文 / 曹俊, 徐伟哲, 胡中惠, 姜磊, 杨青松(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室, 江苏 无锡, 214082)
摘 要：深海有人/无人装备是深海进入、深海探测和深海开发的重要平台，为应对深海作业所面临的危险、狭小等复杂作业环境，有人/无人协同作业已成为各国竞相发展的新型作业模式。不同于传统的水面母船布放无人缆控装备模式，本文重点研究载人装备/无人缆控装备水下母子式协同作业新模式，阐述了水下母子式协同的具体内涵，分析了水下母子式协同作业模式在民用及军用领域的代表性应用案例，在蛟龙号与龙珠号母子式协同作业的基础上，提出需迭代优化的关键技术。
关键词: 载人装备; 无人装备; 深海; 母子式协同
深海有人/无人装备是深海进入、深海探测和深海开发的重要平台，作为海洋高技术的重要组成部分，其技术水平一定程度上标志着国家的科技水平和国防能力[1-2]。
按照自主能力等级可以将水下无人装备运用分为 3 种模式：“人在回路中”的遥控式、“人在回路上”的调控式和“人在回路外”的全自主式。现阶段无人装备的智能化水平离全自主还有非常大的差距，因此需要在人的高级智慧操作下遂行作业任务[3]。
有人/无人母子式协同作业，指的是有人装备作为母体，搭载、布放子无人装备进行探测等作业任务，完成作业任务后可将子无人装备回收到母体，或者抛弃不回收。充分发挥有人装备和无人装备的特有优势，在有人装备的主导下协同作业，强调有人无人互补增能，通过高度的信息共享、任务综合和资源优化，实施协调一致的行动，进而共同达成作业任务[4]。
1912 年，著名的泰坦尼克号不幸与冰山相撞并沉没，造成和平时期最严重的一次航海事故。人类对泰坦尼克号沉船遗迹探索的强烈意愿，催生了载人潜水器（HOV，Human Operated Vehicle）与无人缆控潜水器（ROV，Remotely Operated Vehicle）母子式协同的创新作业模式。本文所研究的水下母子式协同，区别于传统的水面母船布放无人缆控装备，是载人装备与无人缆控装备的组合，载人装备作为母体，搭载布放子无人缆控装备，代替人在危险、狭小等复杂作业环境下进行作业。结合载人/无人缆控装备的特有优势，在民用领域实现载人/无人缆控装备母子式协同作业方兴未艾，在军用领域实现潜艇/无人缆控装备母子式协同作战也是各国军方的研究热点[5]。
载人/无人缆控装备母子式协同在民用领域起步较早，由潜航员在载人舱内遥控执行舱外任务，美国、俄罗斯、法国、瑞典等国已有大量可靠应用；军用领域对该项技术亦兴趣浓厚，由潜艇艇员在艇内遥控执行艇外任务，瑞典、美国和俄罗斯等国已基于潜艇开展试验验证和应用。
1986 年，美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）使用 Alvin号 HOV遥控 Jason Junior号小型 ROV，首次对泰坦尼克号沉船遗迹（3800 m 深）进行抵 近勘察，对沉船遗迹外部及内部进行了详细的照相、摄像和调查（见图 1）
Jason Junior 号小型 ROV 由伍兹霍尔海洋研究所的深潜实验室研发，其艏部安装有摄像机等光学探测设备，可搭载于 Alvin 号 HOV 艏部采样篮内，Alvin 号通过 1 根 60 米长的光纤电缆进行远程操纵控制，前往 Alvin 号无法抵达的危险或狭小复杂区域。
俄罗斯、法国等国基于本国深海载人潜水器，相继拓展了单 HOV/单 ROV 母子式协同作业模式。俄罗斯在单 HOV/单 ROV 母子式协同的基础上，提高母子式协同规模数量，拓展了双 HOV/双 ROV 母子式协同作业模式。
