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摘要：本文回顾了过去60年世界海洋机器人技术进步的历程，载人潜水器、遥控水下机器人、自主水下机器人和混合型机器人先后对人类认识海洋起到了划时代的作用，被国外称为四次革命。从有人到无人、人直接操作到机器人自主控制、无智能到有智能，是从机器到机器人进化的历史规律。它给我们的启示是，未来将继续在无人化、机器人化和智能化这条道路上前行，这是世界潮流，也应是我国不二的选择，海洋机器人将与其他类机器人一样，汲取现代信息技术特别是人工智能技术的精华，不断向高智慧型发展。中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称“中科院沈阳自动化所”）四十年海洋机器人的研究经历了一个与国外大体相似的发展历程，本文最后简要介绍了中科院沈阳自动化所近年来在深远海机器人研究的一些新进展。
前言
海洋是我们这个星球上唯一一块未被充分认识和开发的处女地，是世界各国必争的高地，深海和大洋是其争夺的焦点。这种争夺对海洋装备和技术提出了更高的要求和更多的需求。海洋机器人是深海里的一颗明珠，它对推动海洋科技进步、海洋经济发展和国家安全有重要影响，同时也是国家科技水平和实力的重要体现。
回顾海洋机器人发展的历史沿革，思考其技术嬗变的动因及发展路线图十分有益。历史进程是一个动力学系统，有其固有特性和运动规律，不断出现的新技术助力这一动力学系统不断变革，这是过去也是未来创新发展的根本源泉和动力，基于这种思考能够较为准确地判断未来的发展趋势和走向。
1 海洋机器人发展的历史沿革
海洋机器人是各类海用机器人的总称，包括载人潜水器、遥控水下机器人、自主水下机器人、水面机器人和混合型机器人。相比之下水面机器人比较年轻，是一种无人驾驶的水面船（艇），水面机器人、水下机器人以多种形式组合或融合（如水面与水下、遥控与自主、浮游与海底爬行等），构成新的类型称为混合型机器人。本文称载人潜水器为有人系统，其余均属无人系统，60多年来这四类海洋机器人在不同的历史阶段产生了深刻的影响被称为四次革命[1]。
1.1 第一次革命（20世纪60年代）——载人潜水器（Human Occupied Vehicles，HOVs）开创了科学家们进入海洋内部认识海洋的历史
载人潜水器是各类水下机器人进化的源头，是一种大型的水下探测与作业平台。由操控、通信导航、安全保障、动力和生命支持系统等组成，可载多种先进的科学仪器仪表和复杂的探测与作业设备。最大的特点是乘员可以从潜水器窗口直接观察海洋内部的各种现象，并通过机械手抓取样品，布放和回收仪器。
1960年，美国的“里亚斯特号”载人潜水器第一次下潜到地球海洋最深处——马里亚纳海沟，创造了潜深10916米的世界纪录，树立起一座丰碑。
“阿尔文号”是一艘功勋卓著的老资格载人潜水器，最大工作深度为4500米，自1964年建造始一直沿用至今，2004年改造升级后的“阿尔文号”作业深度为6500米，服役时间超过50年。下潜多达4000次，先后搭乘全球2000多位科学家，在重大海洋科学发现和科学研究中曾屡屡建功。
载人潜水器给人类认识海洋的进程以巨大的助推，重大海洋现象的发现、科学理论的验证、亲临现场获取的直观图像和数据更新了科学家们对海洋的认知。
随着科学技术的不断进步，载人潜水器的弱点也日渐显露，高昂的建造、运行和维护成本及乘员的安全性使其难以规模化发展，20世纪70年代以后，全球载人潜水器特别是深水载人潜水器的研发转入低潮。
1.2 第二次革命（20世纪70年代）——遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicles，ROVs)成为主角
遥控水下机器人也称无人有缆遥控水下机器人，其基本工作原理与载人潜水器相同，主要差异是操作者不在载体内部，而在水面母船或平台上，通过电缆遥控水下载体，除了直观性差外，它能够实现载人潜水器的所有功能且制造和运行成本低，因此，逐渐替代了载人潜水器成为主角。
