全球发展态势
1.系统协同智能控制
系统协同智能控制是指在水面支持船上建立中央控制系统，在对系统每台设备进行单独作业控制的同时，实现多设备联合作业的智能协同控制，保证布放回收、采矿作业和矿浆处理外输等整个过程的顺利进行。单台设备控制包括开采装备的行走和采集控制、导航定位、布放回收系统作业控制、水下中继装备给料控制、提升泵管系统控制以及水面支持船的动力定位控制等。多设备协同控制主要指开采装备、转运装备以及水面支持船协同作业时的系统联合调控，保证作业过程安全、有序、高效开展。国外针对单个设备控制的相关研究较多，技术较为成熟；针对多设备的协同控制开展了初步研究，包括针对整体系统在运动和矿石输送过程中的耦合动力学分析和预测及控制、外输作业中的多浮体耦合运动分析及控制等。
2.水下导航定位装备
国外水声定位技术起步早，成熟度高，已经实现水声定位系统的产品化、产业化及系列化。挪威Kongsberg公司HiPAP系列产品已经由单纯的超短基线定位系统升级为综合定位系统，推出的HiPAP100，作用水深达10 000米。法国的IXBLUE公司产品涉及长基线、超短基线和综合定位系统，GAPS的定位精度达到2‰斜距。英国Sonardyne公司采用了先进的宽带编码技术，极大地扩充了编码数量，其产品宣传表示系统可容纳无限量用户，处于世界领先水平，这三家公司的产品占据了全球绝大部分的市场。现阶段，水声定位导航技术的发展趋势体现在两个方面：①水声定位系统进一步走向宽带化、集成化、便捷化。以英国Sonardyne公司为代表的各大公司最近都已新推出各自的宽带信号定位技术，以追求更多的接入用户数、更稳健的多途性能和更高的精度。此外，多传感器与水声换能器集成以追求作业便捷化（见图7－29）。②水声惯性组合导航已成为新的增长点。目前声学多普勒/惯性组合导航装备已经广泛应用于水下无人航行器。超短基线、长基线等水声定位系统与惯性组合导航的应用刚刚开始，该技术不仅能够提高定位精度以及稳定性，而且能大量减少水下声学信标的布设数量，有效地降低了水下作业工程量，经济性好。
图7－29 国外主要水声定位公司产品
3.水声物联装备
水声通信技术是水下物联的应用基础，近年来，国际上对于水声通信技术研究呈现理论技术研究与工程应用研究并重的发展态势。在理论技术研究方面，深入开展了水声信道均衡、多普勒补偿、脉冲干扰抑制以及水下组网等水声通信技术的研究。为发展水下标准化的通信网络层技术，以北约水下研究中心为首的十余个北约盟国科研机构，已经联合制订了水声通信标准协议。在工程应用方面，水声通信机设备研发向着小型化、低功耗方向发展，并布局了大量海上试验项目，如美国制订并开展过多个水下网络发展计划，其中被熟知的有“海网”（Seaweb）项目、“近海水下持续监视网”（PLUSNet）计划和“深海汽笛战术寻呼”（DSTP）系统等，在试验中测试水声通信网络节点定位与导航、网络拓扑自调整等关键性能。北约海事研究和试验中心（NATO STO centre for maritime research and experimentation，CMRE）2017年在意大利的斯佩齐亚湾（Gulf of La Spezia）地区也进行了CommsNet17海试试验，该次试验布放了包括静止节点和AUV在内的11个水下传感器节点，构成一个多跳式水声通信网络，其拓扑结构图7－30所示。总体上，欧美等国家的水声组网技术已经逐步迈向实用化。
图7－30 CommsNet17海试试验水声通信网络拓扑结构
4.水下声通信装备
