追寻“月亮号”沉船<br/>——法国深海考古的最新探索

追寻“月亮号”沉船
——法国深海考古的最新探索

2019-11-14邱丹丹

自然与文化遗产研究 2019年10期

邱丹丹

（法国巴黎一大先贤祠索邦大学，巴黎 75006）

2016年，法国水下考古研究中心迎来了成立五十周年庆典。他们在马赛历史博物馆举办了题为“海洋的记忆”大型回顾展。此次展览除了呈现50年来法国水下考古工作的主要成就，更首次向公众展示了法国深海考古“奔向月球”计划的阶段性成果及“海洋一号”（Ocean One）水下机器人。

1 法国水下考古研究中心

1966年，时任法国文化部部长的马尔罗（André Malraux,1901年9月1日—1976年11月23日）创建了法国海洋研究中心（DRASM），用以管理法国境内涉及海洋文化遗产的保护与考古发掘。1996年，DRASM与成立于1980年的国家内水考古研究中心（CNRAS）合并，成为今天的法国水下考古研究中心（DRASSM）。该中心隶属于法国文化部，主要承担保护、发掘、研究法国本土、海外省和专属经济区的水下文化遗产的工作。总部设于地中海畔的马赛市。DRASSM现有40余名在职研究员、实验人员及行政人员。

自1966年至今，法国水下考古研究中心发掘或调查过的水下遗址、沉船从不到50处（艘），到今天法国本土超过2万处（艘），专属经济区介于15万至20万处（艘）。特别是最近20年，法国水下考古的遗址研究范围不断扩大，从超过2.5万年的洞穴壁画到“二战”时期沉没的军舰，都被纳入法国水下考古研究中心的发掘与保护范围之中。

丰富的工作经验及长期积累的技术方法使法国水下考古研究中心走在了全世界水下考古界的前列。自20世纪80年代起，DRASSM被邀请或主动参与世界多个国家或地区水下遗址的调查与发掘，包括美国、埃及、加蓬、利比亚、马耳他、巴基斯坦、所罗门群岛、文莱、菲律宾等，为其他国家与地区的水下文化遗产的保护提供了专业性意见。近年来，中国水下考古取得了令人瞩目的成绩，DRASSM也积极寻求与中国同仁的交流与互动，2015年双方签订了合作协议，以增进相互间持续稳定的多方式、多种类的交流与合作。

从20世纪80年代起，法国水下考古研究中心已开始尝试在地中海的深海区域进行沉船探测[1]86。Cap Bénat 4号沉船位于法国南部土伦港外海328 m深处。1977年，法国海军潜水艇“格里芬”在执行任务时偶然发现了该船。1981年，DRASSM利用法国海洋开发研究院（IFREMER）的潜水器Cyana对沉船进行了一次快速考察。该遗址被350～400个安佛拉式罐覆盖，整体长15 m，宽5～6 m。此次考察中，Cyana成功取回了数件安佛拉式罐及其他器物[2]。随着水下遥控潜水器和水下摄影测量技术的不断进步，2015年Luc Long带领团队，对Cap Bénat 4号沉船重新进行了测量，并着手制作3D模型[3]。

20世纪90年代之后，法国水下考古研究中心将深海考古也纳入了其工作日程[4]，与其他机构和企业合作，不断尝试利用新仪器、新技术向深海遗址发起挑战。在与技术部门和私人企业多年的磨合中，法国水下考古学家取得了宝贵的实践经验，对深海考古技术需求更为明确，最终提出了必须要由考古学家来掌控水下机器人进行深海发掘的目标[1]88-89。在这一背景下，1977年发现的“月亮号”再次回到了法国水下考古学家的视野，不论是埋藏深度还是保存状况，“月亮号”沉船都是进行深海考古实验的最佳选择。经过5年的准备，2012年“奔向月球”计划成功立项。

2 “奔向月球”深海考古计划

2.1 官方合作机构

“奔向月球”深海考古计划的核心是对“月亮号”进行发掘，它沉没于法国土伦港外一处深达90 m的海域，曾是路易十四统治前期法国海军的重要战舰。这项计划由法国水下考古研究中心主导，与多家本国与他国科研机构和私人企业共同合作，从发掘到出水物修复保护，探索与测试深海考古所需的发掘技术手段。这些机构如下。

