海洋论坛▏海底观测网发展现状及趋势研究
海底观测网可称为地球系统的第三个观测平台。海底观测网中包括压力计、地震检波器、温度传感器、叶绿素传感器、二氧化碳传感器、深度计、盐度计、浊度计、重力计、流速计、水下摄像机等，将不同传感器或设备集成在一个节点并实现规模化拓展以实现区域性观测目的。建成海底信息观测网是目前海洋科学、海洋生态研究、国家安全分析以及自然灾害预防的发展需求，而调查船方式已经不再能够满足海洋信息收集的需要，因此美国、日本以及欧洲各国斥巨资建设海底观测网，并在水下机器人、水下传感器、海洋大数据中心以及水下安全等领域取得了领先地位。我国的海底观测网发展起步虽晚，与世界领先水平也还存在一定差距，但自国家“十一五”规划开始至今也取得了优秀的成绩，建成了台湾地区MACHO地震及海啸观测网、东海小衢山海底观测网、东海摘箬山观测网以及南海深海海底观测实验系统等网络。
文中重点分析了国外海底观测网建设发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状，并对国内外海底观测网的发展趋势进行了总结。
一、国外海底观测网发展现状
大范围跨区域布置地震检波器和深度计，用来构建海底地震观测网络和海啸预警网络，这一类型的最典型网络是日本的地震海啸预警观测网络，其密集地分布在地震海啸海底观测网DONET系统中，由20个观测点扩展（图1（a）），每个观测点都配备地震观测系统、压力计以及海底水温传感器等，其中宽频带地震计和强震计型号分别为Guralp CMG3和Metrozet TSA100S。DONET主干网络建设采用双端供电以及中继放大的能量、信息传递方式。
（a）DONET网络分布（b）日本海沟地震海啸观测网
图1 日本的海底观测网
而2011年3月日本海域9.0级地震并引发海啸袭击日本后，日本更是进一步开展地震及海啸预警网（图1（b））建设，覆盖整个日本海沟，共5个登陆点，具备150个海底观测节点、5800km长连接光缆。网络节点中所采用的地震计包括3种类型，分别为JA-5 TypeIIIA 加速度计（Japan Aviation Electronics Industry，Ltd.）、OMNI-2400型速度计（Geospace Technologies）和数字单轴高灵敏度加速度计（Digital Quarts Instrument, Ltd.）。其中JA-5型加速度计已经在海底观测网中有超过连续20a持续运行的应用经验。海啸的预警观测采用的是由美国Paroscientific公司提供高精度海底压力计。网络建设及维护由经验丰富的日本电气股份有限公司（NEC）及韩国的kt submarine公司承担。网络中典型节点如图2(d)所示，封装设备尺寸为φ34cm×224cm，节点内部含有压力计、地震计、光放大模块、电源供应模块、通信控制单元。
图2 日本地震及海啸预警网络中应用的传感器及设备节点
日本的地震海啸观测网整体结构以回路线缆结构为主，配备仪器设备辐射节点，主要节点地震及海啸监测设备均采用领域内领先产品，同时也开展新技术的开发及应用。在新型传感器应用层上，日本的Yugo Shindo等也曾报道采用光纤迈克尔逊干涉仪结构的大规模加速度计阵列用于地震测量，并成功记录了2001年的一次地震事件。新技术仪器或传感器可以在网络中实现验证比对，对领域内产品更新以及科技发展起到推进作用。
区域尺度海底综合观测网NEPTUNE和近岸尺度观测网VENUS构成了北美最具代表性的海底观测网络，是当前最具代表性的海底观测平台，这两个网络都已并入到加拿大海洋观测网（Ocean Networks Canada Observatory）中统一管理。维多利亚海底实验网络（Victoria Experimental Network Under the Sea, VENUS）是一个基于线缆的海洋观测网，该网络位于不列颠哥伦比亚省海岸外，通过光电复合缆连接到数据中心。VENUS的Saanich Inlet一期建设水深100m，由一个离岸4km的单一节点构成，可支持多达8个水下仪器接口模块（SIIM）。VENUS的第二阶段网络建设在乔治亚海峡（Strait of Georgia），由离岸距离30 km和40km的2个节点构成，水深分别为300m和170m，每个节点可支持多达8 个水下仪器接口模块（SIIM）。加拿大的NEPTUNE综合海底观测网则是以其线缆覆盖范围最大、仪器种类众多而成为世界上第一个区域尺度线缆海洋观测网络，于2009年开始提供实时数据。
