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引 言 自然资源部于2021年7月发布关于建立健全海洋生态预警监测体系的通知，明确了海洋生态预警监测的体系布局。构建以近岸海域为重点、覆盖我国管辖海域、辐射极地和深海重点关注区的业务化生态预警监测体系。在管辖海域，对主要海洋生态系统类型实现全覆盖式大面监测。拓展极地、深海生态监测，积极参与公海保护有关工作。 建议以自然资源部通知内容以及国家其他相关指导精神为引领及契机，组织开展政策研究，明确产业发展方向，制定发展策略，并引导所内相关专业技术人员结合本所技术优势，着力在海洋生态预警监测体系中的重点发展领域框架内，制定关键核心技术攻关计划，开展相关项目型号的研制开发。 1 海洋环境监测无人装备 用于海洋环境监测的无人装备不断刷新下潜深度，逐渐增强海洋深处进行自主作业的能力。有些无人装备专为特殊水域设计，以适应特定类型的研究和调查任务。创新型的推进装备可显著延长任务续航时间，并实现零排放的节能效果。作为新概念深海工作平台，深海爬游混合型无人潜航器兼具自主潜航器（AUV）以及遥控潜航器（ROV）的双重特点。 1.1 “悟空”号创我国AUV潜深新纪录 4月1日，哈尔滨工程大学“全海深无人潜航器AUV关键技术研究”项目组顺利完成第3阶段深海海试试验，返回青岛母港。 “悟空”号全海深AUV最大下潜深度达到7 709米，创造了我国无人无缆潜航器AUV下潜深度的新纪录。这也是继俄罗斯“勇士-D”后，AUV潜深的世界第2深度。 全海深AUV是无人、无缆潜航器，具有作业范围广、机动性强、对母船依赖小的优势，具备在海洋最深处进行自主作业的能力。
图1 AUV布放 本次AUV回收海试，“悟空”AUV顺利完成了5 000米级和7 000米级海试，并取回了原位水样，为11 000米级深潜试验奠定了坚实基础。 1.2 爱尔兰海底数据公司的电动远程无人双体船 2021年6月2日，位于爱尔兰东北部格林诺尔的水下数据采集服务提供商XOcean公司推出了一支新的无人水面艇（USV）船队，能够进行近乎零排放的长航时作业。
图2 XOcean公司开发的USV 该系列USV的长度为4.5米，宽度为2.2米，高度为2.2米，排水量为750公斤。每艘USV可携带总共100公斤有效载荷，包括传感器和设备，用于各种应用，如水深测量、环境监测、数据收集，甚至渔业执法。 这些船只采用定制设计的复合材料双体穿浪结构，并为由锂离子电池组和吊舱驱动器组成的电力推进系统提供空间。 电力推进和混合驱动制造商Torqeedo公司为每艘USV提供完整推进装置，包括电池、1个轻型微型发电机、2个吊舱驱动器、2个船头安装的舷外推进器，以帮助保持站位。甲板上的一组太阳能电池板可在白天提供高效充电。XOcean表示，电力推进的使用保证了USV的排放量仅为传统考察船的千分之一左右。 XOcean还声称，电力推进可以帮助保证4节的速度和1 512海里的操作范围，即使在24/7操作的情况下也能提供长达18天的任务续航时间。 USV可通过公路拖车或标准20英尺集装箱轻松快速地部署。航行时，船舶由XOcean岸基运营中心的操作员在基于云系统的高度安全的操纵下进行远程控制，该系统用于监控电池状态和所收集数据的质量，并按要求调整USV本身和传感器参数。机载宽带卫星收发器提供连续的超视距通信连接，允许实时中继图像和态势感知数据。
图3 操作员的态势感知 操作员通过AIS应答器、热成像摄像机、可见光摄像机和图像检测传感器的电子套件来增强态势感知。这些传感器都是必不可少的，因为USV没有自主防撞系统，因此必须依靠操作员来操纵清除航行途中检测到的障碍物。 1.3 SWAMP——用于超浅水的轻型USV 2021年6月1日，意大利国家研究委员会的海洋工程研究所（Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto di Ingegneria del Mare，CNR–INM）推出了一种新型无人水面艇（USV），专为部署在极浅水域和偏远地区而设计。
