劉志忠

（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150090）

2007年8月，俄羅斯在北冰洋4300多米的海底插上了一面鈦合金國旗的消息引起了世界各國廣泛關(guān)注。俄羅斯科學(xué)院遠東分院的科學(xué)家新研制的無人水下自動設(shè)備“古鋼琴-1”也參與了此次北冰洋插旗活動，據(jù)俄專家稱，這是世界上最好的可在寒冷條件下工作的水下設(shè)備。水下研究與機器人技術(shù)是俄羅斯遠東地區(qū)優(yōu)勢科研領(lǐng)域之一，特別是俄羅斯科學(xué)院遠東分院在該領(lǐng)域的科研工作形成了完整系統(tǒng)，具有明顯特色。

1 海洋技術(shù)問題研究所[1]

該所位于海參崴，成立于1988年，現(xiàn)有161名工作人員。其中，科研人員39名，通訊院士1名，博士7名，副博士10名。

1.1 主要研究領(lǐng)域

無人水下機器人及其系統(tǒng)；

海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)研究，采用聲學(xué)及其它方法對研究海洋的技術(shù)設(shè)備進行開發(fā)；

生態(tài)與監(jiān)測；

研究海洋能源及其它可再生能源并研制其利用技術(shù)。

該所在無人水下自動設(shè)備研制領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，不僅從事水下機器人的理論研究，還進行無人水下設(shè)備的試驗工作。無人水下自動設(shè)備已有10多個型號，可進行海底研究、地形拍照、尋找和探測沉沒目標、測量環(huán)境參數(shù)，下潛深度達水下6000米。無人水下自動設(shè)備在完成科研和搜索工作、地質(zhì)勘探及海洋監(jiān)測方面具有很高效率。與美國、法國、中國和韓國都曾有合作項目。

在水文物理方面，該所主要是通過聲學(xué)方法對大范圍非均質(zhì)性（水質(zhì)分界線前部區(qū)域、氣象旋流和水流）和小范圍非均質(zhì)性（浮游物、小氣泡聚集）進行研究。非均質(zhì)性的非固定性和非線性診斷原理研究，可以獲得其在空間和時間上的變化數(shù)據(jù)。

為了預(yù)報海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)，研究產(chǎn)量指標，控制經(jīng)營過程，研制了海洋種群、魚類、動物和軟體動物群落的數(shù)學(xué)模型，開展建立生態(tài)研究自動化系統(tǒng)和水環(huán)境監(jiān)測的工作。

該所還研究獲得可再生能源的方法和技術(shù)設(shè)備，包括太陽輻射能、風(fēng)能、海波能等。

1.2 組織結(jié)構(gòu)

該所下設(shè)4個部，2個獨立實驗室以及相應(yīng)輔助部門。

水下機器人部(控制系統(tǒng)實驗室，執(zhí)行設(shè)備和遙控系統(tǒng)實驗室，傳感器信息處理導(dǎo)航系統(tǒng)實驗室)；

實驗設(shè)計和試驗工作部 (水下技術(shù)設(shè)備的系統(tǒng)和裝置實驗室，測試和試驗研究實驗室)；

應(yīng)用水聲部(水聲導(dǎo)航系統(tǒng)實驗室，聲吶系統(tǒng)實驗室，聲學(xué)天線實驗室)；

生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測部（生態(tài)系統(tǒng)實驗室，生物技術(shù)系統(tǒng)實驗室）；

非傳統(tǒng)能源獨立實驗室；

系統(tǒng)保障與計算技術(shù)獨立實驗室。

1.3 無人水下機器人的各種型號

表1 該所研制的各種型號無人水下自動設(shè)備的技術(shù)指標Table 1 The technological index of unmanned underwater auto-equipments manufactured by this institute

設(shè)備型號 研制時間 尺寸M 重量KG 最大深度м 速度м/s 續(xù)航時間/h 訂購單位及用途2007 2.27× 0.45(直徑)180 3000 3 34 MMT-3000在海底鋪設(shè)管道、電纜等設(shè)計工作的海底地形拍照；監(jiān)測海底目標、管道、電纜等目標；海底生態(tài)研究；水下搜救作業(yè)。古鋼琴-1 2007 5.80× 0.9(直徑)2500 6000 1.5 50搜索與監(jiān)測作業(yè)，偵查海底6000米深處的目標。

