聊聊那些影響人類航海的技術(shù)
600多年前，一支由艨艟巨艦組成的船隊，浩浩蕩蕩從中國沿海出發(fā)，旌旗蔽日，威儀隆盛。34歲的鄭和意氣風(fēng)發(fā)，率船隊開啟了七下西洋的航程。
中國航海家的這一壯舉，比歐洲航海家哥倫布開辟新航路早了近一個世紀(jì)，在人類文明史上留下了輝煌篇章。
鄭和下西洋的事跡，被繪制成《鄭和航海圖》。這是世界上現(xiàn)存最早的航海圖集。其中所展示的水羅盤和牽星過洋等技術(shù)，充分體現(xiàn)了中國曾經(jīng)領(lǐng)先于世界的航海智慧。
如今，鄭和船隊遠洋航行的很多細節(jié)已經(jīng)難以考證。但可以確認的是，這一定是一次次充滿了探索的勇氣、開放的膽魄和執(zhí)著的夢想的冒險。
2005年7月11日，是鄭和下西洋600周年紀(jì)念日。國務(wù)院批準(zhǔn)，將每年的7月11日確立為中國航海日。今年7月11日，正值第18個中國航海日。本版推出特別策劃，請看——
——編 者
【導(dǎo)航技術(shù)】
星辰指向 解鎖經(jīng)緯
■解放軍報記者 王凌碩 通訊員 倪棟梁
茫茫大洋中，再大的船只也如同滄海一粟。要想順利到達目的地，導(dǎo)航至關(guān)重要。
英文“導(dǎo)航”一詞原是從拉丁文的“船舶”和“指向”組合成的詞匯轉(zhuǎn)化而來。
很長一段時間，航海依賴著陸地參考系。
陸地交通有著“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同”的沿途風(fēng)景，在豐富參照物的輔助下，人們憑借著記憶便能抵達目的地，有時甚至連動物都能“老馬識途”。
但茫茫大洋中，在嚴(yán)重缺乏可供參照的地理標(biāo)識情況下，勇敢的航海家們?nèi)绾伪鎰e方向呢？
答案在天上——天文導(dǎo)航。
天文導(dǎo)航中，日月星辰如同指引航海者的燈塔。太陽、月亮、北極星是天文學(xué)研究中至關(guān)重要的三個天體，人們借助它們，判斷自己在地球上的緯度。中國古代航海家由此總結(jié)發(fā)明了具有中國特色的天文觀察導(dǎo)航技術(shù)——過洋牽星術(shù)。
指南針是中國古代四大發(fā)明之一。指南針應(yīng)用于航海也是從中國開始的，并引起了世界航海技術(shù)的重大變革。中國古代文獻記載：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針”，由此實現(xiàn)了全天候?qū)Ш健?/p>
在很長一段時間內(nèi)，人們通過觀測太陽或者北極星的高度可以大致確定船只所在的緯度，但確定經(jīng)度是一個難題。1759年，英國鐘表匠約翰·哈里森制造出H4航海鐘。此后幾十年里，價格昂貴的航海鐘逐漸得到廣泛應(yīng)用。人們可以通過航海鐘來準(zhǔn)確獲知某已知經(jīng)度地點的準(zhǔn)確時間，并用以推算出所在地點的經(jīng)度。
一個羅盤、一張海圖、一塊鐘表、一個六分儀、一副尺規(guī)，人類的遠洋航行能力自此有了根本性提高。
隨著時代的發(fā)展，當(dāng)天體不僅僅是日月星辰，還有人造衛(wèi)星時，天文導(dǎo)航產(chǎn)生了跨越式的發(fā)展——全天時、全地域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人們打開了全新的大門。
在由導(dǎo)航衛(wèi)星搭建的星地坐標(biāo)系中，每個星座都有自己的坐標(biāo)信息，通過測量我們與星座間的距離，就能解算出我們在該坐標(biāo)系的位置。
從根本上說，衛(wèi)星導(dǎo)航的核心就是時間測量。在信號傳播速度（光速）已知的前提下，時間測量越精密，位置解算就越精確。
在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導(dǎo)致0.3米的距離誤差。要實現(xiàn)如此精密的時間測量，只有原子鐘能做到。
