潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建研究

朱佳帥 劉偉 王璇 馮書桓 張馨予

摘 要：潛水器是深海資源開發(fā)、科考探測、旅游觀光、救援保障的重要裝備，經(jīng)過幾十年的發(fā)展進(jìn)步，我國潛水器技術(shù)發(fā)展已邁向國際領(lǐng)先水平，但與之配套的標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，標(biāo)準(zhǔn)體系仍需進(jìn)一步優(yōu)化更新。本文以潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建為主題，介紹了國內(nèi)外潛水器標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，闡述了潛水器體系構(gòu)建原則，對潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系框架開展研究，并為該領(lǐng)域后續(xù)工作提出了建議。

關(guān)鍵詞：潛水器，標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建思路

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.012

“建設(shè)海洋強(qiáng)國”是我國的重要戰(zhàn)略之一，黨的二十大報告指出要發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國。《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，船舶工業(yè)應(yīng)超前布局新一代深海遠(yuǎn)海極地技術(shù)裝備及系統(tǒng)的建設(shè)，發(fā)展無人和載人深潛等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備[1]。2020年11月10日，我國“奮斗者”號載人潛水器在“地球最深處”太平洋馬里亞納海溝成功坐底，創(chuàng)造了10，909米的中國載人深潛新紀(jì)錄。2021年10月，“海斗一號”無人潛水器同樣在馬里亞納海溝最深處“挑戰(zhàn)者深淵”西部凹陷區(qū)實現(xiàn)了國際首次大范圍全覆蓋聲學(xué)巡航探測。

以上深潛試驗的成果代表著我國潛水器水平已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)，而實現(xiàn)這些任務(wù)的核心設(shè)備就是潛水器。潛水器是一種具有水下觀察和作業(yè)能力的活動深潛裝置，主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)，并可以作為潛水員活動的水下作業(yè)基地。按照作業(yè)方式，潛水器一般分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV），其中無人潛水器又分為有纜遙控潛水器（ROV）、無纜自治潛水器（AUV）和混合遙控潛水器（ARV/HROV）等，以及無動力潛水器等多種類型[2，3]。其技術(shù)發(fā)展方向為全海深（最大工作深度11，000米）潛水器的研制、高能量密度電池、機(jī)械手及作業(yè)工具、水面支持系統(tǒng)及保障裝備、用于全海深技術(shù)裝備的關(guān)鍵材料、耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計與建造技術(shù)等。

1 潛水器標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 中國潛水器標(biāo)準(zhǔn)

我國的潛水器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由SAC/TC 306全國潛水器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會進(jìn)行歸口管理。截至目前，潛水器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共18項，其中國家標(biāo)準(zhǔn)15項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項，主要涉及潛水器耐壓結(jié)構(gòu)、試驗、載人潛水器呼吸系統(tǒng)等領(lǐng)域（見表1）。

1.2 國際潛水器標(biāo)準(zhǔn)

國際潛水器標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）[4]下設(shè)的船舶與海上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC 8）海洋技術(shù)分委會（SC 13）潛水器工作組（WG 1）負(fù)責(zé)，該工作組正式成立于2015年2月，工作組召集人由中國專家擔(dān)任，目前已發(fā)布國際標(biāo)準(zhǔn)2項，在研1項（見表2）。根據(jù)ISO/TC 8/SC 13/WG 1的文件解釋，其標(biāo)準(zhǔn)化對象是進(jìn)行水下作業(yè)（科研、工程、運(yùn)輸、載客）的運(yùn)載工具，標(biāo)準(zhǔn)適用于潛水器的管理、設(shè)計、建造、試驗、運(yùn)營、維護(hù)和水面支持。共有來自中國、美國、英國、俄羅斯、德國、日本、韓國和伊朗等8個國家的20名專家。

從以上標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，雖然國內(nèi)外在基礎(chǔ)、設(shè)計、建造、試驗等方面已經(jīng)發(fā)布了部分標(biāo)準(zhǔn)，但目前潛水器領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，與其技術(shù)發(fā)展的水平不匹配，仍然有大量的標(biāo)準(zhǔn)缺口，無法滿足潛水器領(lǐng)域的設(shè)計、建造與使用需求。因此需要通過對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行構(gòu)建，進(jìn)而指導(dǎo)開展?jié)撍鳂?biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，支撐潛水器技術(shù)發(fā)展。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則

2.1 落實國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略

根據(jù)《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展規(guī)劃》和《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》要求，需要在潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建時貫徹落實國家科技強(qiáng)國和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，堅持問題導(dǎo)向和前瞻引領(lǐng)，面向行業(yè)發(fā)展需求不斷奪實基礎(chǔ)，立足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全需求，聚焦海洋深潛裝備等重大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，開展?jié)撍骷跋嚓P(guān)部件等關(guān)鍵裝備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，支撐海洋調(diào)查與科技研究、海洋資源開發(fā)、深海探測等任務(wù)。

