呂　楓，周懷陽(yáng)

（同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

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纜系海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)研究進(jìn)展

呂楓，周懷陽(yáng)

（同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

摘要:纜系海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)將成為海洋學(xué)研究的一個(gè)重要工具。本文綜述了纜系觀測(cè)網(wǎng)中的海底高壓直流輸配電、海底高壓高頻直流變換、海底遠(yuǎn)程電力監(jiān)控、海底遠(yuǎn)距離信息傳輸和海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)等五大關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，介紹了國(guó)內(nèi)外纜系觀測(cè)網(wǎng)的研究進(jìn)展，并展望了未來(lái)科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:纜系海底觀測(cè)網(wǎng)；高壓直流輸配電；高壓高頻直流變換；遠(yuǎn)程電力監(jiān)控；遠(yuǎn)距離信息傳輸；原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)

周懷陽(yáng)（1961-），男，博士，教授，研究方向?yàn)楹Ｑ蠡瘜W(xué)。E-mail: zhouhy@#edu.cn

引言

海洋對(duì)全球環(huán)境和氣候變化影響巨大，理解深海大洋的運(yùn)行機(jī)理是人類文明發(fā)展的關(guān)鍵。理解的基礎(chǔ)是觀測(cè)，要從現(xiàn)象描述發(fā)展到機(jī)理探索和環(huán)境預(yù)測(cè)，就需要有目的地針對(duì)復(fù)雜的海洋過(guò)程開(kāi)展長(zhǎng)期觀測(cè)，才能更好地理解已運(yùn)行數(shù)十億年的深海大洋［1-3］。傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)方式主要是船基考察，但受制于船時(shí)和天氣等因素，船基考察只能是斷斷續(xù)續(xù)或者零零散散的。衛(wèi)星遙測(cè)遙感對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面和海面觀測(cè)的長(zhǎng)期性與連續(xù)性，但無(wú)法穿透巨厚的海水直接觀測(cè)深海海底。通過(guò)船只布放的自容式或錨系式的著底器只能支持少量海底設(shè)備的短期供電，無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，還需要較為頻繁的定期維護(hù)［4］。各類水下運(yùn)載器是深海環(huán)境探測(cè)的有力工具，能夠揭示深海大洋的多樣性和復(fù)雜性，但由于仍然是依靠自帶的電池供電，無(wú)法長(zhǎng)期蹲守深海［5， 6］。

針對(duì)長(zhǎng)期、原位、實(shí)時(shí)和高分辨率觀測(cè)的科學(xué)需求，纜系海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱“觀測(cè)網(wǎng)”）將成為海洋學(xué)研究的一個(gè)重要工具。觀測(cè)網(wǎng)是能夠長(zhǎng)期持續(xù)提供電力和通信服務(wù)的海底科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)光電復(fù)合通信海纜將電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)直接從陸地延伸到海底，從而解決大量原位觀測(cè)設(shè)備在海底長(zhǎng)期運(yùn)行面臨的持續(xù)電能供給和海量數(shù)據(jù)傳輸兩大難題，可實(shí)現(xiàn)從海底直接對(duì)深海大洋特定區(qū)域的物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等過(guò)程進(jìn)行高分辨率的原位實(shí)時(shí)觀測(cè)。觀測(cè)網(wǎng)既能向下觀測(cè)海底以下的海洋，又可通過(guò)錨系向上觀測(cè)大洋水層，還可通過(guò)水下接駁塢連接各種活動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，從而擺脫了傳統(tǒng)海洋研究方式的種種局限，使科學(xué)家可在岸上實(shí)驗(yàn)室里實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深海實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)海底風(fēng)暴潮、火山噴發(fā)、地震、海嘯、滑坡和赤潮等各種突發(fā)事件，從根本上改變?nèi)祟愓J(rèn)識(shí)海洋的途徑［1， 7， 8］。

針對(duì)觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)性研究和應(yīng)用主要始于本世紀(jì)初，近年來(lái)受到各主要發(fā)達(dá)國(guó)家的日益重視，目前國(guó)外有一些規(guī)模大小不等的觀測(cè)網(wǎng)已在運(yùn)行或建設(shè)中。我國(guó)的觀測(cè)網(wǎng)研究比美國(guó)、加拿大、日本和歐洲的起步略晚。國(guó)內(nèi)涉海單位已開(kāi)展多年的關(guān)鍵技術(shù)積累和組網(wǎng)裝備研制，合作建設(shè)的東海和南海小規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)已部分試運(yùn)行或開(kāi)展海試，“國(guó)家海底長(zhǎng)期科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)”大科學(xué)工程也即將啟動(dòng)建設(shè)。

1　觀測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外觀測(cè)網(wǎng)的總體物理結(jié)構(gòu)基本如圖1所示，由各類原位觀測(cè)傳感器/儀器/機(jī)器人、觀測(cè)儀器適配器（Science Instrument Interface Module，SIIM，也即次接駁盒）、海底主基站（即主接駁盒）、光電復(fù)合通信海纜（安裝有海底中繼器和海底分支器）、海岸基站和遠(yuǎn)程控制中心等部分組成，其主干基礎(chǔ)設(shè)施按功能可分為電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)兩大部分，具有供電、通信、監(jiān)控和授時(shí)四大功能。其中，SIIM與各類傳感器和儀器可組成觀測(cè)儀器平臺(tái)，通常針對(duì)特定的科學(xué)目標(biāo)，代表一個(gè)較為集中的海底觀測(cè)節(jié)點(diǎn)。

