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2017-03-01 次瀏覽 分類:水下機器人行業資訊

我國海洋水下觀測網發展戰略

海洋是一個瀕海國家發展的重要生命線,步入新世紀,海洋在我國社會主義事業發展的地位和作用日益突出。黨的“十八大”報告中明確提出“提高海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護海洋生態環境,堅決維護國家海洋權益,建設海洋強國。”

 

海洋觀測是認識海洋的基礎學科,是海洋強國建設的基礎支撐。海洋經濟已成為我國經濟發展新的增長點,國務院先后批復設立了多個沿海經濟開發區域,新常態下的海洋經濟發展新形勢對海洋基礎環境要素觀測及產品服務能力提出了新的需求;海洋資源開發、海上交通運輸、海洋漁業、海洋海島旅游、海洋工程建設等新的生產形式的增加,也使得海上突發事件日益增加,氣候變化更加加劇了海平面上升、極端天氣氣候事件等災害,沿海地區遭受洪澇、風暴潮、海岸侵蝕和咸潮入侵等海岸帶災害加重,登陸臺風強度和破壞度增強,這些對海洋觀測提出了迫切需求;同時,21世紀海上絲綢之路建設的重要戰略部署對我國海洋環境安全保障能力建設提出了新要求,對我國海洋觀測體系建設提出了新需求

 

1 我國海洋水下觀測網的戰略地位分析

 

1.1 提高海洋水下防御能力、保障國家安全


目前及今后一定時期內,我國安全的戰略威脅主要來自海上。美國實施“重返亞太”戰略,持續加強在日本、韓國、菲律賓甚至印度洋中部的兵力部署,在海峽通道部署了水下聲學監視系統。2012年以來,我國漁民在三亞近岸海域打撈到水下無人航行器,種種此類活動已對我國水下防御能力提出了重大挑戰。

 

1.2 維護海洋權益、加強海洋綜合管控能力

 

近年來,我國與周邊海洋國家在島嶼主權爭端、海上劃界、海洋資源等海洋權益問題的矛盾和糾紛日益顯現和激化。在東海,由于釣魚島地理位置的重要戰略意義,中日圍繞釣魚島的主權、大陸架和專屬經濟區劃界以及油氣和漁業資源的開采等發生的爭端不斷;在南海,越南、菲律賓等國注重在政治上、法律上尋找依據的同時,大力加強海上軍事力量建設,加緊對其所非法占有的島礁積極建設和發展旅游,造成非軍事化利用的既成事實,增加爭端解決的難度。

 

1.3 保護海洋生態環境、構建和諧海洋文明

 

隨著海洋經濟的不斷發展,我國近岸海域承受著越來越巨大的環境壓力,在全球氣候變化及人類活動的共同影響下,重要海洋功能區受損嚴重,海洋生物瀕臨絕跡、海洋漁業資源枯竭,赤潮頻發,油污染事故不斷,對我國近岸海洋生態環境的保護能力提出更大的挑戰。我國海洋主管部門在不斷完善海洋環保法規的基礎上,不斷加大海洋生態保護工作的力度,但是,近海環境不斷惡化的趨勢至今仍無法得到有效遏制。

 

1.4 保障海洋經濟發展、預防預警海洋災害

 

我國沿海地區聚集了全國60%以上的經濟總量和40%以上的人口,海洋經濟在國民經濟中的比重已接近10%,成為我國新的經濟增長點,沿海地區的漁業、石油、海洋可再生能源開發以及海上交通運輸等活動日益增長,這對海洋環境保障提出了更高的要求。同時,我國也是海洋災害頻發的國家,其中風暴潮、赤潮、海浪、海嘯、海冰等是發生頻率較高、破壞性較大的海洋災害,對我國沿海地區的經濟發展和人民生命財產安全構成了巨大威脅。此外,我國是位于環太平洋和地中海-喜馬拉雅兩大地震帶之間的多地震國家,臺灣地區和東南沿海地區則是地震主要分布區域之一。

 

1.5 促進海洋科學研究、推動海洋技術發展

 

