封锡盛院士：深海明珠——海洋机器人 历史沿革认识与思考（一） -海洋智能机器人研究生就业前景

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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。关键词：机器人，海洋机器人，潜水器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，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2 0 0 3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。转载自：《中国自动化学会通讯》2016年第3期 第37卷 总第186期http://www.caa.org.cn:8080/ccaa/upload/pdf/201609221409480108.pdf点击下方“阅读原文”进入所网站↓↓↓  6 d$ g+ z1 I$ F) q7 j1 i