史先鹏等：美国载人潜水器的应用和管理及其启示

引言
在众多深海运载装备中,载人潜水器可搭载科 学家到达海底,开展近距离观察、原位精准采样和 精细化操作等活动,具有扰动小和噪音小等优势, 已成为衡量国家海洋技术实力的重要标志[1-4]。载 人潜水器包括大深度型和中浅深度型2种类型,美 国、俄罗斯、日本和法国等国家已研制数台大深度 型载人潜水器。目前全球可跟踪的载人潜水器有 320台,其中有160台较活跃,被广泛应用于海洋科 研、海洋工 程、海 底 观 光、商 业 开 发 和 军 事 安 全 等 领域[5]。我国于2002年启动“蛟龙”号载人潜水器的自 主设计和集成工作;在原国家海洋局的领导和中国 大洋协会的组织实施下,7000米级“蛟龙”号载人 潜水器于2009年研制成功,并于2012年在马里亚 纳海沟完成海试,最大下潜深度达7062m [6-8];自 2013年开始,国家深海基地管理中心组织“蛟龙”号 载人潜水器的试验性应用航次,先后在我国南海、 东太平洋多金属结核勘探区、西太平洋海山结壳勘 探区、西南印度洋脊多金属硫化物勘探区、西北印 度洋脊多金属硫化物调查区、西太平洋雅浦海沟区 和西太平洋马里亚纳海沟区七大海区的深水区域 开展100余次成功下潜,覆盖深海海沟、海盆和洋中 脊等重点和典型区域,前所未有地获得对深海资源 环境的 新 认 识,开 辟 深 海 科 学 研 究 的 新 领 域。此 外,我 国 4500 米 级 “深 海 勇 士”号 载 人 潜 水 器 于 2017年年底完成海试并投入应用,全海深载人潜水 器也计划于2020年海试。美国载人潜水器建造最早,运营也最成熟。本研究通过对美国载人潜水器运营机构的系列调研, 分析其载人潜水器的应用和管理以及 UNOLS 的 作用,并提出启示。


