本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第2期
作者：陳旭光，寇海磊，牛小東，王傳榮，張林強，李華軍
來源：深海水下技術裝備發展研究[J].中國工程科學,2024,26(2):1-14 .
編者按
海洋蘊藏著儲量豐富的生物資源、礦產資源，對人 類未來生存與可持續發展至關重要。 深海水下技術裝備是認知深海、開發深海資源以及保護海洋生態的關鍵。近年來，中國不斷加大投入，取得了一系列突破，研制了作業型載人潛水器「蛟龍號」、萬米級載人潛水器「奮鬥者號」、首套國產化水下采油樹、「開拓一號」深海多載作業采礦車等一批重大裝備，服務於深水技術裝備的可持續發展，為深海資源開發裝備的自主可控發展提供有力支撐。
中國工程院李華軍院士研究團隊在中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第2期發表【深海水下技術裝備發展研究】一文。文章立足中國海洋強國建設的發展實際，分析了深海水下技術裝備的體系構成和發展需求，從深海觀測 / 探測與感知系統、水下施工作業裝備、深海水下油氣生產系統、深海礦產資源開發裝備4個方面出發，梳理了國外深海水下技術裝備的發展現狀和趨勢。在此基礎上，總結了中國深海水下技術裝備研制的發展現狀，分析了發展面臨的工程挑戰，剖析了相關關鍵技術裝備體系和關鍵物理 – 力學機制，概括了深海水下技術裝備的典型裝備代表和裝備圖譜，凝練了中國深海水下技術裝備的共性關鍵技術，涵蓋智能化與自動化技術、精密元器件加工制造技術、高精度定位導航、高速率通訊技術、大系統力學計算與分析和跨尺度工程設計方法與技術等方面。為實作中國深海水下技術裝備的高質素發展，文章建議：加強深海水下工程技術發展的頂層設計，推動構建共性關鍵技術協作體系；增強中國深海水下技術規範和標準的行業影響力，大力開拓國際市場；高質素推進相容通用的平台建設；註重培養深海水下工程科技創新人才，為加速實作海洋科技產業高水平發展提供支撐。
一、前言
海洋約占地球表面積的70%，蘊藏著儲量豐富的生物資源、礦產資源，具有廣闊的可利用生存空間，對人類未來生存與可持續發展至關重要。陸地資源枯竭、生態環境的破壞以及氣候變遷的威脅推動人類尋找可持續和低碳的發展路徑，保護自然資源成為當務之急，發展海洋已成為人類社會發展的必然選擇。深海開發面臨復雜多變的環境水下因素挑戰，亟需高水平的深海水下技術裝備作支撐。認知海洋是開發、保護海洋的前提，需要依賴水下探測感知裝備的發展；海洋資源綠色開發則依賴深海資源水下勘探、施工、油氣生產、礦產開發以及探測感知技術裝備與產業鏈的協同保障；海洋生態環境保護則需依靠水下技術裝備各體系間的協同合作。中國重視海洋利用與開發，將海洋強國作為國家的重要戰略目標，提出了陸海統籌、加快建設海洋強國的戰略部署。 「十四五」規劃綱要指出，圍繞海洋工程、海洋資源、海洋環境等領域，突破一批關鍵核心技術，推動海洋工程技術裝備產業創新發展 。
深海水下技術裝備指用於開展深海環境和資源的調查、勘探及開發利用的技術與裝備，涉及深海觀測 / 探測與感知、水下施工作業、深海油氣生產、深海礦產開發等裝備領域。近年來，中國不斷加大投入，在深海觀 / 探測、施工作業、海洋油氣開采、深海礦產開發等方面不斷取得突破，研制了作業型載人潛水器「蛟龍號」、萬米級載人潛水器「奮鬥者號」、首套國產化水下采油樹、「開拓一號」深海多載作業采礦車、國產全自研「挖 – 鋪 – 埋」一體化水下施工作業裝備等一批重大裝備，服務於中國深水技術裝備的可持續發展；形成了中國海洋石油集團有限公司、招商局工業集團有限公司、長沙礦冶研究院有限責任公司、中國船舶科學研究中心等多個研發基地和以深海資源開發裝備「研發 – 設計 – 制造 – 總裝」為核心的產業鏈，為中國深海資源開發裝備的自主可控發展提供有力支撐。
當前， 水面船舶技術裝備發展迅速，但水下技術裝備領域的發展相對緩慢 ，具體表現在：技術及裝備體系發展相對滯後，部份核心部件配套產品、業務套用依賴進口，面臨國外科技封鎖的風險；各行業發展相對獨立、部份產業環節略顯薄弱、融通性不夠以及應對突發事件的韌性較弱等。面對當今世界百年未有之大變局，在新一輪全球海洋經濟發展的背景下，亟需提高實作深海資源水下開發技術裝備的自主可控水平，掌握戰略主動權。為此，本文圍繞深海資源水下開發技術裝備的發展脈絡，透過實地考察、問卷調查、文獻調研等方式，梳理深海水下技術裝備的國內外發展現狀及趨勢，凝練中國深海水下開發技術裝備存在的共性關鍵問題，提出加快中國深海水下開發技術裝備自主可控的針對性建議，為推動中國深海水下技術裝備的快速發展提供基礎參考。
二、深海水下技術裝備的體系構成與需求分析
（一）深海水下技術裝備體系構成
1. 深海觀測 / 探測與感知系統
