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1、中国海洋科考装备的现状分析与建设展望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余年的开展历程和谱系现状，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 界海洋科考船的开展特点并与之对标，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、海洋学科新开展、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
2、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。人类生活的地球外表约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、中国海洋科考装备开展现状海洋科考装备从广义上
3、看，主要包括岸基台站、天基、空基和海图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
4、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H0V提供定位探测，性能稳定可靠。2017年，中国“深
5、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。止匕外，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年代初开展的利用多普勒效应原理进行流速测量的新型设 备。20142018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
6、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，大局部市场份 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 工程支持下，中国一些海洋环境监测传感器实现了突破。例如， 局
7、部海洋动力参数传感器、化学传感器的一些性能指标到达了世 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 馈缺乏、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 学物联网的核心基础，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
8、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开展趋势，首先 需要弄清楚海洋科考船的开展特点和技术进展。2.1 世界海洋科考船的开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
9、，美国拥有的先进科考船占全世界总数的一半，大局部科考船由大学一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 领海洋科考船技术开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（SI0）实际运营的阿姆斯特朗级海洋综合科考 船 AG0R-27 （船名 Neil Armstrong）和 AGOR-28
10、 （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 相融合的计算机网络系统。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） o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 X0.50全海深多波束，采用嵌入式安装。该船 所有科考绞车
11、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，特别表达了 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 62014 年美国 “Sally Ride ” 号一图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 已无法适应迅猛开展的海洋科考需求。”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，局部
