海洋技术是实现海洋活动和海洋工程的使能技术。在人类历史上,很早就有征服海洋、利用海洋和开发海洋的记载。譬如古代航海技术,为人类通往外界、加强交流、了解世界,提供了有效的工具,推动了人类文明的进步。在人类活动中,对海洋的认识是从海面开始的,然后深入水下,直至海底。因此,海洋技术的发展,也是自水面至水下,直到海底。在现代科技世界中,海洋工程活动比比皆是,海洋技术在支撑形形色色的海洋工程活动中,发挥着巨大的作用。
海洋技术
研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源、保护海洋环境以及维护国家海洋安全所涉及的各种技术的总和。是认识海洋、开发海洋、保护海洋和海洋安全所涉及的各种技术的总和。
- 英文名称
- ocean technology
- 所属学科
- 海洋学
人类的祖辈从远古时代就懂得在大海中通过捕捞获得物质资源,维持生存。在人类征服海洋、利用海洋、开发海洋的漫长历史过程中,海洋技术逐步发展,在支撑人类的海洋活动中,发挥重要作用。海洋技术的发展与完善,并不是一蹴而就的。最先的海洋技术萌芽,是从人类航海、捕捞开始产生的。尽管航海与捕捞乃至随之出现的海洋战争,与人类所关注的面向海洋观测的海洋技术没有直接关系,但正是上述这些人类活动孕育了海洋技术。尤其是海洋军事活动,从古至今,对海洋技术的发展起着巨大的推动作用。现代海洋战争,由于要求掌握海洋作战环境的大量数据,对海洋观测技术提出了越来越多的要求,推动了海洋技术的快速发展。与其他常规技术一样,海洋技术也经历了机械化(装备化)、自动化和智能化三个阶段。系统地说,人类可以将海洋技术的发展历史划分成四个阶段:史前、机械化海洋技术、自动化海洋技术和智能化海洋技术等四个阶段。
海洋技术在“史前”,主要是围绕船舶技术的发展,人类使用船只,进行海洋捕捞以支撑生计,通过航海认识世界,并进行货物运输开展商品交易。这时出现了天文定向、地理定位、水文气象测量、造船技术、精确时钟、导航罗盘等相关海洋技术,这些技术对世界航海史的发展产生了巨大的影响。
机械化海洋技术时代,也就是海洋仪器设备产生的时代。前文提及的指南针、精确时钟等等,应该是机械化海洋技术发展的肇端。就海上船舶技术而言,18世纪英国人瓦特发明的蒸汽机技术,同样对先进的船舶制造产生了深远的影响。在“挑战者”号科考船完成的人类史上第一次海洋科学考察中,一些简单的水文调查、深度测量、深水拖网、温度测定等技术已经发明(或出现)并应用,照相机也第一次应用在海洋调查工作中。这些海洋技术装备与海洋科学考察成果,为现代海洋科学研究,奠定了坚实的基础。同时,在第一次世界大战时期出现的军事潜艇,是海洋技术把人类送到水下较大深度下“作业”的重要创举。潜艇技术对后来的海洋技术发展影响深远。
20世纪40年代J.冯·诺伊曼发明了计算机技术。这一伟大发明,把海洋技术带入了自动化时代。自动化的海洋技术装备,大大推动了海洋科学研究与海洋事业发展。人类可以举两个典型的事例:一是水声技术的发展,二是潜水器的出现,二者都是自动化海洋技术发展的重要标志。那时的水声技术,带动了回声测深仪、侧扫声呐(海底地貌仪)、多普勒声呐、ADCP流速测量仪、鱼探仪、水声通信、水下导航等海洋技术的发展,成为当今海洋技术中不可或缺的重要组成部分。20世纪30年代,在瑞士出现了世界上第一台名为“费恩斯-1”号的潜水器,开创了潜水器技术的历史。潜水器中的遥控操作潜水器(remotely operated vehicle; ROV)、自主水下航行器(autonomous underwater vehicle; AUV)和载人深潜器(deep submergence vehicle; DSV)三种,分别适用于不同的应用场合。后来又出现了水下滑翔机(autonomous underwater glider; AUG),以及同时具有ROV和AUV功能的混合式潜水器(ARV)、水下直升机(autonomous underwater helicopter; AUH)等。潜水器是海洋技术最重要的研究方向,可称之为海洋技术的“皇冠”。
随着信息技术的进步,特别是人工智能技术的飞速发展,海洋技术进入了智能化海洋技术时代。同时,随着海洋事业的不断推进,在海洋资源开发、海洋能源利用、海洋环境保护和海洋科学研究等各个方面,都对海洋技术提出了更高的要求。智能化,则是海洋技术应对现代世界需求的重要手段。海洋技术的智能化,历史上是从自主水下航行器(AUV)的发明开始的。智能化已经成为许多海洋技术的重要特征。除了AUV之外,水下滑翔机也是海洋技术智能化的重要产物,在当今的海洋事业中尽显风采,俨然成为海洋科学研究、海洋工程开发、海洋军事应用等领域中不可或缺的重要角色。海洋观测,则是智能化海洋技术的另一个重要舞台。还有,走向深海进入深渊,自动化智能化的意义更是不言而喻。海底万米深处,是人类鞭长莫及的区域,在那儿作业的各种海洋技术装备,都是靠自动化尤其是智能化的武装,完成一项又一项艰巨而富有挑战的任务,特别是那些需要智能决策方面的任务。进入21世纪之后,物联网、云计算、大数据、移动互联、超大规模计算等技术的发展,为海洋技术的智能化发展注入了新的活力。“智慧海洋”(或称“透明海洋”)是海洋技术领域的一个新的热词,也是海洋技术智能化重要发展方向。通过各种海洋技术手段,尽可能多地获取自海面至海底的各种水上水下信息,使得海洋“透明化”,从而更好地达到“认识海洋,经略海洋,管控海洋”的目标,这就是赋予“智慧海洋”技术的任务。
