李华军院士等：国际海洋科学装备发展现状及未来发展趋势 -海洋装备发展战略论坛会议内容

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摘自：《海洋科学装备研究进展与发展建议》，原文刊发于《中国工程科学》2020年第22卷第6期

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作者：宋宪仓，杜君峰，王树青，李华军 （中国海洋大学工程学院）

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通讯作者：李华军，中国海洋大学工程学院教授，研究方向为海洋工程

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海洋蕴藏着丰富的生物资源、矿产资源、药物资源、空间资源、海水资源和多种能源，是人类解决资源短缺、拓展生存发展空间的战略必争之地。深入认知海洋科学奥秘、高效开发利用海洋资源、有效保护海洋环境、有力维护海洋权益都离不开海洋科学的发展和海洋科学装备的支撑。

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海洋科学装备是在自然条件下观测海洋中自然现象、规律所采用的工具，在海洋科学研究中起着重要作用甚至是决定性作用，主要分为：①海洋观测 / 探测传感器，如干涉高度计、海洋激光雷达、合成孔径雷达、海洋通量传感器、温盐深传感器、声学多普勒流速剖面仪、海洋生物探测仪、多类型声学传感器、多类型地磁探测传感器等；②海洋观测 / 探测平台，如海洋遥感卫星、水面科考船、多类型水面浮标、多类型水下潜标、多类型深潜器、多参数水下滑翔机、自沉浮式剖面探测浮标等；③海洋通信传输装备，如空中无线通信装备、水面微波通信装备、水下声学通信装备、水气界面通信中继装备、海洋数据智能处理分析装备等。

国内外高度重视海洋科学装备的研发，发布了一系列科技发展计划、中长期发展规划，支持高端海洋科考船、海洋观测设备、海洋探测平台的建设。随着海洋研究领域朝着深远海、南北极拓展，知海、用海、护海对智能化、自动化、高端化的海洋科学装备提出了新要求，未来 15 年将是高端海洋科学装备发展的关键阶段。系统梳理海洋科学装备的发展现状，凝练我国相关装备的短板和不足，思考我国海洋科学未来发展方向和发展策略，以期为我国海洋科学装备的快速稳健发展提供理论依据。

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国际海洋科学装备发展现状

（一）海气界面观测装备

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海水与大气的交界面即为海气界面，海洋与大气在此区域发生能量交换和物质迁移。海气界面观测为基础研究提供支撑，如海气多尺度相互作用、跨圈层气–流–固耦合机制等。

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1. 海洋遥感卫星

美国 1978 年发射了世界首颗专用海洋卫星，搭载主动式和被动式微波传感器、雷达高度仪、微波测风散度计、合成孔径雷达等探测设备，波高测量精度约为 2~20 cm ；后续发射了海洋水色专用监测卫星、海面风速测量卫星、海面风场测量卫星，建成了第三代“白云”电子侦察型海洋监视卫星系统。欧洲重点发展综合观测卫星系统，由多颗海洋遥感卫星构成；2010 年发射的“冷卫星–2”观测卫星携带合成孔径干涉雷达高度计，测量对极地冰盖的表面高度变化率、海洋浮冰厚度和面积等。1967—1989 年，苏联发射了 32 颗实用型海洋监测卫星，建成了“宇宙”卫星系统，由电子型海洋监视卫星、核动力雷达海洋监视卫星构成。日本 2012 年发射的“水珠”号卫星配备了微波辐射计，空间分辨率较高，可对全球降水量、水蒸气量、海洋风速、温度等参数进行测量；后续发射了多颗海洋监测专用卫星，构建了全球海洋 24 h 监测体制。

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2. 海洋科考船

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美国拥有世界上数量最多、设备最先进的海洋科考船队，含全球级科考船 16 艘、大洋级科考船 23艘、地区级科考船6艘、当地级科考船6艘；例如，“斯库里奥克号”极地科考船配备了艏侧推器，静水最大航速为 26.3 km/h，破冰等级为 PC5，自持力为 45 d 。欧洲拥有数量庞大、设备先进的科考船队，如英国拥有大洋级科考船 3 艘，法国拥有大洋级科考船 4 艘，德国拥有全球级新型综合科考船。英国“RSS 大卫·阿滕伯勒爵士号”极地科考船，破冰等级为 PC4，静水最大航速为 31.9 km/h，自持力为 60 d；配置专业科考仪器和设备，对大气、海洋、海底圈层进行科考研究。此外，日本“Kaimei 号”海洋科考船续航能力为 1.67×104 km，航速约为 22.22 km/h，配备动力定位系统、3000 m 长 4 缆三维地震测量系统、12 000 m 长温盐深剖面仪装置， 3000 米级无人缆控深潜器（ROV）海底资源取样装置等，可执行海底资源分布、生成环境调查，大气及海洋环境变化调查等科考研究。