(1)法国海军。法国水下考古研究中心多年来与法国海军保持着密切的合作，从水下遗址的发现到设备的出借，法国海军为水下考古提供了相关帮助。在“奔向月球”计划中，法国海军除了在船舶、人员方面给予协助外，2012年10月，他们还提供了新一代深海潜水服Newsuit，使考古学家可以亲自在“月亮号”上发掘。

(2)法国海洋开发研究院（IFREMER）。作为法国水下考古研究中心最重要的合作机构，法国海洋开发研究院长期参与法国水下考古工作，特别是深海考古探查。在“月亮号”的发掘中，他们为考古队提供了包括自主水下机器人AsterX在内的水下机器设备。

(3)巴黎地球物理所下属的海洋地球科学研究团队。

(4)西班牙赫罗纳大学高等理工学院的水下机器人研究中心（CIRS）、计算机视觉与机器人技术研究团队（VICOROB）以及信息与应用研究所。他们为考古人员操作自主水下机器人“赫罗纳500”对“月亮号”拍照并制作3D绘图提供培训。2012年8月28日至30日完成第一批测量数据。

(5)国家高等先进技术学院（ENSTA）。该学院三年级学生Maylis Garcia暂驻法国水下考古研究中心，完成“完全适用于水下考古学家特定要求的水下航行器的可行性”研究工作。

2.2 私人企业合作方

除此之外，长期以来，法国水下考古中心还与多家私人企业保持合作。这些企业为DRASSM提供技术与资金支持。在“奔向月球”项目中，多家公司参与其中，包括：

(1)达索系统（Dassault Systèmes S.A）。作为一家法国软件公司，达索系统主要从事3D设计软件、3D数字化实体模型等业务，为航空、机械、电子等行业的软件系统提供服务与技术支持。该公司为“月亮号”的发掘提供了3D虚拟现实模拟与采用实际发掘数据重建的3D模型。DRASSM的最终目标是利用达索系统确保考古学家可以完全自主地调查与分析深海沉船，而不需要专业技术人员协助或从旁操作。

(2)A-Corros公司。该公司是法国水下考古研究中心的传统合作伙伴，主要为考古学家提供亚临界方法处理出水金属物。亚临界方法是使液体具有近似瓦斯的特性，可以大大缩短稳定金属器物的时间。2001年美国克莱门森大学的Mike Drews首次将这一方法应用到稳定考古器物上。经过论证，采用亚临界方法可使原本长达3个月的金属物稳定周期缩短到72 h。该公司已经接手了“月亮号”出土的部分金属品的处理工作，同时，DRASSM还与A-Corros合作筹建一台2 m3的实验机器，用以处理大型出水金属物，如舰载大型火炮等[1]96。

2.3 水下机器人团队

在“月亮号”发掘中最为重要的是水下机器人技术的试用。在“奔向月球”计划中，主要的两大水下机器人团队是：

(1)海事专业公司（Comex）。该公司是世界领先世界领先的工程，技术和水下机器人技术公司。从90年代以来，Comex多次参与到水下发掘之中，为法国水下考古学家提供机器人技术，如1990年，Sainte Dorothea号的发掘。这是一艘丹麦商船，1693年沉没于靠近法国尼斯72 m深的海域[5]。此次，Comex公司提供水下遥控潜水器“Achille M4”型和微型潜艇“Rémora 2000”协助提取沉船上的样本，并拍摄一部记录“月亮号”发掘工作过程的影片。

(2)美国伍兹霍尔海洋学研究所。成立于1930年的伍兹霍尔海洋学研究所是美国最大的独立海洋学研究所。其在“月亮号”发掘的工作内容主要是利用两个自主水下机器人“Remus 100”型，根据实际需要，对沉船系统地进行声学与3D摄影，以便考古学家有可供随时参考的精确到厘米，并标有准确沉积物位置的3D沉船图像。

3 “月亮号”沉没及发现始末

1639—1642年，“月亮号”建造于法国西南的南特或布雷斯特造船厂，随后在法国皇家海军服役。该舰全长43 m，宽10 m，重800 t。这艘拥有双层甲板的三桅战船在使用初期位列一级巡防舰，参与了法国海军一系列重要的海战，但在1664年最后一次出航前，由于船体老化，设备陈旧，被降为三级军舰。限于当时的技术条件，战舰的服役年限一般在15年。“月亮号”在沉没前已属于“超期服役”。根据资料显示，1647年，“月亮号”上配备有36门火炮。在1664年出发前往地中海南部时，装备了48门火炮，350名船员，包括5名军官、150名水兵及100名军士①Institut français de la mer,Objet:Le destin d’une frégate du roi soleil,Fiche documentaire n° 4/12,p.4.。

