無人機回收潛標作業技術及實踐

摘 要：潛標系統是重要的海上觀測平臺，其回收過程至關重要，同時又充滿風險性。本文介紹了南極考察作業中科考船潛標回收方法，主要包括無人機回收、作業艇回收以及科考船回收。3種方法中，無人機回收作業最為簡便和安全，且其完全可以代替傳統的作業艇回收，科考船回收作業最為復雜，但其適用的氣象條件最為寬泛。

關鍵詞：潛標系統；潛標回收；無人機；動力定位（DP）

0 引 言

潛標是現代海洋觀測的重要平臺，由于其長期性、連續性和定點原位性的優點，使其得到了廣泛應用[1]。潛標可搭載物理海洋、海洋化學、海洋生物等多個學科的傳感器，可在觀測點處獲得各學科、多層位的周年性觀測數據，對于海洋環境的季節變化研究、年際變化趨勢研究、海洋環境預報以及海洋軍事活動保障等工作具有重要意義[2]。由于具備諸多優點，潛標已成為國內外海洋工作者在全球五大洋海洋觀測中所使用的主要方式之一[3]。

潛標系統搭載了大量的傳感器，在水下觀測時間比較長，所使用的配件規格也比高。因此，整個潛標系統比較昂貴，根據配套設備的不同價值從幾十萬元一直到幾百萬元人民幣， 一旦不能正常回收將造成重大的經濟損失， 并且丟失寶貴的海洋科學數據。所以，承接整個潛標工作最后一環的潛標回收作業顯得尤為重要[4-5]。

大洋中的潛標回收是海洋科考中難度比較高的作業。潛標回收對天氣條件要求比較苛刻，并且由于潛標系統纜繩長達幾千米且掛載一些笨重設備，其回收過程對于回收人員和船只均存在一定的安全風險[6]。方便、快捷、規范和安全的回收方法能夠提高潛標回收成功率，節約海上作業成本并且降低作業風險。本文通過對傳統的作業艇回收以及科考船回收潛標的方案進行梳理，同時對2023年中國第39次南極考察中開創性使用無人機回收潛標方案進行介紹，最后對3種方案的適用條件和優缺點進行了評估。

1 潛標系統簡介

常規潛標的組成主要包括浮力單元、觀測設備、釋放器、重力錨和連接組件5部分構成，實時或準實時通訊潛標還包含了通訊單元，如圖1所示。

潛標的浮力單元主要作用是為整個潛標系統提供浮力，保證潛標系統在水下處于豎直狀態，并且在回收時能夠提供浮力使潛標除重塊以外的其他單元上升到水面；重力錨主要作用是通過錨爪或重力塊使潛標錨定在固定位置，重力錨的重量一般在1 t 以上，能夠保證即使在水下受到流的影響，潛標仍然能夠保持在固定位置。觀測設備通常根據觀測需求進行配置，科研人員根據自己關注的要素或現象將設備綁定或連接在對應的水深位置；連接組件主要負責將潛標系統串聯起來，連接組件主要包括繩子、錨鏈和卸扣；釋放器連接在重力錨和潛標錨系之間，釋放器收到水上回收人員發射的信號后，能夠將潛標錨系和重力錨脫開，潛標錨系借助浮力單元提供的浮力上浮到水面。

2 潛標回收作業前準備

氣象條件是影響潛標能否順利回收的重要因素，潛標回收作業前應對回收區域的氣象條件進行預判，常規情況下應避免在以下幾種情況下作業包括：夜晚、能見度低于500 m、風力超過7級或浪高大于3.5 m、作業區海面浮冰覆蓋超過三成等。

氣象條件滿足作業需求后，科考船航行至標定的潛標目標區進行釋放器測試，喚醒釋放裝置，測試電壓、姿態和距離，確認一切正常。得到釋放器正常信息后，根據當地風流情況以及潛標首球離海面的距離，估算釋放開始后首球出現在海面上的時間以及整套潛標全部到達水面的時間。科考船需在下風側與即將出水面的頭球保持約300～500 m距離，這個距離可以讓瞭望人員能及時發現目標，同時又能避免潛標上浮過程中不確定產生直接沖撞科考船，甚至導致潛標設備掛在螺旋槳上而引起船舶不能行動的不利局面。

