《海洋环境监测无人艇系统可行性分析报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋环境监测无人艇系统可行性分析报告（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、海洋环境监测无人艇系统可行性分析报告目 录1项目背景、意义及需求分析11.1项目背景11.2需求分析12国内外技术发展现状12.1国外技术发展现状及趋势12.2国内研究现状13研究目标及主要研究内容13.1研究目标13.2主要研究内容14初步研究方案、关键技术及解决途径14.1初步研究方案14.2拟解决的关键技术14.3解决途径15主要技术指标、研究成果及成果形式15.1主要技术指标15.2研究成果及成果形式16项目的知识产权可行性分析报告17项目研究的支撑条件及组织措施17.1研究的主要承担单位情况简介17.2项目的支撑条件17.3项目的组织措施18研究周期及初步的实施计划安排19应用前景分
2、析11 项目背景、意义及需求分析1.1 项目背景项目所属产业领域为海洋装备领域。海洋环境监测无人艇系统（简称无人艇，Unmanned Surface Vessel，USV）具有高航速、大航程、浅吃水、多功能、机动性强、搭载方便、自主操控等突出优点，它可广泛用于执行海图绘制、海洋环境监测、水文调查、海底地形/地貌探测、资源勘探、气象预报、应对化学或核辐射污染突发事件等任务，因此，USV在民用和军事领域具有极其广泛的应用前景。目前，美国、法国、英国等发达国家均在大力开发该类型海洋探测系统，并已有几型系统实现了商品化。针对我国深远海海洋动力环境监测的迫切需求，并满足迅速、广域、灵活、可靠、长期、高精
3、度、智能化海洋探测的需要，开发系列高航速、大航程、自主型移动海洋探测系统具有重要的工程价值。该系统可为海底地形地貌、海洋资源、海洋环境数据获取提供技术手段，并与自主水下机器人（AUV）、遥控水下机器人（ROV）、波浪滑翔器和无人机（UAV）等联合构成深远海海洋环境立体监测系统。相比其它移动式观测平台，无人艇的出现较晚，但近年来发展迅速。目前，国外研制了多型无人艇并成功进行了工程应用，法国、英国和新加坡等国的几款无人艇甚至实现了产品化。比较其它移动式观测平台，无人艇具有以下几方面的优势：a 突出的环境适应性：替代或作为有人观测船的补充、在危险或恶劣海洋环境中执行任务；b 大持久力：续航能力强，具
4、备大范围、立体监测能力；c 浅吃水：平台吃水浅，尤其适合近岸、浅水、航道、港湾等环境复杂（或危险）海域；d 快速监测能力：高航速、高机动性，尤其适合核辐射、生物、化学污染等应急性/突发性监测任务；e 智能化与灵活性：可采用遥控、半自主、全自主操控方式，使用灵活;具备自适应、智能化、高精度重复观测能力；f 通信中继和信息化载体：作为AUV通信节点或潜标数据定期回传的中继站；作为空中-海面-水中-海底的通讯节点，组成异构通信、感知、监视网络；g 海洋安全领域：如人员搜救、海上巡逻、海上执法、缉私查毒等；h 多功能：环境监测、大气探测、气象预报，可在浅海替代浮标（浮标在浅海易受到损坏）等；i 经济性
5、：建造和使用成本较低（如相对于上百万的AUV），易于精确定位和远程通讯。因此，无人艇在有效地利用、开发和保护海洋等方面具有广泛的应用前景，其潜在的典型用户包括：a 海洋局海洋观测、科学考察等；b 海监、渔政、海事海上巡逻、执法、监测等；c 海警、边防缉私、查毒、反恐、预警等；d 海洋石油或工程公司海上重大设备的监测、施工支援、资源勘探与开采等；e 气象部门大气监测、气象预报、台风等气象灾害观测；f 环境部门海洋环境污染常态化监测、核生化污染等紧急任务；g 其它海洋经济活动相关企业和部门。在军事领域，由于无人艇具有高航速、大续航力、经济性好、隐身性、浅吃水、小体积、易批量生产、布置方便等突出优势
