智能无人潜水器技术发展研究
一、前言
陆地和近海资源日益匮乏 , 人类朝向深海进军 。由于深海环境恶劣、人类能够到达的下潜深度有限 , 无人潜水器成为深海探测与开发的重要工具 。在人工智能(AI)、探测识别、智能控制、系统集成等技术的驱动下 , 智能无人潜水器(AUV , 也称水下自治潜水器)具有自主决策和控制能力 , 可高效执行各类水下任务 , 成为世界海洋强国竞相发展的重要装备 [1] 。未来 AUV 必将在海洋安全维护、海洋资源开发、海洋科学研究等领域发挥重要作用 。
当前 , 一些学者完成了 AUV 技术综述研究 [2~6] , 重在梳理现状、研判趋势;然而面向中长期的 AUV 技术发展战略研究 , 尤其是我国未来 AUV 技术攻关布局等较为缺乏 。本文以面向 2035 年的 AUV 技术发展为研究切入点 , 主要进行国际先进水平与前沿问题综述、发展趋势、重点任务、重大科技专项初步方案、政策建议等研究 , 以期为我国 AUV 产业与技术发展提供借鉴 。
二、AUV 国际先进水平与前沿问题综述
(一)全球政策与行动计划
海洋强国均制定研发规划 , 支持 AUV 发展 。美国 2011 年发布《2030 年海洋研究与社会需求的关键基础设施》报告 , 提出面向 2030 年、包括水下滑翔机(AUG)和水下机器人在内的观测平台类海洋研究基础设施的规划建议 [7];2016 年发布《2025 年自主潜航器需求》报告 , 提出致力于提高自主潜航器的独立性 , 确保自主潜航器可在最少人员干预下运行数日或数周 [8];2018 年发布《美国国家海洋科技发展:未来十年愿景》报告 , 规划研发船舶、潜水器等装备 [9];近年来 , 国防部高级研究计划局(DARPA)重点关注水下无人系统、水下态势感知、水下及跨域通信等领域 , 推动发展长航时、长距离、可搭载大型有效载荷的无人潜航器和先进自主水下机器人系统等 。
2015 年 , 日本依托“下一代机器人关键技术重点科技计划”项目 , 部署了资源勘探用自主型无人潜水器、遥控无人潜水器等高效海中作业系统以及多台自主型无人潜水器协同作业的研究开发 [10] 。2015 年 , 劳氏船级社等发布《全球海洋技术趋势2030》报告 , 认为未来一系列具有自主能力的水下、水面、空中装备可协同开展行动并执行任务 , 为探索、监测、与海洋空间互动提供新手段 [11] 。
(二)各国研发与应用现状
1. AUV 广泛应用于深海探测与作业
海洋强国已经发展了多型 AUV 装备(见表 1) , 美国、日本、法国处于技术领先位置 , 已形成新兴产业和成熟市场 。美国伍兹霍尔海洋研究所研制了潜深 6500 米级 AUV , 2008 年完成海上试验并开展应用 , 提高了海洋调查能力 。日本三井造船株式会社、东京大学联合开发了潜深 4000 m AUV , 用于调查洋中脊海底热液活动 。挪威康斯伯格集团开发的 AUV 作业潜深为 1000~4500 m , 用于高质量海洋测绘、航道调查、快速环境评估等 。英国南安普顿国家海洋中心正在开发新一代潜深 2000 m 级自治无人潜水器 , 可在极地区域创建详细地图、建立海底栖息地特征 [12,13] 。整体来看 , 目前 AUV 智能化程度尚处于初级阶段 , 仅具有预编程、应急避障、数据采集、单台探测等基本特征 。
表 1 国外典型 AUV 装备情况
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2. 新型 AUV 研制
AUG 是 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型 AUV 。美国 AUG 单体技术非常成熟 , 具有多款产品(见表 2) , 且可靠性和实用化程度高、应用广泛 。2009 年法国公司成功开发 SeaExplorer 系列 AUG , 实现了实用化和商品化 。此外 , 日本、加拿大、韩国、新西兰等也开展了相关产品研制 。发展至今 ,AUG 领域出现了多模式混合推进滑翔机、飞翼滑翔机、温差能滑翔机、波浪滑翔机等多种类型 , 机动性、可靠性、隐身性等不断提升 。此外 , 美国、瑞典、韩国等都在开展自主 / 遥控式复合型潜水器研制 , 具有代表性的是美国的“海神号”和“N11k 号” , 既可以自主航行与作业 , 又可经由远程控制来执行任务 [14~16] 。
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