水下考古机器人研究与应用进展 | 科技导报

作为开展水下文化遗产探测的主要工具，水下考古机器人具有广泛应用。本文根据水下考古工作的具体内容、典型作业流程和现有工作开展情况，总结了水下机器人考古工作的主要特点。从通用水下机器人入手，分类介绍了遥操作水下机器人、载人潜水器和自主水下机器人的主要特点及其在水下考古中的典型应用，并介绍了国内外水下考古专用机器人的具体情况。从作业模式、作业功能和智能化水平等方面展望了水下考古机器人的发展趋势。

海洋是连接各大洲的主要通道。自15世纪的“地理大发现”开始，人类开启了以海洋为中心的经济文化全球化进程，分布各地的古老文化圈被逐渐连接起来，进入海洋全球化时代。在漫长的海上交流过程中，受航海条件限制和恶劣天气等影响，大量船只沉没于航道沿线。

受海洋环境的影响，研究和探索海底文物遗存往往比陆地上的文物遗迹面临更多的困难。水下机器人是水下探测与作业的重要工具之一，在海洋科学研究、海底资源开发、水下工程作业和水下国防安全等方面有着广泛的应用。近年来，随着水下考古事业的不断发展，水下机器人越来越多地应用到水下考古工作中，水下考古专用机器人的研发工作也逐渐得到了世界各国的重视。本文梳理不同类型的水下机器人在水下考古工作中的应用，分析并展望国内外相关水下考古机器人的研发与应用情况。

1 水下考古研究工作概况

1.1 水下考古工作主要内容

水下考古的主要对象为在迄今不少于100年的时间里，周期性或持续位于水下的具有历史、文化价值的人类活动遗迹或具有考古价值的自然环境。根据《联合国海洋法公约》相关约定，各国有义务保护所管辖海域中发现的历史文物遗迹，在开展保护工作过程中需要确定水下历史文物遗迹的地点，并且不间断地监测和保护这些地点。

典型的水下考古工作流程主要包括以下3个方面：（1）在可能的海域探索并发现文物遗迹，检测任何可能存在的沉船或其他遗址；（2）对疑似文物遗迹进行现场调查，确定水下文物遗迹的真实性，对经过核实的文物遗迹进行测绘并记录具体地点和其他信息；（3）定期对已知的水下文物遗迹进行检查和测绘，通过与前期测绘结果进行对比来判断其保存状态，根据实际需要对水下文物遗迹进行发掘打捞。

通常情况下，水下考古工作的目标是进行原址保护，尽量避免破坏水下文物遗迹的原有状态。在现场调查过程中，需要尽量搜集有关文物遗迹的必要信息，建立档案并制作测绘图。

1.2 基于机器人的水下考古

目前，深度30m以内水域的考古工作通常由经过专业培训的潜水员来承担，但潜水作业风险较高，难以实现大深度水域的长时间考古作业。位于海底的沉船遗迹是水下考古研究的重点之一，沉船遗迹通常深度较大，且具体位置难以确定，需要在广阔的海域进行大范围搜索，不借助深海装备的支持难以实现。自20世纪90年代以来，随着水下机器人技术的进步，考古工作者不断尝试基于水下机器人开展考古活动，使用的装备主要包括遥操作水下机器人（remotely operated vehicle，ROV）、载人潜水器（human occupied vehicle，HOV）和自主水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）等。目前，有水下机器人参与的相关考古工作主要如表1所示。

表1 基于水下机器人的相关考古工作

由图1可见，相关工作主要集中在北美周边海域、地中海周边海域、北欧周边海域以及中国周边海域。历史上，墨西哥湾和地中海区域为航运密集和战争多发海域，目前已发现大量沉船，如Anona、U-166、Halo和Virginia等。Garrison对16—20世纪的沉船残骸进行统计分析发现，历史航行路线及主要港口和礁石附近，沉船数量显著增加。

1.3 水下机器人考古工作主要特点

早期水下考古工作中使用的装备主要是ROV和HOV。随着技术的进步，2000年后AUV在水下考古中的应用逐渐增加。综合来看，在装备的研发和应用方面，典型的水下考古项目特点如下。

