深海潜水器国际标准的方向研究

岳宏 王立志 刘凯茜

摘 要：当前深海潜水器已是国际海洋科学研究的基础，其主要分为载人潜水器、无人遥控潜水器和无人无缆潜水器。潜水器涉及的技术和学科广泛，在产业化和市场化日益增长的趋势下，不断推进相关领域的国际标准化发展，既是推进技术发展的重要途径，也是占领配套设备市场和相关技术话语权的关键举措。而研判潜水器领域技术发展热点与工程实际需求，是把握国际标准研制方向的重要方法。本文通过总结当前国际标准研制内容，梳理潜水器领域国际标准研制的四个阶段，对标分析国际国内的标准覆盖范围差异，明确了深海潜水器国际标准研制的发展方向，并提出潜水器相关领域国际标准项目推进的总体思路。

关键词：深海潜水器，国际标准，海洋技术，无人潜水器

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.015

基金项目：本文受“潜水器设计与试验重点标准研究”（项目编号：CY04N20）资助。

Research on the Direction of International Standards for Deep-sea Submersibles

YUE Hong1，2 WANG Li-zhi1，2* LIU Kai-xi1，2

（1. China Institute of Marine Technology & Economy； 2. Standardization Research Center， CSSC）

Abstract： At present， deep-sea submersible is the basis of international marine scientifi c research， which is mainly divided into manned submersible， remote control submersible and automatic unmanned submersible. Submersibles involve a wide range of technologies. In the context of industrialization and marketization， promoting the development of international standardization in related fi elds is not only an important way to advance technology， but also improve supporting equipment and related technologies. It is an important method to grasp the development direction of international standards by judging the technical development hotspots and practical needs of the submersible field. By summarizing the content of current international standards， this paper sorts out the four stages of the development of international standards in the field of submersibles， analyzes the differences in the coverage of international and domestic standards， and puts forward the general idea of promoting the development of international standards in the fi eld of submersibles.

Keywords： deep-sea submersible， international standard， marine technology， unmanned submersible

先進的深海潜水器技术与装备是海洋强国的基础，由于潜水器具有技术内容广泛、学科交叉多的特点，其不仅包括传统的建造技术，还涉及材料科学、水声通信、控制电子、成像技术和智能控制等重要技术领域，所以潜水器关键技术在基础共性、信息及通信技术应用、设计与建造、试验、系统及设备、作业支持、运营管理等领域均有所涉及，对配套支撑标准也提出了更高的发展需求。

国际海底管理局（ISA）在《2019-2023年战略计划》中鼓励区域内的海洋科学研究，并为发展中国家海洋科学能力建设和综合参与提供业绩指标的规划。美、英、德等海事领域先进国家也不断推进载人和无人潜水的研究进度。面对当前国际海洋科学领域竞争日益激烈的形势[1]，为进一步固化研究成果，促进海洋技术领域弯道超车，打开国际高端海工装备市场，引领中国制造“走出去”，需要推动国内海洋科学优势技术领域走出国门，形成高质量国际标准，占领技术标准高地。

1 国内国际现行潜水器标准

在中国标准分类中，潜水器涉及到船舶理论与船模试验、甲板机械、船舶用材料及其检验方法、造船用其他设备、基础标准与通用方法、小型船总体、海洋学、供应与使用关系、救生设备、医疗器械综合、船体通用结构、救助与打捞、船舶电气、观通、导航设备综合、消防救生、辅助工具、泵、海洋石油作业、海洋石油作业用设备、船用发电、变电与配电设备。当前我国主要的潜水器标准如表1[2]所示，国家、行业标准覆盖了潜水器的试验方法、材料、控制系统、制造工艺和人员培训等多个技术领域。

當前国际上潜水器海洋技术领域的标准化工作主要集中于国际标准化组织船舶与海洋技术委员会（ISO/TC 8）下属的海洋技术分委会（ISO/TC 8/ SC 13）[3]，其研制范围为“用于海洋和海域观测、开发和保护的设备、系统、基础设施和技术的测试方法、操作、设计、建造和物流的标准化”，下设包括“潜水器”在内的四个工作组。表2[4，5]总结了包括传感器相关设备在内的潜水器国际标准项目，ISO/TC 8/SC 13技术委员会中潜水器相关国际标准如表2中1～5项所示。声学委员会水下声学分委员会（ISO/ TC 43/SC 3）负责水下声学领域的标准化，包括测量水下声学现象的方法、水下声波产生、传输和接收，以及其对人和环境的影响，其与TC 8/SC 13互为联络组织，相关国际标准如表2中6和7项。结合潜水器的实际用途，在包括海上石油开采、海底勘探等领域还有部分潜水器相关国际标准，例如石油和天然气工业技术委员会（ISO/TC 67）完成的ISO 13628- 8：2002为石油和天然气行业海底生产系统的遥控潜水器（ROV）接口提供了功能要求和指南。同时，IEC的物联网、信息技术和水声等技术委员会也围绕潜水器水听器、磁场区域网和通信网络建设制定了12项国际标准。

