海底觀測網(wǎng)絡關鍵技術研究進展

杜立彬，李正寶，劉杰，呂斌，曲君樂

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

*海洋科技與裝備專欄*

海底觀測網(wǎng)絡關鍵技術研究進展

杜立彬，李正寶，劉杰，呂斌，曲君樂

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

海底觀測網(wǎng)絡在海洋地質、生物、海洋地球化學與海洋地球物理等領域實現(xiàn)對海洋參數(shù)的長期、實時和連續(xù)觀測。本文介紹了世界各國海底觀測網(wǎng)絡的研究進展，探討了海底觀測網(wǎng)絡的關鍵技術，如能源供應技術、海底接駁技術、網(wǎng)絡基礎設施、工程布設技術等，并提出了初步解決方案，最后對海底觀測網(wǎng)絡的發(fā)展方向進行了分析和展望。

海底觀測網(wǎng)絡；海底觀測節(jié)點；能源供應

海洋中蘊藏著豐富的自然資源，是世界各國激烈爭奪的重要戰(zhàn)略目標。目前人類對海洋尤其是深海的認識依然不足，海底觀測網(wǎng)絡能夠長期、實時、連續(xù)地獲取所觀測海區(qū)的海洋環(huán)境信息，已經(jīng)成為人類探測海洋的重要平臺［1］，為人類認識海洋變化規(guī)律，提高對海洋環(huán)境和氣候變化的預測能力提供了技術支撐，在海洋減災防災、海洋生態(tài)系統(tǒng)保護、資源/能源可持續(xù)開發(fā)利用、海洋權益維護和國防安全等方面具有重大戰(zhàn)略意義［2］。

本文綜述了世界各國海底觀測網(wǎng)絡的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，總結了海底觀測網(wǎng)絡的關鍵技術，探討了海底觀測網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，以期對世界和我國海底觀測網(wǎng)絡建設有所借鑒。

1 海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)概述

海底觀測網(wǎng)絡主要由光電復合海纜、海底觀測節(jié)點、科學儀器節(jié)點和岸邊控制基站等設施組成（圖1），解決了大量科學儀器在海底長期運行存在的海量數(shù)據(jù)傳輸和長期電能供給的難題，實現(xiàn)了對海底特定區(qū)域的地質、物理、化學和生物等變化過程進行長期實時原位觀測。光電復合纜是海底觀測網(wǎng)絡的基礎，通過在海底敷設幾百乃至上千公里的光電復合纜組成骨干網(wǎng)，是海底各種觀測儀器正常工作的基本保障。海底觀測節(jié)點是海底能源供應和信息傳輸?shù)暮诵脑O備，連接骨干網(wǎng)實現(xiàn)與岸邊基站的電能傳輸和雙向信息通信，負責數(shù)據(jù)采集與傳輸、控制命令執(zhí)行和狀態(tài)監(jiān)控等?？茖W儀器節(jié)點是實現(xiàn)海底長期觀測的關鍵設備，由各種觀測儀器和設備組成，通過海底電纜與海底觀測節(jié)點（接駁盒）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和能源持續(xù)獲取。岸邊基站是海底觀測網(wǎng)絡的控制樞紐，為海底觀測網(wǎng)絡長期穩(wěn)定運行提供各類保障。岸邊基站主要包括各種高性能計算機、網(wǎng)絡通信設備、高壓輸變電設備、監(jiān)控設備和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的實時存儲與處理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)制作與發(fā)布以及海底儀器狀態(tài)監(jiān)控與異常處理等。

圖1 海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of a seafloor observatory network

2 國內外海底觀測網(wǎng)絡技術研究進展

20世紀末以來，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)憑借在海洋觀測領域的技術優(yōu)勢，紛紛投入巨資開展海底觀測網(wǎng)絡關鍵技術研究，構建海底觀測網(wǎng)絡，以海底觀測網(wǎng)絡為平臺的科學、技術和國防安全的國際競爭日漸激烈。

