海洋观测逐渐从单点观测向多平台组成的自适应观测网络方向发展, 向大范围、大尺度综合立体监测方向转变, 进而能够长期、实时、连续地获取所观测海区海洋环境信息, 更好地为海洋环境和气候变化的预测提供实测数据支撑^[5~7]。因此, 如何将观测设备与先进制造技术相结合、将不同平台之间进行数字化集成是今后观测技术的重要发展方向, 而大规模海洋观测系统的集成规范引起了广泛关注。

在2014年海洋技术分委会(ISO/TC8/SC13)成立之前, 海洋观测领域的国际标准分别由国际标准化组织的不同的技术委员会进行管理, 共发布十余项国际标准(表1)。国外各标准化机构也发布了海洋观测相关标准, 规定了本土的海洋观测仪器、平台的性能、测试及试验要求(表2)。

2.1.1 海洋观测国际标准与信息技术相结合

不同国家的海洋机构数据库结构之间的差异, 使得海洋观测系统数据交互更加复杂, 各国科研人员针对这一问题, 在硬件和软件两方面进行改善。在硬件层面上, 开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium, OGC)通过在PUCK存储器中定义一个小型标准的“ 仪器数据表” 实现了异构仪器的接入问题。电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) 1451协议通过定义电子数据表格的方式实现了底层仪器接口的标准化^[8]。但以上2种标准均不是强制性标准, 导致了未采用该标准的仪器无法集成。在软件层面上, 地理空间信息联盟采纳的SWE协议, 通过传感器建模语言、传感器接口描述符等概念规范网络中传感器数据的接口, 从而实现传感器数据的发现、交换和处理。然而, 该协议架构无法实现从底层硬件到顶层软件的一体化标准体系架构。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 国际标准化组织发布的海洋观测领域国际标准 Table 1 ISO standards for marine observation 序号 标准化技术委员会/ 分技术委员会 已发布的标准 1 船舶和海洋技术委员会 (ISO/TC 8) 《海洋风速风向仪》 《海洋回声设备》 2 水文技术委员会 (ISO/TC 113) 《直接测深和悬挂设备》 《用于水深测量的回声测深仪》 《水位测量设备》 《水文数据传输系统— — 系统设计规范》 《在结冰条件下的流量测量设备》 《水文设备性能确定方法》 3 气象分技术委员会 (ISO/TC 146/SC 5) 《声波风速计/温度计— — 平均风速测量验收试验方法》 《风测量— — 第1部分:旋转风速计性能的风洞试验方法》 4 采样分技术委员会 (ISO/TC 147/SC 6) 《海水采样导则》 《海洋沉积物样本处理导则》 《海洋软底大型底栖生物的定量采样和样品处理导则》 《硬基质群落海洋生物调查导则》

表1 国际标准化组织发布的海洋观测领域国际标准 Table 1 ISO standards for marine observation

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 国外标准化机构发布的海洋观测领域国家标准 Table 2 Overseas national standards for marine observation 序号 标准化技术委员会/ 分技术委员会 已发布的标准 1 美国试验与材料协会(ASTM) 《风杯风速计和旋桨式风速计的性能试验方法》、《海洋环境用光电组件的盐水压力浸渍试验和温度试验的标准试验方法》 2 德国标准化学会(DIN) 《海洋回声设备》 3 韩国技术标准署(KATS) 《海用浮标》、《海洋风速风向仪》

表2 国外标准化机构发布的海洋观测领域国家标准 Table 2 Overseas national standards for marine observation

我国科学家针对海洋观测仪器通讯方式和通讯协议之间差异而导致的集成困难问题, 对标准化海洋数据交互技术进行研究。国家海洋技术中心和中国海洋大学提出的“ 海洋观测复杂虚拟仪器设计规范” , 定义了基于海洋观测复杂虚拟仪器构建的分布式海洋观测软件系统框架。它能够对获得的海洋观测仪器数据和元数据进行处理和显示; 实现对海洋观测仪器的自动接入, 观测数据的接收、管理和展示; 通过标准化的数据服务实现本地以及异地的数据服务和信息共享, 实现多个海洋观测复杂虚拟仪器的大规模集成。

2.1.2 海洋观测国际标准与先进制造技术相结合

海底观测网络是除地面(海面)观测平台、太空观测平台之外的第3个观测平台, 综合了海底布缆、水下接驳、水下综合观测等多种技术^{[3, 5]}。海底观测网的建设地点将逐步完成对重要海域的覆盖, 从而为海底地震、海洋物理等研究提供数据支持。以海底观测网的重要组成部分— — 海底地震探测装置为例, 目前已有多个国家研制出多种类型的海底地震仪并投入实际应用, 但这一先进制造技术一直缺乏统一的国际标准, 不利于科技成果向产品转化。

