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潛龍二號(hào)

“潛龍二號(hào)”全名:“潛龍二號(hào)”自主水下機(jī)器人。是“十二五”國家863計(jì)劃深海潛水器裝備與技術(shù)重大項(xiàng)目的課題之一,由中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)組織實(shí)施,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所作為技術(shù)總體單位,與國家海洋局第二海洋研究所等單位共同研制。這是一套集成熱液異常探測、微地形地貌探測、海底照相和磁力探測等技術(shù)的實(shí)用化深海探測系統(tǒng),主要用于多金屬硫化物等深海礦產(chǎn)資源的勘探作業(yè)。2016年1月10日,我國自主研發(fā)的4500米級(jí)自主水下機(jī)器人——“潛龍二號(hào)”,在西南印度洋成功下潛至1600米指定位置,在復(fù)雜的海底環(huán)境下自主航行作業(yè),獲得了這個(gè)區(qū)域的精細(xì)海底地形地貌圖,實(shí)現(xiàn)了它在洋中脊海底的首次勘探。

  研發(fā)背景

  “潛龍二號(hào)”是國家“863”計(jì)劃“深海潛水器技術(shù)與裝備”重大項(xiàng)目的課題之一,由中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)組織實(shí)施,中科院沈陽自動(dòng)化所作為技術(shù)總體單位

  ,與國家海洋局第二海洋研究所等單位共同研制。“潛龍二號(hào)”在6000米級(jí)auv“潛龍一號(hào)”的基礎(chǔ)上,針對(duì)多金屬硫化物礦區(qū)需求研制,在機(jī)動(dòng)性、避碰能力、快速三維地形地貌成圖、浮力材料國產(chǎn)化方面均有較大提高,為我國海底多金屬硫化物調(diào)查和勘探提供了高效、精細(xì)、綜合的先進(jìn)手段。

  設(shè)計(jì)人員

  劉健“潛龍二號(hào)”總設(shè)計(jì)師、“潛龍一號(hào)”課題負(fù)責(zé)人,中科院沈陽自動(dòng)化研究所水下機(jī)器人研究室總工,曾擔(dān)任我國早期“CR-02 6000米自治水下機(jī)器人”總設(shè)計(jì)師。

  發(fā)展歷程

  為了最大限度地提高科研效率、節(jié)約科研經(jīng)費(fèi),大洋40航次的調(diào)研隊(duì)員正式開始了“晝夜不分、黑白顛倒”的生活,AUV(4500米級(jí)深海資源自主勘查系統(tǒng))組、熱液異常探測組、地球物理組、地質(zhì)組、綜合作業(yè)組、甲板保障組等調(diào)研組長充分考慮了可能出現(xiàn)的一切意外情況,均制定了穩(wěn)妥的值班表,確保每一個(gè)時(shí)間段、每一間實(shí)驗(yàn)室都有至少一人在值班、巡查。

  “潛龍二號(hào)”雖然名字里帶“龍”,但造型卻酷似電影《海底總動(dòng)員》里的小丑魚NEMO。相關(guān)負(fù)責(zé)人表示,把潛器設(shè)計(jì)成魚的樣子主要是為了適應(yīng)洋中脊復(fù)雜地形的要求,讓潛器自如翻山越嶺,便于水面回收,減少垂直面的阻力,增強(qiáng)水面航行能力。

  為應(yīng)對(duì)水下復(fù)雜的地形地貌,“潛龍二號(hào)”在國內(nèi)首次采用前視聲吶作為避碰控制設(shè)備。這是一種成像聲吶,即把數(shù)據(jù)采集進(jìn)來后,通過圖像處理方式來識(shí)別障礙和周圍環(huán)境,結(jié)合避碰策略,下達(dá)緊急轉(zhuǎn)向、緊急變深或變高以及跟蹤策略。在解除危機(jī)后,會(huì)通過在線路徑規(guī)劃引導(dǎo)潛器回到正確的軌跡上,使其繼續(xù)正常地執(zhí)行任務(wù)。

  2015年12月16日,執(zhí)行我國第四十航次科考任務(wù)的“向陽紅10號(hào)”起航,兩臺(tái)4500米級(jí)深海水下機(jī)器人“潛龍一號(hào)”和“潛龍二號(hào)”隨船出發(fā),首次投入實(shí)質(zhì)性遠(yuǎn)洋科考。

  在經(jīng)過3個(gè)潛次的試驗(yàn)調(diào)試后, 2016年1月20日零時(shí)30分,我國自主研發(fā)的4500米級(jí)深海資源自主勘查系統(tǒng)(AUV)——“潛龍二號(hào)”在西南印度洋完成了第5次大洋下潛勘探,全部探測功能測試取得成功。“潛龍二號(hào)”總設(shè)計(jì)師劉健介紹說,在第5次下潛中,“潛龍二號(hào)”進(jìn)行了全部探測功能測試,拍攝了300余張海底高清照片,獲得甲烷、濁度、溫度、磁力等海底環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),以及近底50米微地形地貌有效數(shù)據(jù),達(dá)到預(yù)期目的。

