文章摘要
海洋科考裝備是人類認識海洋的必要手段，也是一個國家綜合實力的重要標志之一。文章全面回顧了海洋科考裝備，尤其是海洋科考船、海洋運載器、海洋潛浮標等科考載運裝備以及海洋探測與實驗儀器裝備70余年的發展歷程和譜系現狀，并選取其中最具代表意義的裝備之一“海洋科考船”開展深入分析。首先總結歸納了世界海洋科考船的發展特點并與之對標，其次對中國海洋科考船三代產品的技術沿革進行系統梳理，特別是圍繞現代海洋科考船的船型設計新理念、海洋學科新發展、船舶裝備新技術、科考系統新產品帶來的技術難點和創新設計進行闡述。同時從人類命運共同體、國家海洋強國戰略、新興技術融合趨勢3個方面對未來中國海洋科考裝備的需求和挑戰開展詳細論述，最后建設性地從頂層需求、體系貢獻和技術換代的角度提出未來海洋科考裝備的趨勢展望。
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人類生活的地球表面約70%被海洋所覆蓋，開展海洋科學考察是人們認識海洋、經略海洋的重要前提。當前觀測、探測海洋物質與現象的一切科學考察活動必須緊緊依靠各種先進可靠的海洋科考裝備。中華人民共和國成立以來，中國海洋科學家和工程學者秉承獨立自主和創新精神，由最早開展海洋調查時的“望洋興嘆”到進入21世紀后的“百舸爭流”，中國的海洋科考裝備真正摸索出了一條從“跟跑”和“并跑”到“領跑”的創新之路。
1、中國海洋科考裝備發展現狀
海洋科考裝備從廣義上看，主要包括岸基臺站、天基、空基和海洋科考船（文中泛指各類調查船）以及各類海洋運載器（指具備科考功能的載人潛水器、纜控潛水器、自主潛水器、自主遙控潛水器、水下滑翔機、波浪滑翔機、小型無人水面艇等），外加各類浮標、潛標、海床基、水下移動平臺、海洋探測設備（生物取樣、海水取樣、深海巖芯探測設備等）和海洋傳感器（聲學、光學、電磁學、熱學傳感器等）。過去數十年，全球海洋科考裝備研發取得了廣泛應用，中國也取得了顯著進步。隨著中國自主研制的海洋科考船、海洋運載器、海洋潛浮標、海洋衛星和飛行器等重大科考裝備逐步進入世界先進行列，各種新概念、跨領域甚至技術顛覆的新型海洋科考裝備層出不窮，展現了中國現代海洋科考事業的蓬勃生機。
1.1 海洋科考載運裝備
1.1.1 海洋科考船
1872年英國“挑戰者”號海洋科考船的全球海洋調查奠定了海洋學這門獨立學科的基礎，海洋科考船的發展印證著國家海洋科學技術進展的深度和廣度。從20世紀60年代至21世紀20年代，中國逐漸發展形成了以中國科學院系統“科學”“實驗”“探索”“海洋”系列、國家海洋局系統“向陽紅”“大洋”“雪龍”系列、教育部高校“東方紅”系列、中國地質調查局“海洋地質”系列和衛星測控中心的“遠望”系列為主要代表的海洋綜合、專業和特種3大類的中國海洋科考船發展譜系（圖1）。其中，專業科考船有：地球物理調查船、水聲調查船、漁業科考船、地質調查船、氣象觀測船、海洋考古船、航道測量船、環境監測船、浮標工作船等；特種科考船有：大洋鉆探科考船、極地科考破冰船、航天測量船、裝備試驗船、物探調查船等。
圖1 中國海洋科考船發展譜系（典型代表）
中國海洋科考船的發展分為3個時期。第1段發展期是20世紀60—80年代，科考船不再經由舊船改造，開始出現專門設計建造的科考船。這個時期中國建造了第1艘2500 t級海洋實習調查船“東方紅”號、3000 t級綜合調查船“實踐”號以及分散到各海洋調查研究機構的首艘“向陽紅”“遠望”“實驗”“科學”“探索”“曙光”“奮斗”“中國海監”系列的科考船。這些科考船開始使用先進的海洋調查設備，在性能、布置以及實驗室與專用設備的匹配等方面，與舊船改裝的調查船相比有“質”的提高，可以稱之為“第一代海洋調查船”。這一代科考船承擔了中國渤海、黃海、東海和南海等近海海洋調查與專項研究，奠定了中國海洋科學技術事業的基礎，其典型代表是1988年獲得國家科學技術進步獎特等獎的“向陽紅10”號遠洋綜合調查船。第2段發展期是20世紀90年代至2010年前后。這個時期國內科考船發展相對遲緩，除自主研制的“東方紅2”號、“遠望3”號和“遠望4”號外，僅有從國外購買并改裝的“大洋一號”和“雪龍”號。由于這個時期的新船數量有限，遠未滿足中國海洋科學快速發展的實際需求，也成為21世紀后中國第1代科考船船齡超長和性能欠缺后需求井噴的原因之一，但無論怎樣，這個時期的科考船為“查清中國海、進軍三大洋、登上南極洲”奠定了裝備基礎，成為第2代主力科考船。第3段發展期是從2010年左右開始，也是中國科考船“質”和“量”的高速發展期。這時期以國家重大科技基礎設施建設項目“科學”號成功研制為第3代科考船的里程碑，船舶電力推進系統和動力定位系統被逐步推廣。