海底运输系统的制作方法

本发明涉及运输系统，优选地涉及水下操作的海底运输系统。具体地，本发明涉及(但不受限于)具有被引导容器的机械海底运输系统。

背景技术：

在本文中参考背景技术不被解释为承认这种技术构成公知常识。

在海洋中的各种位置中，诸如硫化物沉淀或多金属结核等贵重海底材料在300至6000米之间(通常约5000米)的水深处存在于海底的表面层上。

已经进行了各种各样的尝试以开发商业上可行的、从海底收集然后运送结核的采矿系统。海底采矿系统的一个重要方面涉及将收集到的海底材料提升至表面的运输系统。影响运营成本并因此影响商业可行性的关键因素之一在于能量消耗，尤其是与从海底到表面运输海底材料相关的能量消耗。

一种运输系统设计是使用一些形式的提升装置液压运输海底材料，这些提升装置将海底材料从海底泵送至表面船舶或平台。在一种这样的设计中，提供了一种提升装置，该提升装置利用其中的悬浮矿物容纳并输送流体。提升装置材料通常通过海底泵和(或)通过注入提升装置的压缩空气以浆料的形式传输。

虽然功能上可行，但是这些系统的能量效率低下，特别是在气升式系统中，由于固体颗粒通过流体柱向下滑移而造成大量能量损耗。此外，由于海底材料以浆料形式提升，因此在表面需要进一步的工序和设备对浆料形式的材料进行脱水处理。

通过线缆提升容器的机械运输系统，例如在一些地下陆地矿井中使用的单滚筒提升机、双滚筒提升机或摩擦(戈培)提升机，具有可观的节能潜力。在陆地矿井中，线缆将材料的存储箱或吊斗绞盘负载材料驱动至表面，并利用多个导轨来保持存储箱对准。然而，当在水下长距离应用时，需要附加的复杂设计来弥补刚性支撑结构的缺失，例如使用导引线，而这些设计可能经受严重的纠缠和调度问题。

具体地，在表面船舶与海底处或附近的锚固位置之间需要定位一些附加的导引线。在具有不同水流的水下跨越长距离，线缆缠绕或缠结或对于两个或多个箱的碰撞的可能性是非常高的。缠绕或缠结的风险，尤其是当为其他海底基础设施提供其他线缆(如海底作业用脐带)时，这种风险通常被认为是非常高的。

此外，在陆地应用中，运输系统在矿井寿命期内通常位于固定的位置。在海底采矿操作中，为了能够收集海底材料，如锰结核，运输系统需要在很大的区域频繁或连续地移动。由于这种移动造成的系统的横向拖动和/或提升或降低进一步增加了线缆缠结或箱碰撞的可能性。

已经考虑了一些缓解程序但它们均有显著的操作性缺点。例如，减小碰撞可能性的一种方法是在储存箱的重叠区间降低箱子速度，但这种减速降低了系统的运行效率。另一种方法是将箱子封闭在管或管道中，但除了所需的结构之外，这实际上增加了泵送系统，产生由夹带的流体和周围结构引起的巨大的摩擦能量损耗。也考虑了试图从表面船舶施加横向控制的附加导引线，但这显著增加了系统的复杂性，并导致更高的操作停机时间风险和额外的维护需求。

发明目的

本发明旨在提供克服或改善以上描述的缺点或问题中的一个或多个或至少提供有用的替代方案的海底运输系统。

本发明的其他优选目标将根据以下描述而变得显而易见。

技术实现要素：

以一种形式，虽然其不需要是唯一的或甚至是最广泛的形式，提供了用于将海底材料从海底提升到表面的海底运输系统，该海底运输系统包括：

至少一个线构件，至少部分地在海底与表面之间延伸；

至少一个容器，能够承载负载，该容器被连接至线构件；

其中该容器具有可操纵元件，其使得当在水推动容器时能够操纵该容器。

优选地，可操纵元件包括至少一个可调节表面。可操纵元件可以包括舵、襟翼，和/或至少一个可调节水翼。优选地，可操纵元件被控制成沿着路径引导容器。可操纵元件可以被远程控制，但优选地进行自主控制。优选地，可操纵元件通过主动调整可操纵元件进行控制。

