我國水下滑翔機技術發展建議與思考

錢洪寶, 盧曉亭

我國水下滑翔機技術發展建議與思考

錢洪寶1, 盧曉亭2

(1. 中國電子科技集團公司 電子科學研究院, 北京, 100041; 2. 中國人民解放軍31010部隊, 北京, 100000)

文中簡要綜述了國內外水下滑翔機(UG)技術發展現狀, 回顧了我國UG發展的歷程。重點介紹了國家科技計劃對以UG為代表的海洋儀器裝備的安排部署和支持情況、取得的技術進展和主要經驗做法。最后, 從單體技術、協同組網和應用研究等3個方面對UG技術下一步的發展提出了意見和建議, 具體包括: 應進一步加強低功耗設計、最優路徑規劃與控制策略算法、多參數獲取及搭載能力、數據質量標準和信息安全傳輸等核心關鍵技術的攻關, 加快UG單體技術的改進和優化升級; 可同步加強多UG編隊協同組網觀測技術研究, 提升其整體作業效率和觀、探測效果; 應繼續加強UG觀測的功能拓展和海洋科學應用研究。文中的工作可為未來實現“透明海洋”目標提供數據支撐。

水下滑翔機; 技術進展; 單體技術; 協同組網; 應用研究

0 引言

水下滑翔機(underwater glider, UG)是一種能夠通過調節自身浮力實現升沉, 利用凈浮力和兩翼姿態角調整獲得推進力, 實現在水中滑翔并對水體信息進行采集的水下機器人, 其能源利用效率高、噪音低, 具有大范圍、長時間連續海洋環境觀測與探測的優勢[1], 適用于開展“中尺度”及以上尺度[2-3], 甚至部分“亞中尺度”[4-7]物理海洋現象觀測、生態環境調查及海洋安全保障等工作, 同時也為海洋大數據分析、數值預報等UG重要應用領域提供原位準實時測量數據。

國外早在20世紀90年代初就開展了UG的研究工作, 其中, 美國一直是該技術的先驅者和領導者。1989年, 美國的Henry Stommel首次提出“水下滑翔機”的概念。1991年, 美國Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首臺Slocum UG, 目前已成為應用最為廣泛的UG產品之一[8]。國外UG最大設計巡航里程已達10 000 km, 美國Slocum UG早在2009年就已實現橫渡大西洋的任務(連續221天不間斷航行, 航程達7 409.6 km)[9]。隨著UG單體技術的成熟, UG多機協同觀測和組網觀測技術也快速發展, 美國于20世紀90年代開始組建自主海洋觀測網(autonomous ocean sampling network, AOSN), 并開展了一系列技術升級和應用實驗, UG組網觀測已納入綜合海洋觀測系統(integrated ocean observing system, IOOS)網絡計劃。2018年4月, 美國海軍海洋局(naval oceanographic office, NAVOCEANO)實現同時協同控制50臺UG實施水下環境預測, 正計劃同時部署100臺海洋滑翔機集群作業(目前可能已經完成, 但未見可信報道); 歐洲水下滑翔機觀測網(European gliding observatories, EGO)已陸續布放了超過300臺UG執行各種海洋觀測任務, 實時采集大西洋海域內海洋剖面數據信息等。UG協作與編隊觀測技術已廣泛應用于國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統和海洋觀測計劃中[1-8]。

1 我國UG技術發展

1.1 發展歷程

UG在我國的發展始于21世紀初。天津大學研究團隊最早于2002年開始第一代UG樣機的探索, 而國家主體科技計劃是隨著“十一五”海洋領域“開拓深遠?！睉鹇缘膶嵤┌才挪渴鸬摹?006年, 國家高技術研究發展計劃(863計劃)海洋技術領域作為目標導向在“海洋環境監測技術”專題里支持啟動了國內第一個UG海上試驗樣機的研制(設計巡航里程為500 km、最大下潛深度500 m), 由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭組織研發, 并于國家“十一五”末在我國南海開展了海上試驗驗證工作。

