蔚蓝色的辽阔海洋孕育出地球最初的生命，也是地球上最广阔的水域。全球海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71%，蕴含着丰富的资源。

　　近年来，我国海洋经济始终保持着中高速的发展和增长，在国民经济中占有重要的地位。目前海洋经济已占国民生产总值的9.4%，达到了每年8万亿元的规模。

　　伴随着海洋资源的不断开发，我国相关行业对水下装备的作业能力也提出了更为迫切的需求。2016年5月30日习总书记在全国科技创新大会两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上指出：“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，但要得到这些宝藏就必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术”。

　　在近日举办的第281期中国工程科技论坛上，中车株洲电力机车研究所有限公司（简称中车株洲所）牵引传动控制学科带头人、教授级高工刘可安对《高科技与产业化》记者表示，中车时代电气从轨道交通领域跨界进入海洋工程装备领域，不仅仅只是为了投资，更重要的是补强民族工业的这块短板，同时将自身在高铁领域积累的先进技术应用于海洋工程装备。

　　“我们在提升竞争力的同时将积极构建国内自主研发工业链体系，让中国中车和中国的海洋工程装备在未来能昂首迈向深海。”

　　中国海洋工程装备发展总体滞后

　　海洋工程装备指海洋资源勘探、开采利用过程中所使用的大型工程装备和辅助装备，具有高技术、高投入、高产出、高附加值、高风险的特点。

　　深海智能机器人属于海洋工程装备的一部分，用在深海油气资源探勘、科考和海洋防卫等众多的领域。从1890年全球第一台深海机器人问世至今，深海机器人的研究已经历了一个多世纪的发展。

　　现代深海机器人产品可根据其连接方式和传输信号的不同分为有缆遥控水下机器人（ROV）和自主航行式水下机器人（AUV）两种类型，也可按照载人和无人的标准进行划分。作为工程作业的深海机器人通常采用有缆无人的模式。从海洋工程费用支出的角度看，用于深海智能机器人的支出目前约占全部海洋工程装备整体支出的10%左右。

　　深海机器人由水上和水下两个部分组成，水上部分包括控制舱、脐带缆绞车和A型门吊，水下部分为作业机器人本体。整个作业过程通过水上的控制舱或控制室遥控指挥深海机器人完成作业。深海机器人的作业效率不仅与机器人的性能有关，也与水上控制室的作业操作者的操作技能关系密切。

　　“由于海洋环境复杂多变，导致深海机器人的应用环境非常恶劣，要面对诸如高盐、高腐蚀、高压等问题，而且能见度非常低，其中最令人头疼的是水下通信也非常困难。”刘可安说。

　　他进一步指出，通过对我国海陆空装备的技术等不同维度的对比可知，水下装备的技术发展严重滞后于其他领域，而且与国外先进水平的差距也最大。

　　深海机器人面临四大技术挑战

　　基于海洋各种恶劣的作业环境以及我国技术水平发展的滞后，目前业内对我国深海机器人的智能化提出了迫切的需求。

　　刘可安介绍道，深海机器人智能化与四大关键技术密切相关：“一是深海机器人的系统技术，二是高效的深海供电技术，三是智能化技术应用，四是辅助系统技术。”其中，深海机器人的系统集成技术非常复杂，涉及多个系统，包括水上提供支持的母船、深海机器人的本体等。在海洋复杂多变的环境条件下，深海机器人的系统集成涉及多个系统的协同与融合，也属于跨学科领域的研究。

　　刘可安表示，水下推进系统为深海机器人运动姿态的调整和位置的保持提供动力，目前仍以液压驱动为主，但电驱动也开始在中小功率的机器人中得到应用。“我们发挥了中车株洲所电驱动领域的技术优势，已经开展了一系列与深海机器人电驱动相关的产品和技术研发。”

