有纜海底觀測系統(tǒng)是將海洋觀測監(jiān)測調查儀器安裝在海底，采用海底光電復合纜(電纜)向海底觀測系統(tǒng)供應電能和收集信息，實現對海洋環(huán)境全天候、長期、連續(xù)的自動觀測。有纜海底觀測系統(tǒng)觀測范圍包括海底地殼深部、海底表面、海水水體及海面，觀測內容涉及物理、化學、地質和生物等多學科領域，該系統(tǒng)可應用于海洋基礎科學研究、資源與能源勘探開發(fā)利用、海洋災害預報預警、海洋環(huán)境保護以及航海與軍事海洋環(huán)境保障等領域，為科研和生產提供資源與能源的開發(fā)與利用，為海洋預報、海洋防災減災、海洋科學理論重大突破提供試驗平臺和技術支撐。
有纜海底觀測系統(tǒng)利用光電復合纜(電纜)傳輸電能和獲取海洋環(huán)境數據信息，可將各種海洋觀測、監(jiān)測、調查儀器設備聯(lián)網進行數據匯集，其功能打破了傳統(tǒng)海床基觀測系統(tǒng)、潛標觀測系統(tǒng)、移動觀測系統(tǒng)受制于能源和通信限制不能長時序獲取海洋數據的劣勢，實現了海洋環(huán)境長期、實時、連續(xù)的原位觀測。有纜海底觀測系統(tǒng)在大規(guī)模組網傳感器后，即組成了復雜的海底觀測網絡。海底觀測網絡的提出和實施，使得大范圍、長時間、連續(xù)、立體的海洋觀測成為可能，為深入了解地球內部的地質演變過程、海洋宏觀尺度物理化學變化、地震監(jiān)測、海嘯預報等科學研究提供了一種全新的研究途徑。
一、有纜海底觀測系統(tǒng)組成
典型的有纜海底觀測系統(tǒng)組成如圖1所示，由岸基站、光電復合纜(電纜)、主接駁盒、次接駁盒和科學儀器平臺組成。
圖1 有纜海底觀測系統(tǒng)組成
⒈岸基站
岸基站負責海底觀測系統(tǒng)的供電、電能管理、數據匯集處理、狀態(tài)顯示和存儲分發(fā)。岸基站配備直流電源，可將交流動力電轉換為海底觀測系統(tǒng)需要的高壓直流電，并通過海底光電復合纜(電纜)傳輸至水下主接駁盒，為主次接駁盒及其前端傳感器供電。岸基站配備有電能監(jiān)控系統(tǒng)，可實時監(jiān)控海底觀測網各設備的電流和電壓，及時發(fā)現并隔離故障。部署在岸基站服務器上的軟件系統(tǒng)具備分析處理觀測數據、存儲和數據發(fā)布功能。
⒉光電復合纜(電纜)
光電復合纜(電纜)負責水下電能傳輸和數據通信，是有纜海底觀測系統(tǒng)和整個海底觀測網的“血管”和“神經”。通常情況下，深遠海海底觀測網海纜必須采用光電復合纜來實現數據通信和電能傳輸，而近岸海底觀測網也有應用光電復合纜或電纜來實現數據通信和電能傳輸的功能。
⒊接駁盒
接駁盒是有纜海底觀測系統(tǒng)水下部分的核心，具備中繼和電能分配功能，按照電能變換層級可以將接駁盒劃分為主接駁盒和次接駁盒。一般來說，受限于水下光電連接器造價較高、電磁干擾影響接駁盒控制系統(tǒng)等因素，光電復合纜在進入主接駁盒前往往需要先進入光電分離艙，將光纖和電纜分開，光電分離后的纜線通過光電分離艙的后蓋，水密光、電連接器分別與主接駁盒連接。主接駁盒將岸基站供電電源的高壓直流電轉換為次接駁盒的輸入電壓，通過主接駁盒電水密連接器和水密電纜與次接駁盒連接，實現電能和數據的傳輸。通常情況下，一般采用水下遙控機器人(ROV)通過插拔水密連接器實現主、次接駁盒的連接。次接駁盒的主要功能是中繼和分配，通過次接駁盒將主接駁盒輸送過來的電能轉換為適用于科學傳感器的電壓。應用區(qū)域分布較廣的有纜式海底觀測系統(tǒng)在主接駁盒或海纜中會配備中繼器和分支器，用于海底數據通信信號放大和海底觀測系統(tǒng)分支。