深海觀測 / 探測與感知系統主要包括：物理、生化傳感器，地震及其他災害監測預警傳感器，地質、地形、地貌探測儀器，單體載人潛水器，深海空間站，遠端遙控潛水器（ROV），無人自主潛水器（AUV），自主遙控潛水器，水下滑翔機，錨系潛標裝備，原位靜力觸探儀（CPT），沈積物取樣裝置，溫鹽深測量儀（CTD）采水取樣裝備，海底觀測網等。
2. 水下施工作業裝備
水下施工作業裝備主要包括：超深水打樁施工裝備、深海工程鉆探裝備、深海水下挖溝裝備、深海水下沈箱整平裝備、深水疏浚和清淤裝備、深海水下管道及電纜維護檢修作業裝備、深海水下切割破拆裝備、深海水下焊接裝備、深海水下打撈裝備、深海水下鉆探裝備、深海水下觀測取樣裝備（工程、科學考察）、深海水下作業機械手、深海水下攝像裝備等。
3. 深海水下油氣生產系統
深海水下油氣生產系統主要包括：水下井口裝置、水下采油樹、密封元件、臍帶纜、水下安全閥、地震波勘探油氣儲量裝備、碳封存裝備等。
4. 深海礦產資源開發裝備
深海礦產開發裝備主要包括：錳結核采集裝備、多金屬硫化物掘采裝備、富鈷結殼開采裝備、深海富稀土開采裝備、深海礦石管道輸送裝備、深海可燃冰開采裝備、深海錨絞裝備、超水深電力通訊傳輸線纜裝備等。
圖1 深海水下技術裝備體系構成
深海水下技術裝備體系的構成情況如圖1所示。
（二）深海水下技術裝備的需求分析
1. 深海水下技術裝備與認知海洋
認知海洋是一個新興的研究領域，旨在透過海洋監測器材和觀測、探測、感知系統，深入了解和解釋海洋的物理、化學和生態過程。目前，人類對海洋的認知和了解水平仍有待提高，尤其是需要加強對深海等重要區域的認知。各類載人潛水器、全海深無人深潛器以及在深海布置的海洋觀測網絡和各類移動觀測器材，為認知深海提供了全新的視角和研究手段。深海監測儀器和觀測、探測、感知系統的發展，提升了人類對海洋的認知水平。 隨著深海水下技術裝備的不斷創新，深海物理過程、生態系和氣候變遷等重要問題將被破解，為海洋保護和資源可持續開發利用提供更多的科學依據。
2. 深海水下技術裝備與開發海洋
開發深海，首先要借助地質、地形、地貌探測儀器對海洋環境、地質及周邊生態等進行全方位和系統性了解，如海底光學攝像系統可以在海洋礦產資源的勘查中發揮重要作用。然後，利用深海水下采油樹等水下油氣生產裝備開發海底石油、天然氣等資源，利用海底礦產資源開發裝備開發多金屬結核、硫化物、富鈷結殼及富稀土。此外，深海水下技術裝備的快速發展與「氣 – 液 – 固」耦合動力學、氣泡動力學的研究息息相關，為解決深海資源開發及利用過程中的技術、工程難題提供了新方案和新視角。 深海水下技術裝備透過在各個領域和系統交叉配合，可以更好地開發和利用海洋資源，為緩解全球資源供需失衡貢獻力量。
3. 深海水下技術裝備與保護海洋
保護海洋，實作海洋健康發展對促進全球生物多樣性和減緩氣候變遷至關重要。海洋水質、生化監測感知裝備為海洋環境科學研究、有效監測、管理決策提供了重要支撐，提高了人類對海洋環境變化的即時監測能力。水下施工作業裝備的體系化發展也為海洋保護事業發揮了關鍵作用。無人深潛器等裝備使海洋施工和維護變得更加高效和安全，如海底管線維護、海洋廢物清理以及海底油氣管道的搶修等。另外， 基於水下施工作業裝備建設的人工島嶼、人工珊瑚礁等構築物有助於恢復和保護海洋生態系，促進海洋生物多樣性。
基於上述分析，深海水下技術裝備在認知海洋、開發海洋及保護海洋的行程中扮演著重要的科研和工程角色，水下技術裝備的快速穩定發展對提升海洋認知水平、綠色高效開發海洋資源以及實作海洋健康意義重大。
三、國外深海水下技術裝備的發展現狀及趨勢
（一）深海觀測 / 探測與感知系統
深海觀測 / 探測與感知系統主要包深海監測、觀測傳感器材，深海潛航器以及錨系潛標觀測網。 歐洲、美國、日本、俄羅斯、澳洲等國家和地區研發了新型深海壓力傳感器、RDI Workhorse Navigator ADCP、Imagenex Delta-T成像聲吶、Sonardyne-Solstice 3000多孔徑側掃聲吶等深海觀測 / 探測與感知傳感器。以新型傳感器為基礎，水下機器人（如ROV、AUV）逐漸發展成為水下探索和作業的重要裝備。近年來，美國、俄羅斯、挪威、日本等國家已研制出具備深海作業能力的水下機器人，並套用於海洋科學、資源開發、軍事等領域。除此之外，歐洲、美國、日本、俄羅斯、澳洲等構建了錨系潛標觀測網。其中，美國和加拿大的海洋觀測網基於有纜方式進行構建，實作了對海洋的全方位、多尺度和跨時空動態觀測；歐洲的海底觀測網絡遍布歐洲主要海域，致力於發展多學科（海洋物理、海洋生物、海洋化學），多目標（海洋環境監測、海洋資源開發、海洋災害預警），多時空尺度（從厘米到千米、從秒到年）的海洋觀測能力，以監測海洋環境、開發海洋資源、預警海洋災害。
