海底观测网络现状与发展分析

陶智

(海装装备采购中心，北京，100071)

海底观测网络现状与发展分析

陶智

(海装装备采购中心，北京，100071)

介绍了国内外各种典型海底观测网情况，包括日本ARENA计划、DONET计划、海沟海底地震海啸观测网，美国和加拿大NEPTUNE计划、美国MARS计划和加拿大VENUS计划、美国夏威夷H2O(Hawaii-2 Observatory)计划、LEO-15生态环境海底观测站，欧洲ESONET计划，台湾地区妈祖计划，以及我国同济大学东海海底观测网、中科院南海所海底观测示范系统、浙江大学摘箬山岛海底观测网络试验平台、山东省科学院海仪所青岛胶州湾海底观测网等。分析了海底观测网的主要关键技术，提出了发展海底观测网的建议。

海底观测网；海底环境监测；关键技术；综述

建立海底观测系统的想法是冷战时期从美国海军的水声监视系统中获得的，该系统由安置在大西洋和太平洋中的水听器阵列组成，用来监听苏联海军潜艇的动向。从1978年日本在御前崎建造了第一个由海底电缆构成的海底地震实时观测系统开始，海底观测系统逐渐步入海底环境监测领域。随着传感器技术、互联网技术、机器人技术和海底光纤电缆技术等的快速发展，海底观测系统也开始向多科学、多功能的长期海底观测网络转变[1]。

1 海底观测网络的组成

如图1所示，海底观测网络一般由岸基站(Shore station)、互联网络(Network)、光纤光缆(cable)、接驳盒(node)、各种传感器(sensors)和各种功能观测设备等组成[1]。

图1 海底观测网示意图

岸基站是整个海底观测网的控制单元，负责控制整个网络的正常运行，并为海底观测设备输送高压电能，也是数据传输的终点，负责接收最终的观测数据。光纤光缆用于通信，负责各设备之间的联接和信号传输。接驳盒是水下的中枢部分，它不仅为信号处理、控制和管理提供一个集中的站点，同时也为观测设备模块提供接口（可借助水下机器人ROV在海底接驳盒上直接对观测设备插座模块进行热插拔），还为海底观测网络电能的低功耗输送、转换、分配及管理提供手段。传感器大多分布在海底各个观测设备上，是实验数据的主要获取途径。

2 海底观测网络的现状

2.1 国外发展现状

21世纪初，随着各海洋强国纷纷制定或调整海洋发展战略计划和科技政策，以确保在新一轮海洋竞争中占据先机，相应的国际和区域海洋监测网络逐步实施，如日本的ARENA、DONET系统，美国和加拿大的NEPTUNE、MARS、ONC、H2O、LEO-15系统，欧洲的ESONET系统等。

2.1.1 日本海底观测网

2.1.1.1 日本ARENA计划

ARENA计划由日本海底电缆科学应用研究组于2003年1月提出，东京大学主持，目标是沿日本海沟建造跨越板块边界的光缆连接观测网络，如图2。

图2 日本ARENA计划示意图

它是一个低成本、高效率、高抗故障能力、高可靠性的海底观测网络，主要应用于地震学和地球动力学研究、海洋环流研究、可燃冰监测、水热通量研究、生物与渔业研究、海洋哺乳动物研究、深海微生物研究等。ARENA海底观测网中使用到的传感器主要有地球物理传感器（地震检波器、海底传感器、倾斜计、磁力计）、光学仪器（海底照相机）、CTD、ADCP、温度传感器、化学传感器（测量pH、H2S、溶解氧）等。

2.1.1.2 日本DONET计划

DONET计划是继ARENA之后日本在伊豆半岛东南海附近地震源区铺设的先进实时海底观测系统，如图3。该系统由20个观测点密集布设，各观测点都设置有宽频带地震仪、强震仪、高精度水压仪、压差仪、水中地震检波器、温度计等传感器群，用以高精度、宽频带实时监测东南海域的地震情况。

图3 日本DONET计划海底观测网示意图

另据报道，日本防灾科学技术研究所已经开始着手在日本海沟及千岛海沟沿岸海底建立世界上规模最大的地震观测网：日本海沟海底地震海啸观测网。按照计划，防灾科学技术研究所将会在2015年度之前在该海底观测网中设置154个观察点。