⒋科學儀器平臺
科學儀器平臺可以根據應用領域搭載觀測、監(jiān)測、調查、物探和生物化學科學傳感器，如聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、波潮儀、溫鹽深傳感器(CTD)、海底地震儀(OBS)、多參數水質儀、聲吶以及水下顯微成像儀等，科學儀器平臺通過水密電纜與次接駁盒連接，實現了各類數據、圖像和視頻的實時連續(xù)觀測。
二、國外發(fā)展現狀
世界各國對于海底觀測的重視程度逐漸加強，自20世紀八九十年代開始，美國、加拿大、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)先后投入大量經費建設海底觀測系統(tǒng)。海底觀測系統(tǒng)也從有纜海底觀測試驗系統(tǒng)逐步發(fā)展為區(qū)域海底觀測網絡、大型海底觀測網絡，由單一的海嘯、地震、水文觀測要素逐漸擴展為物理、化學、生物、地球物理和地質等多要素綜合觀測，兼顧科學研究和軍事海洋領域應用。如近年來建成的美國海洋觀測計劃(OOI)體系下的區(qū)域海底觀測網，加拿大海洋觀測網(ONC)、日本海溝海底地震海嘯觀測網(S-net)均屬區(qū)域性海底觀測網。
⒈美國OOI
2016年，美國OOI全面建成使用，包括區(qū)域網(RSN)、近岸網(CSN)、全球網(GSN)三大部分。其中RSN為最主要的一部分，為有纜式海底觀測網，RSN投資金額接近1.5億美元，位于東太平洋胡安·德富卡板塊(Fuande Fuca)，定位為板塊尺度觀測網，主要針對觀測水圈、海氣界面和海底生物圈的各種過程。該系統(tǒng)由華盛頓大學負責運行，光電復合纜總長度900km，配備7個海底主接駁盒，布設于3000m水深位置，每個海底主接駁盒功率為8kW。
⒉日本S-net
繼地震海嘯密集海底網絡系統(tǒng)(DONET)后，日本于2015年建成了S-net，該觀測網總長度5700km，為直流恒流供電模式，由6大系統(tǒng)組成，每個觀測系統(tǒng)包括800km海纜和25個地震海嘯觀測點，每個觀測系統(tǒng)由2個岸基站進行供電和數據接收。該系統(tǒng)的布設加強了日本對地震和海嘯的預警能力。
三、國內發(fā)展現狀
國內有纜海底觀測系統(tǒng)的研發(fā)自本世紀初開始起步，典型的以同濟大學東海小衢山海底觀測系統(tǒng)、浙江大學摘箬山島海底觀測系統(tǒng)、中國科學院聲學研究所南海海底觀測網試驗系統(tǒng)、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(MACHO)等近岸小型海底觀測系統(tǒng)為代表。隨著有纜海底觀測系統(tǒng)技術日趨成熟，我國在2017年適時啟動了“國家海底科學觀測網項目”，在我國東海和南海構建大型海底科學觀測網，以提升我國海洋科學基礎研究能力。
⒈同濟大學海底觀測網
2009年，同濟大學在東海小衢山建立了中國第1個海底有纜試驗站，位于洋山國際深水港東南約20km的小衢山島附近。試驗站采用雙層鎧裝海底光電復合纜連接水密接插頭，實現能源自動供給和通信傳輸等。利用安裝在海洋平臺上的光伏電池為試驗站提供不間斷的能源供應。現場海洋觀測數據通過光電復合纜傳輸到平臺后，經碼分多址(CDMA)無線網絡實時發(fā)送到實驗室服務器。2017年，由同濟大學牽頭的“國家海底科學觀測網項目”正式立項，該項目計劃在我國東海和南海關鍵海域建設基于光電復合纜連接的海底科學觀測網，實現對我國邊緣海典型海域從海底到海面全方位、綜合性、實時的高分辨率立體觀測。
⒉臺灣MACHO海底地震及海洋物理觀測系統(tǒng)
