无人艇在南极科考中的应用

学术 2024-11-15 13:21 上海

摘要

南极科考对于理解全球气候变化、生态系统保护以及地球自身的历史具有极其重要的意义。随着科技进步，无人艇在南极科考中的应用也越来越广泛，无人艇能够在极端环境下开展环境探测和数据采集，为南极科考提供宝贵数据。文章首先介绍了国内外无人艇在南极科考中的应用情况，以及体现出的应用价值；然后，分析了南极科考无人艇的技术特点与未来应用推广；最后，从适应极端环境、长期海上作业、海洋环境认知等方面，对无人艇及其相关技术提出发展建议。

作者｜钟雨轩^①, 刘睿轩^①, 孔祥申^②, 鲍凌志^①†

①上海大学机电工程与自动化学院；②上海大学未来技术学院

南极洲是地球最南端的大陆，也是全球最寒冷、暴风雪最频繁的地区，拥有独特的自然和生态系统。南极海域一年中约有8个月被浮冰和积雪覆盖，恶劣的自然条件对于人员生存和设备运行都是极大挑战。南极科考对全球气候变化研究、生物多样性保护、极地资源勘探等具有重要意义，并且在推动科学研究、培养科研人才、维护国家利益、促进国际合作等方面存在深远影响^[1]。

南极科考早期主要是探险活动，1820年沙俄探险家法比安•冯•贝林斯豪森首次发现了南极洲的陆地。此后，多国探险家陆续登陆南极，包括1911年挪威探险家阿蒙森首次到达南极点。20世纪中叶，随着国际地球物理年(IGY)活动的举办，南极科考进入了科学时代。《南极条约》于1959年签订，旨在保护南极的生态环境，促进其和平利用，同时标志着南极科考的国际合作开始^[2]。中国南极科考起步较晚，但发展迅速。1984年，中国首次派出南极科考队，并于次年建成了第一座南极科考站——长城站。此后，中国又陆续建立了中山站、昆仑站、泰山站、秦岭站。我国通过南极科考，不仅加深了对南极地区的总体认识，而且在国际极地领域的影响力不断增强，成为重要的参与者和贡献者^[3-4]。

南极科考面临气候条件极端、物资补给和科研设备维护困难等挑战，无人装备的使用可以减少科考人员暴露在极端环境下的风险，提升作业效率与安全性。无人艇具备自主航行、自主避障与自主作业的能力，可全天候、全区域、高效率获取海洋环境信息，为科研人员更加深入地了解极地海洋生态系统、气候变化、海洋污染等信息提供宝贵数据。无人艇在南极的成功应用展示了中国在海洋智能无人领域的科研优势，推动了相关技术的发展和进步。未来随着无人艇技术的不断成熟与完善，无人艇必将成为极地科学研究和环境保护的重要工具。

1 无人艇在南极科考中的应用

在科技的迅猛发展下，南极科考任务的执行得到了前所未有的强大技术支持。在众多尖端的保障装备中，无人艇的运用尤为引人注目。无人艇以其高效性和先进性，给海洋数据收集、环境检测、海域测绘等科考任务提供了重要支撑^[5-8]。

1.1 国内无人艇的南极应用

上海大学无人艇工程研究院是国内最早成立的水面无人艇专业研究机构，已先后三次参与极地科考任务。2014年11月，“精海2号”无人艇(图1)随“雪龙号”科考船参与了第31次南极科考任务，也是全球第一艘赴南极科考的无人艇。“精海2号”无人艇长8.4 m、重约4 t，搭载有多波束测深系统、双频测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪等测量设备。“精海2号”无人艇在南极罗斯海探明了拟建新站附近12 km²水域的水下地形测绘资料，完成测线280 km，制作了该水域墨卡托投影1:5 000的大比例尺海图。测量数据促成“雪龙号”在维多利地新站以东0.5海里(1海里=1.852 km)处的罗斯海发现新锚地，是极地科考的重大发现，将助力国家极地战略^[9-10]。2021年11月，3艘“JH200”型轻量无人艇分别随“雪龙号”“雪龙2号”赴南极参与第38次科考任务，成功完成中山站附近莫愁湖、内拉湾、进步湖等水域探测任务并越冬，也是国内首次采用多无人艇协同自主探测方式实现南极多浮冰环境下的智能化科考。2023年11月，上海大学鲍凌志、程启兴携2艘“JH650” 型极测无人艇分别随“雪龙号”“雪龙2号”赴南极参与第40次科考任务。“JH650”型无人艇长6.5 m 、重3 t，为更好地适应南极恶劣环境，新增动力系统冗余备份、减摇增稳、耐浮冰撞击、抗倾覆等设计，以及水面、水下目标自主识别与避障等功能。在南极执行科考任务期间无人艇工作状态稳定，在浮冰、暗礁等复杂海域连续、稳定、安全作业时长最高达14 h，具有良好的极区适应性，成功完成长城站等海域110 km测线的自主测量。

