一、前言
海洋占地球表面积2/3，是孕育地球生命体的摇篮，人类自诞生之日起就对神秘的海洋充满了各种美好的幻想，寄托了无限的遐思，流传着许许多多美丽的传说。通过对神秘海洋的探险，发现了新大陆并逐渐认识了人类居住的这个美丽的蓝色星球。
“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、深海开发方面掌握关键技术。”
——习近平
二、ROV简介
早在20世纪50年代，为了把人类的视觉延伸到神秘的海底世界，有人把摄像机密封起来送到了海底，这就是有缆非载人潜水器ROV（ Remotely Operated Vehicle）的雏形，亦称“水下遥控机器人”。它曾参与寻找在西班牙外海的一颗失落在海底的氢弹，引起极大的轰动。
随着近海石油开采业的发展，ROV成为海上石油平台和钻探船必备的辅助和维护作业设备，ROV的应用因此得到了迅猛的发展。到了70年代，ROV产业逐渐形成。
ROV在多起全球瞩目的海上坠机深海沉船等搜索打捞事件中都扮演了主角。ROV是世界上数量最多、应用最广泛、类型最复杂、功能最强大的潜水器，具有作业适应性强、功率大、功能扩展灵活、作业时间不受限制、没有深潜人员风险等优点，能在各种海底环境条件下长时间执行高强度的定点复杂作业。ROV主要应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察相关作业两大领域。
海洋工程、救助、打捞、考古：海上平台和海底油气开发设施相关的辅助作业、海底采矿及相关工程作业、深海钻探辅助作业、桥梁等海底桩基工程辅助作业、海底电缆铺设和维护、海底观测网辅助作业、水下抢险和生命救助、沉船和飞行器打捞、海底考古作业等。
海洋观测、科学考察相关作业：水下摄影、海底观测、地形测绘、沉积物取样、硬岩浅钻、生物取样、水文测量、海底生态环境调查、冷泉及水合物调查、热液喷口及金属硫化物调查、传感器和实验分析设备搭载及深海环境下的实地科学实验、海底观测辅助作业等。
“海马”号4500米深海作业级ROV属于海洋观测、科学考察及相关作业型ROV。
三、项目概况
中国管辖海域面积约300万平方千米，其中4/5位于南海。在中国的管辖海域里，存在许多岛屿主权和资源纷争。深海潜水器技术装备是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，不但对国民经济和社会发展以及国家军事安全有重要意义，而且对未来的海洋空间利用、海洋旅游业、深海打捞、救生等方面同样有着不可估量的价值和战略意义。
我国与先进国家在海洋装备技术水平上尚有一定差距，尤其是在面向深海的装备技术水平方面差距比较大。诸多关键技术为少数发达国家所垄断，严重制约了我国的国际海洋竞争力，阻碍了我国向更深更远海洋进军。为此，国家“863”计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目。
本项目主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器，总经费7306万。本项目对实现我国“十二五”“863”计划深海潜水器技术与装备重大项目的作业能力目标起着举足轻重的作用。
为了确保达到实用化装备研发的目的，科技部创新了项目管理模式，实行业主制管理机制。科技部委托国土资源部作为“4500米级深海作业系统”项目的上级主管部门，广州海洋地质调查局承担业主并牵头实施，联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院有限公司、同济大学和哈尔滨工程大学等单位组成“产”“学”“研”“用”相结合的精英团队，共同协作完成该重点项目的研制和海试任务。
4500米级深海作业系统（“海马”号）重点项目大事记：
2009年10月 完成项目总体方案设计并通过专家组评审
2011年04月 完成项目技术方案设计并通过专家组评审
2012年12月 完成项目关键技术验证和各分系统研制
