1.水下機(jī)器人簡(jiǎn)介

1.1水下機(jī)器人定義

水下機(jī)器人是可潛入水中代替或輔助人類(lèi)進(jìn)行水下極限作業(yè)的機(jī)器人。通過(guò)水下目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別、水下導(dǎo)航定位、水下通信等高新科學(xué)技術(shù)，水下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)水下打撈救援、水下探測(cè)、水下資源開(kāi)采、水下娛樂(lè)等功能。根據(jù)支持系統(tǒng)聯(lián)系方式不同，水下機(jī)器人可分為載人潛水器（HOV）、有纜水下機(jī)器人（ROV）和無(wú)纜水下機(jī)器人（AUV）。其中ROV為國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人市場(chǎng)主流產(chǎn)品，應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)移動(dòng)方式不同，ROV可分為拖曳式、移動(dòng)式、浮游式水下機(jī)器人。水下機(jī)器人是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，涉及到的專(zhuān)業(yè)學(xué)科多達(dá)幾十種，主要包括仿真、智能控制、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水下導(dǎo)航(定位)、通訊、能源系統(tǒng)等六大技術(shù)。

1.2水下機(jī)器人類(lèi)型

從種類(lèi)上看，根據(jù)是否載人可以將潛水器分為載人潛水器和無(wú)人潛水器。

載人潛水器由人工輸入信號(hào)操控各種動(dòng)作，由潛水員和科學(xué)家通過(guò)觀察窗直接觀察外部環(huán)境。 其優(yōu)點(diǎn)是由人工親自做出各種核心決策，便于處理各種復(fù) 雜問(wèn)題，但是人生命安全的危險(xiǎn)性增大，由于載人需要足夠的耐壓空間、可靠的生命安全保障和生命維持系統(tǒng)，這將為潛水器帶來(lái)體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂、工作環(huán)境受限等不利因素。

狹義上的水下機(jī)器人是指無(wú)人潛水器。無(wú)人潛水器按照與水面支持系統(tǒng)間聯(lián)系方式的不同可以分為有纜遙控水下機(jī)器人(remotely operated vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng) ROV)、無(wú)纜水下機(jī)器人 (autonomous underwater vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng) AUV))兩種。

1.2.1 有纜水下機(jī)器人

有纜水下機(jī)器人都是遙控式的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同可分為拖曳式、(海底)移動(dòng)式和浮游(自航)式三種。

有纜水下機(jī)器人(ROV)需要由電纜從母船接受動(dòng)力，并且 ROV 不是完全自主的，它需要人為的干預(yù)。主要由水面設(shè)備(包括操縱控制臺(tái)、電纜絞車(chē)、吊 放設(shè)備 、供電系統(tǒng)等)和水下設(shè)備(包括中繼器和潛水器本體)組成。潛水器本 體在水下靠推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)，本體上裝有觀測(cè)設(shè)備(攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機(jī)械手、切割器、清洗器等)。潛水器的水下運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，是由操作員在水面母艦上控制和監(jiān)視，電纜向本體提供動(dòng)力和交換信息，中繼器可減少電纜對(duì)本體運(yùn)動(dòng)的干擾。由于人們通過(guò)電纜對(duì)ROV進(jìn)行遙控操作，電纜對(duì)ROV像“臍帶”對(duì)于胎兒一樣至關(guān)重要，但是由于細(xì)長(zhǎng)的電纜懸在海中成為 ROV最脆弱的部分，大大限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍和工作效率。

1.2.2 無(wú)纜水下機(jī)器人

無(wú)纜水下機(jī)器人一般是自治式機(jī)器人，它能夠依靠本身的自主決策和控制能力高效率地完成預(yù)定任務(wù)，在一定程度上代表了目前水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

