海底观测网络关键技术研究进展

杜立彬，李正宝，刘杰，吕斌，曲君乐

（山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001）

*海洋科技与装备专栏*

海底观测网络关键技术研究进展

杜立彬，李正宝，刘杰，吕斌，曲君乐

（山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001）

海底观测网络在海洋地质、生物、海洋地球化学与海洋地球物理等领域实现对海洋参数的长期、实时和连续观测。本文介绍了世界各国海底观测网络的研究进展，探讨了海底观测网络的关键技术，如能源供应技术、海底接驳技术、网络基础设施、工程布设技术等，并提出了初步解决方案，最后对海底观测网络的发展方向进行了分析和展望。

海底观测网络；海底观测节点；能源供应

海洋中蕴藏着丰富的自然资源，是世界各国激烈争夺的重要战略目标。目前人类对海洋尤其是深海的认识依然不足，海底观测网络能够长期、实时、连续地获取所观测海区的海洋环境信息，已经成为人类探测海洋的重要平台［1］，为人类认识海洋变化规律，提高对海洋环境和气候变化的预测能力提供了技术支撑，在海洋减灾防灾、海洋生态系统保护、资源/能源可持续开发利用、海洋权益维护和国防安全等方面具有重大战略意义［2］。

本文综述了世界各国海底观测网络的发展历史、现状，总结了海底观测网络的关键技术，探讨了海底观测网络的发展趋势，以期对世界和我国海底观测网络建设有所借鉴。

1 海底观测网络系统概述

海底观测网络主要由光电复合海缆、海底观测节点、科学仪器节点和岸边控制基站等设施组成（图1），解决了大量科学仪器在海底长期运行存在的海量数据传输和长期电能供给的难题，实现了对海底特定区域的地质、物理、化学和生物等变化过程进行长期实时原位观测。光电复合缆是海底观测网络的基础，通过在海底敷设几百乃至上千公里的光电复合缆组成骨干网，是海底各种观测仪器正常工作的基本保障。海底观测节点是海底能源供应和信息传输的核心设备，连接骨干网实现与岸边基站的电能传输和双向信息通信，负责数据采集与传输、控制命令执行和状态监控等。科学仪器节点是实现海底长期观测的关键设备，由各种观测仪器和设备组成，通过海底电缆与海底观测节点（接驳盒）连接，实现数据采集、实时传输和能源持续获取。岸边基站是海底观测网络的控制枢纽，为海底观测网络长期稳定运行提供各类保障。岸边基站主要包括各种高性能计算机、网络通信设备、高压输变电设备、监控设备和软件系统，实现对观测数据的实时存储与处理、产品数据制作与发布以及海底仪器状态监控与异常处理等。

图1 海底观测网络系统结构Fig.1 Structure of a seafloor observatory network

2 国内外海底观测网络技术研究进展

20世纪末以来，美国、欧洲、日本等国家和地区凭借在海洋观测领域的技术优势，纷纷投入巨资开展海底观测网络关键技术研究，构建海底观测网络，以海底观测网络为平台的科学、技术和国防安全的国际竞争日渐激烈。

2.1 美国海底观测网络

冷战时期美国海军就开始了海底网络的研究和应用，早期美国建立的海底观测系统有SOSUS［3］，LEO-15［4-5］，H2O［6］等，但都是单节点的海底观测系统。1998年，美国提出了NEPTUNE（North East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiment）海底观测网络计划［7-8］，其后加拿大的科研机构加入其中，为NEPTUVE的正式建设提供原型试验和技术储备，美国和加拿大分别建立了小型试验观测系统MARS（Monterey Accelerated Research System）［9］和VENUS（Victoria Experimental Network Under the Sea）［10］。

图2 MARS网络结构示意图［11］Fig.2 Illustration of MARS network structure［11］

图3 NEPTUNE计划网络布局图［8］Fig.3 NEPTUNE network layout［8］

MARS系统于2007年完成了光电复合缆的铺设、组网通信设备和观测传感器的安装，开展了海底光电复合缆的供电和通信方面的研究。如图2所示，MARS主要由岸基基站、供电系统、光电复合缆、水下节点（接驳盒）和水下观测仪器组成。