目前，國際上的深海觀測 / 探測與感知傳感器朝著更高精度、更大作業水深、更多細分功能的方向發展。 在潛水器領域，大水深環境機器人成為未來的主流發展方向，同時各國科學家也在不斷努力提高潛水器的智能水平；深海潛水艇裝備將聚焦高自治、大水深、長續航等方向。為有效實作海洋探測、觀測、感知與開發，各國海底觀測網向更大組網範圍、跨時空尺度、全天候、多目標、長期、動態、即時原位的目標發展。
（二）深海水下施工作業裝備
深海水下施工作業裝備是先進制造、資訊科技和新材料的整合以及海洋工程的重要支撐，具有高技術、高投入、高產出、高附加值、高風險的特點 。目前，美國、歐洲等國家和地區在水下施工作業裝備領域處於領先地位，尤其是在海洋工程裝備的核心設計和關鍵配套方面具有絕對優勢。
深海水下施工作業裝備主要用於海底開溝埋管、海底地形平整、疏浚、維修維護等，以保護海底光纜、管道及樁基等基礎設施，具有廣闊的套用前景 。深海水下施工作業裝備的典型代表有：荷蘭IQIP公司和德國Menck公司研制的超深水打樁水錘，可以實作2000 m水深打樁作業；荷蘭Royal IHC公司研發了世界上第一台四履帶海底挖溝機Hi-Traq，Deep Ocean公司和IKM Subsea公司的深水挖溝機作業深度可達1500~3000 m。深海水下維護維修作業裝備主要包括：深海水下管道及電纜維護檢修作業裝備、深海水下焊接裝備、深海水下打撈裝備。目前，全球大型管道服務、電纜敷設等行業的跨國企業均開發了系列具有專用功能的水下施工機器人，廣泛套用於全球各大海上油田管道、電纜敷設等施工作業中。例如，法國SIMEC公司的HECTOR水下無人機器人可適應海底3000 m海況；英國ACSM公司開發的CMROV電纜檢修機器人可在全球範圍內極端環境條件和各種海底土壤中執行，額定水深為2000 m；澳洲Seatools公司開發的海底梭子魚金剛石繩鋸，設計水深達3000 m。
隨著資訊科技、材料科學、能源技術等相關領域的快速發展，水下施工作業裝備作為推動海洋產業向深遠海發展的主要推動力，正朝著智能化、整合化、深遠化方向加速演進 。這些裝備在具備高效能、高精度作業能力的同時，兼具穩定性和安全性。另外，隨著深海開發的深入，水下作業需求的功能也逐漸增多，需要針對不同的作業需求進行專門的設計和制造，以滿足深海環境復雜多變的特點，同時深海水下作業裝備領域的發展還呈現出細分化的發展趨勢。
（三）深海水下油氣生產系統
深海水下油氣生產系統是海洋油氣資源開發的重要裝備，負責將海底油氣輸送到陸上平台終端，屬於海洋工程高技術裝備，具有多學科綜合協調的特征 。水下油氣生產系統由井口、采油樹、水下控制系統、水下多功能管匯和臍帶纜等復雜模組組成，不僅能采集和輸送海底油氣，還能傳輸液壓、電氣訊號和生產資訊，是實作海底油氣高效開采的關鍵裝備。
美國在20世紀50年代便開始著手水下油氣生產系統的研發工作，並首次提出了「水下井口」的概念；經過多年的技術演進，已從最初依賴潛水員作業發展到現在的智能化全電控系統，奠定了美國在水下采油樹領域的技術領先地位。英國、挪威等國家也註重水下油氣生產系統的研發，突破了深海油氣開發技術裝備的關鍵問題，領跑世界海洋油氣開采。目前，全球已有500多個水下油氣生產系統專案成功投產，但關鍵技術裝備被少數歐洲、美國等國家和地區壟斷，如超深水（>3000 m）水下采油樹產品在國際上僅有美國FMC公司、貝克休斯公司、One Subsea公司，挪威阿克世盛公司等可以提供。水下臍帶纜是油氣生產系統的另一個關鍵技術裝備。當前，來自歐洲、北美和巴西等國家和地區的企業是全球領先的臍帶纜供應商，擁有成熟的設計和制造能力，產品種類豐富，可滿足不同的套用需求。目前，挪威SINTEF Ocean公司、挪威船級社等壟斷了臍帶纜的測試認證技術，致使臍帶纜市場存在競爭不充分、準入條件高等問題。水下油氣生產系統的裝備設計技術壁壘較高，歐洲、美國等國家和地區在海下油氣開發方面積累了豐富的裝備設計和建造經驗，構建了較為完備的水下油氣生產系統技術裝備產業鏈。以深海井口成套器材建造技術為例，全球前五大油氣技術服務公司占據了75%以上的市場份額。
隨著陸地和淺海油氣資源的日益枯竭，深水和超深水地區的油氣開采迫在眉睫。 今後，深海油氣生產將更加重視數碼化轉型，註重遠端監控、智能傳感器和自主作業的套用。此外，由於深海油氣生產的環境保護和可持續性問題日益受到關註，深海水下油氣生產系統開始趨於使用更加先進的環境保護技術，以期減少對海洋生態系的影響，並在廢棄階段開展適當的生態修復工作。總體而言，國際深海水下油氣生產系統將朝著更深水域、更數碼化、更環保和更可持續的方向發展。
（四）深海礦產資源開發裝備