科考作業和實驗室采用模塊化設計、水下輻射噪聲和艙室環境控制受到進一步重視，各種專業科考設備如溫鹽深（Conductivity Temperature Depth, CTD）探測系統、全海深多波束探測系統、氣象雷達等與船舶平臺形成一體化設計等。據統計，2010—2021年中國新建海洋科考船的數量達到32艘，涌現出一大批世界先進水平的科考船，25000 t級的“遠望7”號圓滿完成“天宮二號”“嫦娥四號”、北斗衛星等21次海上測控任務；國內首艘、世界第4艘獲得水下輻射噪聲最高等級SILENT-R證書的海洋綜合科考船“東方紅3”號挺進國際主流科考船行列；全世界第1艘六纜高精度、短道距地震電纜三維物探船“海洋地質八號”使中國站上國際海洋物探領域船型技術的制高點；全球首艘具備艏艉雙向破冰技術的極地科考破冰船“雪龍2”號成功首航南北兩極，填補了中國極地科考重大裝備領域的空白；國內排水量最大、綜合科考性能最強的海洋綜合科考實習船“中山大學”號實現了直流母排+儲能蓄電池、輪緣永磁側推、全航速主動式減搖鰭等多項新技術的集成創新。70多年來，中國海洋科考船從上百噸拓展到數千噸、幾萬噸，調查能力從中國沿岸淺海延伸到深海大洋、南北兩極，調查內容也從單一學科調查轉化為多學科多功能多技術手段的綜合科學考察。海洋科考船作為最主要的海洋科考裝備在支撐國家海洋強國建設中作出了卓越貢獻。
1.1.2 海洋運載器
海洋運載器技術為海洋科學探測帶來了深刻革命，尤其是無人運載器（亦稱海洋機器人）。海洋運載器憑借其復雜環境適應能力強、模塊化搭載能力多樣、無人智能化水平高等特點，可在高度危險、受污染環境、惡劣海況等特殊環境下保持長時間工作。中國已初步形成了以載人潛水器（Human Occupied Vehicle, HOV）、遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle, ROV）、自主潛水器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）、自主遙控潛水器（Autonomous and Remotely Operated Vehicle, ARV）以及水下滑翔機（Underwater Glider）、波浪滑翔機（Wave Glider）、無人水面艇（Unmanned Surface Vessel, USV）7種海洋運載器發展譜系（圖2）。經過數十年的技術積累，已初步形成以“三龍五海”為代表的海洋運載器系列，即“蛟龍”“潛龍”“海龍”三龍系列和“海馬”“海星”“海斗”“海翼”“海燕”五海系列，推動了中國深海技術和材料的自主發展。
圖2 中國海洋運載器發展譜系（典型代表）
中國海洋運載器發展歷程大致分2個階段。2010年之前，中國處于各類水下和水面運載器的首創和起步階段，以20世紀80年代和90年代的7103救生艇（HOV）、200 m水深的“海人一號”ROV、800 m水深的“探索者”號AUV等為代表的首臺套裝備拉開了中國海洋運載器的創新歷程，2010年首臺下潛深度突破7000 m的HOV“蛟龍”號，成為這一時期中國海洋運載器自主創新的典型標志，榮獲國家科學技術進步獎一等獎。2010—2020年，中國進入了海洋運載器自主創新的快速發展期，裝備成熟型號從過去幾十年10余型猛增到10年間的約30型以上。HOV領域分別誕生了4500 m水深“深海勇士”號、11000 m水深的“奮斗者”號潛水器等深海利器，實現了耐壓結構設計及安全性評估、鈦合金材料制備及焊接、浮力材料研制與加工、深海鋰電池研制、聲學通信定位、智能控制技術等方面的多項重大技術突破，中國一舉成為全球少數幾個具備深海HOV建設、科考應用和保障能力的國家之一。ROV領域，中國已形成自主可控的深海作業級ROV技術體系，具備自主設計、制造、應用與維護能力，先后研制成功“海馬-500”“海馬-2000”、“海象-2000”“海馬-4500”“新海馬”“海星-6000液壓”“海龍Ⅱ”“海龍Ⅲ”等液壓作業級ROV，以及“海星-1000”“海星-6000電動”和“海馬-E6000”等電動作業級ROV，形成了作業水深覆蓋500~6000 m的ROV系列產品，實現了國產高新探查技術裝備在海洋地質調查應用領域的突破。AUV領域，中國自主研制涵蓋便攜型、輕型、中型、重型等在內的全海深系列化裝備，形成了4500~6000 m水深“潛龍”系列、100~4500 m水深“探索”系列、1000~2000 m水深“海鯨”系列、11000 m水深“悟空”號等重大裝備，主要性能指標與國際同類水準基本相齊。