NEPTUNE包括水下和陆上两部分，北段由加拿大负责建设，南段由美国在其海岸外建设，进行为期25年的海底实时观测（图3）。水下部分主要包括在环绕胡安·德·夫卡板块500 km×1 000 km的海域铺设3 000 km长的海底光电复合缆，设立30个海底观测节点。每个节点将安装水文仪器、物理化学传感器、水下移动平台、地震仪、海底钻头等传感器阵列。观测参数包括深海物理、化学、生物和地质的实时信息，通过光纤传回到岸基基站，并通过互联网与全世界科研人员共享信息。陆上部分建立岸基基站，负责能源供应、海量数据接收存储和数据产品制作发布等等。

由于经费的原因，NEPTUNE美国部分没能按期投入建设。2009年美国通过了OOI（Ocean Observatories Initiative）［12］计划，建设一个基于网络的海洋观测系统（图4）。OOI共分3级，即海岸观测系统、区域观测系统和全球观测系统［13］。其中区域观测系统就是原来由美方承担的NEPTUNE计划，计划布放900 km的海底光电复合缆，具有8 kW的供电能力和10 G的通信带宽，安装7个海底观测节点。2012年已经完成海底光电复合缆的铺设，计划于2014年完成海底观测节点和传感器的安装，2015年完成整个网络的建设。

图4 OOI设备分布图［14］Fig.4 Distribution map of OOI devices［14］

图5 VENUS海底观测网络系统布设示意图［18］Fig.5 Illustration of VENUSseafloor observatory network deployment［18］

2.2 加拿大海底观测网络

加拿大海底观测网络系统主要包括VENUS和NEPTUE Canada。2001年，加拿大维多利亚大学开始主持建立VENUS计划，并于2007年完成第一阶段的硬件安装。VENUS系统共布设了3个节点，连接有硝酸盐传感器、沉积物捕获器、数字摄像机、回音探测器、声学分析器、声学多普勒流速剖面仪、溶解氧传感器、浑浊度传感器、水中听音器、CTD等十余种海洋观测设备（图5）。

图6 NEPTUNE Canada示意图［19］Fig.6 Illustration of NEPTUNE Canada［19］

2007年，NEPTUNE Canada开始建设，2009年投入使用，是世界上首个已建成的区域光缆海底观测网络（图6）［15］。NEPTUNE Canada的主要研究包括海底地壳运动、海底热液活动、海洋过程与气候变化、深海生态系统等［16］。该系统的骨干网由800 km的光电复合缆组成，观测水深范围为17～2 660 m，采用高压直流供电模式，具有10 kV/60 kW的供电能力和10 Gb/s的数据传输能力。目前已经安装5个水下节点（计划再增加1个），这些海底观测节点通过分支单元和骨干网连接，采用两级降压模式实现水下设备的能源供应。每个节点周围连有数个接驳盒，接驳盒通过光电复合缆与观测仪器和传感器相连。整个系统现在连接有数百个观测传感器，并通过光缆实时将观测数据传向岸基基站［17］。

2.3 欧洲海底观测网络

2004年，欧洲共同制定了ESONET（The European Sea Floor Observatory Network）［20］海底观测网计划。在大西洋与地中海精选10个海区数线建网（图7），进行长期海底观测。ESONET是由不同地域间的网络系统组成的联合体，将根据实际情况逐渐探求发展完整网络系统，通过20年的持续建网以使其具备监视整个欧洲周边海域的强大能力。该项目针对不同海域，进行一系列科学研究，诸如评估挪威海海冰的变化对深水循环的影响，监视北大西洋地区的生物多样性和地中海的地震活动等。

2002—2007年，欧洲完成了ESONET-CA计划［21］，对欧洲海洋观测能力进行评估，制定了观测节点的第一级配置定义。在该研究的基础上，欧洲于2007—2011年开展了ESONET-NoE计划［22］，以推动对环欧洲长期多学科深海观测网络的实施和管理［23］。2007年开始的EMOS（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）［24］，计划建立5个节点，提升ESONET的数据获取能力，预计2016年进入正式实施阶段。

