王云飛，王志玲，宋 偉，初志勇，薛 釗

（1.青島市科學(xué)技術(shù)信息研究院，山東青島 266000；2.青島國家海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266000）

1 研究背景

水下潛器作為海洋高新技術(shù)的重要組成部分，擁有強(qiáng)大的水下作業(yè)能力，是開展海洋探查和資源開發(fā)利用、進(jìn)行海洋科學(xué)研究以及維護(hù)國家海洋權(quán)益和資源安全不可或缺的手段，其技術(shù)水平在一定程度上代表國家國防能力和科技水平。水下潛器主要包括載人深潛器（human occupied vehicle,HOV）和各種類型無人潛水器（unmanned underwater vehicle,UUV）。其中，典型的無人潛水器有無人自治式潛水器（autonomous underwater vehicle,AUV）、無人遙控潛水器（remotely operated vehicle,ROV）、水下滑翔機(jī)（autonomous underwater glider,AUG）以及新概念無人潛水器等［1］。本研究主要對HOV、AUV、ROV、AUG 的論文和專利數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，揭示水下潛器領(lǐng)域科技研發(fā)的熱點(diǎn)和前沿，以期為研發(fā)人員、決策者客觀把握全球水下潛器領(lǐng)域的研發(fā)前沿、國家布局以及判斷該領(lǐng)域未來研發(fā)方向提供參考。

水下潛器技術(shù)不僅對國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防安全有極為重大的意義，還對海底空間利用、海洋旅游業(yè)、深海打撈、救生等有著不可估量的價值和戰(zhàn)略意義。國內(nèi)外有關(guān)水下潛器的研究較豐富。美國、歐盟等國家和地區(qū)發(fā)布的一系列戰(zhàn)略報告分析顯示，水下潛器向著無人化、智能化、常態(tài)化的方向發(fā)展，加速與人工智能、水下導(dǎo)航定位、新型通信組網(wǎng)以及新能源等技術(shù)融合，不斷打破水下作業(yè)的深度。其中，歐洲海事委員會［2］在《潛得更深：21 世紀(jì)深海研究面臨的挑戰(zhàn)》中，明確未來將研發(fā)重點(diǎn)集中于具有良好操作深度、范圍、自持力和取樣能力的水下自主系統(tǒng)，更好的機(jī)器智能、行為協(xié)調(diào)、導(dǎo)航、通信、組網(wǎng)的水下自主潛器及多個自主潛器的控制協(xié)調(diào)技術(shù)；美國國家科學(xué)研究委員會［3］在《海洋變化：2015—2025 海洋科學(xué)年度調(diào)查》中，提出應(yīng)加快發(fā)展海洋水下滑翔機(jī)、自主水下潛航器及海洋能潛器等新型潛水器，同時美國海軍積極與國防高級研究計劃局（DARPA）開展合作，探索構(gòu)建以廣域反潛探測、水下作戰(zhàn)環(huán)境保障、潛艇無人協(xié)同、海底預(yù)置等為代表的新型裝備體系，包括X-Ray/Z-Ray大型重載水下滑翔機(jī)、波浪滑翔機(jī)等混合潛水器；俄羅斯對水下潛器的研制工作可以追溯到蘇聯(lián)時期，其目前研發(fā)了能夠在深水行進(jìn)、航程跨越大洲、速度數(shù)倍于潛艇的“波塞冬”無人混合潛航器等；英國勞氏船級社［4］和愛爾蘭海洋研究所［5］分別在《全球海洋技術(shù)趨勢2030》和《國家海洋研究及創(chuàng)新戰(zhàn)略2017—2021》都強(qiáng)調(diào)了要重點(diǎn)發(fā)展水下機(jī)器人和自主系統(tǒng)。國內(nèi)學(xué)者對水下潛器綜述的研究集中在水下潛器的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景等，如朱大奇等［6］提出深海潛水器關(guān)鍵技術(shù)包括水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建、水下導(dǎo)航與通信、水下路徑規(guī)劃及安全避障、水下軌跡跟蹤控制、水下目標(biāo)探測與識別、潛水器故障診斷與容錯控制以及總體設(shè)計與仿真技術(shù)等；劉峰［7］認(rèn)為載人潛水器未來將應(yīng)用更多的新材料技術(shù)，加強(qiáng)與其他深潛器的協(xié)同作業(yè)；黃琰等［8］研究認(rèn)為AUV 未來智能化的核心技術(shù)在于探測感知、航行控制決策、路徑規(guī)劃、故障診斷等；梁益豐等［9］、劉明雍等［10］對AUV 中的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析；連璉等［11］提出ROV 關(guān)鍵技術(shù)涉及總體設(shè)計、導(dǎo)航定位、綜合控制、浮力材料及臍帶纜技術(shù)；沈新蕊等［12］認(rèn)為水下滑翔機(jī)關(guān)鍵核心技術(shù)在于浮力驅(qū)動、姿態(tài)控制、多模混合推進(jìn)、輕量化耐壓外殼、編隊(duì)與協(xié)作觀測技術(shù)以及專用傳感器集成技術(shù)等方面，提出可變翼水下滑翔機(jī)、仿生水下滑翔機(jī)、智能水下滑翔機(jī)技術(shù)3 個未來研究方向。