“十二五”期間, “挺進深遠海”戰略重點圍繞強化深遠海環境監測、深海探測與作業能力和支撐沿海藍色經濟、戰略性新興產業發展2條主線不斷深入, 突出解決我國深遠海環境監測及資源開發面臨的技術裝備手段缺乏的問題, 而UG以其能夠實現大尺度范圍、長時間連續觀測等突出優勢, 再次成為海洋領域發展的重點方向。與此同時, 國家“十二五”863計劃大幅增加了UG的研發投入, 通過主題項目啟動了4型(包括電能、混合推進型、噴水推進型和聲學探測)UG的研制,設計巡航里程為1 000 km, 工作水深范圍1 000~ 1500 m, 其中多型樣機在海上試驗中表現優異, 達到考核指標的要求[1]。

進入“十三五”以后, 瞄準國家目標和加快建設海洋強國戰略的需求, 科技部通過國家重點研發計劃繼續對長航程UG的研發進行重點支持和部署, 在“深海關鍵技術與裝備”重點專項中針對不同技術路線長航程UG研制啟動2個重點項目(設計巡航里程突破3 000 km), 同時對水下多節點UG協同及組網觀測進行了同步支持。此外, 青島海洋科學與技術試點國家實驗室通過“問海計劃”項目、中國科學院通過“先導專項”也對大深度UG研發予以了重點支持。

1.2 研究成果

我國在UG單機技術方面研發成果顯著。2014年海上測試時, 天津大學研發的“海燕”號UG測試水深為1500 m, 中國科學院沈陽自動化研究所研發的“海翼”號UG設計深度為1000 m, 測試水深為1 000 m; 2017年3月, 由中國科學院“先導專項”支持的7 000米級“海翼”號深海UG, 在馬里亞納海溝挑戰者深淵上完成了12個潛次, 總航程超過130 km, 最大下潛深度達6 329 m[10], 入選2017年中國十大科技進展新聞; 2018年4月, 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋觀測與探測聯合實驗室(天津大學部分)的“海燕-X”萬米級深海UG在馬里亞納海溝下潛至8 213 m[11-12]; 2018年11月, 由國家重點研發計劃支持, 天津大學組織研制的“海燕”號長航程UG在南海北部實現了連續航行141天, 共完成了734個剖面的水文環境參數觀測, 率先實現了單次巡航里程突破3 619.6 km[13]。

總體而言, 經過國內UG團隊十余年自主研發, 我國多型UG海上試驗樣機已經達到工程化和實用化要求, 相關團隊自發組織開展了小規模多機UG海上協同及組網觀測實驗的探索, 主要包括: 天津大學、青島海洋科學與技術試點國家實驗室等多家單位在2017年開展的, 包括各型海洋滑翔機在內共計30余臺套國產觀測裝備的協作組網觀測海上試驗; 中國科學院“先導專項”支持布放的12臺UG實現的我國較大規模的UG集群觀測等。總之, 我國UG在科學研究、生態調查、軍民融合等領域開展了一定規模的應用[3, 10-20], 部分型號具備了產品化批產能力, 形成了“海燕”、“海翼”等國內自主品牌。國內外成熟UG產品主要技術指標對比情況見表1[11-13, 21-25]。

目前, 國內牽頭開展UG研發的單位主要有中國科學院沈陽自動化研究所、天津大學、華中科技大學、國家海洋技術中心、中國船舶重工集團有限公司第710所和第702所、上海交通大學、浙江大學、中國海洋大學、大連海事大學和西北工業大學等[1, 8]; 參與UG產業化的企業包括北京蔚海明祥科技有限公司、深圳市投資控股有限公司和天津深之藍海洋設備科技有限公司等。其中,參與研發的單位超過30家, 涉及研發人員突破500人; 近3個五年計劃國家財政研發投入、產出及與國外對比情況如表2所示。

表1 國內外成熟水下滑翔機產品主要技術指標對比情況(數據截止2019年5月)

表2 UG國內研發投入、產出與全球產出對照表(數據截止2018年9月)