無人水下自動設(shè)備是自行走研究儀器的載體，能夠下潛到指定海洋區(qū)域，深度達到6000米，根據(jù)程序軌道運動，完成所需要的工作，程序結(jié)束后可以返回到供給船上或岸邊基地。該裝置在水下自動工作，無需連接電纜。指令的傳送和信息提取是通過水聲通訊系統(tǒng)完成的。水聲導(dǎo)航系統(tǒng)與船載集成導(dǎo)航系統(tǒng)一起來聯(lián)系確定裝置的位置，而船上的操作人員隨時跟蹤其運動軌道。該裝置的水下連續(xù)工作時間取決于設(shè)計要求和能源的形式，可達幾十個小時。作為研究儀器，在該裝置上安裝了環(huán)境參數(shù)測量儀器、照相攝相儀器、掃描聲吶、地球物理儀器（地磁儀，輪廓儀，重力儀）。該裝置的結(jié)構(gòu)采用了模塊技術(shù)，可以很容易根據(jù)合同的要求來改進該裝置。

該裝置比船具有很大的機動性，運動參數(shù)穩(wěn)定的高精確度（包括在復(fù)雜海底地貌條件下），操作簡單，效率高，與深度無關(guān)。這些試驗樣機完成了多次實際工作任務(wù)，結(jié)果表明，在探測海底礦床、監(jiān)測環(huán)境污染、尋找和偵察核潛艇都有很大的優(yōu)勢。

該裝置的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：海洋研究和水環(huán)境監(jiān)測；海洋地質(zhì)勘探；水下工程設(shè)施和管道檢查；環(huán)境保護和水產(chǎn)養(yǎng)殖等。

2 太平洋海洋學(xué)研究所[2]

該所位于海參崴，成立于1973年，現(xiàn)有646人。其中，科研人員291人，包括院士1人，通訊院士1人，博士30人，副博士123人。

2.1 主要研究領(lǐng)域

對海洋水體及其物理場（聲場、光場、電磁場、溫度場），某些特點（海波、洋流、渦流、內(nèi)浪、冰蓋），質(zhì)能交換，海洋、大氣和海洋生態(tài)系統(tǒng)狀況相互影響等進行流體物理學(xué)、水化學(xué)和水生物學(xué)的綜合研究；

太平洋及其礦產(chǎn)資源的地質(zhì)、地球物理、地質(zhì)化學(xué)的研究；

研制新方法并建立研究海洋和大氣的技術(shù)設(shè)備，開發(fā)和應(yīng)用遙控方法，建立海洋學(xué)數(shù)據(jù)庫并進行分析。

2.2 組織結(jié)構(gòu)及研究方向

該所有9個部，2個海上實驗站。

普通海洋學(xué)部（物理海洋學(xué)實驗室，水文過程與氣候?qū)嶒炇?，古海洋學(xué)實驗室，核海洋學(xué)實驗室，信息學(xué)和海洋監(jiān)測實驗室，冰間研究實驗室，水文測量組）；

海洋聲學(xué)部（陸圈物理學(xué)實驗室，統(tǒng)計水文聲學(xué)實驗室，聲海洋學(xué)實驗室，海洋聲學(xué)探測實驗室）；

海洋和大氣物理學(xué)部（非線性動態(tài)體系實驗室，水文物理實驗室，地質(zhì)物理流體動力實驗室）；

生物化學(xué)技術(shù)部（生物物理實驗室，生物化學(xué)實驗室）；

地質(zhì)化學(xué)和海洋生態(tài)學(xué)部（海洋生態(tài)毒理學(xué)實驗室，北極研究實驗室，污染研究與生態(tài)實驗室，水文化學(xué)實驗室，物理化學(xué)分析實驗室）；

海洋研究技術(shù)設(shè)備部（海洋技術(shù)實驗室，聲學(xué)層析攝影實驗室，聲學(xué)噪音實驗室，試驗系統(tǒng)研制組，試驗系統(tǒng)設(shè)計組）；