目前，隨著科學(xué)知識圖譜、文獻(xiàn)計量學(xué)等方法的不斷發(fā)展，通過對文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)中反映的研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)生、匯聚、發(fā)展（萎縮、消散）以及分化進(jìn)行分析，能夠減少主觀判斷、更加客觀地對熱點(diǎn)前沿進(jìn)行識別?？茖W(xué)研究前沿探測主要采用引文分析和主題詞分析方法，而技術(shù)開發(fā)前沿研究主要通過專利聚類分析等方法［13］。國內(nèi)最具代表性的研究前沿報告為中國工程院發(fā)布的《全球工程前沿》系列報告和中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心、科睿唯安聯(lián)合發(fā)布的《研究前沿》系列報告。其中，《全球工程前沿2021》基于2015—2020 年全球科學(xué)引文索引（SCI）期刊論文、會議論文以及德溫特專利數(shù)據(jù)，通過共被引聚類、專利地圖方法實(shí)現(xiàn)了工程研究前沿及工程開發(fā)前沿的識別分析［14］；《2021 研究前沿》基于基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（ESI）論文數(shù)據(jù)，遴選了11 個學(xué)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)前沿和新興前沿［15］。此外，趙丹群［16］提出知識圖譜作為一個相對較新的交叉研究領(lǐng)域，目前已形成文獻(xiàn)計量范式和自然語言處理兩種研究范式。但國內(nèi)海洋領(lǐng)域研究前沿的相關(guān)文獻(xiàn)較少，主要基于引文分析方法對學(xué)術(shù)文獻(xiàn)資源進(jìn)行計量分析和可視化展示，如于路云［17］選取Web of Science核心合集和德溫特專利庫中2011—2017 年海洋科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文、專利文獻(xiàn),利用CiteSpace 軟件構(gòu)建基于共被引分析和耦合分析的研究前沿知識圖譜；胡瑾秋等［18］、張紅燕［19］、杜軍等［20］借助CiteSpace 軟件的文獻(xiàn)共被引聚類、關(guān)鍵詞突現(xiàn)等功能，分別對海洋油氣安全領(lǐng)域、水產(chǎn)科學(xué)和海洋漁業(yè)的研究前沿趨勢進(jìn)行了探討，但未對研究前沿方向進(jìn)行深入解讀。

因此，本研究基于全球SCI 論文和發(fā)明專利數(shù)據(jù)，通過論文引用網(wǎng)絡(luò)和專利地圖聚類方法，從全球視角深入分析解讀水下潛器領(lǐng)域的研發(fā)前沿，并對有關(guān)研發(fā)布局進(jìn)行分析，以期為中國水下潛器發(fā)展方向的判斷和政策制定提供一定的數(shù)據(jù)支撐和定量判斷。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

參考《全球工程前沿》和《研究前沿》系列報告中采用的論文年限，同時對應(yīng)國家“十二五”和“十三五”階段，選擇2011—2020 年的相關(guān)論文進(jìn)行分析，研究數(shù)據(jù)來自Web of Science 核心合集的SCIE 數(shù)據(jù)庫，通過檢索得到水下潛器領(lǐng)域論文約4 800 篇，其中有關(guān)載人深潛器、AUV、ROV、AUG分別檢索出202 篇、2 928 篇、1 230 篇和395 篇。專利數(shù)據(jù)來自合享全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫、智慧芽專利數(shù)據(jù)庫，時間節(jié)點(diǎn)以發(fā)明專利申請時間為準(zhǔn)，限制條件為“發(fā)明有效專利”，數(shù)據(jù)截止時間為2020 年年底，共檢索水下潛器領(lǐng)域約3 200 件發(fā)明有效專利，其中載人深潛器、AUV、ROV、AUG 分別為152 件、1 617 件、1 234 件和208 件。