该网络位于不列颠哥伦比亚省温哥华岛西海岸，并横跨胡安·德富卡板块（Juan de Fuca Plate），覆盖范围约200000km2，仪器种类达130多种，其分布示意图如图3(a)所示，整个网络共有6个节点、分布在浅海至深海区域。法国Alcatel Submarine Network、美国L3 MariPro、英国的Texcel Technology共同设计并制造了NEPTUNE综合网中的6个防拖网结构主节点及其模块，主节点装配后总重量13t，主节点的输入电压为10kV-DC，输出为400V，0～20A，负电压接地，配备电流持续负载单元以防止主干缆断开导致电能无法持续供应的现象，每个主节点配备6个湿插拔接口可供仪器设备成阵或拓展，每个接口具备双向16GB/s光以太网链接和高达9kW（400V-DC）电能。
图3 NEPTUNE网络分布及相关设备
加拿大的Oceanworks公司为其设计建造了14个高能力的水下仪器接口模块SIIM，典型应用在3000m水下环境中，这些SIIM可支持多达10个仪器设备链接其中，每个连接口都配备400V，48V，24V及15V直流供应以及10/100以太通信网口。其水下湿插拔连接头由Teledyne ODI公司研制生产，其400m垂直剖面系统由日本的NGK Ocean公司设计及制造，用来记录海水内的物化作用。对地震波的观测也采用多种地震检波器如CMG-1T 宽频带地震计、Maris地震计、Silicon Audio超低噪声地震计等。Vemco研制的声学发射器以及水声接收器用于海洋生物声学跟踪。
NEPTUNE网络所产生的数据量为每年至少50TB，目前已经积累了10a的数据量，数据种类众多且允许公开访问。这些数据直接支撑了板块构造研究、地震动力学、海洋气候对生态系统影响等领域的深入研究，并可满足公共用户对海洋的猎奇愿望。
对于我国的综合海洋观测网络建设而言，NEPTUNE网络极具参考价值。
⑴OOI计划海底观测网在北美洲的海洋观测
网除了NEPTUNE之外，还有美国海洋观测计划（Ocean Observatories Initiative, OOI）发展下建立的网络集合。OOI的合作单位由伍兹霍尔海洋研究所、俄勒冈州立大学、华盛顿大学、罗格斯大学、雷声公司等海洋领域权威机构组成。该计划已经在美洲大陆架邻近海域内建立了6个观测站，由美国国家科学基金会（NSF）提供资助，其中以线缆为主干网络的区域缆线阵列（RCA）也是铺设在胡安·德富卡板块上（图4），传感器设备已经超过140种，其主干网络具备10kV，8kW的电能供应以及10GbE的双向通信带宽。
图4 OOI海底线缆观测网
RAC网络中有7个主节点，每个主节点都可提供8kW功率、10GbE通信带宽以及授时脉冲，并于2014年起全部平稳运行。水下次级接驳盒（Junction Box）由UW RCA应用物理学实验室研制，每个次级接驳盒都具备8个传感器连接端口，每个端口具备电源（12、24及48V-DC）、10/100Mbps以太网通信、RS232、RS485以及精准授时（授时精度约为10μs）。其生物学声呐采用线缆型主动声呐，型号为Kongsberg Simrad EK60；其宽频带水听器采用被动声呐，阵元数量为6个，型号为Ocean Sonics icListen HF宽频带水听器；其低频水听器阵列频率范围2Hz～20kHz，型号为Ocean Sonics icListen LF水听器。其水下摄像机型号为SubC 1Cam，以高像素、高帧率状态提供实时水下影像信息；其海底压力计型号为Sea-Bird54。网络中还有一种由UW 应用物理学实验室研制的新型仪器——水平回声测声仪（HPIES），该仪器利用海底压力传感器、12kHz翻转式回声仪、水平静电计对海水的竖直方向流场信息进行测量。OOI-RCA网络所用设备参见图5。
图5 OOI-RCA网络中所用的部分设备
⑵美国MARS网络在北美区域的海洋观测
网络除了NEPTUNE以及OOI计划线缆观测网以外，还有美国的蒙特雷加速研究系统海底观测网（MARS）（参见图6（a））。
（a）网络结构示意图（b）海底远距离布缆机
图6 MARS观测网结构以及水下远距离线缆铺设机