2 深海潜水器主要技术元素和发展方向

潜水器领域标准化的发展方向与前沿技术的发展趋势联系紧密，分别辨析载人潜水器、无人遥控潜水器和无人无缆潜水器三个主要技术领域的技术内容和发展方向是掌握国际标准发展方向的基础。图1展示了三种不同潜水技术领域的差异化技术内容，其中载人潜水器的技术内容包括水下导航定位技术、总体设计规划、生命支持系统、复合新材料、水面支持技术和大容量电池技术等。无人遥控潜水器的技术内容包括总体设计、吊放回收、信息传输系统设计、操纵控制系统和传感器与作业系统等。无人无缆潜水器包括的技术内容包括承压结构与密封技术、推进与操纵、水下导航定位、水下通信技术、安全自救技术、能源技术、浮力调节、布放回收技术、智能规划与控制技术、系统控制、水下探测作业技术和总体方案设计。

在当前潜水器向着深海化、多功能化、智能化、无人化发展的趋势下[6]，ROV和无人无缆潜水器（AUV）长航程无人作业成为技术发展的目标，载人潜水器（HOV）则对浮潜速度、电池能源性能提出更高的要求。基于以上技术发展目标，可以分析得出具体的热点发展领域。

2.1 新型高性能电池

潜水器适用的耐压电池模块包括银锌电池、锂电池和燃料电池等[7]，电池的综合性能对于潜水器的人员安全、水下作业效率和行进速度意义重大。可以预见，面对潜水器长航程的需求，未来长续航、高比能量、高安全可靠性的电池技术将会是研究的热点领域，相关的国际标准预计将会与IEC/TC 21（蓄电池和电池组）、IEC/TC 35（原电池）、IEC/TC 108（电子产品安全）、ISO/TC 301（能源管理和节能）和ISO/ TC 197（氢技术）等技术委员会深度融合，并结合潜水器的高压环境和特殊安全要求开发。

2.2 复合导航定位技术

作为保证潜水器精准开展水下作业和实现安全返航的技术基础，采用多种方式进行的复合水下导航定位是极具前景的关键领域。当前主要采用的传统导航定位方式包括惯性导航系统和超短基线定位，由于深海环境缺少参考物，使用单一的导航定位方式具有局限性[8]，未来潜水器的导航定位技术将会是传统与新型导航方式的结合，其中新型导航方式包括地形轮廓跟随导航、重力磁力匹配导航、海底地形匹配导航和其他地球物理学导航技术等[9]。

2.3 水下通信技术

由于水下特别是深海环境，具有传输带宽窄、噪声干扰严重、多径效应复杂等信号传输的不利因素，高效的水下通信技术对于潜水器领域的未来发展至关重要。为平衡通信效率与成本，当前水声通信技术占据着主流，具体包括典型的水声扩频通信、水声多进制频移键控（MFSK）通信、水声正交频分复用（OFDM）通信技术等[10]。未来预计随着各单项技术不断发展成熟，水声通信组网技术将会是发展热点，具体在深潜领域，发展方向包括远程和超远程低速通信技术、协同观测技术以及远海网络观测通信耦合技术。

2.4 智能规划与控制技术

为满足潜水器在水下未知环境中自主完成一定的作业任务，需要潜水器具备自主决策和控制的能力，据此可以将潜水器分为四种[11]：时空分解结构、情景评价体系结构、智能递降结构和行为响应结构。大部分的潜水器是基于时空分解结构或行为响应或两者结合，基于潜水器自主控制一般逻辑（如图2所示），设计不同的任务规划、路径规划、局部路径规划、运动控制方法和跟踪控制方法等技术内容，实现潜水器的自主控制。相关领域的算法和技术发展近年来迭代迅速，随着复合高精度、快收敛控制技术的进一步成熟，智能规划与控制技术实用性将进一步提高，以此为基础的各类型水下机器人的组网编队对海底观测、军事目标探测的应用，将是未来的一个重大发展方向[12]。

3 深海潜水器国际标准发展方向

结合深海潜水器的技术发展方向，以及国际标准发展的一般规律，可以预测潜水器领域国际标准的发展阶段：第一阶段在潜水器安全结构方面形成标准，包括潜水器压力测试方法（如ISO 21173：2019）；第二阶段在潜水器性能、操作、测试方法方面形成标准（如ISO 22252：2020）；第三阶段在重要部件制造技术方面形成标准，包括潜水器的观测、导航、声学部件（如ISO 22013：2021等）；第四阶段在不同部件的软硬件接口方面形成标准（如ISO/IEC 30140-4：2018）。对标国际国内标准的覆盖范围如表3所示，国内标准覆盖的潜水器相关领域范围更广，这符合国际标准需要凝聚大部分共识、研制难度大的特点，同时关于核心部件之间软硬接口和水下通信网络等领域，国内相关标准较少，此领域同样是国际标准第四阶段发展的方向。

