基于海试验证的深海采矿系统实时仿真与动力学响应预测研究

本文提出一种结合MATLAB-OrcaFlex交互集成的深海采矿系统实时仿真方法，通过多传感器（USBL、ADCP、波雷达、张力传感器）监测海洋环境与系统运动数据，实现脐带缆空间构型与动态响应的精准预测。经3300米海试验证，仿真结果与实测数据高度吻合（张力误差<2%），为深海采矿数字孪生构建提供关键技术支撑。

　　

Section snippets

Hydrodynamic modelling of the support vessel

基于三维势流理论（three-dimensional potential flow theory）对支持船进行水动力分析，采用边界积分法求解速度势的拉普拉斯方程，并通过伯努利方程（Bernoulli equation）计算船体波浪力。频域水动力系数最终通过傅里叶变换转换为时域，为实时仿真提供输入参数。

Sea trial test

本次深海采矿海试在3300米水深区域开展，系统由支持船、脐带缆和采矿车组成。试验验证了采矿车作业能力与脐带缆在深水环境下的水动力响应，为未来商业化采矿提供了关键技术依据。参与海试的支持船配备多类传感器：USBL（超短基线）定位系统实时追踪采矿车轨迹，ADCP（声学多普勒流速剖面仪）监测水下流速，波雷达采集海面波浪数据，编码器记录缆绳长度变化，张力传感器测量顶部张力。

Verification of the top tension by using the tensor sensor

海试期间脐带缆长度变化如图8所示：前744秒为布放阶段，缆长从3381.45米增至3435.75米；744–2100秒保持稳定；2100秒后达到最大长度3440.77米。张力传感器实测顶部张力与仿真结果对比显示，两者变化趋势高度一致，平均误差小于2%，证实了实时仿真方法的可靠性。

Conclusion

本研究提出的实时仿真方法通过多传感器数据驱动MATLAB-OrcaFlex交互模型，成功实现了深海采矿系统全局动态响应预测。海试验证表明，该方法在计算效率与精度间取得平衡，为深海采矿数字孪生构建奠定了技术基础。