“海马”根植强国梦 大洋深处显身手

水下机器人“海马”的本体组成

“海马”水下机器人系统结构图

“海马”号水下机器人在南海*盆地部署了标记和其他作业

“海马”4500米深海无人遥控潜水器

“海马冷泉”潜艇照片(2016年3月)

“海马冷泉”生物群落(摄于2016年3月)

“海马冷泉”生物群落(摄于2016年3月)

“海马冷泉”生物化学礁样

“海马”在海山地壳资源区进行钻机取样作业

■李雨，我们的记者

前言

“海马”4500米深海无人遥控潜水器(ROV)是国家“863”计划海洋技术领域“4500米深海操作系统”重点项目的科研成果。2008年，受科技部委托，国土资源部组织实施该项目，上级主管单位中国地质调查局广州海洋地质调查局为“业主单位”。该项目的核心任务是自主开发我国急需的实用深海勘探设备。它是我国深海谱系深海潜水装备发展的先行者，对实现“十二五”期间形成4500米深海作业能力的“863”计划目标起着决定性作用。

经过六年的努力，研究人员突破了深海无人遥控飞行器的许多核心技术，成功开发出了深海无人遥控飞行器(Haima)，该飞行器系统规模最大，潜水深度最大，定位率最高，定位率超过90%。2014年4月，“海马”号三次潜入中国南海*盆地4502米的海底，成功完成预定的潜艇作业，并通过了科技部的验收。海上试验证明，“海马”号的可靠性、稳定性和适应性达到了实用船用设备的要求，达到了国外同类水下机器人的技术水平。

项目组在接受海洋测试后，迅速完成了“海马”从科研成果向深海实用勘探设备的快速转型，并于2015年3月获得了地质勘探应用的第一次胜利。南海北部西部大陆坡首次发现海底活动冷泉(后称“海马冷泉”)，取得了国内深海技术装备应用和地质勘探调查成果的良好成果。“海马”号填补了我国深海探测和作业方法的空白，大大提高了我国深海技术装备的水平和作业能力，在关键技术上取得了一系列重大突破，达到了国外同类遥控潜水器的水平。这是中国自主研发深海技术装备的里程碑式的成就。

由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头，上海交通大学、浙江大学、海洋化学研究所、同济大学和哈尔滨工程大学联合组成的创新团队，将“强国梦”植根于“海马”。在“海马”的开发和应用过程中，形成了一个将多学科研究和开发与实际应用相结合的创新团队。团队在整体技术、机械电子、控制、材料、维护和应用等领域取得了长足的进步，积累了丰富的经验，已经处于国内同行业领先水平。

突破许多核心技术

深海潜水设备的技术水平在一定程度上标志着一个国家海洋资源勘探开发的科技水平，甚至是维护海洋权益的能力。作为海洋勘探和资源开发利用不可缺少的手段，它也是制约“深海和海洋勘探”的瓶颈之一。该技术的发展不仅对国家经济社会发展和国家军事安全具有重要意义，而且对未来深海打捞、救援、海洋旅游和海洋空间利用具有不可估量的价值和战略意义。然而，与世界先进国家相比，中国深海装备和技术水平仍有很大差距，许多关键技术被少数发达国家垄断，严重制约了中国参与国际海洋竞争的能力及其进入更深更远海洋的发展进程。为此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2002020年)》在其重点任务中提出“优先支持深(远)海环境监测、资源勘探技术与设备、深海运输与作业技术与设备成果的应用”。

深海潜水器是目前海洋调查的重要手段。它可以分为两种类型:无人潜水器和有人潜水器。其中，无人遥控潜水器具有世界上最广泛的工业应用。为了提高我国深海潜水技术和装备水平，摆脱深海装备技术被人控制的被动局面，科技部“863”计划将于2008年底优先实施“4500米深海操作系统”重点项目。该项目委托国土资源部组织实施，以中国地质调查局广州海洋地质调查局为业主单位，将汇集上海交通大学等高校和科研院所近百名专业技术人员，共同组建一支优秀的协同创新研发团队，共同应对关键问题。主要任务是开发一种实用的4500米无人遥控潜水器(遥控潜水器，简称ROV)。