（二）水下移动式观测装备

水下移动式观测装备一般分为载人深潜器（HOV）、ROV、无人自主式深潜器（AUV）、水下滑翔机等，可以搭载不同类型的传感器和采集设备，对海面到海底大范围区域进行详细探测。

1. 载人深潜器

美国“阿尔文号”深潜器是是世界上最早的载人深潜器，设计下潜深度为 1829 m，可到达全球约 63% 的海底，单次下潜作业时长为 6~8 h，主要用于海洋生物采集、海洋地质调查、海洋遗迹考察等；2012 年美国伍兹霍尔海洋研究所升级改造了“阿尔文号”，使其设计下潜深度拓展至 6500 m；累计完成下潜作业超过 5000 次 [10]。法国“鹦鹉螺号”深潜器建于 1985 年，设计最大下潜深度为 6000 m，累积下潜作业 1700 余次，主要用于多金属结核区域勘探、深海海底生态系统调查和沉船、有害废料搜索等。日本“深海 6500”载人深潜器建于 1989 年，设计最大下潜深度为 6500 m，单次下潜作业时长为 8 h，累计下潜 1000 余次，完成了海洋斜坡、断层调查，日本海域地震、海啸观测研究。

2. 无人缆控深潜器

美国“Jason 号”ROV 由配套母船提供动力并控制作业，深潜器本身采用高耐压浮力材料，在下水作业过程中处于自由悬浮状态；最大下潜深度为 6500 m，配备了声呐、影像、照明、数字采样系统，具有高精度的水下探测和采样能力；累计下潜作业超过 1000 次，平均下潜作业时长为 21 h，最大下潜作业时长达 100 h。其他代表性装备有法国 6000 米级 Victor6000 ROV，英国 1000~3000 米级 Demon、Venom 系列 ROV，日本 7000 米级 Kailo ROV 等。

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3. 无人自主式深潜器

AUV 能够自主控制水下航行、自主进行水下探测，在军事领域具有较好的应用前景，世界海洋强国高度重视此类深潜器的研制。具有代表性的是美国“Sentry 号”“REMUS 号”深潜器：前者设计下潜深度为 6000 m，通过智能算法控制深潜器规避水下障碍物，实现水下完全自主航行，既可水下独立作业，又可与其他 HOV 或 AUV 协同作业；后者作为多任务小型潜水器，体积和重量更小、能耗更低、续航能力更强，可携带远程环境监测装置，目前已形成谱系化装备。

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4. 水下滑翔机

水下滑翔机是一种新型的水下移动式观测装备，通过调整净浮力和姿态角度获得推进力，能耗极小，具有效率高、续航能力强、维护费用低、可重复使用的优点，适用于长周期、大范围的海洋探索。美国水下滑翔机技术非常成熟，发展了斯洛库姆、Spray、海洋滑翔机等多个系列，可靠性和实用化程度较高，部分产品实现商业化。2008 年，法国 ACSA 公司发布了商业化的混合推动水下滑翔机，可在 AUV、滑翔机工作模式之间切换，结合水下声学定位系统可实现水下自主定位，适用于长期海洋监测和冰下测量。

（三）海底观测网络

海底观测网络指将多种观测仪器设备安置在海底，对海水层、海底层、海底岩石层进行全天候、长期、动态、实时原位观测的平台，一般由海底观测节点、海岸基站组成；通过电缆网络将海底基站和各观测节点（分布在海底）连接起来形成系统，观测数据可用于自然灾害、气候变化、海洋生态系统研究。

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美国海洋观测网（OOI）属于有缆长期观测网络，2016 年建成，分为区域网、近岸网、全球网三部分：区域观测网是由长度为 880 km 的海底光纤电缆将 7 个海底主节点串联而成，近岸观测网、全球观测网均由深海试验平台和移动式观测平台组成。OOI 实现了从海面到海底全范围的立体观测、从厘米级到百米级的跨尺度观测、从秒级到年代级的跨时空观测，主要用于海洋化学循环、极端环境生命、海洋地质过程、海洋动力变化、海啸等关键性海洋过程的精确观测。