8 d/ T/ w6 B9 t1 美国载人潜水器运营机构
0 ]; U' y7 F8 j# P美国载人潜水器运营机构主要包括伍兹霍尔 海洋 研 究 所 (WHOI)、夏 威 夷 水 下 研 究 实 验 室 (HURL)和佛罗里达大西洋大学海港分校海洋研 究所(HBOI)。WHOI属于私人非营利机构,拥有强大的载人 潜水器技术支撑团队,其“Alvin”号载人潜水器已搭 载约15000 人次下潜,并于 2018 年 11 月完成第 5000次下潜,应用领域十分广泛。“Alvin”号被多 次升级改造,与1964年建造时相比,几乎所有部件 都被更换。自2012年开始,WHOI将“Alvin”号升 级为6500米级载人潜水器,其具有更大的载人舱, 观察窗由3个增至5个,并配置更先进的灯光系统、 摄像系统、浮力材料和操控系统等,这是有史以来 “Alvin”号的最大升级。“Alvin”号将于2020年完 成最终升级[8],已有众多科学家排队等待其海试和 业务化应用。HURL成立于1980年,由美国国家海洋和大 气管理局(NOAA)的国家海底研究计划(NURP)资 助,同时运营2000米级“PiscesIV”号和“PiscesV” 号。2台载人潜水器均于1973年由加拿大温哥华 混合动力公司建造,海试后即由加拿大渔业与海洋 部应用,并由加拿大海洋科学中心运营,在大西洋、 北冰洋和太平洋开展下潜作业;后因加拿大政府削 减财 政 支 持,“PiscesIV”号 被 停 止 应 用,并 与 “PiscesV”号 分 别 于 1987 年 和 2000 年 由 HURL收购。HURL偏重于载人潜水器的应用,主要在夏 威夷群岛附近开展海底生态环境调查,技术支撑团 队人员较少,对载人潜水器的升级改造也较小。由 于2012年 NURP停止对 HURL 等6个国家海底 实验室的资助,HURL 自2013年由夏威夷大学资 助并开展系列下潜作业;后因经费短缺,夏威夷大 学于2018年宣布将停止载人潜水器的运营,HURL 面临解散,包括“PiscesIV”号和“PiscesV”号在内 的相关装备将被停止应用。HBOI于 1970—2007 年 属 于 私 人 非 营 利 机 构,2008年至今隶属佛罗里达大西洋大学,但仅依 托海军和相关科研项目获得少量 资 助。HBOI偏 重于载人潜 水 器 的 工 程 应 用 和 科 学 研 究,其 载 人 潜水器均为浅深度型。同样因经费短缺,HBOI于 2010年出售载人潜水器的支持母船,并于2011年 解散 技 术 支 撑 团 队。目 前 其 300 米 级 “Johnson Sea-LinkI”号和914米级“JohnsonSea-LinkII”号 均置于 仓 库,300 米 级“Clelia”号 因 部 件 零 散 仅 供 参观和研究。
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( `* g* C( F; ?2 载人潜水器的应用和管理
* j* ?& W/ l' v0 }" s2.1 业务机构
“Alvin”号载人潜水器的应用和管理主要依托 于 WHOI的国家深潜设施中心(NDSF)。NDSF由 美国政府资助成立,同时负责大深度型“Jason”号缆 控水下机器人(ROV)、“Sentry”号自治水下机器人 (AUV)和“Nereus”号混合型潜水器(HROV,2014年 在克马德克海沟9990m 水深处丢失)的应用和管 理。NDSF负责“Alvin”号载人潜水器的海上作业、 日常维 护、大 修 和 升 级 等 具 体 工 作,相 关 业 务 由 WHOI和美国政府联合指导,并由大学与国家海洋 学实验室系统(UNOLS)监督。HURL和 HBOI均直接应用和管理其载人潜 水器,其 中 HURL 的 相 关 业 务 由 夏 威 夷 大 学 和 NOAA 联合指导,HBOI的相关业务由佛罗里达大 西洋大学指导。
/ {0 B/ D/ S+ M$ ?7 o0 d% z6 c& V, l2.2 下潜作业
根据官方数据、可查的网络数据和各技术支撑 团队提供的数据,3家运营机构的载人潜水器下潜 情况如表1所示。
( x3 K/ p( n( g" s. W3 |' p其中:HBOI的载人潜水器下潜深度最小,且主 要在近海作业、海上作业时间短和故障率低,下潜 频次最高;WHOI的载人潜水器在大修和升级期间 无法应用,下潜频次较高;HURL 的载人潜水器下 潜频次最低。“Alvin”号载人潜水器主要应用于生命科学和 地球科学的研究,其应用领域如表2所示。
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# R# Q1 Z1 {- S0 o“Alvin”号载人潜水器主要在深远海开展下潜 作业,作业海域范围较大,其科学研究应用潜次占 全球所有载人潜水器的50%。而 HURL 和 HBOI 的载人潜水器的应用领域和作业海域范围均较小。
+ G% `' O! j3 q: M2.3 经费来源

! M; q9 N/ H: ]" c) \" \2 VWHOI的载人潜水器运营由海军提供长期资 助,此 外 可 获 得 国 家 自 然 科 学 基 金 会 (NSF)、 NOAA、大学和研究所的大量科研项目支持,经费 充足。而 HURL和 HBOI的载人潜水器运营分别 由 NOAA 和海军提供少量资助,此外可获得 NSF 和 NOAA 等的少量科研项目支持,经费不稳定且 较缺乏。
海军每年投入大量的固定资金用于“Alvin”号 载人潜水器的运营,即使潜水器停放在仓库,也可 保障其技术支撑团队的基本工资和潜水器的日常 维护,且 对 潜 水 器 的 大 修 和 升 级 提 供 额 外 经 费。NSF和 NOAA 的科研项目经费主要用于技术支撑 团队除基本工资外的海上作业补贴和装备(船舶和 潜水器)的应用,这些经费无须通过 WHOI,而是由 UNOLS统一管理,“Alvin”号载人潜水器是目前美 国唯一 纳 入 UNOLS 管 理 的 载 人 潜 水 器。此 外, NDSF可获得私人、基金会和企业等非政府部门的 捐赠支持,保障其灵活开展更多的创新工作。


