左立標(biāo)

(長(zhǎng)沙礦山研究院海洋采礦研究所, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

國(guó)外深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示

左立標(biāo)

(長(zhǎng)沙礦山研究院海洋采礦研究所, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

回顧了國(guó)外深海機(jī)器人的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀,對(duì)目前國(guó)外現(xiàn)有的機(jī)器人的工作性能和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)分析,在此基礎(chǔ)上,探討了我國(guó)深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的方向,為未來(lái)深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展提供參考。

深海機(jī)器人;技術(shù)發(fā)展;大洋勘查

深?？辈槭侨祟?lèi)繼陸地調(diào)查和太空遙感遙測(cè)之后的第三個(gè)對(duì)地觀測(cè)平臺(tái),對(duì)大洋金屬礦產(chǎn)資源勘查、地球生命起源以及極端生態(tài)系統(tǒng)研究具有重要作用。盡管人類(lèi)已可遨游太空,但對(duì)近在咫尺的大洋了解甚少,其主要原因是缺乏進(jìn)行深?？辈榈挠行Чぞ?即深海機(jī)器人。從 1950年代以來(lái),世界發(fā)達(dá)國(guó)家均在努力發(fā)展深海機(jī)器人技術(shù),目前已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。然而,我國(guó)的深海機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,嚴(yán)重制約了深?？辈榧夹g(shù)的發(fā)展。如何盡快縮短國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域的差距,已成為困擾我國(guó)海洋技術(shù)專(zhuān)家的主要難題[1]。

1 國(guó)外深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程

深海機(jī)器人 1950年代出現(xiàn)以來(lái),歷經(jīng) 50多年,取得了令人矚目的發(fā)展[2～8],先后出現(xiàn)了載人潛水器 (MOV)、有纜遙控潛水器 (ROV)和無(wú)纜自治潛水器(AUV)[6]。近年來(lái),ROV與 AUV復(fù)合潛水器(ARV)以及有纜遙控海底作業(yè)車(chē)相繼研制成功。傳感器、控制系統(tǒng)、通訊和機(jī)械手方面的進(jìn)展使ROV的性能得到很大提高和擴(kuò)展,在民用領(lǐng)域中大量取代了MOV。這些技術(shù)進(jìn)步還有可能使 AUV能夠完成復(fù)雜和精確測(cè)量與取樣作業(yè)。

1959年,美國(guó)核潛艇 Nautilus和 Skate首次穿過(guò)北極。美國(guó)海軍還于 1958年購(gòu)買(mǎi)了瑞士和意大利私人公司于 1940年代首次設(shè)計(jì)制造的世界最深的潛水器 Trieste(服役到 1982年),1960年 Trieste下潛到世界海洋最深點(diǎn)馬里亞納海溝 11000 m處。1953年首次開(kāi)發(fā)出 ROV雛形 Poodle號(hào),隨后美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室和政府承包商開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)實(shí)用 ROV,用于從海底回收魚(yú)雷,1966年從西班牙帕洛馬外?；厥蘸藦棥?/p>

1960和 1970年代,美國(guó)在水下機(jī)器人技術(shù)方面是全球最杰出的。軍用和民用水下機(jī)器人開(kāi)發(fā)分離,軍用著重反潛作戰(zhàn)需求。到 1970年代初,美國(guó)海軍還沒(méi)有制造 MOV,民用部門(mén)的興趣也大減。1970年代末,實(shí)際上幾乎所有的MOV被 ROV所取代,只有少數(shù)用于必須直接觀測(cè)的海洋科學(xué)調(diào)查,如Alvin號(hào)進(jìn)行了洋中脊熱液口和海底觀測(cè)等探測(cè)工作,并取得了一些重大發(fā)現(xiàn)。這一時(shí)期,ROV技術(shù)則從海軍計(jì)劃進(jìn)入到工業(yè)部門(mén),并開(kāi)發(fā)出多種系統(tǒng),以滿足海上石油開(kāi)采和其它用戶不斷增長(zhǎng)的需求。全世界許多作業(yè)型 ROV處于工作狀態(tài),并以每年10臺(tái)以上的速度增長(zhǎng)。美國(guó)強(qiáng)大的水下機(jī)器人作業(yè)能力主要表現(xiàn)在海軍方面,隨著世界大戰(zhàn)的結(jié)束,海軍更廣泛地向科學(xué)研究者開(kāi)放MOV,目前海軍擁有的 Turtle和 Sea-Cliff號(hào) (6000 m)MOV每年有 60 d可用于民用目的,Alvin和 Medea-Jason號(hào) MOV已完全用于民用科學(xué)調(diào)查。

