淺談深海水下自主式無纜潛航器的發展及應用

劉曉宇

摘 要：文章討論了國內外深海水下自主式無纜潛航器（AUV）的國內外發展現狀，并對主流產品及我國研制的主要成果的性能參數、主體尺寸、主要功能及使用場景等進行了介紹。并著重對深海AUV在目標搜尋、地質勘探及深海探測等方面的應用著重進行了分析。結合目前深海AUV的發展現狀提出了其遠程化、智能化及模塊化的發展方向。

關鍵詞：深海AUV 水下應用 6000米

隨著各國對海洋資源和各類海洋權益的逐漸重視，水下機器人的發展得到了越來越廣泛的重視，其在水下的應用也日趨廣泛。通常水下機器人依據其控制方式的不同可分為：自主式水下無纜潛航器（AUV） 和有纜遙控水下機器人（ROV）。AUV其自身帶有供電系統，依靠內部電池進行水下的工作，可執行大范圍高精度的水下探測搜尋，但其作業時間、數據傳輸、作業持續性受到一定的限制；ROV依靠所連接的電纜提供動力并進行數據及其他信息的傳輸，水下作業時間較長，可實現數據的實時傳輸，但作業范圍受限。

世界上第一臺AUV自20世紀50年代問世以來經過了60多年的發展，隨著計算機技術、電子科技技術、水下通信技術、材料科學及電池技術的迅速發展，AUV在性能、續航力、功能方面得到了迅猛的突破。目前在國際范圍內6000米深水AUV已經得到了多方面的應用，各國也在深水AUV的研制和開發上步入了快速發展的道路。

1.深海AUV的發展現狀

1.1 國外AUV的研究成果及現狀

目前國外所研制的深海AUV主要包括美國Hydroid公司的Bluefin-21（圖1）、英國南安普頓國家海洋中心（NOC）的Autosub 6000（圖2）、加拿大ISE公司的EXPLORE（圖3）、挪威Kongsberg公司的REMUS（圖4）及HUGIN、法國ECA公司的A6K（圖 5）及冰島GAVIA公司的Sea Raptor（圖6），各產品的性能參數如表1所示。部分產品目前已在世界范圍內得到廣泛應用。其中Bluefin-21及HUGIN AUV曾參與馬航MH370的水下搜尋，REMUS AUV曾成功找到法航447的發動機殘骸，Autosub 6000也多次在印度洋熱液區執行科學考察任務。其他國家的AUV多為新研制產品，海上實際應用案例較少。

1.2 國內AUV的研究成果及現狀

國內第一臺AUV的研制工作開始于20世紀90年代，并于1994年11月將研制成功的首臺1000米級AUV——“探索者”號投入使用。“探索者”AUV為中國863計劃863-512子計劃的項目之一，由中國第702研究所聯合數十所研究和教育機構聯合開發。

在探索AUV的基礎上，沈陽自動化研究所、中船重工第七〇二研究所聯合國內多家科研機構，同俄羅斯共同成功研制了我國首臺6000米級AUV——CR-01，相比上代AUV其具有更高的定位精度。隨后在CR-01 AUV的基礎上又成功研制了CR-02 AUV，并將其成功應用于海洋礦物調查 。

“十二五”期間，沈陽自動化研究所作為主要研究機構，在CR-02 AUV的基礎上成功研制了“潛龍一號”AUV，與上代AUV相比，在AUV的回收上做出了巨大改進，“潛龍一號”AUV在其工作母船上加裝了自動回收系統，從而改進了以前需要作業人員掛鉤才可回收AUV的作業方式。在“潛龍一號”AUV的基礎上，沈陽自動化研究所研制了多臺潛龍系列AUV，包括4500米級“潛龍二號"”和“潛龍三號”。各產品的性能參數如表2所示。

2.深海AUV的應用現狀

2.1 深海海洋資源勘探及開發

隨著人類社會的高速進步及發展，陸上資源開發速度逐步激增，各國紛紛將資源開發的視線轉向水下，人類可開發利用的海洋資源種類及數量逐步增多。各國對水下資源開發的不斷加速，未來水下資源的勘探開發將逐步由淺水轉向深水。深海水下礦產資源如多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物、富稀土沉積物等多分布在數千米水深的海底區域，天然氣水合物也多分布在幾百至幾千米的區域。深海水下資源的勘探對社會的發展具有重要的意義，而深海AUV必將在水下資源勘探過程中發揮重要作用。

2.2 深海水下搜救

深海水下搜救是深海AUV的一個重要應用方向，早在 1963 年就有美國“阿爾文”號與“科夫”號無人潛水器協作搜尋、打撈出西班牙海溝失落氫彈的成功案例。在馬航MH370及法航447的水下搜尋中深海AUV發揮關鍵作用。荷蘭輝固公司曾使用英國Kongsberg公司的HUGIN AUV用于馬航MH370水下搜尋；美國軍方也曾使用Bluefin Robotics的Bluefin-21 AUV搜尋馬航失聯客機；英國Kongsberg公司生產的REMUS AUV曾成功搜尋到法航447的發動機殘骸。深水AUV因其作業可靠，智能程度高成為了深海水下搜救的首選工具。

2.3 水下地形測繪

目前水下地形的測繪主要依靠多波束測深系統，在應對水深較淺的水下地形勘測任務中，船載多波束測深系統均可獲得分辨率較高的水下地形圖。但在深水區域，受到水深影響，即使是開角較小的深水多波束在深水情況下會由于傳播距離的增加導致其分辨率相對較差，無法獲得高精度的水下地形圖。深海AUV可在距離海底較近的高度進行作業，因此其可獲得高精度的深海水下地形圖像。

3.深海AUV的未來的發展方向

3.1 遠程化

深海AUV在水下作業過程中其主要動力來源是所搭載的電池模塊，依據其搭載的探測裝置及工作狀態不同，其在水下的工作時間也存在較大差別。多數深海AUV的水下續航時間均可達到24h，但隨著電池技術的不斷發展，深海AUV的續航力將得到持續提升。續航力的提升，可使AUV在單次布放后獲得更為龐大的水下數據從而提升深海AUV的水下作業效率。

3.2 智能化

深海AUV的智能化程度決定著其在水下作業過程中的安全性，并在一定程度上影響其作業效率。AUV在水下作業過程中對相應風險及應急情況的處理機制和決策機制是未來AUV發展的重要方向之一，隨著人工智能技術的發展，自主學習和自主決策能力將在深水AUV上得以應用，以保障深水AUV在水下的作業安全。

3.3 模塊化

目前的深水AUV多搭載多重類型的探測設備，如相機、多波束測深系統、側掃聲納、淺地層剖面儀及溫鹽深傳感器等，多類型探測設備的搭載可保障AUV可應對不同的作業需求。但這在一定程度上增加了AUV本身的負載，從而降低使用效率。模塊化的探測裝置可保障AUV在應對不同作業需求時快速進行設備的更換，同時減輕AUV自身重量，提高作業效率。

【基金項目：國家重點研發計劃（2017YFC0306003）】

參考文獻：

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