圖1　觀測(cè)網(wǎng)的總體物理結(jié)構(gòu)圖片來(lái)源: 文獻(xiàn)［9］。

觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行周期通常要求在25年以上，且主干網(wǎng)核心部件基本要求免更換和免維護(hù)。而觀測(cè)網(wǎng)主要位于海底，特別是深海海底，特殊的地理位置加上天氣、海況和船時(shí)的限制，導(dǎo)致其研制、布放和維修的難度大、周期長(zhǎng)、成本高。組網(wǎng)設(shè)備的可靠性要求越高，則研制和試驗(yàn)的成本越高，而預(yù)算通常是較為有限的，因此必須從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面折中考慮?？梢?jiàn)，大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而其總體設(shè)計(jì)原則是，在滿足科學(xué)需求的前提下，確保足夠的可靠性、靈活性和擴(kuò)展性，并盡量降低其運(yùn)行周期內(nèi)全壽命成本，即建設(shè)和維護(hù)維修的總成本。由于觀測(cè)網(wǎng)在海底特殊環(huán)境下運(yùn)行，存在較高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和工程風(fēng)險(xiǎn)，而解決觀測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是降低各類風(fēng)險(xiǎn)的前提條件。

1.1海底負(fù)高壓直流輸配電技術(shù)

觀測(cè)網(wǎng)的核心電力裝備主要有海底主基站高壓直流變換器、海纜、電切換型分支器和岸基高壓直流饋電設(shè)備（Power Feeding Equipment，PFE），采用在跨洋通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)單極光電復(fù)合通信海纜，因此其適合采用的電力系統(tǒng)總體方案為：負(fù)高壓?jiǎn)螛O直流輸電，以海水作為電流回路；PFE為電壓源，與海底負(fù)荷并聯(lián)供電［10］。從系統(tǒng)角度上看，海底電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于觀測(cè)網(wǎng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，并直接影響其科學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)，必須在設(shè)計(jì)和運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中引起足夠的重視。因此，為盡量降低觀測(cè)網(wǎng)出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)階段必須對(duì)核心電力裝備進(jìn)行合理的建模，分析觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，以及各種系統(tǒng)參數(shù)對(duì)海底電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并在運(yùn)行階段實(shí)時(shí)監(jiān)控其關(guān)鍵環(huán)節(jié)的狀態(tài)。

相對(duì)于較為成熟的陸地電力系統(tǒng)，觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)具有獨(dú)特的系統(tǒng)架構(gòu)、較低的可觀測(cè)性和可達(dá)性，采用輸電電壓為負(fù)高壓的直流分布式電力系統(tǒng)（Direct Current Distributed Power System，DC DPS），并由海底主基站和SIIM將高壓直流電逐級(jí)降壓變換為科學(xué)儀器運(yùn)行所需的低壓直流電。DC DPS的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、直流變換器密集和負(fù)載對(duì)電網(wǎng)影響較大［11， 12］。目前DC DPS主要應(yīng)用于小規(guī)模的中低壓系統(tǒng)，早期應(yīng)用以國(guó)際空間站為代表［13］。高級(jí)運(yùn)載工具采用電力驅(qū)動(dòng)可提高系統(tǒng)性能和可靠性，并提高燃油使用率和減少?gòu)U氣排放，因此近年來(lái)各類多電或全電運(yùn)載工具受到越來(lái)越多的關(guān)注［14， 15］，如空天領(lǐng)域的空間站和多電飛機(jī)［13， 16］、海洋領(lǐng)域的全電航母艦船和水下運(yùn)載器［17］、地面領(lǐng)域的電力機(jī)車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)［18， 19］等。此外，還有針對(duì)工業(yè)系統(tǒng)和商業(yè)設(shè)備采用DC DPS的初步研究［20， 21］。上述DC DPS的主要特點(diǎn)是電壓相對(duì)較低，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其思路和方法對(duì)于觀測(cè)網(wǎng)DC DPS的設(shè)計(jì)和分析具有借鑒意義。

根據(jù)科學(xué)需求，觀測(cè)網(wǎng)的海纜總長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千公里（通信海纜的線阻相對(duì)較大），海底主基站可達(dá)數(shù)十個(gè)以上，儀器平臺(tái)可達(dá)數(shù)百個(gè)，輸電電壓可高達(dá)數(shù)千伏，電網(wǎng)拓?fù)淇蔀閺?fù)雜的網(wǎng)形結(jié)線，因此觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)應(yīng)為當(dāng)前世界上實(shí)際應(yīng)用中最高電壓和最大規(guī)模的一類DC DPS［22］。根據(jù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的原則，文獻(xiàn)［23］初步分析了觀測(cè)網(wǎng)最大傳輸功率的限制因素，提出合理設(shè)計(jì)海底變換器的輸入濾波器可提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［24］初步分析了觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素，提出在海底變換器的輸入側(cè)并聯(lián)調(diào)節(jié)器可提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［25］和［26］介紹了NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)思路和繼電保護(hù)方案。文獻(xiàn)［27］在組網(wǎng)設(shè)備的研制過(guò)程中分析了東海觀測(cè)試驗(yàn)網(wǎng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性?？傮w上，針對(duì)規(guī)模較大和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的海底負(fù)高壓DC DPS，尚需深入研究其直流輸配電中的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性和電力運(yùn)行穩(wěn)定性，盡量降低組網(wǎng)設(shè)備大規(guī)模互聯(lián)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.2海底高壓高頻直流變換技術(shù)

海岸基站PFE將陸地電網(wǎng)提供的工頻交流電變換為負(fù)高壓直流電，通過(guò)主干海纜、電切換型分支器和分支海纜給各個(gè)海底主基站內(nèi)的高壓直流變換器供電，并由高壓直流變換器將數(shù)千伏以上的高壓直流電降壓變換為SIIM所需的數(shù)百伏的中壓直流電，再由SIIM將中壓直流電降壓變換為各類觀測(cè)設(shè)備所需的48V以內(nèi)的低壓直流電，因此觀測(cè)網(wǎng)采用的是級(jí)聯(lián)式直流變換方案。

