前瞻科技 | 中国海洋科考装备的现状分析与建设展望

文章摘要

海洋科考装备是人类认识海洋的必要手段，也是一个国家综合实力的重要标志之一。文章全面回顾了海洋科考装备，尤其是海洋科考船、海洋运载器、海洋潜浮标等科考载运装备以及海洋探测与实验仪器装备70余年的发展历程和谱系现状，并选取其中最具代表意义的装备之一“海洋科考船”开展深入分析。

首先总结归纳了世界海洋科考船的发展特点并与之对标，其次对中国海洋科考船三代产品的技术沿革进行系统梳理，特别是围绕现代海洋科考船的船型设计新理念、海洋学科新发展、船舶装备新技术、科考系统新产品带来的技术难点和创新设计进行阐述。

同时从人类命运共同体、国家海洋强国战略、新兴技术融合趋势3个方面对未来中国海洋科考装备的需求和挑战开展详细论述，最后建设性地从顶层需求、体系贡献和技术换代的角度提出未来海洋科考装备的趋势展望。

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人类生活的地球表面约70%被海洋所覆盖，开展海洋科学考察是人们认识海洋、经略海洋的重要前提。当前观测、探测海洋物质与现象的一切科学考察活动必须紧紧依靠各种先进可靠的海洋科考装备。

中华人民共和国成立以来，中国海洋科学家和工程学者秉承独立自主和创新精神，由最早开展海洋调查时的“望洋兴叹”到进入21世纪后的“百舸争流”，中国的海洋科考装备真正摸索出了一条从“跟跑”和“并跑”到“领跑”的创新之路。

1.中国海洋科考装备发展现状

海洋科考装备从广义上看，主要包括岸基台站、天基、空基和海洋科考船（文中泛指各类调查船）以及各类海洋运载器（指具备科考功能的载人潜水器、缆控潜水器、自主潜水器、自主遥控潜水器、水下滑翔机、波浪滑翔机、小型无人水面艇等），外加各类浮标、潜标、海床基、水下移动平台、海洋探测设备（生物取样、海水取样、深海岩芯探测设备等）和海洋传感器（声学、光学、电磁学、热学传感器等）。

过去数十年，全球海洋科考装备研发取得了广泛应用，中国也取得了显著进步。随着中国自主研制的海洋科考船、海洋运载器、海洋潜浮标、海洋卫星和飞行器等重大科考装备逐步进入世界先进行列，各种新概念、跨领域甚至技术颠覆的新型海洋科考装备层出不穷，展现了中国现代海洋科考事业的蓬勃生机。

1.1 海洋科考载运装备

1.1.1 海洋科考船

1872年英国“挑战者”号海洋科考船的全球海洋调查奠定了海洋学这门独立学科的基础，海洋科考船的发展印证着国家海洋科学技术进展的深度和广度。

从20世纪60年代至21世纪20年代，中国逐渐发展形成了以中国科学院系统“科学”“实验”“探索”“海洋”系列、国家海洋局系统“向阳红”“大洋”“雪龙”系列、教育部高校“东方红”系列、中国地质调查局“海洋地质”系列和卫星测控中心的“远望”系列为主要代表的海洋综合、专业和特种3大类的中国海洋科考船发展谱系（图1）。

其中，专业科考船有：地球物理调查船、水声调查船、渔业科考船、地质调查船、气象观测船、海洋考古船、航道测量船、环境监测船、浮标工作船等；特种科考船有：大洋钻探科考船、极地科考破冰船、航天测量船、装备试验船、物探调查船等。

图1 中国海洋科考船发展谱系（典型代表）

中国海洋科考船的发展分为3个时期。

第1段发展期是20世纪60—80年代，科考船不再经由旧船改造，开始出现专门设计建造的科考船。这个时期中国建造了第1艘2500 t级海洋实习调查船“东方红”号、3000 t级综合调查船“实践”号以及分散到各海洋调查研究机构的首艘“向阳红”“远望”“实验”“科学”“探索”“曙光”“奋斗”“中国海监”系列的科考船。

这些科考船开始使用先进的海洋调查设备，在性能、布置以及实验室与专用设备的匹配等方面，与旧船改装的调查船相比有“质”的提高，可以称之为“第一代海洋调查船”。这一代科考船承担了中国渤海、黄海、东海和南海等近海海洋调查与专项研究，奠定了中国海洋科学技术事业的基础，其典型代表是1988年获得国家科学技术进步奖特等奖的“向阳红10”号远洋综合调查船。