深海中蘊藏著儲量豐富的戰略金屬資源，包括多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等，這3種礦產資源所富含的鈷、錳、鎳等稀有金屬儲量遠超陸地 。早在20世紀70年代，傳統海洋強國就已實作了深海采礦技術裝備的突破，在5000 m深的太平洋底成功收集到了錳結核。此後，歐盟、俄羅斯、德國、日本、南韓、印度等國家和地區紛紛設立深海采礦研究專案，逐步突破深海采礦關鍵技術、評估深海采礦環境擾動，並開展海上試驗研究工作、完善技術裝備體系，為深海采礦的商業化行程奠定基礎。
經過海試研究，國外在深海礦產資源開發技術裝備方面取得了突破性進展，構建了較為完善的技術方案體系，並掌握了關鍵技術研發和核心裝備研制能力 ，主要有：海底礦石開采裝備的安全行走和高效采集、船舶 – 立管 – 集礦機的整體協同控制、深水多載裝備的布放回收等。歐洲、美國、日本、南韓等國家和地區在海底采礦領域的發展起步較早，技術裝備先前進演化程度較高，總體水平領先中國8~10年。2021年，比利時GSR公司在東太平洋Clarion Clipperton礦區完成了4500 m水深海試，采集效率為110~120 t/h。加拿大TMC公司在2022年完成了深海采礦車的研制，在NORI-D礦區完成了4300米級的采集提升試驗，采集效率為86.4 t/h。加拿大TMC公司、比利時GSR公司等企業發展迅速，近幾年將實作對海底礦山資源的商業開采。
深海礦產資源開發是當前人類可操縱的最大規模的深海作業，涵蓋勘查、采礦、選冶、運輸等產業鏈，融合了海底作業、水下輸送、動力輸配、中央控制和水面支持等全方位平台和系統裝備體系。目前，全球尚無適合商業化開發的深海采礦系統，多數裝備仍處於研制和試驗階段。 未來，深海采礦裝備仍需進一步向高效率、低擾動的方向發展。
四、中國深海水下技術裝備研制現狀
（一）深海觀測 / 探測與感知系統
1. 工程挑戰
深海觀測 / 探測與感知系統的構建可為「關心海洋、認知海洋、經略海洋」的順利開展提供技術裝備保障，但也面臨著一系列挑戰。 一是深海觀測 / 探測與感知系統面臨極端環境挑戰。 深海環境具有高壓、低溫、黑暗、腐蝕性強等特點，對觀測 / 探測與感知裝備提出了極高的要求。 二是水的高吸收性使得深海水下無線通訊困難， 而有線通訊又受到深海環境的限制，發展超遠距離、高效通訊是深海觀測 / 探測與感知系統面臨的重要挑戰。 三是在深海中進行長時間觀測 / 探測需要可靠的能源供應，高效的能源供給系統至關重要。 因此，進一步利用海洋能源或采用高效的電池技術以為深海觀測 / 探測與感知系統提供能源，是當前迫切需要解決的問題。 此外， 深海觀測 / 探測與感知系統還需要精準定位、耐久性材料、智能化等方面的支持。
2. 關鍵技術體系
近年來，深海觀測 / 探測與感知技術獲得了飛速發展，為探測、監測及感知深遠海環境，提供了立體化、長周期、全天候、即時、智能的數據反饋，推動了海洋認知和開發的不斷進步。 推動深海觀測 / 探測與感知技術進步所涉及的關鍵技術主要包括： 獲取深海復雜環境數據的智能感知分析技術，進行深海無人潛航器能量傳輸的智能無人裝備高效安全供能技術，用於深遠海監測儀器裝備的能源補給技術和水下無人裝備自主航行與作業技術，用於實作協同工作和合作的水下有人及無人裝備集群智能協同技術，用於保護器材和結構完整性的水下密封技術，用於即時多器材協調與同步的即時同步技術、功能材料及元器件加工技術。
深海觀測 / 探測與感知系統的技術體系涉及聲學、電磁學、光學、流體力學和材料科學等多個知識領域，亟需多學科交叉融合。 聲學、電磁學、光學是深海觀測 / 探測與感知領域中最常用的技術原理，包括利用聲波測定海底地形地貌、水下物體和海洋生物，利用電磁感應和電磁散射探測金屬物體、磁性物質和地質構造，利用光學傳感器捕獲影像資訊、實作數據高速傳輸等。基於聲學、光學和電磁學耦合原理建立高精度、全方位的多模態資訊融合框架，提升智能化水平，是解決深海觀測 / 探測與感知技術面臨挑戰的關鍵所在。深海流體與觀測 / 探測與感知系統的相互作用也是該領域的關鍵科學問題之一，亟需明晰深海環境的水動力（如渦流）特征，用於指導和調整水下器材姿態、路徑的部署決策。同時，深海裝備在高壓、腐蝕環境中的力學響應機制和耐久效能，是深海觀測 / 探測與感知系統進行結構設計和強度分析的基礎考量，以確保器材在深海環境中具有足夠的強度和安全穩定性。
3. 典型裝備代表
