术”是科学理解的应用，而“工程”是制造东西时的技术应用。这个说法清晰明了，也就是说，“技术”直接来源于对科学的认识，或者说直接服务于某项科学目标，十分基础。“工程”一定是针对某个物理的系统而言的，是制造一台设备或实现某个系统，同时，往往是由多项“技术”来实现的。
综上所述，这里给出“海洋技术”的这样一个定义：“海洋技术”，是研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源、保护海洋环境以及维护国家海洋安全所使用的各种技术的总称，是研究实现海洋装备及工程系统的技术手段与方法。
与此同时，这里也可以给出“海洋工程”的定义：“海洋工程”是为了实现海洋自然现象及其变化规律研究、海洋资源的开发利用和海洋环境的保护，使用海洋技术所形成的装备、系统和工程的总称。
大众熟知的海洋工程材料技术、水下声学技术、水下作业技术、水下探测技术、水下光学技术、海洋试验技术、海洋遥感技术、水下通信技术、水下导航技术、水下运载技术、海底观测技术、航海技术、水动力技术、海洋装备设计与集成技术等，都属于“海洋技术”范畴。像海洋仪器、水下作业工具、船舶、载人深潜器、热液采样器、海底原位观测站、海上石油钻井平台、海底观测网络、环境监测浮标、海上建筑等，它们都是应用多种技术来实现的，则都属于“海洋工程”范畴。譬如对于“蛟龙号”载人深潜器来说，来自全国许多单位的科学技术人员应用了海洋工程材料技术、水下声学技术、水下导航技术、水下光学技术、海洋装备设计与集成技术、水下运载技术、水下作业技术等诸多海洋技术来实现的一项工程。近期，“蛟龙号”载人深潜器已经逐步投入实际工作，支撑海洋科学考察、资源勘探等工作。
根据海洋技术的定义，可把海洋技术可分基础技术、相关技术和应用技术三个部分，可用图1表示。
图1 海洋技术分类图
海洋基础技术
海洋基础技术，是在各种相关的基础理论基础上，为了满足不同海洋领域的应用需求，而衍生出来的技术。如图1所示，这类技术直接来自于基本的物理概念，譬如光、声、电、磁等概念，基础性最强。海洋基础技术的组成如表1所示。
海洋相关技术
海洋相关技术，是基于海洋基础技术，结合各种不同相关技术来实现支撑海洋技术装备和海洋工程系统的辅助技术。如图1所示，这类技术在材料、设计与制造、集成、试验和通用基础件等方面，支撑海洋装备与系统的实现，因此，具有很强的支撑性。如海洋相关技术组成可见表2。
海洋应用技术
海洋应用技术，是实现海洋领域中各种具体应用目标的技术。如图1 所示，这类技术直接面向目标，解决海洋科学研究、海洋开发与利用、海洋保护等问题，应用性强。海洋应用技术十分广泛，有些是明确立足于相应的基础技术，比如水下通信技术可以是立足于水下声学技术，或者立足于水下光学技术，而有些海洋探测技术，可以立足于水下地磁技术等。其组成可由表3来表示。
据上文关于海洋技术的分类，可以从三个方面，罗列出各种海洋技术。基础技术、相关技术和应用技术在实现海洋技术装备和海洋工程系统时分别扮演不同角色，互相依赖，又互相补充。
对于应用技术，一般根据它所依据的基础技术的不同，还可做进一步分类。譬如对于水下探测技术，还可分为水下声学探测技术、水下光学探测技术、水下电磁波探测技术和水下化学探测技术等。
同时，海洋应用技术还可以根据应用目标不同进行划分，如海上油气开发技术、海洋能源利用技术、海水淡化技术、海洋环境治理技术、深海采矿技术、海上救援技术等。随着海洋事业的蓬勃发展，学科交叉的深入，还会产生很多新的海洋技术。