图1 基于深海装备的相关水下考古工作位置分布示意

（1）水下考古工作需要先进的技术支持，通常需要由多个国家或不同的海洋研究机构合作进行 ，如挪威特隆赫姆港水下考古项目、美国Jason水下考古项目、法国VENUS水下考古项目和意大利TECSIS水下考古项目等，都聚集了包括美国伍兹霍尔海洋研究所、法国国家海洋中心、意大利佛罗伦萨大学等多个国家的水下考古团队的共同参与。

（2）水下考古工作需要使用专业的深海探测作业装备，一般引入大型商业公司参与，通过租赁设备或合作研发水下考古机器人来进行合作 ，如Sperre公司的Sub-fighter 30k和Sub-fighter 7500、Kongsberg公司的Hugin1000 HUS、Odyssey公司的ROV ZEUS和SMIT公司的ROV Sea eye等。

（3）水下考古项目通常成本巨大，而且需要探测的海域范围宽广，项目实施周期难以预估，导致需要的资金难以具体估算。 受资金及技术的限制，导致了当前的水下考古项目主要集中在欧美和中国周边地区，在其他地区相对较少。

2 水下机器人考古工作应用

2.1 遥操作水下机器人

ROV主要由能源系统、水面控制系统、光电复合缆和ROV本体组成，依据作业能力，一般可分为观察型与作业型2种。在水下考古作业中，观察型ROV主要用于水下遗迹的观察和拍摄，作业型ROV主要用于沉船残骸和掩埋文物的打捞。

观察型ROV一般配备有高性能摄像系统，能够辅助考古工作者建立完备的水下文化遗产考古档案，可为后续的文物打捞和发掘工作提供数据支持。作业型ROV配备有机械手和采样篮等设备，可实现水下文化遗产的采样作业。美国于1983年研制了ROV Jason，参与了Titanic沉船及德国Bismarck战舰的水下考古探测。目前参与过水下考古工作的主要ROV如图2所示，包括Argus、Jason、WROV和SROV等。

图2 参与过水下考古的ROV

2.2 载人潜水器

HOV在水下探测作业中有广泛的应用，1964年，美国研制了用于水下考古的Asherah号，标志着HOV正式应用于深海考古作业。随着技术的不断发展，越来越多的国家开始建造HOV用于深海探测，而水下考古是其应用的一个重点领域。

美国于1969年研制了核动力的NR-1号HOV，主要用于海底地图测绘。1995年，NR-1发现了Britannic沉船。1997年，NR-1在埃及海岸沿线发现了2艘铁器时代的沉船。2002年，NR-1参与了密西西比峡谷地区的沉船考古调查。

1988年10月，法国研制的Cyana号HOV在作业过程中发现Arles IV沉船，该沉船位于罗纳河口约40海里处，深度为662m。1993年，法国Nautilus号HOV对该沉船开展了进一步调查。在调查过程中，Nautilus号搭载摄像机，在沉船上方约3m高度进行拍摄，获得了近百张沉船照片。结合Nautilus号的定位信息，以分米级的精度确定了照片的空间位置，重建了该沉船的立体影像。1993年，Nautilus号在法国土伦海岸发现了1664年沉没的法国海军战舰月亮号（La Lune）。2012年，法国使用2台AUV对月亮号沉船进行了探测作业，得到了更丰富的探测数据。为了更好地进行月亮号沉船的考古探测，法国与斯坦福大学合作开展了水下考古专用机器人Ocean One的研发工作。

2018年，中国科学院深海科学与工程研究所探索一号科考船搭载深海勇士号HOV，在西沙群岛北礁海域开展了水下考古作业，将中国水下考古作业深度从几十米扩展到千米级，开启了中国水下考古事业的新篇章。2022—2023年，探索一号和探索二号科考船分别搭载奋斗者号和深海勇士号载人潜水器，在南海北部海域开展了一系列水下考古探测工作，发现了多处具有重大考古价值的海底遗迹。目前参与过水下考古工作的主要HOV如图3所示，包括NR-1、Nautilus、Remora和深海勇士号等。