图4 用于超浅水的轻型USV——SWAMP 浅水自主多用途平台（SWAMP）原型设计为高度便携的USV，拥有模块化组件，能够容纳任何种类的机载传感器，以适应特定类型的研究和调查任务。 SWAMP的开发是为了满足对无人艇的需求，这种无人艇可以很容易地部署在全尺寸、较重的船只难以操作的环境中进行准确的数据收集。这些环境包括河流、湖泊和沼泽等浅水湿地，它们也像更大更深的水体一样需要持续监测和保护。 该工艺的设计者试图克服在湿地中运行大型无人船所固有的一些问题。具体而言，大型无人船的吃水深度超过1米，这使得它们在这种限制性的海上环境中使用是不切实际的。尽管有些无人平台尺寸更小，在这种环境中的航行能力更强，但这些船只可以携带的传感器和设备的可用选择有限，这通常意味着它们收集的调查数据不会那么准确。 该SWAMP原型具有1.23米的长度，0.4米的船体高度和1.1米的宽度，宽度可以调整到0.7～1.25米以适应某些传感器和设备。安装天线后，该船的高度为1.1米，仍然能够在湿地航行。 USV的船体采用柔软灵活的闭孔HDPE泡沫夹层结构，使其能够承受有限的冲击并保持漂浮状态，同时不会对周围环境产生不利影响。基于泡沫的轻质结构使其最大排水量仅为38公斤，并使其能够在低至10厘米的水深中运行。 轻巧的船体经久耐用，可容纳各种总重20公斤的传感器配置。如果需要，SWAMP的总有效载荷重量可以增加到60公斤，尽管这会导致吃水增加，但由于其储备浮力，USV仍然能够在不到30厘米的水深中作业。 USV配备了由4个方位推进器组成的泵喷推进装置，每个推进器可以旋转整整360度，USV可以执行急转弯，以实现在限制区域内的有效机动。推进器完全集成到船体中以提高安全性，设计用作主推进装置或操纵装置。USV的模块化设计意味着如果需要额外的数据收集工具，可以用替代的推进装置或勘测传感器替换泵喷嘴。 推进器和机载传感器的电源由锂离子电池提供。USV拥有自己的全冗余制导、导航和控制（GNC）系统，可实现完全自主操作。 1.4 ROUGHIE——敏捷水下滑翔机进行沿海调查 2021年5月31日，美国普渡大学的研究人员开发出一组水下滑翔机ROUGHIE，这些航行器经过优化，可在近岸环境更严格的范围内执行调查和研究任务。
图5 水下滑翔机ROUGHIE 鱼雷形状的ROUGHIE长1.21米，重9.97千克，最短续航时间为12小时，最大深度为48米。 与其他水下滑翔机一样，原型机没有螺旋桨或主动推进系统，而是依靠其改变自身浮力的能力在工作深度之间切换并推动自身前进。它还能够在充电之前在海上停留数周甚至数月。 当从岸上或船上部署时，ROUGHIE将水泵加入其压载舱以改变其浮力并提供初始下潜路径角度。为了控制它的俯仰，机载电池巧妙地前后移动它的重量，作为自身控制机制。为了转向，整套内部组件安装在旋转的导轨上，精确控制滑翔机的侧倾。 ROUGHIE的设计在水下滑翔机中是独一无二的，其中大部分只能在深海中操作，对于沿海环境等有限空间来说不够灵活。与其他滑翔机的转弯半径约为10米相比，原型机的转弯半径仅为3米左右。 机载传感器包包括1个GPS、1个姿态和航向参考系统 (AHRS)、1个压力传感器、1个无线通信天线和1个前视声呐传感器。还可以选择安装其他传感器，例如用于测量藻华的荧光计和能够检测沉船和未爆炸弹药等异常情况的紧凑型磁力计。 ROUGHIE上实施了前馈/反馈运动控制系统，以促进有效的3D操纵及跟踪计划的参考路径。滑翔机可以执行标准的“锯齿状”上下运动以直线行驶，但它也可以以圆形或S形模式行驶，这将在海上巡逻时使用。这种机动性意味着滑翔机能够遵循复杂的路径，并可以探索其他水下滑翔机难以作业的现实世界区域。 ROUGHIE的设计是模块化的，允许根据手头的任务更换或添加不同的组件和传感器。 1.5 国产机器鱼全球首次打卡万米深海 2021年3月，由中国科研人员研制的无需耐压外壳的仿生软体智能机器鱼，全球首次实现在万米深海自主驱动。
图6 仿生软体智能机器鱼 在马里亚纳海沟约10 900米深的海底，机器鱼按照预定指令，完成了长达45分钟的高分子材料人工肌肉扑翼运动。这项研究成果将有助于提升深海装备智能化水平，大幅降低深海探索与作业的成本。 1.6 深海爬游混合型无人潜航器“麒麟”号横空出世 中国船舶集团七一九所承担的“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“深海爬游混合型无人潜航器研制”项目通过综合绩效评价。 该潜航器可满足深海复杂海底环境近距离精确稳定观测、辅助作业等需求，将为海洋资源勘探、海底环境监测、应急搜救以及信息搜集及处置提供新的装备手段，具有重要的科研和应用价值。