深海无人遥控潜水器(ROV)是一种无人操纵的有线系统。它通过脐带缆连接到水面母船。脐带缆传输能量和信息。母船上的操作员通过观察海底的实时图像和设备状态参数，远程控制水下机器人及其操纵器。水下机器人主要用于两大领域，一是海洋工程、救援、打捞和考古；二是海洋观测和科学考察的相关操作。

与载人潜水器相比，无人遥控潜水器具有不可替代的优势。首先，它适应性强，功能强大，可以应用于几乎所有的海洋开发活动，受海况和海底环境影响小，推进系统和机械手功率大，覆盖了海底活动链的所有环节，在海洋地质调查中具有广阔的应用前景，可以大大提高调查能力。第二，作业灵活、经济，可以根据不同的潜艇作业任务进行扩展和配置。它便于展开和收回，不需要母船的特殊支撑，占用甲板空间和人力资源少，建造、运行和维护成本低。第三，没有载人操作的风险。它可以在母船上实时遥控操作，不需要水面工作船的支持。第四，它可以长时间停留在海底，母船可以通过脐带缆提供电能，可以无限期地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。

4500米深海作业系统项目的主要装备成果是4500米无人遥控潜水器“海马”。经过六年的不懈努力，研发团队坚持潜心攻关，勇于探索，勇于创新。我们充分掌握了深海无人遥控潜水器的设计与开发、系统集成与联合调整、深海无人遥控潜水器的控制与监控、远距离高压电源的传输与分配、远距离信息传输、在线绝缘检测、深水液压电源、推进与控制、深水浮力材料制造、多功能作业机械手的设计与制造、重载升沉补偿、深水潜水器检测与试验等多项核心技术。该项目的总体目标已经实现，海马遥控潜水器成套设备的国产化率达到90%，为无人遥控潜水器在中国的国产化和产业化奠定了坚实的基础。

“海马”水下机器人(主体)长4米，宽2.1米，高2.6米，重5吨。整个系统包括水面控制室、举升回收系统、脐带缆、“海马”型水下机器人及其机械手和操作工具。“海马”水下机器人由水下配电系统、水下控制系统、水下液压系统、水下推进系统、水下摄像系统、水下照明系统、水下探测系统和水下作业系统组成。

“海马”配备了水下摄像机/摄像系统、声纳、作业工具、多功能机械手和具有不同功能的可更换水下作业底盘。“海马”具有多角度水下摄影、机械手操作、声光电探测、水下原位实验等综合操作手段。可进行海底全覆盖测绘、沉积物和生物采样、物理海洋学调查、现场地球化学分析，并扩展了海底观测网络和设备布局及回收、海底管道维护、深海打捞等作业功能。它可以广泛应用于资源、环境、工程、打捞、渔业、考古、国防等许多领域。在我们国家。

“海马”是我国迄今为止沉没度和深度最大、定位率最高的4500米深海无人水下航行器系统。该系统的国产化率超过了科技部的指标要求，达到90%，表明我国已经完全掌握了深海无人水下机器人的关键技术，改变了深海无人水下机器人依赖进口、人为控制的局面。

通过4500米海上测试

4500米可以覆盖中国98%的海域，大部分国际海域资源丰富。这种深度水平的实用技术和设备的发展能够满足我国深海勘探和作业的迫切需要。

根据“863”试航计划的有关规定和要求，“海马”必须经过一系列严格、规范的试航，才能交付使用。为此，2014年2月20日至4月22日，“海马”号水下机器人依托中国地质调查局广州海洋地质调查局的“海洋6号”调查船，在南海进行了三次由浅入深的试航。“海马”号已经完成了17次潜水和3次潜水，在中国南海中部盆地的4502米海底进行作业测试。它成功地完成了预定的潜艇作业任务，并成功地实现了与水下升降装置的联合作业。通过了包括91项技术指标在内的114项考核指标的现场考核。