目前， 中國的海洋觀測 / 探測與感知系統整體上處於「跟跑」階段，主要套用於淺海，其中，深海觀測傳感器在智能即時響應、輕量化設計、功能材料等方面仍與發達海洋國家存在一定的差距 。20世紀70—90年代，國家海洋技術中心、中國科學院聲學研究所、山東省科學院海洋儀器儀表研究所等科研機構透過聯合攻關，先後研制了1000 m和3000 m自容式CTD，效能領先並接近國際先進水平。此後，中國CTD傳感器技術發展迅速，研發了多款新型CTD傳感器和儀器，填補了國內相關技術裝備的空白，打破了相關技術的國際壟斷，為中國海洋科學研究和海洋資源開發提供了有力支撐。 目前，中國代表性的深海觀測 / 探測與感知系統有： ① 中國科學院海洋研究所研發的耐高溫拉曼光譜探針，是國際上首個可以直接插到450 ℃深海熱液噴口的拉曼光譜探針；② 傳感技術聯合國家重點實驗室聯合中國科學院深海科學與工程研究所，成功研制了中國首套套用於深海的微機電系統（MEMS）氣相色譜儀，可獲得深海背景區二氧化碳和冷泉區二氧化碳及甲烷的原位定量測試數據；③ 中國科學院地質與地球物理研究所在海底地震儀領域取得了一系列重大突破，實作了從無到有、從「跟跑」到「並跑、領跑」的跨越式發展；④ 山東大學研究了新型海床式靜力觸探及取樣系統，實作了3000米級深海海底沈積物多參數原位測試和低擾動取樣。中國觀測 / 探測與感知系統代表性的傳感器及儀器圖譜如圖2所示。
近年來，在海洋強國戰略的推動下，中國海洋技術裝備取得飛速發展，觀測 / 探測與感知系統逐步擺脫了海洋已開發國家的技術封鎖 。自「十二五」時期以來，中國加強對深海關鍵技術與裝備的投入支持，在深海科技領域取得了一系列成果突破，如「蛟龍號」載人潛水器、「深海勇士號」載人潛水器、「奮鬥者號」載人潛水器、「海翼號」水下滑翔機、「海鬥一號」全海深無人潛水器等。深海觀測 / 探測與感知系統的國產化行程表明，中國深海資源開發實力正在穩步增強、關鍵核心技術裝備持續獲得突破。
圖2 深海觀測 / 探測與感知系統的代表性技術裝備圖譜
（二）水下施工作業裝備
1. 工程挑戰
隨著對海洋資源和深遠海開發的日益重視， 國際上對深遠海水下安全施工作業深水化、多元化、精細化、智能化的技術需求日益增長 。在此背景下，水下施工作業裝備在精確導航與定位、器材密封性與抗壓性、高效動力系統等方面都面臨嚴峻挑戰。進一步確保水下施工器材效能穩定、降低故障率，加強器材有效維護和保養，成為維持水下器材可靠性和高效率的關鍵問題；同時，亟需研發更先進的通訊器材和控制系統，以保證即時監控和控制的有效性。此外，在水下施工的同時要註重對深海環境的保護，如減少噪音和光汙染、減少海底沈積物的擾動等，避免對生物造成傷害，減少對海底生態的破壞，成為當前深海水下施工作業面臨的重要問題。
2. 關鍵技術體系
水下施工作業裝備是海洋工程的重要支撐，在海洋石油開采、海底管道鋪設、海下設施建設等領域發揮著重要作用 。水下環境與陸地環境存在較大差異，對水下施工作業裝備提出了更高要求，其關鍵技術主要包括：用於深水器材制造和加工的特種材料制造加工技術，用於深水器材的控制和動力傳輸的水下液壓技術，用於深水器材高效、安全和可靠執行的智能電動化技術，用於海洋器材穩定和效能最佳化的自適應調節控制技術、輕量化設計技術、深海供電技術，用於保持有效密封和抵禦高壓的密封耐壓技術，用於實作器材自動化、智能化和協同化操作的整合智能控制技術。
上述水下施工作業裝備技術體系的構建，需要流體力學、材料力學等多學科的交叉融合，其關鍵的物理及力學原理包括： 深水腐蝕 – 疲勞耦合機理與復雜環境下的低溫脆化機制、高壓液體動力傳輸機理、電磁相容和電磁幹擾耦合機制、水動力學效應與結構動力學理論、結構力學與拓撲最佳化理論、物聯網與智能控制演算法等。總之，水下施工作業裝備是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮水下作業環境、平台設計、感知控制、人機互動、能源通訊、安全可靠等因素，以實作水下施工作業的智能化、自動化、安全化發展。
3. 典型裝備代表
水下作業環境惡劣，需要使用客製化的器材進行作業，水下施工作業裝備成為海洋工程領域的重要組成部份 。2023年，中國自主研發了首台2500米級超深水打樁錘，並成功完成海試，填補了國內超深水打樁核心裝備技術空白；中國海洋石油集團有限公司在南海東部油田首創國內深水表層人造金剛石（PDC）噴射鉆井技術，創造了國內深水作業表層機械鉆速的新紀錄。目前，中國海上鉆井技術和作業能力已進入「超深水時代」，深水鉆探技術水平逐步與國際接軌。
中國在深海水下挖溝機裝備的研發方面起步較晚 。中國海洋石油集團有限公司在2018年引進了中國第一台大型挖溝機VMP500型深水海底管道犁式挖溝機，主導實施了首次深水犁式挖溝機海試作業，填補了中國相關領域的技術空白。此外，上海中車艾森迪海洋裝備有限公司在2018年陸續釋出了6000米級的深海探采作業機器人、3000米級的深海管纜挖溝機、2000米級的電纜敷設犁等整機裝備。
