历经20年海洋剖面浮标的“中国创新”之路

在浩瀚无边的海洋中，有一种海洋观测设备浮沉其间。它时而浮出海面，向卫星设备传输数据，时而潜入深海，将海水温度、盐度、漂移轨迹等数据“收入囊中”。众多这样的设备组成一个庞大的全球实时海洋观测网，以提高气候预报的精度，为防御气候灾害提供可靠依据。这就是自持式剖面探测漂流浮标（简称剖面浮标或浮标）。

　　作为一种长期连续实时监测海洋的移动设备，剖面浮标的研发兴起于20世纪90年代，如今已在全球海洋观测中得到了广泛应用。而在我国，很长一段时间只能依赖进口。研发“中国造”剖面浮标，成为我国海洋监测的迫切课题。

　　“作为国内最早研发浮标技术的单位，中心历经20年研发成功的CARGO浮标，突破了定深控制、温盐测量和浮标检测三大核心技术，实现了近100％的国产化率。目前中心已经为海洋相关专项任务提供了200多台C－ARGO浮标，经过实践检验，效果极佳，应用前景向好。”国家海洋技术中心主任韩家新介绍。

　　近日，记者走进技术中心，听科研人员讲述剖面浮标的“中国创新”之路。

　　剖面浮标，海洋监测技术的制高点

　　“相较于定点观测的方式，剖面浮标具备大范围、准同步、投入产出比高等优势。”国家海洋技术中心高工李文彬给记者算了一笔账：

　　以国家海洋局第二海洋研究所牵头的一个5年期的海洋监测项目为例，投入资金为近1000万元，通过布放36个剖面浮标，将获得3800条从海面到2000米水深范围内的剖面数据。而如果采用定点监测的方式，想要获取这些数据则需要高达3亿多元的投入。与定点监测相比，剖面浮标项目的投入产出比高达1∶30以上。

　　正是看准了剖面浮标在海洋监测中的巨大优势，很多国家早已开始了研发，全力抢占海洋监测高新技术的制高点。

　　20世纪90年代，美国斯科利普斯海洋研究所研制了世界上第一台剖面浮标——SOLO浮标，此后，法国、加拿大、日本相继研发出成功。

　　1998年，美国、日本等国家的海洋科学家提出了全球海洋观测网计划（ARGO，简称阿尔戈计划），欲在全球大洋中每隔300公里布放一个由卫星跟踪的剖面漂流浮标，总计3000个，以此组成一个庞大的全球实时海洋观测网，旨在快速、准确、大范围地收集全球海洋0米～2000米上层的海水温度、盐度和浮标的漂移轨迹等资料，提高气候预报的精度。之后又提出将布放的浮标数量由3000个增加至4000个。

　　如今，剖面浮标技术在海洋调查中得到广泛应用，成为国际海洋监测活动中大量使用的高技术设备。

　　历经20年，持续研发攻难关

　　与西方国家相比，中国在剖面浮标技术研发上起步较晚、发展相对滞后，直到2002年才正式加入阿尔戈计划。“当时，全球大洋中布放的3000个浮标中，没有一个浮标是中国研制的。”李文彬说。

　　国家海洋技术中心科研人员从零起步，走上了长达20年的剖面浮标“中国制造”之路。

　　20世纪90年代末期，当时还是国家海洋局海洋技术研究所（2001年更名为国家海洋技术中心）承接了国家“863”计划项目，开始研发剖面浮标技术。“我们当时只有五六个人，对这项技术基本不了解。”技术中心研究员张少永回忆当时的情景。

　　起初，他们从国外进口了一台浮标进行研究和仿制。然而，温盐深仪传感器、卫星通讯传输、液压驱动系统、定深控制、浮标检测……这些国外厂商掌握的核心技术和部件，让科研人员一筹莫展。关键技术不能自主研发，仿制品只能是“四不像”，不具备市场应用能力。

　　自主研发面临着重重考验。张少永说，经过几次海试后，发现自行设计的浮标达不到技术指标要求。“主要体现在关键部件可靠性、浮标体积重量调整方法、实验室测试能力等几个方面。”

　　“比如柱塞泵的密封和强度当时都不行，这导致了浮标驱动能力不足，无法正常上浮下潜。”李文彬解释说。科研人员通过查阅大量国外文献，改进了柱塞泵的设计、组装和检测方法，经过无数次试验，终于制造出了能够满足2000米水深压力的国产柱塞泵。

