我國海洋調查裝備技術的發展

牟健

(1.國家海洋局南海分局 廣州 510300；2.國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室 廣州 510300)

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我國海洋調查裝備技術的發展

牟健1，2

(1.國家海洋局南海分局 廣州 510300；2.國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室 廣州 510300)

隨著人類海洋調查活動的不斷加強，國內外對海洋調查裝備技術日益重視，已經把不斷完善和改進海洋調查裝備技術作為海洋科學技術發展的重大學科方向。文章介紹我國海洋調查裝備技術的發展歷程，對影響我國該項技術發展的主要因素進行分析，并對未來發展趨勢進行預測。

海洋調查；裝備制造；遙感技術；立體觀測；網絡智能

1 海洋調查裝備技術概述

隨著科學技術的進步，海洋已經成為人類活動的重要空間。海洋作為地球上最大的資源寶庫，蘊藏著豐富的資源，其中油氣資源、礦產資源、生物資源、化學資源、空間資源和可再生資源等為人類社會的發展提供無窮的動力。開發和利用海洋資源離不開對海洋的內在規律進行全面調查，然而由于海水的隔離，人類對海洋的調查、開發和利用均受到極大限制。為突破這種限制，各種海洋調查裝備應運而生并迅速發展。

海洋調查是指用各種儀器裝備直接或間接對海洋的物理學、化學、生物學、地質學、地形地貌學、氣象學和其他海洋狀況進行研究的手段，是針對海洋某一特定海區的水文、氣象、物理、化學、生物、底質和地形地貌的分布情況和變化規律進行的科學調查。海洋調查裝備一般包括水文氣象設備、海洋化學與生物采樣設備、導航定位設備、海洋地質采樣設備、地形地貌地球物理調查設備以及浮標潛標、拖曳體、水下機器人(ROV)、有人/無人潛器(AUV)等設備，各種調查任務要按照調查項目的具體需求來配置相對應的調查裝備[1]。

世界海洋調查裝備技術隨著現代化高新技術的發展而不斷更新換代，大致可分為3個階段：第一階段為20世紀70年代以前，主要以機械式裝備為主，這類裝備普遍體積較大、操作使用比較復雜、作業時需要大量人力物力、測量精度和穩定性較差，如顛倒采水器、閉端顛倒溫度表、手搖絞車等；第二階段為20世紀70年代至今，隨著電子計算機技術、聲學技術和傳感器技術的快速發展，逐漸形成以電子計算機和自動化為主的裝備，此類裝備已經實現小型化和模塊化、外業操作使用較為簡單、能夠自動測量和采集數據、人工大為減少、精度和穩定性較高，目前已得到普及應用，如溫鹽深儀(CTD)、多普勒流速儀(ADCP)、多波束、側掃聲吶、淺地層剖面儀等；第三階段為從現在開始到未來，隨著網絡技術、通信技術和遙感技術的快速發展和廣泛應用，今后海洋調查裝備將主要在第二階段的基礎上，逐步發展成為以遠程監控、實時傳輸為主的智能化網絡化裝備。

2 我國海洋調查裝備技術的發展歷程

在20世紀50年代初期，我國還沒有專門從事海洋調查裝備研制工作的人員和單位，當時只是根據海洋調查和觀測的需要，由一些單位臨時制造海洋裝備供本單位使用，并無生產能力。這一時期國內所需要的海洋調查裝備絕大部分依靠進口。

為滿足我國第一次大規模海洋綜合調查的急需，國家科委海洋綜合調查辦公室專門組織力量，開展一些基本海洋調查裝備的研制生產工作。這一時期主要是仿制國外某些常規產品，研制生產的裝備是純機械式，如顛倒采水器、閉端顛倒溫度表、厄克曼海流計、海水透明度盤、手搖絞車、生物網具、采泥器、重力垂直取樣管、表面流浮筒、表面水銀溫度表和氯度滴定管等。

為落實海洋科學發展規劃提出的任務，我國于1965—1966年和1971—1976年分別進行2次聯合研制海洋裝備的工作(當時稱為全國海洋裝備會戰)，研制成功50多種產品，有些裝備達到國外同期同類產品的水平，有些裝備填補我國海洋裝備的空白。這一時期結束我國海洋裝備純機械式的局面，為電子裝備的研制開了好頭，對改變我國海洋裝備長期落后面貌和提高海洋調查水平，推動我國海洋電子溫、鹽、深綜合測量儀和聲學測流儀的發展，促進新技術在海洋裝備中的應用都起到一定作用。到20世紀70年代末，我國研制生產的海洋裝備項目已達百余種，不但有水文氣象測量儀器、理化測量儀器、生物調查儀器，而且成功研制利用聲學原理的地形地貌調查儀器，航空紅外測溫儀和航空照相機也已開始在海上實驗；測量技術也取得明顯進展，一些調查裝備中已采用聲學、電子、遙測和遙控技術。但是從總體情況看，當時我國海洋調查裝備絕大多數仍是常規機械式的，且深海調查裝備仍處于空白；此外受國內工業水平限制，裝備所用元器件質量不過關、非商品化，導致新研制的裝備無法生產和擴大應用。