第2段发展期是20世纪90年代至2010年前后。这个时期国内科考船发展相对迟缓，除自主研制的“东方红2”号、“远望3”号和“远望4”号外，仅有从国外购买并改装的“大洋一号”和“雪龙”号。

由于这个时期的新船数量有限，远未满足中国海洋科学快速发展的实际需求，也成为21世纪后中国第1代科考船船龄超长和性能欠缺后需求井喷的原因之一，但无论怎样，这个时期的科考船为“查清中国海、进军三大洋、登上南极洲”奠定了装备基础，成为第2代主力科考船。

第3段发展期是从2010年左右开始，也是中国科考船“质”和“量”的高速发展期。这时期以国家重大科技基础设施建设项目“科学”号成功研制为第3代科考船的里程碑，船舶电力推进系统和动力定位系统被逐步推广。科考作业和实验室采用模块化设计、水下辐射噪声和舱室环境控制受到进一步重视，各种专业科考设备如温盐深（Conductivity Temperature Depth, CTD）探测系统、全海深多波束探测系统、气象雷达等与船舶平台形成一体化设计等。

据统计，2010—2021年中国新建海洋科考船的数量达到32艘，涌现出一大批世界先进水平的科考船，25000 t级的“远望7”号圆满完成“天宫二号”“嫦娥四号”、北斗卫星等21次海上测控任务；国内首艘、世界第4艘获得水下辐射噪声最高等级SILENT-R证书的海洋综合科考船“东方红3”号挺进国际主流科考船行列；全世界第1艘六缆高精度、短道距地震电缆三维物探船“海洋地质八号”使中国站上国际海洋物探领域船型技术的制高点；全球首艘具备艏艉双向破冰技术的极地科考破冰船“雪龙2”号成功首航南北两极，填补了中国极地科考重大装备领域的空白；国内排水量最大、综合科考性能最强的海洋综合科考实习船“中山大学”号实现了直流母排+储能蓄电池、轮缘永磁侧推、全航速主动式减摇鳍等多项新技术的集成创新。

70多年来，中国海洋科考船从上百吨拓展到数千吨、几万吨，调查能力从中国沿岸浅海延伸到深海大洋、南北两极，调查内容也从单一学科调查转化为多学科多功能多技术手段的综合科学考察。海洋科考船作为最主要的海洋科考装备在支撑国家海洋强国建设中作出了卓越贡献。

1.1.2 海洋运载器

海洋运载器技术为海洋科学探测带来了深刻革命，尤其是无人运载器（亦称海洋机器人）。海洋运载器凭借其复杂环境适应能力强、模块化搭载能力多样、无人智能化水平高等特点，可在高度危险、受污染环境、恶劣海况等特殊环境下保持长时间工作。

中国已初步形成了以载人潜水器（Human Occupied Vehicle, HOV）、遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle, ROV）、自主潜水器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）、自主遥控潜水器（Autonomous and Remotely Operated Vehicle, ARV）以及水下滑翔机（Underwater Glider）、波浪滑翔机（Wave Glider）、无人水面艇（Unmanned Surface Vessel, USV）7种海洋运载器发展谱系（图2）。

经过数十年的技术积累，已初步形成以“三龙五海”为代表的海洋运载器系列，即“蛟龙”“潜龙”“海龙”三龙系列和“海马”“海星”“海斗”“海翼”“海燕”五海系列，推动了中国深海技术和材料的自主发展。

图2 中国海洋运载器发展谱系（典型代表）

中国海洋运载器发展历程大致分2个阶段。2010年之前，中国处于各类水下和水面运载器的首创和起步阶段，以20世纪80年代和90年代的7103救生艇（HOV）、200 m水深的“海人一号”ROV、800 m水深的“探索者”号AUV等为代表的首台套装备拉开了中国海洋运载器的创新历程，2010年首台下潜深度突破7000 m的HOV“蛟龙”号，成为这一时期中国海洋运载器自主创新的典型标志，荣获国家科学技术进步奖一等奖。

2010—2020年，中国进入了海洋运载器自主创新的快速发展期，装备成熟型号从过去几十年10余型猛增到10年间的约30型以上。HOV领域分别诞生了4500 m水深“深海勇士”号、11000 m水深的“奋斗者”号潜水器等深海利器，实现了耐压结构设计及安全性评估、钛合金材料制备及焊接、浮力材料研制与加工、深海锂电池研制、声学通信定位、智能控制技术等方面的多项重大技术突破，中国一举成为全球少数几个具备深海HOV建设、科考应用和保障能力的国家之一。