2.1.2 美洲的海底观测网

2.1.2.1 美国和加拿大的NEPTUNE计划

NEPTUNE计划也叫“海王星”计划，1998年正式启动，加拿大于1999年6月加入该计划（如图4）。海王星计划最终目标是建立区域、长期、实时的交互式深海观测平台，在几秒到几十年的不同时间尺度、几微米到几千米的不同空间尺度上进行多学科的测量和研究。设立大约33个观测中心，每个中心都有潜标、CTD、ADCP、人工磁场海流计、波浪传感器、光源和相机、营养盐测量仪、地震仪，以及ROV、AUV、ROVER等。其中ROV用于水下仪器设备和网络的布放、安装以及维护，AUV用于数据的接驳和能源的补给，ROVER用于各节点之间空白区域的观测。该计划环绕“胡安.德富卡”板块，在500 km×1 000 km海域内铺设3 000 km光缆，进行量化海洋学和板块相关过程间关系的实时观测，计划可达到25年。

图4 美国和加拿大的NEPTUNE计划示意图

2.1.2.2 美国MARS计划和加拿大VENUS计划

美国MARS计划和加拿大VENUS计划是海王星计划的原型试验，美国承担蒙特雷湾海洋科学观测站MARS建设（如图5），加拿大承担VENUS观测站建设（如图6）。VENUS观测网与NEPTUNE观测网构成了加拿大的海底观测网ONC（Ocean Networks Canada）。

图5 美国MARS计划海底观测网示意图

图6 加拿大VENUS计划海底观测网示意图

2.1.2.3 美国夏威夷H2O(Hawaii-2 Observatory)计划

美国夏威夷-2（H2O）海底观测网位于夏威夷和加利福尼亚正中间的海底5 000 m处，如图7所示。H2O海底观测网是世界上第一个海底地震观测网络，它将不间断工作的地震仪与安装了海水温度、化学成分和海流计的集装箱相连接，海底地震记录数据会不断地传给夏威夷州立大学。

图7 美国夏威夷H2O计划示意图

2.1.2.4 美国LEO-15生态环境海底观测站

LEO-15生态环境海底观测站是由美国著名的伍兹霍尔实验所海洋系统实验室设计、路特葛斯大学主持建立的一个长期海洋生态系统海底观测站，距离新泽西州海岸16 km。该海底观测站的目标是监测海水温度和水流数据，并同时将采集视频影像发送给岸上实验室，代表当今世界近海观测系统的水平。

2.1.3 欧洲海底观测网ESONET计划

根据全球环境监测与保护计划开展4D观测的需要，英、德、法2004年制定了ESONET欧洲海底观测网计划（如图8）。与美国海底海王星计划类似，它是为了对地球物理学、化学、生物化学、海洋学、生物学和渔业等提供长期战略性监测能力，针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题，在大西洋与地中海精选10个海区建立海底观测网，但它不是一个独立完整的海底观测网络，而是由不同地区间的网络系统组成的联合体。ESONET海底观测网使用的海底观测化学传感器包括DO、CO2、甲烷、H2S、pH、营养盐、碳氢化合物传感器；物理传感器包括温度计、磁力仪、重力计、倾斜计、水听器、地震检波器、浊度计、压力传感器、荧光计、CTD、ADCP、视距测量仪、水中照相机、分光计等。

图8 ESONET计划示意图

台湾地震测报中心于2013年3月启动“妈祖计划”，在台湾宜兰头城外海布设一条海底电缆用于监控地震与海啸。第一阶段的海底电缆观测系统预计3年内完成，电缆长度约250 km，电缆途中初步设置四个接驳盒，每个接驳盒可以提供480 V或48 V电压为外接观测仪器使用；第二阶段将末端缆线接回岸基站，以完成总长450 km的环状缆线观测系统，如图9所示。

图9 台湾东部海域电缆海底观测系统（MACHO）布置图

2.2 国内发展现状

2.2.1 同济大学东海海底观测网

2007年中科院开始筹建，2009年4月东海海底观测小衢山试验站正式运作。该实验站设置在洋山国际深水港东南约20 km的小衢山岛附近，其水域平均深度15 m。该试验站包括双层铠装海底光电复合缆，连接具有不同型号的水密接插头，实现能源自动供给和通信传输的基站特种接驳盒等。光电复合缆通过海洋平台登陆，由平台上的太阳能蓄电池实施不间断能源供应。现场海洋观测数据通过光电复合缆传输到平台后，经CDMA无线网络实时发送到实验室服务器上。2011年，同济大学东海海底观测网项目被列为上海市“十二五”科技发展规划，在小衢山试验站的基础上，在舟山东部的长江口区域布设观测网络系统。观测系统为环形布设，预计750 km长，主要应用于科学研究，以多普勒声学海流仪、浊度仪等形成观测点，通过光纤网络向各个观测点供应能量、收集信息，实时监控海洋信息，记录地震和海啸等数据，监控泥沙的走向等[2]。

