无人船在海洋调查领域的应用探讨

滕寿仁 吴文彬 李海洋 韩晓涛 王晓亮

（辽宁省地质矿产研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110032）

一、引言

无人船是一种可执行某项或某类任务，并基于任务目的进行功能设计的水面机器人，最初主要用于军事领域，如协助完成警戒巡逻、情报收集、监视侦察、扫猎雷、探潜、火力打击和充当通信中继等战术支持任务。近年来，无人船在民用领域广泛投入使用，执行水体探测、海上搜救和海底打捞等任务。

无人船最早在二战时期作为一次性的制导武器投入使用。进入21 世纪之后，随着通信和人工智能等技术的发展，制约无人船发展的技术瓶颈得到解决，无人船高速发展，在军用和民用领域不断有新产品问世。美国和以色列的无人船项目研究较早，技术领先，其产品主要应用于军事领域。目前全球约有50 种无人船平台，其中军用占70%,美国占50%.2008 年，通用动力公司为美国海军交付2 艘“港湾”级反潜无人船，主要用执行反潜任务；2012 年，美国展示新型无人船“食人鱼”，该船具有扫雷、探测和攻击等功能。

二、无人船在海洋调查领域的应用

当前在海洋调查领域，调查设备和作业手段方面已有很大进步，但受调查平台自身局限性的制约，在一些特殊的、危险的水域内，调查工作仍难以开展或采集到的数据较差。在浅滩、水库和近岸水域等调查区，常规海洋调查船的体积较大，吃水较深，一般无法到达，有发生倾覆、翻船等危险事故的可能性，会造成人员伤亡和设备损失；在测量水下地形时，仍以人员操控为主，受其理论水平和实际工作经验的影响，外业采集数据会存在一定的误差。根据调查现状，结合无人船机动灵活、安全、隐蔽性强等特点，可将无人船引入海洋调查领域，作为一种新型调查平台使用。根据海上作业的任务，将其分为海洋环境观测和海底探测2 类。

（一）海洋环境观测

目前海洋环境观测技术主要可归纳为浮标和潜标技术、岸基台站观测技术、船基海洋观测技术、海洋遥感技术、海床基观测技术和水下自航式海洋观测平台技术。以船舶为活动平台进行海洋温盐深测量，海流观测是主要方向。在用无人船观测海洋环境时，可搭载全球导航卫星系统GNSS)、以CTD 为代表的多参数剖面测量系统、气象观测系统、ADCP 和高光谱水质仪等模块，进行风暴潮、赤潮等灾害的监测，海洋动力环境的调查，深海浮标、潜标等的在线检定、标定。在进行海上工作时，无人船同时搭载多种任务设备，可进行综合调查；内置GNSS 定位，相比有人船循线更加精确；部分数据可实时回传，使用者可第一时间进行数据分析。目前无人船很少应用于海洋环境观测领域，主要是因为：

1.海洋环境观测用到的温度和盐度等数据，与水体深度有关，需对不同层次的水体进行取样或测量，而无人船平台体量小，搭载的空间有限，观测设备多为固定安装，因此在测量深度、取样数量等方面都受到限制，传统调查船平台反而更有优势。

2.有人船在进行海洋环境观测时受到海流、波浪和生物等因素的影响，经常要手动操控观测设备，以达到修正数据或规避风险的目的。而当前应用于无人船的控制技术还不够发达，在突发海况下，无人船的应变、自我调控能力不足，目前只能作为常规环境观测的补充手段，如要大量投入到环境观测中，还需要进行技术革新。

（二）海底地形地貌探测

水声探测技术是海底探测的主要手段，其基本内容包括声层析技术、声成像技术、高分辨率声学多波束测深技术、多功能海底地层剖面声探测技术和多媒体声通信技术等。用于海底探测的无人船搭载GNSS、单波束测深仪、侧扫声呐，合成孔径声呐、条带测深系统、浅地层剖面仪和投放式声纳等模块，可执行水深地形测量、海底目标物检测和沉积环境调查等任务。无人船平台具有远程遥控、全球定位系统（GPS)自动导航、自主航行和自动避障等功能，可在视距外作业。工作时，先在基站上下载作业水域的地图，输入坐标，规划测线，然后将任务下达给无人船，即可开始工作。作业过程中，可通过远程控制等方式调整侧扫声呐等测量仪器的参数。在浅水区、岛礁区和危化品区等常规测量船难以进入的区域可采用母船与无人船联合作业的模式来提升作业效率。2016 年6 月至8 月，TerraSond 使用C-Worker5 无人船结合32m 长的调查船Q105 在阿拉斯加白领海域进行海道测量。无人船作为力量倍增器，在大船旁边采集多波束和拖曳式侧扫数据，协同作业。5.5m 的无人船采集了4213km 的测线数据，完成了44%的工程量实现了业内第一生产效率。

三、结论

无人船具有机动、灵活、安全性高的特点，可弥补常规调查平台在环境复杂、工况恶劣的水域作业的局限性，故将其引入海洋调查领域，作为一种新的调查平台使用。目前无人船主要用于海底探测和海洋环境观测，受导航精度、控制技术、动力续航及船体材料等条件制约，多在内陆河流、湖泊及浅海区域作常规调查使用，如何在强风浪条件下保持船体的稳定性和安全性，降低平台对任务载荷的扰动，是目前各研究组织急需攻克的难题。可以根据水深、水动力和水底地形地貌等条件，将无人船的工作环境分为岛礁区、滨海区、浅海区、半深海区和深海区5 类。结合作业环境，以无人船的体量、吃水深度为依据，建议将其分为微型平台、小型平台、中型平台、大型平台、超大型平台。可以预测随着平台技术的不断进步，无人船最终可在搭载常规探测设备实现传统调查手段的基础上，实现搭载无人机、无人潜器和自升降浮标等，成为一种安全可靠的常规调查平台。