用于研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源、保护海洋环境以及维护国家海洋安全诸方面的技术很多,上述定义是一个广义的“海洋技术”定义,海洋技术的范畴是非常广的。广义的海洋技术,由基础性、支撑性和应用性三个方面技术组成。海洋基础技术的主要包括水下声学技术、水下光学技术、水下电磁技术等。海洋支撑技术的范畴与广义的海洋技术一样,包括海洋工程材料技术、海洋试验技术、海洋通用件技术等通用性较强的技术。海洋应用技术包括直接面向海洋探测观测应用的技术,如海洋传感器技术、海洋采样技术、海洋遥感技术,以及支撑海洋探测观测应用的平台技术,如潜水器技术等。
人们对海洋的认识,是通过海洋科学研究展开的。海洋技术在支撑海洋科学发展的过程中,也带动了自身的发展。如果主要考虑面向“海洋科学研究”的支撑,那么就产生了一个海洋技术的狭义定义与范畴。在这个狭义的海洋技术范畴中,海洋技术主要涉及海洋传感器技术、海洋探测技术、海洋观测技术等领域。其中,海洋观测技术涵盖了卫星遥感技术,同时也覆盖了海洋采样技术以及作为载体支撑海洋观测技术的潜水器技术。对海洋的探测和观测,是一切海洋活动的基础,地位十分重要。由于海洋科学的研究和调查中,主要采用海洋探测、海洋观测技术。所以在很长的一段时间里,海洋科学界内通常认为应用于海洋的探测与观测技术,就是“海洋技术”的全部内容。因此,可以这样来认为,这一狭义的海洋技术,是广义的海洋技术在海洋探测与观测领域的子集。
海洋技术是人类探测与观测海洋活动的技术基础。它基础性强、综合性强,涉及面广,是实现各种海洋工程的基本保障。它与许多相关学科领域联系密切。
海洋技术最重要的特点是深刻体现海洋的特征。海洋最大的特征就是庞大的海水水体,这一水体,赋予了海洋技术的基本特点,就是要与一个庞大的水体打交道。这种水体不是一般的水体,而是一种富含盐度的水体。不仅是腐蚀性很强的水体,还与很高的压力相关,因为人类的海洋技术,通常会应用于海洋的深处。综合归纳起来,在海洋这样特殊的环境下,海洋技术的应用需要面对以下几个方面的问题:①海水(气)具有腐蚀性。②海水具有浸没性和海水压力。③海水与技术装备之间存在相互作用。④海水具有屏蔽性。⑤离岸作业的特殊性。⑥不稳定、不可预知的复杂海上作业状况等。
海水的屏蔽性指海水对光线、对电磁波等的屏蔽。这些特殊的因素,对海洋技术提出了不同的要求。由于海水(气)具有很强的腐蚀性,海洋技术的一个重要特质是材料防腐;水下作业的要求,使海洋技术在水下海洋技术装备的强度、结构、密封设计上需要重点关注海水压力;海水与技术装备之间的相互作用,对装备结构与强度方面提出了特殊要求;水下工作的特殊性,对装备供电、通信、控制技术提出了与陆上不同的要求;离岸作业的特殊性,对技术装备的维护甚至整体设计理念提出了新要求;针对不稳定、不可预知的海上作业状况,海洋技术一定要具备高可靠性要求。以海洋探测与观测活动离不开的潜水器为例,系统的供能、控制、通信、耐腐蚀、高压密封、液固耦合、离岸作业等一些特殊的因素,都需要特别考虑。潜水器走得越远、潜得越深、离岸的时间越长、携带的工作载荷越重,难度就越大,所涉及的海洋技术含量也就越高。正是这些众多的特殊考虑,使得海洋技术更具特色,更加与众不同。
纵观国际上的海洋技术发展与研究,海洋技术的发展趋势,主要体现在这样几个方面。①海洋技术向更深、更远方向发展,是海洋技术装备在深度和广度两个维度上的发展。全海深的海洋技术将是主旋律,大范围的覆盖,将是海洋技术发展的必然。②先进的深海技术装备支撑科学发现。各类潜水器、海底钻探计划、海洋观测平台,是现代海洋科学研究不可或缺的保障。③海洋技术与信息技术的结合,使得大范围海洋的可信观测成为现实。④海洋通用技术等发展支撑海洋技术进步。⑤海洋技术直接促进了海洋资源的开发和经济建设。⑥海洋技术与海洋科学的联系和互动更加密切。⑦海洋技术产品在中国全面国产化,支撑中国海洋科学事业进步和国防建设。⑧海洋技术智能化发展,将成为海洋技术发展的主要脉络。
扩展阅读
- RANDALL R E.Element of ocean engineering.Alexandria, Virginia:The Society of Naval Architecture and Marine Engineering,2010.