  2016年2月15日,西南印度洋,科考船“向陽紅10號(hào)”攜帶的起重機(jī)掛鉤成功鉤住了鮮黃、魚形的深海潛水器“潛龍二號(hào)”,并將之緩緩送上后甲板。藉此,我國首臺(tái)自主研發(fā)的面向神秘的大洋熱液區(qū)探測的4500米級(jí)自主水下機(jī)器人的首次試驗(yàn)性應(yīng)用任務(wù)成功完成,意味著其已開始為我國勘探西南印度洋海底資源,調(diào)查極為復(fù)雜的海底地形地貌做出貢獻(xiàn)。

  勘探過程

  經(jīng)過9日一天的布陣、測陣及2016年1月10日天一大早的準(zhǔn)備工作,“潛龍二號(hào)”的處女航已經(jīng)全部準(zhǔn)備就緒,以往沒有安裝的磁力儀也已安裝完畢,呈現(xiàn)出它最完整的優(yōu)雅姿態(tài),陽光下的“潛龍二號(hào)”顯得典雅又美麗。

  當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年1月12日早上8點(diǎn),在止蕩繩的牽引下,“潛龍二號(hào)”緩緩由“向陽紅10”船的后甲板沒入水中,入水后的“潛龍二號(hào)”開始有了自主“行動(dòng)力”,只見一條黃色的“胖魚”迅速向下“游”去,很快,“胖魚”變成了一個(gè)黃色的小點(diǎn),消失在視野范圍之內(nèi)。

  “潛龍二號(hào)”的副總設(shè)計(jì)師趙宏宇說,2016年1月9日的準(zhǔn)備階段,就是在為“潛龍二號(hào)”設(shè)置“衛(wèi)星導(dǎo)航”的階段。由科研人員下放四個(gè)應(yīng)答器,由超短基線對(duì)四個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行位置標(biāo)定,謂之“測陣”。每個(gè)應(yīng)答器之間距離大約為3公里,被輻射到的區(qū)域皆將成為“潛龍二號(hào)”的導(dǎo)航區(qū)域,AUV可以向應(yīng)答器發(fā)射信號(hào),通過接收到的訊息來判定自己所在的具體位置,從而進(jìn)行梳形搜索。此外,隨“潛龍二號(hào)”下水的還有一臺(tái)聲波通訊機(jī),聲通訊機(jī)與AUV之間達(dá)成“溝通”,再由聲通訊機(jī)將“溝通結(jié)果”發(fā)送給船上的科研人員,以此達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。“潛龍二號(hào)”的探測任務(wù)包括了海底地形地貌探測、熱液異常探測、磁力探測等內(nèi)容。

  “潛龍二號(hào)”在水中探測了9個(gè)小時(shí)左右時(shí)間,2016年1月12日下午6時(shí)左右,它自動(dòng)拋載上浮于“向10”船的南面,距離船體還有一定距離。在“向10”及4500米級(jí)AUV緩緩靠近的過程中,首先映入眼簾的是幾只信天翁,它們新奇地“盯著”這臺(tái)巨大的黃“魚”,不停地用嘴啄。“嘭”的一聲巨響,“潛龍二號(hào)”拋出一條橘紅色牽引繩,再由科研人員發(fā)射一條打撈繩,兩根繩系好“水手結(jié)”,慢慢讓AUV浮至船尾,至此,回收工作的第一步告一段落。緊接著,科研人員用鉤子分別給“潛龍二號(hào)”的牽引環(huán)套上止蕩繩,緩緩用A架將“潛龍二號(hào)”吊起,重新固定在后甲板上。

  在“潛龍二號(hào)”下放及回收過程中,“向10”船邊一直有數(shù)十只海鳥盤旋在側(cè),好奇地觀看。記者猜想,“潛龍二號(hào)”此后的探秘之旅一定不會(huì)孤獨(dú),因?yàn)樗泻xB這般“朋友”、有科研隊(duì)員這般“父母”、有863計(jì)劃這般任重道遠(yuǎn)的“燈塔”、還有殷切希望它出色完成作業(yè)任務(wù)的我們。將“潛龍二號(hào)”回收完畢的瞬間,天邊出現(xiàn)了一道完整的彩虹,在海天一色的遠(yuǎn)方顯得尤為美麗。

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  研制成本

  潛器本身約兩三千萬

  哪些類型的水下機(jī)器人能進(jìn)入深海研究?