1966年，美国海军曾在西班牙外海使用遥控水下机器人“科夫-3”打捞起一枚沉落海底的氢弹，这个事件引发了世界各国对遥控水下机器人研发的热情。20世纪70年代发生的世界石油危机，促使海洋石油和天然气工业大量使用遥控水下机器人，由此产生了新的产业部门——国外称“ROV Industry”。现在全球有一百多家厂商提供近500种型号[3]，估计全球约有5000到6000台在运行。
遥控水下机器人为海洋科学家提供了一种不必亲自进入海洋，就能够从事科学研究的新手段。科学家可在更为安全和舒适的水面母船或平台上进行科学研究工作，甚至可以通过无线链路在远离海洋几十乃至数百公里的实验室里实施操作。遥控水下机器人不仅用于科学研究，帮助人类认识海洋，它们的新角色是“海洋工人”，在海底石油和天然气生产中从事监视、搬运、安装、拆卸、回收等井下作业。不仅能从事“轻体力劳动”，还能凭借脐带电缆提供的强大的动力从事海底挖沟、埋设电缆等“重体力劳动”，开创了海洋机器人进入生产作业领域的新时代。
遥控水下机器人也有局限性，主要是活动空间受脐带电缆长度限制，继而发生了第三次革命，自主水下机器人弥补了这一不足。
1.3 第三次革命（上世纪80年代以后）——以自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles，AUVs）的广泛应用为标志
自主水下机器人，全称为无人无缆自主水下机器人。与遥控机器人相比，其最大优点是没有脐带电缆、自身携带能源，依靠机载的自主能力执行预定使命，活动空间大且隐秘，特别适用于远程和大深度的海洋探测、科学研究与军事应用。
一次补充能源、跨越大洋航行几千公里的自主水下机器人已成为了现实，显然，利用这种手段人类能从更宽和更深的范围认识和研究海洋。在军事上，它也将改变海军的作战样式，引发军事变革。美国海军的“马斯特计划”提出包括侦察、水雷战、反潜等九大军事用途，提出了到2035年发展的路线图。从海洋技术发展的角度看这又是一次深刻的革命。
1.4 第四次革命——混合型海洋机器人走上历史舞台，从此人类对海洋认识的空间从水下扩大到水面乃至空中
海面是人类开发利用海洋的传统领地，人类的海洋梦想不断地催生海洋技术的新变革，海面机器人（Unmanned Surface Vehicles，USVs）即海面无人船（艇）应运而生，它是自动化特别是智能自主技术与现代船舶技术结合的产物。海面机器人位于两种介质的交界处，具有沟通海洋内外空间信息的优势。
单一类型海洋机器人已经难以满足日益增加的海洋活动的需要，海面、海中、海底、自主、遥控等多种类型和功能的组合或融合，形成了混合型海洋机器人。它们集成了各类机器人的优点，其能力远远强于单一类型的机器人，这是海洋机器人发展历史上的又一次跨越。
应当指出，上述四次革命的时间点并非与各种机器人出现的时间相吻合，而是基于它们的历史地位划分的。
我国海洋机器人的发展虽然比国外晚了十至二十年，但却有着相似的发展历程。20世纪70年代，中船重工701所研制的用于打捞水下沉物的“鱼鹰号”，成为我国载人潜水器的开端。继而研制的“蓝鲸号”，拥有几十年的应用历史。特别值得回顾的是在20世纪70年代进行的类似于神舟与天宫对接的水下对接试验，“7103”深潜救生艇与潜艇对接并转移艇员，这是中国载人潜水器历史上的丰碑。“蛟龙号”7000米载人潜水器，是我国近些年来研制的潜水最深的载人潜水器，尽管它来得有些迟，但却弥补了我国进军深海的短板，为我国深海科学研究提供了新手段，彰显了我国的科技实力。近年来，我国在载人潜水器领域的投入力度很大，这在世界上是独一无二的，也与国际上的“冷”形成了鲜明的对比。
我国遥控水下机器人研究始于20世纪80年代，第一台遥控水下机器人“海人一号”于1986年由中科院沈阳自动化所和上海交通大学合作完成。瑞康Ⅳ-SIA-300是于20世纪80年代，在引进技术基础上通过国产化形成的我国第一个商业化的遥控水下机器人。上海交通大学在国家“863计划”的支持下，于2015年完成了目前国内潜深最深的4500米“海马号”遥控水下机器人的研制。进入新世纪后，我国已经能够独立设计制造各种不同深度和类型（浮游、爬行、海底）的遥控水下机器人，其水平与国外的差距不大。国内拥有的遥控水下机器人总量未见统计数据，粗略估计约200台，尚未形成产业。