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加拿大海底观测网络（ONC）为有缆观测网络，包括维多利亚海底试验站、“海王星”海底观测网：前者为海洋观测技术和相关设备的原位试验提供试验平台，同时配备了用于研究 300 m 水深海洋和生物作用的多类型传感器；后者是由长度为 800 km 的海底光纤电缆将 5 个海底主节点进行串联而形成的主干网络，可对离岸 300 km，水深 20~2660 m 的海洋环境进行长期、动态观测。ONC 重点开展海底地质过程、生物过程、化学过程的长期、实时、连续观测，在海气相互作用、海洋灾害监测、海洋污染监控、海洋资源勘探、海洋权益于海洋安全、海洋科技创新等方面发挥了重要作用。

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欧洲海底观测网络（EMSO）是覆盖欧洲主要海域的分散式科研观测网络系统，由一系列具有特定功能的海底及水体观测装备组成，包含 4 个浅海海底试验节点、11 个深海海底节点；对海洋水体、海洋生物、海底圈层及其相关作用过程进行长期、连续、实时观测，为海洋气候变化、海洋灾害预测、海洋生态系统演变等研究提供观测数据。EMSO 的特色在于发展多学科、多目标、多时空尺度的海洋观测能力，但受限于经费、环境许可等因素，相关能力尚未完全建成；部分节点已经处于运行状态，获得了丰富的观测数据。

日本在其领海布设了地震和海啸观测密集网络（DONET、DONET2），在日本海沟海底构建了地震海啸观测网络（S-set）。DONET 包含 22 个密集观测点（间距约为 15~20 km），以有线方式连接在一起，实现了观测数据的实时传输。DONET2 通过长度为 450 km 的复合缆将 2 个登陆点、7 个科学节点、29 个观测平台连接在一起，形成实时观测网络能力。DONET、DONET2 密集覆盖了日本从近岸到海沟的广阔海域，为日本南部海域地震和海啸预警提供了实时监测数据。S-net 观测网络由 6 个子系统组成（每个子系统包含长度为 800 km 的复合缆线、25 个观测站），连接在各个子系统之间的复合缆线总长度约为 5700 km，覆盖海域面积达 2.5×105 km2 ；实现了每个里氏 7.5 级地震源区配置 1 个观测站的布局目标，使地震预警有望提前 30 s，海啸预警提前 20 min 。

海洋科学装备领域未来发展趋势

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（一）海洋科学装备的智能化、无人化

随着海洋开发活动逐渐走向深远海，人类干预海洋探测 / 监测设备的活动将越来越困难，深远海探测 / 观测将逐步发展到无人值守自动化、智能化。例如，新型智能潜器可以长期潜伏在设定海域，监测范围内出现异常情况时，探测传感器自动激活设备，对目标进行智能跟踪；新型智能浮标、潜标可根据实际情况自动选择合适的信息传输、供电方式，各子系统根据海况自主选择适当的工作模式；水下航行器可搭载人工智能（AI）、深度学习技术，自动识别海底障碍物、控制推进器进行自主规避。

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（二）海洋科学装备谱系化、观测系统立体化

随着应用水深的增加、观测参数类型的变化，功能单一的海洋科学装备无法满足未来探测和观测的综合需求，多参数、多功能、谱系化成为相关装备的发展方向。在长期探测 / 观测作业的过程中，倾向于采用多类型海洋科学设备联合协同作业的模式，即多种类型的海洋科学设备通过功能分工和互补，构成立体化的观测系统。例如，美国、日本的海洋观测系统一般由空基设备（卫星、飞机、无人机）、陆基设备（水文观测站、数据管理中心）、海基设备（科考船、无人艇、水面浮标）、海床基设备（水下潜标、水下潜器、水下传感器）组成，通过协同作业实现单一装备无法完成的复杂任务。

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（三）海洋科学装备的综合化、全球化

海洋作为一个联系紧密的系统，某个区域的变化将会引起其他区域的连锁反应；但海洋体量过于庞大，仅凭少数国家无法建立覆盖整个海洋的探测 / 观测体系。各国协作建立全球化的海洋探测 / 观测体系，将是海洋科学技术与装备未来的发展趋势之一。我国在发展海洋科学装备的过程中，应重视海洋探测 / 观测技术创新的全球化趋势，参与制定国际探测 / 观测计划、国际标准，开展国际合作与交流，高效推进领域的创新发展。

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参考文献略

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