图1 “精海2号”无人艇南极作业

2017年11月8日，由中国人民解放军海军测绘研究所、国家海洋局南海分局和珠海云洲智能科技有限公司，共同研发的M80B海洋测量无人艇(图2)和S40小型无人艇参与了第34次南极科考。M80B海洋测量无人艇采用三体船型，可变形设计，运输方便，可搭载多波束、单波束、侧扫声呐、ADCP等水声设备，用于完成水下地形测量、地貌勘测、流量测量等诸多任务。M80B 海洋测量无人艇在南极罗斯海恩科斯堡岛海域测绘作业历时14 h，布放了1个海流与水位观测浮标，完成5 km²海域多波束全覆盖海底地形测量。S40小型无人艇搭载单波束，完成了新站临时码头和长城湾3 km²海域的大比例尺海底地形测绘。测量数据为船舶航行和中国第五个南极科考站的建设提供了基础空间地理信息数据支撑^[11-12]。

图2 M80B型无人艇罗斯海作业

2022年10月下旬，山东科技大学海洋科学与工程学院王磊携2艘无人艇“嵙海一号”“嵙海二号”参与了第39次南极科考。“嵙海号”系列无人艇长约3 m、宽约1.6 m，主要用于南大洋近岸两块指定水域的水深测量，以保证科考船的航行安全。2024年，山东科技大学海洋科学与工程学院杨继超携带“嵙海六号”无人艇参与第40次南极科考。

1.2 国外无人艇的南极应用

2019年，美国海洋无人机公司Saildrone无人航探仪(图3)完成首项南极环流探索任务，测量南极洲周边海水对二氧化碳的吸收状况。该项任务为期196天，Saildrone航探仪于2019年1月19日从新西兰布拉夫南港出发，在绕南极航行超过22 000 km(13 670 英里)之后，于8月3日返回该港口。在执行任务过程中，该无人艇经历了冰冻温度、15 m波浪、130 km/h风速和巨型冰山碰撞的考验。Saildrone无人航探仪长7 m 、机翼高5 m 、龙骨吃水2.5 m，配备了自动识别系统(AIS)、导航灯、雷达反射器、四个船载摄像头、海洋环境信息采集系统以及声学多普勒电流剖面仪(ADCP)^[13]。

图3 Saildrone无人航探仪

2024年1月，英国南极调查局(BAS)联合英国国家海洋学中心(NOC)，利用挪威Oﬀshore Sensing AS公司生产的Sailbuoy型水面无人艇(图4)开展南极海域监测。无人艇由Pharos SG号渔业巡逻船释放和回收，在南极南乔治亚岛附近工作3天，自主采集南极磷虾的丰度数据和分布海域，并测量海水温度、盐度、含氧量和浮游植物丰度等数据。Sailbuoy型无人艇长2 m 、排水量60 kg 、荷载10 kg，配备30 W太阳能板，海上持续巡航时间可达12个月，巡航速度1~2节(最大3节，1节=0.514 m/s)。Sailbuoy型无人艇依靠风力航行，既能保持原位定点观测，也能大范围自动巡航，通过铱星系统可进行远程通信和航行跟踪控制^[14]。

图4 Sailbuoy水面无人艇

意大利热那亚CNR-ISSIA研究机构研发的“Charlie”号双体艇(图5)，可用于南极洲海洋微表层取样、大气海洋界面数据收集，以及在浅水区域探测鱼雷。该型无人艇由无刷直流电机驱动，并在艇上配备了太阳能板^[15]。

图5 Charlie双体艇

1.3 应用效益

近年来无人艇在南极海域的应用范围日益扩展，主要用于海底地形地貌的精细探测以及海洋环境要素信息的全面采集任务。此外，部分无人艇也被用于对海洋生物多样性的评估，包括对浮游植物等生态指标的丰度探测，为南极生态系统的研究提供了宝贵数据支持。

无人艇用于南极科考可有效提高科考效率与安全性，能够在南极极端低温环境下开展工作。无人艇通过搭载高精度传感器和应用智能自主控制技术，可进入复杂水域进行海洋探测，获取高质量探测数据。同时，无人艇在南极的应用促进了科技研发和技术突破，推动国际合作和竞争。综上，无人艇不仅助力推进南极科考，同时也展现出科技创新的力量，对社会经济发展和全球环境治理具有重要意义。