2014年4月18日，“海马”号在位于中国南海*盆地4502米深处的海域(坐标:东经114度36分23秒，北纬13度13分01秒)进行了第16次俯冲。“海马”号到达海底后，根据水下定位给出的定位指令，先后进行了定向、定高和定深导航试验。海马在搜寻并接近通过声纳和水下摄像机放置在海底的提升装置后，坐在海底。通过机械手的穿插操作，“海马”号先后完成了海底热流探测、海底地震仪布设、海底沉积物取样、永久性标志布设、模拟“黑匣子”抓取、海底电缆卷筒布设等作业。任务完成后，“海马”号进行了固定高度和固定深度试验，并进行了潜艇摄像作业。所有测试都正常。返回甲板后，潜艇检查显示浮力材料、深度计、高度表、罗盘、声纳、水下定位系统、温度和盐深测量系统以及所有耐压结构状况良好，功能正常，表明“海马”号具有良好的深海作业能力，满足4500米深海作业的各项技术性能设计要求。

4月19日，应科技部现场验收小组的要求，“海马”完成了任务书规定的海试任务后，进行了第17次“超额”下潜，即实验应用下潜。“海马”号再次降落到4502米的海底，完成了自拍操作、五功能机械手和七功能机械手操作、热流探测、海底高精度导航定位等测试项目。在整个实验过程中，“海马”的整个系统状况良好，运行正常。到目前为止，“4500米深海作业系统”项目验收航段的测试任务已经全部完成，并成功通过科技部“863”项目海洋技术领域办公室组织的海上验收。

“海马”的海试证明，“海马”具有实用海洋设备应具备的可靠性、稳定性和适应性。除了常规强作业水下机器人的功能和作业能力外，还具有延伸海底观测网电缆敷设的功能，可根据不同的任务要求延伸作业功能，达到国外同类水下机器人的技术水平。

“海马”是2014年中国海洋科技大会通过4500米海试取得的重大科研成果。被评为“2014年中国科技进步双料奖”(排名第二)、“2014年中国海洋科技进步十大”(排名第一)和“2014年和2015年地质科技进步十大”(排名第一)等。

海马首次发现冷泉

“海马”具有常规无人遥控飞行器的所有功能，可应用于海洋工程、海洋观测、科学考察等许多领域。验收后的六个月内，“海马”团队完成了将科研成果迅速转化为深海实用勘探设备的任务。根据南海水合物勘探的实际需要，增加了三视高清摄像机、专用作业工具、海水温度和甲烷含量测量等针对性配置。2015年3月，“海马”首次在南海北部西部大陆坡进行地质勘探和应用，以探索和寻找与海底“冷泉”活动和水合物赋存相关的微地貌特征。

“海马”号成功地赢得了第一场战斗。在南海北部西部大陆坡海底首次发现双壳类生物群、甲烷生化礁、碳酸盐结壳、菌席和气体泄漏等活动“冷泉”迹象(“冷泉”命名为“海马冷泉”)，并获得高清视频记录和实物样品。同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常。所有这些结果表明，该海域存在天然气水合物的良好前景。

海底“冷泉”是指海底沉积地层中的气体通过喷涌或泄漏注入海洋的地质现象，就像沙漠海底的绿洲。冷泉地区的生物依靠甲烷和硫化氢等还原性化学物质来养活自己，这是另一套完全独立于光合作用的生命系统。海底“冷泉”的研究对于研究极端环境下的生命起源和生物群落、全球气候变化和天然气水合物具有重要意义。