17世纪的地中海，特别是北非沿岸，海盗活动猖獗。各国海军纷纷对其进行围剿，但收效甚微。1664年，为了打击位于阿尔及利亚北部卡比利亚的海盗巢穴，法国海军国务大臣柯尔贝尔（Jean-Baptiste Colbert，1619年8月29日—1683年9月6日）决意发动吉杰勒远征（Expédition de Djidjelli），其目的是占领吉杰勒，构建军事堡垒，使其成为进攻北非海盗的前沿阵地。这支由63艘军舰、近9 000人组成的庞大远征军于1664年3月在土伦港开始集结，7月2日离开土伦港向吉杰勒进发。远征军由达加涅伯爵加利安（Charles-Felix de Galéan，1620年—1700年1月6日）领导，然而国王的堂兄旺多姆公爵（Fran.ois de Bourbon-Vend.me,1616年1月16日—1669年6月25日）却拥有最高决策权。这种复杂的指挥关系间接导致了此次远征的败绩。

远征军遭遇了海盗的强烈抵抗，海盗甚至还得到了来自阿尔及尔的土耳其军队的支持。10月，战事进入胶着状态，“月亮号”正是在这一时刻启程前往战区运送补给。然而当它于10月22日到达时，远征军大势已去，溃败在所难免。10月30日，“月亮号”载着尚未卸载的补给装备及救起的皮卡第军团约800名官兵，返回土伦。此时，船上人员总数近1 200名。

由于超载，“月亮号”老旧的船体在11月6日到达土伦时，已经开始进水，并且由于大量人员挤占空间导致无法维修。雪上加霜的是，土伦此时正遭受鼠疫的侵袭，海军部决定让包括“月亮号”在内的4艘船到附近的波克罗勒岛（île de Porquerolles）隔离。尽管“月亮号”的指挥官提出了抗议，但海军派来的两名高级造船工却认为该船尚可进行短距离航行。“月亮号”别无选择，被迫前往波克罗勒岛，最终在卡尔屈埃拉纳（Carqueiranne）西南方被阵风掀翻，“像一块大理石一样”沉入海底。此次海难导致约800人丧生，皮卡第军团的部分士兵在“月亮号”沉没前被转移至“麦格尔号”（Le Mercœur），另有不到100名幸存者被跟随“月亮号”的小型护卫舰救起。

在之后长达300多年的时间里，“月亮号”消失在了历史的汪洋中，直到1993年5月15日，法国海洋开发研究院在土伦海域的卡尔屈埃拉纳进行潜水测试，潜水器“鹦鹉螺号”意外在90 m深处发现了一艘三桅沉船残骸。在得到IFREMER通知后，法国水下考古研究中心随即派人进行实地考察探测，大量的水下照片证明该船保存相当完好，部分船体覆盖于海底沙体中，其应该就是1664年沉没的“月亮号”。第一次考察之后，DRASSM认为以当时的技术条件，尚不具备发掘的可能性，最好的办法是原址保护，待时机成熟之时再使其重见天日。1994年1月27日，“月亮号”遗址范围被划为禁潜海域。1997年DRASSM再次派出潜水器对“月亮号”进行探测，为最终的发掘计划做进一步准备。2012年，“月亮号”重新在考古学家与公众面前亮相。

4 “月亮号”的发掘与水下机器人技术的应用

2007年，在研究“奔向月球”计划可行性的同时，为适应日后装配水下机器人及深海考古设备的需要，法国水下考古研究中心投入设计了一艘新型考古科研船——“马尔罗号”（André Malraux），替代自1967年服役的“考古螺号”。

4.1 “马尔罗”号考古科研船

“考古螺号”科研船是法国第一艘专门用于水下考古调查和发掘的科研型船只，长29.32 m，宽6 m，吃水深度2.6 m，排水量112 t，最大载人16人，包括5～9名船员。船上配备有一台液压起重机和雷达以及小型考古工作室等基本设备。该船1967年下水，在行政上其隶属于法国文化部，交由法国水下考古研究中心（当时的法国海洋研究中心）使用，但其船上设备与船只维护则是由法国海军资助与支持。1997年，由于资金问题，法国海军不再为“考古螺号”提供设备，在被拆除所有设施后，考古船不得不提前退役。直到1998年6月，法国文化部找到一家私人机构FOSELEV为船只装配设备及提供养护，“考古螺号”才得以继续出海。