　　在陆地上并不复杂的供电技术，转移到水下却变得非常困难。无缆深海机器人基本以自带电池作为储能，有缆机器人则需要通过作业的母船来供电，“输送电能的脐带缆不仅要供电，还要通讯，并且大部分需要承重，因此深海高效供电也是非常关键的技术，要尽量提高能源效率，就地供应。”刘可安说。

　　在智能化技术研发领域中，高精度导航定位是深海机器人获取有效信息的必要条件，更是决定其水下安全作业以及顺利返回的关键技术。

　　刘可安指出，在海洋中作业缺乏固定的标志参照物，“简单理解就是，大海茫茫一片没有任何参照物，定位非常困难。传统通讯方式和GPS定位在这种环境中严重受限，因此急需研究低功率、高精度的导航技术、导航修订技术、ICCP技术等以实现水下精确的定位。”

　　此外，智能感知、智能控制系统和自主决策也是深海机器人智能化技术研发领域的重点。其中，智能控制系统是深海机器人的中枢系统，自主决策则是人工智能的重要表现形式，可以结合感知到的环境数据和深海机器人自身的状态数据，根据作业目标实时自主地完成任务调度、路径规划和避障决策。

　　“第四大关键技术-机器人的辅助系统，包括基于虚拟现实的辅助作业系统、布放回收技术和作业工具。”刘可安说。

　　众所周知，海洋工程装备的开发费用非常昂贵，做一次海试的费用非常高，因此装备设计制造商需要一个虚拟现实的环境用于设备开发验证，优化作业流程。同时许多产品也能在虚拟现实环境下向用户进行展示，并且可以培训作业人员。

　　根据ISO13628标准，水下作业工具分成五类，要求体积小、重量轻、精度高。目前使用的水下作业工具，通常采用液压驱动的单一工具的作业模式。

　　刘可安告诉记者：“我们现在的研究方向是让机器人在水下快速更换工具，就是机器人带着多个工具下水，完成一项作业后自己再换一个工具继续作业。这个技术对提高海中作业效率非常关键，但是实现难度也非常大。”

　　　走向“更深的海”

　　作为资深专家与学科带头人，刘可安对于今后海洋工程装备技术发展也有着自己的理解与体会。“我认为将面临着三方面的挑战——生态保护、效率提升以及产品质量。我们开发利用水下资源，不能以破坏海洋环境甚至摧毁海洋生物为代价；深海勘探、作业与采矿成本都非常高，如果能提高作业的效率并注重质量，就能降低成本，更好地提高海洋资源的利用率。”

　　对于7000米水深以下的海洋区域，人类目前仍然知之甚少。基于人类对未知领域的好奇，未来深海机器人将走向更深、更远的海域。而且海洋资源有巨大开发与利用的价值，加之海洋防务等需求，刘可安认为，深海智能机器人必然将不断地追求向更深、更远的作业海域发展。

　　仿生技术、人工智能技术及群体化也是深海智能机器人的重要发展趋势。仿生机器人具有体积小、重量轻、运动灵活等优点，深海机器人无人、群体化的协同作业则一直被业界公认为施工作业高效化、低成本化的重要解决方案。

　　而深海机器人大规模、群体化协同作业，则需要高效综合智能通讯和导航定位技术的支持。刘可安指出：“当前水下单一的或者组合的通讯方式都不太理想，我们需要大力研究蓝绿激光通讯技术，这个技术在美国已经实现了。”

　　此外，高效综合能源动力技术也决定着，未来深海智能机器人能否走向“更深的海”。

　　刘可安强调：“其中的关键一是动力，一是能源。电驱动是今后发展的趋势，这个领域可以发挥株洲所电传动、永磁驱动等技术的优势。目前水下大规模作业，基本上都是从陆上通过海缆传递电能，如果能利用海上风力发电或者潮汐发电在水底构建一个供电系统，甚至设置充电站（桩）供机器人充电，这对提高水下的作业效率和灵活性具有非常重要的意义。”