12、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比照。升降式魂滚筒全回转推进器相控阵天气宙达二#顶部观察室无人机库和无人艇1直升机降落甲板科考集装箱舱E3直流用排+储能蓄电池全航速减摇鳍轮缘永磁侧推防气泡陷形球舲与船体曲面一致的侧推封盖图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比照指标Sally Ride(美国)SONNE（德国）东方红3（中国）中山大学（中国）交付时间2014 年2015 年2019 年2021 年总K/m72.5116.0103.8114.3
13、设计排水量八3200800062656848定员/人4475110100最大航速/节12.815.015.516.5推进功率/kW2x8502x23502x23002x2700作甲板面积含遮蔽甲板/m?41070()820760单位排水量作甲板面积/（mW）0.130.090.130.11实验室面积/m?200550616618单位排水量实验室面积/（n?/）0.060.07().100.09科考负载A380300224280多波束形式1。乂1。嵌入式0.5。“。嵌入式0.5外。嵌入式0.5。4。嵌入式升降鳍板无无双鳍板双鳍板水下辐射噪声ICES 209DNV GL Silent-RDNV G
14、L Silcnt-F特殊抗风力要求无无仃有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，中国海洋科考船的开展历经了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
15、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、计算机网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、科考网络与船舶计算机网络形成一体；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
16、等级、舱室舒适度以及携带科考设备的海 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
17、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，海洋科考船的开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 国逐渐开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开展谱系（图1）。其中，专业科 考船有：地球物理调查船、水声调查
18、船、渔业科考船、地质调查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开展。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。1）船型设计新理念现代海洋科考船
19、在船型设计理念上已经从分别独立考虑船舶平台 与作业系统的各自性能优化转变到围绕境（环境）、静（安静）、 净（洁净）3个“Jing”的“一体化设计新理念”。面向“环境” 设计主要考虑水下流场环境无气泡干扰，适于声学设备工作；甲板 上的生活、作业环境良好，布局合理；实验室环境下的人员流、数 据流和样品流程序便捷，科学规范；驾驶、作业和观察环境下的视 线良好，不受阻挡；空间电磁环境、电站和通信条件充裕，可扩展 性强。面向“安静”设计主要考虑船体内的振动噪声和水下辐射噪 声指标满足舱室舒适度和水下探测设备定位与测量要求。面向“洁 净”设计主要考虑确保与实验相关的水、电、气品质控制以及样品 的洁净度。在
20、技术创新的过程中，国内已逐步攻关4个一体化设计 关键技术并产生了多项重要的技术创造专利：船体型线与多波束 防气泡干扰一体化技术；船型方案与振动噪声控制一体化技术； 综合布置与科考多目标优化一体化技术；电气设计与电磁兼容 一体化技术。以第1个关键技术为例，海洋科考船靠近船首1/3船 长范围的船体底部通常需固定安装较多灵敏的声学探测设备（如深 水多波束、浅水多波束、单波束、浅地层剖面仪、ADCP等），但该 范围在航行中却又是极易受船首兴波、压浪以及侧推孔气泡和噪声 影响的区域，船型首部声学环境的优化成为重点。中国设计团队着 力研究船底声学设备被干扰的现象和机理，完全掌握气泡下泄模拟 观测手段和流线