上述分类是以技术内涵特点的不同而展开的，当然还有其他方式的分类，或者有一些比较专业化的，或者以不同角度来定义。有一些名称用得很多，但在技术内涵上是模糊的。譬如“海洋开发技术”。海洋开发技术这样的名称，不应成为一个专业术语，它被视为一种非专业名称更为合适。
从严格的意义来讲，海洋是一个领域而非学科。所有的学科都可在海洋这个领域找到用武之地。但是，海洋因为其具有的特殊性，使得用于海洋的技术，具有与其他技术不同的特质。因此，为了更好地研究海洋技术，将海洋技术列为一个专门的研究方向。
技术装备或工程系统进入海洋领域，通常要求在水面甚至水下工作。盐度和深度两个重要的物理指标(有时还有温度)，会对海洋装备与工程带来特殊的要求。水下海水压力要求装备的周边全密封，水中含盐要求装备具有一定的抗腐蚀性。海水的导电性、会给海洋装备及工程系统的设计与实现带来新的要求，譬如对电子系统的接地。海洋处在不断地运动过程中的，水下流体的运动，给海洋装备与工程系统又带来新的挑战。加之水下环境是十分复杂的，这对装备与工程的使用与维护，比之陆上的装备与系统来讲，差之甚远。海洋环境中的化学与生物因素，也会对海洋装备与工程系统产生重要影响，譬如海洋生物的附着，以及海水的电化学性质，对工程材料还产生比盐分影响更大的腐蚀效应，这是在设计海洋装备与工程系统时不得不考虑的问题。
因此，流体力学、结构力学、材料力学等应该是海洋技术重要的理论基础。由于应用场合的特殊性(在海水中)，一些化学理论与方法，对于海洋技术的实现，有着重要的作用。流体力学解决系统或工程与海水的流固耦合及相互作用的描述，结构力学解决海洋装备或工程系统在海水作用下的强度问题，而材料力学与化学则重点支撑海洋装备与工程系统的材料抗腐等问题的解决。
此外，海洋技术系统与工程的实现中，除了要在海水压力(通常是高压)、强腐蚀的工作环境下作业之外，还需要解决以下的一些技术困难：①无动力或动力获取不易；②自动化要求高；③通讯困难；④难以维护、成本高；⑤环境恶劣；⑥深海应用场合要求轻量化。
这就要求海洋技术需要很高的可靠性设计要求、高度节能要求、水下高效通信要求、自主控制要求等，这些要求使得海洋技术具有较高的综合性，它与其他相关学科的交叉性是十分强的。如果是用于深海，且搭载水下运载器进行作业，那就需要在保证强度等工作要求的前提下进行轻量化设计。同时，从事海洋技术的研究开发人员，还需要了解海洋科学知识，譬如海洋气候、海浪水流、海洋生物等方面知识。只有这样，才能更好地开展海洋技术的研究与应用。
纵观国内外的海洋科技研究情况，海洋技术的发展，主要体现在这样几个方面。
⑴先进的机械设计与制造技术，提升海洋技术装备的水平，特别是先进的数字化制造方法，现代设计方法，优化理论，众多的设计分析工具软件等等，支撑海洋技术装备的研制开发。从而为海洋科学发现，为人类对海洋的新发现，提供了必要的支撑手段。①各种深海水下运载器，特别是载人深潜技术得到全面的发展。自美国、俄罗斯、法国突破6000m的载人深潜，日本突破6500m的载人深潜之后，中国的蛟龙号载人深潜器向7000m深海进发。全海深的水下遥控机器人(ROV)、自主式水下机器人(AUV)已经出现并成功应用于各种实际工作之中。