迎接海洋观测“无人时代”——陈大可院士详解“智能敏捷海洋立体观测仪”项目

作为物理海洋学的世界级难题，海洋次中尺度过程的三维结构始终无法一窥全貌;

' f" T% N/ s; m6 K0 w　  台风这一最为严峻的自然灾害，其准确预报至今仍然难以突破;

. [) m- r+ ?- H" _7 y　　地球最后未被开发的区域——海底，直接测量的海底精细地形占比不足1%……　　
2月19日，一项名为“智能敏捷海洋立体观测仪”的项目启动，拟解决的重要科学和技术问题，正是针对上述3个难题。该项目的实施是我国海洋观测走向“无人时代”的又一标志性事件。
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智能敏捷海洋立体观测仪示意图

　　那么，“智能敏捷海洋立体观测仪(ISOOD)”是一种什么样的设备?目标如何实现?近日，项目负责人、中国科学院院士陈大可对这项为期5年的科学行动进行科普和解读。
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什么是“智能敏捷海洋立体观测仪”
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* f/ K3 I2 o8 Q　　2021年7月20日，古老的黄埔文冲船厂，开始建造一艘新船——全球首艘智能型无人系统母船。

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) F3 B& j' k9 z$ W0 x, ?1 V' L　　陈大可称其为海洋科考“新物种”，为其命名“珠海云”。
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　　这艘智慧母船作为多种无人装备的运载工具和控制中心，可根据任务需求携带大批无人机、无人艇、自主水下潜器等装备快速到达目标区域，并通过专用的布放回收装置实现无人装备的批量化高效部署。


$ f; S5 N6 ]5 f0 L　　母船部署到位后，可形成从空中4000米到水下1500米、水平跨度160千米的立体协同观测网，同时可投放剖面浮标、表面漂流浮标、漂流小浮子、探空仪等抛弃式装备作为补充。


　　“智能敏捷海洋立体观测仪”，正是以智慧母船为载体，通过空、海、潜的各型无人平台跨域协同组网，提供一种全新的海洋观测模式。
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纵观海洋科学史，所有重大突破无一不是观测技术和仪器设备创新的结果。”陈大可介绍，海洋科学作为一门以观测为主要研究手段的科学，其发展在很大程度上依赖于海洋观测仪器设备的技术水平。


% _% t* X* P" o5 D+ I0 ~0 s- |近几十年来，随着海洋卫星、自沉式剖面浮标、锚定浮标/潜标网、自主水下潜器等技术手段的发展，全球海洋观测取得长足进步。然而目前的观测能力仍远远无法满足海洋科学发展和工程应用的迫切需求。
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6 U- n7 N* B7 }( t　　当前，海洋资源开发、海洋经济发展、海洋科技创新、海洋生态文明建设等方面的活动日益增加，亟须提升快速、机动、高效地获取高时空分辨率海洋信息的能力，而发展和巩固这一能力的关键在于自主研发先进的海洋观测仪器设备，并实现基于不同仪器设备的智能化组网观测。
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1 G2 n/ i" R9 t* j# ^$ ?4 ?　　现有的各种海洋观测平台各有优势，但均存在一定的局限性。

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　　例如，大型科考船的综合调查能力强，但其运营成本非常高，且无法开展大范围同步观测;卫星遥感平台能实现准同步大范围覆盖，但难以获取水下数据，尤其对深海的观测能力不足;Argo(全球海洋观测计划)浮标观测网能提供海洋状态的大尺度信息，但时空分辨率不够，且缺乏机动能力。
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, \8 t: {1 E; t$ _3 z8 N5 N　　以无人机、无人艇和自主水下潜器为代表的无人智能观测平台具备智能、灵活、快速、机动的特点，无疑代表了海洋观测技术的前沿发展方向。但目前这些平台搭载传感器的类型和数量有限，单一平台无法满足海洋任务多样性的需求。虽然已有不少针对同类无人自主平台的组网观测研究，但在跨平台、跨域组网并形成敏捷、机动集成系统方面的应用实践仍处于起步阶段。在这方面抢得先机，对于促进我国海洋科技发展和海洋强国建设具有重大意义。


目标一：
" Q# J3 U" P, j/ u( u- j. D" N　刻画海洋三维图像
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0 R- B* P& ~8 y　　“传统海洋观测手段的局限使得很多重要科技问题至今悬而未决。”陈大可说，“尽管智能敏捷海洋立体观测仪的应用范围极广，本项目将聚焦于海洋次中尺度涡旋、海洋与台风相互作用、海底精细地形测绘这三个重要问题。”
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　　刻画海洋次中尺度涡旋的立体图像，揭示其在海洋能量传递、物质平衡和海气耦合系统中的作用，是智能敏捷海洋立体观测仪的目标之一。