上述準備工作完成后，對釋放器進行釋放操作，潛標主體浮出水面后開始回收打撈工作。

3 無人機回收

無人機進行潛標回收是一次新的嘗試。在2023年中國第39次南極考察期間，使用無人機回收潛標4套，回收成功率100%。本次攜帶的無人機能承擔38 kg纜繩負荷（約400 m纜長，吊掛3個錨鉤），作業吊掛點可進行遙控拋鉤操作，見圖2。

無人機對潛標進行回收時，科考船應首先搭載無人機航行至潛標頭球位置附近，橫向距離盡可能控制在150～300 m范圍內。科考船停船后，無人機攜帶拋鉤起飛，拋鉤尾端連接牽引繩子，牽引繩另一端在科考船上回收人員手中。操作無人機前往第一組浮球上方（多個浮球時）或最前面一組浮球（當頭球為單個浮球時，考慮作業成功增加安全系數，會選擇最前面的一組浮球作為目標），牽引纜繩方向與潛標浮球在海面上的方向盡可能成直角，便于拋下錨鉤后勾住浮球上的纜繩。無人機飛行至第一組浮球后，操作人員將操作無人機釋放拋鉤，借助拋鉤下沉重力及船上回收人員拉力勾住浮球之間的纜繩。無人機拋鉤完成后返回科考船，若拋鉤未能勾住潛標，則回收人員將拋鉤拉回科考船，重新對無人機進行掛鉤，重復執行上述操作，直至勾住潛標位置。經過39次南極考察航次的嘗試，無人機首次拋鉤勾住潛標的概率極大，基本不需要二次操作。拋鉤勾住潛標后調整科考船位置，在后甲板對潛標進行絞纜回收。

無人機回收潛標時注意事項：

（1）科考船盡可能與潛標平行且在作業距離內，保證拋鉤下錨后垂直方向勾住纜繩，為作業成功增加可靠性；

（2）有一名熟練無人機操作員，確保安全和正確操控；

（3）作業前需要將無人機配置的纜繩全部在空曠甲板上排開，避免作業過程中纜繩出纜糾纏而影響作業，排纜的方向以縱向放在左側無人機飛出一側；

（4）除一名無人機操作員外，另外配置一人協助放纜，放纜速度盡可能跟上飛行速度，確保飛行過程中不受牽引纜的影響；當無人機到達目標上方后，調整高度至合適位置，選擇好拋鉤時機，鉤子基本上貼近水面；

（5）鉤子拋下后放纜隊員開始收纜，成功勾住潛標后收纜隊員將纜繩保持一定的張緊，并將尾端纜繩盤上絞盤，進行絞纜回收操作。

無人機潛標回收具備諸多優點：

（1）用時短，一次回收操作耗時5 min左右，如一次沒有成功，纜繩收回后很快可以進行第二次無人機操作；

（2）作業安全，無人機回收不像作業艇回收一樣需要人員乘坐小艇離開科考船，降低了人員受傷風險；也不需要科考船非常靠近潛標，降低了科考船水下設備與潛標纏繞風險；

（3）回收人員視野清晰：無人機操作人員在科考船的高處進行操作，對于潛標位置和走向做到清晰的把握。

無人機回收操作的缺點：對海浪并不敏感，受風力影響較大，一般控制在風力在6級以內。但并不是只有無人機回收有這個限制，作業艇回收對于風力和海浪的限制更為嚴格，科考船回收法對于風浪過大的情況也無法進行操作，如圖3所示。

4" 作業艇回收

目前，大部分科考船會配備帶尾掛機的作業艇，當作業海區處于風平浪靜時，考察隊會考慮使用作業艇進行回收潛標。潛標釋放后，科考船會將攜帶的作業艇（常規是帶有1～2個掛機的橡皮艇，載員4～5名）吊放入海，艇上操作人員將作業艇航行至潛標處，將潛標頭球拴在作業艇艉部，拖帶至科考船尾部附近。使用導纜繩將頭球牽引至科考船艉甲板，隨后科考船進行絞纜回收作業。作業艇將潛標牽引至后甲板之后，科考船使用吊機將作業艇及人員吊回科考船。作業艇回收潛標如圖4所示。

作業艇回收操作受氣象條件影響較大。由于作業艇較小，在海上抗風浪能力較弱，因此當海浪大于1.5 m以上時，無法使用作業艇進行回收。由于需要吊放作業艇、人員上下艇和進行海上拖帶，作業艇回收潛標所需的海上作業時間較長且所需要的作業人員也比較多。