20世纪90年代初，我国开始研究自主水下机器人，中科院沈阳自动化所先后研发了1000米“探索者”“CR-01”和“CR-02”6000米自主水下机器人，哈尔滨工程大学研制了“智水”系列，西北工业大学、天津大学、中国海洋大学等单位也开展了一些研究工作。
在混合型机器人研究领域，中科院沈阳自动化所从2003年起开始自治/遥控水下机器人（Autonomous Remotely Vehicle，ARV）的研究，成功研制多型ARV系统，在水下安保、北极科考中得到了成功应用，近年来围绕海斗深渊科考研制的全海深ARV关键技术平台——“海斗号”已实现万米下潜。“十三五”期间，中科院沈阳自动化所、上海交通大学、上海海洋大学等正在研制万米级的混合型机器人。
2 几点认识和启示
2.1 海洋机器人具有双重属性
工作于海洋环境且源于船舶技术的海洋机器人必然具有海洋船舶和机器人的双重属性，是两种技术结合的产物。这两种属性以下分别简称“器”与“人”。“器”是载体，体现“潜水”功能；“人”是载荷，执行类人的作业能力。“人”以“器”为依托得以遨游深远海，“器”借“人”的智力应对复杂海洋环境下的作业任务，两种不同的专业属性相辅相成融为一体。因而，称这类装置为潜水器或水下机器人。
两种属性同等重要，但涉及的技术进步的快慢有所不同。在历史发展的进程中，引发工业革命的信息技术的迅猛发展，使得“人”的分量不断加重，与时俱进地认识这种变化有助于看清未来的发展方向。
2.2 “器”与“人”
在过去的40年中，我国相关领域专家对于“器”和“人”的看法也存在差异，甚至有些专家会不认同与之相悖的观点。如对于“载人潜水器也是水下机器人”这一观点，很多具有船舶专业背景的专家都持否定态度。早期载人潜水器主要用于水下观察，没有任何“人”的特征更似潜水艇，称其为“载人潜水器”则十分贴切；20世纪60年代以后机器人（手）诞生，潜水器也安装机械手使之增添了作业能力，有了“人”味，具备了双重属性，因此，个别文献中称其为“载人机器人”也不为过，甚至在北京世纪坛的地面上亦有类似记载。本文基于习惯仍称“载人潜水器”并视其为水下机器人的始祖。
今天，我们可以清楚地看到，从载人、遥控、自主到混合这一历史进程中，“人”的理念与技术已经越来越深地融入其中，跨越式地提升了海洋机器人的能力，与时俱进地理解技术进步带来的深刻变化。总而言之，半个多世纪以来海洋机器人的历史沿革是：从有人进化到无人，电脑代替人脑，直接控制转变为自主控制。人支配的运动变为自主使命决策产生的行为，从无智能到有智能。诚然，目前最先进的自主水下机器人也只具有极其简单的智能，总体上还处于智能机器人的低级阶段，一旦涉及到稍微复杂的水下作业，必然需要人的介入，但是它的未来发展方向是明确的，海洋机器人的智能水平将随着当代人工智能技术的进展从低级走向高级，这是需求牵引与技术创新双轮驱动的必然结果。
2.3 “vehicle”与“robot”，“国标”需要修订
中文语境中“器”与“人”与英文“vehicle”与“robot”两个词不无联系，“器”即“vehicle”的中译，考察早期英文文献可以发现多用“Underwater Vehicle”，近些年“Underwater Robot”渐增，现在“Underwater Vehicle”已经等同于“Underwater Robot”[2]。
检索日文文献的结果表明，使用术语“水中ロボット”（水下机器人）的文献数量远多于“水中ロボット”（潜水器）。（详见表1）
1992年发表的国标GB/T 13407-92《潜水器与水下装置术语》将“潜水器”定为专业术语，这是由一些船舶领域的专家推动的，但实际上并未得到执行。表2以“水下机器人”和“潜水器”为检索词，在中国知网、万方、维普和谷歌数据库检索到的文献数量，结果表明使用前者的频率高于后者，作为国标的“潜水器”并未得到完全认可。此外，“潜航器”“水下航行器”“水下运载器”“水下平台”“水下航走体”及“UUV”等词也常见于各种媒体，有的甚至成为权威部门的习惯用语。国标未被普遍接受可能有多种原因，没有反映出双重属性是其中一个重要因素，考虑到国内外的用语习惯和趋势，建议修改国标，增列“水下机器人”与“潜水器”同为标准术语。