2005 年，俄罗斯 Mir 号 HOV 工程师和美国相关专家一起研发了相关深海直播技术，使用 2 台 Mir 号 HOV 对泰坦尼克号沉船遗迹进行现场视频直播，实现了首次深海直播。Mir 号 HOV 布 放 Jake 号小型 ROV（蓝色）和 Elwood 号小型ROV（黄色），对泰坦尼克号沉船遗迹外部及内部进行近距离视频直播（见图 2）。
美国等国家的知名商用载人潜水器制造商，在其商用载人平台上也逐步拓展了单 HOV/单ROV 母子式协同作业模式。
2010 年，美国 SEAmagine 公司基于其 Ocean Pearl 平台建造了 SEAmagine 9 号 HOV，可搭载2 人。SEAmagine 9 号 HOV 可搭载美国 SeaBotix公司的 LBV300 型 ROV（见图 3），ROV 缆长 20米，集成有高清相机、机械手和线缆切割工具，具备狭小空间抵近探测、载人潜水器自拍以及线缆缠绕切割自救等能力。
瑞典等国家的商用机器人公司，还进一步拓展了潜水员/单 ROV 母子式协同作业模式。
2015 年，瑞典 TTRobotix 公司推出了 Seawolf小型 ROV，整体为水滴状的流线造型，艏部为透明材质，能够搭载 GoPro 相机等进行拍摄。该型ROV 可由潜水员通过防水控制器单手遥控，符合人体工程学设计，实现潜水员与小型 ROV 的母子式协同作业（见图 4），满足潜水员在潜水困难或危险区域进行近距离高清拍摄的需求。
2014 年，蛟龙号 HOV 搭载龙珠号 ARV，在西北太平洋采薇海山海区（2424 m 深）开展深海试验应用，按照预先规划的协同作业流程分工协作，默契配合，并完成了相互之间的互动拍摄，首次取得蛟龙号水下作业影像资料（见表 1 和 图 5），开创了我国不同类型潜水器优势互补、协同作业的母子式协同新模式[6]。
龙珠号是为蛟龙号设计的专用小型 ARV，通信介质为光纤，搭载于前侧采样篮里，由潜航员在载人球舱内对其进行遥控操作，运动半径 100米，其自身携带能源，续航时间 3 小时。龙珠号的主要功能是扩展蛟龙号的观测范围，代替蛟龙号进入狭小、危险区域进行抵近考察，例如深海热液等局部区域的精细探测；同时，还可从外围实时拍摄蛟龙号的作业情况，预先检查蛟龙号在未知海域的坐底底质；在紧急情况下，可检查蛟龙号外部故障、触发蛟龙号应急抛载机构以及协助蛟龙号脱险脱困。
1.2 军用领域
瑞典 Saab 公司研发了一款能通过潜艇遥控的 ROV 系统（SUBROV 系统），包括 ROV 本体、绞车（包括缆绳管理系统）和潜艇艇员控制台（见图 6）。该系统使得潜艇艇员可以在潜艇内部遥控ROV 执行艇外特种作业任务，不仅可以用作回收UUV 等无人装备，还可以用作侦察、水下作业以及作为通信中继。
SUBROV 系统采用模块化设计，兼容潜艇艏部的重型鱼雷发射管（直径 533 mm），实现搭载、布放及回收功能，无需对潜艇上现有鱼雷发射管进行改装（见图 7）。该系统通过电缆与潜艇连接及交互，由潜艇为其提供电源、控制和导航，潜艇艇员遥控 ROV 实现“人在回路中”的实时遥控或“人在回路上”的实时调控。
美国海狼级核动力攻击型核潜艇，设计初衷用于反潜作战。随着濒海战斗环境的复杂以及由海对陆战略的转变，美国海军对第 3 艘海狼级潜艇 USS Jimmy Carter（SSN 23）的设计进行了调整，最主要的变更是在艇体中部增加一段 30 m长的多任务平台（Multi-Mission Platform，MMP）（见图 8）。多任务平台 MMP 可搭载海军特种作战相关设施设备、火力武器模块、抛弃式武器装备以及 ROV，潜艇艇员可以在潜艇内部遥控 ROV执行艇外特种作业任务。
蛟龙号 HOV 与龙珠号 ARV 开创了我国有人/无人母子式协同作业新模式，西北太平洋深海试验应用展示了优异的实际应用性能。
为进一步提升水下载人/无人装备母子式协同技术水平，促进军民融合发展，后续还需要在兼容性设计、脐带缆技术、流体干扰处理、综合控制系统等方面不断迭代优化。