1970年代,AUV開(kāi)始得到發(fā)展,第一臺(tái)深潛AUV是法國(guó)的 Epaulard號(hào),裝備有攝像機(jī),用聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器與海面船通訊,完成了 500多次下潛(許多次達(dá)到 6000 m)。發(fā)展 AUV是美國(guó)政府計(jì)劃的重點(diǎn),美國(guó)華盛頓大學(xué) 2臺(tái) AUV(Spurv和 Uars號(hào))成功地搜集了海洋學(xué)數(shù)據(jù) (包括從冰層以下)。

1980年代,美國(guó)繼續(xù)關(guān)注反潛作戰(zhàn),海軍撥款支持幾種軍用 AUV的開(kāi)發(fā),而商業(yè)用戶的注意力則轉(zhuǎn)向工作能力強(qiáng)、成本低和沒(méi)有人員生命危險(xiǎn)的ROV。ROV在水下作業(yè)方面占主導(dǎo)地位。1980年代初,出現(xiàn)大量各種專(zhuān)用小型 ROV(重量小于 50 kg)。為了滿足科學(xué)和軍事要求,法、日、俄、美分別建造了 6500 m潛深的MOV,至今還在運(yùn)行:美國(guó)海軍的 Sea-Cliff號(hào)是 1980年代開(kāi)發(fā)的 5臺(tái)較大潛深的MOV之一;法國(guó)海洋開(kāi)發(fā)研究院建造了 6000 m潛深的 Nautile號(hào);俄羅斯科學(xué)院購(gòu)買(mǎi)了 2臺(tái)芬蘭制造的 M IR號(hào);日本 1989年下水了 Shinkai號(hào),可潛入 6500 m,是目前世界上潛深最大的 MOV。1980年代建造的幾臺(tái) AUV是試驗(yàn)機(jī)型。1988年開(kāi)始的美國(guó)海軍計(jì)劃是驗(yàn)證 AUV實(shí)現(xiàn)海軍特殊使命技術(shù)條件,目標(biāo)包括提升水下作戰(zhàn)特別是布雷和繪制地形圖功能的關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)是燃料電池、聲學(xué)通訊和更精確的導(dǎo)航系統(tǒng)。

1990年代,ROV因在海上作業(yè)的利用率和可靠性不斷提高而被廣泛使用。ROV及其維護(hù)一般由海洋石油服務(wù)機(jī)構(gòu)而不是石油公司提供。日本海洋科學(xué)技術(shù)中心執(zhí)行一項(xiàng)使用機(jī)器人的海洋探測(cè)國(guó)家計(jì)劃,總體目標(biāo)為了解地殼構(gòu)造和探測(cè)海底資源,研制成功 11000 m潛深的 Kaiko號(hào) ROV,于 1995年 3月潛入到世界海洋最深處馬里亞納海溝。1990年代AUV在科學(xué)調(diào)查方面的應(yīng)用再次得到關(guān)注。初期馬薩諸塞工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出 6臺(tái) Odyssey,能以 1.5 m/s速度航行 6 h,航程達(dá) 6 km,并搬移 160 kg物品。ABE號(hào) AUV于 1994年首次進(jìn)行科學(xué)調(diào)查,能以 0.75 m/s速度在 5000 m水下航行 34 h,航程達(dá) 5 km,并搬移 680 kg物品。