ARV領域，中國近5年來搶抓混合式機器人發展浪潮，重點研制了11000 m水深“海斗”系列和6000 m“問海1號”等裝備產品，成為繼日本和美國之后第3個擁有萬米級自主遙控機器人研制能力的國家。水面和水下滑翔機領域，中國快速追趕，研制了“海燕”系列、“海翼”系列、“黑珍珠”號等典型裝備。2017年“海燕”水下滑翔機下潛超過6000 m，連續工作91 d，航行1884 km，刷新了水下滑翔機下潛深度、續航力和觀測剖面數量的新紀錄，同時在北極科考中得到首次應用。2021年“黑珍珠”波浪滑翔器解決了在極端海況下生存作業和實時通信的關鍵難題，從“向陽紅01”科考船釋放后自主航行48 d累計1349 km，首次完成跨赤道海氣要素的觀測。此外，珠海云洲智能科技股份有限公司“極行者”小型無人艇2017年遠赴南極為中國羅斯海新站建設提供必要的海底地形數據。以上這些關鍵裝備的成功研制為中國海底資源、地質和深海生物調查等科學研究提供了堅實的技術支撐。
1.1.3 海洋潛浮標
海洋潛浮標是對海洋環境進行長期、定點、多參數剖面觀測的儀器設備，是構建立體海洋觀測網的重要部分。海洋潛浮標包括海洋浮標和海洋潛標，前者可分為通用型浮標和專用型浮標等，其中通用型浮標能夠對海洋水文、氣象、生態等參數實施綜合性監測，專用型浮標包括海洋剖面浮標、海上風剖面浮標、海嘯浮標、波浪浮標、光學浮標、海冰浮標、海氣通量觀測浮標和海洋酸化觀測浮標等多種類型。浮標按照機動方式還可分為漂流浮標和錨系浮標2大類。潛標按照工作深度可分為淺海潛標和深海潛標，按照錨泊方式又可分為坐底潛標和錨泊潛標。
國際海洋浮標的發展始于20世紀20年代，潛標技術研究始于60年代，目前全球海洋科技強國實現了長期業務化運行，在可靠性、精度、穩定性等方面技術成熟。中國海洋潛浮標研制起步晚，但在一些領域實現了突破。20世紀60年代研制出第1個浮標，80年代在南海成功布放第1代自容潛標。2008年，中國研制了連續工作2年的第四代大型錨系浮標FZF4-1型，直徑達到10 m，成為中國海洋資料浮標網主力浮標。2012年自主研制的“白龍”7000米級浮標正式布放進入全球海洋觀測系統（圖3），使中國成為繼美國、日本之后第3個具備深海氣候浮標觀測的國家。2016年，中國 科學院在西太平洋攻克了潛標數據長周期穩定實時傳輸的海洋觀測難題，目前實時傳輸觀測數據的深度由1000 m逐步拓展至6000 m。2017年，中國以自主研發的海洋環境實時監測潛標等40余套深海潛標（圖4）為主體構建了“南海潛標觀測網”的基礎，實現對南海深海盆的全覆蓋觀測。經過長期摸索與研發，中國潛浮標在近海建設了業務化觀測系統，遠海構建了南海立體觀測網和西太平洋科學觀測網等區域網絡，為中國海洋環境和氣候預報、海洋動力環境系統長期連續觀測提供了寶貴數據。
圖3 “白龍”浮標
圖4 潛標（RTSM）
1.2 海洋探測與實驗儀器裝備
1.2.1 海洋探測設備
海洋探測系統包括水體探測、大氣探測、海底探測、深海極端環境探測以及遙感信息現場印證等系統，其中以聲學定位技術等為代表的深海探測系統、以多波束探測系統等為代表的海底探測系統，以溫鹽深探測系統和多普勒流速剖面儀等為代表的水體探測系統決定了海洋科考的品質，更決定了海洋科考的自主可控水平。
海洋地形地貌測繪是海洋科考的基本需求，多波束測深設備作為一種先進測繪手段，受到全球海洋巨頭青睞。中國多波束測深設備研制起步于1980年，經過30多年的研究，2014年中國科研機構成功研制全海深多波束測深系統工程樣機；2019年中國科研院校實現國際高端淺水多波束測深聲吶的技術突破。目前，中國淺水型多波束測深系統已完成多款產品的研制，而深水和極區型多波束測深系統還處于研制試用階段，未形成成熟市場產品，國內主要市場仍被國外廠商占據。水聲定位技術是科考船、海洋運載器等進入深海和探測深海的關鍵，一般包括長基線系統、短基線系統、超短基線系統及綜合定位系統。面對引進水聲定位系統存在的“技術封鎖、費用高、設備維修困難”等瓶頸，中國科研院校2013年研發成功國內首臺深海超短基線定位系統產品，成功為“蛟龍”號HOV提供定位探測，性能穩定可靠。2017年，中國“深海勇士”號HOV采用自主的高精度水聲綜合定位系統實現0.3 m的定位精度，定位有效率超過90%，標志著中國深海綜合定位水平進入世界領先行列。但相比于歐洲國家已實現水聲定位系統的商業化、產業化、系列化，實現慣性/水聲的一體化，中國多為科研樣機，在長距離、高精度定位方面仍有待加強。此外，海流測量對全球海洋生態系統平衡研究發揮重要作用，聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP）是20世紀80年代初發展的利用多普勒效應原理進行流速測量的新型設備。2014—2018年中國科研院所與生產企業聯合推廣自主研制的ADCP，根據測量研究，中國自研ADCP施測100 s平均流速與轉子式旋槳流速儀施測流速精度基本一致。但面對國際巨頭的先發優勢，目前中國使用的ADCP仍基本依賴進口。