近年來，中國水下沈箱發展迅速 。中交第一航務工程局有限公司在長江口深水航道治理工程中，建造了長度為10.88 km的充砂半圓體沈箱混合堤，預制安裝了544個半圓體沈箱。由中交第一航務工程局有限公司和上海振華重工股份有限公司聯合研發的「一航津平2」，是當前世界上船體規模最大、器材最先進的自升式碎石鋪設整平船，鞏固了中國在海底隧道基礎施工領域的世界領先地位。中交四航局第三工程公司自主研發了輕型液壓水下鋪石整平一體機，成為輕量化整平機的代表。中國也一直努力發展深水疏浚和清淤裝備，如中交廣州航道局有限公司自主改造建成國內首艘清淤專用船「捷龍號」，解決了深中通道專案回淤強度大的技術難題。中國水下施工作業代表性技術裝備圖譜如圖3所示。
圖3 中國水下施工作業代表性技術裝備圖譜
（三）深海水下油氣生產系統
1. 工程挑戰
深海油氣開采指在水深超過500 m的海域進行石油和天然氣開采。近年來，由於陸地油氣資源日益枯竭，深海油氣開采已成為重要的能源戰略。 深海水下油氣開采面臨「入地、下海」等諸多難題和工程挑戰，主要體現在深海油氣開采技術及器材安全營運和環境保護等方面 。在技術層面，深水鉆井技術有別於陸地和淺海的鉆井技術，需要浮式作業平台、水下井口以及自相匹配的生產與管匯系統。這不僅增加了深水油氣開采作業的潛在風險，同時也增加了技術系統的復雜性和工程建設成本。在安全營運層面，深海高壓、低溫等極端環境條件，對水下油氣開采系統提出了極高的要求，需要材料研發、裝備設計建造、檢修維護等方面適應深海環境；生產系統的安全管理、突然事故的應急響應能力亦是重中之重。在環境保護層面，深海油氣開采對海洋生態系有一定的影響，包括破壞底棲生物棲息地、減少生物多樣性、阻礙生物遷徙路徑等；同時深海油氣開采存在原油泄漏的風險，一旦發生泄漏，將對海洋生態系產生嚴重威脅。
2. 關鍵技術體系
針對深海環境的特殊性，水下油氣生產系統開發技術未來發展將更多關註深海工程技術的突破，包括更先進的深海器材和工具、更有效的海底基礎設施建設等 。其中，數碼化轉型和智能化技術的快速發展將持續推動深海水下油氣生產系統在智能、高效、安全生產等方面的發展。深海水下油氣生產系統的關鍵技術主要包括：用於千米級深海油氣生產的深水、超深水水下采油技術，用於即時監測診斷水下控制系統、水下管匯、水下連結器故障、及時故障報警的水下生產系統智能化技術，用於監控油氣田生產作業壓力、溫度、流量等一系列重要參數的水下傳感技術，用於保持較高的傳輸壓力和流量、實作遠距離輸運的水下油氣增壓系統，用於高精度、高質素和高效率零部件加工過程的精密元器件加工制造技術，用於海洋領域中實作兩個物體之間的準確獲取和連線的采集對接控制技術，用於解決深海油氣田在開采過程中流動堵塞的熱油管道流動保障技術，用於在油氣勘探和生產中取得更遠鉆井射程和更優鉆井效果的水下油氣處理技術。油氣生產技術的成熟和發展與多相流運動理論、遠距離訊號傳輸與處理理論、水下機器人控制力學、防腐材料化學、多物理場耦合作用理論、氣泡動力學、氣液固耦合動力學等的發展息息相關。深入了解和套用這些物理和力學機制可以提高深海水下油氣生產的勘探、開發和生產效率，同時降低生產風險。
3. 典型裝備代表
中國在深海水下油氣生產系統領域的研究起步較晚 。相關前期研究集中在300 m以內的淺海領域，致使中國深海油氣生產技術與國際水平存在較大差距。由中國自主研發的首套水下采油樹系統於2021年在渤海油田海底安裝測試成功，標誌著水下油氣生產裝備國產化實作了跨越式發展。2022年，中國獨立研發的水下油氣生產系統在南海東方1-1氣田東南區樂東塊投入使用，進一步提升了水下油氣生產裝備的國產化水平。2023年，位於南海珠江口盆地的中國海油恩平15-1平台搭載中國首套海上二氧化碳封存裝置，正式啟動了二氧化碳回註井的鉆井作業；該裝備的核心部件包括二氧化碳壓縮機橇、分子篩、冷卻器等。
水下臍帶纜是海洋油氣開發裝備系統中的關鍵部件 。中國積極開展水下臍帶纜的核心技術攻關，加強自主研發，緩解了受制於人的局面，確保了海洋油氣開發的戰略安全。中海油研究總院有限責任公司在2010年成功制備了臍帶纜初樣，標誌著中國在臍帶纜制造領域取得了突破性進展。青島迪瑪爾海洋工程有限公司聯合青島漢纜股份有限公司成功研制了動態臍帶纜，可以承受3000 m水深、69 MPa壓力的環境。上海亨通海洋裝備有限公司在2018年生產了世界上首根長度為18.15 km、整根無接頭的500 kV超高壓海纜，是中國單根無接頭最長的超高壓海纜。中天科技海纜股份有限公司研發了水下生產系統用鋼管型光電液復合臍帶纜，樣品試制和檢測全過程透過了挪威船級社的認證。
中國水下油氣生產系統的水下多相流量計、水下管口連結器、水下保溫材料、水下多功能液壓快速接頭、超深水下裝備密封、淺水泥面系統防腐蝕材料等功能性高端產品研發仍顯弱勢。 近年來，中國水下油氣生產系統取得了較大進展，但部份裝備的自主化水平亟待提高，仍面臨一些挑戰： 尚未完全擁有水下油氣生產系統關鍵技術裝備的自主知識產權，部份技術對外依存度高（如油氣系統安裝、檢修、深水定位等）。中國水下油氣生產系統的部份關鍵技術裝備圖譜如圖4所示。