在20世紀70年代末到80年代中期，隨著我國工業水平的迅速提高，海洋裝備技術發展步伐加快。這一時期研制生產的海洋調查裝備品種明顯增加，測量精度、靈敏度、穩定性和可靠性也有較大提高；裝備所采用的技術取得很大進展，不再立足于分離元件，而是越來越多采用集成電路，裝備結構日益標準化，并且計算機的使用大大提高裝備自動化水平。

從20世紀80年代中期到90年代，科技攻關使海洋調查裝備的研制生產邁上新的臺階。這一時期研制生產的海洋調查裝備普遍采用微機或單板機進行數據采集、運算、記錄和傳輸，采用可靠性高的電子元器件以及適用于海洋環境的新材料和新三防工藝；海洋調查裝備從單要素專項測量向多要素綜合測量系統發展，并開始向深海發展[2]。

在進入21世紀的10余年里，我國不但研制出一批技術先進的傳感器、儀器和測量系統，而且有些裝備已形成系列產品，有些裝備技術指標達到國外同期同類產品水平，有些地質儀器和水文儀器被用于大洋考察和其他國際聯合調查。近年來，在國家“863”計劃、海洋公益性行業科研專項等的支持下，我國已經成功研制多款海洋調查和取樣裝備，包括自動氣象站、高精度溫鹽深儀(CTD)、海流剖面儀(ADCP)、磁力儀等；深海取樣裝備包括深海電視抓斗、多管取樣器等；海洋觀測平臺也呈現多樣化，包括被動觀測平臺如浮標、潛標等，自主觀測平臺如6 000米級“潛龍一號”AUV(無纜水下機器人)、4 500米級“海馬號”ROV(有纜水下機器人)、水下滑翔機等，拖曳觀測平臺如6 000米級深海聲學拖體、超寬頻海底剖面儀、拖曳式多參數剖面測量系統等；在載人潛水器方面，“蛟龍”號深潛器實現我國載人潛水器零的突破，于2012年7月圓滿完成7 000米級海試，目前已處于實際應用階段；300噸級深海空間站“龍宮”也已進行水下試驗。這些裝備的研制和應用使我國海洋調查觀測和環境監測傳感器技術得到很大發展。

雖然我國已研制出一批技術水平接近或具有國際先進水平的海洋調查裝備，但從總體來看我國海洋調查觀測高新技術開發起步晚、進展比較慢，國外已經開發應用的某些高新技術在我國尚處于空白狀態，尤其是水聲技術和傳感器技術等核心技術。目前我國海洋調查中使用的大多數聲學裝備仍以進口儀器為主，常用的重、磁、電、震、聲等核心傳感器儀器裝備幾乎全部依賴進口，這不僅是制約我國海洋調查觀測技術發展的瓶頸，也是提高海洋調查成本使其難以產業化的重要障礙[3]。

3 影響我國海洋調查裝備技術發展的主要因素

3.1 資金因素

資金投入是直接影響海洋調查裝備技術發展的重要因素。凡是海洋經濟發達的國家在加快海洋經濟發展的同時都加大海洋開發與科研經費的投入，凡是對海洋開發與科研經費投入強度大、增長幅度快的國家也都是海洋科技水平高、實力強的國家。現階段我國海洋調查裝備市場幾乎全部依靠政府財政投入培育，政府投入頗多也取得一些成績，相關產業已經跨越從無到有的階段，但仍處于萌芽之中。由于國產裝備多數是高校、研究院所的科研樣機，還沒有到量產階段，加上市場具有不確定性，國內很少有大型企業或實力較強的民營企業投入資金，造成我國海洋調查裝備自主創新進展緩慢。應著力吸引更多民營企業參與，有助于我國海洋調查裝備形成完整的產業體系；確定企業在海洋調查裝備產業中的主體作用，鼓勵國產裝備的優先使用，預留國產裝備較長的研發周期并給予優惠稅收政策；開展國家層面的產業發展頂層設計，制定長期、穩定、適當的產業傾斜政策，積極應用財政、金融、稅收手段對企業加以扶持引導，鼓勵社會多種融資渠道籌措資金。

