海洋论坛▏我国海洋测绘仪器计量工作现状与展望 - 海洋测绘设备

灬李佳儒灬 · 发表于行业交流 2024-4-14 18:21:41

【摘要】计量是实现国家单位制统一和量值准确可靠的活动，与标准、合格评定共同构成国家质量基础，关系国计民生。海洋测绘仪器计量工作是海洋计量体系的主要组成部分，是实现海洋强国战略的重要支撑和保障。本文从计量法律法规、计量管理、计量标准研究与建设方面阐述了海洋测绘计量工作发展现状，分析了海洋测绘仪器计量中存在的不足以及面临的挑战，最后对我国海洋测绘仪器计量发展提出了合理对策与建议，以期进一步推动海洋计量事业的发展。

一、引言

毋庸置疑，21世纪将是“海洋世纪”。海洋是我国乃至全球在新世纪极其重要的发展战略空间，海洋计量体系作为国家计量体系的重要组成部分，必将在迅速发展的海洋经济、海洋科技调查、海洋军事外交等领域发挥更大的作用[1]。随着海洋高新技术的迅速发展和海洋监测、调查任务的加强，海洋测绘作为海洋战略的先行军，急需计量检测技术为其保驾护航，并要求计量科学研究工作应与海洋测绘高新技术产业的发展同步进行且应具有一定的超前性，海洋测绘仪器标准化工作必须先行[2]。水运交通船舶、海洋工程建设、海上搜救打捞、海洋资源勘探开发都要求海洋测绘仪器数据信息的单位统一、量值准确可靠。为保证海洋测绘成果质量，定期计量检定海洋测绘仪器的计量性能具有重大的研究与应用价值。

单波束测深仪、多波束测深仪、侧扫声纳、高分辨率测深侧扫声纳、浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪等海洋声呐探测仪器作为海洋测绘的先锋，是当前海底地形地貌测量最为有效的水声探测设备，其基础性、先导性和重要性不言而喻。近几年来，随着海洋开发、海洋监测、海洋科学研究等迅速发展，这些仪器设备在国内许多部门和单位（如海军、国家海洋局、国家测绘地理信息局、交通运输部海事局与航道局、国家环保局、水利部以及勘察测绘院等）中大量引进并广泛使用，在众多领域发挥了巨大的作用。推动常用海洋测绘仪器检测技术的研究和应用，并建立相应的计量检测平台，提供各类海洋测绘仪器的检校与测试，促进海洋测绘仪器标准化进程，将为实施海底常用声呐测量仪器业务化计量检测奠定基础；为国家或行业制定海洋测绘的质量控制政策和标准提供参考；为海洋测绘行业部门的声呐设备开展检测、评估服务；确保我国常用海洋测量声呐探测数据的准确性和可靠性；对进口海洋仪器与国产仪器性能参数进行科学评价与比较，提升我国水下声呐设备在国内和国际上的认可度，打破国外技术垄断和封锁；有助于促进我国海洋高新技术系统化和产业化；有助于加快国家海洋开发的战略步伐。

