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中国网2月25日讯(记者 舒珺)海洋覆盖着地球表面积的三分之二以上,蕴含丰富的生物资源和矿产资源。随着科学技术的发展,人类已经进入了开发和利用海洋的时代。在各种海洋技术中,作为用在一般潜水技术不可能到达的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业的水下机器人,使得海洋开发进入了新时代。

我国自主研制的6000米无人无缆潜器和4500米级深海资源自主勘查系统,也就是我们所说的“潜龙一号”和“潜龙二号”自主水下机器人(AUV),引领着我国当今深海研究的热门领域。12月16日,“潜龙二号”参加了由国家海洋局第二海洋研究所、中国科学院沈阳自动化研究所等多家单位的科学家组成的大洋40航次,“乘坐”“向阳红10号”船前往马达加斯加以南1000海里的西南印度洋,进行海底热液硫化物的科学考察,并为“潜龙二号” “考试”,进行其实用性的考核验收工作。因此,中国网记者专程赶到中国科学院沈阳自动化研究所(沈自所),采访了“潜龙二号”的总设计师——刘健。

我国第二台深海机器人 通过

刘健在“潜龙二号”通过专家组验收后 在“向阳红10”船接受中国网记者采访(摄影 林昂)

初入沈自所,低调的楼房掩着一排排的长廊,透过一个个实验室、办公室的门窗,记者看到工作人员都在低头谨慎地做研究,并未发现门口的陌生脸。通过长廊,映入眼帘的是另外一个不符北方恢宏的建筑风格的小巧别院,花草盆栽错落有致地摆放。在长廊的尽头的会议室,记者见到了我国4500米级深海资源自主勘查系统的总设计师,同时也是6000米无人无缆潜器的课题负责人刘健,通过对话,深入了解了AUV——这一让世界各国都争相研发的自主水下机器人。

已经开始为国民经济服务的AUV究竟是什么?

上世纪80年代,当时的中科院沈自所的所长、我国自动化领域首席科学家蒋新松研究员就提出要发展水下机器人领域,并在沈自所率先开始了水下机器人的研制工作,成为了我国第一个研制水下机器人的单位。80年代末期,在国家“863”计划的支持下,沈自所作为技术总体单位,联合其他单位成功研制出了第一台AUV,取名“探索者”,下潜深度1000米。“探索者”的出世,标志着我国掌握了研制AUV的关键技术,同时也标志着我国的AUV技术可以向深海发展。

水下机器人通常可以分为三类:载人潜器(HOV)、无人遥控潜器(ROV)以及自主水下潜器(AUV)。AUV是水下机器人重点发展方向之一,由于它无需考虑人的因素,再加上航行阻力小、作用范围大、更智能化,因此越来越得到广泛的应用。上世纪90年代中期,同样在“863”计划的支持下,我国与俄罗斯海洋技术问题研究所合作,联合国内其他单位研制出了我国第一台6000米级的AUV,即CR-01,在1998年时获得了国家科学技术进步一等奖,位列我国十大科技进展之一。CR-01的研制成功,标志着我国AUV技术达到了国际先进行列。

十二五期间,中国大洋矿产资源研究开发协会为了更好地履行《国际海底多金属硫化物矿区勘探合同》,委托沈自所联合中科院声学所、哈尔滨工程大学等共同研制了我国第一台实用型6000米无人无缆潜器——“潜龙一号”,从2011年开始研制,经历了数次湖上、海上试验之后,两次到访东太平洋进行结核区勘探作业。此后,沈自所又在大洋协会的牵头下,联合海洋二所一同研制了4500米级深海资源自主勘查系统——“潜龙二号”,针对多金属硫化物(海底“黑烟囱”)进行调查。

刘健告诉记者,CR-01属于原理性样机,突破了6000米级AUV的关键技术,从科学角度来讲很有意义。但随着陆上能源的枯竭,世界各国都把目光移向深海,开展了一场轰轰烈烈的“蓝色圈地运动”,因此迫切的需要一种实用型的深海AUV,在智能化、实用性、可靠性与安全性方面有很大的提高, 成为我国探测和发现国际深海资源调查的重要设备,直接为国民经济服务。