海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)是一种用于记录海底天然或人工地震动信号的海洋地球物理仪器设备。自20世纪60年代开始, OBS被正式应用于实际海洋观测中, 如美国1966年使用Texas仪器公司制造的OBS在千岛群岛到堪察加近海海域进行了3次海底脉动观测。进入21世纪以后, OBS开始被广泛应用于海底观测大洋调查、地质构造研究、资源勘查与防灾减灾当中^{[9, 10]}。目前, 世界上能自行研制并生产OBS的主要科研单位或企业共16个, 包括美国4个、法国4个、日本3个、德国2个、英国1个和中国1个(中国科学院地质与地球物理研究所, IGGCAS)。不同国家采用的核心硬件加工技术不同, 在封装工艺、操作技术等方面也均申请了相应的专利、知识产权, 但不同研发机构之间并未统一海底地震仪仪器加工与应用的技术标准^{[11, 12]}。

中国科学院地质与地球物理研究所经过多年技术攻关, 在水声应答模块、释放机构、低功耗采集、姿态地震计等关键技术上实现了突破, 成功研发出具有自主知识产权的OBS。通过第三方验证与实际试验, 已达到国际同类产品的水平, 并在部分性能指标上具有优势。近年来仅在南海, 国产OBS投放的台次就达到了上百次, 获取了大量宝贵的海底地震观测资料。

为进一步推动该领域的发展, 我国将以这一先进制造技术为依托, 致力于组织编写海底地震观测技术国际标准, 包含海底地震仪器制造、仪器测试、仪器海上作业、观测系统设定、数据处理的标准化规范与流程, 有效提升我国产品的市场竞争力。

近年来, 海洋通用技术朝着模块化、标准化方向发展, 不仅提高了海洋装备的运行可靠性, 也保障了海洋通用件国际市场的发展。一方面, 海洋通用技术作为水下探测装备、海洋科考船的关键技术, 在水下导航与定位、水密接插件、浮力材料、ROV作业工具、水下高能量密度电池、海缆、深海摄像机等方面朝着通用化方向发展^{[2, 3]}, 从而促进了海洋通用件的开发与国际市场流通。另一方面, 海洋通用技术和装备的标准化在海水利用、海洋能开发环节中起着越来越重要的作用^[13]。

以海水淡化反渗透技术为例来看其在国际标准方面的发展和实施。伴随着逐渐加大的社会需求量, 海水淡化技术日趋成熟, 海水淡化技术带来的经济效益巨大。反渗透技术作为最有效、最节能的膜分离技术, 与前置预处理系统配套使用, 具有工艺先进、操作简便、运行费用低、维护方便等优点^[14]。

国外海水淡化技术相关国家标准的制定始于20世纪80年代, 美国、日本、德国、以色列等国家在反渗透膜及检验检测、反渗透设备技术参数等方面推出相关标准。在海水淡化领域, 国外知名标准化管理机构包括美国材料和实验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)、日本工业标准(Japanese Industrial Standards, JIS)、欧盟标准(European Standard, EN)、德国工业标准 (Deutsehe Industrie Normen, DIN)、经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)、国际标准化组织等, 可检索到的反渗透海水淡化标准共48项。但在反渗透产品水水质方面, 只有少数国家和组织对海水淡化产品水用途作了相应的规定, 对于反渗透膜装置能效限定值及能效等级方面的限定标准处于空白。

我国海水淡化行业现有标准均集中于海水淡化技术、工程设计、产品生产、膜检测评价等方面, 截至2012年, 已颁布相关标准44项(国家标准4项、行业标准40项)。例如, 《反渗透水处理设备》(GB/T 19249-2003), 参考了美国国家标准《反渗透饮水处理设备》(ANSI/NSF 58:1997), 规定了反渗透水处理设备的分类与型号、要求、试验方法、检测规则、标志、运输及贮存等。但目前还没有反渗透海水淡化产品水相关标准颁布, 现有的各类水质标准并不完全适用于反渗透海水淡化产品水, 缺乏对反渗透海水淡化产品水这一产品的规范和引导。

由国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所提出的《反渗透海水淡化产品水》标准, 规定反渗透海水淡化产品水的产品分类、技术要求、检验方法、检验规则。标准针对产品特性, 提出关键水质指标及限值, 如腐蚀控制相关水质指标pH值、钙硬度、总碱度、碳酸钙沉淀势等, 以稳定淡化水水质、避免重金属离子析出溶于水中; 并根据水质对反渗透海水淡化产品水进行产品分级, 如工业用水以总溶解性固体含量进行分级、市政用水以化学稳定性相关水质指标进行分级。这一通用技术标准的出台将有利于反渗透海水淡化产品水市场的规范化发展。

