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智能敏捷海洋立體觀測儀示意圖

　　那么，“智能敏捷海洋立體觀測儀(ISOOD)”是一種什么樣的設(shè)備?目標(biāo)如何實現(xiàn)?近日，項目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士陳大可對這項為期5年的科學(xué)行動進(jìn)行科普和解讀。

　　2021年7月20日，古老的黃埔文沖船廠，開始建造一艘新船——全球首艘智能型無人系統(tǒng)母船。

　　陳大可稱其為海洋科考“新物種”，為其命名“珠海云”。

　　這艘智慧母船作為多種無人裝備的運載工具和控制中心，可根據(jù)任務(wù)需求攜帶大批無人機、無人艇、自主水下潛器等裝備快速到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，并通過專用的布放回收裝置實現(xiàn)無人裝備的批量化高效部署。

　　母船部署到位后，可形成從空中4000米到水下1500米、水平跨度160千米的立體協(xié)同觀測網(wǎng)，同時可投放剖面浮標(biāo)、表面漂流浮標(biāo)、漂流小浮子、探空儀等拋棄式裝備作為補充。

　　“智能敏捷海洋立體觀測儀”，正是以智慧母船為載體，通過空、海、潛的各型無人平臺跨域協(xié)同組網(wǎng)，提供一種全新的海洋觀測模式。

　　當(dāng)前，海洋資源開發(fā)、海洋經(jīng)濟發(fā)展、海洋科技創(chuàng)新、海洋生態(tài)文明建設(shè)等方面的活動日益增加，亟須提升快速、機動、高效地獲取高時空分辨率海洋信息的能力，而發(fā)展和鞏固這一能力的關(guān)鍵在于自主研發(fā)先進(jìn)的海洋觀測儀器設(shè)備，并實現(xiàn)基于不同儀器設(shè)備的智能化組網(wǎng)觀測。

　　現(xiàn)有的各種海洋觀測平臺各有優(yōu)勢，但均存在一定的局限性。

　　例如，大型科考船的綜合調(diào)查能力強，但其運營成本非常高，且無法開展大范圍同步觀測;衛(wèi)星遙感平臺能實現(xiàn)準(zhǔn)同步大范圍覆蓋，但難以獲取水下數(shù)據(jù)，尤其對深海的觀測能力不足;Argo(全球海洋觀測計劃)浮標(biāo)觀測網(wǎng)能提供海洋狀態(tài)的大尺度信息，但時空分辨率不夠，且缺乏機動能力。

　　以無人機、無人艇和自主水下潛器為代表的無人智能觀測平臺具備智能、靈活、快速、機動的特點，無疑代表了海洋觀測技術(shù)的前沿發(fā)展方向。但目前這些平臺搭載傳感器的類型和數(shù)量有限，單一平臺無法滿足海洋任務(wù)多樣性的需求。雖然已有不少針對同類無人自主平臺的組網(wǎng)觀測研究，但在跨平臺、跨域組網(wǎng)并形成敏捷、機動集成系統(tǒng)方面的應(yīng)用實踐仍處于起步階段。在這方面搶得先機，對于促進(jìn)我國海洋科技發(fā)展和海洋強國建設(shè)具有重大意義。

　　“傳統(tǒng)海洋觀測手段的局限使得很多重要科技問題至今懸而未決?！标惔罂烧f，“盡管智能敏捷海洋立體觀測儀的應(yīng)用范圍極廣，本項目將聚焦于海洋次中尺度渦旋、海洋與臺風(fēng)相互作用、海底精細(xì)地形測繪這三個重要問題。”

　　刻畫海洋次中尺度渦旋的立體圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質(zhì)平衡和海氣耦合系統(tǒng)中的作用，是智能敏捷海洋立體觀測儀的目標(biāo)之一。

　　海洋次中尺度過程是指海洋中特征空間尺度為10千米、特征時間尺度為1天量級的運動。次中尺度過程廣泛存在于海洋上層，作為連接大尺度環(huán)流和小尺度湍流的物理過程，次中尺度過程在海洋能量級串中扮演著十分重要的角色。此外，由于通常伴隨強烈的垂向運動，次中尺度過程對海洋垂向物質(zhì)交換起著關(guān)鍵性作用，使得海洋中的熱量、鹽度和營養(yǎng)鹽等物質(zhì)得以重新分配，進(jìn)而潛在影響地球氣候系統(tǒng)以及海洋生物化學(xué)平衡。次中尺度過程是目前海洋學(xué)研究的熱點話題，理解其特征和動力機制對于準(zhǔn)確預(yù)測海洋水文環(huán)境和未來氣候變化有重要意義。

　　2009年，美國國家研究委員會召開了一場別開生面的研討會，請與會專家提出2025年之前應(yīng)該并可能解決的最重要的海洋學(xué)問題，次中尺度過程赫然名列榜首。雖然這方面的研究在此后十余年里取得了不小的進(jìn)展，但遺憾的是至今沒有人在海上直接觀測到次中尺度渦旋完整的三維結(jié)構(gòu)，只能分析次中尺度渦的表象。