海洋科學是一門以觀測為基礎的戰略科學,海洋科技實力是衡量一個國家科技水平的重要標志之一。隨著海洋科學的不斷發展,20世紀80年代末開始的全球變化研究,海洋環境長期連續觀測的必要性日益顯現。美國、歐洲、加拿大、日本等海洋強國開始了海底長期觀測站網的建設,為海洋在全球氣候中的作用、深海生態系統、海洋系統的過程與機制以及近海海洋學等科學研究提供長序列觀測數據,同時也為海底天然氣水合物、海底地震活動的實時監測提供了強有力的技術支持。而我國在這方面剛剛起步,與國際海底長期觀測技術水平相比落后了至少10年,亟需開展海底觀測網絡基礎設施建設,縮短國際差距。

 

2 國外海洋水下觀測網的發展現狀

 

2.1 國外海洋發達國家有關政策

 

美國在“十二五”期間先后發布了3個重要政策:(1)2010年美國總統奧巴馬簽署總統令,批準了美國白宮環境質量委員會跨部門海洋政策特別工作組提交的《海洋、海岸和大湖區國家管理政策》,從國家層面成立了國家海洋理事會,對國家安全、能源與氣候變化、經濟政策等重大問題進行協調;(2)2011年美國國家研究委員會海洋基礎設施戰略研究組發布了《2030年海洋研究和社會需求關鍵基礎設施》,從國家基礎設施角度對未來20年海洋科學知識的承受能力進行了分析,提出船舶、衛星遙感、現場觀測陣列和海岸實驗基地是海洋科研基礎設施的中心;(3)2013 年美國國家科技委員會發布的《一個國家的海洋科學:海洋優先研究計劃修訂版》,面向國家政策需求,從海洋科學與社會問題結合的角度提出了美國海洋研究的優先研究領域,如海洋酸化、北極地區變化等自然科學研究,以及海洋生態系統與氣候變化等社會問題研究

 

2007年日本《海洋基本法》正式生效。根據這一基本法,政府制定《海洋基本計劃》,每5年修訂1次。2013年4月,日本內閣正式通過了新修訂的《海洋基本計劃》(2013—2017)決議,制定了未來5年的新舉措,如:到2018年,完善可燃冰商業化開采技術;2023—2028年逐步扶持私營企業參與海底熱液礦床商業化項目;對錳結核與富鈷結殼的資源量與生產技術開展調查研究。此外,稀土是日本在海洋礦產開發方面的主攻目標之一。2013年1月,日本海洋研究開發機構和東京大學的聯合研究團體利用“海嶺”號深海調查船,從日本最東端的南鳥島周邊的海底泥中發現高質量濃度稀土。分析顯示,在南鳥島以南約200 km的海底之下3 m左右的淺層泥沙中,存在質量濃度最高達0.66%的稀土,這是目前發現的全球質量濃度最高的有工業利用價值的稀土

 

2009年澳大利亞政府海洋政策科學顧問小組發布戰略性的國家海洋研究和革新框架——《一個海洋國家》,該報告具體闡述了國家、產業部門以及公眾對海洋研究、開發以及創新的需求,建議從國家層面協調海洋科學研究,重點關注以下幾個方面的海洋研究與創新問題:探索、發現以及可持續性;觀測、認知和預測;海洋產業發展;廣泛參與及成果轉化。2013年3月,該小組又發布了《海洋國家2025:支撐澳大利亞藍色經濟的海洋科學》報告,從戰略角度列出了同時與澳大利亞密切相關的6大全球性挑戰:海洋主權和海上安全、能源安全、糧食安全、生物多樣化和生態保護、氣候變化、資源分配等

 

2.2 國外海洋發達國家重點研發項目

 

2.2.1美國海洋監視信息系統(OSIS)

 

20世紀70年代是美海軍情報系統由戰略目的轉向戰術性利用的標志性時間。OSIS建成于70年代初期,通過收集各種情報數據對其進行處理以得到海上目標的圖像。其中,固定式海洋水聲監視系統SOSUS是OSIS的水下信息源。

 

