海洋技术的发展历史四个阶段(史前、机械化、自动化、智能化)

      人类为了求生存,为了求交流,为了求得更大的发展,很早就进入海洋。譬如我们的祖辈很早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,应该从人类航海、捕捞开始产生。尽管航海与捕捞,乃至随之出现的海洋战争,与我们所关注的面向海洋观测的海洋技术没有直接关系,但孕育了海洋技术。尤其是海洋军事活动,从古代到现在,对海洋技术的发展,作用重大。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,推动了海洋技术的发展。与其它常规技术一样,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,我们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。




海洋技术的“史前史”



        海洋技术在“史前”,主要是围绕船舶技术的发展,人们使用船只,捕捞海产品以支撑生计,通过航海认识世界,并进行货物运输开展商品交易。早在距今7000年前的新石器时代晚期,中华民族的祖先已经能能使用原始的舟筏浮具和原始的导航知识开始海上航行,揭开了利用原始舟筏在海上航行的序幕。夏、商、周时代,由于木板船与风帆的问世,人们已开始在近海沿岸航行到今日的朝鲜半岛、日本列岛和中南半岛。春秋战国时期,我国古代航海事业的开始形成, 人们累积了一定的天文定向、地理定位、海洋气象等知识,初步形成了近海远航相关的科学知识和所需的海洋技术,从而出现了较大规模的海上运输与海上战争。到秦汉时代,海船逐步大型化,人们也掌握了驶风技术,出现了秦代徐福船队东渡日本和西汉海船远航印度洋的壮举。在三国、两晋、南北朝时期,东吴船队巡航台湾和南洋,法显从印度航海归国,中国船队远航到了波斯湾。

 

        由于罗盘技术广泛地应用于航海,加上前人积累的牵星术、地文、潮流、季风等航海知识,以及造船技术的发展,特别是水密隔舱技术,使宋代后的航海家可以长年在海上远行。宋代人开辟了横越印度洋的航线,尤有重要意义,宋代航海家从广州、泉州启航,横跨北印度洋,直航至西亚和非洲东海岸。在远洋航运方面,无论是航行规模,还是造船和航海技术方面,元代都超过了唐宋。元代较大的远洋船舶能承载千余人,并有十余道风帆。阿拉伯的天文航海技术传入中国,也促进了中国航海技术的发展。600多年前,更有了明初郑和使用“宝船”七下西洋的传奇。这些海洋技术支撑着航海事业的发展,值得一提的是中国发明的指南针技术,对世界航海史产生了巨大的影响。

 

        现在居住在东南太平洋上的玻利尼西亚民族,是天生的航海者。五、六千多年前,他们制作独木舟,或者是双体木舟,通过观察星象来确定航向,航行大半个太平洋,从中国大陆出发,途径台湾、菲律宾、印度尼西亚、巴布亚新内亚,来到现在的玻利尼西亚。后来又海上远行西北,发现新西兰,并一直北上,发现夏威夷。除了通过观星象判定航向,古玻利尼西亚人还通过用手浸入海水的方法来进行判断洋流,指导他们的航海。14-15世纪开始的世界地理大发现时代,就是西方国家通过航海,探索海洋,发现世界。支撑他们事业的,是对季风或贸易风的了解与掌握,并拥有精确的时钟技术,认识洋流以及日益强大的造船技术。就是一个小小的精准时钟的研制,在英国就经历了从16世纪到18世纪两个世纪,在全国范围里设立高额奖金的组织下,才得以完全攻克,从而使得人类能够在茫茫大海上,精确地确定船只的经度。


机械化海洋技术阶段



        与众多的工程技术一样,海洋技术也经历过“机械化”的时代,也就是海洋仪器设备的产生。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。就海洋船舶技术而言,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。

       

        船舶技术一直来被认为是海洋技术的重要组成部分。在飞机、卫星等技术出现之前,船舶几乎成为海洋技术应用的唯一载体。于是,很长一段时间中,船舶技术与海洋技术的含义几乎相同。当然,船舶同时也是海洋运输、海洋军事等活动的重要载体,在当代中国,船舶技术是一门比较独立的学科。因此,现在我们讨论海洋技术时,通常不把船舶技术列入。从海洋技术的角度来看,船舶作为海洋技术应用的重要载体之一,在海洋技术发展中起到了巨大的作用。


        我们来看看世界上第一次海洋科学考察的故事吧。1872年12月7日至1876年5月26日,英国2300吨排水量的“挑战者”号海洋科考船三年半时间的海上考察活动,开启了近代海洋科学研究历史。这一次行程达68890海里、并载入史册的海上考察工作,由英国爱丁堡大学的C.W.汤姆逊领导,船上配备了当时世界上最先进的海洋科学仪器和技术设备,对除北冰洋以外的世界各大洋开展了水文调查、深度测量、深水拖网、温度测定等等技术工作,得到了海洋深层水温分布数据,发现了4400多种海洋生物,绘制了等深线图,首次采集到锰结核,并发现了深海软泥和红土,等等。在那个年代,回声原理已经被发现,像温度和压力传感器也逐渐被应用于水下作业,拖网、海水采样器、沉积物采样设备等这些机械式仪器设备,也被大量发明并得到应用。这些海洋技术装备与海洋科学考察成果,为现代海洋地质、海洋化学、海洋生物等研究,奠定了坚实的基础。


