海洋科技 | 世界海洋工程科技前沿及发展趋势

作者：“中国工程科技 2035 发展战略研究”海洋领域课题组

海洋立体观测网建设是未来海洋科技发展的关键之一。目前海洋监测领域关注的热点和前沿问题包括:卫星遥感海洋环境观测的多参数、宽范围、实时化、立体化;传感器及探测装备的小型化、智能化、标准化、产业化;海洋组网观测的全球化、层次化、综合化与智慧化。

各国纷纷研发海洋观测技术集成和服务系统, 以“星–空–海, 水面–水中–海底智能组网”为代表的海洋环境立体观测网络得到广泛关注。美国的综合海洋观测系统 (IOOS) 、欧洲的海洋观测与预报服务系统 (My Ocean) 、全球海洋实时观测计划 (GOOS) , 以及全球综合地球观测系统 (GEOSS) 等的实施, 为全球和区域尺度的长期观测、监测与信息网络的建设提供了可能。长远来看, 面向海洋活动需求, 以海洋信息服务为中心, 多平台组成的自适应海洋环境立体观测网络仍然是海洋环境立体监测的主要发展方向。

海洋数值预报系统是海洋安全保障的重要基础。随着超级计算机的发展、多种类海洋监测数据的实时获取、资料同化技术的发展和高效并行技术的逐渐成熟, 发展超高分辨率的无缝海洋数值预报系统成为世界各国进行海洋安全保障的主要方向。发展趋势将从传统海洋动力环境安全转向生态环境、资源开发作业和海洋空间权益拓展的全方位安全保障。

实时立体观测与海洋预警预报所获得的全球和区域海洋信息大数据, 通过信息智能服务系统, 将在各种海洋安全保障服务和海洋开发活动中得到广泛应用, 形成海洋信息的产业化。

海洋资源勘查与开发走向

多样化、精准化、安全化, 并向深远海发展

海底资源勘查与开发已上升为世界海洋强国的国家战略。国际海底资源勘查与开发技术总体上正朝着多样化、精确化、高效率、宽范围、大深度的目标发展, 已初步形成深海固体矿产资源的开发能力, 同时需要考虑采矿的环境效应。2013年, 日本在南海海槽进行了水合物试开采, 为最终实现商业性开发进行了有益探索;2014年, 欧盟启动了大型深海采矿项目 (Blue Mining) , 旨在瞄准6 000 m水深的多金属结核和硫化物资源的三维勘探和开发;2015年, 时代电气SMD公司 (Specialist Machine Developments Limited) 宣布研制出世界上第一套商业深海采矿设备。

海洋生物资源的勘查开发向精准化、数字化和信息系统一体化发展。目前世界发达国家和地区开始通过结合4S (RS, GIS, GPS,VMS) 等高新技术, 加强对大洋公海渔业资源的开发和监测, 加深对渔业资源数量波动和渔场变动的理解, 大宗深远海渔业新资源的开发技术与装备正在快速发展。深远海生物基因资源和产物资源已成为海洋生物技术的开发热点。其中, 在海洋生物酶研发方面, 美国启动了“极端环境生命”计划, 欧洲启动了“冷酶计划”“极端细胞工厂计划”, 德国启动了“生物催化2021计划”, 我国“海洋863计划”也启动了海洋生物酶的研究与开发项目。预期海洋生物酶制剂的规模化开发将为海洋生物制造产业带来深远的影响。

在海洋资源开发利用日益深入的同时, 海洋生态环境安全和海洋空间权益保障技术也在加速发展。生态系统内关键功能生物的综合修复、强调生境重现与全功能恢复的岛礁生态保护技术成为研究的热点。从特征、过程向动力学机制研究方向发展的大陆架划界高精度海底探测保障技术, 也是海洋工程科技发展的重要方向。

 海水资源和海洋能高效

综合利用技术发展方兴未艾

为实现对海水和海洋能资源的高效利用, 必须解决的首要问题是降低能耗和成本, 提高海水和海洋能资源开发利用的经济性。一些国家正在大力开展膜法水处理技术重大科技计划项目研究, 希望在海水淡化核心技术方面取得突破性的进展, 在保障本国水资源安全的同时, 获得海水淡化市场较高的占有率。在海洋能开发方面, 潮汐能和近海风电已实现商业化应用, 潮流能、波浪能、深远海风电已开始尝试规模化应用, 温差能、盐差能等正从实验室走向海洋实况测试。总体来说, 国际海洋能工程科技仍需解决高效率、高可靠性、高稳定性、易维护和低成本等技术问题。

当前, 国际上正在大力开展海水资源利用和海洋能开发技术研究。在海水资源利用方面, 主要包括日本百万吨/天膜法水处理技术项目、韩国反渗透技术淡化海水工程和构筑项目等。在海洋能利用方面, 主要包括英国的“创新计划”和美国的“能源部水电计划”等。

海洋开发装备向智能化、

集成化和深远化方向迈进

世界海洋国家均在海洋装备的设计研发、生产建造以及管理运行等方面倾注了大量的人力、物力。特别是近年来, 随着信息、材料、能源等领域先进技术的飞速发展, 结合传感器技术、通讯技术、“互联网+”技术、先进材料技术及动力系统集成技术的新型海洋装备理念越来越多地影响着未来海洋领域的结构转型及产业发展。

海洋开发装备向智能化、集成化、深远化发展。在智能化方面, 随着互联网、大数据、智能控制、人工智能等技术的发展, 海洋资源开发装备的智能化程度不断提升。水下环境恶劣, 智能水下机器人日益成为海洋开发的重要工具, 未来智能水下机器人将以更智能的信息处理方式进行运动控制和规划决策。在集成化方面, 国际知名企业纷纷开展海洋开发装备的系统集成技术研究, 提供整体的解决方案。此外, 随着海洋开发走向深远海, 海洋装备需要具备深远化作业能力, 美国、日本等越来越多的国家将研制可在万米水深作业的潜水器装备。