原子鐘，是利用電子躍遷釋放電磁波原理制造的鐘，是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。在原子內(nèi)部，電子繞原子核高速旋轉(zhuǎn)，有不同的旋轉(zhuǎn)軌道。電子在不同的旋轉(zhuǎn)軌道上具有不連續(xù)的能量差異，稱為能級。電子在不同能級之間躍遷頻率是固定的，利用這一特性，便可以制作出非常精確的計時儀器。原子鐘也會如普通鐘表一般“嘀嗒走時”。不同的是，這種“嘀嗒”更均勻，表現(xiàn)為一種電磁波形式，10億年才累積一秒的誤差。
2020年6月23日，長征三號乙火箭將北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星送入太空，北斗三號系統(tǒng)全面建成。此時的北斗，是中國的北斗，更是世界的北斗。
作為完全由我國自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如它的名字一般，為人們帶來來自太空的無處不在、無時不在的時空信息服務(wù)。
目前，中國正在推動以下一代北斗系統(tǒng)為核心的國家綜合定位導(dǎo)航授時（PNT）體系建設(shè)。2035年前，將建成以北斗系統(tǒng)為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。
從北極星、指南針、羅盤，再到今天的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，富有探索和創(chuàng)新精神的中華民族，翻山越海的步伐從未停止，不斷走向更加美好的未來。
【智能航海】
智能船舶 賦能未來
■王耿峰 申家雙 張 偉
人類的航海事業(yè)，就像是一艘在浩瀚海洋里乘風(fēng)破浪的理想之船，不斷向前發(fā)展。從“刳木為舟，剡木為楫”的原始舟筏，到“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸”的帆船時代，再到“吐霧吞云凌霄漢，穿山涉水闖神州”的蒸汽動力……如今，智能航海新時代已經(jīng)到來。
智能船舶是綜合運用感知、通信、控制、人工智能等先進技術(shù)，具備自身感知、智能決策、多等級自動控制能力，在航行管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶。與傳統(tǒng)船舶相比，智能船舶更安全、更高效且經(jīng)濟。
智能船舶相當(dāng)于為船舶裝上了一顆會學(xué)習(xí)和思考的“大腦”。如同新生兒一樣，這顆“大腦”首先需要學(xué)會如何感知和認識這個世界。
態(tài)勢感知是實現(xiàn)智能航海的第一步。船舶需要更多傳感器收集大量信息，為智能航海提供信息支撐。當(dāng)然，大量的信息還需要配套的數(shù)據(jù)處理和傳輸效率，才能更好地為智能認知決策。
船舶智能航行的認知過程是在態(tài)勢感知的基礎(chǔ)上進行的。例如，船舶獲取一定海域的信息后，需要對各類信息進行分析識別，通過智能認知系統(tǒng)優(yōu)化航路并實現(xiàn)避碰。經(jīng)過大量的信息搜集、認知、處理后，船舶智能航行認知決策模型就會逐漸建立起來，最終實現(xiàn)智能航行中的自主認知決策。
事實上，船舶智能化已經(jīng)有了相當(dāng)長一段時間的發(fā)展。近幾年，商用智能船舶更是進入飛速發(fā)展時期。
2017年12月，全球首艘獲得智能船入級符號（LR和CCS）的智能船舶“大智號”正式交付使用。這艘重達38800噸的貨船會自主學(xué)習(xí)、能選擇最優(yōu)航線，還能提前發(fā)現(xiàn)事故隱患，可以說是真正意義上的智能船舶。2018年4月7日，挪威將全球第一艘零排放無人駕駛集裝箱船舶投放到實際航線上運營，該船搭載了先進的感知系統(tǒng)與傳感器，可實現(xiàn)自動規(guī)避障礙物和目標(biāo)船舶功能。2019年7月，中國第一艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船雪龍2號交付使用，這也是一艘智能船舶，能實現(xiàn)船舶和科考的智能化運行和輔助決策。
在軍事領(lǐng)域，智能船舶同樣大有可為。