　　傳統(tǒng)海洋觀測手段的局限性是難以在海上完整捕獲次中尺度渦旋的主要原因。為突破這個局限，新的觀測手段必須滿足幾個條件。首先，由于海洋次中尺度渦旋空間尺度較小、持續(xù)時間較短，必須通過快速、立體、同步、組網(wǎng)的觀測方式來窺探其全貌。其次，由于伴隨次中尺度渦旋的垂向過程非常重要，必須獲取高精度的三維水文數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確診斷其垂向速度。再次，為了追蹤和有效覆蓋多變的次中尺度渦旋，組網(wǎng)觀測必須具備靈活的調(diào)度、控制和自適應(yīng)能力。

　　擬研制的智能敏捷海洋立體觀測儀則可以滿足以上條件。利用智能敏捷海洋立體觀測儀，海洋科學(xué)研究人員可以首先利用衛(wèi)星遙感確定其所在的目標(biāo)海域，然后使用智慧母船快速抵達(dá)，布放多艘拖曳無人艇，一字排開往復(fù)觀測，從而實現(xiàn)對次中尺度渦旋的同步覆蓋和精細(xì)化測量?？茖W(xué)家們將有可能捕捉到次中尺度渦旋完整的三維結(jié)構(gòu)，從而清晰刻畫海洋次中尺度過程的物理圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質(zhì)平衡和海氣耦合系統(tǒng)中的作用。這是令人興奮、期待的一刻。

　　闡明上層海洋對臺風(fēng)的響應(yīng)過程和反饋機理，提高對臺風(fēng)強度和臺風(fēng)過程中海洋環(huán)境的預(yù)報能力，是智能敏捷海洋立體觀測儀的另一個主要目標(biāo)。

　　我國是世界上飽受臺風(fēng)影響的國家之一。提高臺風(fēng)預(yù)報水平一直是國家防災(zāi)減災(zāi)的重大需求，也是海洋與大氣研究的前沿課題。

　　過去幾十年間，臺風(fēng)路徑預(yù)報水平一直穩(wěn)步提升，但其強度預(yù)報卻沒有明顯改善。大量研究證實，在預(yù)報模式中同化臺風(fēng)到來前的海洋現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，能夠有效改善初始條件從而提高臺風(fēng)預(yù)報水平。

　　可是，在海上直接觀測臺風(fēng)以及海洋與臺風(fēng)的相互作用過程既危險又昂貴。以往臺風(fēng)期間的海上觀測主要依靠衛(wèi)星遙感、少量的錨定浮標(biāo)和漂流浮標(biāo)，現(xiàn)場資料極其稀缺。最近，水下滑翔機和波浪滑翔器也開始得到應(yīng)用，但還未形成多平臺智能化組網(wǎng)觀測的優(yōu)勢。

　　傳統(tǒng)的“守株待兔”式的海上臺風(fēng)觀測方法有顯而易見的局限性，不僅運維成本高昂，而且空間分辨率低，缺乏機動能力。為了突破這些局限，需要發(fā)展一個適應(yīng)于極端海況、可以根據(jù)臺風(fēng)路徑變化隨時調(diào)整、且兼顧水面和水下的跨域組網(wǎng)立體觀測儀器。

　　智能敏捷海洋立體觀測儀的研制，正是為了更好地滿足上述要求。利用該儀器，科學(xué)家可以在臺風(fēng)到來前，將智慧母船開到目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┙M網(wǎng)立體觀測，同時可潛無人艇下潛懸停，等待臺風(fēng)到來。臺風(fēng)過程中，可潛無人艇上浮發(fā)射探空火箭，并跟隨臺風(fēng)中心運動，獲取氣象水文信息。臺風(fēng)過去后，再次實施立體觀測。從而實現(xiàn)對臺風(fēng)前、中、后期的上層海洋與海氣邊界層變化的精細(xì)觀測，以此闡明上層海洋對臺風(fēng)的響應(yīng)過程和反饋機理，提高對臺風(fēng)強度和臺風(fēng)過程中海洋環(huán)境的預(yù)報能力。

　　提升高精度海底地形地貌制圖效率，為海洋科學(xué)研究、環(huán)境保障、防災(zāi)減災(zāi)等提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是智能敏捷海洋立體觀測儀要解決的第三個問題。

　　海底地形對于地球和海洋科學(xué)十分重要。例如，美國科學(xué)家瑪麗·薩普和布魯斯·希森于1977年繪制的第一張世界海底全景圖，首次為板塊漂移學(xué)說提供了可靠證據(jù)，并為海底擴張和俯沖理論奠定了基礎(chǔ)。

　　海洋科學(xué)家要依靠測深圖集來制定海洋科考計劃;遠(yuǎn)洋船隊需要精準(zhǔn)的測深地圖來確保安全高效的航行路線;業(yè)務(wù)部門要靠測深地圖來預(yù)報海嘯、風(fēng)暴潮并規(guī)劃應(yīng)對方案……