21、评估控制方法，一举舍弃以前较多采用的深水多波 束悬挂于船体底部的小尖船（Gondola）形式或从船体底部向下气泡 突出安装的导流罩形式，而是基于嵌入安装的线型优化方法，提出 一种防气泡隐形球首一体化设计的科考船型（图10）。同时为彻底 防止船艄隧道式侧推孔带来的涡流下泻和噪声干扰，还创新设计了 与船体曲面一致的侧推封盖系统，最终在确保声学探测设备性能精 度的前提下大大改善了航行安全性和经济性。图10船体型线与多波束防气泡干扰一体化设计将船舶性能与科考需求紧密结合的一体化设计理念协调解决 了船舶平台与科考功能的统一，获得了经济性、声寂性、机动性及 科考作业、营运性能的最正确综合指标。2）海洋学科
22、新开展要研究和解释当今海洋科学的主要问题和热点，如海洋在气候 系统中的角色、生物地球化学物质的循环、海洋生物多样性及演 变、海洋资源的可利用性、地球动力学和地质风险等，均离不开庞 大的海洋学科群。止匕外，要获取海洋环境要素资料，揭示并说明其 时、空分布和演化规律，为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工 程建设、航海安全保障、海洋环境保护以及海洋灾害预防等提供基 础资料和科学依据，更加离不开强有力的海洋测绘和调查活动。海 洋科学中里程碑式的重大发现都是与前期海洋学科开展的测绘和调 查密切相关。随着大海洋时代和中国海洋强国战略的推进，国内涉 海大学和科研院所正在快速开展且学科交叉趋势会越来越明显，在
23、 这个过程中每一次海洋学科的新开展都对海洋科考船设计技术提出 了新挑战。因古海洋学走向国际前沿，对地球钻探科考船的需求加 速；因对深海和极地领域的逐步重视，对深海运载器和极地破冰船 的需求加速。这些科考特殊需求导致船型和布置特殊，需设计专门 的特种科考船。然而大局部海洋学科的科学研究还是希望能在一艘 科考船一个综合航次上完成主要工作，这种综合性的复杂程度大大 增加了海洋综合科考船的设计难度。设计师必须紧跟海洋学科专业 的热点问题和开展动向，及时通过装备的创新设计协调解决。新一 代海洋综合科考船的科考任务通常覆盖水文、物理、化学、地质地 貌、生物、气象、地球物理和测绘等学科，主要依靠水文观测、气
24、 象观测、海水化学要素调查、海洋声光要素调查、海洋生物调查、 海洋地质与地球物理调查、海洋生态调查、海底地形地貌调查、海 洋工程地质调查、遥感信息调查等开展多学科综合海洋科学考察。 具体实践涉及众多科考系统和功能，如多波束探测系统、CTD探测 系统、表层多要素测量系统、多道地震系统、无人机 /ROV/AUV/Glider等无人系统、重力和磁力调查、鱼探仪系统、海 气通量观测、气溶胶监测、重力活塞取样、海底拖网、电视抓斗、 箱式取样、海底浅钻、深海拖曳、气象卫星以及超纯、超净、超低 温实验室等等。新一代海洋科考船创新采用了甲板模块化、实验室 柔性化和科考网络一体化设计，较好解决了在一个海上平台上
25、开展 多学科交叉研究的问题。图11为综合科考船主要科考功能示意图。通信卫星常规气象探斤测试实验室地血站洁净海水取水口帝力活塞 长柱状取样器多波束探 测系统今航PJi,B11综合科考船主要科考功能示意图多道地震系统表层海水取水11走航式CTD剖面系统r CTD深拖系统ADCP浅地层剖面仪3）船舶装备新技术海洋科考船始终是新技术新装备创新与应用的排头兵，每 一代海洋科考船的技术进步与船舶新技术有着密切联系。20世纪末 船舶综合电力推进技术引发了船舶动力的第3次革命，现代海洋科 考船因其对多工况负载平衡、振动噪声、智能控制等的高品质作业 需求，几乎率先采用了电力推进的诸多新技术。按电网电制，有低 压
26、690 V电网也有6600 V电网；按变频器变频技术，有二极管前端（Diode Front End, DFE）变频技术、有源前端（Active Front End, AFE）变频技术和公共直流母排技术（图12）；按推进电机技 术，有永磁电机也有励磁电机，有同步电机也有异步电机。正因为 采用了电力推进，一些依托其上的船舶矢量推进技术（吊舱（图13）、Z型机械推进、直叶桨）、动力定位技术、蓄电池储能技 术、岸电技术、智能驾驶技术均得到快速推广。在这一代电力推进 科考船集成创新、实船应用的过程中掌握了诸多电气设计，如允通 能量分析技术、电能质量智能诊断技术、区域环境电磁背景噪声监 测技术等关键技术，