2.1 美國海底觀測網(wǎng)絡

冷戰(zhàn)時期美國海軍就開始了海底網(wǎng)絡的研究和應用，早期美國建立的海底觀測系統(tǒng)有SOSUS［3］，LEO-15［4-5］，H2O［6］等，但都是單節(jié)點的海底觀測系統(tǒng)。1998年，美國提出了NEPTUNE（North East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiment）海底觀測網(wǎng)絡計劃［7-8］，其后加拿大的科研機構加入其中，為NEPTUVE的正式建設提供原型試驗和技術儲備，美國和加拿大分別建立了小型試驗觀測系統(tǒng)MARS（Monterey Accelerated Research System）［9］和VENUS（Victoria Experimental Network Under the Sea）［10］。

圖2 MARS網(wǎng)絡結構示意圖［11］Fig.2 Illustration of MARS network structure［11］

圖3 NEPTUNE計劃網(wǎng)絡布局圖［8］Fig.3 NEPTUNE network layout［8］

MARS系統(tǒng)于2007年完成了光電復合纜的鋪設、組網(wǎng)通信設備和觀測傳感器的安裝，開展了海底光電復合纜的供電和通信方面的研究。如圖2所示，MARS主要由岸基基站、供電系統(tǒng)、光電復合纜、水下節(jié)點（接駁盒）和水下觀測儀器組成。

NEPTUNE包括水下和陸上兩部分，北段由加拿大負責建設，南段由美國在其海岸外建設，進行為期25年的海底實時觀測（圖3）。水下部分主要包括在環(huán)繞胡安·德·夫卡板塊500 km×1 000 km的海域鋪設3 000 km長的海底光電復合纜，設立30個海底觀測節(jié)點。每個節(jié)點將安裝水文儀器、物理化學傳感器、水下移動平臺、地震儀、海底鉆頭等傳感器陣列。觀測參數(shù)包括深海物理、化學、生物和地質的實時信息，通過光纖傳回到岸基基站，并通過互聯(lián)網(wǎng)與全世界科研人員共享信息。陸上部分建立岸基基站，負責能源供應、海量數(shù)據(jù)接收存儲和數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作發(fā)布等等。

由于經(jīng)費的原因，NEPTUNE美國部分沒能按期投入建設。2009年美國通過了OOI（Ocean Observatories Initiative）［12］計劃，建設一個基于網(wǎng)絡的海洋觀測系統(tǒng)（圖4）。OOI共分3級，即海岸觀測系統(tǒng)、區(qū)域觀測系統(tǒng)和全球觀測系統(tǒng)［13］。其中區(qū)域觀測系統(tǒng)就是原來由美方承擔的NEPTUNE計劃，計劃布放900 km的海底光電復合纜，具有8 kW的供電能力和10 G的通信帶寬，安裝7個海底觀測節(jié)點。2012年已經(jīng)完成海底光電復合纜的鋪設，計劃于2014年完成海底觀測節(jié)點和傳感器的安裝，2015年完成整個網(wǎng)絡的建設。

圖4 OOI設備分布圖［14］Fig.4 Distribution map of OOI devices［14］

圖5 VENUS海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)布設示意圖［18］Fig.5 Illustration of VENUSseafloor observatory network deployment［18］

2.2 加拿大海底觀測網(wǎng)絡

加拿大海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)主要包括VENUS和NEPTUE Canada。2001年，加拿大維多利亞大學開始主持建立VENUS計劃，并于2007年完成第一階段的硬件安裝。VENUS系統(tǒng)共布設了3個節(jié)點，連接有硝酸鹽傳感器、沉積物捕獲器、數(shù)字攝像機、回音探測器、聲學分析器、聲學多普勒流速剖面儀、溶解氧傳感器、渾濁度傳感器、水中聽音器、CTD等十余種海洋觀測設備（圖5）。

