海底观测网络关键技术研究进展.pdf

书书书 山东科学 第 卷 第 期 年 月出版 收稿日期： 基金项目： 国家高技术研究发展计划 （ 计划） （ ） ；海洋公益性行业专项经费 （ ） ； 山东省自然科学基金 （ ） 作者简介： 杜立彬（ ） ， 男， 研究员， 博士， 研究方向为海洋环境监测技术及装备。 ： ： 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 ） 摘要： 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。 关键词： 海底观测网络； 海底观测节点； 能源供应 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： （ ） ， ， ， ， （ ， ， ， ， ） ， ， ， ， ： ； 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 ， 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 。 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。 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 ） ， 山 东 科 学 年 图 海底观测网络系统结构 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。 国内外海底观测网络技术研究进展 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。 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 ， ， 等， 但都是单节点的海底观测系统。 年， 美国提出了 （ ） 海底观测网络计划 ， 其后加拿大的科研机构加入其中， 为 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 （ ） 和 （ ） 。 图 网络结构示意图 图 计划网络布局图 第 期杜立彬， 等： 海底观测网络研究进展 系统于 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 所示， 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。 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 年的海底实时观测（ 图 ） 。水下部分主要包括在环绕胡安德夫卡板块 的海域铺设 长的海底光电复合缆， 设立 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， 美国部分没能按期投入建设。 年美国通过了 （ ） 计划， 建设一个基于网络的海洋观测系统（ 图 ）。 共分 级， 即海岸观测系统、 区域观测 系统和全球观测系统 。其中区域观测系统就是原来由美方承担的 计划， 计划布放 的海 底光电复合缆， 具有 的供电能力和 的通信带宽， 安装 个海底观测节点。 年已经完成海底 光电复合缆的铺设， 计划于 年完成海底观测节点和传感器的安装， 年完成整个网络的建设。 图 设备分布图 图 海底观测网络系统布设示意图 图 示意图 加拿大海底观测网络 加拿大海底观测网络系统主要包括 和 。 年， 加拿大维多利亚大学开始主 持建立 计划， 并于 年完成第一阶段的硬件 安装。 系统共布设了 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、 等十余种海洋观测设备（ 图 ） 。 年， 开始建设， 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 ） 。 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 。该系统的骨干网由 的光电复合缆组成， 观测水深范围为 ， 采用高压直流 山 东 科 学 年 供电模式， 具有 的供电能力和 的数据传输能力。目前已经安装个水下节点（ 计划再 增加 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 。 图 观测海域分布图 欧洲海底观测网络 年， 欧洲共同制定了 （ ） 海底观测网计划。在 大西洋与地中海精选 个海区数线建网（ 图 ） ， 进行 长期海底观测。 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 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。 年， 欧洲完成了 计划 ， 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 年开展了 计划 ， 以推动对环欧洲长期多学科深海观测网络的实施和管理 。 年 开始的 （ ） ， 计划建立个节点， 提升 的数据 获取能力， 预计 年进入正式实施阶段。 图 网络节点分布图 日本海底观测网络 日本 开 展 的 海 底 观 测 项 目 （ ） 网络（ 图 ） ， 主要用来实时监测地震和海啸， 第一阶段 的工作从 年开始， 年完成建设 。该网络在 海底 布 置 个 科 学 观 测 节 点，节 点 间 隔 为 。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 。 主干网上输电能力达到 ， 每个科学 节点的输入功率为 ， 最高数据传输率达到 。 年， 日本在南开震源区开始 的建 设， 主干网络于 年开始铺设， 计划 年完成。 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。 年 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 。该试验站由海洋登陆平台及传输控制模块、 海底光电复合 缆、 基站及特种接驳盒组成， 接驳盒外接 、 、 。 年 月， 国内高校研制的海底观测节点与美 国 网络并网成功 。 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 第 期杜立彬， 等： 海底观测网络研究进展 展了海底观测网络岸边实验 ， 搭载了 、 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。 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” （ ， ） ， 年 月正式运行。 从宜兰县头城镇向东南外海铺 设 条全长 的海底光电复合缆， 并在约 的海底设置 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 。 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。 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 ， 。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 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 。 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 。在进行海底接 驳盒设计时， 需要考虑多种影响因素： （ ） 耐压、 耐腐蚀和防水是首先要考虑的问题； （ ） 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； （ ） 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 ； （ ） 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 ； （ ） 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 。 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 ， 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 。 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 山 东 科 学 年 选择、 敷设工程两个方面 。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。 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： （ ）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。 （ ） 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。 （ ） 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。 （ ） 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。 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