中國海洋探測設備的核心技術長期由國外壟斷，大部分市場份額也被國外瓜分，研制和推廣自主知識產權的探測設備和關鍵零部件仍任重道遠。
1.2.2 海洋傳感器
作為海洋觀監測系統的神經末梢，海洋傳感器在海洋觀監測領域發揮著關鍵作用，所涉及的多項技術屬于海洋科考裝備領域的核心關鍵技術。海洋傳感器一般包括水質類、水文類、地質地震類、聲學探測類、光學探測類等。在國家“863”計劃等重大科研項目支持下，中國一些海洋環境監測傳感器實現了突破。例如，部分海洋動力參數傳感器、化學傳感器的一些性能指標達到了世界先進水平，但高端CTD剖面儀傳感器、氣象傳感設備等與國外在性能、穩定性、精度方面仍差距較大，在國內很多科考載運裝備上大量安裝有國外進口的傳感器產品。海洋科考裝備的高端傳感器是當前的“卡脖子”技術，目前中國高端傳感器的產品批量生產和業務應用極少，主要原因包括基礎原理系統研究薄弱、傳感器關鍵材料和器件支撐能力缺乏、實際環境驗證能力和應用反饋不足、先進評價標準不夠完整、產業促進政策缺少等。
未來的海洋科考必定是多學科的交叉融合，傳感器將是海洋科學物聯網的核心基礎，中國必須在海洋傳感器等基礎元器件技術、方法研究和應用推廣等方面砥礪前行，同時加快推動基于傳感器大數據的質量控制、標準制定和數據挖掘等關鍵工作。
2、海洋科考船的技術進展
現代廣義的海洋科考船是用于海洋科學考察、應用技術研究或海洋測量勘探等的船舶裝備，它是集觀測、采樣、新技術試驗等多功能于一體的科考作業平臺，也是其他海洋運載器或科考探測設備到達遠海洋區的載運和收放平臺。此類裝備設計難度大、建造費用高，在當前海洋科考裝備體系中具有核心、基礎和不可替代的地位。要分析掌握中國海洋科考裝備的未來發展趨勢，首先需要弄清楚海洋科考船的發展特點和技術進展。
2.1 世界海洋科考船的發展特點
世界先進的海洋科考船主要集中在美國、英國、德國、日本、挪威等海洋科研強國。其中，美國擁有的先進科考船占全世界總數的一半，大部分科考船由大學—國家海洋學實驗室系統（UNOLS）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和美國海軍（USN）實際管理和運營。美國自1960年在建成的“測量員”號（圖5）航道和海洋調查船上首次配備多波束探測系統、1962年在建成的“Atlantis Ⅱ”號首次配備電子計算機以來，就一路引領海洋科考船技術發展并牽頭多個國際海洋科考計劃。目前以美國海軍出資建成并由著名的伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）實際運營的阿姆斯特朗級海洋綜合科考船AGOR-27（船名Neil Armstrong）和AGOR-28（船名Sally Ride）為新一代科考船的典型代表（圖6），船舶采用電力推進和低噪聲設計，配置基于信息技術的各種調查儀器以及船舶與科考相融合的計算機網絡系統。這一時期幾乎同步建成的德國8000 t級新“太陽”號（SONNE）將海洋科考船的設計推至頂峰（圖7）。該船采用軸槳電力推進方式，配備4臺1555 ekW的柴油發電機組，推進系統由2臺交流電機各自驅動1個定距槳。首部采用1臺860 kW隧道式側推和1個2990 kW泵噴側推，尾部配置1個860 kW的隧道式側推。船體底部裝有世界上測量水深最深、分辨率最清晰的1°×0.5°全海深多波束，采用嵌入式安裝。該船所有科考絞車均采用電動并埋艙安裝，甲板配有的4臺吊機覆蓋所有工作區域，另外還配有大量模塊化移動作業點，特別體現了現代科考船在模塊化、綜合性方面的特點。
圖5 1960年美國“測量員”號
圖6 2014年美國“Sally Ride”號
圖7 2015年德國新“SONNE”號
在全球化進程中，中國科學家參與了眾多國際考察計劃，在國外很多科考船上生活工作過，深刻體會到國內上一代科考船已無法適應迅猛發展的海洋科考需求。“海洋強國、裝備需先強”，中國科考船從“科學”號研制再到“東方紅3”號、“中山大學”號（圖8）成功交付，國內海洋科學家和船舶設計建造者們用了整整10年的時間，基本追平了世界海洋科考船的先進水平，部分性能甚至優于國外。中國海洋科考船歷經艱辛，終于從世界舞臺的邊沿走到了中央，逐步投身到建設海洋強國的戰略征程中。表1為國內外最新科考船主要船型指標對比。
圖8 中國第3代先進海洋綜合科考船“中山大學”號