海底主基站內(nèi)的高壓高頻直流變換器是研制難度較大和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高的核心電力裝備之一，其功能類似于陸地電網(wǎng)中主變電站的角色。由于海底設(shè)備須具有緊湊的體積和極高的可靠性，該變換器適合采用電能變換效率較高的高頻開(kāi)關(guān)直流變換技術(shù)，以提高功率密度和降低發(fā)熱損耗，且有利于延長(zhǎng)工作壽命。在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，海纜實(shí)際電壓隨著海底負(fù)荷大小變化而變化，因此要求該變換器具有較寬的輸入電壓范圍，通常其最低輸入電壓約為觀測(cè)網(wǎng)最高運(yùn)行電壓的一半［23］。由于各個(gè)海底高壓變換器的輸入側(cè)并聯(lián)，為了降低故障傳播的概率，其輸入側(cè)和輸出側(cè)應(yīng)采用變壓器隔離，以提高整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行可靠性?？梢?jiàn)，該變換器的基本特點(diǎn)是：輸入電壓高且輸入電壓范圍寬；輸出電壓較高且輸出功率大；輸入側(cè)和輸出側(cè)隔離；高功率密度和高可靠性。

對(duì)于高頻直流變換器而言，觀測(cè)網(wǎng)提供的輸入電壓等級(jí)已很高，當(dāng)前國(guó)際上該類高壓高頻直流變換器只在觀測(cè)網(wǎng)上有初步應(yīng)用，而在陸地實(shí)際工程中極為罕見(jiàn)。國(guó)外主要由美國(guó)宇航局下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室作了前期研究，采用雙管正激變換器作為基本模塊（Power Electronics Building Block，PEBB），通過(guò)多模塊組合式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓直流變換［28］。近年來(lái)，浙江大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等單位也對(duì)此作了相關(guān)研究。浙江大學(xué)將多個(gè)采用雙管正激拓?fù)涞腜EBB通過(guò)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input-Series Output-Parallel，ISOP），實(shí)現(xiàn)高壓直流變換［29］。同濟(jì)大學(xué)則研究了單模塊直流變換和組合式直流變換兩類方案并分別研制了樣機(jī)：前者選擇高壓IGBT作為功率器件，采用移相控制全橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)高壓直流變換；后者選擇低壓MOSFET作為功率器件，將多個(gè)采用同移相角控制的全橋拓?fù)銹EBB通過(guò)輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)（Input-Series Output-Series，ISOS），實(shí)現(xiàn)高壓直流變換?？傮w上，前者結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高和功率大，主要難點(diǎn)是高效緊湊的高壓高頻電路和可靠的高壓?jiǎn)?dòng)與輔助電路，通常采用整機(jī)冗余備份方案；后者結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要優(yōu)點(diǎn)是變換效率和功率密度略高，主要難點(diǎn)是輸入輸出動(dòng)態(tài)均壓均流控制和故障模塊在線快速隔離，通常采用模塊冗余備份方案。這兩種主要的海底高壓高頻直流變換器方案如圖2所示。

圖2　兩種主要的海底高壓高頻直流變換器設(shè)計(jì)

1.3海底遠(yuǎn)程電力監(jiān)控技術(shù)

觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)的基本要求是保證持續(xù)可靠地供電，但由內(nèi)因或外因?qū)е碌囊馔夤╇娭袛嗖豢杀苊狻?nèi)因主要是核心電力裝備的質(zhì)量問(wèn)題，外因主要有漁業(yè)拖網(wǎng)、船舶拋錨、魚(yú)類撕咬和地質(zhì)災(zāi)害等，此外還有人為因素。為了確保觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，除了必須在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展仔細(xì)的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和模型模擬外，還需要在運(yùn)行階段實(shí)時(shí)監(jiān)控并在線分析其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，針對(duì)觀測(cè)網(wǎng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)海底遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)（Power Monitoring And Control System，PMACS），采用合適的控制策略完成陸地電網(wǎng)中能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）和監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的相關(guān)功能［30］，而通過(guò)EMS/SCADA提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵是引入合適的電網(wǎng)分析算法［31］。除了陸地電網(wǎng)，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的EMS/SCADA還被應(yīng)用于服務(wù)器集群、建筑物內(nèi)部環(huán)境、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池系統(tǒng)和微電網(wǎng)等領(lǐng)域，以提高電能利用率和運(yùn)行可靠性。

由于體積受限，標(biāo)準(zhǔn)海纜、海底中繼器和海底分支器內(nèi)通常無(wú)法安裝遙測(cè)和遙信單元，只有海岸基站和海底主基站具有電壓和電流測(cè)量功能，因此無(wú)法直接測(cè)量主干網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如分支器）處的潮流狀態(tài)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。相對(duì)陸地電力系統(tǒng)，海底電力系統(tǒng)具有較低的可觀測(cè)性，特殊地理位置又使其具有較低的可達(dá)性，必須在這種低可觀測(cè)性和可達(dá)性的情況下確保海底電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。此外，觀測(cè)網(wǎng)中的海底通信系統(tǒng)不但傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)，還承擔(dān)電力通信功能，也可能間接導(dǎo)致海底電力系統(tǒng)的崩潰。目前世界上觀測(cè)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)還較少，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單［32-35］，由于科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)具有良好的擴(kuò)展性，這些觀測(cè)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)將會(huì)逐漸增加，其電力系統(tǒng)的復(fù)雜度也會(huì)隨之提高，如原NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)中具有46個(gè)海底主基站組成網(wǎng)型拓?fù)洌?6］。因此，PMACS需要能夠適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的觀測(cè)網(wǎng)。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究還較少，國(guó)外主要由美國(guó)華盛頓大學(xué)等單位研究了觀測(cè)網(wǎng)的監(jiān)控算法［26， 30， 37-40］，國(guó)內(nèi)主要是浙江大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等單位研究了組網(wǎng)設(shè)備的電能監(jiān)控軟硬件［41， 42］。