ROV领域，中国已形成自主可控的深海作业级ROV技术体系，具备自主设计、制造、应用与维护能力，先后研制成功“海马-500”“海马-2000”、“海象-2000”“海马-4500”“新海马”“海星-6000液压”“海龙Ⅱ”“海龙Ⅲ”等液压作业级ROV，以及“海星-1000”“海星-6000电动”和“海马-E6000”等电动作业级ROV，形成了作业水深覆盖500~6000 m的ROV系列产品，实现了国产高新探查技术装备在海洋地质调查应用领域的突破。

AUV领域，中国自主研制涵盖便携型、轻型、中型、重型等在内的全海深系列化装备，形成了4500~6000 m水深“潜龙”系列、100~4500 m水深“探索”系列、1000~2000 m水深“海鲸”系列、11000 m水深“悟空”号等重大装备，主要性能指标与国际同类水准基本相齐。

ARV领域，中国近5年来抢抓混合式机器人发展浪潮，重点研制了11000 m水深“海斗”系列和6000 m“问海1号”等装备产品，成为继日本和美国之后第3个拥有万米级自主遥控机器人研制能力的国家。水面和水下滑翔机领域，中国快速追赶，研制了“海燕”系列、“海翼”系列、“黑珍珠”号等典型装备。

2017年“海燕”水下滑翔机下潜超过6000 m，连续工作91 d，航行1884 km，刷新了水下滑翔机下潜深度、续航力和观测剖面数量的新纪录，同时在北极科考中得到首次应用。

2021年“黑珍珠”波浪滑翔器解决了在极端海况下生存作业和实时通信的关键难题，从“向阳红01”科考船释放后自主航行48 d累计1349 km，首次完成跨赤道海气要素的观测。此外，珠海云洲智能科技股份有限公司“极行者”小型无人艇2017年远赴南极为中国罗斯海新站建设提供必要的海底地形数据。

以上这些关键装备的成功研制为中国海底资源、地质和深海生物调查等科学研究提供了坚实的技术支撑。

1.1.3 海洋潜浮标

海洋潜浮标是对海洋环境进行长期、定点、多参数剖面观测的仪器设备，是构建立体海洋观测 的重要部分。

海洋潜浮标包括海洋浮标和海洋潜标，前者可分为通用型浮标和专用型浮标等，其中通用型浮标能够对海洋水文、气象、生态等参数实施综合性监测，专用型浮标包括海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标、海冰浮标、海气通量观测浮标和海洋酸化观测浮标等多种类型。

浮标按照机动方式还可分为漂流浮标和锚系浮标2大类。潜标按照工作深度可分为浅海潜标和深海潜标，按照锚泊方式又可分为坐底潜标和锚泊潜标。

国际海洋浮标的发展始于20世纪20年代，潜标技术研究始于60年代，目前全球海洋科技强国实现了长期业务化运行，在可靠性、精度、稳定性等方面技术成熟。中国海洋潜浮标研制起步晚，但在一些领域实现了突破。

20世纪60年代研制出第1个浮标，80年代在南海成功布放第1代自容潜标。2008年，中国研制了连续工作2年的第四代大型锚系浮标FZF4-1型，直径达到10 m，成为中国海洋资料浮标 主力浮标。

2012年自主研制的“白龙”7000米级浮标正式布放进入全球海洋观测系统（图3），使中国成为继美国、日本之后第3个具备深海气候浮标观测的国家。

2016年，中国科学院在西太平洋攻克了潜标数据长周期稳定实时传输的海洋观测难题，目前实时传输观测数据的深度由1000 m逐步拓展至6000 m。

2017年，中国以自主研发的海洋环境实时监测潜标等40余套深海潜标（图4）为主体构建了“南海潜标观测 ”的基础，实现对南海深海盆的全覆盖观测。经过长期摸索与研发，中国潜浮标在近海建设了业务化观测系统，远海构建了南海立体观测 和西太平洋科学观测 等区域 络，为中国海洋环境和气候预 、海洋动力环境系统长期连续观测提供了宝贵数据。

图3 “白龙”浮标

图4 潜标（RTSM）

1.2 海洋探测与实验仪器装备

1.2.1 海洋探测设备

海洋探测系统包括水体探测、大气探测、海底探测、深海极端环境探测以及遥感信息现场印证等系统，其中以声学定位技术等为代表的深海探测系统、以多波束探测系统等为代表的海底探测系统，以温盐深探测系统和多普勒流速剖面仪等为代表的水体探测系统决定了海洋科考的品质，更决定了海洋科考的自主可控水平。