圖6 NEPTUNE Canada示意圖［19］Fig.6 Illustration of NEPTUNE Canada［19］

2007年，NEPTUNE Canada開始建設，2009年投入使用，是世界上首個已建成的區(qū)域光纜海底觀測網(wǎng)絡（圖6）［15］。NEPTUNE Canada的主要研究包括海底地殼運動、海底熱液活動、海洋過程與氣候變化、深海生態(tài)系統(tǒng)等［16］。該系統(tǒng)的骨干網(wǎng)由800 km的光電復合纜組成，觀測水深范圍為17～2 660 m，采用高壓直流供電模式，具有10 kV/60 kW的供電能力和10 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。目前已經(jīng)安裝5個水下節(jié)點（計劃再增加1個），這些海底觀測節(jié)點通過分支單元和骨干網(wǎng)連接，采用兩級降壓模式實現(xiàn)水下設備的能源供應。每個節(jié)點周圍連有數(shù)個接駁盒，接駁盒通過光電復合纜與觀測儀器和傳感器相連。整個系統(tǒng)現(xiàn)在連接有數(shù)百個觀測傳感器，并通過光纜實時將觀測數(shù)據(jù)傳向岸基基站［17］。

2.3 歐洲海底觀測網(wǎng)絡

2004年，歐洲共同制定了ESONET（The European Sea Floor Observatory Network）［20］海底觀測網(wǎng)計劃。在大西洋與地中海精選10個海區(qū)數(shù)線建網(wǎng)（圖7），進行長期海底觀測。ESONET是由不同地域間的網(wǎng)絡系統(tǒng)組成的聯(lián)合體，將根據(jù)實際情況逐漸探求發(fā)展完整網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過20年的持續(xù)建網(wǎng)以使其具備監(jiān)視整個歐洲周邊海域的強大能力。該項目針對不同海域，進行一系列科學研究，諸如評估挪威海海冰的變化對深水循環(huán)的影響，監(jiān)視北大西洋地區(qū)的生物多樣性和地中海的地震活動等。

2002—2007年，歐洲完成了ESONET-CA計劃［21］，對歐洲海洋觀測能力進行評估，制定了觀測節(jié)點的第一級配置定義。在該研究的基礎上，歐洲于2007—2011年開展了ESONET-NoE計劃［22］，以推動對環(huán)歐洲長期多學科深海觀測網(wǎng)絡的實施和管理［23］。2007年開始的EMOS（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）［24］，計劃建立5個節(jié)點，提升ESONET的數(shù)據(jù)獲取能力，預計2016年進入正式實施階段。

圖7 ESONET觀測海域分布圖［21］Fig.7 Distribution map of ESONET observatory sea area［21］

2.4 日本海底觀測網(wǎng)絡

日本開展的海底觀測項目DONET（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis）網(wǎng)絡（圖8），主要用來實時監(jiān)測地震和海嘯，第一階段的工作從2006年開始，2011年完成建設［25］。該網(wǎng)絡在海底布置20個科學觀測節(jié)點，節(jié)點間隔為15～20 km［26-27］。每個科學節(jié)點連接海底地震儀、強震儀、水中地震檢波器、溫度計和壓力傳感器等多種海底觀測儀器，監(jiān)測范圍涵蓋伊豆半島近海東南海地震震源區(qū)［28］。DONET主干網(wǎng)上輸電能力達到3 kW，每個科學節(jié)點的輸入功率為500 W，最高數(shù)據(jù)傳輸率達到600 Mb/s。2012年，日本在南開震源區(qū)開始DONET2的建設，主干網(wǎng)絡于2013年開始鋪設，計劃2015年完成。

2.5 我國海底觀測網(wǎng)絡研究進展

世界各國的海底觀測系統(tǒng)都處在起步階段，我國緊跟國際發(fā)展趨勢，開展了相關的研究。2009年4月，同濟大學等科研單位在上海附近海域進行了組網(wǎng)試驗，并且建立了中國第一個海底綜合觀測試驗與示范系統(tǒng)——東海海底觀測小衢山試驗站［29］。該試驗站由海洋登陸平臺及傳輸控制模塊、1.1 km海底光電復合纜、基站及特種接駁盒組成，接駁盒外接ADCP、CTD、OBS。2011年4月，國內高校研制的海底觀測節(jié)點與美國MARS網(wǎng)絡并網(wǎng)成功［30］。2011年，山東省科學院海洋儀器儀表研究所在青島膠州灣海洋岸邊實驗站開展了海底觀測網(wǎng)絡岸邊實驗［31］，搭載了CTD、溶解氧傳感器、視頻系統(tǒng)等觀測傳感器，獲得了大量的海底原位觀測數(shù)據(jù)，驗證了海底觀測網(wǎng)絡的組網(wǎng)通信能力。