觀測(cè)網(wǎng)PMACS的核心功能是海底電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析與控制，主要包括數(shù)據(jù)采集、負(fù)載管理和電網(wǎng)分析三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由若干功能模塊組成。PMACS以數(shù)據(jù)采集、報(bào)警處理、命令發(fā)送和人機(jī)界面等基本模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理、狀態(tài)估計(jì)和故障處理等高級(jí)功能，以準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)，提供系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)策，保障觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制的穩(wěn)定性和可靠性［43］。此外，觀測(cè)網(wǎng)需要采用電切換型分支器實(shí)現(xiàn)海纜分段繼電保護(hù)，這是從系統(tǒng)層面提高觀測(cè)網(wǎng)整體可靠性和可用性的重要方案。海岸基站的通信監(jiān)控設(shè)備通過(guò)光脈沖編碼來(lái)切換分支器內(nèi)多個(gè)繼電器的狀態(tài)，閉合相應(yīng)的繼電器可連接主干海纜和分支海纜，斷開(kāi)相應(yīng)的繼電器則可隔離發(fā)生故障的海纜或海底主基站?？梢?jiàn)，分支器的運(yùn)行不能依賴海底主基站的供電，其內(nèi)部電路需要直接從主干海纜取電，且其繼電器狀態(tài)只受岸基光信號(hào)指令的控制。在維修情況下，須控制繼電器將故障海纜段連接到分支器的海地端，以確保維修船上的人員安全。

1.4海底遠(yuǎn)距離信息傳輸技術(shù)

目前遠(yuǎn)距離大容量的數(shù)據(jù)傳輸基本采用光纖作為數(shù)字信號(hào)傳輸媒介，觀測(cè)網(wǎng)采用的海纜光纖通信系統(tǒng)可分為有中繼和無(wú)中繼兩類。由于光信號(hào)在光纖中具有傳輸損耗，超過(guò)400km的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸通常需要采用有中繼的海纜通信系統(tǒng)。在有中繼系統(tǒng)中，兩套海岸基站PFE分別在海纜兩端通過(guò)海纜內(nèi)的銅導(dǎo)體給光中繼器以恒流模式供電，每隔100km左右重建光纖數(shù)字信號(hào)的幅度和波形。小規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)可采用無(wú)中繼系統(tǒng)，而中大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)由于需要覆蓋較大范圍的海底區(qū)域，須采用有中繼系統(tǒng)。

由于海底光中繼器的體積和可靠性限制，有中繼系統(tǒng)中通常只容納1—6對(duì)光纖，每對(duì)光纖均可承載上波和下波。目前海纜通信系統(tǒng)一般采用密集波分復(fù)用（Dense Wavelength-Division Multiplexing，DWDM）技術(shù)，使得單個(gè)商業(yè)海纜通信系統(tǒng)的通信容量可高達(dá)數(shù)十Tb/s，其采用的光分插復(fù)用（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）分支器可使所有海底主基站能共享同一光纖對(duì)的容量，從而克服了光纖對(duì)數(shù)對(duì)海底主基站個(gè)數(shù)的限制。由于體積限制，目前單個(gè)海底主基站的最大通信帶寬通常為2-10Gb/s。海底光中繼器中應(yīng)用比較成熟的是摻餌光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA），其正常工作需要泵浦激光器、波分復(fù)用器和摻餌光纖。泵浦激光器給增益介質(zhì)提供激勵(lì)能源，在EDFA中常用980nm和1480nm波段。波分復(fù)用器為三端口器件，把泵浦激光和信號(hào)光耦合到同一根光纖中傳輸。摻餌光纖是EDFA的增益介質(zhì)，吸收泵浦激光后餌離子會(huì)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)信號(hào)光光子經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生與信號(hào)光光子同頻率、同方向和同偏振的光子，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大。

目前商用海纜通信系統(tǒng)的各個(gè)海纜終端均在陸地上，海底中繼器和海底分支器均采用兩端恒流供電模式從海纜中直接串聯(lián)取電，單個(gè)海底中繼器或海底分支器的供電電壓通常僅為數(shù)十伏，供電電流通常約為0.65A。而科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)采用恒壓模式供電，海底負(fù)荷多且功耗大，如單個(gè)海底主基站的最大功率可達(dá)近10kW，即超過(guò)一個(gè)中美跨洋通信海纜系統(tǒng)的負(fù)荷總功率，且海纜的輸電電壓高、電流變化范圍寬，可從0.1A直至10A。因此，必須改進(jìn)傳統(tǒng)恒流模式供電的海底中繼器和海底分支器內(nèi)部的電路和結(jié)構(gòu)，使兩者能滿足觀測(cè)網(wǎng)寬電流范圍運(yùn)行的需求，導(dǎo)致兩者內(nèi)部電路的電氣應(yīng)力大大提高，這是目前觀測(cè)網(wǎng)遠(yuǎn)距離信息傳輸技術(shù)中的難點(diǎn)之一。此外，海底中繼器和海底分支器在恒壓模式下的啟動(dòng)機(jī)制和電切換方式與傳統(tǒng)恒流模式不同。在兩端供電的恒流模式下，全網(wǎng)海底中繼器和海底分支器均同時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉；而在恒壓模式下，所有海底分支器處于初始斷開(kāi)狀態(tài)，需要在供電電壓逐級(jí)傳遞下實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)切換。

1.5海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

觀測(cè)儀器是觀測(cè)海洋現(xiàn)象和測(cè)量海洋要素的基本工具，而海底長(zhǎng)期原位觀測(cè)是未來(lái)海洋科技領(lǐng)域的發(fā)展方向。在觀測(cè)網(wǎng)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)海洋儀器通常為低功耗和自容式設(shè)計(jì)，功能極為有限，但在離線式海洋探測(cè)中發(fā)揮了重要作用。隨著觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展，近幾年針對(duì)復(fù)雜科學(xué)儀器的研究逐漸起步，總體趨勢(shì)是將實(shí)驗(yàn)室直接布設(shè)在海底，建立滿足特定科學(xué)需求的海底原位實(shí)驗(yàn)室。原位實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)是科學(xué)功能強(qiáng)大，智能化程度高，可靈活地遠(yuǎn)程操作和配置，將大大促進(jìn)對(duì)海洋復(fù)雜運(yùn)行機(jī)理的探索。原位實(shí)驗(yàn)室通常對(duì)供電功率和通信帶寬有較高的要求，可充分發(fā)揮觀測(cè)網(wǎng)持續(xù)充裕供電和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)［44］。