3 在 UNOLS申请应用载人潜水器
UNOLS是美 国 国 家 海 洋 装 备 的 共 享 服 务 平 台,“共享”是该平台的精髓,将科研项目、装备应用 和经费预算有机联系起来。“Alvin”号载人潜水器 及其支持母船等大型海洋装备都由 UNOLS调度, 而其他载人潜水器由于尚未纳入 UNOLS,获得科 研项目支持难免受限。科学家可通过 UNOLS 申请应用载人潜水器 开展下潜作业,整个过程以严格、科学和有序的评 估机制进行控制和保障,载人潜水器、支持母船和 技术支撑团队等的经费预算可在 UNOLS 中一目 了然地体现。操作流程如图1所示。
, |3 _) r3 K+ Z' ~1 r: D科学家可在 UNOLS 查看船舶等装备的各项 信息,从而便捷和灵活地选择船舶、载人潜水器和 搭载的仪器,相关费用标准清晰,有利于装备资源 的高效配置和使用。UNOLS将科学家的选择结果 反馈至项目承担机构,经确认或调整后执行,并统一管理相关装备及其费用。WHOI接到 UNOLS的用船通知后,将相应船 舶全年和近期的航次计划通过网站公开:近期航次 计划包括出发和返航时间、出发和停靠港口、首席 科学家、航次支撑项目、海上作业总天数以及可能 的调整等;全年航次计划除此之外还包括下潜作业 的资助机构。WHOI的技术支撑团队会尽其所能为科学家 提供下潜作业支持,并与科学家各司其职。科学家 如随载人潜水器下潜,除水下电话外,不宜操作其 他舱内设备。


4 启示
; \' P! {/ E% w* D3 l根据美国载人潜水器运营机构的发展状况,本 研究主要获得6个启示。(1)单纯依靠科研项目经费难以维持载人潜水 器的运营,须确保固定经费投入。(2)UNOLS是连接科学家、科研项目、船舶和 载人潜水器等的纽带,基于该平台形成的应用和管 理机制是确保科研项目有效实施以及装备资源高 效配置和使用的关键。(3)WHOI的载人潜水器建造较早、下潜深度 较大,在装备应用和人才培养等方面积累了丰富的 经验,从而在同行竞争中保持领先优势,承担大部 分科研项目的下潜作业,实现可持续发展。(4)在经费充足的条件下,由于主要在近海作 业、海上作业时间短和故障率低,浅深度型载人潜 水器的下潜频次更高。(5)阶段性地开展载人潜水器的升级改造有利 于其保持良好状态。“Alvin”号载人潜水器每3~ 5年开展1次中修,每10年开展1次大修,并根据 实际应用需求进行必要升级,保障其安全和高效应 用以及技术领先。(6)WHOI从技术指标、结构部件、仪器种类和航 次计划等多方面,通过互联网全方位展现“Alvin”号 载人潜水器及其技术支撑团队的能力,并为全球科 学家提供开放式和人性化的服务。我国载人深潜工作起步较晚,现有载人潜水器 在深海资源勘探和生态环境调查等方面的支撑力 度远远不足。随着我国对深海科学认知需求的扩大,应促进载人潜水器及其保障机制的标准化和规 范化:从载人潜水器的数量和下潜深度方面,应加 强科学体 系 建 设;从 载 人 潜 水 器 的 应 用 和 管 理 方 面,应加强人才队伍建设。可借鉴 NSF和 UNOLS 的经验,研究并实施适应我国国情的载人潜水器运 行机制,树立国家投入和公益服务的理念,保障其 可持续发展。