2.2 研究方法

對SCI 論文進(jìn)行直接引用聚類分析，形成研究主題；通過深度挖掘每個聚類中被引次數(shù)較多的論文，根據(jù)聚類文獻(xiàn)的題目、摘要、關(guān)鍵詞進(jìn)行高頻詞、高被引新詞的分析，由此總結(jié)分析每個研究主題中的研發(fā)前沿，同時基于聚類論文第一作者所在地進(jìn)行國家（地區(qū)）發(fā)文影響力對比分析。技術(shù)開發(fā)方向上的專利分析過程與論文分析類似。在整個分析過程中，專家參與了檢索關(guān)鍵詞的選擇、聚類結(jié)果和研發(fā)前沿的分析提煉等環(huán)節(jié)，保證了分析的專業(yè)性。論文間的引用關(guān)系主要分為共被引網(wǎng)絡(luò)、直接引用網(wǎng)絡(luò)、耦合引用網(wǎng)絡(luò)以及加權(quán)網(wǎng)絡(luò)等，不同網(wǎng)絡(luò)的形成時間有所區(qū)別，共被引網(wǎng)絡(luò)的形成時間最長、形成的聚類也最成熟，而直接引用網(wǎng)絡(luò)形成時間相對較少［21］。通過對不同引用網(wǎng)絡(luò)的對比和分析，采用了聚類效果較好的直接引用網(wǎng)絡(luò)，其重要節(jié)點(diǎn)作為識別研究前沿的核心。

根據(jù)對目前主流研究前沿算法的測試和比較，以及水下潛器發(fā)展實(shí)際，本研究自定義了針對水下潛器引文聚類網(wǎng)絡(luò)的高被引論文、高頻關(guān)鍵詞、高被引關(guān)鍵詞3 個指標(biāo)，從論文、主題的被關(guān)注度總結(jié)出水下潛器的研究前沿。在論文引用聚類網(wǎng)絡(luò)中，論文間引用次數(shù)越高，其網(wǎng)絡(luò)中心度和影響力越高，在一定程度上反映了該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。水下潛器細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域引用聚類網(wǎng)絡(luò)中的論文數(shù)量在50～627 篇之間，大部分聚類網(wǎng)絡(luò)在200 篇左右。參考ESI 高被引論文的定義［22］，通過反復(fù)測試和征求領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，將被引次?shù)排名前20%的論文定義為“高被引論文”，認(rèn)為其可以較好地反映聚類網(wǎng)絡(luò)的前沿方向?；谡撐牡念}目、摘要、作者關(guān)鍵詞形成新的關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞共現(xiàn)次數(shù)越多說明相關(guān)的研究越多，可用于分析聚類網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)［23］，而新出現(xiàn)的且引用率較高的詞一般可用于分析研究前沿［24］。根據(jù)水下潛器細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域共現(xiàn)關(guān)鍵詞的規(guī)模及領(lǐng)域?qū)＜乙庖姡瑢⒁木垲惥W(wǎng)絡(luò)中共現(xiàn)次數(shù)排名前20%的關(guān)鍵詞定義為“高頻關(guān)鍵詞”，近3 年出現(xiàn)且引用次數(shù)排名前40%的關(guān)鍵詞定義為“高被引新詞”。

基于專利的題目、摘要進(jìn)行專利數(shù)據(jù)文本分析聚類，以每個專利為基礎(chǔ)形成專利地圖，采用“重要專利”和“高頻概念詞”兩個指標(biāo)，分別從專利地圖核心節(jié)點(diǎn)和專利地圖主題兩個角度識別技術(shù)開發(fā)的熱點(diǎn)和前沿。為識別專利地圖中的核心節(jié)點(diǎn)，參考國家知識產(chǎn)權(quán)局定義的高價值專利［25］、科睿唯安的《德溫特2018—2019 年度全球百強(qiáng)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)》等報告［26］，根據(jù)水下潛器研發(fā)領(lǐng)域?qū)＠牡貓D規(guī)模、整體海外布局情況及專家意見，將滿足以下3 個條件之一的有效發(fā)明專利定義為“重要專利”：一是專利同族數(shù)為3 項(xiàng)及以上，即該專利在海外擁有同族專利權(quán)；二是專利存在質(zhì)押、轉(zhuǎn)移、侵權(quán)等法律狀態(tài)，具有創(chuàng)造收益的能力；三是專利同族被引次數(shù)在10 次及以上。根據(jù)水下潛器細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的專利地圖規(guī)模及領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，基于專利題目和摘要，采用自然語言處理算法，提取出專利地圖中出現(xiàn)次數(shù)排名前30%的概念詞，將其定義為“專利高頻概念詞”。

