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
海洋蘊藏着儲量豐富的生物資源、礦産資源，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态的關鍵。近年來，大陸不斷加大投入，取得了一系列突破，研制了作業型載人潛水器“蛟龍号”、萬米級載人潛水器“奮鬥者号”、首套國産化水下采油樹、“開拓一号”深海重載作業采礦車等一批重大裝備，服務于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。文章立足大陸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 / 探測與感覺系統、水下施工作業裝備、深海水下油氣生産系統、深海礦産資源開發裝備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，總結了大陸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實體 – 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，凝練了大陸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、高速率通信技術、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。為實作大陸深海水下技術裝備的高品質發展，文章建議：加強深海水下工程技術發展的頂層設計，推動建構共性關鍵技術協作體系；增強大陸深海水下技術規範和标準的行業影響力，大力開拓國際市場；高品質推進相容通用的平台建設；注重培養深海水下工程科技創新人才，為加速實作海洋科技産業高水準發展提供支撐。
一、前言
海洋約占地球表面積的70%，蘊藏着儲量豐富的生物資源、礦産資源，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、生态環境的破壞以及氣候變化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。深海開發面臨複雜多變的環境水下因素挑戰，亟需高水準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覺裝備的發展；海洋資源綠色開發則依賴深海資源水下勘探、施工、油氣生産、礦産開發以及探測感覺技術裝備與産業鍊的協同保障；海洋生态環境保護則需依靠水下技術裝備各體系間的協同合作。大陸重視海洋利用與開發，将海洋強國作為國家的重要戰略目标，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産業創新發展。
深海水下技術裝備指用于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 / 探測與感覺、水下施工作業、深海油氣生産、深海礦産開發等裝備領域。近年來，大陸不斷加大投入，在深海觀 / 探測、施工作業、海洋油氣開采、深海礦産開發等方面不斷取得突破，研制了作業型載人潛水器“蛟龍号”、萬米級載人潛水器“奮鬥者号”、首套國産化水下采油樹、“開拓一号”深海重載作業采礦車、國産全自研“挖 – 鋪 – 埋”一體化水下施工作業裝備等一批重大裝備，服務于大陸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”為核心的産業鍊，為大陸深海資源開發裝備的自主可控發展提供有力支撐。
目前，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滞後，部分核心部件配套産品、業務應用依賴進口，面臨國外科技封鎖的風險；各行業發展相對獨立、部分産業環節略顯薄弱、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準，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，通過實地考察、問卷調查、文獻調研等方式，梳理深海水下技術裝備的國内外發展現狀及趨勢，凝練大陸深海水下開發技術裝備存在的共性關鍵問題，提出加快大陸深海水下開發技術裝備自主可控的針對性建議，為推動大陸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 / 探測與感覺系統
深海觀測 / 探測與感覺系統主要包括：實體、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，錨系潛标裝備，原位靜力觸探儀（CPT），沉積物取樣裝置，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、深海工程鑽探裝備、深海水下挖溝裝備、深海水下沉箱整平裝備、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、深海水下鑽探裝備、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. 深海水下油氣生産系統
深海水下油氣生産系統主要包括：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. 深海礦産資源開發裝備
深海礦産開發裝備主要包括：錳結核采集裝備、多金屬硫化物掘采裝備、富钴結殼開采裝備、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、超水深電力通信傳輸線纜裝備等。