2011年，臺灣地區(qū)建成MACHO海底地震及海洋物理觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在宜蘭縣向東南外海鋪設了1條全長45km的海底光電復合纜，并在約300m深的海底設置1個科學觀測節(jié)點，連接OBS、海嘯壓力計、CTD與水聽器等儀器設備，加強地震與海嘯活動的監(jiān)測，并長期提供海洋科學觀測數據。
⒊南海海底觀測網試驗系統(tǒng)
2016年，中國科學院聲學研究所在南海海域建成了南海海底觀測網試驗系統(tǒng)，通過光電復合纜為深海觀測平臺提供能源供給和通信傳輸鏈路，實現南海區(qū)域海底環(huán)境多參數實時、連續(xù)觀測。海底觀測系統(tǒng)離岸距離約200km，搭載CTD與ADCP，可實時采集觀測數據。
⒋中國海洋大學海洋牧場有纜海底觀測系統(tǒng)
近年來中國海洋大學組織研制了單節(jié)點式有纜海底觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依托海洋牧場養(yǎng)殖平臺開展近距離海洋環(huán)境在線監(jiān)測，具備水質、溫鹽以及視頻攝像等要素的在線觀測能力，并在山東省多個海洋牧場進行了示范應用。通過獲取的水下牧場圖像為漁業(yè)養(yǎng)殖提供技術支持，在海洋牧場水質監(jiān)測與漁業(yè)災害防治領域起到了科學示范作用。
⒌國家海洋技術中心蓬萊近岸海底觀測系統(tǒng)
2007年以來，國家海洋技術中心在國家“863”計劃、國家海洋公益性行業(yè)科研專項、海洋可再生能源專項支持下，開始研制有纜海底觀測系統(tǒng)。從初期短距離直流60V供電的單節(jié)點模式，逐步發(fā)展到220V交流輸電和375V直流輸電雙節(jié)點(類主、次接駁盒)并與海床基觀測平臺組網模式，由雙節(jié)點組網模式逐漸發(fā)展為多節(jié)點海底接駁盒(主、次接駁盒)組網。2018年，國家海洋技術中心在國家海洋公益性行業(yè)專項的支持下，在山東蓬萊近海海域建立了水下長期在線生態(tài)環(huán)境定量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1套主接駁盒和2套次接駁盒組成了一整套海底環(huán)狀觀測網絡。系統(tǒng)掛載了水文、水質、地震以及視頻觀測等多源傳感器，并對單極負壓供電技術、電能轉換及狀態(tài)監(jiān)控、海底接駁等關鍵技術進行了試驗驗證。經過多年的發(fā)展基本具備了有纜海底觀測系統(tǒng)研發(fā)及組網能力。
四、國內外技術進展對比
目前，美國、加拿大、日本等西方國家均已建成并運行有區(qū)域級海底觀測網，組網了大量的多源傳感器，并在離岸千米級公里開展了業(yè)務應用。國內海底觀測系統(tǒng)研發(fā)起步雖然較晚，但經過十余年的發(fā)展，已逐漸由單一海底觀測系統(tǒng)發(fā)展至系統(tǒng)組網，在一定程度上已經具備了組網海底觀測系統(tǒng)的能力，并啟動了區(qū)域級海底觀測網的建設工作。但在技術發(fā)展過程中，也存在一定的差距，如亟需突破高精度、高穩(wěn)定性的海洋傳感器和水下濕插拔連接器等關鍵核心技術，國內外主要技術進展比較見表1。
表1 國內外有纜海底觀測技術進展對比
五、有纜海底觀測系統(tǒng)關鍵技術分析
從有纜海底觀測系統(tǒng)功能組成來看，系統(tǒng)包括岸基站、光電復合纜、接駁盒(主、次)和科學儀器集成平臺，系統(tǒng)開發(fā)過程中涉及到供電技術、接駁盒結構設計、狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷隔離技術、信息傳輸與管理等關鍵技術。