图7 ESONET观测海域分布图［21］Fig.7 Distribution map of ESONET observatory sea area［21］

2.4 日本海底观测网络

日本开展的海底观测项目DONET（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis）网络（图8），主要用来实时监测地震和海啸，第一阶段的工作从2006年开始，2011年完成建设［25］。该网络在海底布置20个科学观测节点，节点间隔为15～20 km［26-27］。每个科学节点连接海底地震仪、强震仪、水中地震检波器、温度计和压力传感器等多种海底观测仪器，监测范围涵盖伊豆半岛近海东南海地震震源区［28］。DONET主干网上输电能力达到3 kW，每个科学节点的输入功率为500 W，最高数据传输率达到600 Mb/s。2012年，日本在南开震源区开始DONET2的建设，主干网络于2013年开始铺设，计划2015年完成。

2.5 我国海底观测网络研究进展

世界各国的海底观测系统都处在起步阶段，我国紧跟国际发展趋势，开展了相关的研究。2009年4月，同济大学等科研单位在上海附近海域进行了组网试验，并且建立了中国第一个海底综合观测试验与示范系统——东海海底观测小衢山试验站［29］。该试验站由海洋登陆平台及传输控制模块、1.1 km海底光电复合缆、基站及特种接驳盒组成，接驳盒外接ADCP、CTD、OBS。2011年4月，国内高校研制的海底观测节点与美国MARS网络并网成功［30］。2011年，山东省科学院海洋仪器仪表研究所在青岛胶州湾海洋岸边实验站开展了海底观测网络岸边实验［31］，搭载了CTD、溶解氧传感器、视频系统等观测传感器，获得了大量的海底原位观测数据，验证了海底观测网络的组网通信能力。

图8 DONET网络节点分布图［26］Fig.8 Distributionmap of DONET network nodes［26］

2007年，台湾地区开始执行“台湾东部海域电缆式海底地震仪及海洋物理观测系统建设计划”（Marine Cable Hosted Observatory，MACHO）［32-33］，2011年11月正式运行。MACHO从宜兰县头城镇向东南外海铺设1条全长45 km的海底光电复合缆，并在约300 m的海底设置1个科学观测节点，连接地震仪、海啸压力计、温盐仪与水听器等仪器设备，加强对地震与海啸活动的监测，并长期提供海洋科学观测数据［34］。

3 海底观测网络关键技术

海底观测网络的建设涉及到工程、机械、电子以及材料等各个领域，存在较多技术难题和理论空白。在分析比较世界各国海底观测网络研究现状的基础上，本文探讨了海底观测网络的关键技术，阐述了各项技术的主要功能、研究中的重点和难点问题，并结合国内外研究现状，给出了初步解决方案。

3.1 能源供应技术

能源是海底观测网络正常运行的基础。目前针对单个科学观测节点的能源供应已经有很好的解决方案，但在海底观测网中电缆长度达到几百甚至上千千米，需要长期持续供应大量电能，具有一定的难度，当前国际上通常采用高压电缆供电方式。考虑供电成本和能效、设备体积等因素，一般采用直流并联供电法［31，35-36］。但目前仍存在最大传输的能量受到线路特性和负载分布影响、负载变化时会导致电压变化等缺点；同时随着供电距离的增大，在水下降压、能源监控管理、中继器保护、错误定位隔离［37］等方面存在较多的问题。

需要研制小型化高压直流降压设备以及设计开发电能分配管理系统，以提高海底观测网络的能源供应能力和容错能力，实现海底观测网络的远距离能源供应与供电故障处理［38-39］。

3.2 海底接驳技术

海底接驳技术是实现海底观测网络工作的关键。海底接驳盒是专门研制的海底接驳装置，一般具有中继、数据通信、控制指令传输、电能转换和分配、接口规范转换、自监控、即插即用等功能［40］。在进行海底接驳盒设计时，需要考虑多种影响因素：

（1）耐压、耐腐蚀和防水是首先要考虑的问题；

（2）为了提供更好的安全防护，小型化和防拖网设计成为重要的技术指标；

（3）湿插拔技术能提高海底接驳盒的可扩展性、可维护性，实现湿插拔配对接口是接驳盒接口设计的重点［41］；

（4）电能转换器、数据通信装备成为接驳盒的基本功能单元，研制高可靠性的控制系统是接驳盒设计的核心内容之一［42］；

（5）接驳盒的结构设计、材料选择、内部散热等问题也是考虑的重点。接驳盒还可能有很多辅助功能，如水声通信中实现与水下潜器、水声传感器网络的连接，需要设计辅助接口以满足功能的扩展［43］。

