深海科学实验装备发展研究

深海孕育了世界上最大的生态系统,对深海相关演变规律的深刻认知将支撑人类社会的可持续发展;深海极端环境条件决定了开展原位实验作业非常困难,也对深海科学实验装备提出了苛刻的要求。本文从深海科学实验研究的视角出发,按照深海试验装备及试验场、深海原位探测与实验装备、深海环境模拟实验装备的主要划分,系统梳理了国内外深海科学实验装备的发展态势和面临的问题。我国在深海科学实验装备领域已形成了一批自主研发的装备技术,推动了深海科学研究进步,部分优势方向已跻身国际先进水平;但在高精尖装备及其关键核心技术方面未能构建成熟的产业链,导致部分装备发展受限、一些技术薄弱环节凸显。需要加强顶层谋划、协调技术攻关,建立激励机制、推动创新转化,建设示范平台、形成标准体系,突破传感技术、加快国产进程,加强国际合作、提升创新能力,以深海科学实验装备高质量发展推动深海科学研究和海洋强国建设。     

深海探测与驻留装备发展研究

深海探测与驻留装备是发展海洋科学的重要基础。近年来,我国自主研发的相关装备进展良好,但在国产化过程中仍面临一些“卡脖子”技术问题,亟需攻克相应装备的技术短板,推动我国“透明海洋”能力建设。本文在分析深海探测与驻留装备发展需求的基础上,围绕深海通用感知探测设备、深海运载探测通用平台、深水多功能作业平台、深海通导定位装备、深海通用作业工具、深海有人与无人设备的智能控制系统等6个重点领域,系统梳理国内外相关装备的发展现状,深入辨析我国深海探测与驻留装备发展面临的问题。本文论证提出了我国深海探测与驻留装备的9个重点发展方向,涵盖探测装备能源补给、装备系统设计及优化、高功率密度动力、原位实验研究与开发、载人装备宜居与应急救援、水下动态网络定位、水下声光多模混合通信网络、作业人机混合决策与协同控制、人机交互效能评估及优化等关键技术。研究建议,坚持科学发展、加快启动重点海域建设,坚持统筹集约、高效推进共建共用共享,坚持创新驱动、持续发展新技术新装备,以推动我国深海探测与驻留装备的高质量发展。     

封面图片说明

正深海蕴藏着丰富的资源,深海服役材料需要承受深海高压、低温(或热液区高温)、微生物、毒性气体、海水流动及承载等耦合环境下的蚀损破坏.上海海事大学尹衍升教授课题组主持承担了国家重点基础研究发展计划深海材料蚀损机制专题,在深海极端环境服役材料的研究领域取得了一系列研究成果.封面图片展示了深海热液区极端环境以及我国第一台具有自主知识产权的在多因素条件下模拟万米海深环境的试验平台,反应釜容积5 L、最大操作压力100 MPa、操作温度范围     

深海水下技术装备发展研究

深海水下技术装备是认知深海、开发深海资源以及保护海洋生态的关键,拓展深海新空间面临复杂多变的环境挑战,亟需高水平的深海水下技术装备作支撑。本文立足我国海洋强国建设的发展实际,分析了深海水下技术装备的体系构成和发展需求,从深海观测/探测与感知系统、水下施工作业装备、深海水下油气生产系统、深海矿产资源开发装备4个方面出发,梳理了国外深海水下技术装备的发展现状和趋势。在此基础上,总结了我国深海水下技术装备研制的发展现状,分析了发展面临的工程挑战,剖析了相关关键技术装备体系和关键物理–力学机制,概括了深海水下技术装备的典型装备代表和装备图谱,凝练了我国深海水下技术装备的共性关键技术,涵盖智能化与自动化技术、精密元器件加工制造技术、高精度定位导航、高速率通信技术、大系统力学计算与分析和跨尺度工程设计方法与技术等方面。为实现我国深海水下技术装备的高质量发展,研究建议：加强深海水下工程技术发展的顶层设计,推动构建共性关键技术协作体系;增强我国深海水下技术规范和标准的行业影响力,大力开拓国际市场;高质量推进兼容通用的平台建设;注重培养深海水下工程科技创新人才,为加速实现海洋科技产业高水平发展提供支撑。     

深海纤维增强树脂复合材料圆柱耐压壳力学性能的研究进展

纤维增强树脂复合材料因其轻质和优异力学性能,使其成为了关键深海战略材料,已应用在深海潜水器重大装备。其中,耐压壳是保证深海潜水器安全和稳定的重要部件,与潜水器的质量要求和总体性能密切相关。本文重点关注纤维增强树脂深海圆柱耐压壳,综述其结构设计特性、力学性能试验表征及数值模拟研究进展,并指出目前存在的问题,以期为今后深海复合材料圆柱耐压壳的设计及力学分析提供选材依据。      