图10 东海海底观测网示意图

2.2.2 中科院南海所海底观测示范系统

中科院南海海洋所海底观测示范系统由南海海洋所牵头，联合沈阳自动化所和声学研究所共同完成建立设，布设地址为海南三亚海域，这是我国海底观测网络建设的一次先导性实验。该示范系统主要由岸基站、2 km长光电缆、基于自主技术的1个主接驳盒和1个次接驳盒、3套观测设备、1个声学网关节点和3个观测节点等构成，并具有扩展功能，岸基站提供10 kV高压直流电，接驳盒布放在20 m水深的海底。该系统建设中取得了高压直流输配电技术、水下可插拔连接器应用技术、网络传输与信息融合技术、稳健网络协议、水声通信网与主干网协同机制等技术的突破，于2013年5建成[3]。

2.2.3 中科院声学所南海海底观测网

中科院声学所南海海底观测网试验系统布设位置为海南陵水附近海域，该系统主要用于对南海海底的监控和探测，以及水中目标的监视。2009年4月，南海声学与海洋综合观测实验站挂牌，2011年，中科院投资建设“南海海洋技术与系统试验研究基地”。2012年，科技部依托陵水基地建设我国首个“南海海底观测网试验系统”。目前该海底观测网已经完成100 km左右的建设[4]。

例如，笔者在讲授《春》时，考虑到这是一篇文笔优美的散文，笔者在阅读教学时先给学生播放了轻柔的轻音乐，伴随着动人的音乐，笔者引导道：“提到春天的时候，你会想到什么？有什么样的感受呢？我们来看看朱自清笔下的春是什么样子吧！”在音乐中，学生的思绪与情感被带动起来，很快便进入了情境，对文本也有阅读的兴趣。这种“留白”的情境创设，可以给学生更多想象与思考的空间，以更好地开展进一步的教学。

2.2.4 浙江大学摘箬山岛海底观测网络试验平台

浙江大学摘箬山岛海底观测网络试验平台主要定位于海洋地震监测。它的建成，有望成为中国地震局的一个业务化监测台站，数据并网，发挥更大的地震监测作用。2013年8月，浙江大学在岛北部海域进行了海底观测网络的一期布放，通电运行取得成功。一期布放的主要内容有岸基站、科学仪器插座模块和叶绿素仪、浊度仪、有色可溶解有机物探测仪等传感器。其中，传感器和科学仪器插座模块固定在特制的观测平台上。观测平台布放在海底，通过光电复合缆与岸基站连接，实现电能及信号的传输。岸基站接收和储存从海底传回的观测数据，并通过无线通信将观测数据实时传回实验室。

图11 摘箬山岛海底观测网络试验平台示意图

2013年12月，浙江大学主持建设的国内首艘浮式海洋试验平台“华家池”号科学调查船通过专家组验收后正式交付使用。“华家池”号外形为小型半潜式平台，由甲板模块、四个立柱、两个浮箱以及系泊、供电、控制、信号等系统组成。平台总长19 m、宽15 m、高16 m，可浮于30~100 m水深。在平台上可进行多种海洋工程科研项目试验，主要包括风浪流测定、水下生产系统安装测试、海底管道与立管安装测试、风光互补试验、锚泊系统试验和海洋岩土工程试验等。

2.2.5 山东省科学院海仪所青岛胶州湾海底观测网

山东省科学院海洋仪器仪表研究所青岛胶州湾海底观测网于2009年正式立项建设，该观测网突破了海底观测网络架构、节点建设、能源输送、通讯与控制等关键技术，并在青岛胶州湾附近海域完成建设，其水下分布式传感网络系统通过光（电）缆与陆地连接，目前已完成了组网试验。