圖4 中國水下油氣生產部份關鍵技術裝備圖譜
（四）深海礦產資源開發裝備
1. 工程挑戰
深海中蘊藏著儲量豐富的礦產資源，對其精準勘探、合理開發將帶動相關產業發展，創造新的經濟增長點。 深海礦產資源所處位置特殊，資源勘探、開發利用面臨諸多挑戰 ，如多金屬結核分布於4000~6000 m的洋底表面。① 深海底部的高壓、低溫、黑暗、腐蝕環境，對深海礦產資源勘探、開采，材料和結構設計都提出了嚴峻考驗。以深海資源勘探為例，當前的聲學定位精度和傳輸速率難以滿足其海量數據融合分析和大集群即時協同的勘探需求。② 不同的礦產資源需要不同的采礦方式，如對於多金屬結核可以采用液力采集，而對於富鈷結殼則需要機械采礦；在保證營運成本的同時，進一步開發高效集礦作業系統、最佳化采礦工藝、提高不同礦種的采集效率，是當前開展商業化深海采礦布局的挑戰之一。③ 深海采礦活動在一定程度上會擾動海底沈積物、破壞海底地形、影響底棲生物棲息環境、增加海水濁度、釋放海底重金屬、產生雜訊汙染等。深海采礦帶來的環境影響是當前國際關註的焦點，處理好海底環境保護和海底礦產資源開采的關系是開展海底礦產資源開采的關鍵。
2. 關鍵技術體系
針對深海礦產資源的商業化開采，目前有關裝備穩定性、可靠性、監測預警以及應急處理的要求有待進一步提高，在技術方案制定、關鍵器材研發、系統可靠性測試、環境影響與修復研究等諸多方面仍需開展深入研究與驗證。 開展深海礦產資源開發的關鍵技術主要包括 ：用於深海環境下多個礦用車輛協同作業控制的智能化多采礦車分布式協同作業控制技術，用於預測和監測礦用卡車在極端工作條件下執行情況的礦車作業極端工況預報監測技術，用於在水下環境中確定位置和進行導航的水下定位導航技術，用於深海環境中實作車輛智能行走、安全執行和穩定控制的礦車智能安全平穩自主行走技術，用於實作車輛穩定運動和精確控制的采礦車水中運動姿態自動控制技術，用於降低對海洋環境幹擾、提高礦石采集效率的多金屬結核低擾動采集技術，用於在深水環境中提供高功率液壓的深水大功率液壓控制技術，用於在深水環境中提供高壓電力的深水高壓電力能源供給技術，用於回收水下裝備布放回收姿態的自動控制技術，用於深海資源勘查的原位高保真勘測取樣技術等。深海采礦技術體系涉及多種物理理論和力學機制，包括多體動力學與協同控制理論、地面行車力學與預測控制理論、多傳感器資訊整合處理機制、車輛系統控制理論、射流 – 稀軟土耦合機制、液壓力學與液壓回路能源轉換機制、多系統跨尺度耦合動力學與系統控制等。這些理論和機理的理解與套用，有助於最佳化深海采礦活動的設計和執行以及加強對海洋環境的保護。
3. 典型裝備代表
深海礦產資源（如多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物）開發裝備，是當前海洋工程中規模最大的裝備體系。 經過多年的發展，中國於2017年研制出400米級的富鈷礦開采試驗車，可以線上即時監測富鈷礦的賦存情況，獲取探礦層厚度和調節開采頭的切割與破碎量。2018年，由中國五礦長沙礦冶研究院牽頭研制的「鯤龍號」海底采礦車成功完成500米級海試，其水下定位精度可達0.72 m，實作了中國深海采礦領域裏程碑式的重大突破。上海交通大學團隊於2021年成功研制出深海多載采礦裝備樣機「開拓一號」，具有海底作業環境感知、智能自主控制、高效水力集礦等作業能力，已在中國南海開展了海底智能行進與路徑跟蹤試驗，取得圓滿成功。「開拓一號」深海多載采礦裝備樣機的成功海試標誌著深海多載作業采礦車研發向工程化、智能化邁出了重要的一步，正逐步接近世界先進水平。2022年，北京先驅高技術開發有限責任公司聯合上海交通大學等單位研制了新概念深海多金屬結核原位集礦技術驗證平台「曼塔號」，采用了原創性的浮遊行進式集礦技術方案。中國船舶集團有限公司聯合多家單位機構共同攻關，於2023年研制了適用於深海硫化物開采的多載四履帶獨立懸掛行走系統樣機，顯著提高了集礦車在深水復雜地形下的行走速度。深海礦產資源開發的代表性技術裝備圖譜如圖5所示。
圖5 中國深海礦產資源開發的代表性技術裝備圖譜
（五）深海水下共性關鍵技術
深海水下共性技術指深海水下環境中的通用技術，涵蓋工程、科學研究、資源開發等領域 。由於深海水下技術體系復雜，多種技術相互依存，本文對深海水下共性技術體系進行凝練，總結了阻礙深海裝備發展、需優先攻關的共性關鍵技術，具體包括：智能化與自動化技術、多機理水下高精度定位與高速率通訊技術、輕量化設計技術、水下定位導航技術、深海供電技術、水下液壓技術、水下密封技術、精密元器件加工制造技術、腐蝕控制技術、水下目標探測與定位技術、海洋監測與控制技術、人機互動技術、大系統力學計算與分析技術、跨尺度工程設計方法與技術等。
五、中國深海水下技術裝備面臨的問題與發展建議
（一）面臨的問題
