水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建探索

郭小勇 湯海榮 徐春紅

摘要：水下機(jī)器人作為一類(lèi)特種機(jī)器人，日益成為探索海洋奧秘、開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具，被稱(chēng)為海洋高技術(shù)的皇冠，正逐步成為國(guó)家間海洋技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系最直接的作用是指導(dǎo)、規(guī)范水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作，使人們清楚水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作方向和重點(diǎn)，有助于推動(dòng)水下機(jī)器人研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)快速、健康發(fā)展。文章在介紹國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制訂的基礎(chǔ)上，探討水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建思路，提出標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)路徑，明確水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作范圍和領(lǐng)域，并構(gòu)建了水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系序列結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)3種框架模型，為構(gòu)建我國(guó)水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；標(biāo)準(zhǔn)體系；海洋技術(shù)；框架；人工智能

中圖分類(lèi)號(hào)： P 7 5 4 . 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 5 3-0 4

E x p l o r a t i o no nt h eC o n s t r u c t i o no fU n d e r w a t e rR o b o t S t a n d a r d sS y s t e mF r a m e w o r k

GUOX i a o y o n g， T ANG H a i r o n g， XUC h u n h o n g

（ N a t i o n a lC e n t e ro fO c e a nS t a n d a r d sa n dM e t r o l o g y， T i a n j i n g3 0 0 1 1 2， C h i n a）

A b s t r a c t： A sas p e c i a lt y p eo fr o b o t， u n d e r w a t e rr o b o t sa r ei n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga ni m p o r t a n t t o o l f o r e x p l o r i n go c e a nm y s t e r i e s a n dd e v e l o p i n go c e a nr e s o u r c e s . T h e ya r e c a l l e d t h e c r o w no f o -c e a nh i g h - t e c h， a n da r eg r a d u a l l yb e c o m i n g t h e c o mm a n d i n gh e i g h t so f o c e a n t e c h n o l o g yc o m p e t i -t i o na m o n gn a t i o n s . T h em o s td i r e c t r o l eo f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e mi s t og u i d ea n d r e g u l a t e t h es t a n d a r df o r m u l a t i o no fu n d e r w a t e r r o b o t s， s ot h a tp e o p l ea r ea w a r eo f t h ed i r e c t i o n a n d f o c u s o ft h e s t a n d a r d i z a t i o n o f u n d e r w a t e rr o b o t s，w h i c h w i l l h e l p t o p r o m o t et h e d e v e l o p m e n t a n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fu n d e r w a t e rr o b o t s， a n dp r o m o t er a p i da n dh e a l t h yd e v e l o p -m e n t . B a s e do n t h e i n t r o d u c t i o no f d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s f o ru n d e r w a t e r r o b o t s， t h e p a p e rd i s c u s s e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h es t a n d a r ds y s t e mf r a m e w o r kf o ru n d e r w a t e rr o b o t s，p r o -p o s e dap a t hf o rs t a n d a r ds y s t e mc o n s t r u c t i o n， c l a r i f i e dt h es c o p ea n df i e l do fs t a n d a r d i z a t i o no f u n d e r w a t e r r o b o t s， a n dc o n s t r u c t e d t h e t h r e em o d e l so f u n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r d s s y s t e m， i n c l u -d i n gs e q u e n c es t r u c t u r e， t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， a n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e， a n dp r o v i d e da v a l u a b l er e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f t h eu n d e r w a t e r r o b o t s t a n d a r ds y s t e m.

K e y w o r d s： U n d e r w a t e rr o b o t， S t a n d a r d ss y s t e m，O c e a nt e c h n o l o g y， F r a m e w o r k，A r t i f i c i a l i n t e l l i -g e n c e

0 引言

《中國(guó)制造2 0 2 5》將機(jī)器人作為“大力推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展”的技術(shù)之一，要求“促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展”。水下機(jī)器人作為一類(lèi)特種機(jī)器人，日益成為探索海洋奧秘、開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具，被稱(chēng)為海洋高技術(shù)的皇冠，正逐步成為國(guó)家間海洋技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)作為人類(lèi)科學(xué)、技術(shù)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，得到我國(guó)高度重視。標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和產(chǎn)業(yè)合作的最重要技術(shù)基礎(chǔ)，誰(shuí)把握了標(biāo)準(zhǔn)誰(shuí)就把握了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)。標(biāo)準(zhǔn)體系是根據(jù)水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化需求，應(yīng)用系統(tǒng)論、模塊化、流程化的思想，將水下機(jī)器人市場(chǎng)需求調(diào)研、研發(fā)設(shè)計(jì)與方案評(píng)審、樣機(jī)試制與測(cè)試、小批量試生產(chǎn)與驗(yàn)證、正式批量生產(chǎn)與售后服務(wù)等過(guò)程中，重復(fù)性、共性的事物轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)，并按其內(nèi)在聯(lián)系形成的科學(xué)有機(jī)整體。標(biāo)準(zhǔn)體系最直接的作用是指導(dǎo)、規(guī)范水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作，使人們清楚水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作方向和重點(diǎn)，有助于推動(dòng)水下機(jī)器人研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)快速、健康發(fā)展。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化主管部門(mén)和各行業(yè)部門(mén)都重視標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，國(guó)家發(fā)布了《標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求》（ G B/ T1 3 0 1 6—2 0 1 8）進(jìn)行規(guī)范和指導(dǎo)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。