2.2.6 其他海洋环境立体监测系统

国家海洋局海洋立体监测系统主要用于我国海洋渔业资源与海上航运交通、海岸工程、海上安全防务等方面。沿海各省市自2000年以来，因地制宜地建立了一批海洋环境立体监测系统，主要包括海洋环境立体监测和信息服务系统上海示范区、台湾海峡立体监测系统等。青岛海洋大学的渤海观测系统依托石油钻井平台进行海底观测，由钻井平台提供系统电源，也具有部分海底系统的特性。

图12 国家海洋局海洋环境立体监测系统示意图

3 海底观测网络主要关键技术分析

3.1 海底接驳盒技术

海底接驳是海底观测网络技术中的重中之重，主要解决海底电能与信号传输、分配与管理等重大技术问题。海底接驳盒是对电能和数据信号进行集中转换和处理的中间环节，是海底观测网络中的重要单元，包括三大功能模块，一是电能转换、分配模块，二是信号处理、存贮和通信模块，三是观测设备插座模块。接驳盒一般由高压转中压电源腔、中压转低压电源腔、控制腔以及光电分离腔组成。

3.2 电能供给技术（高压直流输电）

电能是从岸基站通过海底电缆输送到海底的，输送电缆有一根主电缆与海底接驳盒相连。因为交流电的容抗对电能损耗大，所以为了在海底远距离传输电能，一般采用高压直流输电方式，主干缆输送电压一般在千伏量级甚至更高，有利于减少电能的损耗。电能供给技术也是海底观测网络建设必须重点突破的关键技术。

3.3 海底工程布设技术

海底系统的铺设和维修被世界各国公认为复杂的大型工程。如何保障海底铺设的工程质量以及对海底网络的常态化维护，是当前海底网络系统建设中的难题，海底工程布设成为须重点研究解决的关键技术之一。水深小于200 m海域的浅海缆线铺设一般采用埋设方式，而在深海则采用直接敷设。目前水力喷射式埋设是主要的埋设方法，埋设设备的底部有几排喷水孔，平行分布于两侧，作业时，每个孔同时向海底喷射出高压水柱，将海底泥沙冲开，形成海缆沟；铺设设备上部有一个导缆孔，用来引导电缆（光缆）到海缆沟底部后，由海底流将冲沟自动填平。敷设时敷缆机一般靠海缆自重敷设在海底表面。

4 发展海底观测网的建议

4.1 “网格化”布设海底观测网

现有的海底观测网中往往都是单条主缆构成，这就要求主缆要有极高的可靠性，现在的措施主要是加铠、掩埋等方式，但无法从根本上解决“主缆脆弱”的问题。如果采用“井”字形网格化主缆，整套系统不是单独的一个主缆，而是由多条主缆形成网格化布设。这样，即使其中一条或几条主缆损伤后，整个系统仍然可以通过剩余主缆进行通讯和供电，而不会对整个系统产生致命影响，因此可靠性将大大提高。

4.2 海底观测网预留标准接口

我国有很长的海岸线，依据不同的功能需求，将建设各种各样的海底观测网。因此，在观测网建立之初就需要设计一个标准数据接口（不管是硬件接口还是软件接口，海底接口还是水面接口），用于方便后期所有网络的接入和数据的共享。和平时期主要用于经济建设，战时可水下预警防御。

4.3 结合国情建设海底观测网络

我国渤海、黄海、东海海域的大部分属浅海，水深一般在100 m以下，南海水深大部分超过100 m。鉴于这种特殊的海底地形，海底观测网的建设需要因地制宜，根据使命任务需求和具体实际，从北到南建立相应的海底观测网络系统。

由于海底观测网络工程庞大、投入高，因此建设中应考虑军民结合、平战结合，军队国防系统和国民经济相关部门、科研院所、高校等通力合作，共同攻关，充分发挥海底观测网络的建设效益。

[1]上海海洋科技研究中心,海洋地质国家重点实验室.上海底观测:科学与技术的结合[M].上海: 同济大学出版社,2011.

[2]中国日照.海洋网络世界-神奇的海底观测站[N/OL].http://www,rz.gov.cn/kjjy/kxts/20040512153917.htm.2004-5- 12.

[3]梁钢华.中国首个海底观测示范系统在三亚海域建成[N/OL].http://news.xinhuanet.com/local/2013-05/31/c_11598 3672.htm.2013-5-31.

[4]王晨绯,郑千里.在此默默听海：中国首个深海海底观测网基地探秘[N/OL].http://news.ifeng.com/mil/2/detail_ 2013_03/26/23527801_o.shtml.[2013-3-26]