然而随着法国水下考古工作的日益繁重，“考古螺号”不可避免地显出疲态、跟不上工作的脚步，并逐渐成为拖累法国水下考古研究中心的包袱。“‘考古螺号’最主要问题是它吞噬了几乎所有DRASSM的预算，但却无法离开马赛，甚至连马赛周边海域都无法前往”，“它就是一艘不再适合发掘的老旧船只，大多数时候，它只被当成餐厅使用”②Michel L’Hour,De L’Archéonaute à l’André Malraux,Portraits intimes et histoires secrètes de l’archéologie des mondes engloutis,Arles,Actes Sud,2012,pp.84.。因而，法国水下考古中心决定让这艘见证了法国水下考古起步腾飞的“考古螺号”在2005年退役，以腾出预算建造一艘更符合现今和未来水下考古发展的新科研船。

2006年开始，DRASSM与马赛的船舶设计公司Mauric一起探讨新考古船的建造方案。法国水下考古研究中心的预期是建造一艘符合未来50年科研要求的船只。经过3年的反复讨论和研究，在征求了考古学家和船舶建造师及海军、船员等外界人士的不同意见之后，最终设计方案在2009年交由位于拉西奥塔的H2X船厂建造。“马尔罗号”的总造价最终达到900万欧元。每年使用9～11个月，累计270～320天，每年30万～35万欧元使用费。

“马尔罗号”考古科研船具有复合塑料外壳，长36.3 m，宽8.85 m，吃水3.2 m，排水量275 t，工作甲板面积达到70 m2。柴电推进，可保证低速运行下不堵塞发动机，最大速度设计为13节。由于使用了轻型材料，“马尔罗号”最大限度地减少了船员人数（船员仅有5人，包括1名厨师），使科研队伍人数得到极大地增加（可搭载最多26人的潜水及研究团队）。

该船在设计之初就是为了承载今后水下考古工作中使用的更多新科技与技术设备，因而“马尔罗号”较之“考古螺号”增添了更多先进仪器设备平台及预留位，其舱内工作空间也得以扩大。“马尔罗”号具有一台起重机和一台重达6 t的龙门，用以起吊或牵引水下考古及测量设备。工作甲板上有信息处理、高压氧舱、科学仪器等专属位，并可停放6 t以下的小型潜水艇。“马尔罗号”在设计时特别提高了对船只稳定性的要求，以便能适应不同海况下的工作。特别是在深海发掘时，多台设备同时下潜，需确保每台设备电缆不会因波动而互相纠缠。另外，“马尔罗号”上的设备具有通用性和多功能性，可供不同科研团队同时在船上作业。

2012年1月24日，“马尔罗号”正式交付法国水下考古研究中心，而其最重要的任务——“月亮号”的发掘也于同年3月份全面展开（图1）。

4.2 “洋一号”水下机器人

经过多年借用军事或工程用水下机器人进行考古发掘后，法国水下考古学家意识到这些机器人并不符合水下考古专业的作业要求。更重要的是，考古学家在现场提出的意见往往会被机器人的设计者或操控者视为非专业、不懂科技的表现。设计、使用一款能够模拟人类动作，进行符合考古发掘规范发掘，且方便耐用，不需要专业人员在场，可由考古学家独立操作的水下机器人就成为法国水下考古研究中心追求的目标。美国斯坦福大学、KAUST的红海研究中心与MEKA Robotics合作开发的Ocean One，随之进入了考古学家的视野。

Ocean One是一种双手受力控制的人形机器人，在海洋环境中可提供实时直观的触觉交互。其最初的设计理念是创建一个身体具有高度自主权的机器潜水员，并可与人类专家通过直观的界面互动，其先进的技术可使与其所处环境进行交互[6]。法国水下考古研究中心在见过“海洋一号”的原型机后，对其表示出了浓厚的兴趣。在这之后，斯坦福大学研究团队与DRASSM不断协商，最终确定了将“海洋一号”用于“月亮号”的发掘实验中，共同开发水下考古机器人。