管理美國(guó)蒙特雷灣加速研究系統(tǒng)（Monterey Accelerated Research System，MARS）試驗(yàn)網(wǎng)的美國(guó)蒙特雷灣海洋研究所在復(fù)雜科學(xué)儀器的研究上具有代表性：蒙特雷海底寬帶地震觀測(cè)站（Monterey Ocean-floor Broadband Seismic Station，MOBB）［45］是深海地震探測(cè)的先驅(qū)；水下低感光攝像機(jī)（Eye In The Sea，EITS）采用遠(yuǎn)紅外光源觀測(cè)深海發(fā)光生物，開(kāi)辟了觀測(cè)深海動(dòng)物的新途徑；海洋酸化試驗(yàn)系統(tǒng)（Free Ocean Carbon Dioxide Enrichment System，F(xiàn)OCE）［46］通過(guò)控制CO2濃度調(diào)節(jié)海底培養(yǎng)器中的pH值，原位觀測(cè)海洋生物在水體酸化下的變化；深海激光拉曼光譜儀（Deep-Ocean Raman In Situ Spectrometer，DORISS）［47］可同時(shí)測(cè)量多種海水元素，并首次在海底實(shí)現(xiàn)了水合物的原位測(cè)量；環(huán)境樣品處理器（Environmental Sample Processor，ESP）［48］將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于海水的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集非連續(xù)水樣并富集微生物后，自動(dòng)應(yīng)用分子探針技術(shù)，通過(guò)三明治雜交分析直接檢測(cè)rRNA，鑒別是屬于細(xì)菌、古菌、藻類還是無(wú)脊椎動(dòng)物，能夠用于海洋生物災(zāi)害預(yù)警。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研單位也研制了一些原位科學(xué)儀器，但總體上比國(guó)外起步晚，尚待重大創(chuàng)新的出現(xiàn)。

深海探測(cè)和太空探測(cè)具有相似性，都是離人類生活的環(huán)境過(guò)于遙遠(yuǎn)和不同，因此不少任務(wù)適合利用水下機(jī)器人去執(zhí)行［5］。水下機(jī)器人主要有自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、水下滑翔機(jī)（Glider）、遠(yuǎn)程遙控運(yùn)載器（Remote Operated Vehicle，ROV）和海底爬行車(chē)（Seafloor Rover）等。觀測(cè)網(wǎng)還將推動(dòng)各類水下機(jī)器人的發(fā)展，水下機(jī)器人可通過(guò)連接至觀測(cè)網(wǎng)上的接駁塢（Docking Station）實(shí)現(xiàn)水下充電、上傳數(shù)據(jù)和下載指令［49］，可構(gòu)成活動(dòng)式的海底實(shí)驗(yàn)室，從而將固定式觀測(cè)網(wǎng)持續(xù)充裕電能和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)和活動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性和靈活性結(jié)合起來(lái)［50， 51］。

2　國(guó)外觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)展

觀測(cè)網(wǎng)的前身是海底觀測(cè)站，均建設(shè)于二十世紀(jì)末，主要有美國(guó)的長(zhǎng)期生態(tài)觀測(cè)站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15）［52］、夏威夷水下地學(xué)觀測(cè)站（Hawaii Undersea Geo-Observatory，HUGO）［53］、夏威夷2號(hào)觀測(cè)站（Hawaii-2 Observatory，H2O）［54］、馬薩葡萄園島海岸觀測(cè)站（Martha’s Vineyard Coastal Observatory，MVCO）［55］等。相對(duì)纜系觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)站的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，為封閉式設(shè)計(jì)，供電能力和通信帶寬極為有限，因此只能支持少量低功耗傳感器，使得其功能較為單一，靈活性和擴(kuò)展性較差。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海底觀測(cè)站逐漸發(fā)展為小規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)，比較典型的有美國(guó)MARS［56］、加拿大維多利亞海底試驗(yàn)網(wǎng)（Victoria Experimental Network Under the Sea，VENUS）［57］和美國(guó)ALOHA觀測(cè)網(wǎng)［58］。除了自身的科學(xué)目標(biāo)以外，這些小規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)也是大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)備的試驗(yàn)場(chǎng)所。由美國(guó)蒙特雷灣海洋研究所負(fù)責(zé)管理的MARS觀測(cè)網(wǎng)如圖3所示，其主纜長(zhǎng)約52公里，具有一個(gè)帶8個(gè)濕插拔接口的海底主基站，布放點(diǎn)水深約為891米，采用-8kVDC左右電壓源供電，最大輸出功率為9kW，數(shù)據(jù)通信總帶寬為1Gb/s，每個(gè)接口可提供375V或48V直流電和100Mb/s通信帶寬，于2009年開(kāi)始運(yùn)行［56］。加拿大維多利亞大學(xué)負(fù)責(zé)管理的VENUS有兩條獨(dú)立的海纜：一條海纜長(zhǎng)約3km，采用-400VDC左右電壓源供電，通信總帶寬為1Gb/s，只有一個(gè)水深95m處的海底主基站，于2006年開(kāi)始運(yùn)行；另一條海纜長(zhǎng)約40km，采用-1.2kVDC左右電壓源供電，通信總帶寬為1Gb/s，擁有分別在水深175m 和300m處的兩個(gè)海底主基站，于2008年開(kāi)始運(yùn)行。美國(guó)夏威夷大學(xué)負(fù)責(zé)管理的ALOHA觀測(cè)網(wǎng)位于Oahu島北部100km處，水深4800m，于2011年開(kāi)始運(yùn)行。由于ALOHA觀測(cè)網(wǎng)采用的退役海纜內(nèi)含有需要恒流供電的光中繼器，因此其采用該中繼器允許的、較其正常工作電流稍高的1.6A恒流源供電，可提供約1200W總電能和100Mb/s通信帶寬［58］。

圖3　典型的小規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)（www.mbari.org/mars）