⒈供電技術
現階段，海底觀測系統(tǒng)在國際上通用的是單極負壓直流供電模式。采用此種供電方式原因如下：岸基站通過光電復合纜對海底接駁盒進行供電，傳統(tǒng)的輸電形式分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)。相比直流輸電，長距離交流輸電中電纜容抗較大，容易導致無功功率損耗，需要串聯(lián)電容補償器以消除無功損耗。海底觀測系統(tǒng)供電采用直流輸電形式不受容抗和感抗的影響，只考慮電阻損耗即可。另一方面，因交流輸電功率與相位角關聯(lián)，當供電系統(tǒng)有擾動時，供電功率不穩(wěn)定，同時長距離輸電將增加阻抗，降低輸送功率，為提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性必須串聯(lián)電容補償減少阻抗，增加串聯(lián)電容將增加輸電線路成本。綜上，海底觀測系統(tǒng)采用直流輸電可以降低能量損耗和成本。
直流輸電系統(tǒng)分為單極供電和雙極供電。單極供電模式利用1根電纜和海水組成回路，結構簡單，雙極供電是通過2根線纜分別傳輸電能。從穩(wěn)定性上來講，雙極供電穩(wěn)定性較好，若1根線纜發(fā)生故障可以通過單極供電實現輸電。由于雙極供電需要2根電纜，應用于長距離海底觀測系統(tǒng)上，不具備成本優(yōu)勢，一般在近岸短距離時可采用雙極供電模式。單極供電采用單導體線纜不但可以降低海纜成本，同時也降低了線路的損耗。單極供電分為正極性供電和負極性供電，海底觀測系統(tǒng)一般采用負極性供電，負極性供電采用海水作為正極，單根電纜作為負極，即在海底接駁盒上設置陰極(鍍鉑鈦材質)，岸基站設置陽極(高硅鉻鐵)，實現單極負壓供電，這種供電模式可以避免正壓供電導致海底接駁盒成為陽極，出現機械結構快速腐蝕的問題。
從供電形式上區(qū)分，直流供電還分為恒流供電和恒壓供電，2種供電形式在國內外海底觀測系統(tǒng)均有應用，也具有各自的優(yōu)缺點。例如，恒流供電模式抗故障能力較強，如海纜出現短路故障，電流恒定不變可以保障海底接駁盒和后端觀測儀器正常工作；恒壓供電模式對于海底觀測系統(tǒng)的擴展有較強優(yōu)勢，適合大規(guī)模海底觀測網應用，但抗故障能力較弱。比較2種供電模式各自特點，從擴展海底觀測網應用范圍角度考慮，直流恒壓供電系統(tǒng)在大規(guī)模海底觀測網建設上更具優(yōu)勢。
目前，國內外較為通用的有纜海底觀測系統(tǒng)(網絡)岸基站供電電壓為10kV或2kV(長距離輸電適用)，供電電壓依據離岸距離確定，也有部分輸電距離較短的近岸海底觀測系統(tǒng)采用−375V直流輸電。電能輸送至水下后通過光電分離和電能變換為接駁盒數據采集監(jiān)控及后端多源傳感器供電。
⒉接駁盒結構設計
接駁盒結構設計即接駁盒的密封、耐壓、散熱設計，抗傾覆設計，防腐蝕設計，防生物附著設計以及防漁業(yè)拖網設計。其中，密封耐壓設計是海底接駁盒性能的基礎性保障。在散熱設計方面，因高壓(超高壓)至中低壓轉變過程中，約10％的電能轉變?yōu)闊崮埽貏e是在超高壓輸電過程中，接駁盒艙內溫度會較高，極易導致艙內機電元器件壽命減損。為解決艙內散熱問題，目前海底觀測系統(tǒng)按照電能損耗分析，可以借助接駁盒機械結構、艙體和海水構成熱通路及時散熱；對于超高壓供電大規(guī)模海底觀測網，則多采用電源艙沖油浸泡配合使用氣體補償器解決電源艙散熱問題。