国际标准的研制过程中，除了与研制热点契合的技术领域外，当前亟待研究解决的工程技术问题也是国际标准研制的重要方向。随着各国在潜水器领域的不断探索，对快速潜浮技术标准、人机环境设计技术相关标准和浮力材料技术相关标准的需求逐渐提升。其中快速潜浮技术要求潜水器在无动力下潜上浮的基础上，开发推进器协助潜浮或基于水下滑翔原理的快速潜浮技术，目前该领域标准数量较少，仅2022年10月12日发布GB/T 42059-2022《水下滑翔器系统试验方法》为水下滑翔技术试验方法提供指南；人机环境设计技术涉及人机工程学、工业设计、测量学、心理学、行为学、材料学、噪声学和色彩学等多种学科[13]，可以为潜航员或乘客营造舒适的工作、生活环境，以改善深海恶劣外部环境对人员的心理负面影响，但是当前的国际标准更多聚焦于人身与设备安全，对此领域关注仍然不足；耐高压、低密度、低吸水率、高安全性的浮力材料是潜水器安全、机动性能的保障，但是目前尚无相关国际标准研制，国内浙江制造团体标准于2021年开发T/ZZB 2439-2021《深海用固体浮力材料》填补了该标准发展领域的空白。

4 结 语

潜水器技术是未来海洋资源开发和竞争的关键技术，当前潜水器设备的产业化和市场化趋势日益明显，不断推进相关领域的国际标准化发展，既是推进潜水器技术发展的重要途径，也是占领配套设备市场或相关技术话语权的关键举措。结合技术发展热点与工程实际需求，可以初步判定潜水器领域国际标准的发展方向包括：新型高性能电池、复合导航定位技术、水下通信技术、智能规划与控制技术、快速潜浮技术、人机环境设计技术和浮力材料技术。以上领域主要涉及潜水器的性能要求、核心部件要求和多平台接口规范，而国内潜水器国家标准、行业标准和团体标准已经在相关前沿领域有一定的技术积累，为进一步推进技术内容达成国际共识，加快国际標准研制奠定了基础。在国际标准项目推进过程中，需要充分研判可行性，了解不同的技术委员会的工作特点，分析ISO路径、IEC路径或IOGP路径（部分海上石油相关国际标准路径）的适用性，着力在潜水器性能和核心部件性能领域，加快国际标准研制速度，不断接近世界标准舞台的中央，日益焕发出国际化、引领性和创新发展的势头[14]。

参考文献

[1]赵羿羽，曾晓光，金伟晨.海洋科考装备体系构建及发展方向研究 [J].舰船科学技术，2019，41（19）：1-6.

[2]中国标准服务网 [DB/OL].[2022-11-08]. https：//www.cssn.net. cn/cssn/index.

[3]马乐天，王瑶，姜磊，等.海洋技术国际标准化工作的现状及其发展趋势 [J].中国造船，2021，62（3）： 258-66.

[4]International Electrotechnical Commission [DB/OL]. （2022-11-08）[2022-11-08]. https：//www.iec.ch/homepage.

[5]International Standardization Organization [DB/OL]. （2022-11-08）[2022-11-08]. https：//www.iso.org/home.html.

[6]吴有生，赵羿羽，郎舒妍，等.智能无人潜水器技术发展研究[J].中国工程科学，2020，22（6）：26-31.

[7]张怀亮. 船用锂离子电池成组技术综述 [J]. 船电技术，2020， 40（4）： 30-4.

[8]郑海华.基于视觉的平地探测机器人避障研究 [D].长沙：中南大学， 2014.

[9]徐玉如，李彭超.水下机器人发展趋 [J].自然杂志，2011，33（3）： 125-32+2.

[10]张铁栋，姜大鹏，盛明伟.无人无缆潜水器技术[M].上海：上海交通大学出版社，2018.

[11]Demetrious G A. A hybrid control architecture for an Autonomous underwater Vehicle [D]. Louisiana， USA： University of Southwestern Louisiana， 1998.

[12]于洋.智能水下机器人技术研究现状与未来展望 [J].电子制作， 2019（4）：24-5+55.

[13]徐伟哲，张庆勇.全海深潜水器的技术现状和发展综述 [J].中国造船，2016，57（2）：206-21.

[14]李彦庆.船舶与海洋领域国际标准化的未来 [J].中国标准化， 2022（15）：18-21.

作者简介

岳宏，硕士研究生，工程师，研究方向为船舶与海洋工程标准化。

王立志，通信作者，硕士研究生，助理工程师，研究方向为船舶与海洋工程标准化。

（责任编辑：张佩玉）