图7 “麒麟”号 深海爬游混合型无人潜航器是一种既可在深海巡游，又可在海底爬行的新概念深海工作平台。它兼具自主潜航器（AUV）高效、大范围的机动能力以及遥控潜航器（ROV）的精确移动定位能力，具有稳定性高、环境适应性强等特点。 “麒麟”号以高性能电池为驱动动力，七一九所为其开发了水下多足爬行与稳定巡游控制软件，能实现智能自主行动，也可对其进行遥控控制。
图8 视频展示了“麒麟”号海底爬行的姿态 在搭乘上海打捞局“深潜”号于南海进行演示验证试验时，“麒麟”号共完成了1次300米级、2次1 000米级3个潜次的试验。 在千米级潜次试验中，潜航器完成以下操作： 1）由水面释放自由下潜； 2）稳定着底深度1 006米； 3）在海底完成直行、转弯、侧移等动作； 4）对海底模拟目标及其附近的地形、地貌、底质等情况进行了抵近观察和水体取样； 5）离底上浮，完成定向巡游和巡游转向功能的测试； 6）顺利回收。 试验过程中，潜水器通过自身携带的摄像和声呐设备获取了潜浮、爬行、游动全过程的高清影像和海底目标物探测数据。 2 海洋环境监测设备 国产海洋测量仪器精度达到国际先进水平，在技术上初步解决了高精度测量的卡脖子问题。用于海洋数据收集的浮标向智能化方向发展，并可利用海洋能源维持运行。 2.1 国家海洋技术中心研制的国产化全海深CTD取得阶段性成果 国家海洋技术中心作为国内最早开展CTD技术研究的单位，在2018年启动了全海深CTD研制工作，目前已取得阶段性成果，已顺利完成120兆帕水静压力试验和压力标定及稳定性试验。 2021年1月，中心研制的2台全海深CTD在国家深海基地管理中心完成120兆帕水静压力测试。测试采用阶梯式加压-保压方式，依次完成0~120兆帕的水静压力测试。经检验，全海深CTD外观完好，无明显变形，仪器内部没有漏水、渗水的痕迹。 2.2 日本开发用于海洋数据收集的潮汐能智能浮标 2021年8月24日，长崎大学和京瓷公司联合开发了一种智能监测浮标，该浮标利用潮汐流产生自身能量，用于连续收集海洋数据。
图9 能量收集智能浮标 新型智能浮标结合了长崎大学的潮汐发电技术和京瓷的物联网（IoT）相关技术。 长崎大学在潮汐周期的大潮到退潮期间进行了为期9天的试点测试。该测试使用了21个传感器来收集加速度、温度、流速和电流方向等数据，然后将这些数据传输到云端。 实验期间平均发电量达到16.3瓦特·小时，平均消耗15.2瓦特·小时。 已经开发了2个原型，每个原型都配备了2个不同的潮汐发电系统。 在SLTT原型中（小型透镜型潮汐涡轮机），浮标和发电是分开的，涡轮机周围安装了1个扩散器。除了保护涡轮机外，扩散器还具有增加水流量以更好地发电的作用。 VTT迭代（垂直轴潮汐涡轮机）将发电元件直接连接到浮标。据开发人员称，其人工智能引导设计包含1个倾斜轴，以优化涡轮在汹涌的海浪中的旋转。 为了促进持续的海洋监测，项目合作伙伴计划为浮标增加额外的传感器，包括测量与温度相关的盐度变化、叶绿素浊度和溶解氧浓度变化等。 长崎大学指出，在商业版本中，性能和操作将得到改善，同时尺寸和重量也会减小。 京瓷还将建立一个物联网平台来存储收集到的数据，正在长崎县进行主要测试。 2.3 Resen Waves与Ulstein Belga Marine合作开发智能动力浮标 2021年4月21日，丹麦波浪能公司Resen Waves与Ulstein Belga Marine签署了合作协议，为巴西海上能源行业提供智能动力浮标。
图10 Resen Waves的智能动力浮标 Resen Waves Smart Power Buoy是一种漂浮的机械装置，随着波浪的作用来回转动中心鼓，从而利用波浪运动来启动发电机并产生电力。 浮标可以通过系泊缆线为海床上的电池组或坞站供电。然后可以将这种电力馈送到自主潜航器（AUV）或海中的其他仪器。 同时，浮标可以连接仪器并记录测量数据，并使用卫星、3G或4G通过光纤连接将数据实时传输到陆上设施。 该技术可应用于许多不同的市场，从石油和天然气到碳捕获与存储（CCS），从海水淡化到监测海洋生物。
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