1970年代以來(lái),其它發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)器人許多技術(shù)方面出現(xiàn)領(lǐng)先。如日本的 Kaiko號(hào) ROV,是當(dāng)今世界上唯一全海深水下機(jī)器人,共下潛 296次,于2003年 5月丟失。

前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)出 20多臺(tái)水下機(jī)器人,大部分是軍用產(chǎn)品,夫拉迪沃斯托克海洋研究所已經(jīng)開(kāi)發(fā)出小型快速高能力 6000 m AUV,用于深?？茖W(xué)調(diào)查和回收作業(yè)?，F(xiàn)在,俄羅斯繼續(xù)進(jìn)行軍工技術(shù)的銷(xiāo)售。俄羅斯和烏克蘭具有熟練的勞動(dòng)力和精致的試驗(yàn)裝置,生產(chǎn)了 MOV、ROV和 AUV,其中源于太空船的一些先進(jìn)殼體材料是強(qiáng)項(xiàng)。

法國(guó)在導(dǎo)航和控制局域傳感器數(shù)據(jù)融合方面很有可能居于世界領(lǐng)先地位。

英國(guó)強(qiáng)調(diào)先進(jìn)傳感器和提供用于調(diào)查海洋油氣工業(yè)的 AUV和 ROV。歐盟每年投資 1百萬(wàn)美元資助Autosub計(jì)劃設(shè)計(jì) AUV,目標(biāo)是建立和驗(yàn)證一種機(jī)器人概念,并制造 2臺(tái) AUV:Dolphin可橫過(guò)北大西洋,進(jìn)行測(cè)深和取樣,在海面漂移過(guò)程中通過(guò)衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù);Doggie能覆蓋海底和從高頻設(shè)備獲得高分辨率數(shù)據(jù),支持海底剖面、磁力儀和化學(xué)傳感器?，F(xiàn)在,Autosub計(jì)劃集中在技術(shù)開(kāi)發(fā),而不是整機(jī)集成。挪威與英國(guó)一樣,面向北海監(jiān)視和檢查深水管線的需要,還對(duì)愛(ài)琴海中來(lái)自俄羅斯廢棄核潛艇污染監(jiān)測(cè)予以高度重視。

加拿大海岸線長(zhǎng),一年有 2～3個(gè)月被冰封著。三軍支持水下平臺(tái)的開(kāi)發(fā),重點(diǎn)在繼續(xù)開(kāi)發(fā) AUV的應(yīng)用方面,在溫哥華、英國(guó)哥倫比亞不凍海灣區(qū)域設(shè)有良好的機(jī)器人試驗(yàn)場(chǎng)。