  一種是載人潛器(HOV),它更適用于科學(xué)研究及定點(diǎn)精細(xì)作業(yè),但本身有局限性。因?yàn)槿艘氯?,系統(tǒng)要做得很復(fù)雜,體積重量要大,水下活動(dòng)范圍較小。做試驗(yàn)時(shí),母船保障的費(fèi)用也更高些。國際上20世紀(jì)60年代研究很興盛,但后來逐漸減少。我國最近做了蛟龍?zhí)栞d人潛器。

  第二種是遙控潛水器(ROV)。載人潛器人在下面,對(duì)安全性要求很高,所以科學(xué)家們就思考,讓人在船上操作機(jī)械手或其他設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。它的局限性是有個(gè)電纜,水下容易纏繞,操作的整個(gè)過程人都要嚴(yán)密監(jiān)視,所以不能進(jìn)行太大范圍的作業(yè)。

  這兩種都適用于局部調(diào)查和精細(xì)作業(yè)。

  自主水下潛器(AUV)是怎么出現(xiàn)的?

  隨著科技發(fā)展,人們又想,船上的科學(xué)家能不能不要那么累,讓潛器智能起來?這就造就了全自主潛器。上世紀(jì)80年代導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的大力發(fā)展給制造AUV提供了條件,國際上普遍開始研制,我國也在那時(shí)候起步。

  我們的AUV可以近距離把海底大范圍的微地形做出來,同時(shí)能探測熱液異常。但目前因技術(shù)局限,它很難實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的自動(dòng)識(shí)別,也難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)作業(yè)。

  新京報(bào):這幾種水下機(jī)器人的成本和效益如何?

  劉?。狠d人潛器最貴,研制成本大致上億元。AUV和ROV差不多,潛器本身研制成本大約兩三千萬。

  收益得看站在哪個(gè)角度。首先,科學(xué)研究的價(jià)值難以衡量。我們現(xiàn)在做的海底資源調(diào)查,將來具備開采價(jià)值,真正開采了,獲得了實(shí)際資源,這個(gè)收益就無法比擬了。

  如何判斷一個(gè)深海自主潛器是否實(shí)用?

  第一,智能控制水平。AUV如果智能水平高,就可以大大減少編程時(shí)間,更重要的是減少人為錯(cuò)誤?,F(xiàn)在AUV的智能控制水平已達(dá)到較高程度,可以基本避免人為干涉,提高使用效率。第二,可靠性。這非常重要,有時(shí)候甚至超過技術(shù)水平。好比你買了個(gè)彩電,如果老出問題,檔次再高大家也不愛用。我們連續(xù)四個(gè)長航程都沒有問題,就說明可靠性過關(guān)了,這意味著使用起來,不用老是去排查故障。第三,實(shí)用性??此闷饋硎欠穹奖恪,F(xiàn)在的AUV使用還是很方便的,也就是釋放、回收過程需要人來做,其他的都不用人干預(yù)。第四也是最重要的,就是安全性。俗話說,留得青山在不怕沒柴燒。對(duì)潛器來說,只要你安全回來,即使出現(xiàn)一些問題,也有機(jī)會(huì)去改正、排查。我們?cè)O(shè)計(jì)了上百個(gè)對(duì)潛器健康判斷和狀態(tài)評(píng)估的系統(tǒng),如果潛器發(fā)現(xiàn)自身出現(xiàn)無法完成探測任務(wù)的故障,能夠主動(dòng)拋載上浮,保證安全。

  “潛龍二號(hào)”在國際上的位置如何?

  劉?。荷詈UV目前基本是發(fā)達(dá)國家在做,包括美國、日本、加拿大、英國等,廣大發(fā)展中國家還不具備條件。從技術(shù)上說,我們跟發(fā)達(dá)國家相當(dāng)。但“潛龍二號(hào)”畢竟剛進(jìn)入試驗(yàn)性應(yīng)用階段,應(yīng)用程度和國外還不能比,所以說成熟度、經(jīng)驗(yàn)方面和國外先進(jìn)深海AUV還有差距。

  對(duì)中國目前深海裝備發(fā)展有何建議?

  首先要克服過分追求技術(shù)上的先進(jìn)性而忽視實(shí)際的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代,我們分別研制了CR01和CR02兩臺(tái)6000米級(jí)AUV,前者還在1998年被評(píng)為我國十大科技成果之一,獲得科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。它的貢獻(xiàn)無疑是巨大的,但之后由于缺乏持續(xù)的投入,十年左右未得到持續(xù)改進(jìn)。這期間,我們跟國外在技術(shù)上沒有太大差距,但他們應(yīng)用得更多,更成熟,我們應(yīng)用得太少了。最近幾年,我國對(duì)深海AUV的應(yīng)用加強(qiáng)了投入,因此跟國外的差距又縮短了些。一個(gè)工程設(shè)備,從突破技術(shù)難關(guān)到真正使用,有很長的路要走,而實(shí)際應(yīng)用更應(yīng)該被重視,因?yàn)橹挥惺褂盟?,才能?duì)海底資源調(diào)查作出更大貢獻(xiàn)。


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