　　据统计，仅在“十一五”“863”计划期间，国家海洋技术中心剖面浮标项目就进行了4个航次的试验，布放了12台样机。就是在一次又一次的试验中，一个又一个技术难关相继被攻破。

　　最终，历经20年艰苦攻关，从采用argos通信、2000米浮标工程样机研制，到采用北斗通信、400米C－ARGO浮标工程样机研制，再到采用北斗通信、2000米C－ARGO浮标工程样机研制，C－ARGO国产浮标技术基本成熟。

　　2008年，技术中心研究人员在白令海布放了1台浮标，完成100个剖面测量任务，首次完成剖面浮标工程样机研制，并在实际海试中应用；

　　2014年，技术中心参加了由中国ARGO实时资料中心组织的国产ARGO浮标性能比测试验。经过比测，技术中心提供的2台ARGO浮标达到了国际ARGO计划的指标要求。

　　2012年～2016年，技术中心向南海预报中心提供了10台C－ARGO浮标，在西太平洋完成了C－ARGO浮标的应用示范，所有浮标均按要求完成任务。

　　从无数次的实验室研制、海试，到批量的业务应用，技术中心在该领域已成为国内技术门类最全、技术水平最高、产品型号最多、生产能力最强的科研生产单位，其自主研发的C－ARGO浮标项目取得了9项授权专利，并荣获2011年度国家海洋系统科技创新成果二等奖。

　　自主创新，三大核心技术获突破

　　一个剖面浮标有1米多长、20多公斤重。在这个小小的“身体”里，要装上大量高精尖部件：卫星天线、传感器、电池组、高压泵、可变体积皮囊……直接反映了一个国家的海洋监测技术乃至整体工业制造水平。

　　由技术中心研发的C－ARGO浮标，突破了定深控制技术、温盐深测量技术和浮标检测技术三大核心技术，实现了剖面浮标部件近100％的国产化率，有效扭转了我国剖面浮标核心技术受制于人的局面。

　　所谓定深控制技术，是指通过浮标重量的精确调整，实现浮标在设定深度的下潜和停留。说起来简单，做起来却并不容易。“1克的重量误差，就会导致浮标10米深度的变化。”张少永说。经过大量理论计算和反复试验，科研人员完善了浮标重量精确调整方法，实现了定深控制误差在上下50米的目标。

　　作为实现浮标测量功能的主要部件，专用的温盐深仪传感器对浮标技术研发来说是重中之重。当剖面浮标被布放在某处海域后，它会根据设定时间进行上浮或下潜，并在上升过程中利用自身携带的传感器进行连续剖面测量。当浮标到达海面后，就会通过卫星定位传输数据。

　　经过科研攻关，在国产三电极传感器的基础之上，科研人员研发了国产温盐深仪传感器，其功能和性能均满足C－ARGO浮标要求，极大提高了浮标国产化水平。

　　产品从实验室成果到实现业务化应用，检测技术是关键。科研人员研发了可视压力装置和自动恒压泵站等检测设备，解决了以往需要通过手工方式测试浮标运行情况的关键技术，使浮标批量成果转化成为可能。

　　正视差距，瞄准国际前沿再追赶

　　成绩固然喜人，差距也不能忽视。据李文彬介绍，目前我国剖面浮标与国外先进水平相比，还处于“跟跑”阶段，与美国、法国等国家在浮标使用寿命、传感器精度和可靠性等方面仍存在一定差距。

　　不仅是技术差距，国产剖面浮标从科研样机到批量转化应用也面临诸多挑战。国家海洋技术中心副主任彭伟介绍，剖面浮标技术科技含量高、风险大，同时又具有小批量、定制化的特点。“这对技术创新能力较弱的单位来说是难以承受的。”彭伟说，“与国内相比，欧美发达国家工业体系发达，在浮标研发和推广领域已形成完整的链条。”

　　韩家新对记者表示，下一步国家海洋技术中心将结合国际ARGO计划，继续推动国产剖面浮标的技术进步，朝着多要素测量（如增加生物化学参数）、大深度（发展4000米～ 6000米深度测量）以及提高工艺材料水平等方向发展，提高国产剖面浮标智能化水平，持续走好剖面浮标的“中国创新”之路。