优选地，容器为吊斗。优选地，容器还包括位置确定系统，甚至更优选地包括基于惯性测量提供位置估计的惯性导航系统。替代地，位置确定系统可以包括磁罗盘、姿态传感器和/或深度传感器，具有来自声学导航设备(诸如超短基线系统)的潜在的额外输入。优选地，可操纵元件基于来自定位系统的位置估计被控制。优选地，容器被程序化以遵循预定路径。

线构件可以由线缆、绳索或电线构成。优选地，线构件由绳索构成，更优选地由合成绳索构成，更优选地由平行运行的两个合成绳索构成以分散载荷并减轻由于单个绳索失效的后果。线构件可以为整体式或可包括共同限定线构件的多个线构件段。优选地，线构件段中的至少一些通过容器连接。

优选地，线构件从朝向表面定位或位于表面处的第一表面位置延伸到朝向表面定位或位于海底处的深海位置。优选地，线构件还从朝向海底定位或位于海底处的深海位置延伸到朝向表面定位或位于表面处的第二表面位置。优选地，第一表面位置和第二表面位置定位成与深海位置相距基本相同的距离。优选地，第一表面位置和第二表面位置相对于海平面位于大致相同的水平面。优选地，第一表面位置和第二表面位置位于表面船舶(例如轮船或船或其他类型的浮动装置)的相对端或侧。

优选地，线构件由第一表面位置处或附近、第二表面位置处或附近和/或深海位置处或附近的槽轮接收。优选地，该系统还包括在线构件上拉动的至少一个驱动元件。优选地，驱动单元包括接纳线构件的至少部分的绞盘。优选地，该绞盘包括线构件可绕其卷绕的可旋转的线轴。

优选地，该系统包括两个绞盘，优选为双滚筒配置。优选地，绞盘配置成使得来自下行容器的势能可由上行的容器重新获得。优选地，第一绞盘邻近第一表面位置定位，第二绞盘邻近第二表面位置定位。优选地，第一绞盘和第二个绞盘位于表面之上，但它们可位于表面之下。优选地，该线构件从第一绞盘延伸到第二绞盘。优选地，当线构件缠绕到一个绞盘上时其从另一绞盘解绕。优选地，线构件优选地通过位于深海位置处或附近的槽轮处于两绞盘之间的拉力下。

优选地，线构件优选地通过第一表面位置处或附近、深海位置处或附近和/或第二表面位置处或附近的槽轮从第一绞盘延伸到第二绞盘。优选地，第一容器在第一表面位置与深海位置之间连接至线构件，以及优选地，第二容器在第二表面位置与深海位置之间连接至线构件。优选地，第一容器和第二容器在线构件上间隔开，使得当一个容器位于深海位置处或附近时，另一容器将位于其对应的表面位置处或附近。

优选地，该系统还包括配重。优选地，配重位于深海位置处或附近。优选地，配重被配置成确保缓冲器处于静态稳定并防止缓冲器翻转。优选地，该系统还包括缓冲器。优选地，缓冲器位于深海位置处或附近。优选地，配重连接至缓冲器。优选地，缓冲器悬挂在海底之上。优选地，缓冲器通过从表面处或附近延伸的缓冲线悬挂在海底之上。优选地，缓冲线是脐带线缆，以向缓冲器和/或海底机器提供服务，例如电力和/或数据传输。

优选地，缓冲器具有用于存储所采集的海底材料的储藏隔间。优选地，缓冲器具有用于接纳所采集的海底材料的至少一个进口和用于分配所采集的海底材料的至少一个出口。优选地，进口连接到进口管，优选为浆料软管进口管。优选地，一个或多个出口包括一个或多个斜槽。优选地，当致动斜槽时，斜槽选择性地释放海底材料。斜槽可具有剂量仪以当被致动时分配预定量的海底材料。

缓冲器优选地包括推进器。优选地，推进器主动控制定向，优选地相对于表面船舶的方位定向，优选地配置成抵消海底绳索的盘绕。缓冲器优选地包括海底处理系统。优选地，海底处理系统使所期望的海底材料，如结核，从浆料中分离出来。

容器可以穿过线构件，但优选地容器固定至线构件，并通过由线构件拖曳来推进。优选地，容器固定至线构件的至少两个段，第一线构件段用于沿第一方向拖曳容器而第二线构件段用于沿第二方向拖曳容器。