20世紀60年代,美國在其本土東西兩側的大西洋和太平洋建立起多個由深水水聽器陣組成的SOSUS 水聲監視系統,電纜總長度有30 000英里。在太平洋海域和大西洋海域分別建起了3條警戒線,其中太平洋海域中的1條即為:由俄羅斯的勘察加半島起,經日本群島,向南延伸到菲律賓和馬六甲海峽。該系統在監視水下潛艇活動方面曾發揮了重要作用。到20世紀80年代后期,美軍在三大洋和海上交通要沖部署了36個水聽器基陣,總監控面積達到北半球海域的四分之三。在此基礎上,20世紀末美國將其升級為綜合水下監視系統IUSS,由固定分布式系統(FDS)、監視引導系統(SDS)、可部署系統(ADS)和水面拖曳陣傳感器系統(SURTASS)組成,用于探測活動于深海和近海的安靜型常規型潛艇和核潛艇。

 

2.2.2美國持久性近岸水下監測網絡(PLUSNet)

 

21世紀,美國海軍研究局啟動了PLUSNet項目,由固定在海底的靈敏水聽器,電磁傳感器以及移動的傳感器平臺,如水下滑翔機和AUV等組成,固定觀測設備與移動觀測平臺之間能夠雙向通信,組成半自主控制的海底觀測系統。該系統旨在利用移動平臺自適應地處理和加強對淺水區,尤其是西太平洋地區的低噪聲柴電潛艇進行偵察、分類、定位和跟蹤。2006年,PLUSNet在蒙特利灣進行了大規模試驗,通過攜帶不同傳感器的潛航器,監測溫度、鹽度、水流、化學要素等海洋環境,實現對水下目標的探測、跟蹤、分類和定位,該網絡計劃在2015年具備作戰能力。

 

2.2.3東北太平洋時間序列海底網絡試驗(NEPTUNE)

 

NEPTUNE是美國于1999年首先作為其國家海底觀測計劃地球海洋動力學的一個重要組成部分而提出實施的項目,目標是在20萬平方公里的胡安·德富卡板塊上建設海底網絡平臺,開展板塊構造過程與地震動力學、海底流體通量和天然氣水合物動力學、區域性海洋/氣候動力學及對海洋生物的影響、深海生態系統動力學、海洋工程技術五個前沿科學主題研究。這是國外典型的軍民共用的基礎設施之一。美國最終以海洋觀測計劃(OOI)實施,加拿大以NEPTUNE Canada項目實施。OOI中的海底網絡平臺鋪設主干光纜達900 km,布放7個主節點,現已完成海底觀測陣列所有建設工作,計劃于2015年10月份通過互聯網提供數據。NEPTUNECanada海底網絡平臺鋪設主干光纜達800 km,布放5個主節點,現已業務運行將近6年。兩者共同對橫跨胡安·德富卡板塊從近岸到3000 m水深的深水大洋進行觀測,在海底事件實時偵測和新發現方面發揮了重要作用

 

2.2.4歐洲多學科海底觀測(EMSO)

 

2008年由歐洲12國共同執行的EMSO計劃開始實施,EMSO接受了原歐洲海底觀測網ESONET的規劃內容,將從北極、亞北極、北大西洋、大西洋亞熱帶到地中海和黑海建設12個深海觀測站,共同聯網構成歐洲海底觀測網絡綜合系統,專注于海洋環境變化過程研究,主要采取獨立的聲學海底觀測站和電纜式觀測站兩種方式。

 

2.2.5密集型海底地震海嘯監測網絡系統(DONET)

 

日本作為一個地震多發國家,早在20世紀末,分別在近岸和太平洋遠洋建立了纜式海底長期觀測站,水深至3 000 m,主要用于地震科學觀測。2006年,開始在日本南海海槽周邊海域建設DONET,海底骨干網絡光纜長達750 km,觀測站達49個,可準確地探測地震和海嘯活動。該系統可靠性分為3個等級:高可靠性的海纜骨干網、可更換的科學節點和可擴展的測量儀器

 

2.3 國外海洋發達國家新型技術裝備

 

