创新引领 自主发展深远海观测技术装备

作者:张选明  来源:中国海洋报   发布时间:2018-10-18 09:36:04   [打印本页] [关闭窗口]

  编者按:经略海洋,首先要提升对海洋的科学认知。建立全球海洋立体观测网,提升对全球海洋全面、系统、科学的认知能力,是其中的应有之义。而这又离不开深远海海洋观测自主技术装备的发展。

  作者从全球海洋立体观测网建设的需求出发,分析了深远海观测技术装备的发展现状、主要问题,并提出相关解决建议。

  全球海洋立体观测网建设规划布局

  全球海洋立体观测网建设以我国现有海洋观测能力为基础,统一规划、论证、评估、配置、监控和运维,深度参与和引领国际观测计划,逐步完善我国管辖海域、大洋、极地的业务化观测体系。

  全球海洋立体观测网布局包括两个方面。一是全球大洋布局,包括全球覆盖的海洋观测能力和全球机动部署的海洋观测能力布局。前者主要由卫星遥感、全球海洋实时观测网、全球漂流浮标网构成,是获取全球海洋数据的基础性观测能力。后者主要由水下滑翔机、长航程自主水下航行器、波浪能滑翔器、无人机等组成,可按需要布放在全球大洋任意区域,开展一定时间的现场观测。

  二是重点区域布局。将主要在太平洋、印度洋、北极海域和南极海域展开,包括对应海区的大洋航线。主要海洋观测技术装备包括传统的锚系浮标阵列、潜标阵列、冰浮标、坐底式潜标、远洋志愿船等,同时与新兴的水下滑翔机、波浪能滑翔器、长航程自主水下航行器、倒置式回声测深测流仪阵列相结合,应用全球卫星遥感、自持式剖面探测漂流浮标、表层漂流浮标数据,以此构建全球海洋重点区域立体化、长期、实时观测能力布局,获取海洋水文气象要素数据。

  深远海观测技术装备现状及发展趋势

  世界各国十分重视海洋环境观测技术装备的研发。目前,国际上海洋观测技术装备主要被美国、加拿大、欧洲与日本等发达海洋国家所垄断。国际海洋装备市场,北美占总市场份额76%,欧洲占19%,亚洲仅占5%。

  美国国家资料浮标中心拥有大型圆盘浮标、船形中型浮标、小型圆盘浮标等多型深远海锚系浮标。美国伍兹霍尔海洋研究所作为海洋技术领域的领头羊,有多年浮标研制经验,研发了一系列浮标产品。同时,加拿大、挪威、英国等国家也拥有了成熟的锚系浮标。

  自容式潜标系统相关测量仪器及控制、系留、布放回收技术均较为成熟,已成为海洋调查的重要手段。美国、加拿大、日本均研制了使用水下绞车带动剖面仪做剖面运动以实现近海表剖面测量的潜标,并可经卫星将测量数据发送回岸站。

  海床基系统技术在国外经过几十年的发展,已逐步向产业化方向发展,很多海洋仪器公司和科研机构都推出了海床基平台产品。

  自治式水下航行器已形成了从微型到大型的系列化产品,以美国、挪威、英国、冰岛等国的产品为代表,占据了主要市场。

  美国最早开始水下滑翔器研发,也拥有目前世界上最为成熟的水下滑翔器技术,已形成系列产品且在世界范围内有大量应用。

  美国、日本、俄罗斯、法国等国家已拥有多种无人遥控潜水器(ROV)产品,最大潜深已可达11000米,实现了全海深探测和作业。目前,世界上有大型ROV厂商近40家。全球共计有90多台载人潜水器,还有多个载人潜水器建造计划正处于执行过程中。

  美国公司研制的声学多普勒流速剖面仪和高精度温盐深剖面仪为其企业创造了数亿美元的经济效益;挪威安德拉公司的海流计和气象仪,也占据着很大的国际市场份额。

  近年来,随着我国科技兴海计划和海洋防灾减灾保障能力建设等专项的实施,国家加大了在海洋环境监测能力建设方面的投入。在国家“863计划”海洋技术领域、国家重点研发计划、海洋行业公益性科研专项等的支持下,已研发了一批深远海观测技术装备,促进了我国海洋技术从近浅海向深远海的战略性转移。除此之外,在高校、科研院所、企业自主投入的助推下,也研发形成了一些海洋环境观测技术装备成果。对于当前国际上的主要观测装备,国内均开展了相关研发工作,包括:多种型号功能的海洋观测锚系浮标、数据传输潜标系统、海床基观测系统、自持式剖面漂流浮标、声学海流剖面测量设备、船载及投弃式温盐深测量仪器设备和自治式水下航行器(如“潜龙”)、无人遥控潜器(如“海龙”)、载人潜水器(如蛟龙)、水下滑翔机、无人艇、波浪滑翔器等,部分技术指标已达到国际同类产品的水平。