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，旨在通過海洋監測裝置和觀測、探測、感覺系統，深入了解和解釋海洋的實體、化學和生态過程。目前，人類對海洋的認知和了解水準仍有待提高，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裝置，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、感覺系統的發展，提升了人類對海洋的認知水準。随着深海水下技術裝備的不斷創新，深海實體過程、生态系統和氣候變化等重要問題将被破解，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、地質及周邊生态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産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産裝備開發海底石油、天然氣等資源，利用海底礦産資源開發裝備開發多金屬結核、硫化物、富钴結殼及富稀土。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。深海水下技術裝備通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化至關重要。海洋水質、生化監測感覺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實時監測能力。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，基于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于恢複和保護海洋生态系統，促進海洋生物多樣性。
基于上述分析，深海水下技術裝備在認知海洋、開發海洋及保護海洋的程序中扮演着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準、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 / 探測與感覺系統
深海觀測 / 探測與感覺系統主要包深海監測、觀測傳感裝置，深海潛航器以及錨系潛标觀測網。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成像聲呐、Sonardyne-Solstice 3000多孔徑側掃聲呐等深海觀測 / 探測與感覺傳感器。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，并應用于海洋科學、資源開發、軍事等領域。除此之外，歐洲、美國、日本、俄羅斯、澳洲等建構了錨系潛标觀測網。其中，美國和加拿大的海洋觀測網基于有纜方式進行建構，實作了對海洋的全方位、多尺度和跨時空動态觀測；歐洲的海底觀測網絡遍布歐洲主要海域，緻力于發展多學科（海洋實體、海洋生物、海洋化學），多目标（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 / 探測與感覺傳感器朝着更高精度、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準；深海潛水器裝備将聚焦高自治、大水深、長續航等方向。為有效實作海洋探測、觀測、感覺與開發，各國海底觀測網向更大組網範圍、跨時空尺度、全天候、多目标、長期、動态、實時原位的目标發展。
（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內建以及海洋工程的重要支撐，具有高技術、高投入、高産出、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于領先地位，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于海底開溝埋管、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，具有廣闊的應用前景。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，廣泛應用于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水下無人機器人可适應海底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内極端環境條件和各種海底土壤中運作，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。
随着資訊技術、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産業向深遠海發展的主要推動力，正朝着智能化、內建化、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，随着深海開發的深入，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，以滿足深海環境複雜多變的特點，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）深海水下油氣生産系統
深海水下油氣生産系統是海洋油氣資源開發的重要裝備，負責将海底油氣輸送到陸上平台終端，屬于海洋工程高技術裝備，具有多學科綜合協調的特征。水下油氣生産系統由井口、采油樹、水下控制系統、水下多功能管彙和臍帶纜等複雜子產品組成，不僅能采集和輸送海底油氣，還能傳打點滴壓、電氣信号和生産資訊，是實作海底油氣高效開采的關鍵裝備。
美國在20世紀50年代便開始着手水下油氣生産系統的研發工作，并首次提出了“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、挪威等國家也注重水下油氣生産系統的研發，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多個水下油氣生産系統項目成功投産，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）水下采油樹産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産系統的另一個關鍵技術裝備。目前，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，産品種類豐富，可滿足不同的應用需求。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，緻使臍帶纜市場存在競争不充分、準入條件高等問題。水下油氣生産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，建構了較為完備的水下油氣生産系統技術裝備産業鍊。以深海井口成套裝置建造技術為例，全球前五大油氣技術服務公司占據了75%以上的市場佔有率。