1.3 我國計劃組織UG研發的經驗做法

長期以來, 以美國為首的西方發達國家在UG研發方面對我國施行嚴格的技術封鎖、禁運禁售, 甚至在學術交流以及國際合作等方面都加以嚴格限制。針對此, 只有立足自主研發, 解決核心關鍵技術, 才能真正掌握競爭和發展的主動權, 這在很大程度上堅定了國家支持開展UG研制的決心, 同時也大大激發了國內研發團隊自主創新的熱情。

在此背景下, 依靠國家層面并行支持, 國內多個UG團隊同步研發, 帶動了國內UG技術水平的整體快速發展。僅“十二五”期間, 通過國家863計劃組織國內優勢力量, 在同一主題項目中針對不同技術路線同時設立4個課題, 采取多家單位共同發展的競爭性科技研發創新模式。

研發過程中, 首先, 通過同步進行方案設計和論證、定期開展技術學術交流和研討、集中組織規范化海上試驗、統一組織第三方檢驗和評價等措施, 研發團隊之間互相借鑒經驗、取長補短, 大大加快了技術攻關步伐, 促進了國內UG技術的整體快速發展。

其次, 規范研發過程, 嚴格質量控制與管理, 大大加快了UG的工程化研制進程。復雜的海洋環境(包括惡劣的海況、水下交變壓力載荷、海水腐蝕、復雜水下地形和強流場等)對UG質量提出了近乎苛刻的要求, 特別是對UG技術設計、部件選擇、加工精度、材料工藝、控制算法和能源管理等重點環節, 除了提高技術的先進性, 更要保障工程化應用的高穩定性和可靠性。國家863計劃、國家重點研發計劃針對海洋領域通過發布實施《海洋儀器設備研制質量管理規范》, 從項目總體方案、詳細設計、加工制造、集成聯調及測試環節規范研發過程, 嚴格質量控制管理, 也在UG海上試驗樣機研制及快速工程化過程中發揮了重要作用[26]。

最后, 創新技術評價方式, 開展規范化海上試驗, 嚴格按照《海洋儀器設備海上試驗管理規范》, 實施海上試驗考核, 大大加快UG的實用化進程。國內UG技術的發展遵循了“邊研發、邊海試、邊應用”原則, 研發以最終的應用為導向, 在真實海洋環境條件下嚴格考核, 檢驗UG樣機的各項指標, 海試及評價環節引入第三方和質量監理, 通過海上試驗發現問題并反饋研發, 有針對性地加以改進, 反復試驗驗證, 使得UG快速達到實用化要求, 結束了過去多數海洋儀器設備研發最終仍停留在試驗室檢驗、水池試驗或者湖試階段的歷史?？傊? 從實戰出發, 堅持“研以致用, 用以促研”的良性互動格局, 是國產UG技術快速發展進步的主要經驗, 值得組織其他海洋裝備研發時借鑒推廣。

2 建議與思考

目前, 從UG整體發展來看, 其已在國內外得到較好應用, 并在諸多方面顯示出重要的應用價值; 特別地, 在海洋觀測方面, 國產UG已經成功應用于我國南海、西北太平洋、東太平洋、印度洋和北極白令海等海域科考調查中, 觀測數據已經逐漸應用于大洋湍流(微結構)觀測[27]、臺風、(亞)中尺度渦[14, 16-20]、海洋內波[15, 28]和海-氣相互作用等研究中。在海洋探測方面, 我國重點開展了基于UG的聲學探測技術攻關[29-30]。相關研制單位也初步實現了單臺或多臺UG協同組網, 在一定范圍內對部分聲學目標的探測和警戒能力。因此, 未來無論是在海洋科學研究、海洋資源開發與利用、海洋搜救打撈、海底設備布放檢測維修回收等領域, 還是在海洋安全保障方面都具有迫切的應用需求和廣闊的應用前景。

不過, 盡管近年來我國UG技術取得了較快發展, 并在部分功能性能指標(如大深度等)上不斷追趕甚至超越國外先進水平。但總體而言, 我國UG技術因為發展起步較晚, 研究基礎薄弱, 在平臺單體技術、協同組網觀測及應用研究等方面與國外先進技術技術水平仍存在較大差距(如最為重要的長航程續航能力, 距離國際平均水平差距明顯, 參見表1), 還需要加快創新發展步伐, 具體建議如下。