6、，因此无人艇非常适合作为一种通用化、无人化、智能化、信息化、经济性的海洋武器装备。无人艇的优点还在于可搭载多种丰富的传感器，能长期、隐蔽、自主地在海洋中执行使命任务，并可以批量投入战场，从而具备对水面/水下海洋环境的立体、持续感知能力。在未来的海战中，无人艇可以承担以下的作战功能：远程预警、大洋反潜和反水雷战、水下-水面通信中继与导航、领海监视、海港安全、协同作战等。将无人艇搭载于现有的水面舰船等武器装备上，将提高其整体作战能力。它将在远程预警、长期海域监视、反潜战、海洋组网观测、延伸探测范围、隐蔽侦查、在危险海域进行水雷探测、执行电子战诱骗或干扰敌方舰艇、重要军港或设施的警戒巡逻等作战方面发
7、挥重要作用。综上分析可知，研究具有自主知识产权的无人艇监测系统，既有重要经济和工程应用价值；同时，对于保障国家海洋安全、促进海洋科技发展、提升海洋工程竞争力，也有深远的意义。本项目立足团队前期在海洋环境监测无人艇系统总体设计与系统集成技术及复杂海洋环境下自主决策与控制技术等领域研究所取得成果的基础上，根据我国目前海洋环境监测的实际需求，进行面向工程应用的海洋环境监测技术和系统试验验证技术研究，研制出具有自主知识产权的海洋环境监测无人艇系统，并通过海上试验验证，为我国海洋环境监测、海洋资源勘探、海洋科学研究等领域提供装备保障和技术支持。1.2 需求分析海洋蕴藏着非常丰富的生物、矿物资源和能源，是
8、人类赖以生存的第二空间，有效地利用和开发海洋资源对于人类的可持续发展具有重要意义，同时，近年来海洋环境保护、全球气候变暖、海洋安全等问题也越来越受到人们的高度重视。我国是陆海兼备的大国，海洋是我国实现可持续发展的战略空间和资源保障，关系人民福祉，关乎国家未来。有效地开发、利用和保护海洋，建设海洋强国，是国家重要发展战略。（1）执行海洋科研、海洋开发、海洋环境监测等海洋观测任务的广泛需求海洋观测技术是获取海洋信息的技术，是多学科交叉的海洋高技术，可分为传感器技术、观测平台技术和通讯技术，它是所有海洋活动，包括海洋科学研究、经济发展、环境保护、资源开发、国防建设的基础。通过几类移动式观测平台的对比
9、分析，如表1所示，可知海洋观测的主要特点：观测时空尺度跨度大，例如从厘米级的湍流观测，到上百千米的中小尺度涡旋，甚至几千千米洋流观测；长期连续性，从变化周期为几个月的动力学系统的观测，到需要几个月甚至几年的海洋温度变化观测，板块运动的观测；同步性，例如海气相互作用的观测；越是极端恶劣情况越需要观测，其数据的价值越高，例如风暴潮观测。这就要求解决观测平台的长期可靠性、低功耗、小型化、抗恶劣环境等技术问题，其中移动式海洋观测平台，包括AUV、USV、ROV、拖曳系统、观测船、滑翔器、漂流浮标、剖面漂流浮标等能实现自动或随动的水平扫描，垂直扫描或者任意形状扫描式的观测，如图1所示。 (a)中国“科学
10、”号科考船 (b)CI公司的拖曳系统SeaSoar(c)Woods Hole的“JASON”ROV (d)HYDROID公司的“RESUM100”AUV(e)ECA公司的“Inspector”USV (f)*公司的水下滑翔机图1 几种移动式观测平台表1 几类移动式观测平台的对比平台续航能力自主能力搭载能力缆灵活性观测船天或月人工大多数传感器无大范围拖曳系统（TUV）依赖母船定深绝大多数传感器有大范围有缆水下机器人（ROV）依母船遥控绝大多数传感器有母船旁的固定范围智能水下机器人（AUV）小时自主有限无灵活但范围较小水下滑翔机（UG）月规则的自动运动有限无大范围、固定方式无人水面艇（USV）天遥