MARS为北美地区的海底设备验证提供加速平台，该网络只包括一个水下主节点，节点的重量为2100kg，体积为4000L，具备8个端口，每个端口配备400VDC、48VDC、1pps精度时标信号和一个100baseT以太网通信路径，并可对每个端口的功率和带宽通过软件（MBARI 2005）进行限制。该节点水深891m，离岸与岸基站间海缆长度52km，在部署主节点100m范围内的设备时只需要简单的水下ROV布设即可，而超过100m的需要采用线缆布设设备MBARI 线缆布设机（参见图6（b）），该设备可携带对7.6mm规格线缆5km。
MARS网络为深海应用的新设备提供电能和数据通信，允许科研工作者设计新的海洋观测仪器以快速进行深海试验。MARS也为我国的海洋网络发展提供了加速验证的平台。2011年4月，同济大学牵头的科研团队将一个次级接驳盒以及两个传感器集成终端连接在MARS主节点上进行6个月的实验验证，铺设工具为MARS的ROV Ventana，所有仪器设备一次性铺设成功并工作正常，重点验证了海底能源供应、线缆通信、水下离子色谱原位分析技术、海洋动力环境监测等技术。中国节点的测试验证了我国海底观测网的基本功能，为中国的海洋观测网构建进行了关键性验证。当前，MARS网络（图7）正在测试的系统有3种，分别是用于长期监测海底地形变化的地震传感器模块（GSSM）、记录无光状态下生物荧光的项目，以及记录海洋生物、自然过程以及人类活动的海洋声背景系统。
图7 MARS当前开展的项目
MARS海底观测网络加速了北美（主要是美国和加拿大）海底应用技术及设备的发展进程，是其海底观测领域研究保持领先的关键因素，也为我国以海底线缆连接的观测网提供了技术验证平台和发展思路借鉴。
欧洲的海底观测网络EMSO是以早期的ESONET为基础而建立的，由分布在从北极圈到黑海范围的12个关键区域网络集合而成（图8（a）），各个区域网络规模配备不同，主体上分成以线缆为能源、数据传输基础的实时观测网络（图8（b））, 以及以浮标平台为基站的准实时传输的观测网（图8（c））。
图8 EMSO关键站点分布及主要结构示意图
最终目标是实现欧洲范围内深海多学科观测研究的集成，加强欧洲海洋观测网的科学技术力量。该网络由14个国家的50多个研究机构共同管理，也正是因为其机构众多，网络分布及其功能侧重点不同，导致其整体发展速度与美国、加拿大、日本的海底观测网相比较为缓慢。2012年底，EMSO网络建设结束了其第一阶段的准备工作，建成了永久式观测站点，目前正处于数据管理及机构管理统一过渡阶段。
在EMSO网络平台上已经部署验证的传感器有宽带3-C地震仪（Guralp CMG1T）、磁力计（GEMSystem）、重力仪、水听器、高精度海底压力计、差分压强计、声学多普勒流速剖面仪ADCP、3分量流速计、CTD（Seabird）、透射仪、浊度计、气体传感器（Capsum）、化学分析仪、辐射计、自动水体采样计（图9）。
（a）装备的潜标（b）通信浮标（c）水气体监测模块
图9 EMSO网络中所用设备
各个子站点网络根据其节点特性需求，配备的设备及传感器的规模也不同。例如，北极节点（图10（a））处于北冰洋冰层融化流入大西洋关键带上，主要目标是长期跟踪北大西洋和北冰洋交汇处的环境变化，实验验证控制深海生物多样性的关键因素；黑海观测网（图10（b））位于欧亚大陆最大的区域型海洋，主要观测目标是环境问题研究、自然灾害影响、深海区域气体监测；伊比利亚观测网（图10（c））位于欧亚大陆和非洲板块结合海底隆起处，此处地质活动频繁，主要观测目标是对地震活动进行监测。
（a）北极网络（b）黑海网络（c）伊比利亚网络
图10 ESONET网络中的3个子网络
位于欧亚大陆交汇位置的塞浦路斯也于2012年前在地中海上建成了海啸预警及响应系统网络（TWERC）第一期工程（图11）。网络所在深度约1900m，海底光电缆总长度255km，共5个海底节点，1个锚系平台以及1个海水接地阳极。该网络建设由美国Csnet 国际有限公司以及Harris Cap Rock通讯公司承接设计建设。采用浮标为通信基站的理念，将节点所收集的信息进行准实时传输，主节点由Ocean Works设计生产，水下设备主要是地震计以及海啸传感器。
（a）网络概念图（b）网络铺设路线图（c）主节点以及浮标
图11 TWERC网络
从世界先进的海底观测网的发展现状可以看出，其先进的海底观测网络建设促进了海洋科学、水下仪器装备以及自然灾害预报等领域的发展，形成了以线缆为基础的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网络两种模式的海底观测网。网络规模既有可用于加速验证水下系统能力的单节点网络，又有区域尺度综合海洋观测网，还有以浮标平台为远海节点的准实时数据传输海底观测网络。单节点网络可加速进行新型设备及传感器的水下验证，区域尺度网络用于加速多学科发展和提升灾害预警能力，而浮标平台网络作为补充，铺设在远海区域。降低阶段建设成本是国外海底观测网络的发展趋势。