海洋地形地貌测绘是海洋科考的基本需求，多波束测深设备作为一种先进测绘手段，受到全球海洋巨头青睐。中国多波束测深设备研制起步于1980年，经过30多年的研究，2014年中国科研机构成功研制全海深多波束测深系统工程样机；2019年中国科研院校实现国际高端浅水多波束测深声呐的技术突破。

目前，中国浅水型多波束测深系统已完成多款产品的研制，而深水和极区型多波束测深系统还处于研制试用阶段，未形成成熟市场产品，国内主要市场仍被国外厂商占据。水声定位技术是科考船、海洋运载器等进入深海和探测深海的关键，一般包括长基线系统、短基线系统、超短基线系统及综合定位系统。

面对引进水声定位系统存在的“技术封锁、费用高、设备维修困难”等瓶颈，中国科研院校2013年研发成功国内首台深海超短基线定位系统产品，成功为“蛟龙”号HOV提供定位探测，性能稳定可靠。2017年，中国“深海勇士”号HOV采用自主的高精度水声综合定位系统实现0.3 m的定位精度，定位有效率超过90%，标志着中国深海综合定位水平进入世界领先行列。

但相比于欧洲国家已实现水声定位系统的商业化、产业化、系列化，实现惯性/水声的一体化，中国多为科研样机，在长距离、高精度定位方面仍有待加强。

此外，海流测量对全球海洋生态系统平衡研究发挥重要作用，声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP）是20世纪80年代初发展的利用多普勒效应原理进行流速测量的新型设备。

2014—2018年中国科研院所与生产企业联合推广自主研制的ADCP，根据测量研究，中国自研ADCP施测100 s平均流速与转子式旋桨流速仪施测流速精度基本一致。但面对国际巨头的先发优势，目前中国使用的ADCP仍基本依赖进口。

中国海洋探测设备的核心技术长期由国外垄断，大部分市场份额也被国外瓜分，研制和推广自主知识产权的探测设备和关键零部件仍任重道远。

1.2.2 海洋传感器

作为海洋观监测系统的神经末梢，海洋传感器在海洋观监测领域发挥着关键作用，所涉及的多项技术属于海洋科考装备领域的核心关键技术。

海洋传感器一般包括水质类、水文类、地质地震类、声学探测类、光学探测类等。在国家“863”计划等重大科研项目支持下，中国一些海洋环境监测传感器实现了突破。例如，部分海洋动力参数传感器、化学传感器的一些性能指标达到了世界先进水平，但高端CTD剖面仪传感器、气象传感设备等与国外在性能、稳定性、精度方面仍差距较大，在国内很多科考载运装备上大量安装有国外进口的传感器产品。

海洋科考装备的高端传感器是当前的“卡脖子”技术，目前中国高端传感器的产品批量生产和业务应用极少，主要原因包括基础原理系统研究薄弱、传感器关键材料和器件支撑能力缺乏、实际环境验证能力和应用反馈不足、先进评价标准不够完整、产业促进政策缺少等。

未来的海洋科考必定是多学科的交叉融合，传感器将是海洋科学物联 的核心基础，中国必须在海洋传感器等基础元器件技术、方法研究和应用推广等方面砥砺前行，同时加快推动基于传感器大数据的质量控制、标准制定和数据挖掘等关键工作。

2.海洋科考船的技术进展

现代广义的海洋科考船是用于海洋科学考察、应用技术研究或海洋测量勘探等的船舶装备，它是集观测、采样、新技术试验等多功能于一体的科考作业平台，也是其他海洋运载器或科考探测设备到达远海洋区的载运和收放平台。

此类装备设计难度大、建造费用高，在当前海洋科考装备体系中具有核心、基础和不可替代的地位。要分析掌握中国海洋科考装备的未来发展趋势，首先需要弄清楚海洋科考船的发展特点和技术进展。

2.1 世界海洋科考船的发展特点

世界先进的海洋科考船主要集中在美国、英国、德国、日本、挪威等海洋科研强国。其中，美国拥有的先进科考船占全世界总数的一半，大部分科考船由大学—国家海洋学实验室系统（UNOLS）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和美国海军（USN）实际管理和运营。