27、同时也实质性推动了中国船舶设备的国产化进 程。近几年，船舶减摇技术得到快速开展，从被动可控式减摇水 舱、伸缩式减摇鳍到零速下主动减摇的全航速减摇鳍（图14）,无 论是鳍板翼型还是控制系统，均得到了实船充分验证，为关注零速 和低速下作业能力的新型科考船大大提高了作业效率并降低了晕船 率。当前，船舶装备在绿色、智能的快车道上开展，作为创新排头 兵的海洋科考船，已经在“身体力行”。目前国外已看到某新型科 考船（德国Atair III”号已交付）采用液化天然气（LNG）为燃料 之一的双燃料柴油机来满足局部时段的洁净科考需求，国内也出现 了在新型科考船上尝试自主航行和远程遥控的智能船舶新技术（中 国“珠
28、海云”号已下水）。这些开创性的工作确保了船舶平台的总 体先进性。变速柴油发电机组图12公共直流母排电力推进系统单线图示意图图13全回转推进装置4图14 全航速减摇鳍4）科考系统新产品现代海洋科考船上的船载科考系统主要由作业支撑系统、 船载探测系统、船载实验系统和科考网络系统组成。科考船先进性 的评价与科考系统采用的新产品和新技术息息相关。这些新产品新 技术反过来也深刻影响着新型科考船的整体设计。科考任务系统的 创新能力已成为影响新型综合科考船整体水平和国产化率的关键要 素。船载科考系统，尤其是作业支撑系统、探测系统和实验室仪器 的研制应用是一项艰苦、持久且较难有投资回报的工作，需要中国 加大力
29、气并持续投入。近年来，水下定位、探测和通信设备层出不 穷，频率从10 Hz到20 kHz对船体底部安装空间和周围声学环境提 出了极高要求（图15）；多波束测深和分辨率（图16）随着作业水 深的提高也在逐步提升且安装空间也在加大；继c波段双偏振气象 雷达后实船开始固定安装新一代相控阵气象雷达（图17）,对船舶 顶部安装平台在海上运动中的频率响应和结构变形控制要求大大提 高；各种无人艇、无人机和无人潜器（图18）等无人系统的存储收 放和协同作业对船舶甲板空间、收放效率以及适应海况更是提出了 高要求；大量新型科考探测设备和实验室仪器设备采集的海量数据 对船载科考网络的安全性、智能化、标准化以及船岸一
30、体化提出了 迫切需求。图15升降鳍板船、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。年份2023 2021 2019 2017 2015 2013 2011 2009 2007 2005 2000 1995 1990 1985 1980 1975 1970 1965 1960 19551000.15002000250030003500400045005000550060008000100001200014000160001800020000220002400028000蓝海201嘉庚向阳红
31、01实验6深海一号大洋号东方红3中山大学雪龙2海洋地质八号远望7南管实验1海洋六弓科学海洋石油720科学二号东方红2大洋一号远望3雪龙向阳红10远望1船型分类综合科考船业科考船特种科考船图1中国海洋科考船开展谱系（典型代表）中国海洋科考船的开展分为3个时期。第1段开展期是20世 纪6080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
32、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”。这一代科考船承当了中国渤海、黄图16 船底声学设备图17 相控阵气象雷达图18 舷侧收放机器人3、中国海洋科考装备的建设展望世界正经历百年未有之大变局，中国作为一个负责任的大国，在海洋科考领域需深入思考并及时调整角色和策略。虽然当 前中国的海洋科考装备取得了不菲成绩，但海洋研究对象众多、 且交叉复杂，没有更加深厚的科学认知水平，没有更加强大的科 考装备支撑，将很难引导做出正确且富有前瞻的决策，也将极大 地限制未来后续的全球开展空间。对于未来中国海洋科考
33、装备的 建设展望，必须将装备开展与国家战略和行业需求紧密结合。3.1 人类命运共同体的深刻内涵促使中国的海洋科考必须放眼全 球中国率先提出人类命运共同体的理想，其深刻内涵是弘扬全 人类的共同价值观。在人类面临气候变化、环境污染、资源短缺、 病毒防控等全球性问题时，中国需积极参与全球治理。海洋是地球 上最大的自然生态系统，是人类生存和未来开展的关键空间领域。 积极参与并领导全球海洋治理，将是中国走向全球性大国的必由之 路。中国的海洋科考必须放眼全球，助力中国参与甚至主导重要的 国际海洋研究计划。当前国际海洋全球性研究计划有全球海洋观测 计划（Argo）、国际地圈与生物圈计划（IGBP）、世界海洋