随着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，深海油氣生産将更加重視數字化轉型，注重遠端監控、智能傳感器和自主作業的應用。此外，由于深海油氣生産的環境保護和可持續性問題日益受到關注，深海水下油氣生産系統開始趨于使用更加先進的環境保護技術，以期減少對海洋生态系統的影響，并在廢棄階段開展适當的生态修複工作。總體而言，國際深海水下油氣生産系統将朝着更深水域、更數字化、更環保和更可持續的方向發展。
（四）深海礦産資源開發裝備
深海中蘊藏着儲量豐富的戰略金屬資源，包括多金屬結核、富钴結殼和多金屬硫化物等，這3種礦産資源所富含的钴、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項目，逐漸突破深海采礦關鍵技術、評估深海采礦環境擾動，并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程序奠定基礎。
經過海試研究，國外在深海礦産資源開發技術裝備方面取得了突破性進展，建構了較為完善的技術方案體系，并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、深水重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，技術裝備先進化程度較高，總體水準領先大陸8~10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，近幾年将實作對海底礦山資源的商業開采。
深海礦産資源開發是目前人類可操縱的最大規模的深海作業，涵蓋勘查、采礦、選冶、運輸等産業鍊，融合了海底作業、水下輸送、動力輸配、中央控制和水面支援等全方位平台和系統裝備體系。目前，全球尚無适合商業化開發的深海采礦系統，多數裝備仍處于研制和試驗階段。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、大陸深海水下技術裝備研制現狀
（一）深海觀測 / 探測與感覺系統
1. 工程挑戰
深海觀測 / 探測與感覺系統的建構可為“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，但也面臨着一系列挑戰。一是深海觀測 / 探測與感覺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 / 探測與感覺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信困難，而有線通信又受到深海環境的限制，發展超遠距離、高效通信是深海觀測 / 探測與感覺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。是以，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 / 探測與感覺系統提供能源，是目前迫切需要解決的問題。此外，深海觀測 / 探測與感覺系統還需要精準定位、耐久性材料、智能化等方面的支援。
2. 關鍵技術體系
近年來，深海觀測 / 探測與感覺技術獲得了飛速發展，為探測、監測及感覺深遠海環境，提供了立體化、長周期、全天候、實時、智能的資料回報，推動了海洋認知和開發的不斷進步。推動深海觀測 / 探測與感覺技術進步所涉及的關鍵技術主要包括：擷取深海複雜環境資料的智能感覺分析技術，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，用于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，用于實作協同工作和合作的水下有人及無人裝備叢集智能協同技術，用于保護裝置和結構完整性的水下密封技術，用于實時多裝置協調與同步的實時同步技術、功能材料及元器件加工技術。
深海觀測 / 探測與感覺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 / 探測與感覺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圖像資訊、實作資料高速傳輸等。基于聲學、光學和電磁學耦合原理建立高精度、全方位的多模态資訊融合架構，提升智能化水準，是解決深海觀測 / 探測與感覺技術面臨挑戰的關鍵所在。深海流體與觀測 / 探測與感覺系統的互相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，用于指導和調整水下裝置姿态、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性能，是深海觀測 / 探測與感覺系統進行結構設計和強度分析的基礎考量，以確定裝置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，大陸的海洋觀測 / 探測與感覺系統整體上處于“跟跑”階段，主要應用于淺海，其中，深海觀測傳感器在智能實時響應、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通過聯合攻關，先後研制了1000 m和3000 m自容式CTD，性能領先并接近國際先進水準。此後，大陸CTD傳感器技術發展迅速，研發了多款新型CTD傳感器和儀器，填補了國内相關技術裝備的空白，打破了相關技術的國際壟斷，為大陸海洋科學研究和海洋資源開發提供了有力支撐。目前，大陸代表性的深海觀測 / 探測與感覺系統有：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，成功研制了大陸首套應用于深海的微機電系統（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資料；③ 中國科學院地質與地球實體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“并跑、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米級深海海底沉積物多參數原位測試和低擾動取樣。