2013年12月 完成系统集成联调和水池试验
2014年04月 完成4500米深海作业海试验收
2015年03月 首次地勘应用取得成功，发现“海马冷泉”
2015年06月 成功执行西太平洋海山富钴结壳资源探查
2016年03月 再赴“海马冷泉”，执行天然气水合物资源探查和冷泉生态环境探查
“海马”号是国内第一套具有自主知识产权的4500米作业级深海ROV系统，本项目的研制任务包括一套“海马”号4500米作业级无人遥控潜水器（ROV）系统、一套重型升沉补偿器、一套4500米级升降装置和系列化作业工具等深海作业装备。
“海马”号团队瞄准国际同类大型无人遥控潜水器、深海作业工具设备等前沿技术，紧密结合深海科学探查和海底勘查作业需求，全面开展了基础研究、关键技术攻关、实验验证、总体集成、海上试验和地勘应用等工作，突破并掌握了深海无人遥控潜水器的总体设计与制造、系统控制与实时检测、远程动力传输与分配、远程信息传输与处理、深海液压与推进、观通导航、大深度浮力材料、机械手和作业工具、重型升沉补偿器、大规模系统集成和大深度海上试验等核心技术，取得了显著的科研和应用性成果，实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域零的突破，是中国深海高技术领域又一个标志性成果。
“海洋六号”调查船是由中国船舶及海洋工程设计研究院设计，武昌船舶重工有限责任公司建造，是集海洋地球物理勘探、海洋地质调查和物理海洋调查等多种手段于一体的天然气水合物综合考察船。它采用电力推进系统、动力定位、全回转舵桨等先进船舶设备，并配备多波束测量、导航定位和水下定位等ROV作业必需的调查设备。
操作人员通过监控视频对潜水器、机械手和作业工具进行实时遥控操作和水下作业。
根据4500米级深海作业系统项目合同书的要求，在“海洋六号”上加载了一套移动式（甲板安装）ROV绞车和升沉补偿系统。
移动式ROV绞车：移动式；自适应直角排缆；光电滑环
高速牵引力/最大牵引力：10吨/20吨
最大储缆容量：6000米（φ32.8毫米）
双缆径自适应：φ32.8毫米 /φ17.3毫米
“海马”号ROV以脐带缆与母船连接，并通过脐带缆得到电能和进行信号传输。“海马”号使用的脐带缆是光电复合铠装缆，主要技术参数：
外径：32.8毫米最小弯曲半径：67厘米
安全工作负荷：15吨；破断力：45吨
重量（空气中）：3，343 千克/千米
重量（海水中）：2，564 千克/千米
动力/电器供电铜芯：6/2
双绞线：1
光纤管/光纤：1/6（单膜）
升沉补偿系统：最大补偿幅度：6米
安全工作负荷：12吨
四、研制历程
（一）大型无人遥控潜水器（ROV）的工程设计
通过“海马”号项目制定了国内大型无人遥控潜水器的工程设计方法和多学科优化集成设计方法，建立了大型ROV试验方法和海试考核评估方法。构建了性能优异的ROV布局构型、多推进器矢量布置复合推进的技术方法、大型ROV系统综合控制与实时检测方法、大深度液压及推进系统设计方法、大深度远程动力及信号传输采集处理和控制方法，以及高精度的水下定向、定高、定深航行控制的实现方法，形成一套我国自主知识产权的大型无人遥控潜水器工程设计方法，建立了ROV研制从零部件、分系统到整套系统的深海试验测试方法体系。
（二）4500米级特种作业型ROV控制软件
“海马”号项目团队攻克了大深度作业型ROV综合控制系统的核心技术，开发了具有自主知识产权的大型ROV系统控制软件，其功能和可靠性经受了实际作业运行的检验，打破了外国垄断。ROV控制软件及人机交互界面分别运行在母船控制室主控制计算机和主驾驶计算机上。模块化设计方案适用于分布式系统，使得软件开发，软件修改以及软件调试更加方便。软件的各个功能模块是相互独立的，可以同时并行开发各个功能模块，对每个模块可以进行单独调试。
“海马”号项目团队建立了大型ROV系统综合控制方法，形成数据的实时监测、预警、紧急隔离，以及多数据融合、姿态实时仿真、触摸控制、自动航行控制、数据记录与分析等关键技术，基于QNX实时操作系统自主研发了ROV控制功能模块和一套大型ROV系统控制软件，形成了一整套自主知识产权的ROV综合控制系统。