1 現(xiàn)狀

1 . 1 我國(guó)水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)情況

1 . 1 . 1 我國(guó)發(fā)布了5項(xiàng)水下機(jī)器人國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)發(fā)布的7 5項(xiàng)機(jī)器人國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里，有5項(xiàng)是水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，分別是《輕型有纜遙控水下機(jī)器人第1部分：總則》《輕型有纜遙控水下機(jī)器人第2部分：機(jī)械手與液壓系統(tǒng)》《輕型有纜遙控水下機(jī)器人第3部分：導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器》《輕型有纜遙控水下機(jī)器人第4部分：攝像、照明與云臺(tái)》《石油天然氣工業(yè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作第8部分：水下生產(chǎn)系統(tǒng)的水下機(jī)器人（ R OV）接口》。通過(guò)制定這5項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)加快水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作探索了道路。

1 . 1 . 2 正在組織制定一項(xiàng)水下機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，自然資源部北海局海洋技術(shù)保障中心和計(jì)量中心正在聯(lián)合制定《小型有纜水下機(jī)器人精細(xì)探測(cè)系統(tǒng)操作技術(shù)規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 . 1 . 3 《國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科技部、工業(yè)和信息化部于2 0 1 7年印發(fā)了《國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，規(guī)定了指導(dǎo)思想、基本原則、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、組織實(shí)施，明確從基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)評(píng)定方法標(biāo)準(zhǔn)、零部件標(biāo)準(zhǔn)、整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)等5個(gè)方面構(gòu)建機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系?！秶?guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》將“水下機(jī)器人”作為1 4類(lèi)特種機(jī)器人之一，并將水下機(jī)器人術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，自主和遙控式水下機(jī)器人的載體機(jī)構(gòu)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，水下機(jī)器人及行業(yè)亟須的自主水下機(jī)器人功能和性能標(biāo)準(zhǔn)，水下機(jī)器人電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，水下機(jī)器人壽命評(píng)估可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等[ 1]，納入“近期擬研制重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域”。水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)應(yīng)遵循《國(guó)家機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》規(guī)定的指導(dǎo)思想和有關(guān)要求。

1 . 2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)情況

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織機(jī)器人技術(shù)委員會(huì)出臺(tái)了2 3項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，正在制定8項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有水下機(jī)器人方面的標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)際電工委員會(huì)制定出臺(tái)了6項(xiàng)機(jī)器人方面的標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有水下機(jī)器人方面的標(biāo)準(zhǔn)。

1 . 3 發(fā)達(dá)國(guó)家情況

美國(guó)有關(guān)組織出臺(tái)了4 1項(xiàng)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，日本出臺(tái)了2 6項(xiàng)，德國(guó)出臺(tái)了3 9項(xiàng)，英國(guó)出臺(tái)了1 2項(xiàng)，但都沒(méi)有水下機(jī)器人方面的標(biāo)準(zhǔn)。

2 水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建思路

2 . 1 遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求》

《標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求》明確標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建應(yīng)遵循目標(biāo)明確、全面成套、層次適當(dāng)、劃分清楚等4項(xiàng)基本原則[ 2]。水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建必須始終堅(jiān)持這4項(xiàng)基本原則：明確支撐、服務(wù)、規(guī)范、促進(jìn)水下機(jī)器人商品化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的建設(shè)目標(biāo)；全面成套要求構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)體系要涵蓋水下機(jī)器人全生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品的全生命周期，既包括現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，又包括正在制修訂的標(biāo)準(zhǔn)和未來(lái)需要制修訂的標(biāo)準(zhǔn)；層次適當(dāng)指標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)層次不宜過(guò)多或過(guò)少，過(guò)多容易碎片化，過(guò)少容易導(dǎo)致一個(gè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量過(guò)多而管理、維護(hù)困難；劃分清楚指標(biāo)準(zhǔn)化工作領(lǐng)域劃分要避免交叉重疊，不能一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)放哪個(gè)領(lǐng)域都可以，或者找不到歸口領(lǐng)域。

2 . 2 水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)路徑

廣泛收集國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人研制、生產(chǎn)和應(yīng)用情況，以及標(biāo)準(zhǔn)制定情況，搞清楚有哪些科研團(tuán)隊(duì)和生產(chǎn)企業(yè)，水下機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展情況和發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外差異，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的需求等。信息收集盡量全面、準(zhǔn)確，掌握現(xiàn)狀和問(wèn)題、未來(lái)發(fā)展方向和趨勢(shì)。

（ 1）積極爭(zhēng)取各個(gè)方面的支持，將“水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)”納入國(guó)家或行業(yè)科研范圍，獲得支持，得到國(guó)家和行業(yè)的重視，為建設(shè)“水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系”提供保障，使工作能夠順利啟動(dòng)和完成。