我国大型深潜装备研发管理存在的问题及对策思考

系统地总结回顾了我国大型深潜装备的发展历程,包括载人潜水器(HOV)、遥控潜水器(ROV)以及自治潜水器(AUV)等的研制、试验与应用情况。从海洋领域科技管理的角度,对比海洋发达国家深潜装备的常态化业务运行,重点分析了我国大型深潜装备在组织研发、使用维护、运营管理上存在的问题和瓶颈,并从强化顶层设计、完善体制机制、转变研发思路等方面,提出了解决我国深潜装备利用率低、共享困难、研发与应用脱节等问题的对策和建议,这对于"十三五"海洋领域科技项目的组织实施具有参考价值。     

深海噪声测量潜标的设计及实现

本文介绍了利用深海水密玻璃球应答器(ET661G)设计研发的深海噪声测量潜标,给出了潜标及其结构设计的基本思想和噪声测量记录的基本原理.     

铅基反应堆海洋核动力发展研究

铅基反应堆（铅基堆）核动力具有固有安全、小型轻量、长寿高效等突出优点,在先进海洋装备、无人潜航器、深海空间站的能源动力上应用前景广阔;在加快建设海洋强国的背景下,保障海洋能源供给成为重要的基础条件,开展铅基堆海洋核动力发展研究是推动我国海洋装备能源动力技术革新的关键内容。本文总结了海洋核动力的应用场景与发展需求,从技术特征、代表性应用、研制现状等方面系统梳理了铅基堆核动力的发展概况,凝练和剖析了包括核燃料与包壳材料、一回路关键设备、冷却剂工艺与氧测控、先进发电技术在内的铅基堆海洋核动力关键技术。立足国情研判了铅基堆海洋核动力面临的发展挑战,提出了低温铅基堆海洋核动力、高温高效铅基堆海洋核动力、一体化全自然循环铅基堆海洋核动力等可行技术路线。研究建议,强化前瞻性配套专项技术研发、加快部署装备示范工程,将铅基堆纳入重大能源战略、加快建设标准体系,设置国家级联合研发机构、构建科技创新和产业发展新模式,更好服务国家海洋战略并推动海洋核动力跨越式发展。     

深海装备耐压结构用钛合金材料应用研究

本文概述了国内外钛合金深海装备的发展现状,针对深海服役环境特点对耐压结构用钛合金材料的性能要求进行了分析,介绍了典型装备耐压结构钛合金材料研究应用中出现的应力腐蚀和蠕变等技术问题,提出需要针对钛合金材料长期服役时存在的组织演变和性能衰减、冲击环境下的动态响应等基础科学问题开展研究,重点梳理工程应用中的大规格材料、应用评价和高效建造等关键技术。文章建议针对深海领域钛合金装备的迫切需求,进一步加大钛合金材料基础研究和工程化应用力度,推动创新应用,践行海洋强国战略。     

静水压力对深海工程涂料防护性能的影响

深海具有特殊的腐蚀环境特点,需要研究涂料对深海工程结构物的防护性。利用自制的深海环境模拟试验装置,分别在0.1 MPa和3.5 MPa静水压力条件下,对典型涂层吸水率、附着力、交流阻抗特性和微观形貌进行了对比研究。结果表明:与0.1 MPa海水浸泡相比,在3.5 MPa静水压力条件下涂层具有不同的吸水特征;涂层与金属基体间的附着力逐渐降低,涂层防护性能的劣化过程明显加快。     

深海采矿开采系统运动状态和动态特性影响因素分析研究

布局合理、设备安全、运行经济、控制简便，是深海采矿开采系统研究开发的主要目标。开采系统的运动状态和动态特性对上述目标产生直接的、重要的影响。文章根据现有研究成果，对开采系统运动状态和动态特性的主要影响因素进行分析研究,相应结论可为系统及其设备的设计、布局、运行和控制提供参考.     

关于逐步开展四大地球科学工程的建议

建议我国的地球科学和地质勘探工作者逐步开展四大地球科学工程的研究与开发：参与由日本等筹划的大洋综合钻探计划;开发西北太平洋中国专署经济区的海底结核矿矿产资源；制定开发天然气水合物 (gas hydrate) 的技术方针，抓紧有关工艺及设备的研究；进一步加强深部地球科学的探索，深入开展青藏高原的科学钻探研究。     