近年来，无人系统已经发展成为一个独立的门类，海洋机器人系海上无人系统，它与空中无人系统、地面无人系统并列为无人系统的三大子系统，它们的底层平台各异，但顶层结构基本相同或相似，海上无人系统在基础理论、技术、装备研发，应用工程等方面已经形成了完整的体系。
2.4 无人系统——未来发展的主要方向
在国外，以遥控、自主水下机器人为代表的无人系统，早已取代了有人系统，关于这一点已有权威结论，详见2002年美国海洋工程协会给美国海洋政策委员会提交的报告[3]。而在我国一直有种观点，即以航天领域发展先“无人”后“有人”的顺序为据，认为未来海洋领域亦将按此顺序将进入“有人”时代，显然这种观点是片面的，无人汽车、无人艇、无人机就是反面例证。信息技术包括互联网、物联网、大数据、人工智能、智慧化技术的迅猛发展，极大地推动了空中、地面、水面和水下有人系统向无人系统的转化，无人系统是未来发展的主流方向。无人化还将影响大型海洋有人平台的发展方向，大型有人平台包括大型商船和战舰，英国罗尔斯·罗伊斯公司指出，大型商船无人化运输在未来10年内可以实现，技术上已不存在这个问题，主要障碍是法律问题。美国研制的“海上猎人”就是大型战舰无人化的开端。
抓住人工智能迅猛发展的机遇，加快发展适用于海洋机器人的人工智能技术，提升海洋机器人的自主能力和智能水平。我国应当把主要资源投向海上无人系统，适度兼顾有人系统，这是我国走向深、远海，实现海洋梦和深海梦的战略抉择。
3 中科院沈阳自动化所深远海机器人研究简介
中科院沈阳自动化所是我国最早从事海洋机器人研究的单位之一，四十年来经过了与国外大体相似的发展历程。其对深远海机器人的研究始于20世纪70年代载人潜水器热潮期之后，经历了遥控、自主、混合型机器人的发展阶段。进入新世纪后，将自主和混合型机器人作为战略方向之一，与深海科学研究、国际海底资源调查的需求紧密结合，进入自主创新阶段，以下简单介绍几项在深远海机器人方面的近期成果。
3.1 “潜龙一号”6000米自主水下机器人
“潜龙一号”6000米自主水下机器人（如图1所示）是中国国际海域资源调查与开发“十二五”（2011-2015年）规划重点项目之一。“潜龙一号”最大潜深6000米，速度2节，具备进行深海近海底地形地貌、浅地层地质结构、海底流场、海洋环境参数等综合精细调查能力。
3.2 “潜龙二号”自主水下机器人
“潜龙二号”自主水下机器人（如图2所示）是“十二五”国家863计划“深海潜水器技术与装备”重大项目的课题之一。中科院沈阳自动化所作为技术总体责任单位，承担潜水器系统的研制任务。“潜龙二号”最大潜深4500米，集成了热液异常探测、微地形地貌测量和海底照相等功能，主要应用于多金属硫化物等深海矿产资源勘探作业。
3.3 “龙珠号”遥控水下机器人
“龙珠号”遥控水下机器人（如图3所示）是专为“蛟龙号”7000米载人潜水器设计的，自身携带能源，与“蛟龙号”载人潜水器形成子母式作业模式，主要功能为代替“蛟龙号”进入狭小、危险区域进行抵近考察。2014年7月，“龙珠号”搭载于“蛟龙号”在西太平洋海山区成功进行了水下作业，验证了各项功能，并首次取得了“蛟龙号”水下作业影像资料。
3.4 “海斗”全海深自主/遥控水下机器人
“海斗”全海深自主/遥控水下机器人（如图4所示）是由中国科学院战略性先导科技专项支持研制的全海深无人潜水器关键技术验证平台。
“海斗”全海深ARV是一种新型的混合式水下机器人，用于开展全海深机器人关键技术研究及验证，其自带能源和长距离光纤微缆，可采用自主模式（AUV模式）或遥控模式（ROV）实现全海深（11000米）航行与作业，通过搭载CTD和水下摄像机可实现全海深环境下的海洋观测。
2015年底，“海斗”在南海完成了浅海试验及3000米级深海试验。2016年7月，“海斗”在马里亚纳海沟以自主模式完成了多次万米级下潜及应用，最大下潜深度10767米，坐沉沟底52分钟，创造了我国水下机器人下潜深度记录。