美国人研发的水下滑翔机(Underwater glider)，早就可以做到横穿大西洋和太平洋，甚至蒙特律尔海洋研究所的科学家努力要使他们研制的Tethys AUV，一次续航作业可从加州海岸直接游到夏威夷；②海底钻探计划在美国、日本和欧盟三大海底钻探平台的支撑下，自论证了“板块漂移理论”的大洋钻探计划(ODP)之后，又进行二轮的整合大洋钻探计划(2013年前的Integrated ocean drillingproject，IODP及2013年将启动的IODP)，重点对海底以下的地球(海洋)进行全面的发现，这一计划将人类的海洋深钻技术推向新的高峰；③海底观测网络建立，是地面(海面)观测平台、太空观测平台之外的第三个观测平台，这是一次海洋领域的技术革命，它综合了海底布缆、高压电能的长程传输、水下接驳、水下综合观测、数据获取与解释等多种技术，将使海底“透明化”成为可能；④各种观测计划，如ARGO计划(ARGO)等，使海洋的观测更加精细、更加实时，支撑了海洋环境监测与海洋气候预报等。
⑵海洋技术与信息技术的结合。主要体现在以下几个方面：①先进的卫星技术支持了对海面的遥感观测，使得大范围海洋的可信观测成为了现实。大面积海色、海面温度、海流甚至赤潮的监测，为海洋预报和海洋科学研究，提供了先进的手段；②现代通信技术对海洋技术的发展具有深远的影响，通过海面的各类无线通信或卫星通信手段，实现了大范围海域的信息分布式获取与全海域融合；③数据解释和三维反演等技术，帮助科学家们从大量海洋数据的分析与显示中获得新的知识；④越来越强的微处理器技术，使得海洋装备具备越来越强的“自主”能力，水下运载器等系统的控制、导航等性能得到大幅度提高；⑤新型海洋传感技术的发展，使人类感知海洋信息的能力得到不断拓展等。
⑶海洋通用技术推动海洋技术进步。海洋通用件的性能与质量的日益完善，提高了海洋技术装备的质量和运行可靠性。海洋通用件市场在国际上已经形成，从而保障了高质价廉的海洋通用件的开发与上市。像水密接插件、海缆、水下照明灯具、深海摄像机、浮力材料、甚至多自由度的深海机械手，都可以方便地从市场上购得，大大地推动了海洋技术的进步。先进的科学考察船支撑着海洋技术装备的研发工作，中国近年来特别注重大力发展高水平的科考船。同时，各国十分重视海洋试验技术，特别是兴建各种海上试验场，加速海洋技术进步。
⑷海洋技术的发展与海洋资源开发需求紧密联系。海洋技术的发展，使得海洋资源的开发内容与应用方式越来越多。海洋资源开发的成果，推动了社会经济发展。海洋资源开发支撑人类可持续发展。世界许多国家在海洋资源特别是海底油气开发上尝到了甜头，中国也在南海等处开展了海底油气资源的开发。海洋资源开发的成果，推动了社会经济发展，使老百姓看到了海洋事业的经济价值。同时，海洋资源开发的经济效益，又能反哺到海洋科学研究与海洋技术研发的工作中去，推动海洋科技事业的更进一步发展。
⑸向更深的深海发展。这是海洋技术一直来的发展方向。把观测设备送入深海、把无人的或载人的装备送入深海，这在技术上是有相当大的挑战性的。技术设备的耐压能力要更强，电池的供电能力要更持久，水下声学通信的距离要更远，浮力材料的弹性模量要更大，装备的控制能力和可靠性要求要更高等，都是走向深海的技术要求。
⑹海洋技术的发展与海洋科学的联系日益密切。海洋科学的发展对海洋技术提出了更高的要求，进而推动了海洋技术的发展；而海洋技术的发展又大力支撑海洋科学不断发现新问题，从而推动了海洋科学的发展。在海洋科学的不断进步中，又对海洋技术提出新的要求。
当前，人类已进入高度重视海洋开发的历史新阶段。我国政府也明确提出了建设海洋强国的战略目标。而海洋技术是探索海洋、开发海洋、实现海洋强国的重要基础和核心力量。我国应从以下几个方面制定了海洋技术发展战略措施。