二、海洋测绘仪器计量工作现状

⒈ 计量技术法律法规体系

1986年《中华人民共和国计量法》颁布实施，是我国计量发展的重要里程碑；1994年11月《联合国海洋法公约》正式生效；1995年，我国通过了《中国海洋21世纪议程》；1996年海洋高技术被列入国家863发展计划；以《中华人民共和国计量法》及实施细则为基础，2008年《海洋计量工作管理规定》发布实施，成为海洋领域开展计量管理与服务的重要依据和指导性文件，对规范海洋计量器具管理、海洋计量监督、海洋计量认证、海洋计量人员管理等工作起到重要作用，贯彻实施效果显著。《全国科技兴海规划纲要（2008～2015）》的总体目标中提出要提升国产海洋监测仪器设备的可靠性和稳定性，开展海洋装备环境模拟和检验技术开发服务；《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～-2020年）》中明确提出“重点开发海洋生态与环境检测技术和设备”、“要加强检测技术体系和计量基标准体系建设”。2012年，国家质检总局批准成立全国海洋专用计量器具计量技术委员会，负责在海洋领域制修订国家计量技术法规和开展国家计量基标准国内量值比对的归口管理工作。坚持以规划为导向、统筹协调海洋计量事业发展，海洋计量工作被纳入《“十二五”计量发展规划》和《计量发展规划（2013～2020年）》等两部国家发布实施的重大计量规划[3]，上升到国家战略层面。特别是国务院发布的《计量发展规划（2013～2020年）》，多次提及海洋计量，明确指出加快海洋监测等专用计量测试技术研究，提升专用计量测试技术水平；将海洋工程装备产业列入国家产业计量测试服务重要领域；将提升海洋高技术产业发展的计量技术支撑能力作为东部地区计量技术保障能力建设的重点，引领和带动海洋计量工作迈向新台阶。《全国海洋标准化“十三五”发展规划》和《全国海洋计量“十三五”发展规划》提出，到2020年基本建成支撑国家治理体系和实现依法治海能力现代化的海洋标准体系，形成从国家到地方自上而下相结合的海洋标准化新局面的总目标；到2020年海洋量传溯源体系更加完善，计量检测服务能力大幅提升，攻克若干海洋计量检测领域关键技术共性技术难题，形成一批先进新型的海洋计量标准装置等[4]。海洋测绘仪器是海洋战略的先行军，其计量性能的好坏涉及水下深度测量、海底地貌测绘、水下目标探测、水下通信与导航、水中声速测试、海底磁力与重力测量等等，由此可见，海洋测绘仪器的计量检定在海洋计量领域有着举足轻重的地位。

国际海道测量组织（IHO）为确定海洋测绘的最低标准，以第44号特别出版物（S-44）的形式不断发布改进的版本，目前已经发布了第五版国际海道测量标准，其目的是改进和提高航行安全。与此同时，美国（NOAA，2007）、加拿大（CHS，2005）和新西兰（LINZ，2001）等海道测量技术发达的国家也相继发布了各自的新版海道测量规范和标准。我国目前采用的是第二版《海道测量规范》（GB12327-1998），并补充发布了《多波束水深测量作业技术标准》，交通部发布了行业标准《水运工程测量规范》（JTJ203-2001）[5]。现有海洋测绘行业的国标采用至今已有将近20年，由于海洋测绘设备与技术的更新换代，现行标准与规范已不能很好地满足当前海洋测绘的发展状况，急需进行修订。由此可见，海洋测绘仪器的计量与标准化工作势在必行。

⒉ 计量管理

海洋测绘行业计量管理的内容主要包括：计量政策法规及计量检定规程的制修订和海洋测绘检测仪器设备量值溯源（计量检定或校准）管理。目前我国海洋行业取得国家级计量认证的法定计量检定机构相对较少，可进行海洋测绘仪器计量检定的机构更是屈指可数。1989年国家海洋标准计量中心成立，直属国家海洋局领导，兼为国家海洋计量站，是国家质检总局授权的国家法定计量检定机构，主要负责全国海洋标准化、计量、质量技术监督工作。其服务对象主要是海洋监测仪器，如海洋温盐深测量仪、浮子式验潮仪、声学验潮仪、压力式潮波仪、多参数水质仪等，基本满足海洋温、盐、深、流、浪、潮、气压、气温、湿度、风、pH等海洋监测参数的量值溯源需要。国家海洋局现有GB/T12763-2007《海洋调查规范》等海洋国家标准77项，HY/T145-2011《坐底式声学测波仪》等海洋行业标准225项，为推动海洋标准化工作做了巨大贡献，很好地支撑和服务了海洋强国建设。

