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船的形形色色:海洋偵測大隊

海洋不僅蘊藏著極其豐富的能、礦資源,與魚類、海底動物、植物等生物資源,而且與地球的氣候息息相關。探索神祕的海洋就如同探測太空一般,有很大的挑戰性,也有極強的吸引力。
 
 
 
海洋探索的重要性

隨著世界人口的不斷增加及各國經濟的快速發展,消耗的自然資源越來越多,而陸地上的資源日益減少,因此不得不更積極地向海洋探索,以獲取賴以生存的資源。海洋占地球表面積的71%,擁有14億立方公里的體積,蘊藏著極其豐富的魚類、海底動物、植物等生物資源及6,000億億噸的礦產資源。此外,隨著大規模的經濟活動,全球暖化現象也與海洋有密切的關聯,在複雜的地球環境系統中,海洋扮演著極為關鍵的角色。

海洋在文明的演進中也扮演重要的角色,她提供食物,也是疏散人口,拓殖新大陸以及和不同種族相互交往的必經之處。目前全世界有近三分之二的人口居住在離海只有幾百公里的海岸地區,利用占了地球90%的生物與非生物資源的海洋。

人類的生活和海洋息息相關,因而從非常早的時期就開始從事海洋探索的工作。探索的區域可以從全球性的區域、數個國家的共同開發區域、單一國家區域、到某個地區沿海數海里內的區域,探索的內容包括物理、化學、生物學、海洋地理、氣象、環保、海洋資源的研究與開發等,非常多元化,也非常複雜。以下依序介紹幾種探索海洋最重要的工具:海洋研究船與水下無人載具,如遙控載具(remotely operated vehicle, ROV)、自主式水下載具(autonomous underwater vehicle, AUV)、以及自主式水下滑翔機 (autonomous underwater glider, AUG)等。

海洋研究船

基本上,海底世界可以說是一個高壓、黑暗、電訊不通的惡劣環境。海裡每增加10公尺深度就增加一個大氣壓,而海洋的平均深度是3,770公尺,換言之,海底是平均377個大氣壓的高壓環境。此外,陽光穿不透數十公尺深的海水,因此能見度低,幾乎是伸手不見五指。同樣的道理,電磁波也很難在海水裡遠距傳送,使得聲波成為主要的訊息傳遞與探索工具。

要探索海洋必須依賴各式各樣的研究設備與儀器,這些工具則須藉海洋研究船把它們載運到欲從事探索的世界各角落,因而海洋研究船基本上可以視為具有各種研究器材及設備,具多重功能的海上移動實驗室。海洋探索儀器與設備的種類非常多,也非常複雜,以下簡介其中較常使用的幾種。

深/淺海多聲束回音探測系統  是一種可以測量海底深度和地形的聲納系統,功能就像是拍攝海底地形的照相機,只不過它是利用聲波反射原理,而不是像照相機利用光的傳遞及感應形成影像。它可以同時發射多條聲波,由聲波反射回來的情形,同時探測海底數個不同地點的地形。探測深度可從數公尺到數千公尺,並可直接繪圖顯示海底的深度及地形。

深/淺海單聲束回音探測系統  如同多聲束回音探測系統,但單聲束系統一次只能發射一條聲波,一次探測海底一個點的地形,藉以核對多聲束回音探測系統所量測數據的精確度。

海底層輪廓掃描器  是一種可以發射高功率、高能量,能穿透海底地層的聲波,以探測海床底下地形構造和岩石侵蝕的聲納系統,可以在水深數千公尺內,探測海床底下數百公尺深度的地形構造。

多頻地震探測系統  是一種高穿透力的海底層輪廓探測系統,可從一個拖曳的聲波發射器上產生和接收聲波脈衝,藉以描繪海底地質和岩層的結構。

都卜勒音響洋流輪廓掃描器  是一種測量海面下洋流速度及流向的聲納系統,其測量深度可達300公尺到1,000公尺。

傳導性、溫度及深度探測系統(CTD) 利用不同的探針測量海水的導電度、溫度及壓力,由海水的導電度可以計算出海水鹽度,由海水的壓力可以計算出海水深度,因而CTD可得到海面下不同深度的海水溫度、鹽度、導電度資料。CTD所探測的資料與電腦連線,提供學者基本的海洋水文資料。