2.2 覆蓋潛水器全生命周期

作為深海探測的關(guān)鍵裝備，潛水器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜，涉及技術(shù)和產(chǎn)品范圍廣，因此潛水器體系應(yīng)框架全面完整，需考慮并納入與潛水器設(shè)計、建造和使用相關(guān)的技術(shù)，使體系能夠充分覆蓋潛水器研制全過程，同時確保界面清晰，易于與船舶、海洋等相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系實現(xiàn)有機(jī)銜接，充分反映造船、海洋等多方標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)需求。

2.3 支撐前沿技術(shù)發(fā)展

體系應(yīng)能夠發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)作用，在構(gòu)建體系時充分體現(xiàn)目前潛水器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，補(bǔ)充完善各專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)缺口，還應(yīng)根據(jù)裝備發(fā)展趨勢和任務(wù)需要，重點(diǎn)針對深海化、重載化、智能化、集群協(xié)同等功能實現(xiàn)要求進(jìn)行構(gòu)建，著重反映信息感知、網(wǎng)絡(luò)與通信、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)集成、分析決策與控制、數(shù)字孿生、軟件等技術(shù)在潛水器設(shè)計、試驗、作業(yè)及運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用需求，精準(zhǔn)定位、特點(diǎn)鮮明，為潛水器專用標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)與發(fā)展提供指導(dǎo)依據(jù)。

3 潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系框架

結(jié)合潛水器的技術(shù)特點(diǎn)，以體現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展需求為目的，構(gòu)建并完善潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系。體系可包括“基礎(chǔ)通用”“關(guān)鍵共性技術(shù)應(yīng)用”“載人潛水器”“無人潛水器”“作業(yè)支持”和“運(yùn)營管理”6個大類。具體如圖1所示。

3.1 基礎(chǔ)通用

基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)用于明確潛水器相關(guān)概念、界面及相互間關(guān)系，規(guī)定潛水器材料、可靠性、人機(jī)交互、生態(tài)保護(hù)等基礎(chǔ)共性要求，包括術(shù)語和定義、材料與檢驗、產(chǎn)品保證、人因工程、安全運(yùn)行與風(fēng)險評估、生態(tài)保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。

（1）術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)主要對相關(guān)術(shù)語、定義（或解釋性說明）及所對應(yīng)的英文名稱等進(jìn)行規(guī)定，主要用于統(tǒng)一潛水器設(shè)計、建造、運(yùn)營涉及的相關(guān)概念，說明其內(nèi)涵或外延。

（2）材料與檢驗方法主要對用于潛水器耐壓結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位的金屬材料（鋼、鋁合金、鈦合金）、非金屬材料（結(jié)構(gòu)陶瓷、復(fù)合材料、有機(jī)玻璃）的性能、檢驗方法等進(jìn)行規(guī)定。

（3）產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn)為使組織與用戶確信產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求，對潛水器設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、交付使用等全過程所進(jìn)行的一系列有計劃、有組織的技術(shù)和管理活動進(jìn)行規(guī)定，用于保證潛水器及相關(guān)設(shè)備可靠性具有高置信度水平和產(chǎn)品質(zhì)量具有穩(wěn)定質(zhì)量一致性，滿足用戶要求。

（4）人因工程標(biāo)準(zhǔn)主要對人員在深海工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的因素，人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用，以及在工作、生活和休息時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全與舒適等進(jìn)行規(guī)定。

（5）安全與風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)主要對潛水器總體、系統(tǒng)、設(shè)備、軟件安全運(yùn)行與應(yīng)急處置需滿足的技術(shù)要求及所采取技術(shù)措施進(jìn)行規(guī)定。

（6）生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范潛水器研制與作業(yè)時對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求，以避免因裝備自身或操作不當(dāng)而破壞海洋環(huán)境。

3.2 關(guān)鍵共性技術(shù)應(yīng)用

關(guān)鍵共性技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)用于明確潛水器作業(yè)所需的基礎(chǔ)及通用技術(shù)，規(guī)定了水下探測、操控、智能化技術(shù)的基本要求，包括水下信息獲取與環(huán)境感知技術(shù)應(yīng)用、水下通信與導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、分析決策與運(yùn)動控制技術(shù)應(yīng)用等標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

（1）水下信息獲取與環(huán)境感知技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要涉及水下信息測量、信息采集與處理、水下觀察與探測、水下聲學(xué)環(huán)境感知、水下視覺環(huán)境感知等，對相關(guān)的技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定。