無(wú)纜水下機(jī)器人(AUV)又稱(chēng)智能水下機(jī)器人，是將人工智能、探測(cè)識(shí)別、信息融合、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術(shù)集中應(yīng)用于同一水下載體上，在沒(méi)有人工實(shí)時(shí)控制的情況下，自主決策、控制完成復(fù)雜海洋環(huán)境中的預(yù)定任務(wù)使命的機(jī)器人。它能對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行加工，建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)以面向過(guò)程的抽象符號(hào)或語(yǔ)言下達(dá)命令，并接受經(jīng)計(jì)算機(jī)加工處理的信息，對(duì)潛水器的運(yùn)行和動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視并排除故障。操作人員僅下達(dá)總?cè)蝿?wù)，機(jī)器人就能根據(jù)識(shí)別和分析環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行動(dòng)、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。

圖 1 水下機(jī)器人類(lèi)型

2.水下機(jī)器人市場(chǎng)分析

2.1水下機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景

水下機(jī)器人為服務(wù)類(lèi)機(jī)器人，具有60多年的發(fā)展歷程。水下機(jī)器人的研究方向以無(wú)人化為主，使其可在高危險(xiǎn)、被污染以及零可見(jiàn)度的水域環(huán)境下工作，配備聲吶系統(tǒng)、攝像機(jī)、照明燈和機(jī)械臂等裝置，可以完成實(shí)時(shí)視頻傳輸、聲吶圖像繪制，抓起重物等各種專(zhuān)業(yè)操作。目前，水下機(jī)器人已經(jīng)在海洋探索、漁業(yè)養(yǎng)殖、水下檢測(cè)維修、搜救、消費(fèi)娛樂(lè)、軍事、教育等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

根據(jù)產(chǎn)品市場(chǎng)定位分類(lèi)，目前主流水下機(jī)器人大制可分為消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)三大類(lèi)。

2.1.1 消費(fèi)級(jí)水下機(jī)器人

消費(fèi)型水下機(jī)器人又可分為娛樂(lè)與教育兩類(lèi)。娛樂(lè)類(lèi)主要產(chǎn)品形態(tài)為水下推進(jìn)器與水下拍攝機(jī)器人。推進(jìn)器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，包括推進(jìn)器殼體、電池、控制裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)裝置、螺旋槳及浮力裝置7部分。通過(guò)手持推進(jìn)器的方式提控制在水中的活動(dòng)，調(diào)節(jié)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速獲得不同程度的助力提高游行速度，推進(jìn)器不僅可以在水面使用協(xié)助游泳初學(xué)者學(xué)習(xí)游泳，而且可以將游泳者帶入水下30m深的世界協(xié)助潛水愛(ài)好者進(jìn)行觀光、探險(xiǎn)等活動(dòng)。

2.1.2工業(yè)級(jí)水下機(jī)器人

由于各行業(yè)的需求不同導(dǎo)致工業(yè)級(jí)水下機(jī)器人產(chǎn)品種類(lèi)眾多，總體上看是在推進(jìn)系統(tǒng)與拍攝系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上加裝機(jī)械臂、聲、光、電等各類(lèi)檢測(cè)、維修的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，根據(jù)行業(yè)的不同，設(shè)備加裝的整合方案都會(huì)存在差異，技術(shù)實(shí)現(xiàn)要求高。現(xiàn)階段最直觀判斷性能要求的方式是看本體體積大小，本體越大，說(shuō)明其性能越高，對(duì)技術(shù)的要求也會(huì)更高。

2.1.3軍工級(jí)水下機(jī)器人

軍工級(jí)水下機(jī)器人因國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)儲(chǔ)備需求而發(fā)展，與娛樂(lè)和工業(yè)的顯著差別在于成本高、技術(shù)難度大、研發(fā)周期長(zhǎng)等。軍工級(jí)水下機(jī)器人對(duì)自身的極限在做出各種挑戰(zhàn)與突破，重點(diǎn)對(duì)偵察、監(jiān)聽(tīng)、探測(cè)與摧毀水雷、反潛作戰(zhàn)等方面進(jìn)行研究，并且對(duì)仿生能力做出要求，我國(guó)部分項(xiàng)目已經(jīng)可以做到雷達(dá)無(wú)法探索到的能力。