另外,配合不同研究者的需求,CTD可加掛各類其他探針,例如螢光探針、透光度探針、溶氧探針、pH探針等,可以在很短的時間內得到各種海洋水文數據,提供對海水成分全面性的了解,是海洋研究船上重要且不可或缺的測量儀器。

海水採樣系統  是一種以不同的採水瓶及採水器深入海底採集不同海水樣品的裝備。採水瓶有不同的樣式及容量,可以掛在CTD系統上,同時採集數種不同深度的海水樣本,提供化學及生物實驗中分析培養用。

拖曳式載具  拖曳式載具像個小型的載運機,拖在海洋研究船的船艉,用於載運各種小型聲納系統及CTD等。傳統的CTD施放方式是船停靠某個定點後由船上施放,一次只能得到施測點下垂直方向分布的海水性質。若CTD裝在拖曳式載具中隨研究船前進,並經由電腦控制載具的運動,則可得到連續整條線或不同水層的連續性水文資料,尤其在大面積海域研究中,能更快速得到更多的資料。

多層式浮游生物採集網  具有各式各樣的浮游生物採集網,採集各類海中浮游生物供研究使用,分層式採集網可一次進行最多4個水層的浮游生物採集。

水底沉積物採樣系統  用來取得海底各種沉積物的裝備,採樣系統種類繁多,有活塞岩心採樣器、抓斗與拖拽型沉積物採樣器、箱型岩心採樣器、多管型沉積物採樣器等。箱型岩心採樣器所取得的沉積物,主要用於有機物的氧化作用、營養鹽的再生和沉積速率等研究。重力和活塞岩心採樣器所取得的沉積物,主要用於長時間的地化作用、氣候變遷在沉積物內的痕跡、古生物隨時間演變的紀錄及礦物的形成等研究。

動態定位系統(DPS)  海洋研究船在海上執行研究任務時,隨時會受到風、海流及海浪的影響而偏離既定的工作範圍。因此必須準確地估算出風、海流及海浪的力量,與船偏離工作地點的距離,並且利用船上的螺槳、舵及側推器等動力系統,把船維持在既定的工作範圍或航線上,DPS就是整合上述功能的系統。由DPS的感應系統快速偵測船舶離開預定位置的偏離量,然後由控制系統精確地計算出反制環境外力及把船推回預定位置所需的推力和力矩,並下達指令給動力系統來完成任務。

由於海洋研究船配備有以上各式各樣的研究器材及設備,使她可以探索海洋的每個角落,成為海洋偵測大隊的尖兵。

水下無人載具

人類要潛到海裡作業,首先必須面對的就是高壓環境。潛水主要有兩種方式,一種是飽和潛水,另一種是大氣壓潛水。飽和潛水是人體直接接觸高壓環境,下潛與上浮需要複雜且費時的加、減壓程序。譬如為了在85公尺的深度工作30分鐘,減壓程序需要165分鐘,而在182公尺的深度工作4分鐘,減壓需要11.5小時,由此可知在較深的海中飽和潛水是很沒有效率的。

大氣壓潛水則是人體處在可抗高壓的潛水裝備或載人潛艇內的1大氣壓環境裡作業,載人潛艇雖有其優勢,但是營運與維護成本極高,因此隨著無人載具技術的日益成熟,有逐漸被取代的趨勢。

綜合而言,海下作業不論是偵搜、打撈沉船、鋪設海底光纜、探採資源或科學探索,都必須使用適合的機具設備,否則很難順利完成任務。潛水人員或載人潛艇雖然可以在海底執行任務,但是必須面對海洋環境中不可預知的威脅。