3 水下潛器研發(fā)前沿分析

3.1 水下潛器基礎(chǔ)研究前沿

由圖1 可見，全球載人深潛器的研究主題集中在海試、耐壓殼體等方面；AUV 的研究主題主要集中在整體設(shè)計、自主控制、多平臺協(xié)同、相關(guān)通用技術(shù)及應(yīng)用；ROV 的研究主題主要集中在控制技術(shù)及其應(yīng)用；AUG 的研究主題主要集中整體設(shè)計及其應(yīng)用。

圖1 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域SCI 論文直接引用網(wǎng)絡(luò)

參考中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院等［15］發(fā)布的《2020 研究前沿》報告，將水下潛器領(lǐng)域SCI 直接引用網(wǎng)絡(luò)中的SCI 論文定義為核心論文；核心論文的平均發(fā)表年為核心論文出版年之和與論文數(shù)量的比值，平均發(fā)表年較新說明發(fā)文集中在近期，可以用于反映研究主題的熱度。近10 年全球水下潛器核心論文主要發(fā)表時間集中在2015—2017 年之間，發(fā)文增速較快，說明該領(lǐng)域備受關(guān)注。如表1 所示，在AUV 研發(fā)中，設(shè)計方向的核心論文增長較快，自主控制及多平臺協(xié)同方向的核心論文均呈現(xiàn)出規(guī)模較大、平均發(fā)文年份近、數(shù)量增長快、篇均被引次數(shù)較多的特征，相關(guān)通用技術(shù)的核心論文數(shù)量規(guī)模較大、被引頻次高、發(fā)文年代相對較新，應(yīng)用研究的論文數(shù)量增速較為緩慢但被引用頻次最高；ROV研發(fā)方向中，因ROV 技術(shù)目前整體上已較為成熟，因此與ROV 應(yīng)用相關(guān)的核心論文數(shù)量是水下潛器領(lǐng)域中最多的；AUG 是相對較新的技術(shù)，目前有關(guān)整體設(shè)計研發(fā)的核心論文較多，而在應(yīng)用技術(shù)方面的研究仍處于初步階段。

表1 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域研究熱點(diǎn)及前沿

（1）載人深潛器。相關(guān)研究包括俄羅斯科學(xué)院希爾紹夫海洋研究所、上海海洋大學(xué)等機(jī)構(gòu)對載人深潛器活動的綜述，江蘇科技大學(xué)、中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所、印度理工大學(xué)等對載人深潛器殼體耐壓性能的研究，以及美國伍茲霍爾海洋研究所、美國斯克利普斯海洋研究所、中國國家深?；毓芾碇行牡葘d人深潛器在深海探測活動中的應(yīng)用開展的探討。

（2）AUV。

1）AUV 設(shè)計方面的熱點(diǎn)集中在仿生水下機(jī)器人的研究，如美國密歇根州立大學(xué)、美國西北大學(xué)等的研究仿生對象為魚類鰭運(yùn)動，而美國弗吉尼亞理工學(xué)院等對水母的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動學(xué)進(jìn)行模擬和研究，其中所采用的材料涉及形狀記憶合金及離子聚合物金屬復(fù)合材料等，推進(jìn)方式包括身體/尾部致動振蕩和致動波動、中位/成對致動振蕩和致動波動以及噴射推進(jìn)；此外，新加坡南洋理工大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院等因受到魚側(cè)線啟發(fā)而開始了傳感器陣列研究。高被引新詞顯示，整體設(shè)計前沿集中在軟體水下機(jī)器人和兩棲球形機(jī)器人。

2）AUV 自主控制方面的熱點(diǎn)集中在智能自主控制技術(shù)和實(shí)時規(guī)劃與控制技術(shù)，中國西北工業(yè)大學(xué)、挪威科技大學(xué)、美國佛羅里達(dá)大學(xué)、中國哈爾濱工程大學(xué)、中國華中科技大學(xué)等開展了相關(guān)研究。高被引新詞顯示，自主控制的前沿集中在追蹤控制、軌跡追蹤、避障算法、滑膜控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

3）AUV 多平臺協(xié)同方面的熱點(diǎn)集中在多個AUV 有限時間共識的控制算法、潛水器編隊(duì)以及協(xié)同作業(yè)技術(shù)等，如中國華中科技大學(xué)等對水上船只與潛水器的協(xié)同作業(yè)研究；研究前沿涉及水下物聯(lián)網(wǎng)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

4）AUV 相關(guān)通用技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)集中在水下導(dǎo)航、仿生動力推進(jìn)、視覺輔助、智能感知等技術(shù)。