南极科考正经历从单一海域观测到全面、深入考察的转变。随着科学调查的深度和广度持续拓展，对极地科考无人艇的能力需求也日益增长。利用无人科技的力量，深入探索人迹罕至的极地海域，无人艇的推广应用将极大提升海域科考能力，加速极地科考步伐，为人类认知南极贡献重要力量。

2 南极科考无人艇的技术与推广

无人艇是一种可自动航行于水面的船艇，常见的艇型为单体和双体结构，单体艇一般速度更快，而双体艇航行更稳定。艇体材料常用铝合金、玻璃钢和碳纤维等。根据使用场景和任务需求，无人艇可选择搭载惯导、光电、航海雷达摄像头、激光雷达等，实现目标感知与自主航行等功能。目前无人艇在南极科考任务中多用于地貌勘测、水质取样等工作。随着人类对南极认知的不断深入，为使无人艇能够在南极极端环境下开展常态化作业，未来无人艇在设计时除需考虑建造材料耐腐蚀、耐低温、防碰撞等特点外，还需关注特殊的使用环境对艇体结构的要求，包括极端环境下的磁场、卫星信号强度等。

2.1 技术特点

为了适应南极海域极端的地理环境，应用于南极科考的无人艇在结构设计、材料以及控制技术等方面进行了特殊优化。

2.1.1 结构设计

极地科考任务及环境的特殊性要求无人艇航行时平台姿态稳定，且对于浮冰等碍航物具备一定的抗碰撞能力，由此产生的特殊船体结构设计包括三体型艇体及“穿浪式”球艏。三体艇型可为平台提供更大的浮力和稳性，使无人艇在极地海域的恶劣海况中能够更加稳定地航行，并提高艇体的抗倾覆能力。同时，三体艇型能够更有效地切割波浪，减少横摇和纵摇，提高无人艇在高海况下的稳定性和安全性。“穿浪式”球艏设计则具有以下优点：其一，有助于无人艇在波浪中更加稳定地行驶，减少因波浪造成的纵向晃动，从而降低对船载设备的不良影响；其二，声学探测设备对环境的稳定性要求较高，“穿浪式”球艏可以减少波浪对船体的冲击，降低噪声，提高声学探测的精度；其三，有助于无人艇在波浪中保持较好的航向稳定性，改善航行性能，特别是在恶劣海况下；其四，可以优化无人艇的水动力特性，减少阻力，提高航行效率；其五，有助于在接触冰层时分散力量，减少撞击力对船体的损害，并有助于抬起冰层。

此外，为了应对极地海域的浮冰和海浪冲击，上海大学“JH650”型极测无人艇采用三舱式结构设计，分别为艏尖舱、设备舱和机舱。三舱式设计保证了无人艇碰撞浮冰导致艏尖舱破裂进水时依然能够安全行驶。采用特殊工艺板材和加强骨架，提高艇体强度和耐用性。在动力系统安全保障方面，“JH650”型极测无人艇设计了两套动力系统，电动推进和喷泵推进，能够分别保障无人艇的正常航行，即在其中一套动力系统失效时另外一套动力系统能够保障无人艇继续航行。

2.1.2 材料研发

为了更好地适应南极低温强腐蚀的环境，无人艇的艇体采用高耐候性铝合金锻造，这种材料具有高强度、良好的耐蚀性能和在低温下不冷脆的特点，适合在极地海域使用。除金属材料外，涂层在极地区域也会经受严重的损坏直至失去对金属的保护作用。在低温与强辐射综合作用下，涂层极易与基体剥离，并在强风下脱落。我国南极长城站即面临涂层老化严重的问题。目前，关于涂层在极地环境下服役的研究相对较少，Momber等^[16]在实验室研究过程中提出^[16-17]，使用ISO20340标准进行涂层耐久性试验中选用的最低温度(-20 ℃)偏高，并选用-60 ℃开展了加速老化试验，用来模拟极地环境下涂层的失效行为。研究结果表明，聚氨酯涂层低温下对金属的保护效果较好，可据此指导极地开发中的海洋平台的涂装选择^[17]。为了解决结冰问题，研究团队正在开发一种能够使艇体表面“不粘”的涂层材料，这种材料能够让飞溅的海水或雪花从艇体表面滑落，避免因结冰导致的传感器失效或艇体重量增加。

