观测网的总体结构

观测网的关键基础设施（Critical Infrastructure）主要可分为海底电力系统和海底通信系统两大部分。其中，海底电力系统状态数据需通过海底通信系统传输，而海底通信系统设备需依赖海底电力系统供电。当前国内外观测网的总体物理结构基本如图9-2所示，由各类原位观测传感器/仪器/机器人、观测仪器适配器（Science Instrument Interface Module，SIIM，次接驳盒）、海底主基站（主接驳盒）、光电复合通信海缆（安装有海底中继器和海底分支器）、海岸基站和远程控制中心等部分组成，具有供电、通信、监控和授时四大功能。其中，SIIM与各类传感器和仪器可组成观测设备平台，通常针对特定的科学目标，代表一个较为集中的海底观测节点。

图9-2 观测网的总体物理结构（吕枫，2012）

观测网的运行周期通常要求在25年以上，且主干网核心部件基本要求免更换和免维护。而观测网主要位于海底，特别是深海海底，特殊的地理位置加上天气、海况和船时的限制，导致其研制、布放和维修的难度大、周期长、成本高。组网设备的可靠性要求越高，则研制和试验的成本越昂贵，而预算通常是较为有限的，因此必须从可靠性和经济性两方面折中考虑。可见，大规模观测网的规划和建设是个复杂的系统工程，而其总体设计原则是，在满足科学需求的前提下，确保足够的可靠性、灵活性和扩展性，并尽量降低其运行周期内全寿命成本，即建设和维护维修的总成本。由于观测网在海底特殊环境下运行，存在较高的技术风险和工程风险，而解决观测网的关键技术是降低各类风险的前提条件。

9.1.1 海岸基站

海岸基站是陆地系统与海底系统之间的枢纽，通常为无人值守，且可远程控制。其通常具有两路独立的三相电力输入、后备发电机组和不间断电源提供整个观测网的可靠供电。馈电设备（Power Feeding Equipment，PFE）将工频三相交流电转换为负高压直流电，并具有电压调节、电压显示、电流显示、过流保护、缺相保护和远程控制等功能。三层核心交换机组建海岸基站局域网络，数据缓存服务器、精确授时系统、网络管理系统、网络防火墙、监控工作站、海缆光链路监控系统、海缆电力监控系统和海岸基站安全监控系统均通过该局域网互联，并有网络管理系统和网络防火墙管理和监控整个海岸基站局域网的通信状态。数据缓存服务器可缓存数月连接至该海岸基站的观测网的数据。北斗GPS精确授时系统用于确保整个观测网通过网络获得统一的时间标准，使得后期海量数据分析和信息融合成为可能。海缆光链路监控系统用于实时监控海缆光纤、中继器和分支器等的运行状态，并在光通信系统故障情况下定位故障点。海缆电力监控系统用于实时监控海缆供电、海底主基站和观测设备平台等的供电状态，并在电力系统故障情况下定位故障点。海岸基站安全监控系统用于监控无人值守的海岸基站在日常运行中的安全性。此外，海岸基站需设置多组阳极，便于在不中断观测网运行的情况下更换因腐蚀损坏的阳极，阳极可采用接地或接海的方式。海岸基站应选址在地质稳定和安全的环境，应有严格温湿和盐雾控制，且尽量靠近海边，以减少光电复合缆登陆段长度，并便于牺牲阳极的施工掩埋。

9.1.2 光电复合海缆

观测网适合采用在远距离跨洋通信系统中普遍应用的电信工业标准光电复合通信海缆，以降低海缆研制和海底布网的成本，并便于今后将不断退役的商用通信海缆用于海底观测。通过海岸基站和主干海缆可提供给观测网（-10k VDC）/10A左右的电能。

图9-3 光电复合通信海缆多种铠装方式

图9-3为国际跨洋通信系统中采用的典型光电复合通信海缆，不同的铠装结构用于不同的海底环境，从里到外依次为光纤、不锈钢光纤护套、内铠装钢丝、铜管、绝缘层、外铠装钢丝和外被层。海缆的功能单元为光纤和铜管，分别用于数据传输和电能输送。为增大光电复合通信海缆的中继距离，减少中继器的使用，提高观测网传输容量，需选用低损耗光纤。我国的海缆已通过国家级鉴定并取得国际UJ，UQJ认证。