国家水运工程检测设备计量站于2015年正式获得国家质检总局的授权，是交通水运工程领域唯一的国家级法定计量检定机构，共有浅水回声测深仪等9种计量标准获得授权；目前制修订的行业标准与规程中，与海洋测绘仪器相关的主要有《水运工程回声测深仪》（主要适用于单波束测深仪）、《水运工程浅地层剖面仪》、《水运工程声学多普勒流速剖面仪》、《水运工程多波束测深仪》、《水运工程声速剖面仪》等，基本涵盖了海洋测绘行业所使用的主要仪器设备，对海洋测绘仪器的术语和定义、产品分类、通用技术要求、计量性能要求、准确度及重复性、试验方法、计量器具控制等进行了科学有效的规范，适用于江河、沿海、湖泊、航道的水深测量、底层勘测、水文调查等；可面向全国开展14种检测仪器的检定和校准工作。国家水运工程检测设备计量站成立以来，为海洋测绘仪器使用过程中的精度控制提供了技术支撑，为海洋测绘行业标准建设提供了参考依据，为海洋、港口船舶安全通行提供了有力保障。

⒊ 计量标准的研究与建设

计量标准是指经国家质检总局批准，在中华人民共和国境内为了定义、实现、保存、复现量的单位或一个或多个量值，用作有关量的测量标准定值依据的实物量具、测量仪器、标准物质或测量系统，主要由计量标准器及配套设备组成。

计量标准的研究主要是计量技术研究，主要包括量值溯源途径、不确定度评定与分析、重复性与稳定性研究等方面的内容。计量标准的建设多为软、硬件研发和购置等。

⑴计量标准的研究

我国的海洋测绘仪器计量检测技术体系始于20世纪90年代，目前国内已经颁布了一些国家标准和行业标准或规程。我国颁布的《GB12327-1998海道测量规范》，规定了海道测量中具体的控制测量要求、水准测量要求、定位作业要求和测深作业要求等；由国家海洋局组织相关单位起草的GB/T 12763.10-2007《海洋调查规范海底地形地貌调查》和GB/T 12763.2-2007《海洋调查规范海洋水文观测》等海洋国家或行业标准对海洋测绘调查的技术指标、测量方法、数据记录和整理等方面进行了具体的规范；由交通运输部颁布的《JT/T 790-2010 多波束测深系统测量技术要求》针对多波束系统水深测量作业，对其进行了具体的要求和规范，《JTS131-2012水运工程测量规范》则针对水运工程测量中的平面、高程地形测量和水位水深测量进行了规范要求；由水利部提出的《GB/T18522.3-2001 水文仪器通则第3部分：基本性能及其表示方法》，对常用水文仪器的基本性能及其表示方法进行了原则性规定，并在《GB/T15966-2007 水文仪器基本参数及通用技术条件》中规定了包括测深仪在内的常用水文仪器的基本技术条件和相应的实验方法和检验规则。

以上标准或规范主要是对海洋测绘作业过程进行的规定，针对仪器自身性能参数开展的实验室或试验场环境下的计量标准建设则相对较少。除国家海洋局现有的部分海洋测绘仪器计量标准外，目前主要还有交通运输部颁布的《JT/T 571-2015 回声测深仪》，对单波束测深仪和多波束测深仪提出了具体的技术要求，包括基本参数、功能要求、准确度、使用环境条件和整机要求等方面，并在此标准的基础上还颁布了《JJG (交通) 032-2015 水运工程回声测深仪检定规程》，规程基于检定水槽对回声测深仪（主要是单波束测深仪）检定方法进行了规范。截至目前，我国现已开展的有关海洋测绘仪器计量质量研究项目还包括《浅地层剖面仪计量标准技术研究》、《声速剖面仪计量标准技术研究》、《多波束测深仪计量标准技术研究》、《声学多普勒流速剖面仪（ADCP）计量标准技术研究》、《侧扫声呐计量标准技术研究》等常用海洋测量声呐的计量标准研究项目。以上项目的开展，一方面支撑了海洋测绘仪器本身行业标准和部门计量检定规程的起草和制定，另一方面为后续计量标准的建设奠定了厚实且可行的技术基础[7]。