為了海洋勘查的需要,開(kāi)發(fā)低成本的 11000 m潛器被確定為美國(guó)最近優(yōu)先考慮的問(wèn)題。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所承擔(dān) (2003～2006年)提出了一種微光纜控制的具備可轉(zhuǎn)換 ROV和AUV功能的復(fù)合水下機(jī)器人 (HRV)。系統(tǒng)由鎧裝光纜、鎧裝光纜壓載器、潛器本體、沉降錨定組件及微光纜 (直徑為0.8 mm,斷裂強(qiáng)度 45.4 kg,水中重量 0.454 kg/km)組成。潛器用地質(zhì)絞車(chē)鎧裝光纜和壓載器下放,約在 1000 m深度放出壓載器,利用沉降錨定組件自由降落到海底,降落過(guò)程中從分別裝在壓載器和沉降錨定組件上兩個(gè)小筒中放出微光纜,一旦 HROV到達(dá)海底,便脫離沉降錨固組件,自主航行達(dá) 20 km,進(jìn)行探測(cè)工作。這時(shí)的微光纜是從裝在本體上的第3個(gè)筒內(nèi)放出的,可以搭載沉積物推壓取芯、熱液流測(cè)量 (用機(jī)械手插入海底沉積物內(nèi)的探針,記錄從地球內(nèi)部涌出的熱液流量)、地質(zhì)構(gòu)造 /地球化學(xué)傳感器(沉積物內(nèi)孔隙壓力、不同溫度下流體特性和海洋基礎(chǔ)化學(xué))、小型取芯鉆具、小型抽吸深海生物取樣器、捕捉網(wǎng)和存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)傳統(tǒng)的生物樣品箱、海水取樣、高分辨率海底地形精確測(cè)繪聲納、光學(xué)照相和電視攝像等裝置。HROV具有如下特殊功能:潛入位于海溝的地球表面最大深度區(qū)域;適于冰層下作業(yè),解決了用破冰船工作時(shí)船不能保持住站位,或者像傳統(tǒng) ROV或深拖作業(yè)那樣跟隨準(zhǔn)確的航跡線工作的難題;對(duì)海洋突發(fā)活動(dòng)快速科學(xué)調(diào)查支援;進(jìn)入變形、斷裂擴(kuò)展環(huán)境中大洋巖石圈繪制地形圖和取樣。HROV具有體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、攜帶方便、無(wú)需龐大的水面支持系統(tǒng)的特點(diǎn),極適合復(fù)雜海底環(huán)境的調(diào)查。法國(guó)自動(dòng)控制公司與海洋開(kāi)發(fā)研究院合作研發(fā)一種無(wú)人無(wú)纜下潛和上浮、水下定點(diǎn)后放出有纜 ROV進(jìn)行觀測(cè)與作業(yè)的復(fù)合水下機(jī)器人,成為最具商業(yè)應(yīng)用前景的一類(lèi)水下機(jī)器人。

此外,還出現(xiàn)了 ROV與行走底盤(pán)組合的底行機(jī)器人,根據(jù)需要搭載探測(cè)傳感器、取樣器、工作機(jī)具,可用作海底移動(dòng)觀測(cè)站和各種機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行海底埋設(shè)探測(cè)儀器、底質(zhì)力學(xué)特性原位動(dòng)態(tài)測(cè)試。

表1中列出了目前幾種代表性的深海 ROV。從表中可以看出,深海機(jī)器人主要制造商還是西方發(fā)達(dá)國(guó)家,主要原因是深海機(jī)器人是綜合科技能力的體現(xiàn),需要多學(xué)科多領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用,而不僅僅是某一方面的技術(shù)發(fā)展可以解決的問(wèn)題。表1中還集中對(duì) ROV的技術(shù)規(guī)格及其搭載的設(shè)備與傳感器進(jìn)行了比較。目前,我國(guó)這方面的專(zhuān)用儀器大部分還依賴進(jìn)口。

表1 代表性深水 ROV

2 不同類(lèi)型深海機(jī)器人的特點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)

表2對(duì)現(xiàn)有深海機(jī)器人的特點(diǎn)和能力進(jìn)行了比較,為不同勘查目標(biāo)選擇相應(yīng)的深海機(jī)器人工作方法提供參考。3種深海機(jī)器人的工作能力有較大差距,適用于不同的工作條件。

表3對(duì)目前深海機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的狀況及未來(lái)的改進(jìn)方向進(jìn)行了分析。