        这里再补充一点,在第一次世界大战时期中出现的军事潜艇,是海洋技术把人类送到水下较大深度下“作业”的重要创举。尽管潜艇是一项军事上的成就,并在后来的第二次世界大战时期得到完善,但潜艇技术对后来的海洋技术发展,影响深远。


自动化海洋技术阶段


        上世纪40年代冯诺曼发明了计算机技术。这一上世纪最伟大的发明,把海洋技术带入了自动化时代。自动化的海洋技术装备,极大地推动了海洋科学研究与海洋事业发展。我们可以举二个最为典型的事例:一是水声技术的发展,二是是潜水器的出现,二者都是自动化海洋技术发展的重要标志。

 

        声音在水中的优良传播特性,使得水下声学技术,成为海洋技术的重要理论与工作基础。利用声波在海洋中传播的规律(包括海水甚至底质对声波的吸收、散射等影响),可以开展海洋探测,水下通讯定位导航等工作。譬如,利用声波的特征,可以进行水下测深的应用,甚至开展深海海底地形地貌的测量。1917年法国科学家朗之万基于压电效应原理发明了晶体和钢组成的声学换能器,从而产生了世界上第一台回声测深仪。现在,基于水声技术的海洋仪器与装备,被广泛应用于各种方面,除了回声测深仪之外,还有侧扫声呐(海底地貌仪)、多普勒声呐、ADCP流速测量仪、鱼探仪、水声通讯系统等等。海洋声学技术与装备,成为当今海洋技术中不可或缺的重要组成部分。

 

        潜水器,顾名思义就是具有水下作业能力的潜水装置或搭载平台,有无人和载人之分,主要用来执行水下任务,如水下观测、海底勘探、水下采样、水下作业等工作。上世纪30年代,在瑞士出现了世界上第一台名为“费恩斯-1”号潜水器,由皮卡尔教授发明,开创了潜水器技术的历史。潜水器主要分有缆遥控潜水器(ROV)、无缆自主式潜水器(AUV)和载人深潜器(DSV)三种,适用于不同的应用场合。后来又出现了水下滑翔机(Underwater Glider,AUG),以及同时具有ROV和AUV功能的混合式潜水器(ARV)等。可以说,潜水器是海洋技术最重要的研究方向,可以称之为海洋技术的“皇冠”。


智能化洋技术阶段


        随着信息技术的进步,特别是计算机技术、人工智能技术的飞速发展,海洋技术研究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、海洋军事和海洋科学研究与调查的各个方面,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,历史上应该是从自主式潜水器(AUV)的发明开始的。而AUV的发明,不得不提到英国天才工程师罗伯特•怀特黑德(Robert Whitehead,1823—1905)。1866年,怀特黑德运用他的聪明学识,发明了一种鱼雷,该鱼雷用压缩空气发动机带动单螺旋桨推进,通过液压阀操纵鱼雷尾部的水平舵板控制鱼雷的艇行深度,可自动导航。就这样,命名为“Whitehead”的自动鱼雷问世了。它可以在700英尺(约640米)的距离处以7节的速度(约3.5米/秒)准确击中目标。 而“Whitehead鱼雷”尽管只是实现了自动化,但通常被人们认为是AUV的先驱。许多事例告诉我们,许多海洋技术的突破,都是从军事应用开始的。

 

        真正意义上的自主式潜水器的研制始于19世纪50年代,民用上早前主要用于海上石油与天然气的开发等,军用方面主要用于打捞实验丢失的海底武器(如鱼雷)。19世纪50年代末期,美国华盛顿大学开始建造世界上第一艘AUV,名为SPURV。当时,该学校的应用物理实验室研制了两台样机,分别取名为SPURVⅠ和SPURVⅡ,主要用于海洋水文调查,测量结果用磁带记录仪加以记录。从此,拉开了海洋技术智能化的序幕。

 

        目前,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,在最近几年中出尽风头,俨然成为海洋科学研究、海洋军事应用等领域中不可或缺的重要角色。在本教材所重点关注的海洋观测技术领域,智能化应用十分广泛。形形色色的海洋观测计划的实施,譬如美国的IOOS计划等,扮演重要角色的网络化移动观测平台、海底观测网络技术、特别是移动与固定结合的海底观测网络技术等等,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。在万米深处,往往人类是鞭长莫及,各种海洋技术作业装备,都是要靠自动化尤其是智能化来进行武装,完成一项一项艰巨而富有挑战的任务,特别是要完成智能决策方面。

 

        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 “登峰造极”的发展方向。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。

 

        同时,“智能海洋技术”这样的新名词,也悄然进入人们的眼帘。相信在不远的将来,海洋技术的发展,越来越朝着“综合”的方向发展。而在综合化的进程中,智能化则是其中最鲜明的特色。