⒊狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷隔離技術
接駁盒通過長距離的海纜連接下一級設備，擴展設備種類眾多，容易發(fā)生短路等故障，同時，接駁盒供電也面臨諸多故障。大部分故障是由不同系統(tǒng)的接駁導致，所以在各個獨立的接駁端口進行故障診斷和隔離可有效降低故障對整個系統(tǒng)的影響，盡可能提高接駁盒供電整體可靠性。采用模塊化設計的接駁盒，盡可能對每一部分進行狀態(tài)監(jiān)控和故障隔離，是保障快速查找故障原因的有效途徑。例如，接駁盒最常見的供電故障主要包括過壓故障、過流故障和接地故障，當監(jiān)測到接駁盒內部某一路供電異常故障情況時，通過遠程監(jiān)控可以自動強制供電隔離，保障其他傳感器和供電線路正常工作。
⒋信息傳輸和管理
對通信及控制信號的處理、貯存、傳輸與管理是接駁盒的關鍵任務，海底觀測系統(tǒng)通過前端傳感器獲取觀測、監(jiān)測和調查數據，這些傳感器數據通過水密接插件傳送至接駁盒，由接駁盒存儲和處理后，發(fā)回岸基站；同時控制信號通過光電復合纜傳輸到海底接駁盒中，由海底接駁盒中的管理和控制主控電路模塊、通信模塊進行處理，最后將可用的控制信號通過水密接插件分別傳輸到各個傳感器中，從而實現信息傳輸和管理工作。
六、有纜海底觀測系統(tǒng)應用場景和衍生服務分析
有纜海底觀測系統(tǒng)與海床基座底觀測系統(tǒng)的最大區(qū)別是可在線獲取海洋數據，在科學研究、海洋觀測、水下探測及目標識別、生態(tài)預警監(jiān)測以及海洋牧場漁業(yè)養(yǎng)殖等方面具有顯著的優(yōu)勢，系統(tǒng)可依托海上工程平臺、岸基海洋觀測站點建設，具備多源傳感器擴展的功能。
在科學研究方面，我國海域遼闊，具有海陸相互作用強、泥沙含量高、海水渾濁度大、生態(tài)災害頻發(fā)、地球動力活躍、資源豐富、海底災害多和人類活動影響大的特點，通過傳統(tǒng)的岸海空天觀測平臺難以獲取第一手原位觀測資料，應用有纜海底觀測系統(tǒng)，可有效針對海陸物質交換與生態(tài)效應、海水運動與海底穩(wěn)定性、海域碳循環(huán)過程、海底地震與海底流體研究、板塊構造、多尺度動力過程與能量物質輸送機理、天然氣水合物的形成演化機理及其生態(tài)環(huán)境效應、海洋多尺度動力過程、海底沉積過程、海洋聲場變化規(guī)律研究等海洋基礎科學開展研究。
在海洋地震、海嘯、地質監(jiān)測應用方面，通過應用有纜海底觀測系統(tǒng)組網地震、海嘯(壓力)傳感器，可實時對海嘯、地震進行監(jiān)測和預警，有益于提升我國預警自然災害的能力。
在生態(tài)預警監(jiān)測方面，有纜海底觀測系統(tǒng)可針對滸苔、綠潮、赤潮、水母、毛蝦等致災海洋生物聚集引發(fā)的海洋環(huán)境污染、核電站冷源取水口堵塞等相關生態(tài)災害進行在線監(jiān)測，相較航次調查、無人機遙測等手段，更具優(yōu)勢。
在海洋觀測方面，通過有纜海底觀測系統(tǒng)可獲取剖面海流、波浪、潮位、溫、鹽等連續(xù)實時的海洋動力要素，為長期離岸海洋觀測數據的獲取提供了新的途徑。
數字化和智能化是未來海洋觀測領域的重要發(fā)展方向。通過有纜海底觀測系統(tǒng)獲取的原位觀測數據衍生的服務產品種類較多，在應用方面可以通過物理海洋數值模式進行海洋預報，對致災海洋生物、海冰的漂移路徑進行預測分析；通過機器學習構建生態(tài)災害預警模型；在智慧水利、智慧水文、水源地監(jiān)測中構建泥沙輸移動力學模型和水質預測模型等，服務于經濟社會發(fā)展。