5）AUV 應(yīng)用研究方面的熱點(diǎn)涉及生物多樣性、底棲生物研究、地質(zhì)演化、地貌特征、沉積物分析、天然氣水合物勘探以及海底熱液、海洋垃圾等具體應(yīng)用，美國斯克利普斯海洋研究所、美國蒙特利灣海洋研究所、美國伍茲霍爾海洋研究所、英國國家海洋中心等機(jī)構(gòu)對相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了研究探討。

（3）ROV。

1）ROV 控制技術(shù)方面的熱點(diǎn)集中在容錯控制、模糊邏輯控制、魯棒自適應(yīng)運(yùn)動控制和軌跡跟蹤控制技術(shù)，具有代表性的研究機(jī)構(gòu)包括意大利卡梅里諾大學(xué)和中國的華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)和上海海事大學(xué)等。

2）ROV 應(yīng)用技術(shù)。ROV 廣泛應(yīng)用在海洋工程、海洋管理及海洋科研中，具體涉及海洋石油天然氣探測、海洋底棲生境的保護(hù)、海洋垃圾分析、海洋底棲生物等方面，具有代表性的研究機(jī)構(gòu)包括美國蒙特利灣海洋研究所、英國南安普敦大學(xué)、意大利熱那亞大學(xué)、西班牙巴塞羅那大學(xué)、德國不來梅大學(xué)、德國阿爾弗雷德·韋格納極地與海洋研究所、阿拉伯聯(lián)合酋長國石油研究所等。

（4）AUG。

1）整體設(shè)計及控制。研究熱點(diǎn)集中在水下滑翔機(jī)的動力學(xué)建模及仿真、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃以及相關(guān)通用技術(shù)等，近期備受關(guān)注的地點(diǎn)為中國南海和墨西哥灣（暖）流區(qū)域，其中，中國天津大學(xué)、馬來西亞大學(xué)等機(jī)構(gòu)的混合動力水下滑翔機(jī)，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的仿海豚水下滑翔機(jī)以及美國密歇根大學(xué)的微型水下滑翔機(jī)等研究被引次數(shù)較高。自主控制研究主要集中在多尺度/亞中尺度AUG 路徑規(guī)劃，美國麻省理工學(xué)院、斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)等機(jī)構(gòu)均開展了相關(guān)研究；通用技術(shù)研究集中在速度估算、地形輔助導(dǎo)航、制導(dǎo)、相變材料等，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)包括美國伍茲霍爾海洋研究所、加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)等。

2）應(yīng)用研究。AUG 能夠在相對精細(xì)的水平尺度上進(jìn)行持續(xù)觀測，可用于中尺度和亞中尺度的觀測，例如鋒面和渦旋，由于亞中尺度在海洋的垂直通量中占主導(dǎo)地位，因此AUG 已在生物地球化學(xué)過程研究中得到應(yīng)用。目前，水下滑翔機(jī)已被美國斯克利普斯海洋研究所用于測量呂宋海峽附近的內(nèi)波和湍流耗散，而水下滑翔機(jī)的采樣能力同樣備受關(guān)注，且在聲學(xué)監(jiān)測等方面也具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

3.2 水下潛器技術(shù)開發(fā)前沿

如圖2、表2 所示，全球載人深潛器的技術(shù)開發(fā)主題主要集中在整體設(shè)計、相關(guān)裝置及控制技術(shù)、作業(yè)技術(shù)、通用技術(shù)等方面；AUV 的技術(shù)開發(fā)主題集中在整體設(shè)計、布放回收、路徑規(guī)劃、相關(guān)通用技術(shù)及載荷；ROV 的技術(shù)開發(fā)主題集中在布放回收/臍帶纜、水下作業(yè)及油氣業(yè)應(yīng)用；AUG 的技術(shù)開發(fā)主題主要集中在AUG 整體設(shè)計及自主控制。參考《全球工程前沿2020》［14］5-6，表2 中平均公開年定義為重要專利的公開年之和與重要專利數(shù)量的比值，平均公開年較新說明專利集中在近期公開，可以用于反映技術(shù)開發(fā)主題的熱度。

表2 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)及前沿

圖2 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域?qū)＠貓D

（1）HOV。

1）整體設(shè)計。目前相關(guān)專利的申請人有中國船舶集團(tuán)公司第七〇二研究所、美國DeepFlight 公司及烏克蘭國立造船大學(xué)。其中，美國DeepFlight 公司申請了一種包括多個垂直推進(jìn)器的固定的正浮力載人深潛器，可支撐一個或多個乘客。

