海洋調(diào)查船裝備建設(shè)發(fā)展趨勢研究

孫月明，李茂林，姚忠山

(海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋與測繪系，遼寧 大連 116011)

0 引言

人們對海洋這種大尺度地球流體的研究，最早依靠船舶走航。從英國用軍艦改建成2 300 噸級的“挑戰(zhàn)者”號(H.M.S.Challenger)科考船始，海洋調(diào)查船至今有140 余年的歷史[1–3]，50 多個(gè)國家擁有近千艘規(guī)格不同的調(diào)查船。海洋調(diào)查船作為最基礎(chǔ)的調(diào)測平臺，裝建配套儀器設(shè)備和專用實(shí)驗(yàn)室可為海洋資源開發(fā)、海洋工程技術(shù)、海洋環(huán)境保護(hù)等提供參數(shù)和環(huán)境預(yù)報(bào)，也可為海上軍事行動提供關(guān)鍵信息[4–7]。近幾十年，20 世紀(jì)建造調(diào)查船接連退役，新建調(diào)查船陸續(xù)入列，以美國、日本、歐洲各國為代表的海洋強(qiáng)國和我國調(diào)查船隊(duì)組成發(fā)展變化快，海洋調(diào)查裝備科技日新月異，有必要對各國海洋調(diào)查船概況和我國調(diào)查船裝建需求發(fā)展趨勢開展研究，并對發(fā)展重點(diǎn)方向進(jìn)行展望。

1 國內(nèi)外海洋調(diào)查船概況

1.1 美國海洋調(diào)查船概況

二戰(zhàn)后，美國作為具有代表性的海洋強(qiáng)國，為滿足在全球海域活動的需要，成系列建造海洋調(diào)查船，裝備建設(shè)重點(diǎn)突出綜合調(diào)查能力的整體優(yōu)化，設(shè)計(jì)趨向安靜化、模塊化和信息化。現(xiàn)擁有的聯(lián)邦海洋學(xué)船隊(duì)，是世界上總體性能最強(qiáng)的調(diào)查船隊(duì)[8]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前聯(lián)邦海洋學(xué)船隊(duì)有70 余艘船長大于30 m的船舶，分別由大學(xué)－國立海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)（UNOLS）、美國海洋與大氣局（NOAA）、美國海岸警備隊(duì)（USCG）、美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、國家科學(xué)基金會（NSF）和美國海軍（US NAVY）等機(jī)構(gòu)船舶共同構(gòu)成[5]。2011 年，為實(shí)現(xiàn)高效的船舶調(diào)度與管理，將船舶分為四級，全球級、大洋級、近岸級和沿岸級，承擔(dān)的特別任務(wù)包括為支撐海軍海戰(zhàn)場環(huán)境保障日常對氣象、水文等海洋學(xué)數(shù)據(jù)的測量，以及為軍事領(lǐng)域擴(kuò)張而進(jìn)行的水道測量、水聲環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警探測等[5]。

1.2 日本海洋調(diào)查船概況

2005 年，日本提出“海洋立國”戰(zhàn)略目標(biāo)。一方面，作為資源匱乏的島國，海洋是其生存和發(fā)展的命脈；另一方面，近年來日本意圖謀求東亞海上主導(dǎo)權(quán)，配合美國亞太戰(zhàn)略調(diào)整?？傊毡咎貏e注重中遠(yuǎn)海和極地的海洋調(diào)查船的發(fā)展[9]，至今約有數(shù)十艘，排水量從幾十噸到數(shù)萬噸不等，主要分布在日本海上保安廳、日本海上自衛(wèi)隊(duì)、日本海洋科學(xué)技術(shù)中心、日本氣象廳、各個(gè)海洋科研機(jī)構(gòu)、各所大學(xué)等，日本21 世紀(jì)新建調(diào)查船噸位較大，性能先進(jìn)，大部分調(diào)查船擔(dān)負(fù)軍民兩用多項(xiàng)任務(wù)，既能夠在大洋和深海進(jìn)行水深和地形測量、地球物理勘探以及深海地質(zhì)取樣等海洋基礎(chǔ)學(xué)科調(diào)查，又能夠收集海流、潮汐等水文資料，為繪制海圖、編撰航海資料和保障海軍艦船海上行動提供依據(jù)[11]。