（2）水下通信與導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要對水下電磁波通信、可見光通信、水聲通信、慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航等技術(shù)進(jìn)行規(guī)定。

（3）數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要對潛水器水下獲取的復(fù)雜數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行規(guī)定，明確數(shù)據(jù)的管理結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，提高數(shù)據(jù)精確性，通過結(jié)構(gòu)化建設(shè)降低復(fù)雜性。

（4）分析決策與運(yùn)動控制技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要包括人工智能與先進(jìn)控制兩部分，對潛水器的航行控制和智能決策技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)定，增強(qiáng)潛水器操控能力。

3.3 載人潛水器

載人潛水器標(biāo)準(zhǔn)用于明確載人潛水器的整體性能、關(guān)鍵指標(biāo)、型式與試驗方法，以及涉及潛水器作業(yè)和載人相關(guān)的設(shè)備與系統(tǒng)。包括載人潛水器設(shè)計、載人潛水器試驗、載人潛水系統(tǒng)及設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)，如圖4所示。

（1）載人潛水器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要對載人特點(diǎn)的潛水器總布置、總體性能等總體設(shè)計，耐壓結(jié)構(gòu)、觀察窗、主框架等結(jié)構(gòu)設(shè)計，舾裝、機(jī)電系統(tǒng)等軟硬件配置設(shè)計進(jìn)行規(guī)定，明確潛水器整體性能和功能。

（2）載人潛水器試驗標(biāo)準(zhǔn)主要對載人艙、阻力分析、操縱性分析、外形優(yōu)化等工作的仿真試驗、模型試驗和實船試驗等進(jìn)行規(guī)定，同時對試驗的條件提出要求，保障試驗基礎(chǔ)。

（3）載人潛水器系統(tǒng)及設(shè)備主要對載人潛水器除船體外其他為滿足潛水器航行、作業(yè)功能所安裝的設(shè)備及組成的系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，尤其是救生系統(tǒng)和生命支持系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備。

3.4 無人潛水器

無人潛水器標(biāo)準(zhǔn)用于明確無人潛水器的整體性能、關(guān)鍵指標(biāo)、型式與試驗方法，以及涉及潛水器作業(yè)、遠(yuǎn)程控制、自主識別相關(guān)的設(shè)備與系統(tǒng)。包括無人潛水器設(shè)計、無人潛水器試驗、無人潛水系統(tǒng)及設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。

（1）無人潛水器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要對無人特點(diǎn)的潛水器總布置、總體性能等總體設(shè)計，耐壓結(jié)構(gòu)、主框架等結(jié)構(gòu)設(shè)計，舾裝、機(jī)電系統(tǒng)等軟硬件配置設(shè)計進(jìn)行規(guī)定，明確潛水器整體性能和功能。

（2）無人潛水器試驗標(biāo)準(zhǔn)主要對無載人艙情況下的阻力分析、操縱性分析、智能化試驗、遙控操作試驗、外形優(yōu)化等工作的仿真試驗、模型試驗和實船試驗等進(jìn)行規(guī)定，同時對試驗的條件提出要求，保障試驗基礎(chǔ)。

（3）無人潛水器系統(tǒng)及設(shè)備主要對除船體外其他為滿足潛水器航行、作業(yè)功能所安裝的設(shè)備及組成的系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，尤其是自動識別與探測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備。

3.5 作業(yè)支持

作業(yè)支持標(biāo)準(zhǔn)用于明確潛水器在水下作業(yè)時，水面所能提供支持的裝備與相關(guān)技術(shù)，以及維持潛水器作業(yè)功能的相關(guān)技術(shù)，保障潛水器任務(wù)完成。包括水面支持與監(jiān)控、水下作業(yè)與交互、協(xié)同作業(yè)與保障等標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

（1）水面支持與監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)主要對潛水器水面支持系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，為潛水器提供能源動力、潛水器搭載、維護(hù)和保養(yǎng)、布放與回收、水面指揮、通信支持和水面警戒等。

（2）水下作業(yè)與交互標(biāo)準(zhǔn)主要對潛水器在水下進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)以及人機(jī)交互進(jìn)行規(guī)定，涉及水下作業(yè)設(shè)備、人機(jī)信息交互設(shè)備以及相關(guān)軟硬件。

（3）協(xié)同作業(yè)與保障標(biāo)準(zhǔn)主要對多設(shè)備情況下的協(xié)同作業(yè)及相關(guān)保障技術(shù)提出要求，實現(xiàn)無人和有人的有機(jī)結(jié)合，多維度多目標(biāo)完成水下作業(yè)，并對相關(guān)設(shè)備提供必要保障。