3.2 技術因素

由于我國科學技術和工業現代化起步較晚、基礎較弱，我國海洋調查裝備技術總體落后于國際先進水平，大部分裝備停留在工程樣機階段，沒有實現產品化產業化，而歐美、日本等發達海洋強國的這一產業已經相當成熟。相關技術未能有效轉化為生產力的原因，一方面是研發力量大多集中在高校及科研院所，相對封閉，不利于技術研發與市場機制的有效結合；另一方面由于海洋調查裝備的研發生產具有投資周期長、風險高、需求量小的特點，在國家未明確相關產業激勵政策前，企業參與動力不足。對于具有較強公益屬性、技術創新難度較大、具有前瞻性和探索性特點以及對國家安全具有重大影響的技術和裝備，國家應加大投入力度，組織相關科研力量專門進行技術研發和攻關；對于市場潛力較大、產業化前景較好的技術和裝備，應積極引導企業進行技術承接和成果轉化，讓企業成為產業化的主體。

3.3 政策和規劃管理因素

國家海洋科技政策和實施政策的規劃管理是發展海洋科技的重要準則和保證。從20世紀50年代以來，我國海洋調查觀測技術的發展過程就是實施國家海洋科技政策和發展規劃的過程。1956年國家制定“十二年科學技術遠景規劃”，其中包括“十二年海洋科學發展規劃”，促成第一次全國海洋普查工作，揭開我國海洋科學技術大發展的序幕，從而啟動我國海洋調查觀測儀器裝備的研制生產工作，填補國內海洋調查觀測技術研究的空白；“1963—1972年我國海洋科學發展規劃”推動開展2次全國海洋裝備會戰；為加快海洋儀器裝備發展步伐，國家海洋局于1979年制定“海洋儀器裝備十年發展規劃”，使我國海洋儀器裝備的研制生產作為專項正式納入國家規劃，并向規范化、標準化和系列化工作方向發展，在管理方面逐步建立健全有關規章制度。

改革開放以來，在每一個五年計劃中，國家科技攻關計劃都依據有關政策列入海洋科學技術發展的內容項目，科技攻關使我國海洋儀器裝備的研制生產邁上新的臺階。尤其是《全國海洋經濟發展“十二五”規劃》指出未來海洋經濟發展目標，在大力培育壯大的海洋新興產業中，海洋裝備制造業被放在首位；在我國政府實施制造強國戰略第一個十年行動綱領《中國制造2025》中提出著力扶持海洋裝備制造業并力推關鍵設備國產化，這對國內相關裝備制造商來說是一大利好。在保障措施方面，加強海洋經濟規劃指導和政策扶持；在財政政策方面，探索通過相關措施加大支持力度；在投融資政策方面，鼓勵和引導民間資本參與海洋產業發展，盡快形成多元化投融資機制，擴大直接融資比重；鼓勵金融機構加大信貸支持力度，發揮信貸資源優化配置對海洋產業投資結構的引導和調整作用，支持有實力、有潛力且符合條件的涉海企業上市融資。

4 海洋調查裝備技術的發展趨勢

海洋調查事業的發展依賴于海洋調查裝備技術的發展，高新技術的不斷出現使海洋調查裝備向無人遙感化、立體觀測化和網絡智能化方向高速發展。

4.1 無人遙感化

隨著無人遙感技術取得較大進展，其在海洋調查中的應用前景日趨廣闊。衛星、無人機、無人船艇、無人潛器等裝備的應用會越來越多。

衛星可以經濟、方便地對大面積海域實現實時、同步、連續監測，可全天時、全天候收集海況資料，同時還可以提供海上目標、海岸帶調查、海洋污染的實時同步海洋要素，為海洋環境監測、海洋權益維護以及海岸帶資源調查、綜合利用和管理提供服務。

無人機是利用無線電遙控設備和自備程序控制和操縱的不載人飛機，分為無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器等，可實現高分辨率數據的采集，在彌補衛星遙感經常因云層遮擋獲取不到數據的弊端的同時，解決衛星遙感重訪周期過長、應急不及時等問題。無人機用途廣泛、成本低、效率高、生存能力強、機動性能好、使用方便，在海洋調查監測領域有極其重要的作用和廣闊的應用前景。

無人船艇是一種無人操作的水面船艇，主要用于執行不適合有人船只執行的任務，可以配備先進的控制系統、傳感器系統、通信系統和導航定位系統，可以執行多種任務，如對島礁和近岸淺水域水下地形地貌進行測量、水文探測和自主航道測量、導航和工程勘察等。

無人潛器是新一代無人無纜水下機器人，具有活動范圍大、機動性好、安全、智能化等優點，逐漸成為完成各種水下任務的重要工具。由于無纜水下機器人具有活動范圍不受電纜限制、隱蔽性好等優點，適用于復雜多變和惡劣的水下環境作業，在民用領域可用于水下考察與勘探、鋪設管線、海底考察、數據收集、鉆井支援、海底施工、水下設備維護與維修等，在軍用領域可用于偵察、布雷、掃雷、援潛和救生等，應用前景廣闊。