34、环流实 验（W0CE）、热带海洋与全球大气研究计划（TOGA）、海洋科学与 生物资源（OSLR）、全球海洋观测系统（GOOS）、国际海洋全球变 化研究（IMAGES） 大洋钻探计划（ODP）、大洋中脊计划（Inter Ridge）、全球赤潮生态学与海洋学（GEOHAB）、生物多样性计划 （DIVERSITAS）等。这些计划持续时间漫长，几乎全部由美国等发 达国家的科学家发起，中国是在近些年才逐步有所参与并牵头一些 考察航次，这对中国海洋科考装备力量提出了新的要求。例如，著 名的大洋钻探计划开展到综合大洋钻探计划(IDOP)新阶段，中国 科学家领导了屡次南海大洋钻探航次，目前仍采用美国老旧的“决
35、 心”号钻探船(图19),未来探索中需建设服务全球的新型大洋钻 探船，以提高中国的国际话语权。鉴于极地在全球气候系统中的作 用，2019年由德国牵头的19个国家组成的北极气候研究多学科漂 流冰站计划(MOSAiC)依托德国老的“极星”号破冰船(图20)成 功实施，堪称北极研究旗舰计划，中国有17名科学家参与其中。未 来中国需要设计更符合北极冰层消融与浮冰漂流机理的新型极地科 考研究平台和各种适应极地环境的海洋机器人，这将成为未来中国 牵头极地海洋研究计划的重要机遇。图19承当大洋钻探计划的美国决心号钻探船图20 承当MOSAiC的德国极星”号破冰船3. 2 中国海洋强国战略离不开海洋科考装备的
36、体系贡献任何大国的崛起必然伴随其海洋化的进程，中国作为一个陆海 统筹的国家，21世纪战略重心逐步向海上转移。2012年党的十八大 提出了建设海洋强国的战略目标，其内涵包括认知海洋、利用海 洋、生态海洋、管控海洋、和谐海洋5个方面，而探索认知海洋是 开发利用和保护海洋的先决条件。2017年习近平总书记提出深海、 极地、外空、网络空间四大战略新疆域，为此应具有保障对于国际 深海和极地区域增强安全进出和科学考察的能力。围绕国家战略， 海洋划界、透明海洋、智慧海洋、深海养殖、深海采矿、“蛟龙” 探海、“雪龙”探极、“深潜、深网、深钻”等一批专项工程和重 要举措持续发力。从当前的战略支撑能力来看，海洋科
37、考装备的挑 战已从加大单个装备能力上限逐步转移到提高装备体系贡献率上 来。海洋科考装备的先进性，应是系统整体的先进性，具体应表达 在承当上述专项和举措中探索认知海洋的效率、精度和经济性等多 方面的水平能否到达同期的世界先进水平。科考装备体系建设中， 建议以潜浮标固定观测为基础，船基断面观测为补充，无人系统快 捷观测为扩展，增强与空基、天基的体系融合，实现以海洋卫星和 航空遥感（天空）、海气界面观测系统（水面）、深海观探测系统（水下）和海底观探测系统（海底）4个层次的立体观测网（图21） o目前中国虽有自主建设的观测网，如西太平洋科学观测网、 南海潜标观测网等，但主要以潜标阵列为主，对研究大尺度
38、环流有 一定帮助，但对于中小尺度过程的观测远远不够，且数据较难实时 传输，多数不具备智能型。在大数据和人工智能的时代，海洋科考 装备需加快技术攻关，以提升中国对核心洋区海洋环境信息的实 时、立体、高分辨率、多尺度多要素的整体同步获取能力。除了装 备技术问题以外，国外还从管理维护、资金支持等方面来加强顶层 管理以提高体系贡献率。例如，美国有针对科考船统一管理的几个 机构，其中UNOLS对所属的船队和科考计划统一管理和实施。UNOLS 与美军长期合作，为其提供海洋科学研究和环境信息采集，当然美 军也长期资助这些研究所和大学的科学研究，甚至出资造新船给他 们用，这种“以民掩军”的模式很合理地把军方的
39、需求、资金与科 学界的研究力量有机衔接在一起，这种举国体制下跨部门顶层的资源统筹方式值得借鉴。图21透明海洋立体观测网示意图当前国际海洋研究正进入全球竞争的热潮，在建设海洋强国 的伟大历史时期，中国更需要加快推进海洋科考装备建设，围绕国 家海洋战略利益和国际海洋大合作需求，创新构建适应多学科融 合、大中小尺度协同、深海极地统筹的海洋科考装备体系。3.3 新技术融合将有效解决现有科考装备的缺乏并对科考模式 产生深远影响要了解中国下一代海洋科考装备的开展方向，在论证需求的基础 上对照查找各自装备的缺乏。总体上看，现有海洋科考船面临的不 足主要有：极端环境（极端天气、极端海况、极地、战场环境 等）适
40、应性缺乏；科考作业效率缺乏。现有海洋运载器面临的不 足主要有：续航能力缺乏；跨介质通信能力缺乏；导航定位 精准度缺乏，尤其在极区；结构材料承压和耐腐蚀性缺乏。现有 海洋潜浮标系统面临的缺乏主要有：设备性能缺乏；数据应用缺乏。这些装备的共性问题是相互组网协调和信息共享不畅、海上 运行不稳定、传感器相对落后、搭载能力偏弱、软件平台不被重 视。解决这些问题需要充分融合绿色/智能/无人/大数据/通信/网络 /核能/遥控等各种新技术，尤其要从体系解决的角度出发，真正实 现跨域融合。未来的海洋科考，无论采用何种海洋科考装备，获得 的主要成果还是数据。根据世界海洋数据库统计显示，21世纪以来 至今不到20年