　　海洋次中尺度过程是指海洋中特征空间尺度为10千米、特征时间尺度为1天量级的运动。次中尺度过程广泛存在于海洋上层，作为连接大尺度环流和小尺度湍流的物理过程，次中尺度过程在海洋能量级串中扮演着十分重要的角色。此外，由于通常伴随强烈的垂向运动，次中尺度过程对海洋垂向物质交换起着关键性作用，使得海洋中的热量、盐度和营养盐等物质得以重新分配，进而潜在影响地球气候系统以及海洋生物化学平衡。次中尺度过程是目前海洋学研究的热点话题，理解其特征和动力机制对于准确预测海洋水文环境和未来气候变化有重要意义。


; u4 B0 z+ {6 q% P! D  X4 i4 k2 S　　2009年，美国国家研究委员会召开了一场别开生面的研讨会，请与会专家提出2025年之前应该并可能解决的最重要的海洋学问题，次中尺度过程赫然名列榜首。虽然这方面的研究在此后十余年里取得了不小的进展，但遗憾的是至今没有人在海上直接观测到次中尺度涡旋完整的三维结构，只能分析次中尺度涡的表象。


　　传统海洋观测手段的局限性是难以在海上完整捕获次中尺度涡旋的主要原因。为突破这个局限，新的观测手段必须满足几个条件。首先，由于海洋次中尺度涡旋空间尺度较小、持续时间较短，必须通过快速、立体、同步、组网的观测方式来窥探其全貌。其次，由于伴随次中尺度涡旋的垂向过程非常重要，必须获取高精度的三维水文数据来准确诊断其垂向速度。再次，为了追踪和有效覆盖多变的次中尺度涡旋，组网观测必须具备灵活的调度、控制和自适应能力。


　　拟研制的智能敏捷海洋立体观测仪则可以满足以上条件。利用智能敏捷海洋立体观测仪，海洋科学研究人员可以首先利用卫星遥感确定其所在的目标海域，然后使用智慧母船快速抵达，布放多艘拖曳无人艇，一字排开往复观测，从而实现对次中尺度涡旋的同步覆盖和精细化测量。科学家们将有可能捕捉到次中尺度涡旋完整的三维结构，从而清晰刻画海洋次中尺度过程的物理图像，揭示其在海洋能量传递、物质平衡和海气耦合系统中的作用。这是令人兴奋、期待的一刻。


; b4 _7 s" [4 e, h8 L8 P$ k1 r目标二：
1 l: R) r0 y: B. B8 [　提高台风预报能力
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: w' r/ E! K% N/ ~. O　　阐明上层海洋对台风的响应过程和反馈机理，提高对台风强度和台风过程中海洋环境的预报能力，是智能敏捷海洋立体观测仪的另一个主要目标。
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　　我国是世界上饱受台风影响的国家之一。提高台风预报水平一直是国家防灾减灾的重大需求，也是海洋与大气研究的前沿课题。
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　　过去几十年间，台风路径预报水平一直稳步提升，但其强度预报却没有明显改善。大量研究证实，在预报模式中同化台风到来前的海洋现场观测数据，能够有效改善初始条件从而提高台风预报水平。
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8 N$ d$ U3 Z, E. O' }　　可是，在海上直接观测台风以及海洋与台风的相互作用过程既危险又昂贵。以往台风期间的海上观测主要依靠卫星遥感、少量的锚定浮标和漂流浮标，现场资料极其稀缺。最近，水下滑翔机和波浪滑翔器也开始得到应用，但还未形成多平台智能化组网观测的优势。

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　　传统的“守株待兔”式的海上台风观测方法有显而易见的局限性，不仅运维成本高昂，而且空间分辨率低，缺乏机动能力。为了突破这些局限，需要发展一个适应于极端海况、可以根据台风路径变化随时调整、且兼顾水面和水下的跨域组网立体观测仪器。

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　　智能敏捷海洋立体观测仪的研制，正是为了更好地满足上述要求。利用该仪器，科学家可以在台风到来前，将智慧母船开到目标区域实施组网立体观测，同时可潜无人艇下潜悬停，等待台风到来。台风过程中，可潜无人艇上浮发射探空火箭，并跟随台风中心运动，获取气象水文信息。台风过去后，再次实施立体观测。从而实现对台风前、中、后期的上层海洋与海气边界层变化的精细观测，以此阐明上层海洋对台风的响应过程和反馈机理，提高对台风强度和台风过程中海洋环境的预报能力。
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. ^" \6 h6 G% E* l; G目标三：
6 h  D. k6 O* d% e( U　绘制海底地形地貌