⑴制定海洋技术创新战略规划。为从海洋中获取更多的国家利益，世界各海洋强国在不同时期对本国海洋技术发展和海洋开发事业进行了长远的规划，制定了相关的发展和开发战略，如美国实施的“美国海洋行动计划”，英国出台的“2025海洋科技规划”等。国家863 计划“海洋技术”领域已经开展了海洋技术发展战略研究，并制订出中长期的发展规划。我国应当综合所有涉海单位，共同开展海洋技术发展战略研究，制订发展规划，指导我国海洋技术的发展。
⑵在机械工程学科领域，设置“海洋技术”二级学科，重视和加强海洋工程技术人才培养。美国和日本非常注重海洋技术领域的青年科技创新人才的培养，设立了多种培养计划。我们国家首先应在人才培养体系上建立新的“海洋技术”学科体系，建立专门的海洋工程与技术领域的本科专业和研究生学位点，培养国家海洋事业发展的必需人才。建议在国家科技部、国家自然科学基金委员会、国家科技奖励委员会等部门的学科分类中，增列“海洋工程与技术”学科。
⑶建议在机械工程学会下面设立海洋技术分会或专业委员会。鼓励机械工程领域的同行投身于海洋技术方向的研究开发工作，增强我国海洋技术方向的工程技术力量，提高该方向的科研技术水平，从而推动我国海洋技术方向的事业发展。
⑷推进海洋技术创新体系建设。加强创新平台建设，强化对实验室、工程技术研究中心和企业技术中心的建设布局，形成以国家重点实验室、工程技术研究中心和企业技术中心为核心，辅之省市级重点实验室、工程技术研究中心和企业技术中心及特色型技术中心的层次分明、结构完善、布局合理的海洋技术创新平台体系。并重视“海洋技术”领域科技创新团队的建设。建立海洋技术的海上公共试验场，为国内海洋技术研究人员提供低成本的试验平台。同时，研究制订海洋试验规范与标准，支撑海洋试验研究进而推动海洋事业发展。
⑸加大对海洋技术研发的投入力度。美国政府投入海洋技术研发经费额度不断加大，1996～2000年间投入海洋科技研究与开发经费达110亿美元，2001～2005年达到390亿美元，实施了一大批海洋技术研究与开发项目。在美国的几个主要的海洋研究所里面，每年政府投入占其科研总经费的90%以上。由于海洋在国防建设中的重要地位，美国国防部和海军每年也投入大量经费支持海洋科技研究。我国是在“十五”期间开始对“海洋技术”进行投入，在“十一五”期间才在国家863计划中专门设立“海洋技术”领域，起步较晚。经过十余年的组织研究攻关，中国的海洋技术有了长足的发展，但离国外先进国家相去甚远，这大大地制约了我国海洋事业的发展。
⑹加强海洋技术和海洋科学的协同发展。海洋科学和海洋技术的发展计划应该相互结合起来共同制定、共同执行，而不是各行其道。海洋科学和海洋技术的人才培养，也需要有所结合，而不是像现在那样截然划分。同时，要建设科学家与工程技术人员的对话平台，双边知已知彼，开展合作，协同工作。
⑺全面深入推动海洋科技的国际合作。世界上有许多国际大型海洋科学研究合作计划，美国是国际海洋科技合作的积极倡导者和主要组织者。日本、加拿大、英国、法国等世界海洋科技发达国家也积极参加了上述计划，并成为其中的核心成员，发挥着主导作用。中国除了参加一些科学的合作研究计划之外，要重视参加技术性强的海洋领域合作研究计划，如国际大洋钻探计划及国际海洋发现计划、全球海洋观测计划(GOOS)等。在国际合作中，汲取他国的技术经验，加速发展壮大中国的海洋技术。
机械工程学科在海洋领域大有用武之地，派生出来的海洋技术，必将为海洋科学技术事业的发展提供动力。而在海洋技术系统与工程的实现中，海洋技术本身也在不断地发展和完善，同时也使机械工程学科得到充分的发展。
文章来源：选自《海洋技术定义及其发展研究》，原文刊于《机械工程学报》（2014年02期）
作者：陈鹰，浙江大学求是特聘教授，浙江省特级专家，博士研究生导师