除了无人艇艇身材料外，搭载的载荷设备电子元器件也需要进行耐低温设计，选择低温性能良好的材料，如低温具有更高电导率的金属(例如铜、铝)，以及具有优良绝缘性能的陶瓷或聚合物^[18]。采用耐低温的电缆和连接器，防止在低温条件下材料脆化。在设计航控电路板时，合理的保温措施是解决低温问题的关键之一。增加绝缘层的厚度和使用保温填料，可以有效减缓温度变化对电路板的影响，提高其稳定性。上海大学“JH650”型极测无人艇还在艇的内部增设循环加热和保温系统，保证艇载设备在极低温度下工作的可靠性。

2.1.3 控制优化

南极科考无人艇的算法技术特点，主要体现在自主航行控制、自主避障、自主测绘、适应性导航系统、多船协同等方面。自主航行与自主避障是无人艇能够在南极海域进行自主测绘任务必不可少的功能。第40次南极科考中，上海大学的极测无人艇首次搭载了水下声呐、激光雷达等传感器，不仅能识别水面障碍物，还能识别部分水下障碍物，更好地保障了自主航行安全，提高了作业的安全性和效率，并减轻人员负担。利用搭载的测绘传感器，实时获取海洋中的各种数据，并通过机器学习算法进行数据分析和预测。

针对极地特殊工况，无人艇使用双卫星定位天线载波相位差定位定向方案，替代传统的全球导航卫星系统(GNSS)与陀螺仪定位方案，实现高精度定位和定向功能。此外，还加入惯性测量设备(IMU)与POS定位定向系统紧耦合，为无人艇提供高精度姿态数据，从而使无人艇能够精准沿测线航行并完成高精度测绘任务。

2.2 应用推广

无人艇在南极科考中不仅可以完成海底地形地貌测量，为极地科考站的建设提供基础数据，还可以实时获取海洋水质数据，如微生物、重金属、含氧量等，并利用机器学习算法进行数据分析和预测，帮助科研人员更深入地了解极地海洋生态系统、气候变化和海洋污染等问题。

此外，无人艇未来还可用于南极物资运输、海底资源勘探、海上装备巡检、海上作业辅助与救援等任务。无人艇技术的发展涉及人工智能、计算机科学、海洋科学等多个学科的深度交叉融合^[19]。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，无人艇将在南极科考中发挥更加重要的作用，为南极保护和全球科学研究作出更大贡献，并且推动相关领域的科技创新。

3 展望与建议

无人艇作为海洋自主测绘手段，具有探测设备集成一体化、环境适应性强、作业风险低等特点，从技术手段和装备能力等方面缓解了极地极端环境下海洋考察载体不足的问题，可进行南极近岸海域海洋环境信息探测工作。面向未来南极科考任务中更复杂、更极端的任务需求，除充分考虑各类无人艇的技术特点，提升单艇软硬件性能和智能化作业水平外，还可通过集群技术大幅提升装备任务能力，突破单艇智能行为决策、集群多域实时感知信息融合、集群即时响应决策控制、大规模集群系统信息互联等关键技术^[20-21]，构建多无人艇集群作业系统，为南极科考提供前瞻技术储备。

根据我国南极科考的发展需求，从适应极端环境、长期海上作业、海洋环境认知等方面，对无人艇及其相关技术提出发展建议如下：

(1)研发可长期适应极端环境的无人艇。无人艇艇体选用耐低温材料，保证结构强度和稳性。艇仓空间考虑保温层设计，减少热量散失，保护艇载设备，避免其低温失效。采用耐低温能源及推进系统，如发电机、发动机等，需要特殊的防冻液和润滑油来保证部件在低温下仍能正常工作。

(2)充分利用海洋环境能源使无人艇具备长期作业能力。突破海洋环境自供能技术，对海洋环境中的风能、太阳能、波浪能、潮汐能、温差能等进行收集、转换、存储和利用，实现无人艇作业过程中的能量自给^[22-23]。

(3)对海洋环境深入认知和准确模拟。依托卫星遥感、无人艇、无人机、潜航器等观测到的海洋环境、气象信息^[24-28]，构建多要素和非线性的数字化海洋场景，并利用数字孪生、大数据等多项技术，对南极海域环境进行实时监测、预测和预警，为包括无人艇等的科考作业活动提供准确完备的海洋环境信息支撑。

历经多年的技术攻关与实践探索，我国已逐步建立规范的无人艇装备谱系，并在南极科考应用中不断丰富完善。在新的历史发展节点，我们应积极推动产业进程，致力于加快完善无人艇工业体系，努力提升无人艇在我国海洋经济发展中的影响力和贡献，以期为我国加速建设海洋强国的伟大目标，提供更为关键的科技支撑和创新动力。

参考文献

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本文刊载于《自然杂志》2024年第5期

DOI：10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.004

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