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2 w4 p6 c8 |. q' m9 y) q6 ^7 ~+ w7 j　　提升高精度海底地形地貌制图效率，为海洋科学研究、环境保障、防灾减灾等提供关键基础数据，是智能敏捷海洋立体观测仪要解决的第三个问题。

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　　海底地形对于地球和海洋科学十分重要。例如，美国科学家玛丽·萨普和布鲁斯·希森于1977年绘制的第一张世界海底全景图，首次为板块漂移学说提供了可靠证据，并为海底扩张和俯冲理论奠定了基础。

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　　海洋科学家要依靠测深图集来制定海洋科考计划;远洋船队需要精准的测深地图来确保安全高效的航行路线;业务部门要靠测深地图来预报海啸、风暴潮并规划应对方案……
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5 E9 I* d! a6 I4 w　　对于研究海洋环流、潮汐波浪、渔业资源、沉积物输送、环境变化、水下地质灾害、电缆和管道路线、海洋资源勘探和开发、海洋基础设施建设等，海底地形都是必不可少的基本数据，同时也是当今海洋信息中缺失极其严重的一项数据。
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5 y& D4 y3 x8 ^( a6 J　　根据海床2030计划规定的分辨率标准，全球已直接测量的海床面积仅占总面积的6%左右，而水平分辨率高于200米的海底精细地形占比更是小于1%。因此，海床被称为地球上最后的未开发地带。
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　　高分辨率海底地形数据奇缺的原因是缺乏高效的测量手段。由于电磁传感在海洋中的局限性，世界海洋的水深测量大多要利用现代声学测绘技术，从水面或水下舰船平台获得。然而，使用单一平台(单艘科考船、水面无人艇、自主水下潜器)开展走航声学测量的效率极低，严重滞后于人类认知海洋、开发海洋的需求。为了弥补现场观测资料的匮乏，卫星测高数据也被用来结合现场资料制作海底地形图，但这类产品与多波束声呐获得的现场测量资料相比仍有相当大的不确定性。
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　　国际上首次大规模多平台现场协同探测的尝试发生于2018年对MH370疑似失事海域的搜索。使用8台自主水下潜器搭载水深设备近底探测，并通过8艘无人艇对自主水下潜器提供一对一的水面通信和高精度定位支持，历时138天完成了12.5万平方千米海域的搜索，是传统单船走航作业方式效率的6倍。但目前该类技术仍大多停留在一条大型母船支撑一台自主水下潜器或遥控无人潜水器的阶段，且在水面、水下无人节点的自适应组网方面研究甚少。
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' [& W" B. T& O6 |$ O　　针对海底地形地貌制图强调测量精度和效率的特点，科学家们可以利用智能敏捷海洋立体观测仪快速、机动的水面水下组网观测能力，高效获取所关注海底区域高精度和高分辨率的形貌信息。在深水区域，发挥水下平台近底探测的高分辨率优势和水面平台的高定位精度优势，自适应组网，加速全球未知海床的精细化探测;在浅水区域，利用水面艇吃水浅、快速、机动的优势，实现海陆过渡带和岛礁附近海域精细化海底地形地貌数据的有效采集，从而为海洋科学研究、环境保障、防灾减灾等提供关键基础数据。

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　　从技术角度考虑，智能敏捷海洋立体观测仪还面临一系列不同于传统观测平台的挑战。拟研制的智能敏捷海洋立体观测仪包括如下关键核心技术：广域异构无人节点集群组网协同控制;复杂海洋环境下的高可靠跨域异构组网通信;广域跨介质环境下的时间同步与定位导航;数据可视化与科考作业管理;适用于复杂任务场景的多功能无人节点。在解决这些关键核心技术的基础上，本项目拟分别研制无人节点集群组网协同控制部件、跨域异构组网通信部件、时间同步与定位导航一体化部件、数据可视化与科考作业管理部件等四大核心部件，以及多功能海洋立体观测专用无人控制节点。

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　　如果把智能敏捷海洋立体观测仪比作一款大型机器人，那么“协同控制”和“组网通信”部件是它的大脑，“时间同步与定位导航”是它的五官，“拖曳无人艇”“双模无人潜器”“可潜无人艇”等多功能无人节点是它的臂膀，“数据可视化与科考作业管理”则是它的心脏。最关键和创新性最强的部件就是大脑和臂膀。值得一提的是，智能敏捷海洋立体观测仪项目启动前，智慧母船“珠海云”、批量化布放回收装置和常规水面无人艇已于2022年底建成并投入使用。

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　　可以预见，智能敏捷海洋立体观测仪将成为经略海洋必不可少的“大国重器”。
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" S0 y. H: z9 h2 u$ j/ D来源 | 中国自然资源报 澎湃新闻等
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