2010年9月的一天，我们在参加中国第四次北极科考，恰巧的是，我们俩的生日是同一天。这样，沈阳自动化所两人在“雪龙”船上共同度过了一个有意义的生日，受到了全体科考队员的祝福。
当时，我们刚刚完成长期冰站上的冰下探测工作。转眼间已过去近八年了，往日的情景仍然历历在目。其中，李硕参加了第三次和第四次北极科考，曾俊宝参加了第四次和第六次北极科考，在此共同回忆我们参加北极科考的点滴往事和经历。
一、北极科考机器人研发历程
北极通常是指北纬66度34分以北的北极圈地区，主要包括北冰洋和周边的陆地和岛屿，总面积约为2100万平方公里。北极一直是人类向往的地区之一，不仅仅是那寒冷和迷人的冰雪世界，更重要是北极地区资源丰富，战略地位重要。
随着全球气候的不断变化，北极海冰的变化对我国气候的影响越来越受到人们的关注。从1999年开始，我国成功组织了多次北极科学考察。沈阳自动化所从2003年第二次北极科考就开始参与其中，之后在2008年、2010年和2014年又分别参加了我国第三、四、六次北极科考，主要通过水下机器人所携带的仪器设备从冰下对北极海洋环境进行观测。
参加第二次北极科考的“海极”号遥控水下机器人，是我国第一台在极地科考中的应用水下机器人。我所李智刚和高云龙操控“海极”号分别在楚科奇海、楚科奇海台等完成了8次冰下作业，完成了冰厚和海冰底形态的连续观测及温盐深连续测量。我国科学家首次看到了北冰洋冰下连续的视频影像，为水下机器人在极地科考中的应用迈出了难能可贵的第一步，进一步拓展了水下机器人的应用领域。
为了获取更为清晰的冰下图像，获取更高价值的科考数据，更好地发挥水下机器人的作用，在国家“863计划”的支持下，沈阳自动化所面向北极科考海冰连续观测的需求，在前期工作的基础上，联合中国极地中心和中国海洋大学开始研制了一台新概念“北极冰下自主/遥控监测系统”（简称“北极ARV”），它自带能源，利用光纤通信技术，将自治水下机器人（AUV）和遥控水下机器人（ROV）技术有机结合，在一个载体上实现两种水下机器人的功能。它可以在冰下大范围内根据使命程序自治航行，当科学家发现感兴趣的东西后，它又可以中断使命程序，进行遥控定点开展精细调查，这样既提高了AUV获取数据的实时性，又扩展了ROV的作业半径，可实时获取大范围、含有精确位置信息的多参数协同观测数据。
2008年7月，经过前期紧张的准备，李硕和崔胜国携带“北极ARV”参加了我国第三次北极科考。在北纬84.6度建立的长期冰站上，依托“中山”艇，从冰边缘布放“北极ARV”进入海冰，开展冰下试验应用。通过“北极ARV”携带的多种测量设备，获取了冰底形态、海冰厚度等多种科学观测数据，并首次获取了相对海冰精确位置信息的观测数据。
这对于北极科考来说是一项突破。在高纬度地区，传统的磁质导航设备无法正常工作。此外，传统水下机器人是对相对静止的海底进行观测，然而北极的海冰是不断漂移和旋转运动着的。因此，通过相对于海冰的高精度自主导航技术，获取了含有冰下位置信息的观测数据，更有利于科学家分析观测数据。
在第三次北极科考成功应用后，“北极ARV”引起了科学家的广泛兴趣。2010年3月，我国著名北极研究专家赵进平教授专程来所里讨论使用“北极ARV”在冰下进行海冰光学与水文调查等事宜，以期得到常规科考手段无法获取的科考数据，研究北极海冰快速变化与太阳辐射之间的关系。此项工作还得到了国家海洋局极地办公室的支持，确定李硕和曾俊宝同志携带“北极ARV”参加我国第四次北极科学考察。
围绕冰下光学连续观测目标，课题组启动了“北极ARV”的升级改造工作，并明确了“北极ARV”的工作方式及布放回收方案——在长期冰站上开凿一个冰洞来布放与回收载体。为此，课题组研究制订了多种冰下观测轨迹，如梳状、射线和同心圆等曲线来进行大范围连续观测。从冰洞口布放回收，在冰下稳定航行，对载体的机动性和可靠性提出了更高的要求，为此，课题组对推进系统、光纤系统、水面控制台等进行了适应性改造，同时准备了冰上作业工具，包括四角吊架以及开凿冰洞的工具。经过两个月左右的升级改造，6月在沈阳棋盘山进行了湖上试验，对北极作业中可能使用的多种航行轨迹进行了较充分的模拟。2010年7月，经过前期改造和湖上试验，“北极ARV”搭乘“雪龙“船从厦门出发前往北极，整个科考航次历时近3个月。在北纬87度附近的长期冰站上，我们首次从人工开凿的冰洞释放载体开展冰下调查，在冰下多次进行不同断面的连续重复观测，获取了大量基于海冰位置信息的关键科学数据，成功实现了冰下多种测量设备的同步观测，再次刷新了我国水下机器人高纬度作业记录。