3 我國(guó)深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的方向

從以上國(guó)外深海機(jī)器人發(fā)展情況分析,我國(guó)與國(guó)外仍有較大的差距,未來(lái)的工作方向主要在以下幾個(gè)方面。

(1)制定深?？辈楣ぷ髂繕?biāo)及深海機(jī)器人整體發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)大洋勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展初期沒(méi)有制定具有整體性和系統(tǒng)性的規(guī)劃,在項(xiàng)目的設(shè)立上存在一定的漏洞。如已經(jīng)完成的熱液保真采樣器和海底異常環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)由于缺少深海 ROV,無(wú)法找到熱液噴口,以致發(fā)揮不了作用,也無(wú)法檢測(cè)該設(shè)備的功能是否具備。深海機(jī)器人涉及多個(gè)方面的基礎(chǔ)研究和技術(shù),研發(fā)周期較長(zhǎng),應(yīng)該在科學(xué)論證的基礎(chǔ)上,針對(duì)未來(lái)十年或更長(zhǎng)時(shí)間的目標(biāo),制定循序漸進(jìn)的發(fā)展計(jì)劃,建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù),分階段有步驟啟動(dòng)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目[9]。

表2 現(xiàn)有深海機(jī)器人能力比較

表3 深海機(jī)器人技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)

(2)將已有的深海機(jī)器人盡快工程化,開(kāi)發(fā)不同用途的專(zhuān)門(mén)工程 ROV,滿足勘查技術(shù)需求。目前,深海工程應(yīng)用越來(lái)越需要機(jī)器人,盡管我國(guó)已開(kāi)發(fā)了多種,但一直處在試驗(yàn)階段,或由于使用過(guò)于復(fù)雜而在真正的勘查過(guò)程中無(wú)法應(yīng)用。如已經(jīng)研發(fā)成功的 6000 m水下自治機(jī)器人尚不能滿足勘查要求,而國(guó)外已經(jīng)形成了多種水下機(jī)器人系列,在實(shí)際海洋勘查中得到廣泛應(yīng)用,如海底鋪纜機(jī)器人、深海長(zhǎng)時(shí)觀測(cè)自主機(jī)器人等。

(3)深海機(jī)器人基礎(chǔ)研究領(lǐng)域研發(fā)能力尚待提高。我國(guó)目前深海機(jī)器人發(fā)展緩慢的一個(gè)主要原因是在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域研發(fā)能力不足,如深海機(jī)器人必用的深水浮力材料,水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及聲學(xué)裝備中關(guān)鍵的換能器和圖像生成軟件等嚴(yán)重依賴進(jìn)口,國(guó)內(nèi)還不能生產(chǎn)或產(chǎn)品性能不能滿足要求。

(4)船舶支持系統(tǒng)配套需要完善。現(xiàn)有的船舶支持系統(tǒng)基本具備,但應(yīng)根據(jù)目前和將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)可能的設(shè)備制定規(guī)劃,分層次考慮,配備可行的船舶支持系統(tǒng)。

(5)需要建立專(zhuān)業(yè)的深海機(jī)器人技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍。深海機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,需要一流的技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍,與國(guó)外相比,我國(guó)專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍有相當(dāng)?shù)牟罹?。首先是整體科技實(shí)力制約了技術(shù)的提高。《國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力報(bào)告》中公布,我國(guó)的科技競(jìng)爭(zhēng)力從 1998年的第13位,降到 1999年的第 25位,再降到 2000年的第28位;其次沒(méi)有建立專(zhuān)門(mén)的國(guó)家級(jí)海洋技術(shù)發(fā)展研究院,目前的科技人員來(lái)自多個(gè)部門(mén),缺乏統(tǒng)一的組織和領(lǐng)導(dǎo),往往追求短期效益,對(duì)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究缺乏興趣;三是專(zhuān)業(yè)技術(shù)隊(duì)伍不穩(wěn)定。我國(guó)該領(lǐng)域的科研精英不多,科研隊(duì)伍數(shù)量不足,特別是我國(guó)現(xiàn)行的項(xiàng)目管理人才的管理模式嚴(yán)重制約了技術(shù)發(fā)展,注重項(xiàng)目科研,而不關(guān)心應(yīng)用,造成開(kāi)發(fā)的設(shè)備大多放在實(shí)驗(yàn)室供人參觀,而不是在海上大顯身手。

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2011-08-10)

左立標(biāo) (1964-),男,工程師,主要從事深海技術(shù)及裝備研發(fā),Email:titin@126.com。