图3 参与过水下考古的HOV

2.3 自主水下机器人

与ROV和HOV相比，AUV在水下大范围探测方面具有明显优势，在水下考古工作中受到越来越多的重视。2001年，中国CR-02号AUV在抚仙湖进行了水下古城探测。2012年，挪威的Hugin系列AUV在挪威特隆赫姆港口参与了海底沉船调查，2015年，Hugin AUV又在斯卡格拉克海峡进行了沉船调查，充分证明了AUV在水下考古方面的巨大潜力。目前参与过水下考古工作的主要AUV如图4所示。

图4 参与过水下考古的AUV

随着应用需求的逐渐增多，研究人员开始设计专门用于水下考古的AUV。 与常规AUV相比，水下考古AUV除了需要在应用便捷性、设备稳定性和研发成本等方面具有竞争力外，在水下航行能力和水下探测性能等方面还有着特殊的要求。

意大利佛罗伦萨大学在欧盟第七框架计划（7th Framework Program，FP7）世界海洋考古机器人系统（Archaeological Robot Systems for the World's Seas，ARROWS）项目支持下，研发了一款名为MARTA（Marine Robotic Tool for Archaeology）的水下考古AUV（图5）。MARTA的主要参数如表2所示，其采用模块化设计，模块之间通过标准电气接口连接，可以根据任务需求临时进行模块更换。MARTA搭载了声学和光学探测设备，声学设备为多波束前视声呐，用于获得海底声学图像。光学设备为立体视觉相机，与照明灯配合采集水下的光学图像信息。

图5 MARTA水下考古AUV

表2 MARTAAUV主要参数

除MARTA外，意大利还研制了Typhoon系列水下考古AUV，用于执行水下文化遗产探测任务。Typhoon系列AUV的主要参数如表3所示，目前共有2台Typhoon系列AUV投入使用，分别为Tifone与Tiftu，两者可协同进行水下遗迹的声学和光学探测（图6）。

表3 Typhoon系列AUV主要参数

图6 Typhoon系列水下考古AUV

2020年，在国家重点研发计划项目支持下，国家文物局考古研究中心联合中国科学院深海科学与工程研究所等单位，共同开展了水下考古探测关键技术研究项目，并在项目支持下研制了文鳐号水下考古AUV（图7）。文鳐号AUV的主要参数如表4所示，其搭载了多波束前视声呐、侧扫声呐和摄像机等探测设备，主要用于执行水下文化遗产等目标的大范围快速搜索和近距离精细探测任务。

表4 文鳐号AUV主要参数

图7 文鳐号水下考古AUV

3 水下考古机器人发展趋势

3.1 水下考古机器人作业模式

随着水下考古作业范围的不断拓展，作业规模逐渐扩大，对作业效率的要求也越来越高。水下考古机器人的作业模式逐渐从传统的单一类型装备作业向多类型、多装备协同作业发展，多种装备的串行乃至并行作业，逐渐成为水下考古工作中的常态。

在串行作业过程中，通常先由科考船搭载大型声学设备进行大范围扫测，获取粗略的探测信息，确定可能存在水下遗迹的区域后，再通过AUV、ROV或HOV等开展进一步精细探查。在挪威特隆赫姆港口沉船调查活动中，首先由科考船搭载多波束测深系统对海底进行大范围探测，随后由Hugin AUV搭载合成孔径声呐进行探测。在此基础上，采用Remus 100 AUV搭载侧扫声呐以离底5m的高度进行精细探测，获得了具有显著特征的声学图像，从而确定沉船的位置。后续考古作业团队又通过MINERVA号ROV进行了多次调查，最终获得了沉船遗址的三维模型和平面图等多方面测绘信息。在U-166战舰探测项目和挪威Falstabaten探测项目中，也采用了串行作业模式。

多装备并行作业能有效提高水下考古效率，在ARROWS项目中，采用了商业化AUV A-Size和仿生机器人U-CAT与MARTA协同作业，提高对沉船内部区域的探测能力（图8）。在Typhoon系列AUV中，通过Tifone与Tiftu间协同作业提高定位能力，以获得更高精度的水下遗迹探测信息。