北极高速水声通信实验初步研究

因海冰覆盖和独特的声速剖面特征,北极水声信道有其特殊性,为研究、开发和利用北极,需要开展北极水声通信研究。2017年夏季在北冰洋中心区开展了一次距离1.26 km、通信速率为1.2 kbps的冰下水声通信实验。实验结果表明通信系统的载波频率偏高、声接收端背景噪声级较高以及水声信道上界面的海冰分布较为复杂是导致实验结果误码率偏高的主要原因,提出了相应的改进措施和建议。实验过程中,水声通信设备系统工作良好无故障。此次实验为极地水声通信装备的研制、极地水声通信的研究与应用积累了宝贵经验。     

深度学习在材料显微图像分析中的应用与挑战

材料的组织结构主要受成分和制备加工工艺的影响,是决定材料性能的关键因素,在材料研发的全周期内具有重要作用。材料组织结构以非结构化图像数据的形式呈现,利用人工经验性的手段进行分析和信息抽取,遗漏了大量的材料学信息和隐含知识。深度学习技术的发展和应用,为材料显微图像中信息的精准、快速、自动获取提供了重要的研究手段。本文从图像处理、图像分析和图像理解3个方面概述了材料显微图像处理与信息挖掘的主要研究内容和关键技术,详细介绍了深度学习在图像分析中的图像识别、图像分割和图像生成3个任务中的研究进展,讨论了深度学习在材料显微图像分析和信息挖掘中的发展方向和挑战。     

金属材料的深冷处理

综述了金属材料深冷处理的效果和机理,介绍了深冷处理的工艺与设备,提出了深化冷处理有待深入研究的问题。     

基于深度学习算法的矿用巡检机器人设备识别

为了实现矿用巡检机器人对煤矿井下设备的识别与匹配,通过基于卷积神经网络的深度学习算法建立了煤矿设备类型识别模型,分别在明亮环境下、昏暗环境下以及设备重叠情况下采集大量待识别设备图像样本,再对识别模型进行训练,实现巡检机器人对煤矿设备的精确识别与分类。使用基于粒子群优化的SVM（support vector machine,支持向量机）建立了煤矿设备匹配模型,将巡检机器人相对于煤矿坐标系的三轴位置信息、三自由度角度和视觉相机转角作为匹配模型的输入量,将相机视野中设备序号作为输出量,实现煤矿设备类型识别模型识别出的设备与已知设备序号一一对应。实验结果表明基于深度学习算法的煤矿设备类型识别模型对外界的干扰不敏感,识别准确率高;基于SVM的煤矿设备匹配模型的匹配准确率达到了93.2%,在匹配准确率的训练和测试效率上均优于基于BP（back propagation,反向传播）神经网络的匹配模型。研究结果可为煤矿井下巡检机器人的研制提供参考。     

Fiber-optic interferometric refractometer for deep-water monitoring

A method is proposed for organizing deep-water refractometric studies and fiber-optic interference systems for precise monitoring of the absolute refractive index of sea water at depths up to 1000 m with measuring probes submerged independently or together with underwater equipment. __________ Translated from Metrologiya, No. 4, pp. 23–38, June, 2007.     

海水光谱吸收/散射系数测量仪的研制

在克服了由于海水的光谱吸收和散射很小的难点下,研制成功具有高分辨和高精度能力的室外现场测试仪器,其结构紧凑合理,测量装置构思精巧,测试过程完全自动化,克服环境和测试条件的多变性带来的影响,实现了海水吸收系数与散射系数的瞬态测量。现场海水光谱吸收/散射系统测量装置为国内首创,填补了国内空白。     

铜铝层状复合材料界面特性及深加工研究进展

铜铝层状复合材料因其良好的综合性能而应用于众多领域,其深加工变形性能关系到复合材料的推广与发展。本文介绍了铜铝层状复合材料深加工性能研究现状,总结了深加工过程中复合材料宏观质量缺陷的成因与解决对策;综述了铜铝层状复合材料的界面特征、形成机理、界面层对铜铝复合板材变形性能的影响;从宏观和微观角度汇总了复合材料界面断裂失效机理;概括了复合材料深加工变形过程中界面结构演变规律;基于复合材料协同变形,提出了复合材料界面结构调控机制。文章还对铜铝层状复合材料深加工发展方向进行了展望。     

深海声探测中伪随机编码信号的仿真研究

目前国际上正在使用多脉冲(MultiPing)探测方式来解决深海探测中探测效率不高的问题,但可能存在回波识别和波达时间定位的问题,提出了利用伪随机编码信号的解决方法。以6 000 m深海海底探测为研究对象,设计发射不同编码信号,对其回波识别和定位进行了仿真和比较,同时对不同编码类型的回波识别性能随噪声变化情况进行了讨论。Walsh码拥有更加出色的回波识别性能,但在波达时间定位方面易出现误差,同时随着噪声的增强,回波识别性能明显下降;m序列拥有出色的波达时间定位性能,但回波识别性能不如Walsh码;Gold码在回波识别性能和波达时间定位性能方面有着较好的平衡表现。