水声通信装备利用声波在水中传输信息，是水下无线信息传输的主要手段（见图7－31所示）。水声信道的复杂性使得水声通信的通信速率、通信距离和通信的稳定性受到极大限制，发展出了多种水声通信技术。扩频通信技术发展相对成熟，其通信速率低，一般每秒传送几至几十比特，其优点是对信噪比要求低，可在恶劣环境中工作。非相干水声通信技术传输速率一般为数百比特每秒（b/s），已发展得比较完善，其鲁棒性好，得到了广泛应用。多相移键控信号（MPSK）和正交频分复用（OFDM）等相干通信技术通信速率比非相干通信技术提高一个数量级，速率与距离乘积已可达到80 kb/s•km以上，但受信道限制更大。在海工和资源领域更关注通信的可靠性，以扩频和非相干通信技术为主，在海洋观测领域以非相干通信技术为主，少量使用相干通信技术。国际上的水声通信设备厂家有美国Benthos公司和Link Quest公司、德国的Evologic公司和ELAC公司、法国的Cesel公司等，已形成了系列化的水声通信产品，广泛应用于民用和军事领域。(https://www.daowen.com)
5.矿石预分选装备
图7－31 水声通信装备在海工和观测中的应用
矿石预分选装备主要功能是将从海里采集到的矿水混合物进行脱水处理[21]，保证矿石达到转运的含水量标准，同时尽量减少矿物损失。矿石预分选装备还需要把经过多级处理后的海水通过提升系统泵重新打入海底，减少对生态环境的破坏。目前世界范围内的矿石预分选装备都是在已有的陆地矿石脱水技术上，选取合适的脱水设备，并针对采矿船的要求进行设计和改进，进而使用在深海采矿作业中。世界范围内最先进的矿石预分选装备是由鹦鹉螺公司设计，福建马尾船厂建造的全球首艘采矿船上所使用的重力式脱水设备，设备主要包括振动筛、离心脱水机、水力旋流器和压滤机。
6.存储和外输装备
矿物的存储和外输装备的功能是将脱水处理后的矿物在采矿船货舱内短暂存储，并完成向矿物运输船转运的工作。其中，矿物存储分为分舱系统和布矿系统；矿物外输分为矿物回收、提升和转运系统。国外在20世纪初开始研制具有存储和外输功能的自卸式散货船，但是深海采矿船要长期远海作业，遭遇极端恶劣海况的概率极高，因此对存储转运设备在甲板上的布置及运动的稳定性要求更高。全球首艘深海采矿船上配置有完整的矿物储运与转运系统，系统包含可逆式皮带机、堆垛设备、铲斗机、斗提机和伸缩式装船机等，但是相关设备均由国外设计提供。未来存储和外输装备应该向着矿石存储的信息化监测和存储外输过程的智能化控制等方向发展。
7.辅助作业ROV
辅助作业ROV的主要用途是实时获取作业环境及采矿装置工作状态等信息，对水下采矿设备进行运行维护，保证采矿作业顺利进行，一般携带多种传感器，包括多波束成像声呐、侧扫声呐、深水摄像机等，并具有实时通信功能。在布放过程中，辅助作业ROV随开采装备一起下潜，观测开采装备的姿态；在作业过程中，跟随开采装备一起移动，实时观测作业装备的运行状态及周围环境，并进行适当的运行维护。目前国外在进行深海采矿的整体联动试验时，都使用了辅助作业ROV进行观测（见图7－32），在观察型和作业型ROV研制技术上处于优势地位，但针对深海采矿的辅助作业ROV的专项研究较少，因此，辅助作业ROV具有很好的研究和开发前景。
图7－32 国外辅助作业ROV装备
8.重型布放回收装备
布放回收装备的主要用途为将采矿车、中继仓等水下装备布放到海中指定位置和在作业结束后将相关装备安全回收到母船上，布放回收装备的承载能力和运行可靠性是比较关键的技术指标。布放回收装备主要由提升绞车、排缆器、A形架、稳定架子、液压单元和脐带绞车等组成，这些设备也都广泛用于油气等其他海洋装备的布放回收作业中。国外针对水下航行器和水下油气设备布放回收技术已经进入商业应用阶段，国外对于深海采矿重载布放回收技术处于试验阶段。美国、日本、印度和韩国在深海采矿的相关海上试验中都已经有成功使用布放回收装备的案例。未来的深海采矿布放回收装备向着承载能力更强、海况适应性强及布放回收过程监测更完善的方向发展。