图8 ARROWS项目中协同作业的AUV

3.2 水下考古机器人作业功能

随着水下考古工作的不断深入，需要水下考古机器人完成的工作越来越复杂，作业难度逐渐增大，对水下考古机器人作业功能的要求也越来越高。水下考古机器人的作业功能逐渐从光学拍摄、声学探测或打捞作业向多种功能复合发展，新研发的水下考古机器人也逐渐突破传统AUV和ROV的界限，形成混合型水下考古机器人。

为更好地进行水下遗址探测，斯坦福大学机器人团队研制了名为Ocean One的仿人形水下考古机器人及其升级版Ocean OneK（图9）。Ocean One系列水下考古机器人既能像AUV一样依靠自身携带的电池供电并独立执行水下作业任务，也能像ROV那样通过水面支持母船供电，与水面支持母船进行实时数据传输开展水下人机交互，并能够通过2个与人类手臂类似的机械手开展水下取样作业。最新一代的Ocean OneK于2021年9月开展了一系列水下考古作业，分别在法国马赛、科西嘉岛和戛纳附近海域等区域执行了多项水下探测作业任务，探测目标包括水下40m处的P-38飞机残骸、水下124m处的Le Protée号潜艇、水下334m处的Aléria罗马沉船和水下507m的Francesco Crispi客轮等。

图9 OceanOne系列水下考古机器人

3.3 水下考古机器人智能化水平

随着各方面技术的不断进步，水下考古机器人的智能化水平也不断提高，通过智能控制算法的辅助实现水下考古作业质量和效率的提升，促进水下考古事业发展。

为尽量避免在探测和打捞过程中造成文物的破坏，Ocean One系列水下考古机器人设计了触觉反馈系统和立体视觉系统，使机器人拥有与人类相似的触觉和视觉（图10）。Ocean One系列水下考古机器人的触觉和视觉能够通过仿真系统反馈给操作人员，使其在水下考古作业中具有身临其境的体验，能够直观感受到机械手抓取文物需要的力量和水的阻力，并看到机器人周围的物体。基于这种逼真的临场体验，水下考古工作人员能够做出更合理的操作决策。

图10 Ocean OneK人机交互系统

在水下考古机器人作业过程中，为获取更丰富、更高精度的探测信息，需要机器人能够在线识别探测过程中可能出现的文物遗迹并自主调整航行路径。为有效处理长时间水下探测过程中获得的海量声学和视觉探测数据以提高水下考古工作效率，需要能够对探测数据进行智能化处理。为满足岛礁周边以及海底地形复杂区域的考古探测需求，需要水下考古机器人具有高精度的运动控制能力。为实现海底文物的有效提取和保护，需要水下考古机器人具有柔性抓取和自主作业能力。为保证海底长期作业的安全性，需要水下考古机器人具有作业状态在线监测能力。上述能力的实现，是水下考古机器人智能化水平提升的重点。

4 结论

得益于水下探测与作业技术的进步，水下考古尤其是深海考古工作近年来得到蓬勃发展。本文从水下考古工作的主要内容入手，介绍了基于水下机器人的相关考古工作情况，总结了不同类型水下机器人在考古工作中的典型应用，并分析了水下考古机器人相关技术的发展趋势。在作业模式方面，多装备协同作业已经成为提高水下考古作业能力和作业效率的主要手段。在作业功能方面，水下考古机器人的功能不断丰富和完善，新型装备不断涌现，逐渐打破现有水下机器人的分类界限。在智能化水平方面，基于虚拟现实的场景重建、自主文物目标识别、水下探测数据智能化处理、面向复杂作业环境的高精度运动控制、水下文物的自主柔性抓取以及水下机器人作业状态的在线监测等，逐渐成为水下考古机器人智能化水平提升的重点。随着水下考古工作的推进，未来将会有越来越多的新型水下考古机器人出现，以更强的作业能力和更高的工作效率，促进水下考古事业的高质量发展。

本文作者：郭威、徐高飞、王敏健、李滨、高森、袁博

作者简介：郭威，中国科学院深海科学与工程研究所，研究员，研究方向为水下机器人总体及控制技术；徐高飞（通信作者），中国科学院深海科学与工程研究所，高级工程师，研究方向为深海自主无人装备及智能控制技术。

原文发表于《科技导报》2024年第14期，欢迎订阅查看。

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