经过此次第四次北极科考，为了减少现场开凿冰洞的工作量，课题组下决心再次改造“北极ARV”，进一步减少载体尺寸，以便能节省现场开凿冰洞的时间，还安装了电动“葫芦”，便于载体布放回收。2014年，曾俊宝带着改造后的“北极ARV”参加了第六次北极科考，同样取得了圆满成功，实现了大范围内的自主与遥控协同观测。“北极ARV”连续的应用成功，为我国北极科考提供一种大范围、连续、实时的观测技术手段。
二、在北极开凿冰洞
在北极科考中发生过很多故事，在第三次北极科考中的布放法国水下滑翔机、“北极熊不期而遇”以及防熊工作等，第四次北极科考中的现场试验、打冰芯以及“冰上烧烤”等，都留下了深刻而美好的记忆，但在北极现场开凿冰洞一直是我们至今最难忘的经历。
2010年7月，从国内出发大概10天左右就到达本航次的第一个作业点——白令海。由于“北极ARV”按计划中仅在长期冰站作业，所以在到达长期冰站前，我们两人被分配到水文调查组值班，按时进行船上CTD测量与采水作业。李硕负责操作CTD绞车，根据实时回传的数据，选择在不同的深度上进行采水作业。曾俊宝负责甲板作业，保障CTD等设备布放和回收的安全。在这期间，还要定期对“北极ARV”进行必要的日常维护和检测，毕竟北极科考机会难得，我们也想让它以最好的状态面对接下来的冰上作业。“北极ARV”停放在船底层大舱内，船在航行期间，实验室大门不开，我们只能爬十多米的旋梯上去下来。如果要取东西，还得用十几米的绳子把东西吊上吊下。
8月2日，“雪龙”船在进入冰区后，科考队选定了第一个短期冰站开展科考作业。为了更好地准备“北极ARV”冰上试验，我们利用难得的机会对“北极ARV”导航所需的冰面测向仪进行了测试，结果表明，测向仪能够很好地跟踪海冰的位置和旋转方向。在接下来的几个短期冰站上，我们又对出发前准备好的开凿冰洞所需的油锯、冰钎等进行了现场测试。期间我们还学习使用冰钻来进行冰芯采样。由于操作熟练和大家的信任，我们采集了本次科考中一多半的冰芯样品。
8月7日，科考队通过分析国内海洋预报中心传回的北极卫星图片和现场直升飞机观测的情况，最终在北纬87度附近选定本次科考的长期冰站，距离北极点仅两百多公里，该冰站实际是一块面积很大的海冰，船要锚泊在冰面上。考虑到作业安全和后勤保障便利，我们选择将“雪龙”船左侧靠尾部区域作为“北极ARV”的作业区，把自带的集装箱作为作业控制间。集装箱内部经过特殊处理，加装有保温层，可少许抵御北极的严寒。考虑到ARV前期作业环境搭建任务较重，科考队还给我们分配了来自国家海洋局第一研究所的两名科考队员。
8月8日一早，科考队员就开始从雪龙船上往下搬运科考设备，我们也将前期开凿冰洞所需的设备拿到了冰面上。考虑到后期需要将集装箱吊放到开凿的冰洞周围，而船上吊车的吊臂有限，所以我们选择的开凿冰洞位置在距离雪龙船左舷50米的冰面上，测量该区域冰厚1.8米左右。在凿冰设备全部就位后，下午便开始了布放ARV冰洞的开凿工作。根据ARV自身尺寸大小，和从冰洞布放回收的需要，我们确定要开凿一个长2米、宽1.2米的冰洞。在1.8米厚的海冰上，开凿这样大小的一个冰洞，任务量之大远远超出了我们的想象，为此，我人生中第一品味了从绝望到成功的喜悦。
一开始，我们进展的还算顺利，先用油锯将开凿区域的海冰距成窄条，又用冰钎子将锯开的冰桶下来，最后用铁锹将碎冰铲出，我们开凿的洞口十分标准和“美观”。我们还没来得及享受喜悦的时候，可怕的事情发生了。当冰洞挖到20公分处，下面的海水开始往上渗。北极海冰与一般的河冰或湖冰不同，由很多冰粒粘在一起，海水可由冰粒之间的缝隙渗出，所以当油锯工作时，海水会随着锯链往上飞，这给挖洞带来很大麻烦，很快海水面弥漫整个洞口，完全要在水中作业。到下午五点作业结束时，冰洞只挖了40公分。晚上回来后，我们商量要在第二天改变开凿冰洞的策略，从水平作业改成垂直作业，先用冰钻在开凿区域钻洞，再用锯将钻好的冰洞锯开连起来，最后用吊架将整块冰吊起。由于挖了一下午冰洞，消耗了很大体力，李硕很早就睡觉了，也没有吃晚饭，丝毫没有科考队员上冰后那种幸福感。