3.6 運(yùn)營管理

運(yùn)營管理標(biāo)準(zhǔn)用于明確潛水器作業(yè)前的作業(yè)任務(wù)合規(guī)性，作業(yè)人員能力培養(yǎng)與管理，以及作業(yè)后裝備的維護(hù)與保養(yǎng)。包括海事監(jiān)管、維護(hù)保養(yǎng)、教育與培訓(xùn)、人員管理等標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。

（1）海事監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)主要涉及潛水器及母船是否適航、船員是否適任，船上設(shè)備是否符合港口及作業(yè)海域的環(huán)保要求，是否制定相應(yīng)安全應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容，規(guī)范潛水器作業(yè)，充分滿足海事行政許可要求和監(jiān)督檢查。

（2）維護(hù)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及潛水器全系統(tǒng)檢查和維護(hù)保養(yǎng)、備品備件的購置與測試、水池調(diào)試等內(nèi)容，是為了使?jié)撍鞅３至己玫臓顟B(tài)，為后續(xù)作業(yè)做好基礎(chǔ)和準(zhǔn)備，延長潛水器使用壽命。

（3）教育與培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)用于保障潛水器正常工作、完成乘員科學(xué)家要求的水下科學(xué)作業(yè)任務(wù)，讓潛航員對潛水器性能、操控和水下環(huán)境有相當(dāng)程度的了解，提高潛水器作業(yè)的效率及安全。

（4）人員管理標(biāo)準(zhǔn)涉及潛水器作業(yè)及配套的人員管理要求，用于確認(rèn)人員職責(zé)、個人風(fēng)險評估、臨時調(diào)用、工作負(fù)荷平衡、應(yīng)急狀態(tài)人員集合撤離搜救、人員信息統(tǒng)計等。

4 潛水器標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展建議

4.1 加強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作

在國際標(biāo)準(zhǔn)化工作中，與船舶行業(yè)其他專業(yè)的各國積極參與標(biāo)準(zhǔn)制定情況不同，潛水器領(lǐng)域工作開展時間較短，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，ISO/TC 8/SC 13/WG 1在2015年成立時只有3個國家派出了專家。但其他國家逐漸開始重視起該領(lǐng)域，目前已有8個國家參與WG 1工作。而我國在潛水器裝備的設(shè)計、建造、試驗等方面技術(shù)已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，應(yīng)該借機(jī)發(fā)力積極開展國際標(biāo)準(zhǔn)活動，通過標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)技術(shù)水平，獲取世界范圍的地位與聲望，支撐商用市場開發(fā)。

4.2 裝備研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)是對技術(shù)與經(jīng)驗的總結(jié)固化，但目前潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)制定已經(jīng)明顯落后于潛水器技術(shù)發(fā)展，很多技術(shù)并未轉(zhuǎn)化為正式標(biāo)準(zhǔn)，研究成果沒有形成正式的文件以指導(dǎo)潛水器設(shè)計、建造、試驗和使用，不利于整個行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。隨著管理水平的提升，近年來標(biāo)準(zhǔn)的重要性不斷被重視，在技術(shù)研發(fā)過程中也越發(fā)強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化工作的同步開展，因此在潛水器新技術(shù)的開發(fā)時應(yīng)注重標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)積累，二者互相協(xié)調(diào)支撐形成良性關(guān)系。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)體系動態(tài)更新

潛水器產(chǎn)業(yè)鏈條長、應(yīng)用領(lǐng)域廣、分級分類復(fù)雜。從裝備設(shè)備層面包括了載人用的生命維持系統(tǒng)、無人用的遙控系統(tǒng)，從用途層面包含了科學(xué)研究、深海探險、觀光旅游、資源開發(fā)、水下救援等任務(wù)，涉及的技術(shù)領(lǐng)域較多。尤其近年來智能化、深海化、材料和能源新型化、作業(yè)工具模塊化等新的發(fā)展方向給潛水器標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來了新的需求和挑戰(zhàn)。潛水器標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)為開放式體系，標(biāo)準(zhǔn)體系框架和項目將根據(jù)國際市場需求、裝備技術(shù)發(fā)展、國家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和補(bǔ)充完善[5-6]。

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[6]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，中央網(wǎng)信辦，科技部，等“. 十四五”推動高質(zhì)量發(fā)展的國家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)規(guī)劃[Z].

作者簡介

朱佳帥，碩士，高工，主要從事高技術(shù)船舶標(biāo)準(zhǔn)研究。

劉偉，碩士，高工，主要從事高技術(shù)船舶與先進(jìn)制造標(biāo)準(zhǔn)研究。

王璇，碩士，高工，主要從事潛水器標(biāo)準(zhǔn)研究。

（責(zé)任編輯：袁文靜）