5 科考船回收潛標—以“雪龍”和“雪龍2”號科考船為例

科考船（無動力定位）漂移打撈回收以“雪龍”號為例：“雪龍”等早期科考船主要是以柴電推動單機或雙機為主，沒有首側推，在潛標回收過程中只能依靠風流慣性靠近潛標進行打撈。潛標上浮至海面后，科考船運行至潛標的上風位置，利用風流壓作用慢慢將船靠近潛標頭球位置，在船舷處利用拋鉤勾住頭球，然后牽引至尾甲板進行絞纜回收。由于此種方法是一種被動作業，特別是當風浪較大時，科考船快速向下風漂移時速度可達1.5～2 kn以上，拋鉤時間窗口很短，若拋鉤不中則科考船需要重新調整位置進行重新打撈，耗時比較長。

動力定位船回收作以“雪龍2”號為例：“雪龍2”號到達潛標測定位置后，進行三點定位確定作業前潛標確切位置，“雪龍2”號在下風側300 m左右停船就位（在潛標區域附近等待前二組浮標出水，及時發現），根據頭球和第二組浮球在海面上組成的連線方向確認頭球一側是安全的，科考船接近頭球至一個船長位置時（始終將頭球與第二組浮球連線方向保持在上風側，嚴禁船舶進入到二個連線之間），運用首側推和尾部主推將船平推與頭球與第二組浮球保持一個直角或接近直角。充分利用動力定位船操控靈活、動力強大的特點，用船中部慢慢接近至頭球。待船上可以用自制的錨鉤鉤住浮球上的纜繩后，將已準備好牽引繩和浮球聯接至尾部絞盤，科考船慢速進車后將尾部浮球排列成一縱隊，較安全完成潛標作業過程中的打撈工作。

動力定位船回收潛標優勢：可充分利用船舶動力強大和操控靈活的特點，較自由完成作業。缺點：風浪超過一定級別時，由于船舶橫搖較大，作業人員面臨風險；另外由于首側推功率不足，無法和主推一起使用平推，造成大風浪中可能無法完成任務。

科考船回收潛標的抗風浪等級比無人機和作業艇都要高，由于操作大船靠近潛標錨系，因此其操作也比較復雜。若一次拋鉤不中后，再次嘗試的準備時間也比較長。并且，科考船回收潛標也存在一個很大的安全隱患，因為科考船需非常靠近潛標才能夠拋鉤，若操控不當則可能會導致纜繩或儀器設備進入螺旋槳，造成纜繩纏繞螺旋槳影響航行，需要派潛水員水下清理或是單機航行至就近港口甚至需要進塢修理或檢查水下船舶槳和舵裝置，影響整個航次科考計劃。

6 總 結

無人機回收、作業艇回收和科考母船回收潛標各自具備其優缺點。由表1可以看出，無人機回收具備簡單、省時和安全的特點。與作業艇對比之下，無人機完全可以勝任作業艇的任何作業條件，并且優勢明顯。科考船回收所能適用的氣象條件最寬泛，但是相對無人機來講并沒有太大的優勢，而且科考船回收還存在潛在的安全風險。因此，簡單、高效和安全的無人機回收方式可以作為海上潛標回收的首選。

致 謝

感謝中國第39次北極考察隊對潛標回收作業的支持。感謝上海交通大學海洋學院提供使用的無人機。

參考文獻

[1] 于非，陳永華，周春，等.國產深海準實時傳輸潛標系統設計[J].海洋科學， 2020， 44（7）：7.DOI：10.11759/hykx20200327004.

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[3] 毛祖松.海洋潛標技術的應用與發展[J].海洋測繪， 2001（4）：2.DOI：10.3969/j.issn.1671-3044.2001.04.015.

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[6] 矯玉田，趙進平，史久新，等.極區海洋錨碇觀測系統的設計和布放[J].極地研究， 2007， 19（4）：9.DOI：10.3969/j.issn.1003-2029.2008.01.007.

作者簡介：

沈權，高級船長，（E-mail）shenquan@pric.org ，13917314105

孔彬，助理研究員，（E-mail）kongbin@fio.org.cn ，15864748282

肖志民，船長，（E-mail）xiaozhimin@pric.org.cn，15821123008

沈悅，“雪龍2”實驗室主任，（E-mail）shenyue@pric.org.cn，18018560725

魏照宇，副研究員，（E-mail）wzhyu@sjtu.edu.cn，15000940498