陶 军，陈宗恒
（中国地质调查局广州海洋地质调查局，广州510075）
摘 要: 2014年，作为国家863计划重点项目“4500米级深海作业系统”的主要研究成果，“海马”号4500米级无人遥控潜水器（ROV）搭载作业母船“海洋六号”在南海实施了3个航段海上试验，下潜17次，最大下潜深度4502米，顺利通过了海试验收。随后，“海马”号迅速完成了成果转化，在2015年度南海天然气水合物有利区的详查工作中首战告捷，在我国南海北部陆坡西部海域首次发现活动性“冷泉”（定名“海马冷泉”），显示出该海域良好的天然气水合物资源前景，实现了国产高科技深海探查设备应用和南海水合物探查工作的双突破。在“海马”号探查成果的指引下，在“海马冷泉”区首次获取了海底表层高纯度的水合物实物样品，取得了我国在南海新海域采获水合物实物样品的又一次重大突破性进展。“海马”号在地勘应用中运行状态良好，操控性、可靠性、稳定性和各种扩展功能均通过严格考验，达到实用化装备的各项技术要求。“海马”号填补了我国深海探查作业手段的一项空白，大幅度提升了我国深海技术装备水平和作业能力，取得了一系列关键技术的重大突破，达到了国外同类遥控潜水器技术的水平，在我国深海技术装备研发领域具有里程碑式的意义。
关键词:“海马”号；“海马冷泉”；4500米级无人遥控潜水器；南海；天然气水合物
作为海洋探查和资源开发利用不可或缺的手段，同时也是制约“开拓深海和大洋”的瓶颈，深海潜水器的装备技术水平在一定程度上标志着国家海洋资源勘探开发的科技水平，乃至海洋权益的维护能力。发展该项技术不仅对国民经济和社会发展以及国家军事安全有极为重大的意义，还对未来的深海打捞、救援、海洋旅游业、海洋空间利用等有着不可估量的价值和战略意义。但是，与世界先进国家相比，我国的海洋装备技术水平还存在着一定的差距，尤其是面向深海的装备技术水平差距比较大，且诸多关键技术为少数发达国家所垄断，这严重制约了我国参与国际海洋竞争的能力，也严重制约了我国向更深更远的海洋进军的发展进程。为此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》在重点任务中提出“重点支持深（远）海环境监测、资源勘查技术与装备、深海运载和作业技术与装备成果的应用”。
为提升我国深海潜水技术与装备水平，摆脱深海装备技术受制于人的被动局面，科技部863计划于2008年年底优先启动“4500米级深海作业系统”重点项目。该项目委托国土资源部组织实施，由中国地质调查局广州海洋地质调查局作为业主单位牵头，汇集了上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等国内业界优势力量，由近百名专业技术人员组成优秀的协同创新研发团队进行联合攻关。该重点项目的主要研制目标是4500米无人遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle， 缩写ROV）。2009年，科技部、国家海洋局联合发布了《国家深海高技术发展专项规划（2009—2020）》，深海潜水器技术与装备作为重大项目列入其中，“4500米级深海作业系统”重点项目作为该重大项目的主要任务之一，与4500米载人潜水器（Human Occupied Vehicle，缩写HOV）、4500米自治式潜水器（Autonomous Underwater Vehicle，缩写AUV）共同构成水深4500米级的装备体系， 形成我国水深4500米级的综合探查和作业能力。
2014年2月至4月，“海马”号4500米级无人遥控潜水器（ROV）搭载作业母船“海洋六号”在南海实施了3个航段海上试验，完成了17次下潜，最大下潜深度4502米，顺利通过了海试验收。2015年3月，“海马”号首次在南海北部陆坡天然气水合物资源调查中投入应用，完成了4次下潜，成功发现了与天然气水合物存在密切相关的“冷泉”生态系统，获取了各种地质和生物样品。2015年5月8日，科技部验收通过了“4500米级深海作业系统”重点项目。①【注】陶军，马厦飞，陈宗恒.4500米级深海作业系统项目总报告. 2015.