大陸觀測 / 探測與感覺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，大陸海洋技術裝備取得飛速發展，觀測 / 探測與感覺系統逐漸擺脫了海洋發達國家的技術封鎖。自“十二五”時期以來，大陸加強對深海關鍵技術與裝備的投入支援，在深海科技領域取得了一系列成果突破，如“蛟龍号”載人潛水器、“深海勇士号”載人潛水器、“奮鬥者号”載人潛水器、“海翼号”水下滑翔機、“海鬥一号”全海深無人潛水器等。深海觀測 / 探測與感覺系統的國産化程序表明，大陸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 / 探測與感覺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
随着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确導航與定位、裝置密封性與抗壓性、高效動力系統等方面都面臨嚴峻挑戰。進一步確定水下施工裝置性能穩定、降低故障率，加強裝置有效維護和保養，成為維持水下裝置可靠性和高效率的關鍵問題；同時，亟需研發更先進的通信裝置和控制系統，以保證明時監控和控制的有效性。此外，在水下施工的同時要注重對深海環境的保護，如減少噪音和光污染、減少海底沉積物的擾動等，避免對生物造成傷害，減少對海底生态的破壞，成為目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着重要作用。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：用于深水裝置制造和加工的特種材料制造加工技術，用于深水裝置的控制和動力傳輸的水下液壓技術，用于深水裝置高效、安全和可靠運作的智能電動化技術，用于海洋裝置穩定和性能優化的自适應調節控制技術、輕量化設計技術、深海供電技術，用于保持有效密封和抵禦高壓的密封耐壓技術，用于實作裝置自動化、智能化和協同化操作的內建智能控制技術。
上述水下施工作業裝備技術體系的建構，需要流體力學、材料力學等多學科的交叉融合，其關鍵的實體及力學原理包括：深水腐蝕 – 疲勞耦合機理與複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、結構力學與拓撲優化理論、物聯網與智能控制算法等。總之，水下施工作業裝備是一個複雜的系統工程，需要綜合考慮水下作業環境、平台設計、感覺控制、人機互動、能源通信、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，需要使用定制化的裝置進行作業，水下施工作業裝備成為海洋工程領域的重要組成部分。2023年，大陸自主研發了首台2500米級超深水打樁錘，并成功完成海試，填補了國内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内深水表層人造金剛石（PDC）噴射鑽井技術，創造了國内深水作業表層機械鑽速的新紀錄。目前，大陸海上鑽井技術和作業能力已進入“超深水時代”，深水鑽探技術水準逐漸與國際接軌。
大陸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年引進了大陸第一台大型挖溝機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，填補了大陸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，大陸水下沉箱發展迅速。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的充砂半圓體沉箱混合堤，預制安裝了544個半圓體沉箱。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”，是目前世界上船體規模最大、裝置最先進的自升式碎石鋪設整平船，鞏固了大陸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。大陸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内首艘清淤專用船“捷龍号”，解決了深中通道項目回淤強度大的技術難題。大陸水下施工作業代表性技術裝備圖譜如圖3所示。
圖3 大陸水下施工作業代表性技術裝備圖譜
（三）深海水下油氣生産系統
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，由于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，主要展現在深海油氣開采技術及裝置安全營運和環境保護等方面。在技術層面，深水鑽井技術有别于陸地和淺海的鑽井技術，需要浮式作業平台、水下井口以及自相比對的生産與管彙系統。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複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、檢修維護等方面适應深海環境；生産系統的安全管理、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态系統有一定的影響，包括破壞底栖生物栖息地、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洩漏的風險，一旦發生洩漏，将對海洋生态系統産生嚴重威脅。
2. 關鍵技術體系