海底網絡設備方面,水下恒壓供電接駁設備和恒流供電接駁設備是目前國際海底網絡設備的主流產品,均已實現3 000 m級水深、10 kW供電的海底接駁能力,該項技術為美國、日本和加拿大所掌握。其中,恒壓供電接駁設備產品較成熟,應用范圍較廣,如:美國的OOI海底觀測陣列、加拿大NEPTUNE和VENUS海底觀測網等;恒流供電接駁設備主要是應用于退役的海底通信光纜,如日本的DONET觀測網和美國的ALOHA海底觀測站等。

 

水下移動觀測平臺方面,自持式剖面探測漂流浮標(Argo)、水下滑翔器(Glider)、自治式水下航行器(AUV)是目前水下移動組網觀測比較成熟的幾類技術。AUV已形成了從微型到大型的系列化產品,以美國Bluefin系列和REMUS系列、挪威Hugin系列、英國AutoSub系列、冰島Gavia系列為代表,占據了主要的AUV市場。而且,這些AUV都配備專門的布放回收系統,縮短了AUV在航次之間的準備時間。美國擁有目前世界上較為成熟的Glider技術,在海上溢油追蹤和颶風引起的海水運動觀測中,多臺水下滑翔器快速觀測大范圍海域的應用也開展了多次。值得一提的是美國斯克里普斯海洋學研究所研發的新一代“ZRay”完成,升阻比提升到30∶1,攜帶了29通道水聽器陣列。

 

3 我國海洋水下觀測面臨的形勢分析

 

國際上,海、陸、空聯合組網觀測已經成為海洋立體觀測的有效手段,并將持續穩定發展下去。水下觀測則呈現出長期持續和機動靈活兩種不同的發展方向,海底網作為繼調查船和衛星之后的第3個海洋觀測平臺,預計未來20年全球海底觀測網絡將基本成型

 

我國近些年通過多種科技計劃的實施,在水下觀測技術裝備方面取得了一定成績,但與海洋發達國家相比仍存在較大差距,與海洋強國目標實現仍有較大距離,主要表現在:

 

(1)基礎研究薄弱、重點工程技術落后

 

我國在水下觀測網絡化建設方面剛剛起步,水下觀測傳感器和平臺技術的相關基礎研究薄弱,海底長期高壓供電、水下濕插拔、水下移動通信組網等基礎研究未取得實質性突破,水下長期觀測設備與大數據處理技術研究滯后,造成我國海底科學觀測網工程技術整體落后。

 

(2)中試環節缺少標準、產業化進程緩慢

 

我國發展較成熟的海洋觀測技術裝備在進入科學研究應用或國家業務化觀測應用之前,缺少中試環節,缺乏觀測技術裝備測試檢定的海上公共平臺,造成觀測設備的穩定性與可靠性較低,制約了觀測技術走向業務化和產業化的進程。

 

(3)海洋科技力量分散、高層次科研隊伍缺乏

 

海洋強國戰略提出2年多來尚未形成海洋強國建設的規劃性綱領文件,各系統海洋科技力量投入逐年增多,但比較分散,導致各不同技術力量系統以海洋強國之名成立各種機構,以獲得不同渠道的資本投入,但仍沒有形成任何一股強有力的科研力量,沒有形成科學與技術有力結合的科研隊伍。

 

4 我國海洋水下觀測網的發展建議

 

新形勢下,我國海洋水下觀測能力的發展應以海洋強國建設為主線,構建我國海洋水下觀測業務體系,力爭通過20年左右的發展,總體水平達到國際先進,建議重點開展以下幾個方面的工作:

 

(1)開展我國海洋水下觀測網頂層設計。形成以海底網為主體、移動網為擴展的水下觀測網絡,與遙感觀測平臺、調查船舶平臺形成綜合立體觀測網絡。

 

(2)開展全局部署戰略研究。形成由近海向遠洋、由近岸向極地、由淺水向深水的拓展趨勢,建設以試驗網、業務網為構成的具有我國特色的水下觀測網。

 

(3)開展重點工程建設研究。啟動我國海底觀測網專項,支撐軍民融合技術發展,對我國管控海域和敏感海域開展水下部署。

 

(4)建立產業聯盟,加快關鍵技術研發步伐,推動標準體系建設,提高設備國產化水平。

 

(5)開展國際技術交流與合作,形成一批具有國際影響力的高層次人才和隊伍。

 


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