目前世界上已初步建成的較大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)主要有三個(gè)：加拿大西北太平洋時(shí)間序列觀測(cè)網(wǎng)（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE）［59］、美國(guó)海洋觀測(cè)計(jì)劃（Ocean Observatory Initiative，OOI）的區(qū)域網(wǎng)部分［60］和日本地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET）［61］。此外，日本海溝海底地震海嘯觀測(cè)網(wǎng)（Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench，S-net）即將建成［62］，歐洲多學(xué)科海底觀測(cè)網(wǎng)（European Multidisciplinary Seafloor Observatory，EMSO）也正在建設(shè)中［63］。其中，美國(guó)OOI區(qū)域網(wǎng)早期和NEPTUNE Canada統(tǒng)稱為NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)，原計(jì)劃用數(shù)千公里的光電復(fù)合通信海纜，覆蓋北美太平洋岸外的整個(gè)胡安·德·夫卡（Fuan de Fuca）板塊，將數(shù)千個(gè)海底觀測(cè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，對(duì)水層、海底和地殼進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè)［36］。

加拿大NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)位于Juan de Fuca板塊北部，其示意圖見(jiàn)圖4，于2009年正式啟用，其具體科學(xué)命題有板塊動(dòng)力學(xué)、氣候變化、海洋生產(chǎn)力、海洋資源、突發(fā)事件和自然災(zāi)害等。NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)的海纜長(zhǎng)度約為920km（主干纜約800km、分支纜約120km），觀測(cè)范圍從水下17m至2660m，將科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回陸地后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并向公網(wǎng)發(fā)布，其數(shù)據(jù)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均在Web 2.0環(huán)境下開(kāi)發(fā)。為提高供電和通信的可靠性，NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)型拓?fù)?，采用最?10kVDC電壓源供電，通信總帶寬為10Gb/s。NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)現(xiàn)有5個(gè)海底主基站，可至少再擴(kuò)展5個(gè)海底主基站（包括Middle Valley），每個(gè)海底主基站可提供的最大功率約為9kW，并擁有6個(gè)儀器平臺(tái)接口［64］。

圖4　加拿大NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)示意圖（www.oceannetworks.ca）

美國(guó)OOI觀測(cè)網(wǎng)位于Juan de Fuca板塊中南部，其示意圖見(jiàn)圖5（a），可分為區(qū)域網(wǎng)（Regional Scale Nodes，RSN）、近岸網(wǎng)（Coastal Scale Nodes，CSN）和全球網(wǎng)（Global Scale Nodes，GSN）三大部分，用于長(zhǎng)期高分辨率地觀測(cè)關(guān)鍵海洋參數(shù)，其主要科學(xué)主題是海氣交換、氣候變化、大洋循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、湍流混合、水巖反應(yīng)、洋中脊的各種過(guò)程、地球內(nèi)部構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)等［8］。其中，CSN和GSN主要采用錨系和水下機(jī)器人等觀測(cè)工具，而RSN為纜系觀測(cè)網(wǎng)，是OOI中技術(shù)難度最大的部分。由于經(jīng)費(fèi)暫時(shí)縮減，RSN的結(jié)線方式從網(wǎng)型、環(huán)形直至當(dāng)前的鏈形，海底節(jié)點(diǎn)數(shù)隨之減少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之簡(jiǎn)化，待未來(lái)不斷擴(kuò)展。現(xiàn)階段RSN總長(zhǎng)約為900km，將采用最高-10kVDC電壓源供電，通信總帶寬為10Gb/s至40Gb/s，共在3000m水深范圍內(nèi)布設(shè)7個(gè)海底主基站，每個(gè)海底主基站可提供的最大功率為8kW，其示意圖如圖5（b）所示。RSN的主干海纜分成兩條：一條經(jīng)過(guò)中板塊通到主軸火山節(jié)點(diǎn)；另一條通過(guò)水合物區(qū)連接俄勒岡長(zhǎng)久陣列。

2003年，日本海洋科技界提出建造大規(guī)模的先進(jìn)實(shí)時(shí)海底區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area，ARENA），計(jì)劃采用網(wǎng)型拓?fù)涓采w整個(gè)日本周?chē)Ｓ?，海纜長(zhǎng)達(dá)3600km，每50km布放1個(gè)海底主基站，共有4個(gè)海岸基站和66個(gè)海底主基站，具有良好的容錯(cuò)能力、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性［65］。ARENA觀測(cè)網(wǎng)甚至計(jì)劃未來(lái)延伸至阿留申群島并連接至NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)，從中國(guó)東海延伸至菲律賓海，后因財(cái)政問(wèn)題被擱置。由于日本處在板塊之交和俯沖帶上的大地震多發(fā)區(qū)，針對(duì)其地理特點(diǎn)凝聚觀測(cè)目標(biāo)后，后又提出在日本以南海域分期建造DONET觀測(cè)網(wǎng)，主要用于地震、海嘯等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。DONET觀測(cè)網(wǎng)于2011年完成第一期DONET1，具有1個(gè)海岸基站、5個(gè)海底主基站和20個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)。目前第二期DONET2也已基本完成，具有2個(gè)海岸基站、7個(gè)海底主基站和29個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，并在DONET1上增加了兩個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，如圖6（a）所示［66］。由于海底負(fù)荷較為單一，DONET觀測(cè)網(wǎng)采用恒流供電，最高供電電壓約為3kV，其觀測(cè)節(jié)點(diǎn)之間相距只有15—20km，地震儀、壓力計(jì)等多種儀器分布較為密集，能夠精確監(jiān)測(cè)不同程度的地震、海嘯和板塊形變等［66］。此外，2011年?yáng)|京大地震后，日本立項(xiàng)建設(shè)的S-net觀測(cè)網(wǎng)也即將全部建成并投入使用，其具有6個(gè)海岸基站，共150個(gè)相距30—50km的地震海嘯觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，海纜總長(zhǎng)達(dá)5700km，規(guī)模超過(guò)原ARENA觀測(cè)網(wǎng)，采用DONET類似的組網(wǎng)技術(shù)，如圖6（b）所示［62］。S-net為目前全球規(guī)模最大的海底地震海嘯觀測(cè)網(wǎng)，其規(guī)模是現(xiàn)有NEPTUNE Canada和OOI RSN等綜合性科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的數(shù)倍，但儀器種類單一、個(gè)數(shù)相對(duì)較少，且?guī)缀跬耆珵榉忾]式設(shè)計(jì)，因此其實(shí)際海底總負(fù)荷反而要比NEPTUNE Canada和OOI RSN小至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5　美國(guó)OOI觀測(cè)網(wǎng)示意圖（www.oceanleadership.org）