9.1.3 海底主基站

海底主基站将从主干网获得的负高压直流电变换为中压375VDC，可提供电能总功率通常为数千瓦。海底主基站的总通信带宽通常不小于2Gbps，并将从主干网获得的通信带宽分配到各个观测设备平台接口，可采用电缆通信或光纤通信，并监控所有内部负载和外部负载的用电和通信情况，通过故障检测、诊断和隔离实现系统自动保护。各个观测设备平台接口的通信带宽总和不得超过海底主基站可提供的总通信带宽。

海底主基站主要包含若干安装有功能单元的钛合金耐压密封腔体、若干光/电湿插拔水密连接器、海缆终端光电分离器、防拖网结构和接海阴极等，功能单元主要为高压 中压直流变换器、中压 低压直流变换器组和通信与控制系统等。中压 低压直流变换器组主要用于海底主基站内部负载和监控电路的供电。海底主基站通过接海阴极与海岸基站的接地阳极构成海水供电回路。海底主基站的功能单元和防拖网框架可为整体式设计或分体式设计，均有一定的优缺点，适用于不同的场合。若采用整体式设计，则整个海底主基站与海缆一同布放；若采用分体式设计，则防拖网框架和海缆同时布放，而功能单元通过ROV布放和回收。图9-4和图9-5分别为海底主基站的功能框图和一种结构示意图。

图9-4 海底主基站的功能框图

图9-5 海底主基站的一种结构示意图（ht-tp：//oceanobservato-ries.org/）

海底主基站的外部负载接口采用水密湿插拔连接器，若采用光缆通信，为节约成本，通常在光缆两端安装光电转换器后，再连接到接口上。若采用电缆通信，仪器水密缆长度需小于100m；若采用光缆通信，仪器水密缆长度一般最长可达数十千米（与光通信模块功率和负载功耗有关）。需额外考虑通信中水密缆的传输损耗和水密连接器的连接损耗。通过检测接口电压和电流（包括供电电流、接地电流和浪涌电流）进行负载供电管理。数据传输主要采用TCP/IP协议，所有命令、状态和科学数据包遵循CI的格式要求。时间同步主要采用SNTP，NTP和PTP协议。

海底主基站内部的电能监控系统通过检测腔体内的环境参数、直流变换器的工作状态和内外部负载的用电情况，诊断系统故障并采取相应的保护措施，同时根据优先级管理内外部负载供电。所有模拟量和数字信号分别通过A/D转换模块和数字I/O模块送到相应的PMACS主控制器或辅控制器，经过信号处理和分析后判断系统是否有过压、过流、过温和接地等故障。对于可恢复故障，通过断电重启相应电路模块等措施及时排除，引导故障系统重新进入正常工作状态。对于不可恢复故障，则关闭故障模块并启动备用系统，并将故障信息发送给海岸基站。为提高用能效率，PMACS按照用户设定的负载优先级自主管理负载供电，在端口最大功率和系统总功率的范围内，设备按照优先级顺序得到所需电能，优先级低的负载在电能不足的情况下最先考虑关闭。

实际经验表明，供电线路的接地故障是海底装备的常见故障之一。海底主基站和观测节点之间的连接采用可插拔的水密连接器和水密缆组件，这些机电装备均长期工作在高水压和强腐蚀性的海底环境中，由于海水为良导体，因此可能发生供电线路的接地故障。造成接地故障的直接原因主要有：海水侵入水密连接器公头和母头之间；水密缆组件长期运行中发生磨损或老化，导致绝缘能力下降。若海底装备在存在接地故障的情况下长期运行，可能导致水密连接器、水密缆组件、框架结构和耐压密封腔体等金属部件的加速腐蚀，最终损坏海底装备。因此，对于海底主基站而言，监测外部负载供电线路的接地故障非常重要。

9.1.4 观测设备平台

观测设备平台将从扩展缆获得的中压375VDC变换为低压48VDC，24VDC，12VDC等，其稳态总功率受海底主基站相应观测仪器适配器接口的输出功率限制，并将从扩展海缆获得的通信带宽分配到各个观测设备接口。每个海底主基站的观测范围可覆盖方圆数十千米的海底区域，其观测能力是通过连接到海底主基站的数个观测设备平台实现的。

观测设备平台由观测设备适配器（SIIM）和多种原位观测设备组成。观测节点需满足海底主基站的接口规范；具有一定的容错能力，能检测、诊断和隔离故障传感器和故障部件；可通过科研型ROV进行布放、回收和维护；支持双向通信，通过海岸基站控制台可远程监控系统状态和实时获取科学数据。