优选地，海底运输系统还包括表面船舶。优选地，至少一个绞盘安装到表面船舶上。优选地，线构件在水中由表面船舶支承。优选地，多个线构件，优选地与相应的绞盘、容器和/或缓冲器从表面船舶并行布置。优选地，海底运输系统还包括至少一个海底材料收集装置。优选地，至少一个海底材料收集装置通过海底材料传送管道连接至缓冲器。

在另一形式中，提供了用于将海底材料从海底运输到表面的容器，该容器包括：

线构件附接组件；

空腔，用于运载海底材料；

至少一个可操纵元件，使得当推动容器通过水时能够操纵容器。

在又一形式中，提供了将海底材料从海底运输到表面的方法，该方法包括如下步骤：

采集海底材料；

将采集的海底材料传送至位于海底处或附近的至少一个容器；

使用至少一个可操纵元件将容器从海底处或附近引导至表面处或附近；以及

将容器卸载至表面船舶。

优选地，采集海底材料的步骤包括操作至少一个海底材料收集装置，以采集海底材料。所采集的海底材料优选地以浆料形式通过管道优选地从至少一个海底材料收集装置传送。

优选地，将采集的海底材料传送至位于海底处或附近的至少一个容器的步骤还包括如下步骤：将采集的海底材料传送到位于海底处或附近的缓冲器，然后将采集的海底材料从缓冲器分配到至少一个容器。该方法还可包括处理进入的海底材料的步骤，优选地通过在缓冲器中从进入的浆料分离出期望的海底材料，诸如海底结核。

优选地，将容器从海底处或附近引导至表面处或附近的步骤包括控制至少一个可操纵元件。优选地，容器为自主控制。优选地，至少设置两个容器，并且当一个容器朝向表面行进时，另一容器朝向海底行进。优选地，两个容器通过单个线构件连接。优选地，引导每个容器以避免当经过彼此时与其他容器发生碰撞，优选地，通过控制至少一个可操纵元件。优选地，该方法包括同时朝向表面引导第一容器以及朝向海底引导第二容器。

将容器卸载至表面船舶的步骤优选地包括将容器的内含物卸载到位于表面船舶处或附近的卸料箱中。

优选地，该方法还包括利用线构件拖曳容器的步骤。优选地，利用线构件拖曳容器的步骤包括驱动将线构件缠绕到线轴上的绞盘。优选地，线构件连接在两个绞盘之间，优选通过位于深海位置处的槽轮连接，并且在线构件缠绕到第二绞盘上以沿第一方向拖曳容器时，线构件同时从第一绞盘上解绕，以及在线构件缠绕到第一绞盘上以沿第二方向拖曳容器时，线构件同时从第二绞盘解绕。优选地，第一容器在第一绞盘与位于深海位置处或附近的槽轮之间行进，第二容器在第二绞盘与位于深海位置处或附近的槽轮之间行进。

本发明的其他特征和优点将通过下面的详细描述而变得显而易见。

附图说明

在下文中将仅通过示例的方式参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细的描述，在附图中：

图1是海底运输系统的立体图；

图2是海底运输系统的示意性侧立面表示；

图3是缓冲器的示意性侧立面表示；

图4是容器的示意性侧立面表示；

图5是将材料卸载到容器中的缓冲器的特写立体图。

具体实施方式

图1示出了海底运输系统10，海底运输系统10包括表面船舶100、位于海底附近但是悬挂于海底之上的两个缓冲器200、两个海底材料收集装置300以及两个(或四个)容器400，容器400中具有空腔以用于装载海底材料。表面船舶100具有由线构件150连接的绞盘110和槽轮120。绞盘110优选为可包括升沉补偿系统的水文或滚筒绞盘形式。

容器400优选为吊斗。每个容器400连接到各自的线构件150。每个海底材料收集装置300通过浆料软管310形式的柔性管连接至缓冲器200。尽管未在图1示出，对于缓冲器来说，优选的是具有其自身的电力、控制和通信脐带缆线。然后，电力、控制和通信也从缓冲器200提供给海底材料收集装置300。可选地，海底材料收集装置300可以由来自另一实体(例如表面船舶100)的脐带电缆提供电力和(或)控制。尽管只示出了每个缓冲器200一个海底收集装置300，但是应理解每个缓冲器200可连接至多个海底收集装置300或多个海底收集装置300可连接至单个缓冲器200。

图2示出了运输系统10的进一步的细节。如图2所示，缓冲器200由缓冲线210悬挂起来，其中缓冲线210优选为通过缓冲器绞盘112从表面船舶100(在图2中未示出)向缓冲器200提供电力、控制和(或)数据通信的脐带缆线的形式。缓冲器200在深海位置30处由优选地在海底附近朝向海底定位的配重220加重。