七、我國有纜海底觀測系統(tǒng)關鍵技術突破方向
相較于美國、加拿大、日本等先進的區(qū)域海底觀測系統(tǒng)，我國有纜海底觀測系統(tǒng)的研發(fā)還存在一定的差距，應著重從以下3個方面開展突破：
⑴突破水下濕插拔連接器技術壁壘。我國科技人員經過多年的科技攻關，基本實現了水密干插拔連接器的國產化。但濕插拔連接器目前是海洋領域核心“卡脖子”技術，國內海底觀測系統(tǒng)應用的濕插拔連接器主要生產商為西門子公司和ODI公司的產品，亟需加大自主研發(fā)科技攻關力度和投入，加速推進水下濕插拔連接器國產化進程，避免我國深海探測核心器件受制于人。
⑵開發(fā)適用于長期工作的高可靠性水下傳感器技術，延長水下傳感器維護周期。有纜海底觀測系統(tǒng)及網絡長期布設在海底環(huán)境中，較岸站設備、浮標觀測設備的維護存在維護成本高、作業(yè)難度大的風險，開發(fā)適用于海底環(huán)境的高可靠性、維護周期長、高穩(wěn)定性的傳感器是未來海底觀測傳感器的發(fā)展趨勢。
⑶發(fā)展與研究海洋觀測大數據處理技術，利用人工智能實現觀測數據的深度挖掘，通過數據衍生服務助力海洋經濟產業(yè)發(fā)展。當今世界是信息爆炸的時代，開展海洋觀測數據和海底觀測數據的多源異構融合，充分運用人工智能等技術手段拓展海洋大數據應用領域，從而服務于海洋防災減災、科學研究等領域。
八、發(fā)展建議
海底有纜觀測系統(tǒng)作為海洋觀測的第三大平臺，愈來愈受到世界先進海洋國家的高度重視。我國在發(fā)展過程中，需要充分借鑒國外的先進經驗，為國家海洋權益維護、海洋防災減災、海洋生態(tài)環(huán)境保護與修復、海洋資源開發(fā)利用等提供高質量的科學數據支撐。
⑴加強我國有纜海底觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和頂層設計。立足國家當前和未來對有纜海底觀測系統(tǒng)的宏觀需求，制定有纜海底觀測系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和實施計劃，適應新需求和技術發(fā)展趨勢，加強海底有纜在線觀測和岸基、海基、空基等傳統(tǒng)觀測手段的深入融合，把有纜海底觀測系統(tǒng)發(fā)展納入國家海洋觀測網發(fā)展規(guī)劃和業(yè)務化海洋觀測體系。借鑒國外有纜海洋觀測系統(tǒng)發(fā)展經驗，不斷更新和完善需求論證，持續(xù)優(yōu)化有纜觀測系統(tǒng)頂層設計，提升觀測能力。
⑵加強有纜海底觀測儀器裝備的原創(chuàng)性基礎性創(chuàng)新。提高儀器設計、結構、材料及輔助通用(通信、能源、防護)等基礎技術的自主創(chuàng)新能力，實現核心技術自主可控，形成具有自主特色的高可靠性、低功耗及低成本的拳頭產品。加快技術與應用的結合，實現應用需求和產品優(yōu)化的快速迭代。
⑶研發(fā)不同需求下的差異化有纜在線監(jiān)測裝備。加強產學研用的聯(lián)合互動，對儀器開發(fā)、應用推廣、維護服務等各個階段給予支持，針對不同場景的應用需求，研發(fā)差異化有纜在線監(jiān)測裝備。加強國際合作與交流，積極參與全球有纜海底觀測計劃，提升我國在全球海洋觀測領域的影響力。
⑷拓展有纜海底觀測數據應用領域。系統(tǒng)開展有纜海底數據采集匯聚、融合分析和智能挖掘，建立有纜海底在線觀測數據庫和專題保障系統(tǒng)，開發(fā)海洋高質量數據產品以滿足不同海上活動需求。