1.3 歐洲海洋調(diào)查船概況

歐洲海洋戰(zhàn)略大多局限于某個(gè)區(qū)域，故其以發(fā)展近岸作業(yè)的小型調(diào)查船為主。截至2021 年，歐洲調(diào)查船主要分布在27 個(gè)國家，共計(jì)300 余艘，船長小于55m 的近岸調(diào)查船占比70%以上[11]。歐洲海洋調(diào)查船隊(duì)組織形式包括海洋船隊(duì)互換集團(tuán)（OFEG）和歐洲海洋調(diào)查船運(yùn)作組織（ERVO）以及歐洲海事局等[3]。歐洲海洋調(diào)查船及歐洲部分國家組建的船隊(duì)，總體規(guī)模大、區(qū)域分布廣，在功能定位、運(yùn)行模式和技術(shù)發(fā)展上更具極為豐富的多樣性。

1.4 我國海洋調(diào)查船隊(duì)概況

國家海洋局2012 年4 月18 日正式成立國家海洋調(diào)查船隊(duì)，比美國UNOLS 海洋調(diào)查船隊(duì)的建立晚了41 年[11]，其調(diào)度、更新、運(yùn)營、資源共享、發(fā)展路線等各方面管理機(jī)制尚不完善，在航率相對美國低[3–4]。船隊(duì)成員隸屬單位，包括國家海洋局、中科院、教育部、地質(zhì)調(diào)查局、農(nóng)業(yè)部、水科院、地方海洋研究所等，部分船舶參數(shù)及隸屬單位如表1 所示[9]。調(diào)查船數(shù)量和船齡已經(jīng)不再制約我國當(dāng)前海洋調(diào)查事業(yè)發(fā)展，這些漁業(yè)、極地、教學(xué)、地質(zhì)、綜合調(diào)查船等承擔(dān)了近年來國家多項(xiàng)重大海洋調(diào)查專項(xiàng)任務(wù)[2]，在提高船舶使用率、海洋數(shù)據(jù)的積累、船隊(duì)管理評估等方面進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的探索工作。

表1 截至2022 年6 月中國現(xiàn)役部分調(diào)查船參數(shù)情況Tab.1 Partial list and performance parameters of active marine research vessels

2 我國調(diào)查船裝建發(fā)展趨勢

1）柴電混合動力與推進(jìn)系統(tǒng)

20 世紀(jì)末，基本上都是柴油機(jī)-調(diào)距漿直接推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，維修方便[4]。但隨著長時(shí)間低速走航的調(diào)測任務(wù)日益增多，柴油機(jī)很難維持長期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以及出于對振動、噪聲和污染等因素，21 世紀(jì)之后新建船舶的推進(jìn)形式演進(jìn)到柴油加多種電力混合推進(jìn)形式，如軸槳電力推進(jìn)、吊艙、舵槳、可伸縮全回轉(zhuǎn)槳、長軸可調(diào)螺距導(dǎo)管槳、直翼推進(jìn)電力推進(jìn)等。此外，燃料電池、核動力等多樣化動力推進(jìn)形式也是發(fā)展趨勢?！跋蜿柤t10”采用2 套全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)及綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，續(xù)航力為12 000 nmile，達(dá)到遠(yuǎn)洋調(diào)查船續(xù)航力標(biāo)準(zhǔn)?！跋蜿柤t21”船配備了ABB 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化效率更高、更省油、駕駛更靈活。“向陽紅22”遠(yuǎn)洋調(diào)查船裝備有2 套全回轉(zhuǎn)吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，在0 至最高航速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速和DP-2 動力定位，續(xù)航力10 000 nmile，達(dá)到遠(yuǎn)洋調(diào)查船續(xù)航標(biāo)準(zhǔn)[15]）

2）高度自動化、無人化

20 世紀(jì)末，我國少數(shù)新建科考船裝備了綜合導(dǎo)航、電子海圖系統(tǒng)、局域網(wǎng)海洋學(xué)數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙和航海自動化[4,16]。進(jìn)入21 世紀(jì)，自動化程度提高，通過計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各部分互聯(lián)的全船自動化，并通過船與船和船與陸基互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟硬資源共享，數(shù)據(jù)庫資料共享和調(diào)查數(shù)據(jù)交換，以及指揮調(diào)度管理的中心化。自動化使得船員人數(shù)減少和重勞動減輕，以及船位和航線精確性的提高，生活和工作條件改善，運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。21 世紀(jì)以來，伴隨著通信組網(wǎng)、智能算法、新型能源系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用需求，軍民領(lǐng)域掀起了船載無人機(jī)、無人潛航器等的研究熱潮。水下無人裝備可輔助或替代人類在復(fù)雜、高危的水下特殊環(huán)境中進(jìn)行無人作業(yè)[17]。（如中國“海洋六號”搭載的4 000 米級“海獅”號水下機(jī)器人、美國海軍Roger Revelle 調(diào)査船搭載“掃描鷹”無人機(jī)等）。

