海洋开发，水下机器人大有可为

朱帅

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。近几年，我国水下机器人产业发展迅速。就水下机器人未来的发展趋势而言，技术创新是永恒的主题，AUV的智能化和续航能力是关键，海洋渔业领域是未来的蓝海，消费级领域前景可期。

7月26日，搭乘“科学”号远洋综合科考船的“发现”号遥控无人潜水器与“探索”号自治水下机器人同时在南海北部下潜作业，这也是我国首次实现两类无人潜水器同时海底作业，再一次引发了人们对于水下机器人的关注。

随着经济全球化的发展和开放型经济的形成与深化，海洋作为国际贸易与合作交流的纽带作用日益显现，在提供资源保障和拓展发展空间方面的战略地位更为突出。作为发展中的海洋大国，我国在海洋有着广泛的战略利益，在此背景下水下机器人大有可为。

水下机器人产业发展迅速

水下机器人是一种潜水器，用来代替人在海洋环境中完成任务。对于潜水器来说，可以分为载人潜水器（HOV）和无人潜水器（UUV）两类。狭义上的水下机器人仅指无人潜水器，是用来代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统。

按照与水面支持系统间联系方式的不同，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。

有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，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。

潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。由于细长的电缆悬在海中较为脆弱，极大地限制了机器人的活动范围和工作效率。

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。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。

操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。

在我国，水下机器人研究工作从20世纪70年代末起步，至今已经走过了接近40年的历程。1979年，以蒋新松为首的团队在国内最早提出“智能机器人在海洋中应用”。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”。 1994年，在863计划的支持下，沈阳自动化研究所成功研制了“探索者”号无缆水下机器人（AUV）。

现在，我国已经有多个单位从事自主水下机器人的研究开发，并且不断扩大应用领域，产业呈现快速发展的局面。

在军事领域，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。

在科考领域，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。

在安全搜救领域，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。

在海洋石油开发领域，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。

在检测修理领域，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。

未来发展趋势

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。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，拥有广阔的发展前景。

技术创新将是永恒的主题

作为一种技术密集性高、系统性强的工程，水下机器人主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通信、能源系统六大技术。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。

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。

AUV的智能化和续航能力是关键

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。

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。

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。

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。

综上所述，在政府引导，企业主导的原则下，水下机器人在海洋环境监测、海洋资源开发、防灾减灾，以及保障海洋环境安全方面大有可为。