（三）4500米级浮力材料
“海马”号项目团队突破4500米级浮力材料的关键技术。建立了4500米级浮力材料的配方设计、成型工艺、测试方法和评价体系，全面掌握了深海浮力材料的制造与应用技术，在国产深海大型ROV上实现首次成功应用，加快了深海浮力材料的国产化进程。
（四）4500米级七功能和五功能液压作业机械手
“海马”号项目团队在国内首次突破4500米级作业型七功能和五功能机械手研制的关键技术，研制出作业型七功能和五功能机械手，并形成水下液压机械手综合制造、试验测试、工程应用和谱系化能力，达到与国外机械手基本相当的负载能力/重量比，解决了国外机械手中，肘关节、腕关节回转摆线马达输出功率较弱的问题。五功能机械手具有抓举力大的特点，主从式开关控制；七功能机械手为主从式伺服机械手，由水面主手和水下从手组成。采用比例控制技术，可完成水下精细操作，机械手研制技术复杂，通过大量的技术攻关，解决了肘关节双螺旋摆动油缸、腕关节浮动外摆线马达等技术关键。
（五）4500米ROV的液压推进器及其电液控制系统
“海马”号项目团队突破了大深度ROV液压及推进系统，实现国产化。国内首次研发出适用于ROV的双电机双泵加独立油箱及分级控制的液压系统，具有更易布置、更高可靠性和更好的互换性；发明了ROV专用的低刚度高精度的三通电液比例减压/溢流阀，解决了常规压力阀直接控制速度而引发阀－桨共振的问题，研制出液压推进关键元件。达到与国外液压推进器基本相当的推力/重量比，解决国外液压推进控制系统在额定工况下不能兼顾效率与响应速度的问题。现已完成8套推进器及其电液控制系统的研制。
（六）重型升沉补偿器
“海马”号项目团队在国内首次研制成功重型升沉补偿器，建立了被动式升沉补偿器的能量转换理论和设计方法、试验研究及技术实现方法，突破了大直径非金属滑轮、载荷动态控制、双油缸同步驱动、氮气回收与增压、张力实时监测与分析等核心技术，经过多次海上试验验证，自主研制的升沉补偿器达到了国际同类产品先进水平，填补了国内空白。
（七）“海马”号水面控制系统
水下通信控制机构将ROV作业环境和本体工作状态上传至母船控制系统，同时控制人员的操作指令能够下发给本体端的执行电路。同时由于ROV作业环境的特殊性，决定其必然配备大量的传感器和检测装置，整个控制传输数据量巨大，控制逻辑复杂。
（八）90%的技术与装备国产化和一步正样
“海马”号项目团队突破了大深度作业型ROV关键技术，实现了90％的技术与装备国产化，建立了一套工程化大项目管理体系，确保了研制设备的质量，实现了一步正样，打破了高科技研制设备须从小试、中试到列装的传统惯例，初步形成了ROV及深海装备设计、制造、试验与应用产业链，打破了国外对我国深海高技术的封锁，为我国ROV谱系化和产业化打下了坚实的基础。
（九）集产学研用于一体的ROV研发、应用与技术保障团队
培养了一支研发、应用与技术保障团队，形成我国基于“海马”号ROV及其作业系统的4500米级深海作业能力，打破了对进口技术与装备的依赖以及应用进口装备受制于人的局面，为“海马”号迅速投入地勘应用提供了重要保障。
关键技术和元器件均为自主开发，备品备件成本低，可以实时和快速响应“海马”号应用作业的保障需求，对“海马”进行快速维修维护、技术升级和功能扩展，从而真正具备了我国自主的4500米级深海作业能力。
五、海试验收
2013年12月至2014年4月，“海马”号随其母船海洋六号在南海进行了4个航次的分阶段海试。
2014年3～4月，“海马”号三次下潜到南海中央海盆4502米水深处，完成海底观测网扩展缆模拟布放、沉积物取样、热流探针探测、OBS布放、海底自拍摄、标志物布放模拟“黑匣子”打捞等多项深海海底地质探查作业任务，并成功实现与水下升降装置的联合作业。
“海马”号在可控性、稳定性和适应性等各方面都达到了国家一流的技术水平。科技部现场专家组对“海马”的各项技术指标进行了严格考核，一致同意验收。