根据天然气水合物资源勘查与试采工程总体部署，2015年中国地质调查局广州海洋地质调查局在南海北部陆坡西部海域开展天然气水合物有利区详查，圈定勘探目标区，评价天然气水合物资源潜力，为优选后续钻探目标提供基础资料和依据。本次调查工作应用了我国自主研制的“海马”号4500米级深海无人遥控潜水器（ROV）。“海马”号（图1）在2014年通过科技部海试验收后，迅速进行了以海底天然气水合物调查区为目标的各项准备工作，增设了三视角高清摄像、机械手专用工具、海水温度、甲烷含量测量和USBL信标等针对性配置，并率先执行3个站位的海底观测及地质取样工作，旨在发现海底“冷泉”活动和“冷泉”与天然气水合物赋存相关的微地貌特征。
图1 “海马”号在海上作业
4500米级深海作业系统项目的主要装备成果是“海马”号4500米无人遥控潜水器（ROV）。“海马”号是我国首台（套）国产化率达到90％的深海ROV系统，也是目前我国自主研制的工作水深和系统规模最大的ROV系统。潜水器是当前海洋调查的重要手段，分无人潜水器和载人潜水器两种类型，其中无人遥控潜水器在国际上已实现广泛的产业化应用。我国在该领域研发、制造和产业化的水平与世界先进国家存在巨大差距。
“海马”号深海无人遥控潜水器（ROV）为无人、有缆系统，通过脐带缆与水面母船连接并传输能源和信息，母船上的操作人员通过观察海底实时影像和设备状况参数对ROV 及其机械手进行遥控操纵（图2、图3）。与载人潜水器相比，“海马”号具有无法替代的优势。一是其适应性强、功能强大，几乎可以应用于所有海洋开发活动，受海况和海底环境影响小，推进系统和机械手功率大，覆盖海底作业链的各个环节，在海洋地质调查中应用前景广阔，可大幅提升调查能力。二是作业灵活、经济高效，可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置，收放便捷，不需要专门支持母船，占用的甲板空间和作业人力等资源少，建造、运行和维护成本低。三是无载人风险，可在母船实时遥控操作，不需水面工作艇支持。四是能够长时间驻留海底，利用母船通过脐带缆提供电能，可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。
图2 “海马”号系统构成图
4500米的作业能力能基本覆盖我国管辖海域和国际海底区域富钴结壳等多种资源富集区。“海马”号装备有水下摄像/照相系统、声呐、作业工具、多功能机械手，并有可更换的、不同功能的水下作业底盘。“海马”号具备开展海底多角度摄像、机械手作业、声光电探测、海底原位实验等综合作业手段，可进行海底全覆盖测绘、沉积物与生物取样、物理海洋测量、现场地球化学分析，并具有海底观测网与仪器设备布设和回收、海底管线维护、深海打捞等扩展作业功能。可广泛应用于我国资源、环境、工程、救捞、渔业和考古等众多领域。同时，亦具有军事应用价值。
“海马”号4500米无人遥控潜水器作业系统包括了水面控制室、吊放回收系统、脐带缆、“海马”号ROV及其机械手和作业工具。“海马”号ROV（本体）由水下电力分配系统、水下控制系统、水下液压系统、水下推进系统、水下摄像系统、水下照明系统、水下探测系统和水下作业系统构成。“海马”号ROV的主要作业设备配置见表1。
图3 “海马”号ROV本体的基本构成
表1 “海马”号ROV的主要作业设备配置
设备名称 实际配置类型 数量水下摄像机微型彩色摄像机广角彩色摄像机变焦彩色摄像机高清彩色摄像机4 2 1 1水下照明灯3 4 2机械手 七功能机械手五功能机械手50W LED灯200W 卤素灯400W HMI照明灯探测系统1 1搜索声呐 1深度计 1高度计 1罗经 1水下定位信标 1作业底盘 采样篮作业底盘海底观测网辅助作业底盘1 1
“海马”号在应用作业中运行状态良好，操控性、可靠性、稳定性和各种扩展功能均满足“冷泉”探查作业的要求，在国家高科技项目研发成果的实际应用中首战告捷，成为国产先进技术装备促进深海矿产资源探查研究的一个成功范例。
3.1 “海马”号的研制
为加强装备开发的实用性，科技部创新了项目管理模式，实行业主制管理机制，由国土资源部作为项目组织实施部门，由中国地质调查局广州海洋地质调查局（以下简称“广海局”）作为业主单位牵头，联合上海交通大学、浙江大学、青岛海洋化工研究院有限公司、同济大学和哈尔滨工程大学等参研单位组成了优秀的协同创新研发团队开展研发工作。经过6年的不懈努力，研发团队突破了核心技术受控国外、国内技术产业配套能力弱等不利因素，坚持潜心攻关、勇于探索、敢于创新，全面掌握了大深度无人遥控潜水器的设计和研制、系统集成和联调、深海无人遥控潜水器的控制和监测、远程高压电力的传输与分配、长距离信息传输、在线绝缘检测、大深度水下液压动力源、推进与控制、大深度浮力材料制造、多功能作业机械手设计制造、大负荷升沉补偿和大深度潜水器考核试验等多项核心技术，实现了项目的总体目标，使“海马”号ROV整套装备的国产化率达到90％，为我国无人遥控潜水器的国产化和产业化奠定了坚实基础。
按照863计划海上试验的有关规定和要求，“海马”号ROV研发之初就明确了研发完成的装备不再按照以往科研项目以试验样机或原理样机为验收目标，而是在研发成果交付使用之前，整体研发系统必须经过一系列严格的海上试验。为此，依托中国地质调查局“海洋六号”调查船，研发团队在2014年2月和3月期间安排了两个海上考核试验航段，4月安排了一个海试验收航段，圆满完成了“海马”号所有91个技术考核项目的海上试验和验证，先后完成了17次海上试验下潜任务，3次到达南海中央海盆最深处4502米水深的海底进行作业试验。