表1 國內外最新科考船主要船型指標對比
2.2 中國海洋科考船的技術進展
中國海洋科考船與國外相比雖起步較晚，但從建國后就備受重視，自第1艘“金星”輪的改造開始就緊隨世界海洋科考船的步伐，由“跟跑”直至現在的“并跑”，甚至“領跑”。正如前面所述，中國海洋科考船的發展歷經了3代技術沿革。第1代海洋科考船，電子技術在船上首次應用，配備專用起吊機械和科考設備，主要滿足測繪和調查任務，排水量整體偏小、抗風浪能力弱、航速高，船舶采用機械推進形式，振動噪聲高，船上生活和作業條件艱苦，人員勞動強度大。第2代海洋科考船，首次采用電子計算機，仍采用機械推進，主要在第1代基礎上開展設備與布置的升級優化，偏向多學科綜合調查。因逐步開展遠洋科考，對航行安全有特殊需求，期間制定了《海洋調查船特殊抗風力要求》，為確保船舶整個生命周期中的航行安全提供了保障。衡量技術先進性的標準往往是作業甲板和實驗室面積的利用率、科考負載、抗風能力等參數指標。第3代海洋科考船是革命性的更新換代，首次將船舶綜合電力推進技術、計算機網絡技術與科考功能高度融合；采用基于信息技術的調查儀器、科考網絡與船舶計算機網絡形成一體；動力定位和低速操縱性能大大提升；水下輻射噪聲和艙室空氣噪聲大幅下降；作業甲板和實驗室采用模塊設計，以適應多學科多任務的海洋綜合科學考察。衡量技術先進性的標準在原有基礎上凸顯了振動噪聲等級、艙室舒適度以及攜帶科考設備的海上作業效能和綜合科考能力。中國海洋大學的“東方紅”系列是中國3代海洋科考船的縮影（圖9）。
圖9 中國3代“東方紅”系列海洋科考船
海洋科考船作為高技術船舶，大量涉及新技術、新產品、新材料和新工藝。如果將船舶通常的使用壽命30年作為新舊交替的一個代際，那么每一代海洋科考船均是在當時時期將新的船舶技術、新的科考產品一并融入到新船設計建造中，同時也牽引并促進了未來新技術新產品的更好發展。可以這么說，在海洋裝備創新的先行者中，新型海洋科考船從來都是與船型設計新理念、海洋學科新發展、船舶裝備新技術以及科考系統新產品相伴相生、共同進步的。
1）船型設計新理念
現代海洋科考船在船型設計理念上已經從分別獨立考慮船舶平臺與作業系統的各自性能優化轉變到圍繞境（環境）、靜（安靜）、凈（潔凈）3個“Jing”的“一體化設計新理念”。面向“環境”設計主要考慮水下流場環境無氣泡干擾，適于聲學設備工作；甲板上的生活、作業環境良好，布局合理；實驗室環境下的人員流、數據流和樣品流程序便捷，科學規范；駕駛、作業和觀察環境下的視線良好，不受阻擋；空間電磁環境、電站和通信條件充裕，可擴展性強。面向“安靜”設計主要考慮船體內的振動噪聲和水下輻射噪聲指標滿足艙室舒適度和水下探測設備定位與測量要求。面向“潔凈”設計主要考慮確保與實驗相關的水、電、氣品質控制以及樣品的潔凈度。在技術創新的過程中，國內已逐步攻關4個一體化設計關鍵技術并產生了多項重要的技術發明專利：①船體型線與多波束防氣泡干擾一體化技術；②船型方案與振動噪聲控制一體化技術；③綜合布置與科考多目標優化一體化技術；④電氣設計與電磁兼容一體化技術。以第1個關鍵技術為例，海洋科考船靠近船首1/3船長范圍的船體底部通常需固定安裝較多靈敏的聲學探測設備（如深水多波束、淺水多波束、單波束、淺地層剖面儀、ADCP等），但該范圍在航行中卻又是極易受船首興波、壓浪以及側推孔氣泡和噪聲影響的區域，船型首部聲學環境的優化成為重點。中國設計團隊著力研究船底聲學設備被干擾的現象和機理，完全掌握氣泡下泄模擬觀測手段和流線評估控制方法，一舉舍棄以前較多采用的深水多波束懸掛于船體底部的小尖船（Gondola）形式或從船體底部向下氣泡突出安裝的導流罩形式，而是基于嵌入安裝的線型優化方法，提出一種防氣泡隱形球首一體化設計的科考船型（圖10）。同時為徹底避免船艏隧道式側推孔帶來的渦流下瀉和噪聲干擾，還創新設計了與船體曲面一致的側推封蓋系統，最終在確保聲學探測設備性能精度的前提下大大改善了航行安全性和經濟性。
圖10 船體型線與多波束防氣泡干擾一體化設計
將船舶性能與科考需求緊密結合的一體化設計理念協調解決了船舶平臺與科考功能的統一，獲得了經濟性、聲寂性、機動性及科考作業、營運性能的最佳綜合指標。
2）海洋學科新發展