随着我国经济的快速发展和陆地资源的日趋减少, 合理勘探、开发海洋资源已成为必然趋势。一方面, 海底多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等深海矿产资源储量丰富, 引起世界各国高度关注。另一方面, 欧美发达国家在海洋生物基因资源方面已获得大量调查资料, 拟提高深海勘探的技术标准来限制其他国家采样^[2]。1999年以来, 国际海底管理局先后颁布了《深海多金属结核勘探环境指南》、《环境数据和资料标准化指南》, 为了适应富钴结壳和多金属硫化物区环境基线调查及环境影响评估的需要, 2013年国际海底管理局颁布了《关于指导承包者评估勘探“ 区域” 内海底矿产资源可能对环境产生影响的建议草案》。对国际海底区域多种资源矿区的环境调查的项目、参数及方法提出了明确的要求, 但在上述指南中, 对大多数参数的调查和分析方法及流程没有具体的规定。

我国于1998年制订《大洋环境基线调查技术规程》, 由于当时国际海底管理局相关的环境指南尚未颁布, 该规程没有考虑到深海大洋寡营养, 生物个体普通偏小、丰度(或浓度)低等特点, 如浮游植物仅采用拖网采集的方法, 不能满足微微型和微型浮游植物调查的需要。尤其是2013年国际海底管理局颁布了《关于指导承包者评估勘探“ 区域” 内海底矿产资源可能对环境产生影响的建议草案》后, 环境调查的项目和参数明显增加, 所采用的调查技术也有新的发展, 原有规程已不能适应当前国际海域环境调查的需要。

因此, 在我国海洋调查规范类国家标准(GB/T12763)的基础上, 制订一套适合国际海底区域资源勘探的调查技术规程, 覆盖海洋生物基因资源、多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳、海底探矿技术及其灾害性评价、生态影响评价等方面, 特别是针对生物和化学专业调查的样品采集、保存、处理、分析及质量控制方法, 将提升我国在国际海洋资源勘探事务中的话语权。

潜水器作为海洋资源开发和海洋科学考察的重要保障手段, 近年来正发挥着日益重要的作用。潜水器大深度、高度集成化、高作业能力的要求对潜水器设计、建造、试验等各环节相关标准的发展提出了很高的要求, 急需补充完善^{[15, 16]}。潜水器技术国际标准今后的发展可分为4个阶段:第一阶段在潜水器安全结构方面形成标准, 如潜水器压力测试方法; 第二阶段在潜水器性能、操作、测试方法方面形成标准; 第三阶段在重要部件制造技术方面形成标准, 例如潜水器的观测、导航、声学部件; 第四阶段在不同部件的软硬件接口方面形成标准。

我国深潜器技术跻身世界先进国家行列, 在潜水器设计能力、总体集成和应用等方面与国际水平相齐^[15]。在无人缆控潜水器(Remote Operated Vehicle, ROV)研制方面, 我国已成功研制出工作深度从几十米到3 500 m的各种ROV; 在无人无缆自治潜水器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)研制方面, 我国是少数拥有6 000 m级自治潜水器的国家之一, 先后研制成功下潜深度1 000 m的“ 探索者” 号和下潜深度6 000 m的CR-01、CR-02型AUV; 在载人潜水器(Human Occupied Vehicle, HOV)研制方面, “ 蛟龙” 号实现了我国载人潜水器零的突破^[2]。

随着潜水器不断走向更深的深海, 对其耐压性能的要求也越来越高^{[17, 18]}。在国际上现行的潜水器耐压结构规范和标准中, 仅关注钢材质耐压结构的密封性和耐压强度, 尚未有针对大深度潜水器耐压壳体的外压强度试验和紧密性试验的试验方法, 未见关于复合材料的相关内容, 也没有对耐压结构的长期试验相关标准。我国在潜水器与潜水系统压力试验方法、深海载人潜水器耐压结构设计计算方法、超深水潜水器新型耐压舱等方面具有技术优势, 为相关领域国际标准或区域标准制定提供了良好的基础。

中国船舶重工集团公司第七〇二研究所于2015年提出《潜水器耐压结构压力试验方法》国际标准草案, 适用于潜水器的浮力材料和金属耐压壳及其附件(包括加强围壁、带有电缆穿舱件孔的加强盖板、载人舱出入舱口盖及其启闭机构和观察窗等)的短期静载外压试验、长期静载和循环载荷外压试验。该标准草案在国内外现有相关标准的基础上, 将耐压结构的静水压试验方法汇总整理, 将标准的覆盖面从钢材拓展到钛合金和复合材料, 并增加长周期试验等内容, 形成统一的试验要求、试验记录和试验报告等, 是对目前各国标准和规范的统一和提高。