4.2 立體觀測化

從海洋調查觀測的發展趨勢看，國際大型海洋科學研究都是跨學科的綜合海洋學計劃，觀測研究采用由多種平臺組成的立體觀測系統，力求采集海洋資料更加全面，因此未來世界海洋調查工作勢必經常利用立體觀測系統。我國是海洋大國，必須利用現代化的立體觀測系統，提高海洋環境資源調查水平和應用效益，加快我國海洋科技現代化步伐。目前我國已初步形成涵蓋岸基海洋觀測系統、離岸海洋觀測系統以及大洋和極地觀測系統的海洋觀測網基本框架，在海洋防災減災、科學研究等領域發揮重要作用。但由于起步較晚、投入不足，在海洋調查觀測網的空間布局、觀測手段、基礎設施、技術保障、運行機制等方面，目前我國與發達國家相比尚存較大差距，還不能完全滿足海洋事業快速發展的需求。

海洋調查觀測技術目前已進入從海底到外太空的全方位立體綜合觀測系統時期，進行全天候同步觀測，這種技術將是今后獲取海洋與大氣信息的基本常規技術。海洋立體觀測系統由多種平臺組成，包括衛星、飛機(含有人機、無人機)、調查觀測船、浮標潛標、水下潛器(含水下機器人、有人/無人潛器等)和海床基觀測站等。多平臺協同立體化作業將是今后海洋調查的趨勢，覆蓋范圍由近岸向近海和中遠海拓展、由水面向水下和海底延伸，實現岸基觀測、離岸觀測、大洋和極地觀測的有機結合，形成海洋環境立體調查觀測能力。應加快建立與完善海洋立體調查觀測綜合保障體系和數據資源共享機制，進一步提升海洋立體觀測系統運行管理與服務水平，以滿足海洋調查、海洋防災減災、海洋經濟發展、海洋權益維護等方面的需求[4]。

4.3 網絡智能化

隨著傳感器技術、通信技術、計算機技術和網絡技術的飛速發展，網絡智能化、物聯網、云計算和大數據等高新技術將在海洋調查中發揮越來越重要的作用。這些網絡智能化技術可以將調查船上各種調查裝備采集到的數據集成在一個平臺并處理，可以將這些數據通過無線通信技術高速實時傳輸到飛機、其他船舶和地面接收站從而實現數據實時共享，還可以與浮標、衛星、飛機和水下裝備實時互動、完成數據交換、進行遠程監控，將立體調查觀測系統整合成一個整體。我國海洋調查網絡智能化的關鍵技術是遠程無線監控技術，尤其是發展具有中國自主知識產權的移動衛星通信系統和水聲通信系統。

另外，隨著海洋立體調查觀測系統的不斷發展，各種裝備和傳感器獲取的數據將會快速增長，傳統的處理手段難以滿足大數據處理的功能和性能要求，不具備進一步挖掘利用大數據的能力。因此，需要通過建設海洋系統的云計算大數據平臺，將海量數據變成可實時分析應用的“活數據”，使之服務于國民經濟和社會民生。云計算是大數據時代的基礎，可使大數據處理更方便、更快速、更省時省力，不僅提高資源利用率，還使很多科研單位不需要購買昂貴的超級計算機，大大降低使用成本、建設周期，也可避免重復的高投入和后期的維護成本。

[1] 艾萬鑄，李桂香.海洋科學與技術[M].北京：海洋出版社，2000.

[2] 陳伯鏞.21世紀的中國海洋經濟與技術研究報告[R].天津：國家海洋信息中心，1996.

[3] 許文明，李璞.走向海洋世紀：海洋科學技術[M].珠海：珠海出版社，2002.

[4] 吳克勤，林法寶，譯.2020年的海洋科學、發展趨勢和可持續發展面臨的挑戰[R].2003.

The Development of China’s Marine Survey Equipment Technology

MOU Jian1，2

(1.South China Sea Branch,State Oceanic Administration，Guangzhou 510300，China；2.Key Laboratory of Technology for Sateguarding of Marine Rights and Interests and Application，SOA，Guangzhou 510300，China)

This paper introduced the development of China’s marine survey equipment technology.The main factors that affect the development of the technology were analyzed，and the future development trend was also predicted.

Marine survey，Equipment manufacturing，Remote sensing technique，Stereoscopic observation，Network intelligence

2016-05-13；

2016-08-28

國家“863”計劃項目(2014AA093410).

牟健，高級工程師，碩士研究生，研究方向為海洋裝備的集成、應用和管理，電子信箱：moujianxiaoshe@qq.com

P74

A

1005-9857(2016)10-0078-05