其最大工作水深为11000米，空气中重量为200公斤，主尺度为0.8米×0.5米×1.0米。
3.5 “探索1000”自主水下机器人
“探索1000”自主水下机器人（如图5所示）是由中国科学院战略性先导科技专项支持研制，主要用于海洋水文观测。“探索1000”AUV具备航行、潜浮及休眠等多种工作模式，可对水深1000米海域的指定观测点进行剖面连续观测（观测时间不小于30天），或对指定间距的多点连续剖面观测。目前“探索1000”AUV已完成海上试验，最大航程达517公里，连续潜浮剖面43个，水下工作时间7天。
3.6 7000米7功能主从伺服液压机械手
7000米7功能主从伺服液压机械手（如图6所示）是“十二五”时期，在“863计划”支持下研发的，2015年7月安装于“发现号”遥控水下机器人上，在1100米冷泉区海底顺利完成首次科考应用，取得良好应用效果。深海液压机械手研制成功填补了国内7000米深海机械手设备的空白，现已成为4500米载人潜水器的配套设备。
此外，深海滑翔机于2016年7月创造了滑行深度达5751米的好成绩。
长航程自主水下机器人一次补充能源以5节速度连续航行已超350公里。
GZ01水面机器人，长度7米，排水量3吨，最大航速30节，续航力40小时（15节时）。并在渤海湾完成了海上试验，并进行了应用验证，取得了良好效果。
4 结束语
海洋机器人的发展历程显示了从机器进化到机器人的清晰轨迹。归根结底，人—机关系或者操作者与被操作对象之关系变化主导着这一切，人需要从单调、艰苦、困难和危险的环境中解脱出来，从而促使了机器人技术的介入，这既是需求的牵引，也是技术进步的助推。不断地提高机器人的智慧程度是人的期盼，用当代大数据、互联网、人工智能、脑科学等科学和技术构建海洋机器人脑是未来发展的战略方向，海洋机器人这颗深海明珠将会因此而更加灿烂辉煌。
参考文献
[1] James R McFarlane. Tethered and Untethered Vehicles: The Future Is in the Past[J].Marine Technology Socity Joural,2009, 43(2).
[2] Judith T Krauthamer. Future Projections and Inventory: Manned Undersea Vehicles, Remotely Operated Vehicles, Autonomous Undersea Vehicles, Sustained Ocean Observatories, Cruise Ships[R].in the U.S.Commission on Ocean Policy Current Status, 2002-10-25.
[3] The Remotely Operated Vehicles Register 2014 CLARKSON research service limited.
封锡盛 中国科学院沈阳自动化研究所研究员，中国工程院院士，中国科学院研究生院教授，博士生导师。1941年生，1965年毕业于哈尔滨工业大学电机系工业企业电气化与自动化专业，早期从事雷达天线控制技术研究，1973年调入中国科学院沈阳自动化研究所工作，从事经纬仪用高精度轴角编码器研究，80年代起至今一直从事水下机器人研究，承担了多项国家863计划、中国科学院和地方的科研项目，在这些项目中担任总设计师或负责人，与他人合著《水下机器人》《机器人学导论》及论文约60篇。先后担任《机器人》《控制与决策》《控制工程》等刊物的主编和编委，辽宁仪器仪表学会理事长，第九、十、十一届全国政协委员，曾先后任省、市两级政府科技顾问和参事，辽宁省优秀专家。国家奖评审委员，哈尔滨工业大学荣誉教授，辽宁省对外文化交流协会副理事长。
（本文刊登于《中国自动化学会通讯》2016年第3期，转载时请注明来源，并在阅读原文中添加本篇文章的原文链接。）
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