1. 核心科技限制與創新能力不夠
一是中國深海水下技術裝備中的部份關鍵裝備與核心技術存在受制於人、被國際封鎖的問題。 中國水下裝備制造企業面臨核心零部件「卡脖子」問題，如海底作業裝備高效能控制系統研發及制造技術；核心技術遭受封鎖進一步導致外圍配套和下遊接續技術研發及產品制造受阻，如深水導航定位和整合控制系統等。 二是國產深海水下技術裝備的產品精度、可靠度與國際先進水平相比存在一定的差距。 受基礎研究相對薄弱以及通用技術水平限制，中國水下裝備材料、零部件套用效果或耐久性欠佳。其中，中國生產的千米級水密接外掛程式主要效能指標與國外產品存在較大差距，如國產深海裝備塗料設計使用壽命為5~6年，國際同類高端產品可達8年。
2. 市場空間狹窄與需求潛力巨大的錯位並存
一是中國深海水下技術裝備的現有市場空間較為狹窄。 目前，中國深水裝備的作業能力、高端制造能力和智能化水平逐步提高，但國外相關器材生產企業憑借較強的技術實力和市場影響力占據了中國的深海水下技術裝備市場，如深海水下井口系統、水下采油樹等。 二是深海水下技術裝備需求潛力巨大。 近年來，「北溪」海底管道事件、日本核廢水排海事件、南海權益爭端等凸顯了深海水下技術與裝備產業發展的重要性；深潛探險、深海考古、觀光旅遊等為水下開發技術裝備市場提供了新的發展空間；深入推進「一帶一路」建設，亟需大規模高質素水下工程技術裝備的支持。
3. 高端平台缺失與專業人才匱乏
中國深海裝備領域涉及多個關鍵平台，如深海載人裝備國家重點實驗室、海洋石油高效開發國家重點實驗室、深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室等。然而，這些平台所屬行業領域各不相同，缺乏更為密切的協同分工，尤其缺乏國家級高端專業平台，導致產品研制以客製化為主，生產企業規模較小、分布零散，難以形成產業規模並實作市場化生產。同時，中國深海水下技術裝備領域專業人才匱乏，盡管在相關領域有一定數量的專業人才，但 由於平台之間缺乏協作，人才的交流與合作受到限制，進一步制約了行業的發展。
（二）發展建議
1. 加強深海水下工程技術發展的頂層設計，推動構建共性關鍵技術協作體系
聚焦未來深海水下工程技術裝備產業發展的關鍵領域和主攻方向，堅持水下工程技術裝備的深海 – 深空一體化模式，形成獲得國家支持的深海水下工程技術裝備創新聯盟，組織和構建跨國界、跨領域、跨學科創新的協作模式；以創新為核心，以中國特色為主線，協同編制深海水下工程技術裝備圖譜；瞄準國家海洋強國的戰略目標，推進海洋重大工程建設，積極布局深海水下工程產業高精尖領域共性技術平台建設；加速匯聚高端創新要素，不斷貫通「產學研用」鏈條，推動構建多層次、寬領域、功能型、開放式的新型共性技術協作支撐體系。
2. 增強中國深海水下技術規範和標準的行業影響力，大力開拓國際市場
建議組織國內海洋領域的科研院所與高等院校，加快深海水下工程技術體系及標準的建設。註重打造創新研發基地與示範工程，增強中國在深海水下工程領域國際標準、行業規範的影響力，實作在水下工程儀器裝備國際標準、規範制定方面的突破，提升中國在水下技術領域的國際話語權。謀劃和推動中國深海水下工程技術裝備產業「走出去」，鼓勵相關的裝備、軟件、標準和解決方案積極解決國際工程問題。依托對外開放政策，加強國際間的合作與交流，拓寬合作領域，做大做強深海水下工程技術裝備產業體系和產業集群，提升中國深海水下工程技術裝備的國際市場競爭力。
3. 高質素推進相容通用的平台建設
瞄準中國深海技術裝備創新發展的實際需求，搭建相容通用的深海水下工程裝備建造平台。建議行業主管部門積極推動和開展校企專項對接活動，突破技術轉化壁壘，建立校企合作高效通道。定期對深海水下工程各領域裝備研發過程中遇到的「卡脖子」技術進行摸底，深入學習「卡脖子」技術背後的物理原理和力學機制，突破制約深海水下工程裝備發展的關鍵共性技術瓶頸，推動技術裝備持續更新。
4. 註重培養深海水下工程科技創新人才
圍繞深海水下工程技術裝備領域的多學科特征，結合土木、機械、自動化、資訊、材料等學科的課程體系，建立和健全深海水下工程技術裝備的創新復合型人才培養體系。加強高校與企業之間的深度合作，創新人才培養模式，解決傳統校企銜接模式下知識與實踐脫節的問題。強化企業為人才培養過程提供實際案例、技術支持和實踐機會的力度，實作高校與企業在人才培的無縫對接，培養具備跨學科知識、視野和專業技能的人才，不斷滿足深海水下工程領域對工程科技創新人才的需求。
註：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
作者簡介
李華軍
海洋工程安全專家，
中國工程院院士。
主要從事海洋工程安全分析設計、施工及運維技術研究。
註：論文反映的是研究成果進展，不代表【中國工程科學】雜誌社的觀點。