⑵计量标准的建设

目前在各项海洋测量规范要求不断提升、完善的同时，海洋测绘仪器的计量标准和检测规范却相对缺乏，具备从业资质的法定计量检定机构更是稀少。众多价值不菲的海洋测绘仪器面临无法送检的问题，其各项性能参数的准确度及重复稳定性无法保证，只能采取现场自校或比测的办法，以至于海洋测量声呐的数据存在很大的质量隐患。因此研究水声设备检定装置和建立计量标准，逐步形成具备测试、率定、维修和评估能力的常用海洋测绘声呐检测平台是十分必要的。这些声呐仪器涉及水下深度测量、海底地貌测绘、海底地层探测等等，基本决定海图质量。下面对我国典型海洋测绘仪器的检定装置进行简要介绍。

国家水运工程检测设备计量站的浅水回声测深仪检定装置（图1），其主要配套设备是专用标准水池（75m×1.5m×1.5m），将测深转变为横向测距，采用横向测长直接比对的方法，用测深仪示值与已知距离进行比对计算示值误差。主要标准器选用激光测距仪，其他主要配套设施还包括：测深仪反射板、测距仪反射靶、测车及升降调节定位器等。该检定装置可对单频、双频单波束测深仪开展计量检定/校准工作，开展业务已有多年，计量检定技术比较成熟。目前国家水运工程检测设备计量站，基于交通运输部天津水运工程研究院的大比尺波浪水槽（长×宽×深=450m×5m×12m）、水塔（高10.5m，直径0.8m）、恒温水槽等设施（图2，图3），在建和筹建的还有多波束声呐检定装置（检定/校准测深指标和声学指标）、浅地层剖面仪检定装置（检定/校准地层厚度分辨率）、侧扫声纳检定装置（检定/校准底物分辨力）、声学多普勒流速剖面仪检定装置（检定/校准海水流速、流向指标）、声速剖面仪检定装置等，初步拟定2020年之前实现对常用海洋测量声呐各项性能指标（测深、声源级、频率、波束角指向性、底物分辨力、地层分辨率、声速、流速流向等）的计量检定工作[8-9]。

图2 浅水回声测深仪检定装置

图3 450m长大比尺波浪水槽和10.5m高水塔

此外，海军大连舰艇学院、中国科学院声学研究所（图4）、哈尔滨工程大学的水声技术国防科技重点实验室、山东科技大学的海洋测量综合实验场（图5）、国家海洋局第一、二、三海洋研究所、国家海洋标准计量中心、杭州应用声学研究所的水声换能器设计与检测中心等，以上单位均已建或在建海洋测绘仪器的检测设施，由此可见，我国对海洋测绘仪器计量技术的重视和势必推进该项工作的迫切性与信心。

图4 中科院声学所六面消声水池

图5 山东科技大学海洋测绘综合试验场

三、海洋测绘仪器计量工作存在的问题

虽然海洋计量体系建设取得了长足发展，但由于其起步较晚，作为国家计量体系的一个分支，受重视程度较低，兼之投入较少，因此海洋计量工作还存在一些不足。海洋测绘仪器的计量工作是海洋计量体系中不可或缺的一部分，在海洋事业中发挥着技术支撑和保障作用。总结现阶段我国海洋测绘仪器计量工作面临的问题主要有以下几方面。

⒈ 海洋计量行政法规薄弱

海洋计量法制体系建设滞后于海洋发展形势的需求。海洋测绘领域涉及面广，高新前沿科学众多，发展变化日新月异，与之相对应的法规和部门规章没有形成完整体系，不能有效覆盖现有海洋测绘业务体系。除《海洋计量工作管理规定》之外，海洋计量法规体系建设尚显薄弱，《计量法》以及《海洋计量管理规定》应紧随社会主义市场经济的发展，对海洋测绘计量相关内容不断补充。形成以计量法为核心，行政法规、部门规章为配套支撑的计量法律法规体系，做到依法行政、依法管理，推动海洋计量工作规范有序开展。