圖6　日本防災(zāi)觀測(cè)網(wǎng)圖片來(lái)源: 文獻(xiàn)［62］。

圖7　歐洲EMSO觀測(cè)網(wǎng)示意圖（www.emso-eu.org）

歐洲的觀測(cè)網(wǎng)最初源自高能物理研究，稱為“中微子望遠(yuǎn)鏡”，用于探測(cè)和追蹤來(lái)自宇宙的中微子。近十年來(lái)，主要由意大利地球物理與火山學(xué)研究所圍繞其自治式觀測(cè)站GEOSTAR系列推動(dòng)歐洲觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展［7］。基于GEOSTAR技術(shù)的NEMO-SN1是歐洲第一個(gè)準(zhǔn)纜系觀測(cè)網(wǎng)，其通過(guò)長(zhǎng)約25km的海纜與中微子觀測(cè)系統(tǒng)NEMO聯(lián)網(wǎng)，而并未連接至陸地［67］。本世紀(jì)初歐洲提出的EMSO觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃包含十多個(gè)觀測(cè)子網(wǎng)，將覆蓋北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測(cè)巖石圈、生物圈、水圈以及自然災(zāi)害等［63］。EMSO觀測(cè)網(wǎng)的最大水深超過(guò)5000m，初步估計(jì)海纜總長(zhǎng)達(dá)5000km以上，其示意圖見(jiàn)圖7。因各種原因，EMSO觀測(cè)網(wǎng)的進(jìn)展相對(duì)緩慢。

觀測(cè)網(wǎng)按總體結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)放式和封閉式兩類。開(kāi)放式觀測(cè)網(wǎng)可根據(jù)科學(xué)需求不斷升級(jí)，在ROV協(xié)助下靈活更換或擴(kuò)展各種科學(xué)儀器，甚至連接浮標(biāo)、潛標(biāo)以及AUV、Glider等移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，從而有針對(duì)性地開(kāi)展各類海底原位實(shí)驗(yàn)，科學(xué)用戶多、科學(xué)應(yīng)用廣；而封閉式觀測(cè)網(wǎng)的科學(xué)儀器較為單一，不具有擴(kuò)展性或具有極為有限的擴(kuò)展性，功能升級(jí)難、應(yīng)用面較窄。用于多學(xué)科綜合海洋觀測(cè)的科學(xué)網(wǎng)為開(kāi)放式觀測(cè)網(wǎng)，如美國(guó)OOI RSN觀測(cè)網(wǎng)、加拿大NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)和歐洲EMSO觀測(cè)網(wǎng)等；用于國(guó)防的軍事網(wǎng)和用于防災(zāi)減災(zāi)的專用網(wǎng)則為封閉式觀測(cè)網(wǎng)，如日本的DONET觀測(cè)網(wǎng)和S-net觀測(cè)網(wǎng)，其中DONET觀測(cè)網(wǎng)具有一定的擴(kuò)展性。總體上，開(kāi)放式觀測(cè)網(wǎng)較封閉式觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)難度更大、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和工程風(fēng)險(xiǎn)更高。

3　國(guó)內(nèi)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)展

從2005年起，我國(guó)開(kāi)始關(guān)注國(guó)外觀測(cè)網(wǎng)的進(jìn)展［68］。2008年和2011年，兩屆海底觀測(cè)網(wǎng)國(guó)際研討會(huì)在同濟(jì)大學(xué)召開(kāi)，交流國(guó)際建設(shè)觀測(cè)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，探討我國(guó)建設(shè)觀測(cè)網(wǎng)的方向。2012年，第一屆海底觀測(cè)科學(xué)大會(huì)在同濟(jì)大學(xué)召開(kāi)，交流國(guó)內(nèi)外海底觀測(cè)的科研成果和經(jīng)驗(yàn)，研討我國(guó)觀測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和實(shí)施戰(zhàn)略，探索適于我國(guó)海域特色和實(shí)際需求的建設(shè)之路。十一五期間，在國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)課題的資助下，同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國(guó)海洋大學(xué)等單位開(kāi)展了纜系海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和組網(wǎng)設(shè)備的研制，研制的國(guó)內(nèi)首個(gè)海底觀測(cè)節(jié)點(diǎn)在美國(guó)MARS觀測(cè)網(wǎng)上成功進(jìn)行了為期6個(gè)月的深海并網(wǎng)試驗(yàn)［69］。2009年4月，同濟(jì)大學(xué)建成了我國(guó)第一套海底觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)——東海海底觀測(cè)小衢山實(shí)驗(yàn)站，位于洋山國(guó)際深水港東南約20公里的小衢山島附近，在2010年記錄到智利大地震引發(fā)海嘯對(duì)東海近岸的影響［70］。同期，中科院在南海布設(shè)了數(shù)十公里長(zhǎng)的海底光纖觀測(cè)陣列。十二五期間，在國(guó)家“863”計(jì)劃重大課題的資助下，國(guó)內(nèi)多家涉海單位聯(lián)合建設(shè)小規(guī)模的東海和南海觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，上海市科委同期投資建設(shè)“東海海底觀測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)”一期工程，目前已部分試運(yùn)行或開(kāi)展海試，為我國(guó)全面建設(shè)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)一步積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。在近十年的研究基礎(chǔ)上，作為我國(guó)的重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，“國(guó)家海底長(zhǎng)期科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)”大科學(xué)工程也已立項(xiàng)，預(yù)計(jì)其海纜總長(zhǎng)達(dá)1500km以上，其目標(biāo)是建設(shè)大規(guī)模的東海和南?？茖W(xué)觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)東海陸架區(qū)和南海海底及水柱環(huán)境的長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)和高分辨率的立體觀測(cè)，獲取中國(guó)兩大邊緣海的海洋學(xué)過(guò)程的主要特征，并服務(wù)于海洋工程實(shí)驗(yàn)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋漁業(yè)保護(hù)、海洋災(zāi)害預(yù)測(cè)、海洋科普教育以及國(guó)防安全等多方面的綜合需求。