2.1 兼容性设计
对载人装备与无人缆控装备母子式协同的兼容性要求进行分析，涉及搭载功能、布放功能、遥控功能、回收功能，并将不同装备的兼容性要求转化为系统设计要求。
（1）载人装备，与载人装备的结构、耐压、密封、载人装备载设备、载人装备载系统等处于兼容状态，简称“兼容载人装备”。
（2）潜航员，潜航员经过良好训练便能熟练掌握必须的操作技能，简称“兼容潜航员”。
（3）无人缆控装备，适用于载人装备布放回收特定要求的无人缆控装备，简称“兼容无人缆控装备”。
2.2 脐带缆技术
脐带缆一般包括光、电、机、填充物等多种类型部件或材料，采用复合的结构形式，学科交叉强、综合要求高[7]。
作为载人装备与无人缆控装备的连接件，脐带缆需具有动力传输、光纤通信、遥控指令传输、视频影像传输和无人缆控装备本体收放承载等综合功能。同时脐带缆还需要具备质量轻、浮力优、机械强度高、耐腐蚀性好、耐磨损性能好以及可反复收放等特点。在脐带缆缠绕等特殊情况下，切割工具能够启动完成线缆缠绕切割自救，实现载人装备脱困脱险。
2.3 流体干扰处理
母子式协同作业中，相对于载人装备，无人缆控装备几何尺寸（或排水量）较小。
针对几何尺寸存在差异的双体（载人装备、无人缆控装备），首先，研究环境来流（海流、尾流、波浪）的流体干扰；其次，研究近壁面（海底平壁面、载人装备曲壁面）的流体干扰；然后研究无人缆控装备相对载人装备运动（平行于载人装备纵轴线、垂直于载人装备纵轴线）时的流体干扰；最后，依据流体干扰分析结果，研究相应的抗干扰技术，以减少流体干扰对无人缆控装备布放回收的影响。
2.4 综合控制系统
综合控制系统主要用于实现整个有人/无人系统的智能协同、航行控制、载荷控制（视频、照明等）、能源分配和状态监测。
综合控制系统复杂、技术含量高，其研究内容包括：复杂作业环境下的航行控制技术、无人缆控装备控制方法、智能协同作业方法、传感器数据实时监测、系统状态预警、故障紧急隔离、多源信息融合与处理分析、可视化的综合信息显控技术、数据记录与分析等。
经过近 20 年的跨越式发展，我国载人深潜技术和装备在深度等级和作业能力上，整体上已处于国际前沿。为应对深海作业所面临的危险、狭小等复杂作业环境，有人/无人协同作业已成为各国竞相发展的新型作业模式。美国、俄罗斯、瑞典等国家已开展母子式协同技术的研究，并完成海上验证和实际应用。全面总结蛟龙号与龙珠号研制及应用经验教训的基础上，聚焦水下载人/无人装备母子式协同作业需求，在兼容性设计和综合控制等方面进一步迭代优化，积极拓展军用融合应用，最终实现有人无人互补增能。
[1] 曹俊, 胡震, 刘涛, 等, 深海潜水器装备体系现状及发展分析[J]. 中国造船, 2020, 61(1): 204-218.
[2] 胡震, 曹俊. 载人深潜技术的发展与应用[J]. 中国工程科学, 2019, 21(6): 87-94.
[3] 傅好华, 单月晖. 智能化人机协同作战发展研究[C]. 第九届中国指挥控制大会论文集, 2021: 213-217.
[4] 杨帆， 董正宏. 有人/无人平台协同技术与行动模式研究[J]. 国防科技, 2018, 39(4): 57-62.
[5] 曹俊，杨青松，王帅，等. 深海载人/无人水下航行器智能协同技术研究[C]. 2020 年水下无人系统高峰论坛论文集, 2020: 12-15.
[6] 李一平, 李硕, 张艾群. 自主/遥控水下机器人研究现状[J].工程研究-跨学科视野中的工程, 2016, 8(2): 217-221.
[7] 连琏, 魏照宇，陶军, 等. 无人遥控潜水器发展现状与展望[J]. 海洋工程与装备技术, 2018, 5(4): 223-231.
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