⒉ 海洋测绘仪器的计量标准和体系滞后

与海洋计量行政法规并行的海洋计量技术法规同样面临进展缓慢的形势。作为行政法规的补充，技术法规所包括的技术规程和标准体系等建设底子薄、起步晚，尚需时日对其进行健全与完善。目前海洋测绘仪器使用主要集中在工程单位，对仪器进行实验室分析研究的科研单位相对较少。使用人员更多地关注仪器的测量结果，而对于影响测量精度的测试参数体系并不完全清楚，相关国家及行业标准规范更是缺乏。导致评价一台仪器只能依据生产厂家提供的设备技术特性来大致推断其档次和先进性，只能被动地根据在使用中是否正常的表面状况来判断其实质状况。

一方面进口海洋测绘仪器拥有量大，种类越来越多，档次越来越高；而另一方面对其质量控制却仅停留在普通管理上，缺少有效的技术管理，即检测、计量与评估。造成需要精度依据的海洋测绘仪器处于粗放的控制之下：缺少基本声呐仪器设备的计量标准与规范；缺少相应的检定装置与设施平台；无法准确、全面检测声呐设备精度、重复稳定性参数状态[10-11]。

⒊ 海洋测绘仪器法定计量机构和从业人员缺少

目前，可开展海洋测绘仪器计量业务的法定机构十分有限，众多海洋测绘仪器面临无处送检的局面，无法得到正确、科学、权威的计量检定。从事海洋海洋测绘行业的计量检定人员更是稀缺。以国家海洋标准计量中心（国家海洋标准计量站）及其三个分站（北海、东海、南海标准计量中心）为例说明，2014年4个站共有职工169人，直接从事海洋计量工作的仅有78人，其中专门从事海洋测绘仪器计量工作的人员屈指可数。再以国家水运工程检测设备计量站为例，全国水运行业持证的计量检定人员只有近30名，其中从事海洋测绘仪器计量工作的仅有8名专业人员。在海洋测绘仪器不断更新换代，使用量持续增加的形势下，计量机构与人员却并未相应增加，十分被动。想要做好庞杂的海洋测绘仪器计量任务，如此之少的专业计量检定人员的确力所不能及。究其原因主要是海洋测绘计量标准数量较少和计量从业人员培训与考核难度大所致。

⒋ 海洋测绘仪器计量检测能力有待提升

海洋技术的快速发展使得现有公用计量标准不能满足新仪器设备研制的计量检测需求。近现代广泛应用的海洋测绘仪器具有微型化、智能化、深水、高灵敏度、精度和稳定性高等特点，同时可与多种辅助传感器组合使用。以多波束测深系统为例，多波束测深仪与声速剖面仪、姿态仪、电罗经、全球卫星定位装置等组合成现代化测深系统，并在不同的载体上使用，这就要求海洋测绘仪器的计量检测由实验室向现场（大型消声水池或广阔海域）、由静态向动态、由单参数向多参数的方向发展[12-13]。另外，现代海洋测绘仪器的操作控制界面多采用软件，能够被移植与改写，这些软件的可靠性设计也是海洋测绘数据质量的重要影响因素，但是这些系统软件的可靠性测评技术研究却很少。

海洋测绘仪器的计量检测不仅要包括计量性能检测还应包括环境适应性检测，比如温度、湿热、振动、冲击、盐雾、水静压力等多种测试项目，因此计量检测能力的不足也是制约海洋测绘仪器计量工作进展迟缓的瓶颈。

四、海洋测绘计量工作的展望

《计量发展规划（2013～2020年）》（国务院关于印发计量发展规划（2013～2020年）的通知，国发〔2013〕10号）要求“加快航空航天、海洋监测、交通运输等专用计量测试技术研究，提升专业计量测试水平”；同时部署了“构建产业计量测试服务体系”的任务，要求将计量测试嵌入到产品研发、制造、质量提升、全过程工艺控制中，实现关键量准确测量与实时校准。结合海洋强国战略的需求以及海洋测绘仪器计量工作尚存在的问题，提出如下解决措施。

⑴加强海洋测绘计量行政法律法规体系建设。完善海洋计量法律体系，健全海洋计量规章制度，把计量监管纳入依法、规范、有序、高效的轨道，真正做到依法行政、依法管理。不断提高科学管理和依法管理的水平。