2）相關(guān)裝置及控制技術(shù)。重要專利主要集中在載人深潛器的拋載機(jī)構(gòu)、自動脫纜可擺動式拖曳掛鉤、應(yīng)急救援裝置、艙口蓋鎖緊裝置以及節(jié)能型水下姿態(tài)控制系統(tǒng)，相關(guān)專利申請人包括中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所、中國海洋石油集團(tuán)有限公司、中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所、中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所、中國哈爾濱工程大學(xué)和中國艦船研究設(shè)計中心等。

3）相關(guān)作業(yè)技術(shù)。重要專利集中在深海敷纜作業(yè)系統(tǒng)、采樣籃、沉積物取樣器以及深海巖芯鉆機(jī)等，涉及的專利申請人包括中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所、國家深海基地管理中心和中國科學(xué)院三亞深?？茖W(xué)與工程研究所等。

4）相關(guān)通用技術(shù)。重要專利包括圓周環(huán)形推進(jìn)器和控制組件、水下充電站以及超短基線定位系統(tǒng)海上標(biāo)定試驗(yàn)方法等。

（2）無人自治潛水器。

1）整體設(shè)計。整體設(shè)計方面的研發(fā)起步相對較早，目前已出現(xiàn)了多種形態(tài)的AUV 產(chǎn)品，重要專利涉及水下無人深潛器及定向推進(jìn)系統(tǒng)、自埋式自主水下航行器、模塊式水下機(jī)器人、水下高速AUV、混合驅(qū)動水下自主航行器以及具有復(fù)合移動功能的多關(guān)節(jié)海底機(jī)器人等；相關(guān)專利申請人包括美國雷神公司、法國地球物理公司、意大利埃尼集團(tuán)、中國哈爾濱工程大學(xué)、中國天津大學(xué)、韓國海洋科學(xué)技術(shù)院等。

2）布放回收。合適的布放回收系統(tǒng)能夠滿足作業(yè)需求、提高作業(yè)效率、減少風(fēng)險。相關(guān)重要專利涉及用于AUV 的回收裝置和方法、海底車庫設(shè)計、無人潛器發(fā)射系統(tǒng)、多個智能水下機(jī)器人快速部署裝置；相關(guān)專利申請人包括法國海洋開發(fā)研究院、法國泰勒斯公司、英國海底七有限公司等。

3）路徑規(guī)劃。該領(lǐng)域算法相關(guān)專利申請人基本為中國的研發(fā)機(jī)構(gòu)，如哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反步法、PID 反饋增益、改進(jìn)螢火蟲等算法。

4）AUV 通用技術(shù)。相關(guān)通用技術(shù)主要涉及組合導(dǎo)航定位及AUV 供電，重要專利包括中國東南大學(xué)等的AUV 組合導(dǎo)航定位方法、美國雷神公司的環(huán)境參數(shù)匹配導(dǎo)航技術(shù)以及中國哈爾濱工程大學(xué)等的無線充電及智能充電技術(shù)。

5）AUV 載荷。相關(guān)專利主要包括利用AUV 獲取地球物理數(shù)據(jù)并進(jìn)行海洋地震勘探，代表性專利申請人為荷蘭格庫技術(shù)有限公司、荷蘭輝固與法國地球物理公司的合資企業(yè)Seabed Geosolutions 海床解決方案公司、法國地球物理公司、美國埃克森美孚上游研究公司等。

（3）ROV。

1）布放回收/電纜技術(shù)。重要專利包括美國韋特柯格雷公司的ROV 軟著陸系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法、ABB 瑞士股份有限公司的應(yīng)用于深水的徑向防水屏障和動態(tài)高壓海底電纜、意大利普睿司曼股份公司的采用輕質(zhì)抗拉元件的深水電纜，以及日本松下知識產(chǎn)權(quán)經(jīng)營株式會社的用于水下用途的扭曲弦形電纜等。

2）水下作業(yè)。水下作業(yè)主要是利用ROV 執(zhí)行多種水下采樣、挖掘等工作。重要專利包括諾蒂勒斯礦物新加坡有限公司的水下結(jié)核集中系統(tǒng)、海底Ip 英國有限公司可安裝在海底泵沖洗和采樣系統(tǒng)的ROV、中國上海交通大學(xué)的深海海底集礦裝置、中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的水下沉積物采樣機(jī)器人等。

3）油氣業(yè)應(yīng)用。重要專利包括美國FMC 有限公司的水下采油樹安裝ROV 部署樹帽的方法、美國貝克休斯公司的ROV 可回收海底泵、美國殼牌石油公司的海底管道加熱等。