3.3 网络基础设施

网络基础设施是海底观测网络的重要组成部分，主要包括岸基能源供应、信号传输、数据分析处理和数据储存设备等［2］，实现对整个海底观测系统的远程监控管理。电能供给设备主要解决岸基能源供应和电能监控问题，通过故障处理系统保障水下设备的正常运行。数据分析处理和数据存储设备主要负责收集、处理和存储大量不同类型的数据，一般可以采用成熟的商业解决方案降低运行风险。应开发相应的数据管理系统负责收集、管理、存放、分发数据，处理和显示数据，设计高效的通信协议提高水下观测数据的完整率，用软件工具来分析多学科、大空间范围、间断的数据并实现数据和界面的标准化［44］。

3.4 工程布设技术

工程布设技术是构建海底观测网络的重要技术手段。骨干光电复合缆的敷设需要重点考虑路由设计与选择、敷设工程两个方面［45］。在开展路由设计和选择的过程中，应以骨干网规划和设计任务书为依据，依照路由稳定可靠、走向科学合理、易施工维护及抢修的原则，进行多方案设计。在现有海底地形地貌调查的基础上，考虑海况和涉海活动，确定出经济合理的路由选择方案。海底光电复合缆的安装分为直接敷设和埋设两种，考虑路由选择方案，确定出经济合理的敷设技术方案，选用相应的光缆和施工方式进行施工布放。

4 研究展望

海底观测网络系统作为一个新的研究领域，仍存在较多亟待解决的技术难点和问题，下一步的研究方向主要是：

（1）随着微电子技术、芯片技术、材料工艺和传感器等相关科学技术的发展，海底观测网络向网格化、通用性和标准化、自维护性和强容错能力的方向发展，在可靠性、观测时间跨度和测量精度等方面有待于进一步地提高。

（2）传统的海洋传感器在测量原理、能源供应、长期工作稳定性等方面存在缺陷，不适用于长期海底观测，限制了海底观测网络的探测能力和可维护性。需要针对海底长期实时原位观测的要求，研制适用于海底观测网络的新型传感器。

（3）应加强不同网络之间、不同国家之间的合作。海底观测网络要实现和海面浮标网络、陆基和天基网络之间的数据共享，以提高对地球的观测能力。不同国家之间要加强国际合作，充分利用互联网络，促进各国海底观测网络建设的技术交流和数据共享。

（4）提高国际合作水平，吸收和借鉴国外的先进经验，重点攻克深海观测技术，尽快建成我国自己的海底观测网络系统。建立专门的管理机构负责网络维护管理、数据分析处理和产品数据发布，这对我国赶超国外海洋科学研究，提高在海洋观测和海洋技术领域的研究能力有着重要的意义。

5 结论

海底观测网络系统是一种新的深海大洋海底信息获取技术，具有传统技术不可比拟的优势。在海洋科学研究中，应该对重点地区进行大区域、长时间、跨尺度、多途径的综合观测。因此，大力发展海底观测网络系统对推动我国的海洋科学研究、资源勘探、蓝色经济发展和国防安全具有重大的意义。本文着重介绍了国内外海底观测网络研究的最新成果，分析探讨了海底观测网络研究中的关键技术问题和初步解决方案，期望能借此推动我国对海底观测新技术的研究与关注。

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Key technology advances on seafloor observatory networks

DU Li-bin，LI Zheng-bao，LIU Jie，LYU Bin，QU Jun-le
（Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China）

Seafloor observatory networks can achieve long-term and real-time continuous observation in such fields as ocean seabed geology，biology，marine geochemistry and geophysics．This paper reviews research advances on global seafloor cable observatory networks．This paper also addresses their key technologies such as power supply，subsea connection，network infrastructure and project deployment．The paper further presents a preliminary solution．Analysis and prospect are then given for their future development directions．

seafloor observatory system：seafloor observatory node；power supply

P715.5

A

1002-4026（2014）01-0001-08

10.3976／j.issn.1002-4026.2014.01.001

2013-11-25

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA09A411）；海洋公益性行业专项经费（201305026）；山东省自然科学基金（ZR2012FL14）

杜立彬（1976-），男，研究员，博士，研究方向为海洋环境监测技术及装备。Email：dulibinhit＠163.com