1) 在已有技術基礎上[31-33], 進一步加強核心關鍵技術攻關, 加快單體UG的技術改進和優化升級。重點在低功耗設計、最優路徑規劃與控制策略算法、多參數獲取及搭載能力、數據質量標準和信息安全傳輸等方面加強研究攻關, 增強UG應對強背景流場等復雜海況、復雜海底地形環境下的長航程實海探測與操控能力; 此外, 在人機協同控制、任務重建等方面提高人機交互水平, 真正實現為各類用戶提供大范圍、長期連續、穩定可靠、低成本的數據流和數據鏈路。

2) 在前期技術經驗積累基礎上[14, 16, 34], 加強多UG編隊協同組網觀測技術研究, 提升UG整體作業效率和觀測與探測效果。結合科學研究、資源環境調查及目標探測等國家戰略需求, 開展多UG移動分布式節點的多機協調編隊、水下互聯互通、自適應采樣及快速機動組網等技術攻關, 增強UG大規模集群觀測與探測能力, 特別是加強與水下異構節點(如波浪滑翔機、自主水下航行器等移動節點及浮標、潛標、海床基等固定觀測節點)的組網觀測, 并逐步從水面水下拓展到空、天、陸、海組建一體化觀測信息網絡, 在UG及其他異構節點種類及數量規模、組網觀測覆蓋范圍、多機任務規劃、系統穩健性、觀測效率及業務化等方面不斷提升UG綜合協同組網觀測能力和水平。

3) 加強UG觀測的功能拓展和海洋科學應用研究。重點解決目前UG機構類型、作業模式、觀測功能單一, 載荷搭載能力弱, 與實際應用結合不夠緊密的問題。如結合仿生原理積極探索異構新概念UG[35]及混合能源(如溫差能[36-37]、鹽差能等)推進型UG, 提高復雜海洋環境下的適應能力; 研究大型高速UG(如大翼展UG等[38-39]), 提高多參數傳感器快速觀測能力[40-41]; 積極引入互聯網、人工智能和大數據分析等技術, 提升UG智能信息感知、自主判別決策、人機快速協同和處理突發緊急情況的應對能力; 此外, 在物理海洋、生物地球化學等領域積極開展科學研究, 加強與相關行業部門及地方的結合, 拓展應用業務領域。

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Technical Development of Underwater Glider in China: Suggestions and Thoughts

QIAN Hong-bao1, LU Xiao-ting2

(1. China Academy of Electronic Science, China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100041, China; 2. 31010thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100000, China)

This paper briefly summarises the development status of underwater glider technology at home and abroad, and reviews the development process of the underwater glider(UG) in China. The arrangement and deployment of the National Science and Technology Plan for the marine instruments and equipment represented by underwater gliders, the technological progress achieved, and the primary experience and practices of them are also introduced. Finally, comments and suggestions for the next development of underwater glider technology are put forward from three aspects: single platform technology, collaborative networking and application research. They mainly include: firstly, some key technologies such as low power design, optimal path planning and control strategy algorithm, multi-parameter acquisition and carrying capacity, data quality standards and information security transmission should be further strengthened to speed up the upgrade, improvement and optimization of UG monomer technology; then the synchronised observation technology based on the multi-underwater gliders formation cooperative networking should be strengthened to improve their overall operation efficiency, observation and detection effect; and lastly, the observation function expansion of UG and their application of marine science should be strengthened to make the ocean more transparent.

underwater glider; history; technological progress; development trend

U674.941; TP242

R

2096-3920(2019)05-0474-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.001

錢洪寶, 盧曉亭. 我國水下滑翔機技術發展建議與思考[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5):474-479.

2019-03-30;

2019-09-20.

錢洪寶(1977-), 男, 副研究員, 主要研究方向為海洋科技管理及海洋信息技術.

(責任編輯: 楊力軍)