从深海探测到海洋强国：数字孪生助力海洋装备跨越式发展

海洋广袤无垠，蕴藏着丰富的资源。近现代以来，人类使用各种手段探索海洋探索，广袤无垠的海洋与人类的生活越来越紧密，至少10亿人口摄入的蛋白质来自海洋，全球超过90%的货物、数据信息交流在海洋中转；海洋中丰富的矿产资源、独特的经济军事价值等，使其成为世界各国竞争的新热点。

我国幅员辽阔、地大物博，拥有1万多个岛屿、300多万平方公里的海域。党的二十大报告指出：“发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国。”提高海洋资源开发利用能力，加快建设海洋强国是中国式现代化的必然选择。大力发展包括深海探测、运载等在内的海洋技术，加强海洋勘探项目的研究，有助于形成对海洋的全方位立体观测，提升我国海洋资源的利用水平。

当下被广泛使用的海洋设备有卫星遥感、科考船、浮标、水下机器人等，越来越多的水下设备被运用到海洋开发和利用活动中，然而，水下环境复杂多变，设备能够携带的能源有限，往往难以自主地适应环境改变去执行任务。

水下探测中，一般情况下随着下潜深度的增加，水下航行器浮力会不断增加。浮力调节系统作为涉及潜水的海洋设备的关键部件，能够为潜水器提供稳定悬浮的深度控制，并能根据工作深度的不同通过改变浮力来带动潜水器上浮或下潜。常见的浮力调节系统详见下图。

▲浮力调节系统分类

变体积式通常采用油囊实现，利用液压泵将油从内囊排至外囊以提升浮力，反之则降低浮力。这种方式可以在不改变潜水器重量的情况下调节浮力，目前被广泛应用在轻型潜水器中。

轻型潜水器中较为常用的是油囊式浮力调节系统。值得一提的是，不仅仅局限于潜水器，潜标、滑翔机上也有相关应用：美国研发的滑翔机Spray Glider和Seaglider、日本的潜标Deep NINJA等都是采用油囊式浮力调节系统。

▲日本URASHIMA号AUV

上图为采用了油囊式浮力调节系统的日本URASHIMA号，该浮力调节系统是利用直流电机来驱动齿轮油泵，使得液压油在油箱和油囊之间抽排，从而使得整机的体积得以改变，帮助URASHIMA号实现下潜上浮运动。​

国内最有代表性的无疑是Argo浮标COPEX（China Ocean Profiling Explorer，中国海洋剖面探测浮标），其浮力调节装置示意图如下图所示。

▲Argo 浮标COPEX的浮力调节装置

该浮力调节系统中，丝杠一侧和减速电机相连，另一侧和柱塞相连，减速电机转动从而带动丝杠运动，将电机的旋转运动转变为柱塞的直线运动，实现油囊内液压油的抽排。

• 若需要增大浮力，则需将柱塞泵中液压油压入油囊，浮标排水体积变大；
• 若需要减小浮力，则需将液压油从油囊中抽回到柱塞泵，浮标排水体积减小。

数字孪生：浮力调节系统仿真

浮力调节系统的性能与潜水器的安全直接相关，应将其作为潜水器设计的重中之重。传统的潜水器设计过程需要搭建测试场地，进行水下实验，但由于水下环境的特殊性，加之水密设备大多价格昂贵，使得测试存在较大困难，且发现问题难以及时修改。在研发设计过程中使用基于数字孪生概念的仿真工具，则可以较好规避此类问题。

天目全数字实时仿真软件SkyEye是一款基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对浮力调节系统进行建模和仿真。SkyEye致力于真实场景下的仿真分析，可在无需二次开发的情况下运行二进制可执行文件，切实解决实际工程中存在的问题。

基于SkyEye仿真的浮力调节系统主要包括浮力主控系统、动力控制系统以及信号调理系统。

▲基于SkyEye的浮力调节系统仿真原理图

图中可见，浮力主控系统根据所接收到的信号调理系统传输来的数据进行决策，控制动力控制系统产生动作，同时调用上位机通信接口将浮力调节系统运行状态上报，并接收潜水器主控系统的控制信息。

基于SkyEye的仿真浮力调节系统能够有效降低系统的调试难度与成本，在正式的水下实验前先进行仿真实验，最大限度覆盖可能的测试场景，便于开发测试人员分析改善可能存在的问题，提高系统性能，从而推动水下航行器的发展。数字孪生作为新质生产力，有助于加快建设海洋强国，对于我国海洋装备的跨越式发展，以及保障我国海洋权益，都有着十分重要的意义。