圖 2 水下機(jī)器人的應(yīng)用范圍

2.2水下機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模

2014年全球水下機(jī)器人行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模大約15.91億美元，到2019年達(dá)到31.75億美元，預(yù)測(cè)2025年有望達(dá)到91.20億美元。

圖 3 全球水下機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及海洋生產(chǎn)總值的不斷增加，開(kāi)發(fā)利用海洋資源逐漸成為國(guó)家間競(jìng)相發(fā)展的戰(zhàn)略，水下機(jī)器人作為深入水下進(jìn)行作業(yè)的重要工具，市場(chǎng)需求量大幅上升。同時(shí)，中國(guó)國(guó)務(wù)院在《中國(guó)制造2025》及“十三五”規(guī)劃綱要等國(guó)家政策中提出要重點(diǎn)發(fā)展機(jī)器人等高性能設(shè)備，積極鼓勵(lì)中國(guó)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，中國(guó)政策扶持促進(jìn)水下機(jī)器人行業(yè)發(fā)展。2014年至2018年，中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模由12.4億元上升至40.7億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為34.6%。

圖 4 中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

目前，水下機(jī)器人主要的應(yīng)用場(chǎng)景在消費(fèi)、工業(yè)及軍工方向，以下我們將從這三個(gè)領(lǐng)域來(lái)梳理整個(gè)水下機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模。

（1）消費(fèi)領(lǐng)域

2016年11月，體育總局出臺(tái)《水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)水上運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)施建設(shè)、賽事活動(dòng)供給、培養(yǎng)多元主體、引導(dǎo)水上消費(fèi)等角度提出了眾多發(fā)展規(guī)劃和指導(dǎo)，并提出到2020年，水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)到3000億元，水上運(yùn)動(dòng)俱樂(lè)部達(dá)到1000個(gè)，全國(guó)水上（海上）國(guó)民休閑運(yùn)動(dòng)中心達(dá)到10個(gè)等發(fā)展目標(biāo)。除政策推動(dòng)，民眾需求、旅游發(fā)展等因素均在推動(dòng)潛水產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)潛水產(chǎn)業(yè)近十年的旅客人數(shù)參與度維持在30%以上的增速，截至2017年，我國(guó)潛水服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模超30億人民幣。

（2）工業(yè)領(lǐng)域

據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，到2020年我國(guó)民用水下機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到580.65億元，其中資源勘查類(lèi)水下機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模為241.5億元，市場(chǎng)占比41.59%；安全監(jiān)測(cè)類(lèi)水下機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模分為194.3億元，市場(chǎng)占比為33.45%；搜索救援類(lèi)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到68.3億元，市場(chǎng)份額為11.75%。

（3）軍工領(lǐng)域

據(jù)財(cái)政部公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)國(guó)防支出費(fèi)用達(dá)到11070億人民幣，相比2017年的10173億人民幣同比增加8.1%，相比之前有了大幅增長(zhǎng)，且未來(lái)在科技研發(fā)上的投入支出力度將持續(xù)加大。

2.3水下機(jī)器人服務(wù)商

水下機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游參與主體為核心硬件供應(yīng)企業(yè)和核心技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)，中游參與主體為水下機(jī)器人產(chǎn)品生產(chǎn)制造企業(yè)，下游涉及水下機(jī)器人產(chǎn)品的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

圖 5 中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

全球水下機(jī)器人行業(yè)三巨頭分別為3M、宣偉涂料、Swarco AG，三家企業(yè)的水下機(jī)器人2018年總銷(xiāo)售額約4億美金，占全球總銷(xiāo)售額的20%。中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)起步晚，行業(yè)集中度低，尚未形成集聚效應(yīng)，技術(shù)水平仍存在提升空間。