　　　海洋工程装备未来发展看好

　　从产业发展趋势来看，国外深海装备市场受原油价格影响非常大，呈周期性发展。刘可安指出，国外基本上为五年一个周期。欧洲依托北海的油田、北美依托墨西哥湾油田，已经建立了相对成熟的海洋工程装备技术和产业生态圈，以财团来拉动概念创新以及并购重组，通过资本助推技术的发展。

　　目前国内海洋工程装备起步较晚，主要以集成应用为主，高端产品仍然需要依赖进口。而且，产品主要以科研为主，用于作业、工程以及商用化的设备、应用经验都比较缺乏。

　　不过，我国政府对海洋工程装备产业的支持、扶持力度正在逐年增强，如青岛、上海和深圳等地建立了海洋产业园，并于2016年成立了中国深远海海洋工程装备技术产业联盟。

　　刘可安说：“中车集团是该联盟的理事单位之一。我国社会资源在海洋工程装备研发的投入也在快速增长，如校企联合、科研产业化等。”

　　2015年，中车时代电气正式收购世界知名海工企业英国Specialist Machine Developments Limited（简称SMD）100%的股权，跨界进入海洋工程装备领域。

　　SMD公司是全球深海机器人第二大提供商和国际领先水平海底工程机械制造商，成立于1971年，已经经历了40多年的发展历程，创造了许多的“世界第一”，特别是水下挖沟铺缆机器人，中国中车销售的SMD产品在全球市场中排名第一。

　　刘可安说：“全球深海挖沟产品技术就是由SMD来引领的。目前全球海底挖沟产品共有210台，其中128台由SMD公司所售出，占据了一半以上市场份额。2016年SMD公司还交付了世界上第一套商业化采矿机器人。”

　　2017年，中车时代电气在上海成立了全资子公司——上海中车艾森迪海洋装备有限公司，以该公司为平台与依托培养人才，参与构建国内海洋工程装备产业链与生态圈。

　　他介绍道：“我们已经启动了一系列针对国内市场需求的新技术和开发项目，包括水下电驱动的驻留型ROV、智能巡检AUV，以及水下智能传感节点等，未来的目标是水上无人船+深海机器人全自动化作业的系统。”

　　近年来随着海上风电发展迅速，对海底敷缆挖沟机器人也提出了新的迫切的需求，并提供了广阔的市场。在中国中车重大专项支持下，中车株洲所为中国的海上风电市场量身定制了智能化水下挖沟机器人，能够同时满足深水作业、浅水作业以及海滩作业，可以满足中国海岸线沿岸与海岛风电敷缆埋设需求。

　　刘可安指出，虽然中国是海洋大国，但是海洋工程装备的开发仍然与国外先进行列差距很大，“我们需要加大基础研发的投入，积极攻克一系列‘卡脖子’的关键技术，与同行共享资源、创建合作共赢的创新平台，同时也急需构建起深海装备的国家标准体系。依托海工联盟，加强行业规划、实现行业有序发展，构建相应的‘朋友圈’和工业链生态圈。”

　　人物简介

　　　　刘可安，工学博士，教授级高工，长期从事大功率变流及控制技术研究，是中车株洲所牵引传动控制学科带头人，中国轨道交通完全自主交流牵引传动系统技术领域的核心技术专家。

　　　　刘可安潜心研究大功率牵引传动控制系统技术二十余年，克服国外技术封锁，构建了我国完全自主交流传动系统从理论研究到工程应用再到超大规模批量的技术体系，攻克了车网谐振、宽地域运行下的环境适应性等交流传动系统在我国批量应用特有的技术难题，主持和参与多项国家和省部级科研项目，发表专业论文21篇，获得专利110余项，是3项国家标准和1项铁道标准第一起草人，获国家技术发明二等奖1项，国家科技二等奖2项，中国专利金奖2项，并多次获省部级奖励，是国家突出贡献中青年专家，国家百千万人才，国家中青年科技创新领军人，国家万人计划专家，享受国务院特殊津贴。