按照海试大纲要求，广海局安排“海马”号搭载“海洋六号”进行海上验收试验。4月17日，“海洋六号”航行到达“海马”号进行海上试验的地点——水深4502米的南海中央海盆。这次试验的主要任务是在4500米深海区对“海马”号与升降装置进行联合作业试验，重点检验“海马”号与升降装置的最大作业水深，以及ROV在4500米水深下的定向、定高、定深的航行能力、高精度水声定位能力、观测及通讯能力、海底作业能力、浮力材料性能等。
4月18日，“海马”号第16次下潜，到达海底后按照水下定位给出的定位指示，依次进行了定向、定高、定深航行测试。通过声纳和水下摄像机寻找并靠近已布放于海底的升降装置后，“海马”号坐底。通过机械手穿插作业，“海马”号依次完成了海底热流探测、海底地震仪布放、海底沉积物取样、永久性标志物布放、模拟的“黑匣子”抓取和海底电缆缆鼓布放等作业。作业任务完成后，“海马”号又进行了定高和定深测试，开展了海底摄像等作业，所有测试工作均正常。“海马”号返回甲板后，经潜后检查表明：浮力材料、深度计、高度计、罗盘、声呐、水下定位系统、温盐深测量系统及各耐压结构完好，功能正常，表明“海马”号具有优良的深海作业能力，达到了在4500米级深海海底作业的各项技术性能设计要求。2014年4月18日，“海马”号通过了863计划海洋技术领域办公室组织的海上验收，这标志着“海马”号海上试验取得了圆满成功。
4月19日，“海马”号又进行了第17次下潜，即试验性应用下潜，最大作业水深4502米。（图4）“海马”号到达海底后释放自拍装置（摄像机及其框架）；围绕自拍装置进行定高、定深运动和自拍录像；测试五功能机械手，各动作正常；操作七功能机械手完成了热流探针探测、自拍装置回收等作业。整个试验过程中“海马”号本体及各设备状态良好，功能正常。至此，“4500米级深海作业系统”项目验收航段的试验任务全面完成（图5），搭载着“海马”号的“海洋六号”顺利返航。
3.2 “海马冷泉”的发现
“冷泉”为海底之下天然气水合物分解后产生的一些流体组分在海底表面的溢出现象。由于溢出的流体富含甲烷、硫化氢和二氧化碳等组分，可给一些化能合成的微生物（细菌和古菌）提供丰富的养分。生物群落即将这些化能合成的微生物作为初级生产力。冷泉活动区域一般都是深海海底生命极度活跃的地方，相比于其他的深海海底，冷泉好像“沙漠中的绿洲”。有关冷泉的研究意义：一是研究地球深部生物圈的窗口，二是海底天然气水合物寻找的标志之一，三是全球圈层相互作用和全球变化研究的科学前沿之一。
图4 “海马”号在南海中央海盆4502米的海底布放永久性标志物
图5 现场庆祝“海马”号海试成功
“海马”号在南海北部陆坡西部海域首次发现了天然气水合物赋存相关的活动性冷泉（定名为“海马冷泉”），［1］在3个ROV站位调查中，有2个站位发现了具有冷泉区典型特征的双壳类生物群（图6）、甲烷生物化学礁（图7、图8）、碳酸盐结壳（图9）和渗漏等活动性“冷泉”标志，记录了海底低水温异常和超高甲烷含量异常数据，获取了冷泉生物和地质样品，采集了海底冷泉活动多角度高清视频记录。
图6 “海马冷泉”生物群落
图7 “海马”号抓取生物化学礁样品
图8 “海马”号获取的生物化学礁样品
图9 “海马冷泉”碳酸盐结壳
“海马冷泉”的发现，显示出这一新勘查海域具有良好的天然气水合物赋存前景。“海马”号观察结果表明，该区域海底依赖甲烷气体生存的现生密集双壳类生物群落非常发育，呈片状、点状和线状分布，这些特征表明该冷泉区为活动冷泉，下伏有较高流速甲烷等流体的充足供给，并指示该区冷泉喷溢口的不同展布特征。大面积分布的碳酸盐结壳，揭示该区冷泉活动已有长久历史，而广泛分布的双壳类生物遗骸可能指示了冷泉喷溢的时空变迁。在ROV机械手抓取海底样品等作业过程中有大量甲烷气体（气泡）渗出，反映该区海底甲烷气体渗漏明显，流量大。ROV携带的探测仪器数据表明该冷泉区存在近海底海水低温异常和超高甲烷含量异常，是冷泉下伏有天然气水合物赋存的有力证据。
图10 “海马冷泉”区海底表层重力取样样品
在“海马”号探查发现成果指引下，广州海洋地质调查局随后在“海马冷泉”区开展了地质取样工作，首次以重力取样器获取了含有高纯度水合物的海底表层沉积物（图10），不仅验证了“海马”号的探查成果，而且取得了我国在南海新海域采获水合物实物样品的又一次重大突破性进展，具有里程碑的意义。“海马冷泉”将成为我国海洋资源与生态环境前沿科学研究的重要海域。
“海马”号无人遥控潜水器（ROV）从科研成果到实用化深海调查装备的快速转化，是我国高科技科研成果在地勘投入实际应用并取得突破性成果的成功范例，以国产化装备完善了对天然气水合物资源进行探查作业的深海技术装备体系，填补了我国深海探查作业手段的一项空白，在我国深海技术装备研发领域具有里程碑式的意义。
首次在南海北部陆坡西部发现活动性“海马冷泉”并采获水合物实物样品，是我国南海新区天然气水合物资源勘查的又一个突破性成果，为开展天然气水合物有利区详查、圈定勘探目标区、评价天然气水合物资源潜力提供了宝贵的调查资料，为实施天然气水合物钻探奠定了坚实的基础。证实前期对海底渗漏型水合物分布预测方法的正确性，初步证实勘查标区成矿条件优越，资源前景良好，对后续钻探部署有重要指导意义。同时，对全面认识南海北部陆坡冷泉形成分布、冷泉生态系统具有重要的科学意义。