針對深海環境的特殊性，水下油氣生産系統開發技術未來發展将更多關注深海工程技術的突破，包括更先進的深海裝置和工具、更有效的海底基礎設施建設等。其中，數字化轉型和智能化技術的快速發展将持續推動深海水下油氣生産系統在智能、高效、安全生産等方面的發展。深海水下油氣生産系統的關鍵技術主要包括：用于千米級深海油氣生産的深水、超深水水下采油技術，用于實時監測診斷水下控制系統、水下管彙、水下連接配接器故障、及時故障報警的水下生産系統智能化技術，用于監控油氣田生産作業壓力、溫度、流量等一系列重要參數的水下傳感技術，用于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，用于高精度、高品質和高效率零部件加工過程的精密元器件加工制造技術，用于海洋領域中實作兩個物體之間的準确擷取和連接配接的采集對接控制技術，用于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，用于在油氣勘探和生産中取得更遠鑽井射程和更優鑽井效果的水下油氣處理技術。油氣生産技術的成熟和發展與多相流運動理論、遠距離信号傳輸與處理理論、水下機器人控制力學、防腐材料化學、多實體場耦合作用理論、氣泡動力學、氣液固耦合動力學等的發展息息相關。深入了解和應用這些實體和力學機制可以提高深海水下油氣生産的勘探、開發和生産效率，同時降低生産風險。
3. 典型裝備代表
大陸在深海水下油氣生産系統領域的研究起步較晚。相關前期研究集中在300 m以内的淺海領域，緻使大陸深海油氣生産技術與國際水準存在較大差距。由大陸自主研發的首套水下采油樹系統于2021年在渤海油田海底安裝測試成功，标志着水下油氣生産裝備國産化實作了跨越式發展。2022年，大陸獨立研發的水下油氣生産系統在南海東方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産裝備的國産化水準。2023年，位于南海珠江口盆地的中國海油恩平15-1平台搭載大陸首套海上二氧化碳封存裝置，正式啟動了二氧化碳回注井的鑽井作業；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。大陸積極開展水下臍帶纜的核心技術攻關，加強自主研發，緩解了受制于人的局面，確定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，标志着大陸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态臍帶纜，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年生産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，是大陸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産系統用鋼管型光電液複合臍帶纜，樣品試制和檢測全過程通過了挪威船級社的認證。
大陸水下油氣生産系統的水下多相流量計、水下管口連接配接器、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産品研發仍顯弱勢。近年來，大陸水下油氣生産系統取得了較大進展，但部分裝備的自主化水準亟待提高，仍面臨一些挑戰：尚未完全擁有水下油氣生産系統關鍵技術裝備的自主知識産權，部分技術對外依存度高（如油氣系統安裝、檢修、深水定位等）。大陸水下油氣生産系統的部分關鍵技術裝備圖譜如圖4所示。
圖4 大陸水下油氣生産部分關鍵技術裝備圖譜
（四）深海礦産資源開發裝備
1. 工程挑戰
深海中蘊藏着儲量豐富的礦産資源，對其精準勘探、合理開發将帶動相關産業發展，創造新的經濟增長點。深海礦産資源所處位置特殊，資源勘探、開發利用面臨諸多挑戰，如多金屬結核分布于4000~6000 m的洋底表面。① 深海底部的高壓、低溫、黑暗、腐蝕環境，對深海礦産資源勘探、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，目前的聲學定位精度和傳輸速率難以滿足其海量資料融合分析和大叢集實時協同的勘探需求。② 不同的礦産資源需要不同的采礦方式，如對于多金屬結核可以采用液力采集，而對于富钴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、優化采礦工藝、提高不同礦種的采集效率，是目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沉積物、破壞海底地形、影響底栖生物栖息環境、增加海水濁度、釋放海底重金屬、産生噪聲污染等。深海采礦帶來的環境影響是目前國際關注的焦點，處理好海底環境保護和海底礦産資源開采的關系是開展海底礦産資源開采的關鍵。
2. 關鍵技術體系
針對深海礦産資源的商業化開采，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、關鍵裝置研發、系統可靠性測試、環境影響與修複研究等諸多方面仍需開展深入研究與驗證。開展深海礦産資源開發的關鍵技術主要包括：用于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，用于預測和監測礦用卡車在極端工作條件下運作情況的礦車作業極端工況預報監測技術，用于在水下環境中确定位置和進行導航的水下定位導航技術，用于深海環境中實作車輛智能行走、安全運作和穩定控制的礦車智能安全平穩自主行走技術，用于實作車輛穩定運動和精确控制的采礦車水中運動姿态自動控制技術，用于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，用于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，用于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，用于回收水下裝備布放回收姿态的自動控制技術，用于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實體理論和力學機制，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、多傳感器資訊內建處理機制、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。這些理論和機理的了解與應用，有助于優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