圖8 DONET網(wǎng)絡節(jié)點分布圖［26］Fig.8 Distributionmap of DONET network nodes［26］

2007年，臺灣地區(qū)開始執(zhí)行“臺灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理觀測系統(tǒng)建設計劃”（Marine Cable Hosted Observatory，MACHO）［32-33］，2011年11月正式運行。MACHO從宜蘭縣頭城鎮(zhèn)向東南外海鋪設1條全長45 km的海底光電復合纜，并在約300 m的海底設置1個科學觀測節(jié)點，連接地震儀、海嘯壓力計、溫鹽儀與水聽器等儀器設備，加強對地震與海嘯活動的監(jiān)測，并長期提供海洋科學觀測數(shù)據(jù)［34］。

3 海底觀測網(wǎng)絡關鍵技術

海底觀測網(wǎng)絡的建設涉及到工程、機械、電子以及材料等各個領域，存在較多技術難題和理論空白。在分析比較世界各國海底觀測網(wǎng)絡研究現(xiàn)狀的基礎上，本文探討了海底觀測網(wǎng)絡的關鍵技術，闡述了各項技術的主要功能、研究中的重點和難點問題，并結合國內外研究現(xiàn)狀，給出了初步解決方案。

3.1 能源供應技術

能源是海底觀測網(wǎng)絡正常運行的基礎。目前針對單個科學觀測節(jié)點的能源供應已經(jīng)有很好的解決方案，但在海底觀測網(wǎng)中電纜長度達到幾百甚至上千千米，需要長期持續(xù)供應大量電能，具有一定的難度，當前國際上通常采用高壓電纜供電方式?？紤]供電成本和能效、設備體積等因素，一般采用直流并聯(lián)供電法［31，35-36］。但目前仍存在最大傳輸?shù)哪芰渴艿骄€路特性和負載分布影響、負載變化時會導致電壓變化等缺點；同時隨著供電距離的增大，在水下降壓、能源監(jiān)控管理、中繼器保護、錯誤定位隔離［37］等方面存在較多的問題。

需要研制小型化高壓直流降壓設備以及設計開發(fā)電能分配管理系統(tǒng)，以提高海底觀測網(wǎng)絡的能源供應能力和容錯能力，實現(xiàn)海底觀測網(wǎng)絡的遠距離能源供應與供電故障處理［38-39］。

3.2 海底接駁技術

海底接駁技術是實現(xiàn)海底觀測網(wǎng)絡工作的關鍵。海底接駁盒是專門研制的海底接駁裝置，一般具有中繼、數(shù)據(jù)通信、控制指令傳輸、電能轉換和分配、接口規(guī)范轉換、自監(jiān)控、即插即用等功能［40］。在進行海底接駁盒設計時，需要考慮多種影響因素：

（1）耐壓、耐腐蝕和防水是首先要考慮的問題；

（2）為了提供更好的安全防護，小型化和防拖網(wǎng)設計成為重要的技術指標；

（3）濕插拔技術能提高海底接駁盒的可擴展性、可維護性，實現(xiàn)濕插拔配對接口是接駁盒接口設計的重點［41］；

（4）電能轉換器、數(shù)據(jù)通信裝備成為接駁盒的基本功能單元，研制高可靠性的控制系統(tǒng)是接駁盒設計的核心內容之一［42］；

（5）接駁盒的結構設計、材料選擇、內部散熱等問題也是考慮的重點。接駁盒還可能有很多輔助功能，如水聲通信中實現(xiàn)與水下潛器、水聲傳感器網(wǎng)絡的連接，需要設計輔助接口以滿足功能的擴展［43］。