“海马”号在地勘应用中首战告捷，在“冷泉”区海底作业过程中表现出色，证明我国在深海作业型ROV自主研发方面取得了实质性突破，同时体现了我国在天然气水合物资源领域具备了国际一流的科研水平和深海探查技术的设备研发、应用能力。
在“海马”号研制应用的过程中，形成了一支多学科交叉、研发与作业应用融合的精英团队，这支团队在总体技术、机电、控制、材料、维护和应用等多学科领域得到了长足的进步，积累了丰富的经验，已经处于国内同行业的领先水平。
参考文献
［1］ 杨胜雄，陶军，沙志斌，梁金强.南海北部陆坡西部海域首次发现天然气水合物赋存有关的活动性“冷泉”［J］.中国地质调查成果快讯.2015，（8）：1-3.
Development and Application of HAIMA （ROV）
Tao Jun， Chen Zongheng
（Guangzhou Marine Geological Survey， CGS， Guangzhou 510075， China）
Abstract: As the main research result of Chinese national 863 plan project titled “deep-sea operation system in water depth of 4500 m”， China’s first ROV named “HAIMA” carried by “Ocean 6” had successfully passed the sea-trial in the South China Sea in 2014 by through three segments， and seventeen diving tasks with the maximum diving water-depth of 4502 m. After that， “HAIMA” was deployed rapidly， and won the first battle in the investigation of gas hydrate in the South China Sea. And for the first time， “HAIMA” revealed the presence of “cold spring” on the northwestern slope of the South China Sea， which indicated the existence of gas hydrate resources in this area， and achieved double breakthroughs in both application of domestic high-tech deep-sea devices and exploration of gas hydrate in the South China Sea. Leading by the search results of “HAIMA”， the first hydrate sample with high purity was obtained in the “cold spring” area， which was another big breakthrough for our country in the related research field. All the results showed that HAIMA worked in a good state， and had outstanding controls， reliability， stability and extended functions， which had fulfilled the standard for practical equipment. “HAIMA” filled in the blank of Chinese deep-sea exploration devices， and greatly improved the Chinese deep-sea equipment level and operation capability. “HAIMA” gained vital breakthrough for a series of key technologies and accomplished the same level of international similar ROVs， which had milestone meaning in the field of Chinese deep-sea device research.
Keywords: “HAIMA”； “HAIMA cold springs”； 4500m ROV； the South China Sea； gas hydrate
中图分类号： P71
文献标识码： A
文章编号： 1674-4969（2016）02-0185-07
DOI： 10.3724/SP.J.1224.2016.00185
收稿日期： 2016-01-05； 修回日期： 2016-03-08
作者简介：陶军（1963-），男，教授级高工，研究方向为水下工程与技术。E-mail: 13822116780@139.com
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