在与法国水下考古研究中心的工作接触中，“海洋一号”研究团队不断改进，建造出符合考古发掘要求的机器人。Ocean One是将替代人类考古学家完成在超过50 m深度的海域执行调查发掘任务的机器人，它能够完成人类潜水员的常见操作，包括器具组合、提取遗址样品及遗物、清理沉船及遗址表面等，这对于机器人手精细动作的要求极为苛刻。

在设计上，“海洋一号”集导航与双向操作与立体视觉功能于一体。其下半身是高效的水下导航器，上半身则保留人形，通过触觉-视觉界面与环境互动③Idem,pp.22.。机身两侧各有4个推进器，其中4个控制偏移和平移运动，4个用于控制垂直平移、俯仰和横滚，其能够保证单一推进器发生故障时，其余推进器仍可实现完全的机动性。“海洋一号”的每条手臂有7个关节，采用的是符合7个自由度的电动扭矩控制臂，具有极高的扭矩能力。同时，手臂上还装有串联弹性执行器，可提供扭矩反馈，以增强接触式操作的顺应性运动、力控制和安全性[7]。在斯坦福大学的实验中，为了使Ocean One手指能够更为灵活地抓取，他们抛弃了使用刚性夹具的设计，而是采用更为柔和的、相对紧凑而轻便的三指系统[8]。这一系统在不降低手臂有效荷载的情况下，其几何形状可更好地获得各种常见的抓握力，包括对框架或工具以及更细小的器物的精准捏紧动作。为了简化布线以及便于控制，“海洋一号”的双手各使用1个单向驱动马达。整个机器人的重量控制在200 kg以下。

在操控方面，“海洋一号”的全身控制器依赖于通过弹性计划和任务原始模块生成的任务目标。由弹性规划允许实时修改路径，以响应环境中不可预见的变化[9]。全身控制器在处理约束，避免碰撞的同时实现运动和多触点任务目标,使用宏——迷你高带宽控制策略来协调身体的手臂运动。该实时控制器运行具有1 kHz的感官反馈，可实现与环境的高响应性交互。手部的相互作用力通过安装在每个手腕上的6个自由度力/扭矩传感器来感应。关节位置使用光学测量编码器，同时使用惯性测量单元（IMU），深度传感器估算身体的位置和方向和多普勒速度记录（DVL）。这一系统设计旨在允许人类用户与机器人进行交互，并使人类可在任何级别的抽象任务中进行干预。一方面，触觉设备将交互作用力直接输出到全身控制器。机器人模仿操作员的动作并分享操作员的感知，操作员同时，也看到和感觉到机器人所看所感；另一方面，机器人通过弹性规划和原始任务模块，自主执行由操作员制定的计划。接口设计利用两个Sigma.7设备尽可能规避远程延迟，保证向用户提供了高保真触觉反馈[10]。

2016年，“海洋一号”正式机投入“月亮号”发掘实验中。在水中，Ocean One有3个遥控潜水器从旁协助：1台中型工作级Perseo（配备有5kW LED照明系统）、1台Sony高清专业摄像机、1台用于静止图像拍摄的Nikon D810；位于Ocean One上方3 m处绳索上的、由LIRMM设计的伦纳德研究平台上，装有向下看的摄像头进行跟踪；阿喀琉斯潜水器用于应对额外摄影需求。在“马尔罗”号控制室的操作员负责协调水下洋流中4台设备的间隔，并控制绳索的收放。

2016年4月在对“月亮号”遗址的测试中，4月11日，“海洋一号”首先被下放在海下15 m的地方，进行系统测试。首先测试了Ocean One双手在水中的操控力，包括操作1条绳索和抓住1个塑料箱子，它还成功与人类潜水员进行了手势互动。4月12日，“海洋一号”下潜到“月亮号”遗址。由于洋流作用，Ocean One左手肘和前臂被卡在一门大炮之下，仅靠下半身的推进器无法使其脱身。最后，在触觉交互中，“海洋一号”成功使其手臂获得自由。在返回“马尔罗号”进行检测之后，4月15日，Ocean One重返“月亮号”，并最终成功在指定区域取回1个陶罐④Idem,pp.32.。

这是“海洋一号”在深海发掘中完成的首次测试。它的成功标志着水下考古学家与机器人的合作进入了新阶段，机器人代替人类到条件更恶劣、更危险的环境中工作，并达到考古学家的发掘水平；同时也证明机器人将实时的感官感受传导反馈给人类的设想，已不再是遥不可及的梦想。