地質(zhì)和地球物理部（地質(zhì)物理場實驗室，地震研究實驗室，區(qū)域地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造物理學(xué)實驗室，地質(zhì)形態(tài)實驗室，氣體地質(zhì)化學(xué)實驗室，海洋礦石構(gòu)成實驗室）；

信息技術(shù)部（海洋信息綜合分析實驗室，科技信息實驗室，電子通訊組）；

衛(wèi)星海洋學(xué)部（衛(wèi)星海洋學(xué)實驗室，海洋大氣相互作用研究實驗室，激光光學(xué)和光譜學(xué)實驗室）。

該所的海洋聲學(xué)部、海洋研究技術(shù)設(shè)備部，與水下技術(shù)設(shè)備研制密切相關(guān)，水下聲吶系統(tǒng)是這兩個部門的強項。如“遠距離作用范圍水下機器人的導(dǎo)航與遙控水聲系統(tǒng)”（圖1），可以實現(xiàn)對500公里以外活動范圍的水下機器人發(fā)送遙控信號。

圖1 Fig.1

3 自動化及控制過程研究所[3]

該所位于海參崴，成立于1971年，現(xiàn)有306名工作人員。其中，科研人員124名，院士1名，通訊院士3名，博士22名，副博士64名。

3.1 主要研究領(lǐng)域

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)學(xué)問題及控制過程；

信息技術(shù)軟件的理論和應(yīng)用問題，包括多處理器計算系統(tǒng)的并行計算；

基于硅的亞單層微結(jié)構(gòu)物理學(xué)。基于超高真空技術(shù)的新型半導(dǎo)體儀器及材料的研制。

3.2 組織結(jié)構(gòu)及研究成果

該所有5個部，7個獨立實驗室。其中，機器人技術(shù)系統(tǒng)獨立實驗室是該所專門從事水下技術(shù)設(shè)備的部門，有7名工作人員，包括，博士3人，副博士3人。

機器人技術(shù)系統(tǒng)獨立實驗室的主要研究方向有兩個，即，控制未知和（或）變化參數(shù)的非線性復(fù)雜多回路動態(tài)目標系統(tǒng)，研究其適應(yīng)性和自調(diào)節(jié)的合成新方法；多環(huán)節(jié)機械手和自動水下設(shè)備控制系統(tǒng)的研究，以便在未知及變化的環(huán)境中和在各種不同程度運動之間相互作用的條件下，快速準確地沿著復(fù)雜的空間軌道進行移動。

例如，2006年，該獨立實驗室研制了控制自動水下機器人主發(fā)動機方向的設(shè)備和系統(tǒng)（圖2），具有噪音小、運動能量消耗小和移動速度快等特點。

圖2 Fig 2

4 海洋研究自動化設(shè)備專業(yè)設(shè)計局[4]

該局位于南薩哈林斯克，成立于1978年，現(xiàn)有56名工作人員。其中，科研人員20名，博士2名，副博士4名。

4.1 主要研究領(lǐng)域

海洋學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究；水聲學(xué)、水文物理學(xué)、流體力學(xué)過程的研究；大氣、海洋、海上危險現(xiàn)象以及航行安全等相互關(guān)系的研究；

海洋科學(xué)儀器制造，以完成海上特別危險現(xiàn)象的研究任務(wù)和解決國民經(jīng)濟和國防問題。

4.2 組織結(jié)構(gòu)及研究方向

該局設(shè)有計算流體力學(xué)和海洋學(xué)實驗室，流體物理學(xué)實驗室，太平洋研究技術(shù)設(shè)備研制部，試驗生產(chǎn)基地，莫斯科代表處（深水結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計組、通訊系統(tǒng)組、水聲測量系統(tǒng)實驗室），圣彼得堡代表處（水聲監(jiān)測理論和應(yīng)用問題實驗室）等。

該局可從事綜合性探索研究和試驗設(shè)計工作，包括制造和試驗專業(yè)海洋設(shè)備新型樣機，海洋大氣狀況遙測信息搜集自動化系統(tǒng)的樣機等，包括：