11、控或自主大多数传感器无灵活且范围大随着资源、能源开发利用进程的逐步深入，人们对全球气候变化和区域响应的广泛重视，以及工业技术和海洋科学的发展，海洋观测正在发生革命性的变化，主要体现在：海洋监测立体化，实现空中、沿岸、水面、水下、海床一体化对海洋环境要素进行同步、立体监测；监测平台多样化，从岸基、海床基等固定基向海底、水下、水面、星载、机载等运动基推进；海洋观测系统化、网络化，在海洋中建立一个互动式的、分布的、综合性的传感器网，包括建立区域性的海洋观测系统、海底观测系统、全球海洋观测系统，如图2、3所示。图2 海洋立体观测系统示意图图3 欧盟的2020年海洋立体观测想象图（2）保卫国家海洋安全、
12、维护海洋权益等军事应用的迫切需求我国面临着多元复杂的安全威胁和挑战，特别是海洋安全问题尤为突出。我国具有300万平方公里的管辖海域，其中52%与邻国存在争议。近年来，日本、越南、菲律宾、韩国等周边国家，纷纷采取先行占领、先行开发等非法手段，加紧掠夺我国的海洋资源，并对我国的主权完整和海洋安全构成了严重威胁和挑战。我国有18万多公里大陆海岸线，500平方米以上的岛屿6500多个，岛屿岸线14万多公里，因此对其实施防卫、管辖，维护边海防安全的任务复杂繁重。以上问题的有效解决，要求我国具有强大的海军实力和综合制海能力。目前，我国沿海地区，特别是南海区域，由于特殊的地理因素和政治因素的影响，使其具备相
13、当大的敏感性和危险性。比如对特殊任务的首末区等危险区域内的敏感目标实施实时监测、记录；对于敏感海区的特定目标进行抵近侦查; 对特定区域海况实时监测和记录;对于未知海域进行地形地貌探测等。由于无人艇具有自主性、丰富搭载能力、经济性、隐身性、体积小、易批量生产、携载方便等突出优势，因此无人艇非常适合作为一种通用化、无人化、智能化、信息化、经济性的海洋装备，用以执行上述敏感、危险的任务。2 国内外技术发展现状无人艇作为一个无人海洋运载平台，可以在海洋中承担长时间、大范围、低成本的海洋科研与工程任务，因此它在民用、军事领域皆具有广泛的应用前景。无人艇是一个庞大的家族，它的使用领域非常广泛，在民用领域包
14、含：海底探测、环境监测、气象预报、生物研究、水文观测（测量）、海图绘制、通信中继、资源勘探与开采、污染调查/化学检测、细菌/核辐射监测等用途；而在军事领域包含：反潜战、反水雷、反恐、电子战、濒海作战、情报/监视与侦查（ISR）、领海监视、海港/海上设备监测和保护、海上目标探测与分类等用途。下面简要介绍国内外无人艇技术的研究现状。2.1 国外技术发展现状及趋势（1）民用领域世界各海洋强国投入了大量的人力和物力，积极开展USV技术的相关研究，并有几型USV实现了工程化应用。其中，最具有代表意义的是法国ECA公司的“Inspector Mk2”号USV、英国ASV公司的“C-CAT 4”号USV、美
15、国Virginia Based公司的“Unmanned Ocean Vehicle” 型USV、意大利机器人技术集团的“Charlie”号USV。法国ECA公司开发了“Inspector Mk2”号USV（如图4所示），该艇吃水很小，显著特点是配备了已获得专利的旋转艇艏臂可搭载用于浅水/极浅水测量、探测和目标分类的多种水声设备。“Inspector Mk2”的主要特征为：易于配置的传感器平台（托架）、高航行精度的反复测量、高持久力、高可靠性和运行效率、增强的艇员安全性。该艇采用铝合金船体，长8.4m、宽2.95m、吃水0.5m、重4.7t（1t有效载荷）；配备两台柴油发动机和喷水推进器，最高航速25kn，续航时间20h（6kn）；可采用全自主、遥控或手动控制模式；可在四级海况下工作，并获得了BV船级社认证。“Inspector Mk2”可执行浅水/极浅水测量和检查、濒海/沿海水文测量工作、海港/