　　對于研究海洋環(huán)流、潮汐波浪、漁業(yè)資源、沉積物輸送、環(huán)境變化、水下地質(zhì)災(zāi)害、電纜和管道路線、海洋資源勘探和開發(fā)、海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，海底地形都是必不可少的基本數(shù)據(jù)，同時也是當(dāng)今海洋信息中缺失極其嚴(yán)重的一項數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)海床2030計劃規(guī)定的分辨率標(biāo)準(zhǔn)，全球已直接測量的海床面積僅占總面積的6%左右，而水平分辨率高于200米的海底精細(xì)地形占比更是小于1%。因此，海床被稱為地球上最后的未開發(fā)地帶。

　　高分辨率海底地形數(shù)據(jù)奇缺的原因是缺乏高效的測量手段。由于電磁傳感在海洋中的局限性，世界海洋的水深測量大多要利用現(xiàn)代聲學(xué)測繪技術(shù)，從水面或水下艦船平臺獲得。然而，使用單一平臺(單艘科考船、水面無人艇、自主水下潛器)開展走航聲學(xué)測量的效率極低，嚴(yán)重滯后于人類認(rèn)知海洋、開發(fā)海洋的需求。為了彌補現(xiàn)場觀測資料的匱乏，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)也被用來結(jié)合現(xiàn)場資料制作海底地形圖，但這類產(chǎn)品與多波束聲吶獲得的現(xiàn)場測量資料相比仍有相當(dāng)大的不確定性。

　　國際上首次大規(guī)模多平臺現(xiàn)場協(xié)同探測的嘗試發(fā)生于2018年對MH370疑似失事海域的搜索。使用8臺自主水下潛器搭載水深設(shè)備近底探測，并通過8艘無人艇對自主水下潛器提供一對一的水面通信和高精度定位支持，歷時138天完成了12.5萬平方千米海域的搜索，是傳統(tǒng)單船走航作業(yè)方式效率的6倍。但目前該類技術(shù)仍大多停留在一條大型母船支撐一臺自主水下潛器或遙控?zé)o人潛水器的階段，且在水面、水下無人節(jié)點的自適應(yīng)組網(wǎng)方面研究甚少。

　　針對海底地形地貌制圖強調(diào)測量精度和效率的特點，科學(xué)家們可以利用智能敏捷海洋立體觀測儀快速、機動的水面水下組網(wǎng)觀測能力，高效獲取所關(guān)注海底區(qū)域高精度和高分辨率的形貌信息。在深水區(qū)域，發(fā)揮水下平臺近底探測的高分辨率優(yōu)勢和水面平臺的高定位精度優(yōu)勢，自適應(yīng)組網(wǎng)，加速全球未知海床的精細(xì)化探測;在淺水區(qū)域，利用水面艇吃水淺、快速、機動的優(yōu)勢，實現(xiàn)海陸過渡帶和島礁附近海域精細(xì)化海底地形地貌數(shù)據(jù)的有效采集，從而為海洋科學(xué)研究、環(huán)境保障、防災(zāi)減災(zāi)等提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　從技術(shù)角度考慮，智能敏捷海洋立體觀測儀還面臨一系列不同于傳統(tǒng)觀測平臺的挑戰(zhàn)。擬研制的智能敏捷海洋立體觀測儀包括如下關(guān)鍵核心技術(shù)：廣域異構(gòu)無人節(jié)點集群組網(wǎng)協(xié)同控制;復(fù)雜海洋環(huán)境下的高可靠跨域異構(gòu)組網(wǎng)通信;廣域跨介質(zhì)環(huán)境下的時間同步與定位導(dǎo)航;數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理;適用于復(fù)雜任務(wù)場景的多功能無人節(jié)點。在解決這些關(guān)鍵核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，本項目擬分別研制無人節(jié)點集群組網(wǎng)協(xié)同控制部件、跨域異構(gòu)組網(wǎng)通信部件、時間同步與定位導(dǎo)航一體化部件、數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理部件等四大核心部件，以及多功能海洋立體觀測專用無人控制節(jié)點。

　　如果把智能敏捷海洋立體觀測儀比作一款大型機器人，那么“協(xié)同控制”和“組網(wǎng)通信”部件是它的大腦，“時間同步與定位導(dǎo)航”是它的五官，“拖曳無人艇”“雙模無人潛器”“可潛無人艇”等多功能無人節(jié)點是它的臂膀，“數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理”則是它的心臟。最關(guān)鍵和創(chuàng)新性最強的部件就是大腦和臂膀。值得一提的是，智能敏捷海洋立體觀測儀項目啟動前，智慧母船“珠海云”、批量化布放回收裝置和常規(guī)水面無人艇已于2022年底建成并投入使用。

　　可以預(yù)見，智能敏捷海洋立體觀測儀將成為經(jīng)略海洋必不可少的“大國重器”。

來源 | 中國自然資源報 澎湃新聞等