优选地基本由合成绳索制成的线构件150从第一表面位置20a向下延伸到深海位置30并向上返回到与第一表面位置20a相邻的第二表面位置20b。具体来说，线构件150从第一绞盘110a开始，经由第一表面槽轮120a、邻近缓冲器200定位的深海槽轮130、第二表面槽轮120b而延伸至第二绞盘110b。绞盘110a、110b和表面槽轮120a，120b通常位于表面船舶100上(如图1所示)。

第一容器400a位于第一表面槽轮120a和深海槽轮130之间。第二容器400b位于第二表面槽轮120b和深海槽轮130之间。第一容器400a和第二容器400b连接至同一线构件，但是位于深海槽轮130的相对侧。两个绞盘110a和110b布置成使得当其中一个向其相应的线轴上缠绕线缆时，另一个从其相应的线轴解绕线缆，反之亦然。第一容器400a和第二容器400b分别由线构件附接组件固定至线构件150，使得将容器400a、400b连接在线构件150的两个相邻区段之间。

第一卸料斗140a和第二卸料斗140b分别位于第一表面位置20a和第二表面位置20b处。所述第一卸料斗140a和第二卸料斗140b均配置成当其各自的容器400a、400b位于旁边时，分别接收来自第一容器400a和第二个容器400b的材料。卸料斗140a、140b可具有大的存储容量，可能为共享的存储容量，或可将海底材料传送至表面船舶100的一个或多个筒仓以用于储存。

图3示出了由缓冲线210悬挂并由配重220向下加重的缓冲器200。缓冲器200具有方位推进器230。虽然推进器230被示出为从配重220延伸，但是其也可以位于缓冲器200的其他部分上。推进器230用于设置缓冲器200的方位和横向操纵能力。

具体地，推进器230可用于主动控制缓冲器200的定向，主要是相对于表面船舶100的方位定向。这使得缓冲器200能够相对于表面船舶保持正确的方位，以防止因任何线路缠绕而造成的任何缠结(例如，线构件150，缓冲线210，和从表面船舶100延伸的任何其他线)。缓冲器200的推进器230优选自主控制或从表面船舶100远程控制。

图4示出了连接在线构件150的第一区段150a和第二区段150b之间的容器400。容器400具有可调节襟翼410形式的可操纵单元，这使得在水中由线构件拉动容器400时能够操纵容器400。容器400被编程为自主控制或远程控制，从而在由线构件150拉动容器400时避免与任何线路或在该区域工作的其他容器发生缠结或碰撞的路径上引导容器400。

容器400具有位置确定系统，优选以惯性导航系统的形式，从而为用于容器400的控制系统提供位置估计。位置确定系统优选包括多个传感器，多个传感器包括航向传感器、俯仰传感器、滚动传感器、位置传感器和深度传感器中的至少一个或多个。襟翼410然后将根据位置估计和传感器输出进行调整，以沿基本预定路径引导容器400。

容器400优选具有电力存储系统，通常包括电池，该电池提供用于控制系统以及待调整的可调节襟翼410所必需的能量。优选地，当容器400位于其表面位置20a或20b时，电力存储系统可进行更换或充电。替代地，利用适当的线构件150，可通过线构件150从表面船舶100对容器400供电和以及进行控制。

容器400优选地在上方连接至两个线构件150以及在下方连接至两个线构件(例如，以双滚筒提升系统的布莱尔多绳配置)。容器400上方的两个线构件150使得容器400能够进行方位定向，从而当容器400随着其接近表面船舶100的卸载仓而减速时无需流体动力转向。同样，容器400下方的两个线构件150使得容器400能够进行方位定向，从而当容器400随着其接近海底附近的缓冲器200而减速时无需实流体动力转向。

图5示出了当将海底材料卸载到容器400中时，缓冲器200的放大视图。缓冲器200具有进口202，进口202通过浆料软管310接收海底收集装置300所采集的海底材料。然后将所采集的海底材料存储在缓冲器200的存储隔间204中以备卸载到容器400。存储隔间204优选具有足以至少完全装载单个容器400的容量，而不必等待将通过浆料软管310接收的另外的材料。包含在缓冲器200存储隔间204中的海底材料协助配重220(在图5未示出)以在水中向下加重缓冲器200。配重220(在图5未示出)位于槽轮130下方，以协助向下加重缓冲器200并防止缓冲器200翻转。