  采用快速、准确的实时海洋观测技术,获得大范围、长时间序列的海洋环境观测数据始终是海洋观测技术发展的目标。综合来看,深远海观测技术装备的整体发展具有以下明显趋势:一是各种观测技术装备交叉组合应用,固定观测平台与移动观测平台相结合,实现对海洋的全方位立体观测,例如潜标上安装长航程自主水下航行器接驳坞,载人潜水器与自治式水下航行器组合开展深海作业,自治式水下航行器与无人遥控潜器组合作业等,综合利用各个平台的优势,实现效能倍增;二是各种观测平台技术的融合,产生新的观测平台,例如海床基技术与锚系浮标技术的融合促成了海啸浮标,长航程自主水下航行器技术与ROV技术的融合促成了混合型遥控潜水器技术;三是各种观测装备自身的网络化应用,例如锚系浮标和潜标阵列、全球海洋实时观测网、水下滑翔器的集群应用等都是典型例子;四是与海底观测网络的集成应用,在加拿大海王星海底观测网中,潜标、海床基系统、自治式水下航行器、无人遥控潜器等都已有集成。

  我国深远海观测技术装备自主发展存在的主要问题

  我国深远海海洋环境技术装备保障能力与发达国家相比仍有较大差距,主要表现在重大项目和专项建设应用的部分关键仪器设备还依赖进口。对一些高性能海洋环境装备,国外还实施禁运。这导致我国海洋科技发展和海洋安全受制于人。

  国内海洋环境观测技术装备研制创新能力不足,关键核心技术自主化程度不高,深海技术亟待突破,海洋高技术的引领作用和产业化水平仍较薄弱,在实际应用中存在工作可靠性和技术指标稳定性以及产品一致性较差等问题。

  究其原因,一是装备研制与前瞻性科学研究不能有机结合,科学研究对装备研制的引领作用不足,装备研制主要借鉴国际已有产品;二是在深远海探测技术装备研究领域,缺乏持续的经费支持,致使装备研制在项目结束后长期停留在科研样机阶段,无法更进一步;三是重视技术开发,忽视向产品的转化,工艺、质控等都不到位;四是缺少用户推动,缺乏长时间海上恶劣条件检验,装备产品与应用难以有效衔接;五是在装备产品适应性检验方面,缺乏检验规范体系和科学严谨的评价标准。

  关于我国深远海观测技术装备发展的几点思考

  一是要加强对自主技术装备创新的支持力度。应在海洋观测技术装备研发的技术预研、应用示范、产品转化等不同阶段,持续予以支持,促进我国海洋观测技术装备的发展,打破国外技术封锁,提升我国技术装备自主创新和保障能力。

  二是创新科技管理体制,加强科学与技术的紧密合作,以海洋科学研究为导向,强化自主技术装备的应用支持。只有不断支持自主设备的应用,真正做到研、产、用结合,才能保障自主技术成果真正转化为观测能力。同时,也只有在实现科学与技术的充分结合后,才能在科学研究的牵引下产生观测技术装备的原创性技术创新,而后在原创性技术装备的帮助下实现海洋科学研究的原创性创新,从而不断实现海洋观测技术装备的“中国制造”和海洋科学的“中国研究”。

  三是创新自主海洋环境观测技术装备适用性检验和集成应用示范机制。对由国家“863计划”海洋技术领域、国家重点研发计划等支持和科研院所、高校、企业自主投入研发形成的海洋环境装备技术成果,应通过建立或完善相关装备研制、生产、测试检验和试验验证等全过程的质量保障体系,规范技术性能和质量指标的定量评估,形成海洋环境装备适用性检验技术规范。同时,制定海洋观测技术装备集成应用的系列规范。

  四是创新科技成果转化管理体制机制。科技成果转化是实施创新驱动发展战略的有机组成部分,对于激发创新活力具有重要意义。科技成果转化的过程,也是创新驱动发展的过程。近些年,我国海洋领域通过各专项产生了大量的海洋观测技术装备成果,但总体上科技成果转化的效率并不高。一方面是受科技成果使用、处置、收益等各种因素影响,科研人员的转化意愿不强。另一方面,缺少研发经费的持续投入而无法继续提高技术成果的成熟度。因此,需要从整体和系统的角度通盘考虑和谋划,引导人才、知识、技术、资本等因素向成果转化这一主线聚集,真正解决科技成果转化过程中存在的相关利益方所关心的问题,生产出具有自主知识产权的成熟好用的产品。

  五是根据国家专项需求优选技术装备发展方向。海洋观测技术的发展方向并不唯一。我国国情决定了我们不可能同步发展所有方向的海洋观测技术,也不能盲目跟随国外技术发展潮流。我国急需优先发展在我国管辖海域、西北太平洋、北印度洋等海域适用的海洋观测技术,包括:锚系浮标潜标适用的自升降剖面仪技术,深海海床基技术,长航程自主水下航行器技术和接驳技术,大洋和近海适用的水下滑翔器技术,多参数自持式剖面探测漂流浮标技术,无人遥控潜器作业工具和应用技术,蛟龙号应用技术等。

  六是创新军民深度融合发展体制机制,加强军民融合,共同推动深远海观测技术发展。我国航天事业的发展就是军民融合、共同推动的结果。事实上,海洋技术尤其是深远海观测技术,在技术难度上不亚于航天技术,单靠某一部门无法独立地完全支撑相关技术的发展。军民双方共同合作,集中资金、技术和人力等资源,发挥双方在前沿科技方面的创新能力,将会有力促进我国海洋观测技术装备的发展。

  (作者单位系自然资源部国家海洋技术中心)