41、时间，科考采集的数据已超过先前100年采集的数据 之和，在2005年后由于自主机器人的广泛应用采集数据量更是一路 飙升（图22）。仪器种类采水瓶 深海测温器温盐深传感器（盐度指电导率） 浮标（锚系或漂流）2000年后的数据已超过 先前100年的数据2000年后的数据已超过 先前100年的数据 海洋生物附着传感器自主机器人简易探针和水瓶的采样水 其他1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015年份图22海洋科考数据采集量历史变化图可以预见未来无人系统（AUV/ROV/ARV/Glider/小型USV等）在海洋科考中将得到广泛应用，先进的海洋科
42、考船势必将成为无人系 统的母船和旗舰，下一代新型科考船应是能搭载集群化的无人科考 装备，兼具船舶智能航行与科考无人作业的新型少人甚至无人的装 备平台。该平台将船舶高海况适应技术、智能驾驶和遥控技术、无 人化/集群化机器人技术、遥感与高速通信等新技术高度融合，显著 特点应是：在极端海况下（作业海况比现有科考船通常高23 级）开展连续科学调查和智能作业规划；对搭载的批量无人科考 设备实现多点快速收放；高度自动化的分析实验系统；具有与 空中和水下无人系统开展分布协同和智能联网的能力。这种新型智 能科考平台是对以往“人在作业模式”的一次有力变革，也将是下 一代海洋科考船的重点研发方向。3. 4 开展建
43、议当前中国海洋科考装备应立足自我，以“战略布局、需求牵引” 为导向，尽快补短板，迎接新挑战。建议适时建立专门开展海洋科 考体系顶层研究的国家级政策研究机构或研究中心，特别注意政策 规划与工程装备研制路线的衔接，做到科学合理的中长期规划；建 议成立少数统一的海洋科考装备高层次管理中心或协会，对海洋科 考船、运载器等装备实行分类分级，形成标准化、系列化，推行开 放共享、统一管理，发挥整体效能；建议推动大规模、多类型无人 装备的组网观测与探测应用，促进海洋卫星、科考船、潜浮标与无 人装备的协同开展，大力开展空、天、海、潜立体观测体系；建议 加快推进深海、极地等重大专项，强调对新技术新设备的牵引带动
44、作用，同时出台政策支持科考探测和实验室仪器设备的国产化配套；建议支持面向极端或特殊环境的无人装备和与其开展集群化智 能协同作业的新一代海洋科考平台的研制。4、结束语对未知海洋的探索和发现是人类开展的永恒动力。走过21世纪 第2个10年，人类已完全进入认识海洋、保护海洋、开发海洋的新 阶段。建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务之 一。在这个关键的历史时期，海洋科考装备虽然在多个方向不断取 得突破，一批“国之重器”创造了多项世界之最，但是战略性、基 础性、颠覆性的装备创新能力仍显缺乏、局部关键技术仍存在“卡 脖子”问题。唯有通过科学规划与持续开展，通过不懈努力与奋 斗，才能建设出中国日
45、益强大的海洋科考装备体系，才能满足中国 日益增长的海洋强国建设需求，为构建人类命运共同体贡献中国智 慧和中国力量。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段开展期是20世纪 90年代至2010年前后。这个时期国内科考船开展相对缓慢，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开展的实际需求，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
46、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 段开展期是从2010年左右开始，也是中国科考船“质”和“量”的 高速开展期。这时期以国家重大科技基础设施建设工程“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， 2010-202
47、1年中国新建海洋科考船的数量到达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；全球首艘具备艄艇双向 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