“海马”号项目团队首次突破并掌握了4500米级大型无人遥控潜水器关键技术，研制成功了我国目前下潜深度和系统规模最大、国产化率最高的“海马”号ROV系统。并迅速转化为实用化深海探查作业装备，达到国外同类ROV的技术水平，填补了我国深海探测技术装备的空白，摆脱了深海ROV领域长期以来受制于人的局面。
“海马”号通过4500米海试验收，被评为我国2014年度重大海洋科技成果。
六、地勘应用
2015年3月，“海马”号经过了短暂的技术改造后，首次投入南海北部陆坡西部海域天然气水合物有利区详查工作，取得了我国南海水合物地勘工作令人振奋的突破性成果——在南海北部陆坡西部发现了“海马冷泉”。
海上试验和地勘应用表明，“海马”号具有实用化海洋设备应具备的可靠性、稳定性和适应性，除了具备强作业型ROV 的常规功能和作业能力以外，还具有强大的扩展功能，已达到国外同类ROV的技术水平。“海马”号团队就调查任务的实际需要，可以灵活地对“海马”号进行功能配置和改造，打破了外国技术垄断。因为是自主研发的设备，“海马”号团队的技术人员做到了随时改造设备，适应作业需要，依赖外国技术人员的日子一去不复返了。在执行南海北部陆坡天然气水合物调查期间，“海马”号团队在“海马”号上加装了6个插管取样器。
“海马”号ROV可以定高、定深和定向航行，经测试，在按照如图轨迹，运动约500米后，返回起始点，找到了起始点的“海马”号脚印，这表明“海马”号具备了精确的水下定位能力。
“海马”号ROV可以在目标海底进行长时间作业和全覆盖观测，不放过一个“蛛丝马迹”，2015年3月，经过大范围仔细寻在，终于在南海北部陆坡西部首次发现了活动性冷泉——“海马冷泉”。
“海马”号团队，已经实践中探索、创新，成长，目前已经位居国内同行深海作业技术的领先地位。已经熟练地掌握深海ROV设备的运行、改造和维护ROV设备。“海马”号的成功研制和应用，为我国自主研发更大深度的各种潜水器，对深海作业级ROV的产业化进程奠定了坚实的基础。
自2002年我国第一个天然气水合物勘查国家专项以来，广州海洋地质调查局在南海北部开展了大量的地质地球物理调查研究工作，探明了多处大型天然气水合物矿床，获取了高纯度实物样品，圈定了多处疑似海底“冷泉”区（即海底甲烷渗漏区）。
“海马冷泉”，是在我国管辖海域内第一个由我国自主研发的深海高科技探查装备发现的海底活动性“冷泉”。“海马冷泉”的发现，不仅是南海天然气水合物资源的一个重大突破性进展，同时也是开展地球生命起源和冷泉生态环境等前沿科学研究的重要窗口。
“海马”号发现的大面积海底碳酸盐结壳，揭示了该区域海底“冷泉”活动有着长久历史。广泛分布的双壳类生物遗骸反映了“冷泉”活动的间歇性和喷溢口变迁。在“海马”号机械手抓取海底样品等作业工程中，高清摄像机发现了大量甲烷气体（气泡）渗出，反映了该区海底有着丰富的甲烷气体蕴藏。“海马”号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，这些都是该区海底水合物赋存的有力证据。
“海马”号不负众望、首战告捷，第一次下潜作业就发现了海底巨型活动性“冷泉”（现已命名为“海马冷泉”）。“海马冷泉”是由国产化高科技手段在我国南海北部陆坡西部发现的第一个规模空前的活动性“冷泉”，海底生物发育极为壮观，冷泉碳酸盐岩分布广泛。
现初步查明“海马冷泉”分布范围约为618平方千米，其中350平方千米的区域已探明存在“冷泉”活动。“海马冷泉”分布的水深为1350～1430米，在地质构造上位于神狐西部海域甘泉西凸起二级构造单元内。冷泉渗漏点呈线条带状分布，明显受到构造控制。“海马冷泉”区的海底生物发育极为壮观，冷泉碳酸盐岩分布广泛。
“海马冷泉”的三大特点（一）
化能自养型冷泉生物茂盛，管状蠕虫、蛤类及贻贝等多种生物共存，贻贝分布最为广泛，不同种类和不同生长期生物在空间上交互分布。反映出“海马冷泉”较为复杂的发育史和局部性差异。“海马冷泉”生物群落的分布特点及其同位素地球化学特征指示了目前冷泉活动的状况和生物地球化学过程。“海马”号观察到大量成片状分布的贻贝幼体，表明新的冷泉活动正在形成。