先进的海洋科学技术和工程装备是“ 海洋强国” 的重要标志和内容。我国海洋技术在海洋观测、开发、保护等方面已取得长足进步, 这是我国海洋技术国际标准得以起步的根本保障。在海洋观测技术方面, 我国海洋观测网正在计划实施中、已具备发展系列化深海传感器的能力、成功研制多款海洋观测和取样设备、潜水器集成技术已接近世界前沿。在海洋开发、资源勘探方面, 我国采矿系统及装备研制已经起步、在深海钻机的研制方面进步较快^{[2, 19]}。同时, 我国持续30多年在太平洋、印度洋等大洋海底开展多金属矿产勘查和区域环境调查的丰富积累, 为我国作为国际海底先驱投资国获得更多国际海底矿区的开采权提供了支撑。在海洋保护和海洋能利用方面, 清洁海洋能源(如潮汐能、波浪能、海洋风能发电)的利用已初步实现技术成果向规模化使用的转化, 在工程设计、产品生产、检测评价等方面均与市场紧密衔接。

我国海洋标准体系建设的推进、300余项海洋国家标准和行业标准的不断完善, 全国海洋标准化工作委员会的长足发展, 为我国海洋技术国际标准化工作的开展提供了必要支撑^[20]。在未来工作中, 我国将在深化海洋标准分类改革、健全海洋标准体系、加强海洋标准制修订等方面进行海洋标准体系的优化。具体到海洋技术国际标准的体系建设, 将着重覆盖以下几个方面:

(1) 要实现对领域内术语和信息数据格式的规范。通过制定、发布、实施各级海洋技术术语标准, 实现概念的严格定义、内涵和外延的明晰, 进而避免在信息交流过程中的歧义。通过对信息数据格式的规范, 定义标准化的数据访问接口, 进而实现不同仪器系统之间的集成和数据共享。

(2) 规范海洋技术相关装备的设计、建造、操作流程和精度要求。这将为我国海洋技术装备体系化和规模化发展、提高国际市场占有率、提高产品国际竞争力提供保障。

(3) 实现对海洋观测、开发和保护的过程控制、数据处理方法和成果要求的规范。通过设计海洋观测、开发、保护网络数据集成和信息服务整体架构、定义数据标准化格式, 实现标准化的数据集成, 进而通过数据格式转换进行更广泛的数据交互, 便于各国科学家同步获得丰富的海洋观测和环境资料^{[21, 22]}。

从国际合作的角度来说, 我国在世界三大国际标准化机构(国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC、国际电信联盟ITU)的活动中扮演着越来越重要的角色。以ISO为例, ISO主席和ISO/TC8(船舶与海洋技术委员会)主席均由中国人担任。ISO现有技术委员会(Technical Committee, TC)236个, 分技术委员会(Subcommittee, SC)508个, 共744个, 其中我国承担秘书处的有59个, 担任主席的有34个, 由我国提出成立并承担秘书处的有11个。

我国承担国际标准化组织海洋技术分委会(ISO/TC8/SC13)主席和秘书处将为推动我国海洋技术标准走出去提供契机。目前海洋观测、海洋探测设备设计及试验方法、潜水器等领域的多项国际标准提案已在ISO/TC8/SC13正式立项(表3)。结合“ 海洋强国” 和 “ 一带一路” 的国家发展战略, 通过海洋核心技术和关键共性技术标准的研发, 重点开展深海观测、海洋工程装备、海水利用等深水、绿色、安全的海洋战略性新兴产业国际标准的研制, 将我国具有自主创新的海洋技术转化为国际标准, 推进海洋科技研发、标准研制和产业发展一体化, 提升我国海洋产业国际竞争力, 带动我国海洋产业和海洋经济跨越式发展。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 国际标准化组织海洋技术分委会(ISO/TC8/SC13)标准提案统计 Table 3 International standards developed under ISO/TC8/SC13 (Marine technology subcommittee) 序号 标准提案名称 标准提案现状 标准负责单位 领域 1 潜水器耐压结构压力试验方法 ISO:正式立项, WD阶段 中国船舶重工集团 第七〇二研究所 潜水器技术 2 海洋传感器性能 ISO:正式立项, WD阶段 加拿大标准化委员会 (Standards Council of Canada, SCC) 海洋观测/海洋探测设备设计及试验方法 3 载人潜水器供氧及二氧化碳吸收要求 ISO:正式立项, WD阶段 中国船舶重工集团 第七〇二研究所 潜水器技术 注: WD阶段为国际标准化组织标准立项的第二个阶段— — 准备阶段

表3 国际标准化组织海洋技术分委会(ISO/TC8/SC13)标准提案统计 Table 3 International standards developed under ISO/TC8/SC13 (Marine technology subcommittee)