（4）AUG。

1）整體設(shè)計。相關(guān)發(fā)明專利重點(diǎn)關(guān)注水下滑翔機(jī)能源驅(qū)動及浮力調(diào)節(jié)。其中，能源類型的專利包括中國天津大學(xué)的電驅(qū)動和溫差驅(qū)動的復(fù)合能源，中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所、中國浙江大學(xué)的海洋波浪能等；仿生驅(qū)動方面的專利包括中國華中科技大學(xué)的噴水推進(jìn)型深海滑翔機(jī)、中國上海交通大學(xué)等的鰈型、圓碟形水下滑翔機(jī)等；性能方面的重要專利涉及中國西北工業(yè)大學(xué)的高機(jī)動水下滑翔機(jī)，中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所、第七一〇研究所的組合翼、旋轉(zhuǎn)翼水下滑翔機(jī)，以及美國艾羅伯特公司的兩棲滑翔機(jī)等；浮力調(diào)節(jié)專利主要針對提升相關(guān)裝置的質(zhì)量、體積和功耗、調(diào)節(jié)能力等技術(shù)問題，相關(guān)專利申請人為中國的西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等。

2）自主控制。重要專利有能耗最優(yōu)的運(yùn)動參數(shù)優(yōu)化方法、組合導(dǎo)航裝置及方法、拓?fù)鋬?yōu)化的水下滑翔機(jī)巡航路徑規(guī)劃算法等，相關(guān)專利申請人包括中國的中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、東南大學(xué)和西安交通大學(xué)等。

4 水下潛器國家研發(fā)布局

4.1 基礎(chǔ)研究布局

如圖3 所示，美國在水下潛器領(lǐng)域的研發(fā)覆蓋了基礎(chǔ)研究熱點(diǎn)，有關(guān)論文的總影響力處于全球最高水平，在AUV 通用技術(shù)以及AUV、ROV 和AUG等水下無人潛器在海洋科研中的應(yīng)用研究方面具有明顯優(yōu)勢，有關(guān)論文總影響力排名全球首位；英國、加拿大、法國、德國及意大利等國家的研發(fā)熱點(diǎn)普遍集中在水下無人潛器的應(yīng)用，有關(guān)論文總影響力排名全球前列，且在AUV 相關(guān)通用技術(shù)、ROV 控制技術(shù)、AUG 整體設(shè)計等方向具有優(yōu)勢；挪威、澳大利亞、日本、荷蘭、俄羅斯在AUV 自主控制、AUV多平臺協(xié)同、ROV 應(yīng)用等方向具有一定優(yōu)勢；巴西、韓國、印度等國家的研發(fā)熱點(diǎn)分別集中在ROV 應(yīng)用、AUV 自主控制、AUV 多平臺協(xié)同等方向；中國在AUV 自主控制算法、AUV 多平臺協(xié)同、ROV 控制技術(shù)、AUG 整體設(shè)計等方向的論文總被引數(shù)量居全球首位，但在AUV、ROV、AUG 等無人潛水器應(yīng)用研究的影響力與美國等海洋強(qiáng)國仍存在較大差距，說明中國目前仍處于無人潛水器研發(fā)階段，無人潛水器在海洋科研和海洋經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用是當(dāng)前基礎(chǔ)研究的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域國家研發(fā)布局

4.2 技術(shù)開發(fā)布局

由圖4 可見，美國在水下潛器領(lǐng)域的研發(fā)覆蓋了大部分技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)，相關(guān)專利的總影響力處于全球最高水平，特別是在ROV 油氣業(yè)應(yīng)用、ROV水下作業(yè)、ROV 布放回收及臍帶纜、AUV 布放回收等多個方向具有明顯優(yōu)勢，專利數(shù)量及影響力遠(yuǎn)超其他國家；荷蘭在AUV 載荷方向?qū)＠绊懥ψ罡?；法國、意大利、德國、澳大利亞分別側(cè)重于AUV 的布放回收、AUV 整體設(shè)計、ROV 水下作業(yè)和換能器；韓國相關(guān)專利數(shù)量較多，在多個技術(shù)方向上有所布局，其中重點(diǎn)布局AUV 整體設(shè)計；而印度在深海進(jìn)入領(lǐng)域目前尚無重要專利；中國的技術(shù)方向較為全面，相關(guān)專利數(shù)量龐大，其中在AUV 整體設(shè)計、AUV 的回收布放、AUV 路徑規(guī)劃、AUV 相關(guān)通用技術(shù)、AUG 整體設(shè)計等方向?qū)＠季州^多，但在ROV水下作業(yè)、ROV 油氣業(yè)應(yīng)用等無人潛水器應(yīng)用技術(shù)開發(fā)方面為空白。