当容器400位于深海位置30处时，如图5所示，海底材料通过缓冲器200的出口206从缓冲器200的存储隔间206传送至容器400。缓冲器200的出口206位于存储隔间204的上端，使得能够重力进给存储材料以下降到斜槽208。替代地，或附加地，可以使用适当的机械装置，例如，阿基米德螺旋进料器朝向容器400推动海底材料。

优选地当容器400到达深海位置30(如图5所示)时致动斜槽208，以打开出口206，以及当容器400离开深海位置30时关闭出口206，以防止存储隔间204内的海底材料的损失。斜槽208可以由任何适当的器件致动，诸如通过存储容器400机械或液压致动或者自动致动或通过来自表面船舶100的控制致动。

如图1所示，海底运输系统10可从单个线构件150系统(如图2所示)扩展至具有邻近彼此运转的多个线构件150(例如，如图1所示的两个邻近线构件150)，每个线构件150均有相应的容器400和缓冲器200。具有相关容器400和缓冲器200的更大阵列的线构件150也可用于根据需要调节系统的规模。

在使用中，海底材料由海底收集装置300采集，并以浆料的形式经由浆料软管310泵送至缓冲器200。缓冲器200可选择性地处理所接收的海底材料，并将采集的海底材料收集在临时存储隔间204中。，通过致动经由线构件150拉动第一容器400a的第二绞盘110b，第一容器400a朝向缓冲器200下降。一旦第一容器400a到达缓冲器200处，采集到的海底材料就从缓冲器200传送至容器400a。一旦缓冲器200已经分配了所需的海底材料，则通过致动第一绞盘110a经由线构件150将第一容器400a拉回表面。

随着致动第一绞盘110a，同时经由线构件150将第二容器400b向下拉动至缓冲器200。第一容器400a和第二容器400b在线构件上间隔开，使得当第一容器400a位于表面位置时第二容器400b位于缓冲器200处，反之亦然。一旦第一容器400a到达表面并且第二容器400b到达缓冲器处，第一容器然后通过卸载仓140a将海底材料卸载至表面船舶100。(至少大约)与此同时，缓冲器200向第二容器400b传送采集的海底材料。然后第二容器400b被拉动至表面第二卸载仓140b，这转而又将第一容器400a拉回到缓冲器200处，并重复该过程。

有利地，海底运输系统10提供了一种机械运输系统，其与液压提升系统相比更节能，同时也减少了海底线之间缠绕或通过的容器之间发生碰撞的可能性。此外，通过朝向表面提升深海部件，将深海部件移动到新的位置，然后在新的位置处降低深海组件，可以容易地实现海底运输系统10的重新定位。这降低了重新定位的成本和设置时间，由于海底采矿系统覆盖海底的较大区域，这最终提高了生产效率。

虽然附图示出了表面和海底之间的距离相对较近，但这仅是为了方便起见，并且应理解本发明通常用于海床超过2000米，通常大约5000米深的深海应用。此处参考海底、海床、深海等只是为了方便，并且同样可以适用于其他水体，例如，具有湖床的湖等。

在本说明书中，诸如第一和第二个、左和右、顶部和底部等形容词，仅用以区分一个元件或动作与另一个元件或动作，而并非必需要求或暗示任何实际的这种关系或次序。在上下文允许的情况下，提及某个整体或部件或步骤(等)是不应被解释为仅限于整体，部件，或步骤中的一个，而是可以为整体，部件，或步骤等中的一个或多个。

提供本发明的各种实施方式的以上描述的目的是向本领域的普通技术人员进行说明。其并非旨在为详尽的或将本发明限制为单个公开的实施方式。如上所述，对以上教导的领域的技术人员来说，本发明的多个替代方案和变型将是显而易见的。相应地，虽然一些替代的实施方式已被具体讨论，但是对于对于本领域的技术人员而言其他实施方式将是明显的或相对容易开发的。本发明旨在包含本文讨论的本发明的所有替代方案、修改和变型，并且其他实施方式落入以上描述的本发明的精神和范围内。

在本说明书中，的术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”，或类似的术语旨在表示非排他性包含，以使得包括一系列元件的方法、系统和装置不止包括这些元件，而且可能包括其他未列出的元件。