消費(fèi)級(jí)水下機(jī)器人以消費(fèi)級(jí)水下娛樂(lè)拍攝機(jī)器人和水下助推板為切入點(diǎn)，消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品體系初步建立后開(kāi)始向工業(yè)級(jí)產(chǎn)品發(fā)展，逐步擴(kuò)展應(yīng)用情景和行業(yè)，不斷完善產(chǎn)品生態(tài)，該類(lèi)公司典型代表為吉影科技、微孚智能等。

工業(yè)級(jí)水下機(jī)器人深扎垂直行業(yè)，錨定某個(gè)工業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，解決痛點(diǎn)問(wèn)題。該類(lèi)公司中的三家典型代表分別是大力金剛科技、海之星OStar和山東未來(lái)機(jī)器人。

軍工級(jí)水下機(jī)器人依托高校和科研院所的深厚技術(shù)積淀和成果積累，早期主打軍工、大B市場(chǎng)，后期將技術(shù)成果民用化，進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，典型代表為國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人行業(yè)兩個(gè)巨頭——深之藍(lán)、博雅工道。

圖 6 中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)龍頭企業(yè)簡(jiǎn)介

3.水下機(jī)器人未來(lái)發(fā)展分析

3.1未來(lái)市場(chǎng)趨勢(shì)

中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)政策及監(jiān)管分析為保障水下機(jī)器人行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展．中國(guó)政府相繼出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》、《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016一2020）》、《“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)2017年度項(xiàng)目申報(bào)指南》及《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》等多項(xiàng)政策。從水下機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家扶持政策環(huán)境等多方面進(jìn)行部署。中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)未來(lái)發(fā)展空間廣闊。

表 1 中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)相關(guān)政策政策

3.2行業(yè)發(fā)展建議

3.2.1 水下作業(yè)環(huán)境額復(fù)雜性促進(jìn)水下機(jī)器人智能化趨勢(shì)

隨著人工智能等高新技術(shù)高速發(fā)展，中國(guó)水下機(jī)器人逐漸呈現(xiàn)智能化發(fā)展趨勢(shì)，不僅可通過(guò)遠(yuǎn)程控制，還可根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況，在無(wú)人操控的情況下自主進(jìn)行水下勘探、監(jiān)測(cè)、采集樣本等作業(yè)。水下機(jī)器人工作環(huán)境具有復(fù)雜性與未知性，研究人員需不斷完善水下機(jī)器人現(xiàn)有智能體系結(jié)構(gòu)，采用多種探測(cè)與識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的方式以提升水下機(jī)器人環(huán)境感知與目標(biāo)識(shí)別能力，使水下機(jī)器人與外界環(huán)境產(chǎn)生交互作用以適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，并通過(guò)處理所收集信息的處理進(jìn)行水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃決策。

3.2.2 產(chǎn)業(yè)升級(jí)推動(dòng)水下機(jī)器人核心硬件國(guó)產(chǎn)化發(fā)展趨勢(shì)

從宏觀角度看，國(guó)務(wù)院在《中國(guó)制造2025》及“十三五”規(guī)劃綱要等國(guó)家政策中提出中國(guó)將大力推進(jìn)智能機(jī)器人等高性能設(shè)備發(fā)展，積極鼓勵(lì)中國(guó)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，重點(diǎn)培育頭部企業(yè)，帶動(dòng)行業(yè)整體發(fā)展。中國(guó)水下機(jī)器人核心硬件技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)間差距大，核心硬件設(shè)備進(jìn)口價(jià)格高昂，是制約中國(guó)水下機(jī)器人市場(chǎng)化發(fā)展的主要因素之一，實(shí)現(xiàn)核心硬件國(guó)產(chǎn)化將促進(jìn)中國(guó)水下機(jī)器人行業(yè)高速發(fā)展。中國(guó)水下機(jī)器人核心硬件在其生產(chǎn)制造成本中占比約為30％，核心硬件國(guó)產(chǎn)化可大幅降低水下機(jī)器人生產(chǎn)制造成本、提高企業(yè)利潤(rùn)率，加速水下機(jī)器人市場(chǎng)化進(jìn)程。