圖4 2011—2020 年全球水下潛器領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)前沿的國家布局

5 結(jié)論

5.1 水下潛器研發(fā)處于活躍狀態(tài)

2011—2020 年，全球水下潛器SCI 論文平均發(fā)表時間和專利平均公開時間分別為2017 年和2016年，說明水下潛器領(lǐng)域的論文和專利發(fā)表時間較新，整體研發(fā)處于活躍狀態(tài)。從近10 年年均發(fā)文增長率來看，AUV 方向一直保持較高的熱度，相關(guān)研究起步早，發(fā)文體量大、增速最快，達(dá)20.8%；AUG 技術(shù)起步較晚，在2015 年后進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)文增速達(dá)19.7%；ROV 相關(guān)研究和發(fā)文起步早，但在2015 年后的發(fā)文增速明顯落后于其他方向；而HOV 相關(guān)發(fā)文體量較小。在技術(shù)開發(fā)方面，HOV、AUV、ROV 及AUG 等4 個方向發(fā)明的專利申請趨勢基本一致，均在2011 年之后快速增長，尤其是AUG在2015 年之后增長迅速。其他主要國家和地區(qū)在HOV、AUV，特別是在ROV 領(lǐng)域的研究起步都早于中國，其中AUV、ROV 相關(guān)專利在2011—2013 年保持增長態(tài)勢，之后基本保持穩(wěn)定。

5.2 無人潛器的基礎(chǔ)研究有較大影響力

全球無人潛器在應(yīng)用研究方面的成果具有被引用量高、參與單位多、發(fā)表期刊水平高的特點(diǎn)。其中，ROV 技術(shù)較為成熟，應(yīng)用非常廣泛，覆蓋海洋調(diào)查、海洋科研及海洋工程的方方面面，且在海洋垃圾方面的應(yīng)用備受關(guān)注；AUV 的應(yīng)用研究較多，主要用于相對精細(xì)尺度的觀測，部分學(xué)者期望通過AUV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋更高分辨率尺度的研究；AUV 自主控制和多平臺協(xié)同注重與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等新技術(shù)結(jié)合，相關(guān)論文具有較高的被引用率。

5.3 AUV 布放回收、通用技術(shù)、載荷以及ROV 油氣業(yè)應(yīng)用等的影響力最大

全球水下潛器技術(shù)開發(fā)方向中影響力最大的為AUV 布放回收、通用技術(shù)、載荷以及ROV 油氣業(yè)應(yīng)用。其中，AUV 布放回收技術(shù)一直是專利關(guān)注的熱點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注AUV 回收系統(tǒng)、智能布防領(lǐng)域；AUV通用技術(shù)專利布局集中在導(dǎo)航定位方法及供電方式，其中組合導(dǎo)航、無線充電等專利引用較多、布局較廣；AUV 載荷主要是基于AUV 搭載功能傳感器，實(shí)現(xiàn)海洋地球物理數(shù)據(jù)方面的采集及地質(zhì)勘測等；ROV 在油氣業(yè)中的應(yīng)用較多，是油氣業(yè)中水下作業(yè)的“手”，國外企業(yè)進(jìn)行了廣泛的專利布局，主要集中在海底管道修理和海底采油應(yīng)用。

5.4 中國水下潛器的理論研究仍需加強(qiáng)

中國的水下潛器研發(fā)活躍、產(chǎn)出豐富，是領(lǐng)域內(nèi)重要的貢獻(xiàn)者，但從高被引論文來看，尚缺乏關(guān)于水下潛器領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的理論研究，如水下聲學(xué)、深海科學(xué)等，相關(guān)研究仍主要出自美國高校院所和部分歐洲高校院所。在技術(shù)開發(fā)方面，基于相關(guān)專利的海外布局、法律狀態(tài)、同族被引次數(shù)以及價值估值等評價指標(biāo)分析顯示，重要的專利仍然集中在歐美的企業(yè)當(dāng)中，中國在ROV 相關(guān)電纜技術(shù)、ROV 油氣業(yè)應(yīng)用技術(shù)方面鮮有專利布局；同時，根據(jù)對專利的內(nèi)容分析，國內(nèi)專利的主題詞集中在“方法”“算法”，海外的專利主題詞更集中在“系統(tǒng)”“組件”“載荷”等方面。可見，中國在水下潛器領(lǐng)域中的理論研究以及海洋調(diào)查、海洋科研、海洋工程領(lǐng)域產(chǎn)品市場競爭力等方面仍滯后于領(lǐng)先國家。