8月9日一早，我们就开始作业，由于海洋一所的人员需要布放自己的设备，所以一上午开凿冰洞的工作就剩我们两人了。按照昨晚的凿冰计划，先用冰芯钻在昨天的开凿区钻了6个直径10厘米的小冰洞，然后再用冰锯锯冰。手动锯冰实在是个工作量很大的活儿，由于只能单侧用力，锯冰效率很低，而且经常会锯偏，进展很不顺利。整整一个上午，几乎没有休息，我们已经累得疲惫不堪，几乎在绝望中结束了上午的工作。下午，借来了直径25公分的冰钻，开始在开凿区域钻更多的冰洞。刚开始还好，冰洞打多了，反而不好弄了，很难开凿成型的冰洞。直到下午5点作业结束，此时我们也累得动不了了。夏季的北极属于极昼天气，晚上结束时，天仍然是亮的。在冰上作业，要有防熊队员进行保护，虽然我们很着急，想连夜工作，但诉求很难满足。防熊队员在冰上守卫也很辛苦，我们深知其中的辛苦，自然不敢再请防熊队员下船。再者，船上也不允许这样做。
8月10号，已经是长期冰站的第三天，别人的工作已经开展了，我们的冰洞还没有挖好，更谈不上开展冰下探测了。一早就相互鼓励：我们有预感，今天开凿冰洞应该能成功！在前两天的基础上，将钻的“千疮百孔”的冰洞逐一用冰钎桶下来，最后索性在冰洞在搭起了木板，李硕站在木板上，用厚重的木板狠狠地冲击海冰中的海冰。当看到几块体积较大的冰块被捅下来时，大家都兴奋得尖叫了起来。我们终于在上午的工作结束时，将整个ARV布放回收的冰洞开凿完毕。其实将那么大块的海冰从洞口挪出来，也不是一件容易的事，但和开凿冰洞比起来，已经是微不足道了。下午，我们在开凿出的冰洞周围搭建了四角架等机器人作业所需的环境，终于具备开始作业的条件了。
完成冰洞开凿后合影留念
8月11日，长期冰站的第四天，终于可以开始干活了，我们的精神高度紧张以至于已经忘记了昨日的疲惫。一大早我们就将作为ARV操作间的集装箱从雪龙船船舱内吊放至冰面上，距离冰洞10米左右，这样的冰上布局也方便了设备的用电，集装箱内的电可以直接从“雪龙”船上引下来，从而避免由发电机供电。装载ARV的移动小车可以在集装箱与冰洞间由木块组成的滑道上滑动。当ARV由四角架上吊架吊起时，我们把冰洞上方的木块撤离，由吊架上的手动“葫芦”完成ARV从冰洞的下放。我们也按照之前的计算结果对ARV在北极海水中进行了配平，使得其在海水中呈微负浮力，避免其在航行过程中与海冰底部的刮蹭。
接下来的几天，我们开始了长期冰站上ARV的作业，按照前期在湖上试验的使命轨迹对冰洞周围的海冰进行了连续多次的重复观测。通过ARV上搭载的温盐深测量仪、仰视声纳、冰下光学测量仪和两台水下摄像机，我们获取了大量海冰厚度、冰下光学和海冰底部形态等多项关键的科学数据，成功实现了冰下多种测量设备的同步观测，为深入研究北极快速变化机理奠定了技术基础。在作业过程中，我们也得到了科考队领导的认可，科考队领队吴军和首席科学家余兴光都前往ARV作业区查看现场作业，并慰问ARV作业组科考队员。
在ARV作业组圆满完成任务后，大家都格外兴奋，一起拍照留念，纪念这在长期冰站上一起奋战的难忘日子。
开凿冰洞两天的经历，是我们一生中最宝贵的财富，使我们懂得了在绝望下永不放弃的内涵。此时此刻，尽管我们再也无法身临其境地感受当初的场景，但这段经历一直激励我们永远向前。在此，衷心地感谢在科考中给予我们无私帮助的科考队员和“雪龙”船员，没有他们的帮助，我们无法顺利完成科考任务，也无法品尝胜利的滋味！
北极ARV作业组集体合影
（站立者左一为李硕、左三为曾俊宝）
作者：
李硕，男，1970年9月出生。1992年7月至今在沈阳自动化研究所工作，研究员。曾任工程项目处处长、水下机器人研究室主任、所长助理，现任副所长。
曾俊宝，男，1982年9月出生。2009年7月至今在沈阳自动化研究所工作，副研究员。