二、我国海底观测网发展现状
从国外的海洋观测网建设中可以看出，海洋观测网的建设和发展离不开国家和地方的大力支持。我国的海洋观测网从“十一五”期间开始规划，“十二五”期间进行建设，“十三五”期间大力发展。海洋观测网研究及建设的主要单位有台湾大学、同济大学、中国科学院声学研究所、中船重工第715研究所、亨通集团有限公司等单位，重点参与建设了中国东海、南海区域的海洋观测网及海上平台工程以及国际联合海洋观测项目。建成了以海底地震及海啸预警为主要目标的中国台湾地区水下观测网（MACHO）、中国东海小衢山海底观测系统、中国东海摘箬山海底观测系统，以及中国南海陵水基地“南海海底观测网实验系统”等。
中国台湾地区MACHO观测网借鉴了日本DONET的建设方案，于2007年开始规划，由日本电气股份有限公司（NEC）承建，2011年年底投入使用。该网络规模登陆点位于台湾省宜兰县，系统的总的能源供应为1kV，传输带宽大于2GByte。光缆长度约45km，水深在300m以内，主干缆尾部采用分支单元（branch unit，BU）分成两根，一根作为海洋地以构成海水中电能供应回路，另一根链接终端设备（terminating equipment）（转接功能）、转接缆与水下观测仪器并负责打包仪器数据。一个4端口节点可以用来链接各种水下仪器，节点具备网络集线、能源供应、时钟同步以及双向通信功能。能源供应能力高达600V，数据带宽为622Mbps。水下节点和观测平台的部署、连接均采用ROV 进行。地震传感器配备宽频带地震仪型号为CMG-3TC，Guralp生产；强震计为TSA-100s，METROZET生产。压力计用来检测海水压力的变化用以监测海啸，压力计的类型是石英晶体频率输出型。此外还接有CTD记录仪、水听器这两种。该网络目前主要用于区域背景噪声研究以及灾害预警研究等。MACHO网络结构图如图12所示。
图12 中国台湾地区MACHO网络结构图
中国东海海底观测网络以小衢山海底观测网和摘箬山海底观测网为代表。2009年同济大学建成的小衢山海底观测实验试点由1.1km长的光电复合缆、一个具备防拖网结构的水下功能箱（junction box）、一个水上平台、一个CTD、浊度计以及声学多普勒剖面仪（ADCP）组成。2011年获上海科技委资助升级建设为综合海底观测网，对水下设备、能源供应以及数据传输方面进行了升级，增加了浊度计、地震计、水下视频设备、CO2传感器等信息收集设备及传感器；数据传输方式采用多路CDMA数据输出技术和大容量无线数据传输技术；增加了太阳能板并完善能源供应技术;光缆长度750km，平均水深至50m。浙江大学2014年建成了摘箬山海底观测网实验平台，重点研究并突破了海底接驳盒工程技术，该技术也保障了上文提及的中国节点在美国MARS网络中的验验证。
2013年5月，三亚海底观测示范系统开始投入运行，该系统由岸基站、2 km 光电复合缆、1个主接驳盒、1个次级接驳盒、3套观测设备、1个声学网关节点与3个观测节点组成，实现了水声通信与海底线缆观测网的对接，接驳盒的布放深度为20m。
2016年9月，中国科学院声学所牵头的“南海深海海底观测实验系统”建成，该系统于2012年开始建设，浙江大学、中天科技、同济大学等共计12家单位参与，铺设长度约150km，深度达1800m。
图13 2017年立项的海底科学观测网项目示意图
东海和南海的典型网络证明了我国海底观测网的基础建设能力，为后续进一步的海洋观测网络发展应用提供了加速验证的平台，试验系统网络的建设也为2017年正式立项的海底观测大工程项目奠定了基础。2017年，海底科学观测网项目（图13）获得国家发改委支持，总投资逾21亿元人民币，规划时间为5a，计划在东海和南海关键海域建设基于光电复合缆的海底科学观测网，并由同济大学与中科院声学所分别负责东海以及南海子网络的建设工作，拟建设成为我国的首个开放式综合海底观测网络。该项目的确立也标志着我国海底观测网的全面集中建设的正式开启。