建立海洋信息計算系統(tǒng)，解決海洋區(qū)域監(jiān)測和監(jiān)控任務(wù)；

危險海上現(xiàn)象的自動化觀測系統(tǒng)；

流體力學(xué)的三維張量計算試驗數(shù)學(xué)；

在俄羅斯遠東海域的風(fēng)暴航海性能的研究；

海洋科學(xué)儀器制造領(lǐng)域的試驗設(shè)計工作；

在固定的海上試驗場上對水文物理和水文聲學(xué)場進行研究。

4.3 主要研究成果

2006年，該所主要完成了以下研究試驗工作并準備實際應(yīng)用。

自動水聲站。首次建立了裝有多部件數(shù)字水聲天線的自動水聲站。該天線由240個接收部件組成，每個部件都進行由聲信號向數(shù)字電信號的轉(zhuǎn)換。利用可保證初始信號最小失真的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行數(shù)字信息的傳遞和存儲。

深水自動海底地震站。研制了5臺深水纜索地震站，采用波折射方法研究海底。數(shù)字記錄儀可將信息記錄在存儲SD圖上。地震站放置深度3千米，結(jié)構(gòu)小、耗能少、可靠性高，現(xiàn)代化微型處理器。地震站所采用的器件不貴，這就可在海底地震研究方面得到廣泛應(yīng)用，進行批量生產(chǎn)。

小型自動流體物理船（圖3）。建立了遙控自動流體物理船的試驗樣機，排水量20公斤，可以攜帶記錄航行能力、擺動量、海深和海面水溫的測量儀器，保證連續(xù)傳送遙測數(shù)據(jù)到岸上或船上的無線電通訊數(shù)字通道控制站。

通過上面的介紹可以看出，俄羅斯科學(xué)院遠東分院在水下研究和機器人技術(shù)領(lǐng)域擁有相當(dāng)?shù)膶嵙Γ淮笈鷮＜以谶@里從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并取得了許多科研成果。據(jù)悉，該分院在海洋領(lǐng)域的科研工作量占其總科研工作量的9%，僅次與生物領(lǐng)域和地質(zhì)領(lǐng)域，居第三位，可見其重要性。

圖3 Fig.3

海洋資源是具有戰(zhàn)略意義的新興開發(fā)領(lǐng)域，而水下機器設(shè)備作為海洋資源勘探開發(fā)的重要手段越來越引起世界各國的重視。2002年，俄羅斯總統(tǒng)普京在訪問海參崴時參觀了俄羅斯科學(xué)院遠東分院海洋技術(shù)問題研究所的無人水下自動設(shè)備。2003年，俄羅斯政府海洋委員會通過了關(guān)于在海參崴建立“水下機器人設(shè)計、制造和認證中心”的決定，項目投資7.5億盧布（當(dāng)時相當(dāng)3000萬美元），均從國家預(yù)算撥款。經(jīng)過設(shè)計和論證，該項目已經(jīng)開工建設(shè)，預(yù)計2011年投入使用。據(jù)俄羅斯科學(xué)院遠東分院的資料顯示，該中心實際上是“聯(lián)邦水下機器人技術(shù)中心”。而聯(lián)邦級的技術(shù)中心設(shè)在遠東地區(qū)是不多見的，這再次證明了俄羅斯科學(xué)院遠東分院在整個俄羅斯水下機器人技術(shù)領(lǐng)域擁有國家級的實力和水平。

［1］INSTITUTE OF MARINE TECHNOLOGY PROBLEMS.Underwater Robotics［C］.Report on the scientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007:24～30.

［2］PACIFIC OCEANOLOGICAL INSTITUTE.Sonar Navigation System and Remote Control for Underwater Robots Long-Range［C］.Report on thescientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007:122～135.

［3］INSTITUTE OF AUTOMATION AND CONTROL PROCESSES.Control Mechanism of Spatial Orientation of High-Speed Propulsion and Highly Maneuverable Autonomous Underwater Robo［C］t.Report on thescientific and organizational activitiesof the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007，8～16.

［4］SPECIAL DESIGN BUREAU FOR AUTOMATION OF MARINE RESEARCH.Small Self-Contained Module Hydrophysica［C］l.Report on thescientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007，136～139.