為了降低風險,節省營運及維護成本,並擴大對海洋的探索,水下無人載具,譬如遙控載具(ROV)、自主式水下載具(AUV)等,便逐漸成為目前廣泛使用於海下探索的工具。而隨著衛星定位與通訊技術的發達,自主式海洋感測網路(Autonomous Ocean Sampling Networks, AOSN)技術中的一環-長程巡曳的自主式水下滑翔機(AUG)-也逐步驗證了它的價值。

所謂水下無人載具,是指不需有人在載具內駕駛或操控,而由人在施放載具的工作母船上,藉由電纜、無線電波或聲波直接遙控水下的載具,或由載具本身搭載的電腦軟硬體自主操控。ROV與AUV都是水下無人載具,其差別主要在於ROV須經由人機介面與人進行大量互動,由人進行遙控,而AUV本身具備自主性。所謂自主,包含感測、判斷與行動3要素,因此AUV在執行工作時,可以不需要人的介入。

至於外觀的差異,ROV有電纜線連接,通常機體是開放式機架,AUV則沒有電纜線連接,且通常機體是有蒙皮的減阻造型。ROV是利用電纜線接收來自工作母船的控制訊號及電源,並把水下工作所蒐集的訊號傳遞給工作母船。AUV則沒有這樣的臍帶存在,必須利用本身具有的人工智慧和動力執行任務,必要時也可以由工作母船以聲波下達有限的人為指令,指揮AUV在海底應變以達成任務。

ROV或AUV都可以是海洋研究船的研究配備之一,藉著海洋研究船,也就是工作母船,把它載運到工作海域。其上可以裝設如單聲束回音探測系統,多聲束回音探測系統、CTD、都卜勒音響洋流輪廓掃描器、水下攝影機等各式各樣的海洋探測儀器,宛如另一艘小型的海洋研究船。

ROV技術在1960年代達到實用化,而在1970年代隨著石油危機所促進的海底石油開採需求而蓬勃發展,逐漸取代潛水人員成為水下作業的主流。隨著現代資訊處理能力的提升、自動控制理論的發展、以及水下聲學與載具技術的進步,ROV可以隨探勘目的來設計,可以加裝機械手臂用於採集樣本、海底打撈、掃除水雷等。現今一些功能強大的ROV,幾乎就等於「水下機器人」。

小型的ROV使用船上的吊桿就能施放。中型以上的ROV,當它漂浮在水面時,由於本身重量大加上海浪的推撞,若不小心碰到工作母船,往往會造成極大的損傷,因此必須有特殊的布放及回收裝置,才能在各種不同的海況下執行任務。當ROV在作業時,工作母船必須儘量保持不動,以免因為船的運動而拉扯到控制電纜,影響到水下ROV的工作。這時就必須藉由前面所介紹的動態定位系統,把工作母船維持在固定位置。

如何由工作母船上知道ROV在水下的正確位置,是發展ROV的另一個重要課題。一般海洋研究船都配備有GPS,但是GPS是靠接收衛星的無線電訊號計算水面船隻的位置。由於無線電波在水中的衰減太快,無法穿透海水,因此在水中不能使用無線電波定位,水下定位系統是以聲波反射原理來偵測出ROV的位置。ROV除了接受工作母船下傳的指令外,還必須把海底所偵測到的資訊上傳到水面,因此有大量資料往返於工作船與ROV之間。

AUV和ROV設計上的理念有異,前者強調自給自足,而後者重視系統的擴充性與操控性。因此AUV常用流線型的外罩來降低流體阻力,節省有限的能源。而ROV為求系統可容易地裝載或卸除各種儀器設備,大多採用開放式機架。

AUV不需要透過一條電纜線和水面上的工作母船聯繫,活動更為自由,應用領域更為寬廣,例如冰層底下的調查及製圖作業、軍事科學的應用、聲納部署及安全監哨、危險廢棄場地的調查、火山地震的地質震動調查及記錄、海底沉船偵測、做為長程武器的載具、港口監視、環境監測等。