要研究和解釋當今海洋科學的主要問題和熱點，如海洋在氣候系統中的角色、生物地球化學物質的循環、海洋生物多樣性及演變、海洋資源的可利用性、地球動力學和地質風險等，均離不開龐大的海洋學科群。此外，要獲取海洋環境要素資料，揭示并闡明其時、空分布和演化規律，為海洋科學研究、海洋資源開發、海洋工程建設、航海安全保障、海洋環境保護以及海洋災害預防等提供基礎資料和科學依據，更加離不開強有力的海洋測繪和調查活動。海洋科學中里程碑式的重大發現都是與前期海洋學科開展的測繪和調查密切相關。隨著大海洋時代和中國海洋強國戰略的推進，國內涉海大學和科研院所正在快速發展且學科交叉趨勢會越來越明顯，在這個過程中每一次海洋學科的新發展都對海洋科考船設計技術提出了新挑戰。因古海洋學走向國際前沿，對地球鉆探科考船的需求加速；因對深海和極地領域的逐步重視，對深海運載器和極地破冰船的需求加速。這些科考特殊需求導致船型和布置特殊，需設計專門的特種科考船。然而大部分海洋學科的科學研究還是希望能在一艘科考船一個綜合航次上完成主要工作，這種綜合性的復雜程度大大增加了海洋綜合科考船的設計難度。設計師必須緊跟海洋學科專業的熱點問題和發展動向，及時通過裝備的創新設計協調解決。新一代海洋綜合科考船的科考任務通常覆蓋水文、物理、化學、地質地貌、生物、氣象、地球物理和測繪等學科，主要依靠水文觀測、氣象觀測、海水化學要素調查、海洋聲光要素調查、海洋生物調查、海洋地質與地球物理調查、海洋生態調查、海底地形地貌調查、海洋工程地質調查、遙感信息調查等開展多學科綜合海洋科學考察。具體實踐涉及眾多科考系統和功能，如多波束探測系統、CTD探測系統、表層多要素測量系統、多道地震系統、無人機/ROV/AUV/Glider等無人系統、重力和磁力調查、魚探儀系統、海氣通量觀測、氣溶膠監測、重力活塞取樣、海底拖網、電視抓斗、箱式取樣、海底淺鉆、深海拖曳、氣象衛星以及超純、超凈、超低溫實驗室等等。新一代海洋科考船創新采用了甲板模塊化、實驗室柔性化和科考網絡一體化設計，較好解決了在一個海上平臺上開展多學科交叉研究的問題。圖11為綜合科考船主要科考功能示意圖。
圖11 綜合科考船主要科考功能示意圖
3）船舶裝備新技術
海洋科考船始終是新技術新裝備創新與應用的排頭兵，每一代海洋科考船的技術進步與船舶新技術有著密切聯系。20世紀末船舶綜合電力推進技術引發了船舶動力的第3次革命，現代海洋科考船因其對多工況負載平衡、振動噪聲、智能控制等的高品質作業需求，幾乎率先采用了電力推進的諸多新技術。按電網電制，有低壓690 V電網也有6600 V電網；按變頻器變頻技術，有二極管前端（Diode Front End, DFE）變頻技術、有源前端（Active Front End, AFE）變頻技術和公共直流母排技術（圖12）；按推進電機技術，有永磁電機也有勵磁電機，有同步電機也有異步電機。正因為采用了電力推進，一些依托其上的船舶矢量推進技術（吊艙（圖13）、Z型機械推進、直葉槳）、動力定位技術、蓄電池儲能技術、岸電技術、智能駕駛技術均得到快速推廣。在這一代電力推進科考船集成創新、實船應用的過程中掌握了諸多電氣設計，如允通能量分析技術、電能質量智能診斷技術、區域環境電磁背景噪聲監測技術等關鍵技術，同時也實質性推動了中國船舶設備的國產化進程。近幾年，船舶減搖技術得到快速發展，從被動可控式減搖水艙、伸縮式減搖鰭到零速下主動減搖的全航速減搖鰭（圖14），無論是鰭板翼型還是控制系統，均得到了實船充分驗證，為關注零速和低速下作業能力的新型科考船大大提高了作業效率并降低了暈船率。當前，船舶裝備在綠色、智能的快車道上發展，作為創新排頭兵的海洋科考船，已經在“身體力行”。目前國外已看到某新型科考船（德國“Atair Ⅲ”號已交付）采用液化天然氣（LNG）為燃料之一的雙燃料柴油機來滿足部分時段的潔凈科考需求，國內也出現了在新型科考船上嘗試自主航行和遠程遙控的智能船舶新技術（中國“珠海云”號已下水）。這些開創性的工作確保了船舶平臺的總體先進性。
圖12 公共直流母排電力推進系統單線圖示意圖
圖13 全回轉推進裝置
圖14 全航速減搖鰭
4）科考系統新產品
現代海洋科考船上的船載科考系統主要由作業支撐系統、船載探測系統、船載實驗系統和科考網絡系統組成。科考船先進性的評價與科考系統采用的新產品和新技術息息相關。這些新產品新技術反過來也深刻影響著新型科考船的整體設計。科考任務系統的創新能力已成為影響新型綜合科考船整體水平和國產化率的關鍵要素。船載科考系統，尤其是作業支撐系統、探測系統和實驗室儀器的研制應用是一項艱苦、持久且較難有投資回報的工作，需要中國加大力氣并持續投入。近年來，水下定位、探測和通信設備層出不窮，頻率從10 Hz到20 kHz對船體底部安裝空間和周圍聲學環境提出了極高要求（圖15）；多波束測深和分辨率（圖16）隨著作業水深的提高也在逐步提升且安裝空間也在加大；繼C波段雙偏振氣象雷達后實船開始固定安裝新一代相控陣氣象雷達（圖17），對船舶頂部安裝平臺在海上運動中的頻率響應和結構變形控制要求大大提高；各種無人艇、無人機和無人潛器（圖18）等無人系統的存儲收放和協同作業對船舶甲板空間、收放效率以及適應海況更是提出了高要求；大量新型科考探測設備和實驗室儀器設備采集的海量數據對船載科考網絡的安全性、智能化、標準化以及船岸一體化提出了迫切需求。