3）船型多樣化、大型化

海洋調(diào)查船的設(shè)計(jì)船型包含單體、雙體、小水線面雙體（SWATH）和三體船型等。常規(guī)單體船型構(gòu)造簡單，造價(jià)經(jīng)濟(jì)且便于保養(yǎng)和維護(hù)；推進(jìn)功率??；有效載重量大；超載能力強(qiáng)；空船重量占設(shè)計(jì)排水量的比重較小且吃水較淺等，故被廣泛應(yīng)用于調(diào)查船設(shè)計(jì)。常規(guī)雙體船型甲板作業(yè)面積寬敞，便于布置調(diào)查設(shè)備。但橫搖周期短，耐波性和舒適性略差，我國設(shè)計(jì)案例很少。小水線面雙體（SWATH）船型兼具雙體船的寬闊甲板和優(yōu)良耐波性，高海況時(shí)橫搖角度小、失速小、抗傾覆。但超載能力差、吃水量大，造價(jià)較貴。但這種船型能夠使聲學(xué)設(shè)備在水面以上工作，受水下噪聲影響小，故適宜于聲學(xué)調(diào)查船、監(jiān)聽船。三體船型兼具單體船超載性能和SWATH船型的耐波性、甲板面積大的優(yōu)勢，是發(fā)展中的船型。此外調(diào)查船作業(yè)海域與船舶噸位存在明顯數(shù)量關(guān)系，美國全球級調(diào)查船噸位約12 000～18 000 GT，我國此噸位調(diào)查船大多是由海外購買貨輪改裝，中國近十多年向深遠(yuǎn)海與兩極發(fā)展，自建科考船有大型化的趨勢[17]。

4）安靜化、綠色化

一方面，國際規(guī)范即 ICESCRR209 和 DNV Silent Class Notation 對調(diào)查船的水下輻射噪聲測量和限制值提出了明確的要求[12,18]。對安裝拖曳線列陣聲吶系統(tǒng)等的軍用水聲監(jiān)聽船以及安裝側(cè)掃聲納系統(tǒng)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀、魚探儀系統(tǒng)等的民用調(diào)查船來說，減振降噪非常重要。另一方面，國際船級社組織對環(huán)保及大氣排放控制的要求同樣適用于科考船。所以我國調(diào)查船在保證安全性的前提下，急需促進(jìn)電動機(jī)提高單位發(fā)電量，減小尺寸、重量和價(jià)格，以及使用更清潔的NOx，SOx 等處理技術(shù)。我國“東方紅3”船在船舶水下輻射噪聲控制方面已達(dá)到國際最高標(biāo)準(zhǔn)，是未來一段時(shí)期世界上船載科考儀器設(shè)備受船舶振動與噪聲影響最小、獲取科考數(shù)據(jù)最真實(shí)可靠的海洋綜合調(diào)查船之一[19]。

5）模塊化

模塊化主要體現(xiàn)在調(diào)查船集裝箱化的船載調(diào)查系統(tǒng)、專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室和區(qū)域化的生活艙室等。尤其對于各類潛水器、拖曳式探測設(shè)備、大型潛標(biāo)浮標(biāo)、鉆機(jī)等大型設(shè)備可采用可移動、模塊化方式搭載，根據(jù)任務(wù)換裝不同集裝箱模塊[20]。美國 UNOLS 于2014 年發(fā)布了《UNOLS 調(diào)查船科學(xué)專用便攜式集裝箱手冊》。我國“大洋一號”、“科學(xué)”號、“海洋六號”、“向陽紅10”等調(diào)查船也設(shè)置了集裝箱模塊[19]。模塊化的發(fā)展必將向裝備收放更自如，作業(yè)安全便利，船員生活質(zhì)量提高等方向延伸。

6）信息化

船舶計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，既實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)的全船自動化，便于操縱和站位保持，又使得樣品和數(shù)據(jù)采集數(shù)量質(zhì)量和速度明顯提升[17,19]。一方面，隨著衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈、水聲通信和數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了國家層面上的船-船、船-水下傳感器、船-岸、船-衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息雙向互通。另一方面，國際間海洋觀測網(wǎng)系統(tǒng)（GOOS、AGRO、NEPTUNE 等）的緊密合作，能指揮統(tǒng)一行動和即時(shí)快速匯總觀測資料的陸上科研指揮中心形成也是大勢所趨?！跋蜿柤t08”集成平臺是船載海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,是國家“863”專項(xiàng)重要成果，實(shí)現(xiàn)了自動取樣、水樣自動分配、自動分析、數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)裙δ堋?/p>