（ 2）成立由標(biāo)準(zhǔn)化專(zhuān)家、水下機(jī)器人科研人員、生產(chǎn)人員、檢驗(yàn)人員和用戶等有關(guān)方面組成的“水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系”編制組，制訂工作方案，明確分工，確定編制原則和思路，開(kāi)展“水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系”編制工作。

（ 3）“水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系”在編制組內(nèi)部協(xié)商一致后，廣泛征求生產(chǎn)、科研、檢驗(yàn)、用戶和管理部門(mén)等各個(gè)方面的意見(jiàn)，充分吸納行業(yè)內(nèi)外專(zhuān)家的意見(jiàn)和建議，修改后組織專(zhuān)家審議；完善后，發(fā)布實(shí)施；指導(dǎo)、促進(jìn)水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

2 . 3 明確水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作范圍和領(lǐng)域

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《特種機(jī)器人分類(lèi)、符號(hào)、標(biāo)志》（ G B/ T3 6 3 2 1—2 0 1 8）界定“水下機(jī)器人主要包括潛水機(jī)器人、水下滑翔機(jī)器人、水底作業(yè)機(jī)器人等”。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輕型有纜遙控水下機(jī)器人第1部分：總則》（ G B/T3 6 8 9 6 . 1—2 0 1 8）界定了“有纜遙控水下機(jī)器人”，定義為“通過(guò)臍帶纜進(jìn)行信號(hào)和電力傳輸，在水下可自動(dòng)定向、定深、懸浮或航行，通過(guò)水面控制單元被遙控進(jìn)退、橫移、轉(zhuǎn)向或升沉，進(jìn)行水下觀察、檢查和/或作業(yè)的遙控?zé)o人潛水器”。

由于水下視線不好、通信難度大、水中阻力大耗電快、海水腐蝕性強(qiáng)，所以水下機(jī)器人研發(fā)難度大大高于空中機(jī)器人和陸地機(jī)器人，需要有的部件能防水，攜帶照明設(shè)備或者邏輯路徑導(dǎo)航，電力供應(yīng)充足，材料要抗壓、耐腐蝕等。水下機(jī)器人技術(shù)包括仿真技術(shù)、智能控制技術(shù)、水下目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)、水下導(dǎo)航（定位）技術(shù)、通信技術(shù)、能源系統(tǒng)技術(shù)等。

水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象首先是術(shù)語(yǔ)與定義等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；其次是總體設(shè)計(jì)，航行性能優(yōu)化，載體模塊化，材料評(píng)估應(yīng)用，仿生技術(shù)評(píng)估應(yīng)用等設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)；然后是水聲通信和光纖通信等水下通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能源供電技術(shù)和運(yùn)動(dòng)推進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；最后是水下導(dǎo)航（定位）技術(shù)，目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)，智能控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等。

3 水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架模型

《標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求》規(guī)定了層次結(jié)構(gòu)、序列結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)、矩陣結(jié)構(gòu)和功能歸口結(jié)構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)體系框架模型。結(jié)合水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)，本研究構(gòu)建了水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系序列結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)等3種框架模型。

3 . 1 序列結(jié)構(gòu)

序列結(jié)構(gòu)是按照水下機(jī)器人全壽命周期順序排列的標(biāo)準(zhǔn)群，相互之間具有邏輯序列關(guān)系，產(chǎn)品生產(chǎn)前的標(biāo)準(zhǔn)需要先行出臺(tái)；隨著水下機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)的推進(jìn)，其標(biāo)準(zhǔn)緊跟著出臺(tái)。序列結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3 . 2 三維結(jié)構(gòu)

三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。X軸按標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象分為材料與采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、工藝與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、包裝與儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、安裝調(diào)試與售后服務(wù)維修標(biāo)準(zhǔn)； Y軸按標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)； Z軸按標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)；以立體的形式顯示了水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作。

3 . 3 層次結(jié)構(gòu)

層次結(jié)構(gòu)表達(dá)水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)橫向分類(lèi)、縱向隸屬分層的關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)不僅表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)體系的層次關(guān)系，更多的是表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)體系的分類(lèi)關(guān)系。頂層是基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)，適用于水下機(jī)器人各個(gè)領(lǐng)域的工作。層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

4 結(jié)果分析

本研究首先介紹了國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化情況。然后明確了水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建思路，即遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求》的規(guī)定、水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)路徑探討、水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作范圍和領(lǐng)域。最后構(gòu)建了3種水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系框架模型，即序列結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)。序列結(jié)構(gòu)，更適用于單個(gè)企業(yè)建立內(nèi)部水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系；三維結(jié)構(gòu)從多個(gè)視角展示了水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作，易于理解；層次結(jié)構(gòu)能將水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作統(tǒng)分結(jié)合，細(xì)化工作領(lǐng)域和對(duì)象，易于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目實(shí)施信息系統(tǒng)管理，適用廣泛。

參考文獻(xiàn)

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