圖15 升降鰭板
圖16 船底聲學設備
圖17 相控陣氣象雷達
圖18 舷側收放機器人
3、中國海洋科考裝備的建設展望
世界正經歷百年未有之大變局，中國作為一個負責任的大國，在海洋科考領域需深入思考并及時調整角色和策略。雖然當前中國的海洋科考裝備取得了不菲成績，但海洋研究對象眾多、且交叉復雜，沒有更加深厚的科學認知水平，沒有更加強大的科考裝備支撐，將很難引導做出正確且富有前瞻的決策，也將極大地限制未來后續的全球發展空間。對于未來中國海洋科考裝備的建設展望，必須將裝備發展與國家戰略和行業需求緊密結合。
3.1 人類命運共同體的深刻內涵促使中國的海洋科考必須放眼全球
中國率先提出人類命運共同體的理想，其深刻內涵是弘揚全人類的共同價值觀。在人類面臨氣候變化、環境污染、資源短缺、病毒防控等全球性問題時，中國需積極參與全球治理。海洋是地球上最大的自然生態系統，是人類生存和未來發展的關鍵空間領域。積極參與并領導全球海洋治理，將是中國走向全球性大國的必由之路。中國的海洋科考必須放眼全球，助力中國參與甚至主導重要的國際海洋研究計劃。當前國際海洋全球性研究計劃有全球海洋觀測計劃（Argo）、國際地圈與生物圈計劃（IGBP）、世界海洋環流實驗（WOCE）、熱帶海洋與全球大氣研究計劃（TOGA）、海洋科學與生物資源（OSLR）、全球海洋觀測系統（GOOS）、國際海洋全球變化研究（IMAGES）、大洋鉆探計劃（ODP）、大洋中脊計劃（Inter Ridge）、全球赤潮生態學與海洋學（GEOHAB）、生物多樣性計劃（DIVERSITAS）等。這些計劃持續時間漫長，幾乎全部由美國等發達國家的科學家發起，中國是在近些年才逐步有所參與并牽頭一些考察航次，這對中國海洋科考裝備力量提出了新的要求。例如，著名的大洋鉆探計劃發展到綜合大洋鉆探計劃（IDOP）新階段，中國科學家領導了多次南海大洋鉆探航次，目前仍采用美國老舊的“決心”號鉆探船（圖19），未來探索中需建設服務全球的新型大洋鉆探船，以提高中國的國際話語權。鑒于極地在全球氣候系統中的作用，2019年由德國牽頭的19個國家組成的北極氣候研究多學科漂流冰站計劃（MOSAiC）依托德國老的“極星”號破冰船（圖20）成功實施，堪稱北極研究旗艦計劃，中國有17名科學家參與其中。未來中國需要設計更符合北極冰層消融與浮冰漂流機理的新型極地科考研究平臺和各種適應極地環境的海洋機器人，這將成為未來中國牽頭極地海洋研究計劃的重要機遇。
圖19 承擔大洋鉆探計劃的美國“決心”號鉆探船
圖20 承擔MOSAiC的德國“極星”號破冰船
3.2 中國海洋強國戰略離不開海洋科考裝備的體系貢獻
任何大國的崛起必然伴隨其海洋化的進程，中國作為一個陸海統籌的國家，21世紀戰略重心逐步向海上轉移。2012年黨的十八大提出了建設海洋強國的戰略目標，其內涵包括認知海洋、利用海洋、生態海洋、管控海洋、和諧海洋5個方面，而探索認知海洋是開發利用和保護海洋的先決條件。2017年習近平總書記提出深海、極地、外空、網絡空間四大戰略新疆域，為此應具有保障對于國際深海和極地區域增強安全進出和科學考察的能力。圍繞國家戰略，海洋劃界、透明海洋、智慧海洋、深海養殖、深海采礦、“蛟龍”探海、“雪龍”探極、“深潛、深網、深鉆”等一批專項工程和重要舉措持續發力。從當前的戰略支撐能力來看，海洋科考裝備的挑戰已從加大單個裝備能力上限逐步轉移到提高裝備體系貢獻率上來。海洋科考裝備的先進性，應是系統整體的先進性，具體應體現在承擔上述專項和舉措中探索認知海洋的效率、精度和經濟性等多方面的水平能否達到同期的世界先進水平。科考裝備體系建設中，建議以潛浮標固定觀測為基礎，船基斷面觀測為補充，無人系統快捷觀測為擴展，增強與空基、天基的體系融合，實現以海洋衛星和航空遙感（天空）、海氣界面觀測系統（水面）、深海觀探測系統（水下）和海底觀探測系統（海底）4個層次的立體觀測網（圖21）。目前中國雖有自主建設的觀測網，如西太平洋科學觀測網、南海潛標觀測網等，但主要以潛標陣列為主，對研究大尺度環流有一定幫助，但對于中小尺度過程的觀測遠遠不夠，且數據較難實時傳輸，多數不具備智能型。在大數據和人工智能的時代，海洋科考裝備需加快技術攻關，以提升中國對核心洋區海洋環境信息的實時、立體、高分辨率、多尺度多要素的整體同步獲取能力。除了裝備技術問題以外，國外還從管理維護、資金支持等方面來加強頂層管理以提高體系貢獻率。例如，美國有針對科考船統一管理的幾個機構，其中UNOLS對所屬的船隊和科考計劃統一管理和實施。UNOLS與美軍長期合作，為其提供海洋科學研究和環境信息采集，當然美軍也長期資助這些研究所和大學的科學研究，甚至出資造新船給他們用，這種“以民掩軍”的模式很合理地把軍方的需求、資金與科學界的研究力量有機銜接在一起，這種舉國體制下跨部門頂層的資源統籌方式值得借鑒。