现在的“潜龙一号”就是一台实用的深海AUV,曾两次参与大洋航次,通过对近百平方公里的探测,获得了大量的海底地形地貌、高清晰照片、海底环境参数等资料,对评估资源分布密度和将来的开采具有重要的意义。

而高分通过南海“海试”、并顺利通过大洋40航次应用性试验航次的专家评审的“潜龙二号”,已经投入了40航次第二航段——试验性应用阶段,验证了在西南印度洋其实地地形地貌、海底光学、磁力、海洋环境等多方面探测,并对申请的多金属硫化物矿区进行了大面积探测。

深海AUV是我国进行国际海域资源调查的重要设备,以其调查数据作为基础,我国曾成功申请了太平洋海底15万平方公里的结核矿区,并对7.5万平方公里的矿区拥有永久开采权。可以预见深海AUV必将在未来的国际海域资源调查中发挥更大的作用。

我国第二台深海机器人 通过

刘健在“潜龙二号”大洋中脊处女航布放时专注工作(摄影 舒珺)

人类科技成果竟与大自然“殊途同归”——“潜龙二号”长相呆萌像条胖鱼

“潜龙一号”曾数次下潜到近6000米深的海底进行深海资源探测,“走的路”较为平坦,因此航行稳定,而西南印度洋远离大陆、岛屿和所有航线,水深从2000米到4500米不等,印度洋中脊“山路崎岖”,不适合“潜龙一号”进行近底深海作业,于是,带有高精度避碰设计的4500米级AUV即“潜龙二号”将下潜到地形地貌复杂多变的海底环境中,分辨障碍、控制自己“跨过山脉”,避免碰撞,带回神秘的海底“黑烟囱”的相关数据。

洋中脊的复杂地形要求“潜龙二号”具有强大的垂直面机动能力以尽可能减小垂直面阻力,再加上回收时对水面航行的需求,“潜龙二号”被设计成了立扁形潜器,远远望去,就像一条黄色的“呆萌”热带鱼,带着四只“翅膀”,控制“这条鱼”前行的推进器就装在这四只“翅膀”上;可旋转舵提供更强的机动能力和控制能力,可以保证“潜龙二号”安全地在复杂地形航行;首次使用的前视声纳作为避碰传感器保证了在复杂地形的有效避碰、测深侧扫声纳水下实时信号处理技术保证了快速精确成图的能力;有效的磁屏蔽方法和磁校正技术可以完成高精度的磁力探测,“潜龙二号”的以上五个特点,可以保证在印度洋中脊的深海勘查作业的顺利完成。

刘健告诉记者,“潜龙二号”与“潜龙一号”并不存在替代的关系,本着“因地制宜”的原则,相比适合平坦海底地形作业的“潜龙一号”而言,“潜龙二号”更加适合在复杂的海底地形中进行作业。这是因为“潜龙二号”的立扁形设计及推进方式具备更强的垂直面机动能力,使避碰更可靠、探测更有效,回收更方便。”

“我们对它的外形不断进行优化,以便让它携带更多能源、适合垂直面的机动航行,并且最大程度上减小它的阻力,优化的结果让‘潜龙二号’看起来像一条立扁的鱼一样”,刘健说,“人类的科技成果及优化同海底生物的进化竟然‘殊途同归’”。

说“潜龙二号”可以去“感知”海底世界并不是比喻,人类通过眼睛来观察世界,“潜龙二号”则通过前视声纳和测深侧扫声纳探测周围的地形地貌;人类通过耳朵来倾听世界,“潜龙二号”则通过各种环境传感器来感知未知环境;人们通过大脑来思考世界,“潜龙二号”通过一系列智能算法来航行作业并跨过障碍;人类通过双腿来丈量世界,“潜龙二号”通过导航传感器来定位并执行前行命令。这么说来,“潜龙二号”是个有思想的“人”,无怪乎人们将深海资源自主勘查系统称之为“自主水下机器人”。

在谈及4500米级深海资源自主勘查系统的研制情况时,刘健用他带着科学家特有的冷静与沉着的嗓音,向记者娓娓道来:

“潜龙二号”是由大洋协会牵头,在国家“863计划深海潜水器技术与装备”重大研究项目的支持下,沈自所与海洋二所共同研制的。“潜龙二号”的研制道路并不平坦。最开始的“潜龙二号”设计并没有前面双翅,到相关单位进行水动力试验后发现无法保持稳定控制,因此需要重新改进设计。总装联调阶段前后持续了近八个月,除了发现许多加工设计方面的问题,还不断修改控制方法、外形设计、集成设计等,这八个月对于整个研制团队而言可谓是“黑色八个月”,刘健用六个字形容了这个时期研发人员的工作状态,“白加黑,五加二”。

在经过了昼夜不分没有周末的半年多的艰苦奋战,终于在此后的南海海试中表现不俗,获得现场验收专家的一致好评并高分通过验收。下一步,“潜龙二号”的任务就是在西南印度洋进行实地探测。这对于研发团队来说是一个新的挑战,但同时,大家也满怀信心准备迎接新的考验。

“水下机器人研制的5年经历就像养活一个从出生到五岁的孩子”,刘健动情道,“我也希望随着科技的发展,它可以逐渐逼近人类的智慧”。

深海AUV的未来还将把更高精尖设备融为一体 或将具备采样能力

1983~1988年期间,美国国家海洋大气局制订了一个5年计划,把处在美国200海里专属经济区内的胡安德富卡海脊作为海底热液矿床的重点研究和开发对象;日本政府也曾投资75亿日元,建造了能下潜2000米的“深海2000”号深潜器,专门用于海底热液矿物的调查,海洋开发中心用7年时间,投资220亿~230亿日元,建造能下潜6000米的深潜器——“6500”号,用于海底热液矿床的调查;1985年初,加拿大多伦多大学的斯科特教授领导的一个调查队乘“潘德拉2”号潜艇,对温哥华岛以西约200千米的海脊进行了调查。反观我国,目前的“潜龙一号”和“潜龙二号”已经达到了世界先进水平,而国外AUV的应用次数更多、技术更成熟,仍值得我国学习。在未来,我国的深海AUV将向更深、更远、更智能的领域发展。

刘健的扁方镜片下闪烁着深邃又兴奋的光芒,跟记者分享着未来我国AUV的发展方向。他告诉记者,6000米的深度已经覆盖到了全球98%的海域,但也有个别极深的海域具有科学探测的价值,比如马里亚纳海沟,最深可以达到11000米。“科技部也在做着相关规划,希望下一次可以做到11000米级的深度,确保整个海洋我们都可以探测到。深海AUV到达更深的领域以后,除了密封,还有一个弱通讯的难题亟须解决。所以攻克这项技术难题也将是未来深海AUV的发展方向。”

另外,续航能力的提升可以有效提高作业效率,CR-01的续航能力不小于10小时,“潜龙1号”和“潜龙2号”的续航能力达到30小时。刘健说,在未来,深海AUV的发展也一定会朝着更远的目标迈进。

此外,具备更强的周围感知能力和智能控制也是未来深海AUV发展的一个重要趋势。如何将声学的多波束、测深侧扫声纳、高精度数码照相机、近底水文环境参数或地球物理参数测量等高精度传感器融为一体,更准确全面的感知复杂的海洋环境,让深海AUV变得更加智能也是未来的一个重要发展趋势。

海上的时光

采访进行到后期,不可避免的谈到了刘健对前几次大洋航次的记忆。刘健告诉记者,在海上试验的时候,人要克服晕船的时候又有技术难题需要攻克,再加上时间紧凑,研发人员需要在有限的时间内加班加点,24小时不睡觉都属于正常情况。

山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村,“每当最后一个潜次顺利结束,当我意识到海试大纲规定的内容已全部完成,马上便可以胜利返航的时候,突然海上的世界变得那么美好。天是那么蔚蓝,云是那么洁白,空气那么清新,大海那么辽阔,朝霞那么绚丽,队员那么敬业,而我身在其中”,说到这里,记者似乎看到这位德高望重的科学家镜片背后闪烁的欣慰和希翼的光芒。

运营人员: 赵颖 MX007

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