美国自1960年在建成的“测量员”号（图5）航道和海洋调查船上首次配备多波束探测系统、1962年在建成的“Atlantis Ⅱ”号首次配备电子计算机以来，就一路引领海洋科考船技术发展并牵头多个国际海洋科考计划。目前以美国海军出资建成并由著名的伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）实际运营的阿姆斯特朗级海洋综合科考船AGOR-27（船名Neil Armstrong）和AGOR-28（船名Sally Ride）为新一代科考船的典型代表（图6），船舶采用电力推进和低噪声设计，配置基于信息技术的各种调查仪器以及船舶与科考相融合的计算机 络系统。

这一时期几乎同步建成的德国8000 t级新“太阳”号（SONNE）将海洋科考船的设计推至顶峰（图7）。该船采用轴桨电力推进方式，配备4台1555 ekW的柴油发电机组，推进系统由2台交流电机各自驱动1个定距桨。首部采用1台860 kW隧道式侧推和1个2990 kW泵喷侧推，尾部配置1个860 kW的隧道式侧推。船体底部装有世界上测量水深最深、分辨率最清晰的1°×0.5°全海深多波束，采用嵌入式安装。

该船所有科考绞车均采用电动并埋舱安装，甲板配有的4台吊机覆盖所有工作区域，另外还配有大量模块化移动作业点，特别体现了现代科考船在模块化、综合性方面的特点。

图5 1960年美国“测量员”号

图6 2014年美国“Sally Ride”号

图7 2015年德国新“SONNE”号

在全球化进程中，中国科学家参与了众多国际考察计划，在国外很多科考船上生活工作过，深刻体会到国内上一代科考船已无法适应迅猛发展的海洋科考需求。

“海洋强国、装备需先强”，中国科考船从“科学”号研制再到“东方红3”号、“中山大学”号（图8）成功交付，国内海洋科学家和船舶设计建造者们用了整整10年的时间，基本追平了世界海洋科考船的先进水平，部分性能甚至优于国外。

中国海洋科考船历经艰辛，终于从世界舞台的边沿走到了中央，逐步投身到建设海洋强国的战略征程中。表1为国内外最新科考船主要船型指标对比。

图8 中国第3代先进海洋综合科考船“中山大学”号

表1 国内外最新科考船主要船型指标对比

2.2 中国海洋科考船的技术进展

中国海洋科考船与国外相比虽起步较晚，但从建国后就备受重视，自第1艘“金星”轮的改造开始就紧随世界海洋科考船的步伐，由“跟跑”直至现在的“并跑”，甚至“领跑”。

正如前面所述，中国海洋科考船的发展历经了3代技术沿革。

第1代海洋科考船，电子技术在船上首次应用，配备专用起吊机械和科考设备，主要满足测绘和调查任务，排水量整体偏小、抗风浪能力弱、航速高，船舶采用机械推进形式，振动噪声高，船上生活和作业条件艰苦，人员劳动强度大。

第2代海洋科考船，首次采用电子计算机，仍采用机械推进，主要在第1代基础上开展设备与布置的升级优化，偏向多学科综合调查。因逐步开展远洋科考，对航行安全有特殊需求，期间制定了《海洋调查船特殊抗风力要求》，为确保船舶整个生命周期中的航行安全提供了保障。衡量技术先进性的标准往往是作业甲板和实验室面积的利用率、科考负载、抗风能力等参数指标。

第3代海洋科考船是革命性的更新换代，首次将船舶综合电力推进技术、计算机 络技术与科考功能高度融合；采用基于信息技术的调查仪器、科考 络与船舶计算机 络形成一体；动力定位和低速操纵性能大大提升；水下辐射噪声和舱室空气噪声大幅下降；作业甲板和实验室采用模块设计，以适应多学科多任务的海洋综合科学考察。衡量技术先进性的标准在原有基础上凸显了振动噪声等级、舱室舒适度以及携带科考设备的海上作业效能和综合科考能力。中国海洋大学的“东方红”系列是中国3代海洋科考船的缩影（图9）。

图9 中国3代“东方红”系列海洋科考船

海洋科考船作为高技术船舶，大量涉及新技术、新产品、新材料和新工艺。如果将船舶通常的使用寿命30年作为新旧交替的一个代际，那么每一代海洋科考船均是在当时时期将新的船舶技术、新的科考产品一并融入到新船设计建造中，同时也牵引并促进了未来新技术新产品的更好发展。

可以这么说，在海洋装备创新的先行者中，新型海洋科考船从来都是与船型设计新理念、海洋学科新发展、船舶装备新技术以及科考系统新产品相伴相生、共同进步的。