⑵完善海洋测绘仪器计量检测体系。制修订一批海洋测绘急需的国家或行业标准、检定规程或校准规范，填补关键领域量传能力的空白，为海洋科技进步与创新提供最先进的计量检定校准方法。

⑶强化海洋测绘仪器的计量检测能力。加大资金投入，结合现代海洋测绘仪器新特点和发展新需求，大力研发海洋测绘仪器设备动态校准、多参数校准和现场校准技术，开展软件可靠性测评技术研究，研建和升级改造亟须的计量基、标准设备和检定装置，完善我国海洋测绘仪器计量标准的量值溯源体系，大力提升海洋测绘仪器设备检定覆盖率，保障海洋环境数据资料的准确可靠。

⑷推动检定机构与人员队伍建设。进一步理清现有海洋计量机构的职责定位，实现职能优化，统筹发展；不断完善管理和运行机制，强化高层次海洋计量创新团队和优秀人才队伍建设，努力为海洋发展提供强有力的计量技术保障。

五、结束语

在海洋高新技术及计量新技术的迅速发展下，海洋测绘仪器对以量值传递为基本内容的海洋计量工作提出了更高的要求。唯有利用科学的技术与方法完善我国海洋计量工作体系，形成全国海洋测绘仪器计量及管理协调发展、共同促进的良好局面，才能满足市场和社会的需求，为海洋战略的胜利保驾护航。

参考文献：

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[26]Lanzoni J C, Weber T C. A method for field calibration of a multi-beam echo sounder[C].OCEANS 2011, IEEE,2011:1-7.

【作者简介】本文作者/张铁军曹玉芬韩鸿胜柳义成，交通运输部天津水运工程科学研究所国家水运工程检测设备计量站，本文刊载在《中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会论文集》上，编发时已征得了作者同意。第一作者张铁军，男，汉族，1969年4月出生，河南长葛人，海洋测绘专业成绩优异的高级工程师，全国交通行业劳动模范，全国海洋科技先进工作者，国家注册测绘师考试命题专家。1990年7月武汉测绘科技大学大地测量专业毕业，历任天津海事局海测大队副队长、天津海事局办公室主任、天津航测科技中心主任、北海航海保障中心副主任兼总工程师；交通运输部环境保护中心主任；2013年9月至今任交通运输部天津水运工程科学研究院副院长。2016年7月作为第三批援青干部赴青，现任青海省交通运输厅副厅长。

【单位简介】交通运输部天津水运工程科学研究院(简称“天科院”)成立于1974年，是交通运输部直属科研事业单位，坐落于天津市滨海新区核心区，拥有一个本部两个基地，享受国家部委直属科研事业单位的人事管理政策以及天津国家自主创新示范区核心区——滨海新区的相关人才优惠政策。天科院下设15个科研中心和3个科技企业，拥有港口水工建筑技术国家工程实验室、国家水路绿色建设与灾害防治国际科技合作基地、国家水运工程检测设备计量站3个国家级平台，拥有工程泥沙、水工构造物检测诊断与加固技术、水路交通环境保护3个交通运输行业重点实验室，以及天津市水运工程测绘技术重点实验室等4个省级重点实验室，建有天津市交通运输行业环境监测中心站和博士后科研工作站。主要从事交通运输科技事业发展中具有基础性、战略性、前瞻性等共性技术和重大工程建设关键技术研究，并承担海岸河口、内河港航、水工建筑、环保生态、安全节能、设备检测、仿真与信息化、勘察测绘、岩土工程、风工程、工程管理及环境监理等领域的科研实验、技术咨询等科技服务工作。通过了英国劳氏ISO9001质量体系认证，具有工程咨询、环境影响评价、海域使用论证、水运工程结构类试验检测、工程勘察、测绘、航道工程设计、环境工程设计、水运工程监理以及安全评价等10余项甲级资质。“十二五”期，先后承担130余项国家和行业重大科技计划项目和6000余项交通水运及相关行业工程建设科研咨询工作，获得3项国家科技进步奖，3项国家优质工程奖和100余项省部级科技进步奖励。

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