“海马冷泉”的三大特点（二）
冷泉碳酸盐岩在海底大量出露，形貌多样，主要呈结核状、结壳状和层状，部分区域因较强烈的冷泉流体渗漏致使碳酸盐岩胶结大量贻贝壳体。冷泉碳酸盐岩为研究“海马冷泉”的历史演化和海底天然气水合物分解及其环境效应提供了有利的依据。经氧、碳同位素分析，“海马冷泉”的两个历史活跃期为距今6.1～5.1千年和3.9～2.9千年。
“海马冷泉”的三大特点（三）
浅表层富含天然气水合物。2015年5月和10月，广州海洋地质调查局海洋四号调查船两次开赴“海马冷泉”，使用重力取样器在预定地点海底取获丰富的浅表层天然气水合物样品，最浅的样品埋藏深度仅15cm，这是继神狐海域和珠江口盆地东部海域钻获天然气水合物实物样品之后，广州海洋地质调查局在“海马冷泉”区取得了新的突破。
样品名称：生物化学礁（甲烷礁）
取样海域：“海马冷泉”
取样水深： 1392米
取样日期： 2015年3月4日
作业船舶：“海洋六号”
“海马冷泉”是广州海洋地质调查局在天然气水合物调查研究工作中，坚持创新，不断探索，运用新思路、新技术和新装备取得的闪亮成果。
2015年6月，“海马”号在大洋第36航次中投入应用，在东太平洋采薇海山区圆满完成了6个站位富钴结壳资源探查作业任务，拍摄和记录了海底高清视频，抓取了结壳样品和钙质沉积物样品，对自主研制的小型钻机和切割机进行了实际应用试验，实现了预期的科学目标。
“海马”号在采薇海山进行海底结壳资源探查作业，是继2014年4月“海马”号在南海中央盆地进行海底模拟作业和2015年3月发现“海马冷泉”后的又一次成功应用。填补了我国在海山结壳区应用ROV调查手段的一项空白，全面提升了我国在结壳区调查的技术水平。
七、成果意义
“海马冷泉”是广州海洋地质调查局在天然气水合物调查研究工作中，坚持创新，不断探索，运用新思路、新技术和新装备取得的闪亮成果。“海马”号团队在极短的时间内完成了科研成果向实用化探查装备的快速转化工作，取得了国产化深海技术设备应用和地勘调查成果的双丰收，是我国自主研制和应用高科技深海探查装备的一个成功范例。“海马冷泉”的发现和后续调查研究工作的开展标志着我国在“冷泉”领域的科技水平已经跻身世界一流。
八、目标前景
习近平总书记要求我国海洋工作者进一步关心海洋认识海洋经略海洋，推动海洋强国建设不断取得新成就。21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。“海马”号等国产化深海探查作业装备迎来了我国海洋事业总体上进入了历史上最好的发展时期。“海马”号项目团队正在继续努力，以为我国深海科学技术服务为目标，紧盯国际无人遥控潜水器的技术前沿，通过对“海马”号进行不断地适应性改造，为提高我国海洋资源开发能力提供支撑，为我国海洋发展战略和国家主权探查更广、更深、更多的深海矿产资源，为实现海洋强国梦做出自己最大的努力。
“海马”号团队在极短的时间内完成了科研成果向实用化探查装备的快速转化工作，取得了国产化深海技术设备应用和地勘调查成果的双丰收，是我国自主研制和应用高科技深海探查装备的一个成功范例。
“科学技术是世界性、时代性的，发展科学技术必须具有全球视野、把握时代脉搏。当今世界，新一轮科技革命蓄势待发，物质结构、宇宙演化、生命起源、意识本质等一些重大科学问题的原创性突破正在开辟新前沿新方向”。
主要执笔人：陶军、连琏、马厦飞、陈宗恒、刘纯虎
主要依托成果：4500米级深海作业系统（“863”计划重点项目）项目成果
主要完成单位：广州海洋地质调查局、上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院有限公司、同济大学、哈尔滨工程大学
主要完成人：陶军、马厦飞、陈宗恒、刘纯虎、连琏、周锋、俞国康、田烈余、陈春亮、胡波、梁忠旭、张金华、张小超、唐玉涛、季福武、张旭、罗高生、平伟、万磊
京公网安备 11010202007433号