“海马冷泉”是国内高科技深海探测设备在我国管辖海域发现的第一个海底活动“冷泉”。这是南海天然气水合物资源勘探的重大突破，也是地球生命起源、冷泉生态环境等前沿科学研究的重要窗口。2016年2月27日至3月23日，“海马”号再次前往“海马冷泉”，开展旨在详细调查冷泉水合物资源和生态环境的潜艇作业。来自国内多个单位的冷泉研究专家参与调查，对“海马冷泉”的分布范围、地形地貌特征、发展历史、生物种类、碳酸盐岩和流体活动进行了探索，取得了丰硕成果。

“海马”在冷泉地区的地质勘探和应用中运行良好。深海技术装备的国内应用和地质勘查成果取得了良好的成果。为天然气水合物有利区的详细调查、勘探目标区的圈定和天然气水合物资源潜力的评价提供了有价值的调查数据，也为后续天然气水合物钻探奠定了坚实的基础。“海马”赢得了“冷泉”勘探的第一场战役，成为国内先进技术和设备推动深海矿产资源勘探和研究的成功范例。

海洋矿产调查的质的飞跃

2015年6月15日至18日，“海马”在第36次海洋航行中，通过高清视频观测、机械手操作和各种传感器安装测量，成功完成了对蔡威海山区复杂陡坡地形环境下6个台站的富钴结壳资源勘探。它拍摄并录制了近100分钟的海底高清视频。机械手抓取了数十公斤的地壳样品和钙质沉积物样品，获得了整个物理海洋测量数据和海底原位水样，并首次在自主研发的小型钻机和切割机上进行了实际应用试验，达到了预期的科学目标。

海山地壳地区的作业实践检验了“海马”在复杂危险的海山陡坡环境中的控制性能和作业能力。“海马”及其技术团队经受住了考验，成功地完成了在充满障碍的海底着陆的任务，避免了各种危险因素。

“海马”在蔡威海山的成功运行，是1997年以来20年来海洋和山区地壳资源调查的一次质的飞跃，填补了我国在这一领域技术手段的空白。

这次在地壳海山地区的作业实践，不仅检验了“海马”在地壳资源调查任务中的作业功能，也检验了“海马”的导航动态性能及其技术团队在复杂危险的海山陡坡环境中的控制和作业能力。“海马”及其技术团队经受住了考验。“海马”以优异的表现成功完成了任务。这也意味着“海马”的应用环境已经从相对安全的平坦淤泥质海底扩展到相对危险的复杂海山环境。操作模式相对简单，不需要考虑潜艇障碍物的定向/固定高度导航和可选着陆点的定点操作，现已改为需要不断注意避免危险因素和在陡峭的海山地形中仔细选择着陆操作点的操作模式。

“海马”号无人遥控潜水器(ROV)从科研成果向实用深海调查设备的快速转型，是中国高科技科研成果在地质勘探中实际应用的成功范例，并取得了突破性成果。国内设备完善了天然气水合物资源勘探的深海技术装备体系，填补了我国深海勘探方法的空白，是一个质的飞跃。

结论

“海马”号实现了从科研成果到实用深海调查设备的快速转变。它用国产设备填补了中国深海勘探作业的空白，使中国深海勘探技术实现了质的飞跃。这是我国高科技科研成果在地质勘探中实际应用并取得突破性成果的成功范例。

2015年3月、2015年6月和2016年3月，“海马”进行了三次南海北部大陆坡水合物资源调查、36次海洋航次、水合物资源详查和冷泉生态环境调查，共潜水24次，累计水下作业时间超过180小时。“海马”号在南海*盆地、南海北坡和西太平洋蔡威海山的地壳资源分布区进行了海底作业。它已经设立了永久的标志，如科学技术部和国土资源部。这是*国内深海勘探设备在深海海底留下的足迹。它将永远在海洋深处闪耀中国的智慧，展示中国的力量。“海马”号将继续潜入深海，在中国海洋科学的旅程中战斗。

《中国科学日报》(焦点，第8版，2016年5月31日)