7）船載調(diào)查設(shè)備多樣化

調(diào)查船調(diào)查能力主要體現(xiàn)在船載調(diào)查設(shè)備。我國調(diào)查船配套常用甲板作業(yè)輔助設(shè)備(絞車、門吊、折臂吊等)、聲學(xué)設(shè)備(側(cè)掃聲吶、多波束、水聲定位、聲學(xué)通信機(jī)、聲學(xué)釋放器、淺地層剖面儀、高度計(jì)等)、深水通用設(shè)備(深水?dāng)z像頭、深水照明燈、深水照相機(jī)、深水水密纜、深水接插件等)、海洋科考設(shè)備(CTD、MVP300、XBT、ADCP、重力儀、磁力儀、震源、地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鉆機(jī)、載人潛水器等)以及新型無人調(diào)查設(shè)備（無人遙控潛水器（ROV）、自主式水下潛器（AUV）、水下滑翔機(jī)（AUG）等）[16,20,22]。

3 問題與展望

1）海洋調(diào)查儀器設(shè)備國產(chǎn)化

調(diào)查船設(shè)備類型樣多復(fù)雜，我國目前只能生產(chǎn)部分設(shè)備，更多的只能依賴進(jìn)口。20 世紀(jì)后期，大量設(shè)備的裝配需求促使國內(nèi)配套產(chǎn)業(yè)壯大，然而近幾十年，需求大幅萎縮，再加上國內(nèi)自研配套設(shè)備質(zhì)量、精度等相比國外先進(jìn)生產(chǎn)廠家存在很大差距，價(jià)格昂貴、質(zhì)量差、可靠性差且配件維修體系跟不上等問題頻發(fā)，只能浪費(fèi)更多經(jīng)費(fèi)頻繁更換或依賴進(jìn)口，從而陷入惡性循環(huán)。因此一方面要鼓勵(lì)具備條件的軍民企業(yè)，以海洋調(diào)查設(shè)備關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)和重大裝備研發(fā)為紐帶，進(jìn)行合作研制與生產(chǎn)，逐步提高設(shè)備自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力[21]。另一方面建立國產(chǎn)儀器設(shè)備質(zhì)量用戶評價(jià)體系和使用反饋信息網(wǎng)站，在裝建調(diào)查船時(shí)就避免使用質(zhì)量不合格國產(chǎn)設(shè)備以及使用配件需要頻繁更換的國外設(shè)備，用市場去倒逼質(zhì)量差的儀器設(shè)備轉(zhuǎn)改，設(shè)備選型應(yīng)按其性質(zhì)、作用、壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行分類分層次系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。打破國外公司產(chǎn)業(yè)壟斷，掌握科考設(shè)備的核心傳感器技術(shù)并實(shí)現(xiàn)科考設(shè)備的產(chǎn)品化和系列化，任重道遠(yuǎn)[3,17]。

2）海洋調(diào)查船科考功能與調(diào)查項(xiàng)目配套

中國近幾十年來將部署范圍面向遠(yuǎn)海與兩極海域，多家大學(xué)和科研單位自行建造多艘大型綜合調(diào)查船，科考功能和可進(jìn)行的調(diào)查項(xiàng)目非常全面，涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域。雖然多學(xué)科同時(shí)調(diào)查問題得以解決，但是在具體單位執(zhí)行獨(dú)立出海調(diào)查任務(wù)中存在專用實(shí)驗(yàn)室和甲板使用率不高等問題。因此新建調(diào)查船的科考功能與調(diào)查項(xiàng)目配套要有所取舍、避免資源浪費(fèi)，并在研制初期要具備不斷充實(shí)完善和定期進(jìn)行現(xiàn)代化改裝的條件，形成新舊交替的良性循環(huán)[22]。

3）做好國家層面宏觀的船隊(duì)組織管理

除裝備技術(shù)問題外，做好國家層面的宏觀管理同樣重要[23]。國家海洋調(diào)查船隊(duì)?wèi)?yīng)以海軍和國家海洋局牽頭領(lǐng)導(dǎo)工作任務(wù)，做好頂層設(shè)計(jì)，落實(shí)國家海洋科技和戰(zhàn)略發(fā)展需求；合理規(guī)劃新建調(diào)查船數(shù)量和技術(shù)要求并進(jìn)行分級；打破船舶所有者、投資方、運(yùn)行單位和用戶的分割局面，實(shí)現(xiàn)各類資源和調(diào)查數(shù)據(jù)庫的共建共享；建立專門的調(diào)查船隊(duì)后勤保障基地；制定長期船舶更新?lián)Q代計(jì)劃，統(tǒng)一船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制定行業(yè)扶持政策；通過所屬科研院所和大學(xué)船舶的項(xiàng)目實(shí)踐培養(yǎng)海調(diào)人才；定期組織專家和用戶進(jìn)行調(diào)查船隊(duì)使用服務(wù)質(zhì)量評估等。