海上作戰(zhàn)，復(fù)雜的海戰(zhàn)場環(huán)境對敵我識別、目標(biāo)態(tài)勢感知和航行決策造成一定的困難，而智能航海可以合理規(guī)劃航線、輔助航行決策以及識別敵我目標(biāo)，從而大大提高作戰(zhàn)效率。
在交通密集的狹窄海域，或編隊作戰(zhàn)航行過程中，智能船舶可通過自動收集、傳輸數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)情報共享、入侵預(yù)警、避免碰撞等功能，替代傳統(tǒng)人工進行快速分析并輔助決策。
從目前來看，智能航海是大趨勢、大潮流。許多人相信，智能航海將改變整個航運業(yè)和海上作戰(zhàn)方式，對未來世界產(chǎn)生深刻影響。
【清潔遠航】
金色航程 綠色航跡
■解放軍報記者 安普忠 通訊員 倪棟梁
海水深藍，天空淺藍。海天之間，一艘巨輪全速航行，在海面犁出一道白色航跡。
在船上，水是生命之源，油是動力之源。但兩者必須分開處置，這是防止污染的重要一環(huán)。
機艙內(nèi)，潤滑油從滿負荷運轉(zhuǎn)的設(shè)備縫隙中緩緩滲出，滴入底艙，水從冷卻設(shè)備表面凝結(jié)滴落，同樣進入底艙。
底艙，是設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的污油和污水混合的地方，也是海上防污染工作的重點部位。
航行狀態(tài)下，掀開底艙上方的鐵板，下面就是油污水，借助光源，液面上一層油污清晰可見。這里看似毫不起眼，但潔凈循環(huán)一直在默默運行。
油污水經(jīng)過沉淀分層，匯集到專門的污水艙，再層層過濾，通過油水分離裝置徹底分離。
水達到排放標(biāo)準(zhǔn)后就可對外排放，污油則進入污油艙存儲，剩下的部分回到底艙繼續(xù)循環(huán)。
一遍遍循環(huán)，一遍遍過濾。鋼鐵巨輪和大洋一直保持著這樣健康友好的互動。
油水分離的方法多種多樣，而膜分離技術(shù)是許多船舶進行油污水處理的常用技術(shù)。膜分離，顧名思義，就是利用分離膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程。簡單來說，膜分離的過程和過濾相似。但區(qū)別于傳統(tǒng)過濾，分離膜可以在分子的范圍內(nèi)進行分離。
當(dāng)然，膜分離技術(shù)的關(guān)鍵在于膜。按材料的不同，可分為無機膜和有機膜。常見的如陶瓷和金屬，都可以成為制作膜的材料。對膜材料的探索與開發(fā)，是科研人員研究的重點。為了克服單一膜材料的缺陷，科研人員研究出了復(fù)合膜材料，不僅能將各種膜材料的優(yōu)點結(jié)合，還能提高分離膜的過濾性能和抗污染能力。
膜分離技術(shù)有著相當(dāng)長的歷史。早期很多專家學(xué)者的研究還頗具戲劇性。1784年，法國學(xué)者阿貝·諾倫特發(fā)現(xiàn)水能夠自發(fā)擴散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，從而發(fā)現(xiàn)了膜分離現(xiàn)象。1861年，施密特用牛心包膜提取阿拉伯膠，可以算得上是世界上第一次超濾試驗……然而，直到20世紀(jì)60年代中期，膜分離技術(shù)才應(yīng)用到工業(yè)上。發(fā)展到今天，膜分離技術(shù)已經(jīng)成為一項高效節(jié)能的新型分離技術(shù)，在醫(yī)藥、生物、環(huán)保等多個領(lǐng)域有著大規(guī)模的應(yīng)用。
蒸汽船發(fā)明后，排放后的環(huán)境污染成為一大難題。在大洋上航行，船員有時會看到油污漂浮在海上綿延數(shù)海里，像傷疤一樣難看。海洋的生態(tài)被嚴(yán)重破壞，不少海洋生物因此失去生命。
隨著越來越多高新技術(shù)在航海上的應(yīng)用，人們在追求經(jīng)濟效益的同時，也越來越注重環(huán)保。如何有效去除航海帶來的污染，正在成為越來越強的共識和越來越堅決的行動。
滿載貨物的金色航程，留下的應(yīng)當(dāng)是綠色的航跡。遨游在占地球約三分之二面積的大海之上，我們時時能夠看到鯨魚噴起水柱、海豚隨船躍起、飛魚飛上甲板……人與海洋生物、環(huán)境和諧相處，這才是最美麗的航海夢！