觀測(cè)網(wǎng)的海底核心組網(wǎng)裝備主要有海底主基站、觀測(cè)儀器平臺(tái)和安裝有中繼器/分支器的海纜等。同濟(jì)大學(xué)研制的一種海底主基站和一種觀測(cè)儀器平臺(tái)分別如圖8和圖9所示。其中，海底主基站主要包含海底高壓直流變換器和海底控制與通信系統(tǒng)兩大功能單元，以及包括海纜終端光電分離器、外部負(fù)載濕插拔連接器、接海陰極和防拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)等功能模塊；觀測(cè)儀器平臺(tái)主要由SIIM和若干科學(xué)傳感器/儀器組成，按實(shí)際科學(xué)需求設(shè)計(jì)的具體形態(tài)多種多樣，滿足接口規(guī)范要求的SIIM之間還可級(jí)聯(lián)來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展觀測(cè)范圍。海底主基站與儀器平臺(tái)之間以及SIIM與某些獨(dú)立布放的觀測(cè)儀器之間，通常采用可通過(guò)ROV在海底直接操作的濕插拔連接器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)相互間供電和通信的接駁，如圖10所示。

圖8　同濟(jì)大學(xué)研制的一種海底主基站

圖9　同濟(jì)大學(xué)研制的一種觀測(cè)儀器平臺(tái)

圖10　一種濕插拔連接器及ROV的海底操作

值得一提的是，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)近年提出并已開(kāi)始建設(shè)媽祖（MArine Cable Hosted Observatory，MACHO）觀測(cè)網(wǎng)，如圖11所示。由于臺(tái)灣位于琉球俯沖帶和馬尼拉俯沖帶之間的環(huán)太平洋地震帶上，將近70％的地震分布在陸地地震網(wǎng)以外的海域中，因此MACHO觀測(cè)網(wǎng)的初期目標(biāo)為監(jiān)測(cè)外海地震、海底山崩引起的海嘯和緊鄰臺(tái)灣的南沖繩海槽海底火山活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)，而長(zhǎng)期目標(biāo)為監(jiān)測(cè)各種海洋要素［71］。MACHO觀測(cè)網(wǎng)的一期工程啟動(dòng)于2011年，海纜長(zhǎng)約為45km，輸電電壓約為-1kVDC，有一個(gè)位于水深300m處的海底主基站，安裝有寬頻地震儀、短周期地震儀、海嘯計(jì)、鹽溫深儀和水聽(tīng)器等觀測(cè)儀器。未來(lái)MACHO觀測(cè)網(wǎng)將逐漸延伸海纜至約450km，形成環(huán)型拓?fù)洌⒃黾又?個(gè)海底主基站。

圖11　我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)MACHO觀測(cè)網(wǎng)（scweb.cwb.gov.tw/macho-web）

4　總結(jié)和展望

目前國(guó)內(nèi)科研單位已基本突破了纜系海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，研制成功了大部分核心組網(wǎng)裝備的試驗(yàn)樣機(jī)，但離長(zhǎng)期高可靠性的實(shí)際工程化應(yīng)用尚有不少距離。因此針對(duì)觀測(cè)網(wǎng)這一創(chuàng)新性的科學(xué)工具，目前尚有不少方面需要深入研究，為將來(lái)的大規(guī)模建設(shè)做好充分準(zhǔn)備。

（1）為了降低大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)的工程風(fēng)險(xiǎn)，必須加強(qiáng)全周期的可靠性管理，從各類基礎(chǔ)元器件、材料、零件直到整個(gè)系統(tǒng)，開(kāi)展各個(gè)層次的可靠性分配、分析和試驗(yàn)。在試驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，制定和優(yōu)化工藝流程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高海底組網(wǎng)設(shè)備的電能變換效率和功率密度，實(shí)現(xiàn)滿足觀測(cè)網(wǎng)高可靠性的工程化產(chǎn)品。同時(shí)積累組網(wǎng)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)，制定合理的維修策略，建立更為完善的可靠性模型。

（2）建立大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室模擬平臺(tái)，并基于高頻開(kāi)關(guān)直流變換器的非線性特性，深入研究由大量高壓-中壓-低壓變換器級(jí)聯(lián)形成的海底大規(guī)模DC DPS的穩(wěn)定性分析方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在線分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、故障情況和穩(wěn)定裕量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）把海洋能的利用與大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，形成智能化的海底直流微電網(wǎng)和信息網(wǎng)，將是未來(lái)觀測(cè)網(wǎng)的多樣化發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)ROV對(duì)觀測(cè)網(wǎng)的支撐作用和維護(hù)能力，針對(duì)科學(xué)需求開(kāi)發(fā)各類固定式和活動(dòng)式海底原位實(shí)驗(yàn)室，并加強(qiáng)針對(duì)海量科學(xué)數(shù)據(jù)的分析和處理方法研究。

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Progress of Scientific Cabled Seafloor Observatory Networks

Lü Feng， Zhou Huaiyang
（School of Ocean and Earth Science， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Scientific cabled seafloor observatory networks （SCSONs） will be a powerful tool for oceanography research. This paper reviews the state-of-the-art of cabled SCSONs’ five critical technologies， i.e.， undersea high-voltage direct-current transmission and distribution， undersea high-voltage high-frequency dc-dc conversion，undersea remote power monitoring and control， undersea long haul information transmission， and in-situ scientific instrument laboratories. The progress of SCSONs around the world is summarized， and the future perspective of SCSONs is also discussed.

Keywords:scientific cabled seafloor observatory networks； undersea high-voltage direct-current transmission and distribution； undersea high-voltage high-frequency dc-dc conversion； undersea remote power monitoring and control； undersea long haul information transmission； in-situ scientific instrument laboratories

中圖分類號(hào):P715.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）02-0139-16

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00139

收稿日期：2015-12-03； 修回日期： 2016-02-06

作者簡(jiǎn)介：呂楓（1983-），男，博士，助理教授，研究方向?yàn)楹５子^測(cè)網(wǎng)。E-mail: LF@#edu.cn