与EMSO观测网、日本地震及海啸预警观测网、加拿大NEPTUNE 综合观测网以及美国OOI 计划发展海底观测网相比，我国的海底观测网起步晚了约10年之久。就海洋建设能力而言，国内的海底光电复合缆供应单位有中天科技、亨通集团、通光集团等单位，这些单位在海底光电缆生产及海洋工程建设方面积极参与并积累了一些工程经验。在海底观测网的设备供应领域内，主接驳盒、次级接驳盒、电源供应模块等系列产品设备在我国国内还处于样机研制供应阶段。但由同济大学、浙江大学、中科院声学所等单位共同研制的中国节点在美国MARS网络进行测试的结果表明，我国的海底观测网设备科技能力已经达到国外同等水平，东海的小衢山海底观测网以及摘箬山海底观测网已经具备海洋观测网设备验试验的能力。在此基础上，通过国家层面的大力支持，以及与国际一流海底观测网的深入交流学习，可以预见我国海底科学观测网将于2022年底建成，我国的综合海底观测网技术水平可以实现多学科覆盖、海洋大数据处理能力以及海洋仪器装备等领域高速发展。
三、海底观测网发展趋势
通过分析国内外的海底观测网建设现状可以看出，海底观测网的主要发展模式是以线缆为基础的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网络互补模式。典型的线缆系统采用光电复合缆铺设技术，ROV辅助节点布放，根据布设区域离岸距离以及规模大小可以分成近岸线缆观测系统（距离岸基站小于10km）、海岸线线缆观测系统（距离岸基站在10～200km之间）以及区域线缆观测系统（距离岸基站大于200km）3类。
测量传感器和观测仪器多以领域内领先水平的设备为主，并为新型设备留有标准湿插拔链接端口，为新技术的实验提供可靠平台。以浮标平台为关键节点的准实时数据传输海底观测网络多铺设在离岸较远（>200km）的深海区域，浮标平台为海底观测系统提供能源以及通讯（移动通讯及卫星通讯），其能源选择可以采用太阳能以及风力发电形式，而数据传输形式多为准实时模式。相比大规模的线缆式海底观测网，以浮标平台为关键点的准实时观测网可以提供更多的能源选择以及容错能力。单节点网络加速验证新型设备及传感器的水下能力，区域尺度网络用于加速多学科发展和提升灾害预警能力，而浮标平台网络作为补充，铺设在远海区域。降低阶段建设成本是海底观测网络的整体发展趋势。
四、总结
本文详细介绍了当前最典型海底观测网的建设发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状，对国内外海底观测网的发展趋势进行了总结。重点介绍了日本海底地震及海啸观测网、加拿大海洋观测网、美国的OOI计划海底观测网、欧洲海底观测网，以及以浮标为通信基站的塞浦路斯海啸预警网，详细介绍了各个网络的主要功能以及设备类型，并对我国海底观测网发展的现状进行了详细介绍。通过比较，可以看出我国的海底观测网建设成功借鉴了国外海底观测网的建设经验：我国台湾地区的海底观测网借鉴了日本地震及海啸预警网络建设经验；东海小衢山观测网以及摘箬山观测网成功借鉴了美国MARS 海底观测网以及加拿大VENUS观测网，可作为我国的海底观测网设备加速验证平台，加快我国的海底观测网络发展；而2017年立项的海底观测大工程项目成功借鉴了加拿大NEPTUNE以及美国OOI计划。由此，通过对我国海底观测网的发展趋势进行分析，可预测至2022年底，我国规模化综合海底科学观测网将建成。最后，对海底观测网的整体发展趋势进行了总结，认为未来海底观测网将按照以线缆为基础的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网络的互补模式进行发展。单节点网络加速进行新型设备及传感器的水下验证，区域尺度网络用于加速多学科发展并提升灾害预警能力，而浮标平台网络作为补充，铺设在远海区域。降低阶段建设成本，将是海底观测网络的整体发展趋势。
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【作者简介】文/陈建冬 张达 王潇 潘筱屹 王策男 张自丽 葛辉良，均来自杭州应用声学研究所。第一作者陈建冬，1985年出生，男，博士，工程师，主要研究方向为光纤传感技术及海底观测网应用等；通讯作者葛辉良，1972年出生，男，博士，研究员，主要研究方向为光纤传感技术、水声通信技术、海底观测网应用等。本文来自《海洋技术学报》（2019年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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