深海礦産資源（如多金屬結核、富钴結殼、多金屬硫化物）開發裝備，是目前海洋工程中規模最大的裝備體系。經過多年的發展，大陸于2017年研制出400米級的富钴礦開采試驗車，可以線上實時監測富钴礦的賦存情況，擷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“鲲龍号”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，實作了大陸深海采礦領域裡程碑式的重大突破。上海交通大學團隊于2021年成功研制出深海重載采礦裝備樣機“開拓一号”，具有海底作業環境感覺、智能自主要制、高效水力集礦等作業能力，已在大陸南海開展了海底智能行進與路徑跟蹤試驗，取得圓滿成功。“開拓一号”深海重載采礦裝備樣機的成功海試标志着深海重載作業采礦車研發向工程化、智能化邁出了重要的一步，正逐漸接近世界先進水準。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機關研制了新概念深海多金屬結核原位集礦技術驗證平台“曼塔号”，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機關機構共同攻關，于2023年研制了适用于深海硫化物開采的重載四履帶獨立懸挂行走系統樣機，顯著提高了集礦車在深水複雜地形下的行走速度。深海礦産資源開發的代表性技術裝備圖譜如圖5所示。
圖5 大陸深海礦産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。由于深海水下技術體系複雜，多種技術互相依存，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信技術、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、水下目标探測與定位技術、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、大陸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
一是大陸深海水下技術裝備中的部分關鍵裝備與核心技術存在受制于人、被國際封鎖的問題。大陸水下裝備制造企業面臨核心零部件“卡脖子”問題，如海底作業裝備高性能控制系統研發及制造技術；核心技術遭受封鎖進一步導緻外圍配套和下遊接續技術研發及産品制造受阻，如深水導航定位和內建控制系統等。二是國産深海水下技術裝備的産品精度、可靠度與國際先進水準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準限制，大陸水下裝備材料、零部件應用效果或耐久性欠佳。其中，大陸生産的千米級水密接插件主要性能名額與國外産品存在較大差距，如國産深海裝備塗料設計使用壽命為5~6年，國際同類高端産品可達8年。
2. 市場空間狹窄與需求潛力巨大的錯位并存
一是大陸深海水下技術裝備的現有市場空間較為狹窄。目前，大陸深水裝備的作業能力、高端制造能力和智能化水準逐漸提高，但國外相關裝置生産企業憑借較強的技術實力和市場影響力占據了大陸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、南海權益争端等凸顯了深海水下技術與裝備産業發展的重要性；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，亟需大規模高品質水下工程技術裝備的支援。
3. 高端平台缺失與專業人才匮乏
大陸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、深海礦産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，導緻産品研制以定制化為主，生産企業規模較小、分布零散，難以形成産業規模并實作市場化生産。同時，大陸深海水下技術裝備領域專業人才匮乏，盡管在相關領域有一定數量的專業人才，但由于平台之間缺乏協作，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，推動建構共性關鍵技術協作體系
聚焦未來深海水下工程技術裝備産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，形成獲得國家支援的深海水下工程技術裝備創新聯盟，組織和建構跨國界、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标，推進海洋重大工程建設，積極布局深海水下工程産業高精尖領域共性技術平台建設；加速彙聚高端創新要素，不斷貫通“産學研用”鍊條，推動建構多層次、寬領域、功能型、開放式的新型共性技術協作支撐體系。
2. 增強大陸深海水下技術規範和标準的行業影響力，大力開拓國際市場
建議組織國内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标準的建設。注重打造創新研發基地與示範工程，增強大陸在深海水下工程領域國際标準、行業規範的影響力，實作在水下工程儀器裝備國際标準、規範制定方面的突破，提升大陸在水下技術領域的國際話語權。謀劃和推動大陸深海水下工程技術裝備産業“走出去”，鼓勵相關的裝備、軟體、标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産業體系和産業叢集，提升大陸深海水下工程技術裝備的國際市場競争力。
3. 高品質推進相容通用的平台建設
瞄準大陸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”技術背後的實體原理和力學機制，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. 注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複合型人才培養體系。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、技術支援和實踐機會的力度，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。
注：本文内容呈現略有調整，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。
注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。