3.3 網(wǎng)絡基礎設施

網(wǎng)絡基礎設施是海底觀測網(wǎng)絡的重要組成部分，主要包括岸基能源供應、信號傳輸、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)儲存設備等［2］，實現(xiàn)對整個海底觀測系統(tǒng)的遠程監(jiān)控管理。電能供給設備主要解決岸基能源供應和電能監(jiān)控問題，通過故障處理系統(tǒng)保障水下設備的正常運行。數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)存儲設備主要負責收集、處理和存儲大量不同類型的數(shù)據(jù)，一般可以采用成熟的商業(yè)解決方案降低運行風險。應開發(fā)相應的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負責收集、管理、存放、分發(fā)數(shù)據(jù)，處理和顯示數(shù)據(jù)，設計高效的通信協(xié)議提高水下觀測數(shù)據(jù)的完整率，用軟件工具來分析多學科、大空間范圍、間斷的數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)和界面的標準化［44］。

3.4 工程布設技術

工程布設技術是構建海底觀測網(wǎng)絡的重要技術手段。骨干光電復合纜的敷設需要重點考慮路由設計與選擇、敷設工程兩個方面［45］。在開展路由設計和選擇的過程中，應以骨干網(wǎng)規(guī)劃和設計任務書為依據(jù)，依照路由穩(wěn)定可靠、走向科學合理、易施工維護及搶修的原則，進行多方案設計。在現(xiàn)有海底地形地貌調查的基礎上，考慮海況和涉?；顒?，確定出經(jīng)濟合理的路由選擇方案。海底光電復合纜的安裝分為直接敷設和埋設兩種，考慮路由選擇方案，確定出經(jīng)濟合理的敷設技術方案，選用相應的光纜和施工方式進行施工布放。

4 研究展望

海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)作為一個新的研究領域，仍存在較多亟待解決的技術難點和問題，下一步的研究方向主要是：

（1）隨著微電子技術、芯片技術、材料工藝和傳感器等相關科學技術的發(fā)展，海底觀測網(wǎng)絡向網(wǎng)格化、通用性和標準化、自維護性和強容錯能力的方向發(fā)展，在可靠性、觀測時間跨度和測量精度等方面有待于進一步地提高。

（2）傳統(tǒng)的海洋傳感器在測量原理、能源供應、長期工作穩(wěn)定性等方面存在缺陷，不適用于長期海底觀測，限制了海底觀測網(wǎng)絡的探測能力和可維護性。需要針對海底長期實時原位觀測的要求，研制適用于海底觀測網(wǎng)絡的新型傳感器。

（3）應加強不同網(wǎng)絡之間、不同國家之間的合作。海底觀測網(wǎng)絡要實現(xiàn)和海面浮標網(wǎng)絡、陸基和天基網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)共享，以提高對地球的觀測能力。不同國家之間要加強國際合作，充分利用互聯(lián)網(wǎng)絡，促進各國海底觀測網(wǎng)絡建設的技術交流和數(shù)據(jù)共享。

（4）提高國際合作水平，吸收和借鑒國外的先進經(jīng)驗，重點攻克深海觀測技術，盡快建成我國自己的海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)。建立專門的管理機構負責網(wǎng)絡維護管理、數(shù)據(jù)分析處理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)布，這對我國趕超國外海洋科學研究，提高在海洋觀測和海洋技術領域的研究能力有著重要的意義。

5 結論

海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)是一種新的深海大洋海底信息獲取技術，具有傳統(tǒng)技術不可比擬的優(yōu)勢。在海洋科學研究中，應該對重點地區(qū)進行大區(qū)域、長時間、跨尺度、多途徑的綜合觀測。因此，大力發(fā)展海底觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)對推動我國的海洋科學研究、資源勘探、藍色經(jīng)濟發(fā)展和國防安全具有重大的意義。本文著重介紹了國內外海底觀測網(wǎng)絡研究的最新成果，分析探討了海底觀測網(wǎng)絡研究中的關鍵技術問題和初步解決方案，期望能借此推動我國對海底觀測新技術的研究與關注。

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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

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA09A411）；海洋公益性行業(yè)專項經(jīng)費（201305026）；山東省自然科學基金（ZR2012FL14）

杜立彬（1976-），男，研究員，博士，研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測技術及裝備。Email：dulibinhit＠163.com