圖21 透明海洋立體觀測網示意圖
當前國際海洋研究正進入全球競爭的熱潮，在建設海洋強國的偉大歷史時期，中國更需要加快推進海洋科考裝備建設，圍繞國家海洋戰略利益和國際海洋大合作需求，創新構建適應多學科融合、大中小尺度協同、深海極地統籌的海洋科考裝備體系。
3.3 新技術融合將有效解決現有科考裝備的不足并對科考模式產生深遠影響
要了解中國下一代海洋科考裝備的發展方向，在論證需求的基礎上對照查找各自裝備的不足。總體上看，現有海洋科考船面臨的不足主要有：①極端環境（極端天氣、極端海況、極地、戰場環境等）適應性不足；②科考作業效率不足。現有海洋運載器面臨的不足主要有：①續航能力不足；②跨介質通信能力不足；③導航定位精準度不足，尤其在極區；④結構材料承壓和耐腐蝕性不足。現有海洋潛浮標系統面臨的不足主要有：①設備性能不足；②數據應用不足。這些裝備的共性問題是相互組網協調和信息共享不暢、海上運行不穩定、傳感器相對落后、搭載能力偏弱、軟件平臺不被重視。解決這些問題需要充分融合綠色/智能/無人/大數據/通信/網絡/核能/遙控等各種新技術，尤其要從體系解決的角度出發，真正實現跨域融合。未來的海洋科考，無論采用何種海洋科考裝備，獲得的主要成果還是數據。根據世界海洋數據庫統計顯示，21世紀以來至今不到20年時間，科考采集的數據已超過先前100年采集的數據之和，在2005年后由于自主機器人的廣泛應用采集數據量更是一路飆升（圖22）。
圖22 海洋科考數據采集量歷史變化圖 （來源：世界海洋數據庫）
可以預見未來無人系統（AUV/ROV/ARV/Glider/小型USV等）在海洋科考中將得到廣泛應用，先進的海洋科考船勢必將成為無人系統的母船和旗艦，下一代新型科考船應是能搭載集群化的無人科考裝備，兼具船舶智能航行與科考無人作業的新型少人甚至無人的裝備平臺。該平臺將船舶高海況適應技術、智能駕駛和遙控技術、無人化/集群化機器人技術、遙感與高速通信等新技術高度融合，顯著特點應是：①在極端海況下（作業海況比現有科考船通常高2~3級）開展連續科學調查和智能作業規劃；②對搭載的批量無人科考設備實現多點快速收放；③高度自動化的分析實驗系統；④具有與空中和水下無人系統開展分布協同和智能聯網的能力。這種新型智能科考平臺是對以往“人在作業模式”的一次有力變革，也將是下一代海洋科考船的重點研發方向。
3.4 發展建議
當前中國海洋科考裝備應立足自我，以“戰略布局、需求牽引”為導向，盡快補短板，迎接新挑戰。建議適時建立專門開展海洋科考體系頂層研究的國家級政策研究機構或研究中心，特別注意政策規劃與工程裝備研制路線的銜接，做到科學合理的中長期規劃；建議成立少數統一的海洋科考裝備高層次管理中心或協會，對海洋科考船、運載器等裝備實行分類分級，形成標準化、系列化，推行開放共享、統一管理，發揮整體效能；建議推動大規模、多類型無人裝備的組網觀測與探測應用，促進海洋衛星、科考船、潛浮標與無人裝備的協同發展，大力發展空、天、海、潛立體觀測體系；建議加快推進深海、極地等重大專項，強調對新技術新設備的牽引帶動作用，同時出臺政策支持科考探測和實驗室儀器設備的國產化配套；建議支持面向極端或特殊環境的無人裝備和與其開展集群化智能協同作業的新一代海洋科考平臺的研制。
4、結束語
對未知海洋的探索和發現是人類發展的永恒動力。走過21世紀第2個10年，人類已完全進入認識海洋、保護海洋、開發海洋的新階段。建設海洋強國是實現中華民族偉大復興的重大戰略任務之一。在這個關鍵的歷史時期，海洋科考裝備雖然在多個方向不斷取得突破，一批“國之重器”創造了多項世界之最，但是戰略性、基礎性、顛覆性的裝備創新能力仍顯不足、部分關鍵技術仍存在“卡脖子”問題。唯有通過科學規劃與持續發展，通過不懈努力與奮斗，才能建設出中國日益強大的海洋科考裝備體系，才能滿足中國日益增長的海洋強國建設需求，為構建人類命運共同體貢獻中國智慧和中國力量。
來源：前瞻科技雜志
作者：吳剛
研究員
中國船舶及海洋工程設計研究院首席專家
“向陽紅01”號、“向陽紅03”號、“東方紅3”號、“中山大學”號、“雪龍2”號等海洋科學考察船總設計師
引用本文
吳剛, 秦琦. 中國海洋科考裝備的現狀分析與建設展望[J]. 前瞻科技, 2022, 1(2): 166-182;
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.013