AUV的實用化是近10年的事,已經陸續有許多商業應用的實例,譬如海底電纜的檢測,顯示AUV比ROV更具經濟效益。使用AUV的每日單價比ROV高,但是AUV較不受海流、波浪等環境因素的影響,因此作業效率遠高於ROV,完成同一工作所需的時間與經費會比ROV低。此外,隨著AUV技術的成熟與精進,軍用潛艦也有逐漸發展成為配備多艘AUV的水下母艦的趨勢,藉由AUV執行攻擊以避免水下母艦暴露行蹤。

自主式水下滑翔機

傳統上的海洋研究調查與觀測作業,通常高度依賴海洋研究船的支援,利用船上大型聲學儀器探測,或從船上施放儀器進行取樣與分析,或從繫泊浮標懸垂儀器進行量測,這類方法較難有效掌握海洋水體參數變化的時空歷程。而利用飛機或衛星的遙測技術,雖然對海洋表面的監測十分有效,卻難以穿透水體有效進行較深海域的監測。

自1990年代開始逐漸成熟的自主式水下載具技術,以及於2000年代逐漸發展成熟的自主式水下滑翔機技術,配合衛星定位及通訊技術的商用與普及化,使得海洋監測得以建立嶄新的技術與架構,譬如美國海軍研究處自1990年代開始贊助發展迄今的自主式海洋取樣網路(AOSN)。

AOSN計畫已於2003年夏天在美國加州Monterey Bay進行歷時1個月的實驗,成功驗證了它的功能。這實驗除了使用衛星遙測海面水溫資料,及動用4艘研究船之外,還使用了21架無人水下載具,其中包括3艘AUV,1艘UUV,以及17架自主式水下滑翔機,以進行海水資料的行動式蒐集。因為行動式取樣資料涵蓋時空歷程,而得以成功掌握Monterey Bay海域湧升流的特性。這項實驗也同時驗證了自主式水下滑翔機在AOSN架構中所扮演的重要角色。

在17架水下滑翔機中,12架是潛深200公尺、航速0.5節、續航力20天的Slocum Gliders,5架是潛深1,500公尺、航速0.6節、續航力150天的Spray Gliders,而酬載的感測包括鹽度、溫度、深度、葉綠素、懸浮粒、透光度等海水基本資料。

相對於水下滑翔機長達數十天甚至數月的續航力,傳統上由螺槳驅動的大型AUV續航力至多60個小時,而AOSN實驗使用的Dorado AUV的續航力是24小時。另外2艘Remus AUV的續航力則僅10個小時,Aries UUV更只有4小時。因此在AOSN架構裡,還必須為AUV設置水下充電站,讓AUV自主進入充電。

雖然AUV通常航速較高,可達3節,但是每次充電只能航行至多百餘公里,仍遠遠低於水下滑翔機的數千公里。水下滑翔機利用重力自然下潛,再用浮力引擎產生浮力上浮,在上下的過程中藉由雙翼轉換出向前的推力,使得載具循鋸齒狀軌跡掃描海洋水體,蒐集資料。當水下滑翔機浮出水面時,就可藉由衛星通訊傳遞資料與接收指令,同時藉由GPS進行定位。水下滑翔機只有在水底啟動浮力引擎產生浮力時需要耗電,在滑翔的過程中並不需要,這就是AUG可以巡航數千公里的主因。

臺灣四面環海,海空交通頻繁。遇到沉船或飛機落海事件,需要在廣闊的海域中搜尋、打撈;海底電纜交錯,需要檢查及維護;深層海水、海底生物及能礦資源豐富,需要研究、調查與開發;大陸板塊擠壓,引發海底地震頻繁,需要監測。因此加強對於海洋的調查、研究、安全維護及永續利用是一項刻不容緩的工作,而海洋研究船及各種水下無人載具勢必扮演重要的角色。希望藉由本文的介紹,能增進一般民眾對這些海洋探測要角的認識與了解,進而激發對海洋探索的興趣。
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